DE68923941T2

DE68923941T2 - Verfahren und Gerät zur Messung der Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung.

Info

Publication number: DE68923941T2
Application number: DE68923941T
Authority: DE
Inventors: Konomu Hirao; Naoki Inamoto
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: US5057695A; JPH06103257B2; EP0374844B1; JPH02163634A; DE68923941D1; EP0374844A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, bei denen Licht von der Oberfläche einer Substanz aus in deren Inneres eingestrahlt wird und nachdem es im Inneren der Substanz gestreut worden ist, das Licht an einem Punkt auf der Substanzoberfläche empfangen wird, um dadurch Veränderungen der Lichtintensität entsprechend der Natur des Inneren der Substanz zu messen.
Wenn der Grad der Sauerstoffsättigung des Blutes oder des Gewebes eines vorbestimmten Teils eines lebenden Körpers gemessen wird, ist es möglich, den Reduktions- oder Oxidationszustand von Hämoglobin (Hb) des Blutes im Gewebe zu kennen. Auf der Grundlage eines derartigen Zustands kann der Stoffwechsel des Organs beurteilt werden.
In diesem Zusammenhang ist eine Vielfalt von Verfahren zur richtigen Messung des oben genannten Grades der Sauerstoffsättigung vorgeschlagen worden. Von diesen hat unlängst ein optisches Verfahren öffentliche Aufmerksamkeit erregt, welches imstande ist, eine derartige Messung ohne Verletzung eines lebenden Körpers durchzuführen. Gemäß diesem optischen Meßverfahren werden Strahlen im nahen Infrarotbereich, die für einen lebenden Körper weniger gefährlich sind, in einen lebenden Körper eingestrahlt, und nachdem es im lebenden Körper gestreut worden ist, wird das Licht empfangen, um den zusammengesetzten Lichtabsorptionsgrad durch Oxyhämoglobin (HbO&sub2;) und reduziertes Hämoglobin (Hb) im lebenden Körper zu messen. Gemäß diesem Verfahren kann man das Verhältnis der Bestandteile von HbO&sub2; zu Hb erhalten.
Spezieller unterscheiden sich die molekularen Absorptionskoeffizienten von HbO&sub2; und Hb bei jeder Wellenlänge voneinander. Der zusammengesetzte molekulare Absorptionskoeffiezent von HbO&sub2; und Hb des lebenden Körpers bei jeder Wellenlänge wird als ein Wert betrachtet, der im Bereich zwischen dem molekularen Absorptionskoeffizienten von HbO&sub2; und dem molekularen Absorptionskoeffizienten von Hb liegt. Durch Messung eines derartigen Wertes kann auf ein ungefähres Verhältnis der Bestandteile von HbO&sub2; zu Hb geschlossen werden. Wenn dieser Wert zum Beispiel in der Nähe des molekularen Absorptionskoeffizienten von HbO&sub2; liegt, bedeutet dies, daß HbO&sub2; ein dominanter Bestandteil ist. Wenn dieser Wert in der Nähe des molekularen Absorptionskoeffizienten von Hb liegt, bedeutet dies andererseits, daß Hb ein dominanter Bestandteil ist.
Jedoch kann dieses Verfahren nicht den von der Gesamtmenge an Hämoglobin auf die molekularen Absorptionskoeffizienten ausgeübten Einfluß eliminieren. Dementsprechend wird der isobestische Punkt der Lichtabsorptionsspektren von HbO&sub2; und Hb als Standard verwendet.
Spezieller weisen die Lichtabsorptionsspektren von HbO&sub2; und Hb in der Nähe von 800 nm einen isobestischen Punkt auf, wie in Figur 12 dargestellt. Im Bereich von Wellenlängen, die länger als 800 nm sind, ist der molekulare Absorptionskoeffizient von HbO&sub2; größer als der molekulare Absorptionskoeffizient von Hb, während im Bereich von Wellenlängen, die kürzer als 800 nm sind, der molekulare Absorptionskoeffizient von Hb größer ist als der molekulare Absorptionskoeffizient von HbO&sub2;. Durch Messung der molekularen Absorptionskoeffizienten bei anderen Wellenlängen, wobei die molekularen Absorptionskoeffizienten im isobestischen Punkt als Standard dienen, kann das Verhältnis der Bestandteile von HbO&sub2; zu Hb, d.h. der Grad der Sauerstoffsättigung von Blut ungeachtet der Menge an gemessenem Blut erhalten werden. Vor und hinter dem isobestischen Punkt existiert ein äquibestisches Paar und ein kontrabestisches Paar. Wenn die molekularen Absorptionskoeffizienten an diesen Punkten gemessen werden, kann man den Zustand von Blut mit größerer Genauigkeit erhalten.
Ein erster Stand der Technik, der von Bedeutung ist, ist die EP-A-0 286 142, welche, vergleiche die begleitenden Figuren 13 und 14, einen Reflexionsoxymetriesensor offenbart, umfassend: eine Strahlenquelleneinrichtung zum Beaufschlagen eines Gewebes 40, 50 eines lebenden Körpers mit einem ersten und zweiten Strahl 11, 12 einer Wellenlänge, die aufgrund einer Veränderung der Sauerstoffsättigung von Hämoglobin im Blut des besagten Gewebes eine Veränderung der Extinktion zur Folge hat; einem dritten und vierten Strahl 13, 14 einer anderen Wellenlänge, die keine Veränderung der Extinktion zur Folge hat; sowie einem fünften und sechsten Strahl 15, 16 einer weiteren Wellenlänge, die aufgrund von Veränderungen einer Hämoglobinmenge und einer Sauerstoffsättigung eine relativ kleine Veränderung der Extinktion zur Folge hat;
ein Strahlempfangseinrichtung 17 zum Erfassen des aus dem besagten Gewebe 40, 50 reflektierten ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Strahls;
eine Auswertungseinrichtung, um Intensitäten des aus den besagten Geweben reflektierten ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Strahls auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion auszuwerten; und
ein Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben von Ergebnissen der Auswertung der besagten Auswertungseinrichtung.
Die sechs Strahlen können durch lichtemittierende Dioden erzeugt werden. Figur 13 zeigt, wie das von der Diode 13 eingestrahlte Licht nur an der Hautschicht 40 entlangtritt, weil der Abstand d1 ziemlich klein ist, während das von der Diode 14 eingestrahlte Licht durch die Haut 40 hindurch und in die Schicht 50 unter der Haut eintritt, weil d2 im Vergleich zu d1 relativ groß ist. Es wird festgestellt, daß zu einem beliebigen Zeitpunkt nur ein Diodenpaar, beispielsweise das Paar 13, 14 verwendet wird, und dies ermöglicht es, mittels der Auswertungseinrichtung Probleme zu eliminieren, die mit der Farbe der Haut und Störungen im Blutkreislauf aufgrund des Andrucks des Sensors im Zusammenhang stehen.
