DE69632437T2

DE69632437T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung optischer Werte

Info

Publication number: DE69632437T2
Application number: DE69632437T
Authority: DE
Inventors: Tsuneyuki Hamamatsu-shi Urakami; Mitsuharu Hamamatsu-shi Miwa; Yutaka Hamamatsu-shi Yamashita; Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: DE69632437D1; JP3793255B2; EP0761161B1; EP0761161A1; JPH0961343A; US5774223A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betriff die Technologie zum optischen Messen eines zu messenden Objektes und insbesondere die Technologie zum Messen von interner Information eines Streumediums.
Stand der Technik
Wenn wir in der Lage wären, In-vivo-Informationen zu erhalten, ohne einen Organismus aufzuschneiden, wäre das wirklich großartig hinsichtlich der Heilung und Krankheitsvorsorge. Zum Beispiel im Fall der Alzheimer-Krankheit, welche die Ursache für Demenz ist, wird das Phänomen der Verkümmerung des Gehirns beobachtet, und im Falle von Krebs tritt Gewebe auf, das unterschiedlich zu normalem Gewebe ist. So kann die Kenntnis der In-vivo-Struktur sehr nützliche Informationen zur Vermeidung und zur Heilung dieser Krankheiten bereitstellen. In solchen Fällen wäre auch eine sehr einfache Diagnose möglich, wenn man die In-vivo-Information ohne Aufschneiden des Organismuses erhalten könnte. Weiterhin gibt es auch einen großen Bedarf dafür, die Vitalinformationen ständig zu überwachen, ohne einem Patienten bei der Durchführung einer Operation oder bei der Aufnahme eines Krankheitszustandes des Patienten Schmerz zuzufügen.
Angesichts eines solchen Bedarfs schließen gegenwärtig solche weithin verwendete Verfahren solche zum Messen von In-vivo-Informationen ein, die Röntgenstrahlen, magnetische Felder oder Positronen verwenden. Die Röntgenstrahlen werden wegen ihrer Durchlasscharakteristiken durch den Organismus und den weiter fortgeschrittenen Eigenschaften oft in medizinischen Ausrüstungen zur Röntgenografie oder Röntgenstrahlen-CT (Computertomografie) verwendet. Das Magnetfeld wird oft für das CT verwendet durch die Technik des MRI. Positronen werden in der CT verwendet, die mittels Injektion eines Medikamentes, das ein radioaktives Isotop enthält, in den Organismus verabreicht werden und deren γ-Strahlen, die abgestrahlt werden, wenn das Isotop zerfällt, gemessen werden.
Jedoch gibt es seit kurzem einen wachsenden Bedarf, sich die In-vivo-Information unter Verwendung von Licht, das überall in der natürlichen Welt vorhanden ist, zu verschaffen, insbesondere unter Verwendung des Lichtes, das vom Nahinfrarotbereich bis zum sichtbaren Bereich reicht.
Da der Organismus ein Streumedium ist, ist die Messung am Organismus nichts anderes als die Messung an einem Streumedium. Ein allgemein bekanntes Beispiel für die Techniken, die in dem technischen Gebiet erforscht wurden, die die Messung von Streumedien betrifft, ist ein Verfahren, bei dem man einen Lichtpuls, der beinahe als eine Deltafunktion hinsichtlich der Zeit angesehen werden kann, in das Streumedium eintreten lässt, und bei dem eine Wellenform des Lichtes, das durch das Streumedium hindurchgeht oder reflektiert wird, analysiert wird. Es gibt verschiedene Ansätze, die Wellenform des Lichtes zu analysieren, eine davon ist ein Verfahren, bei dem man den Schwerpunkt (mittlere Zeitverzögerung) der Wellenform erhält.
Bei diesem Verfahren wird die mittlere Zeitverzögerung (Schwerpunkt) einer so genannten Impulsantwort ausgewertet, und um die Impulsantwort zu erhalten, ist es notwendig, solch einen Fotodetektor und eine Lichtquelle zu verwenden, bei denen die Zeitauflösung des Fotodetektors und die Pulsbreite des einfaltenden Lichtes vemachlässigbar klein ist relativ zur Impulsantwort eines zu bewertenden Objektes. Solch eine Lichtquelle existiert nicht, ist abhängig von der Wellenlänge oder der benötigten Lichtleistung sehr teuer, oder ist oft schwer zu steuern. Ähnlich kann solch ein Fotodetektor das Licht, abhängig von der Wellenlänge des zu detektierenden Lichtes oder der Lichtmenge, nicht detektieren oder ist oft teuer.