Ein zweiter Stand der Technik von Bedeutung ist die EP-A-0 104 772, welche, vergleiche die begleitende Fig. 15, eine Sondenvorrichtung für eine Verwendung mit einem optischen Oxymeter zum Erhalt von Daten über das Blut eines Patienten offenbart und ein Band zum Herumwickeln um den Finger eines Patienten umfaßt, auf dem zwei lichtemittierende Dioden 10, 20 wie dargestellt im Abstand von einem Lichtsensor 30 angebracht sind. Die Dioden emittieren Licht in einem engen Wellenlängenbereich, insbesondere weist ein Licht eine Wellenlängenemission im infraroten Bereich des Spektrums auf, und die andere Lichtquelle weist eine Wellenlängenemission im roten Bereich des Spektrums auf. Mit der Sonde ist eine Kodiereinrichtung verbunden, um dem Oxymeter auf den bekannten Wellenlängen Informationen zu liefern, wobei eine Einrichtung vorhanden ist, um die besagte Kodiereinrichtung und lichtemittierenden Einrichtungen lösbar mit dem Oxymeter zu verdrahten.
Ein dritter Stand der Technik von Bedeutung ist die US-A-4 222 680, welche, vergleiche die begleitenden Figuren 16 und 17, ein Gerät zur spektralphotometrischen Bestimmung des Reflexionsvermögens zum Messen einer sauerstoffabhängigen Aktivität eines Körperorgans offenbart. Licht aus einer Infrarotquelle 22, Fig. 16, wird durch eine Faseroptikbündel- Einheit 26 geleitet, Fig. 17, die beispielsweise gegen die Haut- und Knochenstruktur 5 des Kopfs eines Patienten angelegt wird. Ein Teil des Lichts, das durch die graue Hirnsubstanz 6 oberhalb der weißen Hirnsubstanz 7 hindurchdringt, wird nach oben durch ein mittiges Faserbündel 27 innerhalb der Einheit 26 reflektiert, vergleiche Figur 17, um einen Bezugsdetektor 35 zu aktivieren. Ein Teil des durch den Patienten hindurchdringenden Lichts wird von einem Meßdetektor 41 aufgefangen. Die Ausgangsgrößen des Bezugsdetektors 35 und des Meßdetektors 41 werden einer Verarbeitungsschaltung 45 zugeführt, die ein Signal abgibt, das anzeigt, ob der Sauerstoffgehalt in der grauen Hirnsubstanz ausreichend ist.
Gemäß dem oben beschriebenen dritten Stand der Technik, der genannt worden ist, kommen die Stirnflächen von zwei Kondensorfasern jeweils mit zwei Punkten der Oberfläche eines lebenen Körpers in Berührung, und der reflektierte oder hindurchgeleitete Anteil des Lichts, das aus einer Kondensorfaser in den lebenden Körper eingestrahlt wird, wird von der anderen Kondensorfaser empfangen. Das derart empfangene Licht wird von einem Photosensor erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann einer Verarbeitung unterzogen wird.
Dieses Verfahren weist die folgenden Probleme auf.
Das heißt, es ist schwierig, zu bewirken, daß die Kondensorfasern bei jeder Messung exakt mit einem vorbestimmten Teil eines lebenden Körpers in Berührung treten. Tatsächlich sind die Faserberührungspunkte im Hinblick auf ihre Lage stets von den Teilen eines lebenden Körpers weg verschoben, mit denen die Fasern in Berührung treten sollten. Durch eine derartige Lageabweichung finden Schwankungen von der Art (wie beispielsweise der Hautfarbe, der Menge an subkutanem Fett), die dem gemessenen Teil eigen sind, nachteilhafterweise Eingang. Dies verschlechtert die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung bereitzustellen, die imstande sind, ungeachtet des Unterschieds einer Vielfalt von Meßbedingungen, wie beispielsweise des Unterschieds von zu messenden Punkten, eine zuverlässige Messung mit guter Reproduzierbarkeit erzielen.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, umfaßt ein erstes Verfahren zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte:
aufeinanderfolgendes Einstrahlen von Licht mit einer gemeinsamen Wellenlänge an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten, die in Bezug zu einem Lichtempfangspunkt auf der Oberfläche der besagten Substanz im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade von den besagten Einstrahlpunkten bis zu dem besagten Lichtempfangspunkt voneinander unterscheiden; wobei der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlpunkten kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Einstrahlpunkte und dem besagten Lichtempfangspunkt;
Empfangen des eingestrahlten Lichts an dem besagten Lichtempfangspunkt;
Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten, welche den jeweiligen Einstrahlungen entsprechen; und
Messen von inneren Eigenschaften der besagten Substanz; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch eine erste Vorrichtung zum Durchführen des besagten ersten Verfahrens, wobei die besagte erste Vorrichtung umfaßt:
eine Lichteinstrahleinrichtung zum Einstrahlen von Licht mit einer gemeinsamen Wellenlänge an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten, die in Bezug zu einem Lichtempfangspunkt auf der Oberfläche der besagten Substanz im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade von den besagten Einstrahlpunkten bis zu dem besagten Lichtempfangspunkt voneinander unterscheiden; wobei der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlpunkten kürzer ist als der Abstanz zwischen jedem der besagten Einstrahlpunkte und dem besagten Lichtempfangspunkt;
eine Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen des eingestrahlten Lichts an dem besagten Lichtempfangspunkt, und
eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten, um dadurch Informationen über innere Eigenschaften der besagten Substanz zu liefern; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.
Die Erfindung umfaßt auch ein zweites Verfahren zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, wobei das besagte zweite Verfahren die Schritte umfaßt:
Einstrahlen von Licht von einem Einstrahlpunkt auf der Oberfläche der besagten Substanz aus;
Empfangen des besagten Lichts an einer Mehrzahl von Lichtempfangspunkten, die in Bezug zu dem besagten Lichteinstrahlpunkt im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade von dem besagten Einstrahlpunkt bis zu den besagten Lichtempfangspunkten voneinander unterscheiden; wobei der Abstand zwischen benachbarten Lichtempfangspunkten kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Lichtempfangspunkte und dem besagten Einstrahlpunkt;
Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten an den besagten Lichtempfangspunkten; und
Messen von inneren Eigenschaften der besagten Substanz; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertsspunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.
Die Erfindung umfaßt auch eine zweite Vorrichtung zum Durchführen des besagten zweiten Verfahrens; wobei die besagte zweite Vorrichtung umfaßt:
eine Lichteinstrahleinrichtung zum Einstrahlen von Licht an einem Einstrahlpunkt auf der Oberfläche der besaagten Substanz;
eine Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen des besagten Lichts an Lichtempfangspunkten, die in Bezug zu dem besagten Lichteinstrahlpunkt im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade von dem besagten Einstrahlpunkt aus voneinander unterscheiden; wobei der Abstand zwischen benachbarten Lichtempfangspunkten kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Lichtempfangspunkte und dem besagten Einstrahlpunkt; und
eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten an den besagten Lichtempfangspunkten, um dadurch Informationen über innere Eigenschaften der besagten Substanz zu liefern; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.
Wie aus dem obigen ersten und zweiten Verfahren deutlich wird, kann die Lagebeziehung des Lichtempfangspunkts und der Einstrahlpunkte beim ersten Verfahren umgekehrt werden, um das zweite Verfahren hervorzubringen. Spezieller wird beim zweiten Verfahren Licht von einem Einstrahlpunkt auf der Oberfläche einer Substanz aus eingestrahlt, und das Licht wird an einer Mehrzahl von Lichtempfangspunkten empfangen, die in Bezug zum Einstrahlpunkt im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade vom Einstrahlpunkt bis zu den Lichtempfangspunkten voneinander unterscheiden.
Der Ausdruck "wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade voneinander unterscheiden" bezieht sich auf den Zustand, in dem sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade zwischen den Einstrahlpunkten und dem Lichtempfangspunkt voneinander unterscheiden, ungeachtet dessen, ob die physikalischen Abstände dazwischen dieselben sind oder sich voneinander unterscheiden.
Gemäß dem ersten Verfahren und der ersten Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung der vorliegenden Erfindung, wird Licht aufeinanderfolgend an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten eingestrahlt, die in Bezug zum Lichtempfangspunkt auf der Oberfläche der Substanz im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade zum Lichtempfangspunkt voneinander unterscheiden, und das jeweils eingestrahlte Licht wird am Lichtempfangspunkt empfangen. In diesem Fall unterscheiden sich die Lichtempfangsdaten am Lichtempfangspunkt aufgrund des Unterschieds der wesentlichen optischen Streuungspfade zwischen den Einstrahlpunkten und dem Lichtempfangspunkt voneinander.
Der Grund dafür liegt darin, daß die wesentlichen optischen Streuungspfade zwischen den Einstrahlpunkten und den Lichtempfangspunkten über ihren größten Teil gemeinsam verlaufen, jedoch wird ihre Länge in der Nachbarschaft der Einstrahlpunkte unterschiedlich, da die Einstrahlpunkte in Bezug zum Lichtempfangspunkt im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind. Indem man sich den Unterschied von Lichtempfangsdaten verschafft, kann man dementsprechend die innere Eigenschaft der Substanz auf der Grundlage des Längenunterschiedes der optischen Streuungspfade messen. Mit anderen Worten werden die Informationen über die inneren Eigenschaften der Substanz im größten Teil der optischen Streuungspfade gegenseitig ausgelöscht, und es können nur die Informationen über die inneren Eigenschaften der Substanz in der Nachbarschaft der Einstrahlpunkte entnommen und die Eigenschaften gemessen werden.
Dementsprechend beseitigt ein derartiger Auslöschvorgang den größten Teil von Fehlerfaktoren, die beim Stand der Technik entlang des optischen Streuungspfades erzeugt werden, wo von einem einzigen Einstrahlpunkt aus eingestrahltes Licht an einem einzigen Lichtempfangspunkt empfangen wird. Somit lassen sich Informationen über die inneren Eigenschaften der Substanz nur in der Nachbarschaft der Einstrahlpunkte mit hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit entnehmen.
Wie vorangehend beschrieben, können das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Messen der inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung die inneren Eigenschaften einer Substanz mit Hilfe des Unterschieds von Lichtempfangsdaten messen, die durch den Längenunterschied der wesentlichen optischen Streuungspfade zwischen einem einzigen Lichtempfangspunkt und einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten oder zwischen einer Mehrzahl von Lichtempfangspunkten und einem einzigen Einstrahlpunkt erzeugt werden. Dementsprechend kann man zuverlässige gemessene Daten von inneren Eigenschaften mit guter Reproduzierbarkeit erhalten, obwohl sich die Meßbedingungen der Substanz, wie beispielsweise die zu messenden Teile, voneinander unterscheiden.
Obwohl die Lagebeziehung zwischen dem Lichtempfangspunkt und den Einstrahlpunkten umgekehrt ist, können die Informationen über die inneren Eigenschaften der Substanz im größten Teil der optischen Streuungspfade gegenseitig ausgelöscht werden, und nur die Informationen über die inneren Eigenschaften der Substanz in der Nachbarschaft des Lichtempfangspunktes lassen sich entnehmen. Somit kann man die gleichartigen Betriebsergebnisse erhalten.
Die oben genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein einziger Lichtempfangspunkt und eine Mehrzahl von Lichteinstrahlpunkten auf der Oberfläche einer Substanz angeordnet sind;
Figur 2 ist eine Ansicht von optischen Pfaden bei der Ausführungsform in Figur 1;
Figur 3 ist ein doppeltlogarithmisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen einer empfangenen Lichtmenge und dem Abstand L zwischen einem Lichtempfangspunkt und einem Lichteinstrahlpunkt veranschaulicht;
Figur 4 ist eine schematische Ansicht von optischen Pfaden bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein einziger Einstrahlpunkt und eine Mehrzahl von Lichtempfangspunkten auf der Oberfläche einer Substanz angeordnet sind;