Diese Technik ist z. B. in den "Proceedings of Optical Tomography, Photon Migration, and Spectroscopy of Tissue and Model Media"; 5.–7. Februar 1995; Vol. 2389; Seiten 598–607 offenbart.
Eine allgemein verwendete Technik ist eine Technik, die Entfaltung genannt wird, bei der ein Lichtimpuls verwendet wird, der nicht als eine Deltafunktion angesehen werden kann, oder ein Fotodetektor mit einer Ansprechcharakteristik, die nicht als eine Deltafunktion angesehen werden kann, wobei der Einfluss der Breite der Lichtwellenform der Lichtquelle und die Ansprechcharakteristik des Fotodetektors eliminiert werden, d. h. die Eliminierung des Einflusses einer Instrumentenfunktion.
Die Entfaltung ist eine Technik, um eine wahre Wellenform durch Inversarithmetik zu erhalten, wenn ein Beobachtungsergebnis durch eine Faltung der wahren Wellenform mit der Instrumentenfunktion ausgedrückt ist. Dies wird ausführlich erklärt. Diese Technik wird auch detailliert in den "Proceedings of Optical Tomography, Photon Migration, and Spectroscopy of Tissue and Model Media"; 5.–7. Februar 1995; Vol. 2389; Seiten 142–149 offenbart.
Es sei i(t) die wahre Wellenform, o(t) eine beobachtete Wellenform, und h(t) die Instrumentenfunktion. Dann wird die Beziehung zwischen ihnen durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt.
In der Gleichung bedeutet * die Faltung.
Um die mittlere Zeitverzögerung der wahren Wellenform zu erhalten, waren ein konventioneller Ansatz, eine Rechenoperation durchzuführen, bei der man die mittlere Zeitverzögerung der wahren Wellenform mit der Durchführung der inversen Arithmetik der obigen Gleichung erhält, und zwar erhält man die wahre Lichtwellenform i(t) durch einen Entfaltungsprozess. Verschiedene Algorithmen sind als Arithmetik für Entfaltung bei der obigen Technik bekannt, jedoch erfordert jeder der Algorithmen, wenn sie verwendet werden, wegen einer langen Rechenzeit viel Zeit, um das Rechenergebnis der mittleren Zeitverzögerung zu erhalten. Dadurch entsteht das Problem, dass im Fall, wo Daten wiederholt aufgenommen werden, um die zeitliche Änderung eines Zustandes des gemessenen Objektes zu überwachen, es hinsichtlich der Zeit schwierig war, ein genaues Messergebnis durch Erhöhung der Anzahl der Wiederholungen zu erhalten.
Wenn in dem obigen Verfahren die Messung durchgeführt wird, bei der ein Messsystem mit einer Instrumentenfunktion verwendet wird, die als Null betrachtet werden kann, ist es notwendig, die Messung mit sehr hoher Zeitauflösung durchzuführen, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Vorrichtung sehr teuer wird.
In den Artikeln "Evaluating the spatial resolution Performance of a time resolved optical imaging system": Medical Physics, Vol. 19; Nr. 4, Juli 1992 und "Imaging through scattering media using characteristics of the temporal distribution of transmitted laser pulses" Optics and Laser Technology, Vol. 27; Nr. 4, 1.8.95, offenbart J. C. Hebden Verfahren, die die Schritte des Messens in einem ersten Schritt mit der Probe und in einem zweiten Schritt ohne der Probe umfasst, um so ein Maß für die absolute Zeitverzögerung zu erhalten. In den Artikeln schließen die Messungen den Schritt des Identifizierens einer Referenzzeit t = 0 ein, die dann verwendet wird bei der Berechnung des Integrals.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die obigen Probleme zu lösen, und ein Ziel der Erfindung ist, ein optisches Messverfahren und eine optische Messvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, die wahre mittlere Zeitverzögerung einer Lichtwellenform in einer kurzen Zeit zu ermitteln, um so die interne Information eines gemessenen Objektes zu erhalten.