Figur 5 ist eine schematische Ansicht von optischen Pfaden bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Einstrahlpunkte und ein Lichtempfangspunkt jeweils auf den entgegengesetzten Oberflächen einer Substanz angeordnet sind;
Figur 6 ist ein Schaubild, welches die empfangene Lichtmenge veranschaulicht, die man mißt, wenn der Abstanz zwischen einem Einstrahlpunkt und einem Lichtempfangspunkt verändert wird;
Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht, die veranschaulicht, wie man eine Messung unter Verwendung der Vorrichtung zum Messen der inneren Eigenschaften einer Substanz gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt;
Figur 8 und Figur 9 sind Schaubilder, welche Meßergebnisse vor und nach einer Unterbrechung der Durchblutung veranschaulichen;
Figur 10 und Figur 11 sind Schaubilder, welche die Ergebnisse von Messungen veranschaulichen, die zu unterschiedlichen Zeiten an derselben Person vorgenommen wurden; und
Figur 12 ist ein Schaubild, welches die Lichtabsorptionsspektren von HbO&sub2; und Hb veranschaulicht.
Die Figuren 13 bis 17 veranschaulichen Ausführungsformen des Standes der Technik, die in der Beschreibung gewürdigt sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung wird nun die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten, Ausführungsformen der Erfindung zeigenden Zeichnungen ausführlich erörtern.
Fig. 1 ist eine Ansicht, welche eine grundlegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Fig. 1 sind Strahler 2a, 2b und ein Lichtempfänger 3 zum Empfangen der Lichtquanten, die durch einen lebenden Körper hindurchtreten, nachdem sie von den Strahlern 2a, 2b eingestrahlt worden sind, angeordnet, wobei die Strahler 2a, 2b und der Empfänger 3 der Grenzfläche 1 von Gewebe eines lebenden Körpers zugewandt sind. Die Einstrahlpunkte A, B der Strahler 2a, 2b sind in Bezug zum Lichtempfangspunkt C des Lichtempfängers 3 im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet, derart, daß der Einstrahlpunkt B dem Lichtempfangspunkt C näher liegt als der Einstrahlpunkt A. Die Abstände zwischen dem Lichtempfangspunkt C und jedem der Einstrahlpunkte A, B sind passend eingestellt, derart, daß die Empfindlichkeiten der vom Lichtempfänger 3 empfangenen Lichtquanten erfaßt werden, und Einflüsse des von der Grenzfläche 1 des lebenden Körpergewebes reflektierten Lichts unberücksichtigt bleiben. Im besonderen wird die jeweilige Intensität des aus den Strahlern 2a, 2b in den Lichtempfänger 3 eintretenden Lichts geschwächt, wenn der Lichtempfangspunkt C übermäßig weit von den Einstrahlpunkten A, B getrennt ist, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis bei der Messung verschlechtert wird. Falls der Lichtempfangspunkt C übermäßig nahe an den Einstrahlpunkten A, B liegt, wird das von den Strahlern 2a, 2b jeweils abgestrahlte Licht unmittelbar von der Grenzfläche 1 des lebenden Körpergewebes reflektiert und tritt in den Lichtempfänger 3 ein. Dies bewirkt, daß die Meßsignale verhältnismäßig geschwächt werden. Um den Einfluß von derartigem reflektiertem Licht auszuschließen, werden die Hauptstrahlwinkel der Strahler 2a, 2b und des Lichtempfängers 3 so eng wie möglich eingestellt. Falls jedoch die Hauptstrahlwinkel zu eng sind, tritt ein hauptsächlicher Teil des jeweils von den Strahlern 2a, 2b abgestrahlten Lichts ins Innere des lebenden Körpers ein. Dies verhindert, daß eine ausreichende Lichtmenge den Lichtempfänger 3 erreicht.
Der Abstand AB ist kürzer als der Abstand AC zwischen dem Lichtempfangspunkt C und dem Einstrahlpunkt A oder der Abstand BC zwischen dem Lichtempfangspunkt C und dem Einstrahlpunkt B. Falls der Abstand AB dem Abstand AC oder dem Abstand BC im wesentlichen gleich oder länger als dieser ist, enthält das Ergebnis einer Messung der inneren Eigenschaften eines lebenden Körpers zwischen den Einstrahlpunkten A und B leicht einen Fehler, wie später erörtert wird, und es kann keine Reproduzierbarkeit von Messungen sichergestellt werden.
Es sind Vorkehrungen getroffen, derart, daß die Strahler 2a, 2b an eine Strahlersteuerschaltung 4 angeschlossen sind, und ein vom Lichtempfänger 3 geliefertes elektrisches Signal in eine Datenverarbeitungsschaltung 5 eingegeben wird.
Spezieller umfaßt der Strahler 2a: (i) einen Strahlerkörper 22a, der eine Lichtquelle, wie beispielsweise einen Halbleiterlaser, eine LED oder dergleichen einschließt, sowie (ii) ein Lichtlenkelement (zum Beispiel eine Linse) 21a, um das aus der Lichtquelle abgestrahlte Licht zu lenken. Desgleichen umfaßt der Strahler 2b einen Strahlerkörper 22b und ein Lichtlenkelement 21b. Der Lichtempfänger 3 umfaßt einen Lichtempfängerkörper 32, der einen Photodetektor, wie beispielsweise einen Phototransistor oder dergleichen und ein Lichtlenkelement 31 einschließt, um das von der Oberfläche 1 empfangene Licht zum Photodetektor zu lenken. Bei der oben genannten Ausführungsform können als Lichtlenkelemente 21a, 21b und 31 Kondensorfasern oder dergleichen verwendet werden. Bei der oben genannten Ausführungsform sind die Lichtlenkelemente 21a, 21b, 31 der Grenzfläche 1 des lebenden Körpergewebes zugewandt, wobei Zwischenräume dazwischen vorgesehen sind (vgl. Fig. 2). Jedoch können die Lichtlenkelemente 21a, 21b, 31 mit der Grenzfläche 1 des Lebendkörpergewebes in Berührung treten.
Wenn die Strahlersteuerschaltung 4 betrieben wird, um die Strahler 2a, 2b zu erleuchten, treten die Beleuchtungslichtquanten ins Innere der Grenzfläche 1 ein. Ein Teil dieser Lichtquanten wird ins Innere des lebenden Körpers geleitet und erreicht den Lichtempfänger 3. Insbesondere bewegt sich derjenige Teil des vom Strahler 2a abgestrahlten Lichts, der am Lichtempfangspunkt C erfaßt werden kann, vorwärts, während er innerhalb des lebenden Körpers gestreut wird und sich ausbreitet. Der optische Streuungspfad, wo sich dieses Licht unter Streuung vorwärtsbewegt, ist in Fig. 2 durch eine schraffierte Fläche Ra dargestellt. Ein Pfad pa aus diesem optischen Streuungspfad Ra heraus stellt einen optischen Pfad dar, durch den ein hauptsächlicher Teil des Lichts hindurchtritt, d.h. einen optischen Pfad, der die Mittelpunkte des gesamten Lichtstroms verbindet, welcher sich unter Streuung vorwärtsbewegt (wobei dieser Pfad pa im wesentlichen ein optischer Streuungspfad ist und nachfolgend einfach als optischer Streuungspfad bezeichnet wird). Desgleichen ist ein optischer Streuungspfad, wo das aus dem Strahler 2b abgestrahlte Licht den Lichtempfangspunkt C erreicht, mit Rb bezeichnet, und der optische Streuungspfad dieses Lichts ist mit pb bezeichnet.
Die Einstrahlpunkte A, B der Strahler 2a, 2b sind in Bezug zum Lichtempfangspunkt C des Lichtempfängers 3 im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet, und der Abstand AB ist kürzer als der Abstand AC oder der Abstand BC. Dementsprechend ist der optische Streuungspfad pa des Lichts, welches den Lichtempfänger 3 erreicht, nachdem es vom Strahler 2a abgestrahlt worden ist, überwiegend identisch mit dem optischen Streuungspfad pb des Lichts, welches den Lichtempfänger 3 erreicht, nachdem es vom Strahler 2b abgestrahlt worden ist. Jedoch weist der optische Streuungspfad pa im Vergleich zum optischen Streuungspfad pb zusätzlich einen Pfad auf, der dem Abstand AB entspricht. Im Vergleich mit dem Licht, das vom Strahler 2b abgestrahlt wird und den Lichtempfänger 3 erreicht, enthält dementsprechend das Licht, das vom Strahler 2a abgestrahlt wird und den Lichtempfäger 3 erreicht, zusätzlich Informationen über die inneren Eigenschaften des lebenden Körpers zwischen den Einstrahlpunkten A und B, insbesondere Informationen über die inneren Eigenschaften in der Nähe der Oberfläche des lebenden Körpers. Wenn das Licht, das vom Strahler 2a abgestrahlt wird und den Lichtempfänger 3 erreicht, erfaßt und in die Datenverarbeitungsschaltung 5 eingegeben wird, und das Licht, das vom Strahler 2b abgestrahlt wird und den Lichtempfänger 3 erreicht, erfaßt und in die Datenverarbeitungsschaltung 5 eingegeben wird, erfolgt dementsprechend eine vorbestimmte Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds zwischen beiden Erfassungssignalen, wobei man Daten über die inneren Eigenschaften des lebenden Körpers zwischen den Einstrahlpunkten A, B erhalten kann.
Der Intensitätsunterschied zwischen dem Licht, das vom Strahler 2a abgestrahlt wird und den Lichtempfänger 3 erreicht, und dem Licht, das vom Strahler 2b abgestrahlt wird und den Lichtempfänger 3 erreicht, wird mit zunehmendem Abstand zwischen den Einstrahlpunkten A und B größer. Dementsprechend wird der Unterschied zwischen beiden Erfassungssignalen größer. Infolgedessen kommen die Daten über die inneren Eigenschaften des lebenden Körpers zwischen den Einstrahlpunkten A und B deutlich heraus. Falls jedoch der Abstand AB übermäßig groß ist, werden die Arten und die Menge von Informationen über die inneren Eigenschaften des lebenden Körpers zwischen den Einstrahlpunkten A und B übermäßig vergrößert. Dies bewirkt, daß die Informationen in Form von Meßdaten eher unklar werden. Somit weist ein übermäßig großer Abstand AB den Mangel auf, daß genaue und reproduzierbare Meßdaten nicht erhalten werden können. Es ist daher erforderlich, den Abstand AB auf einen passenden Wert einzustellen.
Die nachfolgende Beschreibung erörtert ein Rechenverfahren, das angewandt wird, um auf der Grundlage des Unterschieds zwischen den vom Lichtempfänger 3 empfangenen Lichtdaten Informationen über die inneren Eigenschaften einer Substanz zu erhalten.
Fig. 3 ist ein doppeltlogarithmisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen einer empfangenen Lichtmenge (der Anzahl von Zählimpulsen eines Photovervielfachers) P und dem Abstand L zwischen einem Strahler und einem Lichtempfänger bei einer vorbestimmten Wellenlänge λ 1. Bei einem Abstand, der kürzer ist als ein vorbestimmter Abstand L&sub0;, weist die empfangene Lichtmenge P im Schaubild eine Zunahme auf. Man nimmt an, daß eine derartige Zunahme durch den Einfluß von Licht, das von der Gewebeoberfläche reflektiert wird, oder dergleichen hervorgerufen wird. Wenn der Abstand den vorbestimmten Abstand L&sub0; übersteigt, weist das Schaubild eine im wesentlichen lineare Linie auf. Dementsprechend werden zwei Punkte L1 und L2 ausgewählt, welche den vorbestimmten Abstand L&sub0; überschreiten, und die empfangenen Lichtmengen P11 und P21 an diesen Punkten werden gemessen. Wenn man den Logarithmus von jedem Wert nimmt, erhält man die folgenden linearen Gleichungen:
(1) log P11 = a1 log L1 + b1
(2) log P21 = a1 log L2 + b1
Die Differenz zwischen beiden Gleichungen wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
(3) log (P11/P21) = al log (L1/L2)
Messungen bei anderen Wellenlängen λ 2 und λ 3 werden in derselben Weise wie oben beschrieben durchgeführt, und man erhält die folgenden Gleichungen:
(4) log (P12/P22) = a2 log (L1/L2)
(5) log (P13/P23) = a3 log (L1/L2)
Durch Eliminieren von log (L1/L2) in jeder der Gleichungen (3) bis (5) kann man die Verhältnisse a1/a2 und a3/a2 erhalten.
Die folgende Beschreibung erörtert ein Verfahren einer prozentualen Absorption als ein Beispiel eines Verfahrens zum Erhalt von molekularen Konzentrationen aus den Verhältnissen a1/a2 und a3/a2.
Es werden die folgenden Gleichungen aufgestellt:
(9) a1 = (co α o1 + cr α r1)/(co + cr)
(10) a2 = (co α o3 + cr α r3)/(co + cr)
(11) a3 = (co α o3 + cr α r3)/(co + cr)
wobei co: HbO&sub2;-Konzentration,
α o1: molekularer Absorptionskoeffizient von HbO&sub2; bei λ 1,
α o2: molekularer Absorptionskoeffizient von HbO&sub2; bei λ 2,
α o3: molekularer Absorptionskoeffizient von HbO&sub2; bei λ 3, cr: Hb-Konzentration,
α r1: molekularer Absorptionskoeffizient von Hb bei λ 1,
α r2: molekularer Absorptionskoeffizient von Hb bei λ 2,
und
α r3: molekularer Absorptionskoeffizient von Hb bei λ 3.
Angenommen, daß (co + cr) gleich 1 ist, werden die folgenden Gleichungen aufgestellt:
(12) a1 = (co α o1 + cr α r1)
(13) a2 = (co α o2 + cr α r2)
(14) a3 = (co α o3 + cr α r3)
Angenommen, daß λ 2 die Wellenlänge ist, die dem isobestischen Punkt entspricht, wird die folgende Gleichung aufgestellt:
α o2 = α r2
Wenn α o2 gleich α r2 ist, das gleich A gesetzt wird, wird dann a2 gleich A.
Andererseits erhält man als Ergebnisse einer Spektralmessung die Verhältnisse n1, n2, n3, n4 der molekularen Absorptionskoeffizienten α o1, α r1, α o3, α r3 bei anderen Wellenlängen λ 1 und λ 3 zum molekularen Absorptionskoeffizienten a2 bei der Wellenlänge λ2, die dem isobestischen Punkt entspricht. Wenn man die folgenden Gleichungen angibt:
wird dann die Gleichung (12) durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
(16) a1 = (n1 co + n2 cr)A
und die Gleichung (13) wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
(17) a3 = (n3 co + n4 cr)A
Da die Verhältnisse a1/a2 und a3/a2 erhalten werden, kann man andererseits die Hb-Konzentration cr und die HbO&sub2;-Konzentration co aus den Gleichungen (16) und (17) erhalten. Dann kann man den Grad der Sauerstoffsättigung erhalten.
Gemäß diesem Meßverfahren breitet sich das von den Einstrahlpunkten aus eingestrahlte Licht so aus, als ob es gestreut würde, während es wiederholt reflektiert und gebrochen wird, und erreicht den Lichtempfangspunkt. Es wird daher angenommen, daß die tatsächlich Länge des optischen Pfades länger als die augenscheinliche Länge des optischen Pfades ist. Da der lebende Körper bei unterschiedlichen Wellenlängen ein unterschiedliches Absorptionsvermögen aufweist, unterscheidet sich weiter die Länge der optischen Pfade in Abhängigkeit von den Wellenlängen.
Dementsprechend wird bevorzugt eine Korrektur der mittleren Länge des optischen Pfades ausgeführt. Eine derartige Korrektur basiert zum Beispiel auf der Theorie von Kubelka- Munk, daß die Veränderung der mittleren Länge des optischen Pfades eines vollständig gestreuten Lichts das Doppelte der Veränderung des Abstandes zwischen dem Einstrahlpunkt und dem Lichtempfangspunkt beträgt. Gemäß dieser Theorie erfüllen die empfangene Lichtmenge P11 im Abstand L1 und die empfangene Lichtmenge P21 im Abstand L2 bei derselben Wellenlänge λ 1 die folgende Gleichung:
(6) P21/P11 = (1-a1)2(L2-L1)
Desgleichen wird bei der Wellenlänge λ 2 die folgende Gleichung erfüllt:
(7) P22/P12 = (1-a2)2(L2-L1)
Bei der Wellenlänge λ 3 wird die folgende Gleichung erfüllt:
(8) P23/P13 = (1-a3)2(L2L1)
Wenn man das oben genannte Verfahren einer prozentualen Absorption anwendet, nachdem die Korrektur der Länge des optischen Pfades unter Verwendung dieser Gleichung vorgenommen worden ist, kann man einen Wert erhalten, der näher beim tatsächlichen Wert liegt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannte Ausführungsform beschränkt. Bei der vorgenannten Ausführungsform wird an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten auf der Oberfläche einer Substanz nacheinander Licht eingestrahlt, und das eingestrahlte Licht wird an einem Lichtempfangspunkt empfangen. Jedoch kann man eine Anordnung treffen, derart, daß Licht an einem Punkt auf der Oberfläche einer Substanz eingestrahlt wird, und das Licht an einer Mehrzahl von Lichtempfangspunkten empfangen wird.
Fig. 4 zeigt eine derartige Anordnung, bei der Licht, das von einem einzelnen Strahler 2 eingestrahlt wird, gleichzeitig auf Lichtempfänger 3a, 3b einfällt. Wenn Erfassungssignale der Lichtempfänger 3a, 3b der Rechenverarbeitung, wie oben beschrieben, unterzogen werden, lassen sich Daten entnehmen, welche die Informationen über die inneren Eigenschaften eines lebenden Körpers zwischen den Lichtempfangspunkten A und B enthalten.
Wie in Fig. 5 dargestellt, kann die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der inneren Eigenschaften eines Teils eines lebenden Körpers 1 zwischen dessen entgegengesetzten Oberflächen 1a und 1b vorsehen.
Spezieller sind Strahler 2a, 2b (deren Lichtlenkelemente in den Gehäusen der Strahler 2a, 2b eingebaut sind) so angeordnet, daß sie der Oberfläche 1a eines lebenden Körpers zugewandt sind, und ein Lichtempfänger 3 (dessen Lichtlenkelement im Gehäuse des Lichtempfängers 3 eingebaut ist) ist so angeordnet, daß er der entgegengesetzten Oberfläche 1b des lebenden Körpers zugewandt ist, wobei der Lichtempfänger 3 angepaßt ist, um die Lichtquanten zu empfangen, die durch den lebenden Körper hindurchgetreten sind, nachdem sie von den Strahlern 2a, 2b eingestrahlt worden sind. Der Abstand AB zwischen den Einstrahlpunkten A und B der Strahler 2a und 2b ist sehr viel kleiner als die Dicke des lebenden Körpers. Dementsprechend überlappen sich der optische Streuungspfad pa und der optische Streuungspfad pb im Inneren des lebenden Körpers beträchtlich, und insbesondere in der Nähe des Lichtempfängers 3. In der Nähe der Strahler 2a, 2b, wo die Einstrahlpunkte A und B voneinander getrennt sind, überlappen die optischen Streuungspfade pa, pb einander weniger. Somit kann man auf der Grundlage des Unterschieds zwischen den optischen Streuungspfaden Informationen über die inneren Eigenschaften des lebenden Körpers erhalten.
Diese Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als man die Eigenschaften eines inneren Teils einer Substanz in Bezug zu deren Oberfläche erhält, und der Einfluß von Licht, das von der Oberfläche reflektiert und gestreut wird, vollständig außer Betracht bleibt. Dementsprechend kann die Hauptstrahlrichtung der Strahler 2a, 2b und des Lichtempfängers 3 eingeengt werden, und die Lichtmenge kann vergrößert werden. Somit kann eine dicke Probe mit guter Reproduzierbarkeit gemessen werden.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen wird der Grad einer Sauerstoffsättigung von Hämoglobin im Blut gemessen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Anwendung begrenzt. Das heißt, es kann eine andere Substanz gemessen werden, wobei die Wellenlänge in geeigneter Weise verändert wird. Zum Beispiel kann die Konzentration von gelöstem Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder dergleichen gemessen werden. Weiter zeigen die vorgenannten Ausführungsformen Anordnungen, in denen zwei Einstrahlpunkte oder zwei Lichtempfangspunkte vorgesehen sind. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Anordnungen begrenzt, sondern kann bei einer Anordnung mit drei oder mehr Meßpunkten angewandt werden, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen wird ein lebender Körper gemessen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf eine Messung der inneren Eigenschaften (Art, Krankheiten oder dergleichen) von Lebensmitteln, wie beispielsweise Obst, Fleisch, Meeresfrüchten, usw. oder von Pflanzen, wie beispielsweise Samen, Schößlingen, usw. angewandt werden.