Ein optisches Messverfahren der vorliegenden Erfindung umfasst:
einen ersten Schritt des Emittierens von Messlicht aus einer Lichtquelle auf ein gemessenes Objekt in einem ersten Zustand, in dem ein gemessenes Objekt an einem vorbestimmten Platz angeordnet ist, und Erfassen des Messlichtes, das durch das gemessene Objekt hindurchgeht oder von ihm reflektiert wird, mit einer Lichtdetektionsvorrichtung, um eine erste mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu erhalten;
Ein zweiter Schritt des Emittierens des Messlichtes von der Lichtquelle zu dem vorherbestimmten Platz in einem zweiten Zustand, in dem das gemessene Objekt nicht an dem vorherbestimmten Platz angeordnet ist, und Erfassen des Messlichtes, das durch den vorherbestimmten Platz hindurchgeht, ohne von dem gemessenen Objekt beeinflusst zu werden, durch die Lichtdetektionsanordnung, um eine zweite mittlere Zeitverzögerung zu erhalten; und
ein dritter Schritt des Subtrahierens der zweiten mittleren Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung, um eine wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin vorzugsweise einen vierten Schritt des Analysierens der wahren mittleren Zeitverzögerung, die man in dem dritten Schritt erhält, um interne Informationen des gemessenen Objektes zu erhalten.
Weiterhin kann das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung weiterhin umfassen:
einen fünften Schritt des Emittierens von Messlicht von der Lichtquelle zu dem gemessenen Objekt in dem ersten Zustand, in dem das gemessene Objekt an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, und Detektieren des Lichtes, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, durch das Lichtdetektionsmittel, um einen ersten integralen Wert der Wellenform des Messlichtes zu erhalten;
einen sechsten Schritt des Emittierens von Messlicht von der Lichtquelle zu dem vorbestimmten Platz in dem zweiten Zustand, in dem das gemessene Objekt nicht an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, und Messen des Messlichtes, das durch den vorbestimmten Platz ohne Beeinflussung durch das gemessene Objekt hindurchgeht, von dem Lichtdetektionsmittel, um einen zweiten integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu erhalten; und
einen siebten Schritt, um ein Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes zu erhalten. In diesem Fall kann das Verfahren weiterhin einen achten Schritt umfassen, zum Analysieren der wahren mittleren Zeitverzögerung, die man in dem dritten Schritt erhält, und des Verhältnisses des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes, die man in dem siebten Schritt erhält, um interne Information des gemessenen Objektes zu erhalten.
Eine optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst:

(a) eine Lichtquelle zum Emittieren von Messlicht, das zu einem vorbestimmten Platz geführt wird;
(b) Lichtdetektionsmittel, um das Messlicht zu detektieren, das von dem vorbestimmten Platz ausgeht; und
(c) einen ersten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt zum Berechnen einer ersten mittleren Zeitverzögerung des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichtdetektionsmittel in einem ersten Zustand detektiert wird, in dem das gemessene Objekt an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, um eine zweite mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu berechnen, das durch den vorbestimmten Platz hindurchgeht, ohne von dem gemessenen Objekt beeinflusst zu werden, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichtdetektionsmittel in einem zweiten Zustand gemessen wird, in dem das gemessene Objekt nicht an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, und voneinander Subtrahieren der zweiten mittleren Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung, um eine wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten. Der erste arithmetische Verarbeitungsabschnitt kann eine erste Arithmetikeinheit für die mittlere Zeitverzögerung zum Berechnen einer mittleren Zeitverzögerung des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel detektiert wird, um die erste mittlere Zeitverzögerung und die zweite mittlere Zeitverzögerung zu erhalten, und eine differenzarithmetik Einheit zum Subtrahieren der zweiten mittleren Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung, um die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten, umfassen. Ein bevorzugtes Beispiel für die differenzarithmetik Einheit umfasst eine erste Umschalteinrichtung, um einen Zielort für die Ausgabedaten von der arithmetik Einheit für die mittlere Zeitverzögerung zu schalten, eine erste Speichereinrichtung, die mit der ersten Schalteinrichtung verbunden ist und angeordnet ist, um die zweite mittlere Zeitverzögerung zu speichern, und eine differenzarithmetische Einrichtung umfassen, die mit der ersten Schalteinrichtung und der ersten Speichereinrichtung verbunden ist, und ange ordnet ist, um die zweite mittlere Zeitverzögerung, die in der ersten Speichereinrichtung gespeichert ist, von der ersten mittleren Zeitverzögerung zu subtrahieren, um die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten. Ebenso umfasst die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung weiterhin:
(d) eine erste Lichtwellenleitereinrichtung, deren eines Ende mit der Lichtquelle verbunden ist und deren anderes Ende dem vorbestimmten Platz zugewandt ist, um Messlicht zu dem vorbestimmten Platz zu leiten; und
(e) eine zweite Lichtwelleneinrichtung, deren eines Ende mit der Lichtdetektionseinrichtung verbunden ist und deren anderes Ende gegenüber dem vorbestimmten Platz zugewandt ist, um Messlicht, das von dem vorbestimmten Platz ausgeht, zu der Lichtdetektionseinrichtung zu leiten. Weiterhin umfasst die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise weiterhin
(f) eine Analyseeinheit, um die wahre mittlere Zeitverzögerung, die man von dem ersten arithmetischen Verarbeitungsbereich erhält, zu analysieren, um die interne Information des gemessenen Objektes zu erhalten. Die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin umfassen
(g) einen zweiten arithmetischen Verarbeitungsbereich, um einen ersten Integralwert einer Wellenform des Messlichtes zu berechnen, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichtdetektionsmittel in dem ersten Zustand detektiert wird, indem das gemessene Objekt an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, Berechnen eines zweiten Integralwertes einer Wellenform des Messlichtes, das durch den vorbestimmten Platz hindurchgeht, ohne von dem gemessenen Objekt beeinflusst zu werden, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichtdetektionsmittel in dem zweiten Zustand detektiert wird, in dem das gemessene Objekt sich nicht an dem vorbestimmten Platz befindet, und Erhalten eines Verhältnisses des ersten Integralwer tes und des zweiten Integralwertes. In diesem Fall kann die Analyseeinheit die wahre mittlere Zeitverzögerung analysieren, die man mit dem ersten arithmetischen Verarbeitungsbereich und dem Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes, die man von dem zweiten arithmetischen Verarbeitungsbereich erhält, erhält, um die interne Information des gemessenen Objekts zu erhalten.

Der zweite arithmetische Verarbeitungsbereich kann eine Integrationsarithmetikeinheit zum Berechnen eines Integralwertes einer Wellenform des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel detektiert wird, um den ersten Integralwert und den zweiten Integralwert zu erhalten, und eine Verhältnisarithmetikeinheit, um das Verhältnis des ersten Integralwertes und des zweiten Integralwertes zu erhalten, umfassen. Ein bevorzugtes Beispiel der Verhältnisarithmetikeinheit umfasst ein zweites Schaftmittel, um auf einen Zielort der Ausgangsdaten von der Integrationsarithmetikeinheit zu schalten, ein zweites Speichermittel, das mit dem zweiten Schaltmittel verbunden ist und eingerichtet ist, um den zweiten Integralwert zu speichern, und ein Verhältnisarithmetikmittel, das mit dem zweiten Schaltmittel und dem zweiten Speichermittel verbunden ist und angeordnet ist, um das Verhältnis des ersten Integralwertes und des zweiten Integralwertes, die in dem zweiten Speichermittel gespeichert sind, zu erhalten.
Ein Streumittel kann als das vorangegangene gemessene Objekt verwendet werden. In diesem Fall kann die interne Information zumindest eine Information sein, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus der Konstante betreffend die Absorption des Streumediums, der Konstante betreffend dessen Streuung, dessen Brechungsindex, dessen Grad der Heterogenität der Zusammensetzung, und der Konstante betreffend der Struktur besteht.