Beispiel 1

Als Strahler wurde ein Halbleiterlaser mit einer Ausgangsleistung von 0,8 mW und einer Wellenlänge von 780 nm (isobestischer Punkt) und als Lichtempfänger ein Photovervielfacher mit einer Kondensorfaser verwendet. Der Lichteinstrahlteil des Strahlers wurde an der Oberfläche eines menschlichen Arms befestigt, und die Spitze der Kondensorfaser wurde gegen einen anderen Teil desselben Arms angelegt.
Fig. 6 ist ein Schaubild, in dem die empfangenen Lichtmengen (die gezählte Anzahl von Photonen pro Sekunde) aufgetragen wurden, während die Spitze der Kondensorfaser bewegt wurde. Aus Fig. 6 wird deutlich, daß dann, wenn der Abstand zwischen dem Einstrahlpunkt und dem Lichtempfangspunkt nicht größer als etwa 4 cm ist, die empfangene Lichtmenge eine Zunahme aufweist, die bedeutet, daß sich der Einfluß von Licht, das von der Armoberfläche reflektiert wird, bemerkbar macht. Es ist daher erforderlich, daß der Abstand zwischen dem Einstrahlpunkt und dem Lichtempfangspunkt mindestens 3 cm oder mehr, und vorzugsweise 4 cm oder mehr beträgt. Falls der vorgenannte Abstand übermäßig größer ist, wird die empfangene Lichtmenge verringert, und der Einfluß eines Hintergrundrauschens oder dergleichen der Vorrichtung macht sich bemerkbar. Es ist daher vorteilhaft, einen derartigen Abstand auf weniger als etwa 6 cm einzustellen.

Beispiel 2

Zwei gegen denselben Arm eines Menschen angelegte kleine LEDs wurden in vorbestimmten Zeitabständen abwechselnd erleuchtet. In gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde als Lichtempfänger ein Photovervielfacher mit einer Kondensorfaser verwendet, und die Spitze der Kondensorfaser wurde so befestigt, daß sie etwa 4 cm von den Berührungspunkten der kleinen LEDs getrennt war. Während der Abstand zwischen den beiden LEDS von 0,3 cm auf 1 cm verändert wurde, wurden Daten aufgenommen. Wenn der Abstand zwischen den LEDs etwa 1 cm betrug, wurde die Messungsreproduzierbarkeit unter dem Einfluß einer Vielfalt von Faktoren, wie beispielsweise zwischen den LED- Einstrahlpunkten vorhandene Kapillargefäße oder dergleichen verringert. Wenn der Abstand in einem Bereich von 0,3 bis etwa 0,5 cm lag, erhielt man Daten mit einer ausgezeichneten Reproduzierbarkeit.

Beispiel 3

Wie in Fig. 7 dargestellt, wurde ein Arm 10 ruhig auf einen Tisch gelegt, eine an einem Tonometer angebrachte Staumanschette 11 wurde am Oberarmteil angelegt, und ein Armband 12 enthaltend eine (später zu erörternde) Meßvorrichtung 13 wurde am Unterarmteil angelegt und befestigt, wobei die Meßeinheit der Meßvorrichtung 13 gegen die Innenseite des Arms 10 anlag. Es wurde darauf geachtet, daß die venösen Blutgefäße des Arms 10 nicht zwischen dem Strahler und dem Lichtempfänger vorhanden sind.
Die Meßvorrichtung 13 enthielt einen Lichtempfänger und neun LEDs. Die LEDs waren so angeordnet, daß sie um etwa 0,5 cm voneinander getrennt waren, und daß sie um etwa 4 cm vom Lichtempfänger getrennt waren. Jede LED wurde 10 ms lang erleuchtet und der Reihe nach eingeschaltet. Jeder Beleuchtungszyklus betrug etwa 100 ms. Nach einer Wiederholung von 50 Beleuchtungszyklen, d.h. 5 Sekunden war eine Datenaufnahme erfolgt. Es wurde ein Verfahren zum Erhalt der molekularen Absorptionskoeffizienten auf der Grundlage des Logarithmus des vorgenannten Verhältnisses der empfangenen Lichtmengen angewandt, sowie ein Verfahren zum Erhalt der molekularen Absorptionskoeffizienten auf der Grundlage der Differenz zwischen den empfangenen Lichtmengen. Daten wurden jeweils mit diesen Verfahren erhalten.
Als erstes wurden 10 Daten durch eine Messung über 50 Sekunden bei gelöster Staumanschette 11 aufgenommen. Dann wurden 15 Daten durch Messung über 75 Sekunden bei befestigter Staumanschette 11 (bei etwa 260 mmHg) aufgenommen, um den Blutstrom zu unterbrechen. Dann wurden 15 Daten durch Messung über 75 Sekunden bei gelöster Staumanschette 11 aufgenommen.
Derartige Messungen wurden für eine Gesamtzahl von 8 Personen ausgeführt.
Die Figuren 8 und 9 zeigen die Ergebnisse der vorgenannten Messungen. Fig. 8 ist ein Schaubild, welches die Ergebnisse der Messungen zeigt, die mit dem Verfahren zum Erhalt der molekularen Absorptionskoeffizienten auf der Grundlage des Logarithmus des Verhältnisses der empfangenen Lichtmengen gemacht wurden, während Fig. 9 ein Schaubild ist, welches die Ergebnisse der Messungen zeigt, die mit dem Verfahren zum Erhalt der molekularen Absorptionskoeffizienten auf der Grundlage der Differenz der empfangenen Lichtmengen gemacht wurden. Jede der Figuren 8 und 9 zeigt acht umgedrehte Linien, die jeweils den Daten von 8 Personen entsprechen.
Im wesentlichen gibt es keine Unterschiede der Daten zwischen den Messungen, die mit beiden Rechenverfahren gemacht wurden.
Der Grad der Sauerstoffsättigung wird einmal abgesenkt, nachdem die Durchblutung unterbrochen worden ist (nach 50 Sekunden) und dann schlagartig vergrößert, nachdem die Unterbrechung der Durchblutung aufgehoben worden ist (nach 125 Sekunden). Ein derartiger Trend erscheint gemeinsam bei den Daten von sämtlichen Personen, obwohl es einige Unterschiede zwischen den Individuen gibt. Dementsprechend kann man annehmen, daß der Grad der Sauerstoffsättigung jeweils mit guter Reproduzierbarkeit gemessen wurde.

Beispiel 4

Es wurden Messungen an derselben Person am selben Meßpunkt von dieser (der inneren Seite des Arms) ohne Unterbrechung der Durchblutung zweimal an jedem Tag zur selben Uhrzeit (10 Uhr und 16 Uhr) am Morgen und am Nachmittag, unter Verwendung der vorgenannten Meßvorrichtung 13 durchgeführt. Derartige Messungen wurden über 6 Tage hinweg durchgeführt. Bei jeder Messung wurden 30 Daten aufgenommen, von denen 20 Daten aufgetragen wurden.
Die Meßergebnisse sind in den Figuren 10 und 11 dargestellt, in deren jeder insgesamt 12 umgedrehte Linien jeweils die Daten von zwei Messungen von sechs Tagen zeigen. Aus den Figuren 10 und 11 ist ersichtlich, daß jeweils der am Morgen gemessene Grad der Sauerstoffsättigung im wesentlichen derselbe ist, und daß jeweils der am Nachmittag gemessene Grad der Sauerstoffsättigung ebenfalls im wesentlichen derselbe ist. Weiter ist aus den Figuren 10 und 11 ersichtlich, daß sich der Grad der Sauerstoffsättigung am Morgen jeweils beträchtlich von demjenigen am Nachmittag unterscheidet. Die Abweichungen der Meßergebnisse sind somit klein, womit die Zuverlässigkeit der Daten bewiesen wird.
Bezugszeichen in den Patentansprüchen sollen einem besseren Verständnis dienen und den Umfang nicht einschränken.

Claims

1. Verfahren zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, umfassend die Schritte:

aufeinanderfolgendes Einstrahlen von Licht mit einer gemeinsamen Wellenlänge an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten (A, B), die in Bezug zu einem Lichtempfangspunkt (C) auf der Oberfläche (1) der besagten Substanz im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade (pa, pb) von den besagten Einstrahlpunkten (A, B) bis zu dem besagten Lichtempfangspunkt (C) voneinander unterscheiden; wobei der Abstand (AB) zwischen benachbarten Einstrahlpunkten (A, B) kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Einstrahlpunkte (A, B) und dem besagten Lichtempfangspunkt (C);

Empfangen des eingestrahlten Lichts an dem besagten Lichtempfangspunkt (C);

Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten, welche den jeweiligen Einstrahlungen entsprechen; und

Messen von inneren Eigenschaften der besagten Substanz; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.

2. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, umfassend:

eine Lichteinstrahleinrichtung (2a, 2b) zum Einstrahlen von Licht mit einer gemeinsamen Wellenlänge an einer Mehrzahl von Einstrahlpunkten (A, B), die in Bezug zu einem Lichtempfangspunkt (C) auf der Oberfläche (1) der besagten Substanz im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade (pa, pb) von den besagten Einstrahlpunkten (A, B) bis zu dem besagten Lichtempfangspunkt (C) voneinander unterscheiden; wobei der Abstand (AB) zwischen benachbarten Einstrahlpunkten (A, B) kürzer ist als der Abstanz zwischen jedem der besagten Einstrahlpunkte (A, B) und dem besagten Lichtempfangspunkt (C);

eine Lichtempfangseinrichtung (3) zum Empfangen des jeweils eingestrahlten Lichts an dem besagten Lichtempfangspunkt (C), und

eine Datenverarbeitungseinrichtung (5) zum Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten, um dadurch Informationen über innere Eigenschaften der besagten Substanz zu liefern; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.

3. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfangspunkt (C) und die Einstrahlpunkte (A, B) auf derselben Seite der Oberfläche (1) der Substanz angeordnet sind.

4. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfangspunkt (C) und die Einstrahlpunkte (A, B) jeweils auf den entgegengesetzten Seiten der Oberflächen (1a, 1b) der Substanz angeordnet sind.

5. Verfahren zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, umfassend die Schritte:

Einstrahlen von Licht von einem Einstrahlpunkt (C) auf der Oberfläche (1) der besagten Substanz aus;

Empfangen des besagten Lichts an einer Mehrzahl von Lichtempfangspunkten (A, B), die in Bezug zu dem besagten Lichteinstrahlpunkt (C) im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade (pa, pb) von dem besagten Einstrahlpunkt (C) bis zu den besagten Lichtempfangspunkten (A, B) voneinander unterscheiden; wobei der Abstand (AB) zwischen benachbarten Lichtempfangspunkten (A, B) kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Lichtempfangspunkte (A, B) und dem besagten Einstrahlpunkt (C);

Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten an den besagten Lichtempfangspunkten (A, B); und

Messen von inneren Eigenschaften der besagten Substanz; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertsspunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.

6. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung, umfassend:

eine Lichteinstrahleinrichtung (2) zum Einstrahlen von Licht an einem Einstrahlpunkt (C) auf der Oberfläche (1) der besagten Substanz;

eine Lichtempfangseinrichtung (3a, 3b) zum Empfangen des besagten Lichts an Lichtempfangspunkten (A, B), die in Bezug zu dem besagten Lichteinstrahlpunkt (C) im wesentlichen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei sich die Längen der wesentlichen optischen Streuungspfade (pa, pb) von dem besagten Einstrahlpunkt (C) aus voneinander unterscheiden; wobei der Abstand (AB) zwischen benachbarten Lichtempfangspunkten (A, B) kürzer ist als der Abstand zwischen jedem der besagten Lichtempfangspunkte (A, B) und dem besagten Einstrahlpunkt (C); und

eine Datenverarbeitungseinrichtung (5) zum Ausführen einer vorbestimmten Berechnung auf der Grundlage des Unterschieds von Lichtempfangsdaten an den besagten Lichtempfangspunkten (A, B), um dadurch Informationen über innere Eigenschaften der besagten Substanz zu liefern; wobei der Begriff "wesentliche optische Streuungspfade" die Ortskurve der Mittelpunkte oder Mittelwertpunkte der Energieverteilung eines Lichtstroms bedeutet, wenn sich eine Anzahl von Lichtquanten (Photonen) von einem feststehenden Punkt in der besagten Substanz oder auf deren Oberfläche aus vorwärtsbewegt und einen anderen feststehenden Punkt erreicht, während sie in der Substanz gestreut werden und sich darin ausbreiten.

7. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangspunkte (A, B) und der Einstrahlpunkt (C) auf derselben Seite der Oberfläche (1) der Substanz angeordnet sind.

8. Vorrichtung zum Messen von inneren Eigenschaften einer Substanz mittels Lichtstreuung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangspunkte (A, B) und der Einstrahlpunkt (C) jeweils auf den entgegengesetzten Seiten der Oberflächen (1a, 1b) der Substanz angeordnet sind.