Gemäß der Kenntnis der Erfinder kann man die wahre mittlere Zeitverzögerung (den wahren Schwerpunkt der Wellenform des Messlichtes) erhalten, wenn die arithmetische Operation durchgeführt wird, um die zweite mittlere Zeitverzögerung (d. h. den Schwerpunkt der Instrumentenfunktion) des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel detektiert wird, ohne von dem gemessenen Objekt beeinflusst zu werden, von der ersten mittleren Zeitverzögerung (d. h. dem Schwerpunkt der beobachteten Wellenform) des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, zu subtrahieren, da der Einfluss beseitigt wird, der durch die Aufweitung der Messlichtwellenform aufgrund der Charakteristiken der Lichtquelle und der Ansprechcharakteristiken des Lichtdetektionsmittels auf die Lichtwellenform bewirkt wird, d. h., da der Einfluss der Instrumentenfunktion beseitigt wird.
Das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung ist ausgelegt, um die obige Subtraktion tatsächlich durchzuführen, um schnell und einfach die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erlangen. Da das Licht, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, die interne Information des gemessenen Objekts enthält, kann man die interne Information des gemessenen Objektes (z. B. die Konstanten des Streumediums hinsichtlich Absorption oder Streuung, des Brechungsindexes, des Grades der Heterogenität der Zusammensetzung, oder der Konstante betreffend der Struktur) durch Analysieren der Daten der wahren mittleren Zeitverzögerung, die man so erhält, erhalten. Deshalb erlaubt uns das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung, die In-vivo-Information genau zu erhalten, ohne den Organismus aufzuschneiden, was eine Untersuchung oder Diagnose der Krankheit erlaubt.
Wenn das optische Messverfahren der Erfindung eingerichtet ist, das Verhältnis des ersten Integralwertes der Wellenform des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, und den zweiten Integralwert der Wellenform des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel detektiert wird, ohne von dem gemessenen Objekt beeinflusst zu werden, zu erhalten, kann man die interne Information des gemessenen Objektes genauer durch die Analyse der Daten dieses Verhältnisses und der wahren mittleren Zeitverzögerung erhalten.
In der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist der erste arithmetische Verarbeitungsbereich eingerichtet, die erste mittlere Zeitverzögerung, d. h. den Schwerpunkt der gemessenen Wellenform, und die zweite mittlere Zeitverzögerung, d. h. den Schwerpunkt der Instrumentenfunktion, zu berechnen, und dann die zweite mittlere Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, um die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten, wobei man die wahre mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes schnell und einfach erhalten kann, da der Einfluss beseitigt wird, der durch die Aufweitung der Messlichtwellenform aufgrund der Charakteristiken der Lichtquelle und der Ansprechcharakteristiken des Lichtdetektionsmittels auf die Lichtwellenform bewirkt wird.
Wenn der erste arithmetische Verarbeitungsbereich die mittlere Zeitverzögerungarithmetikeinheit und die Difterenzarithmetikeinheit umfasst, berechnet die mittlere Zeitverzögerungarithmetikeinheit die ersten und zweiten mittleren Zeitverzögerungen und führt dann die mittleren Zeitverzögerungdaten der Differenzarithmetikeinheit zu. Die Differenzarithmetikeinheit führt die arithmetische Operation aus, die zweite mittlere Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, basierend auf den mittleren Zeitverzögerungdaten, um so die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten. Insbesondere, wenn die differenzarithmetische Einheit das erste Schaltmittel, das erste Speichermittel, und die differenzarithmetische Einheit umfasst, werden die zweiten mittleren Zeitverzögerungdaten von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit über das erste Schaltmittel in das erste Speichermittel eingegeben und darin gespeichert. Auf der anderen Seite werden die ersten mittleren Zeitverzögerungdaten von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit durch das erste Schaltmittel in die Differenzarithmetikeinrichtung eingegeben. Die Differenzarithmetikeinrichtung liest die zweiten mittleren Zeitverzögerungdaten aus dem ersten Speichermittel gemäß der Eingabe der ersten mittleren Zeitverzögerung aus und führt die Arithmetikoperation durch, um die zweite mittlere Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, um so die wahre mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Mit der Vorrichtung unter den optischen Messvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, die mit der ersten und zweiten Lichtwellenleitereinrichtung ausgestattet ist, kann die erste Lichtwellenleitereinrichtung leicht und sicher das Messlicht von der Lichtquelle zum gemessenen Objekt führen und die zweite Lichtwellenleitereinrichtung kann sicher das Messlicht, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, zu dem Lichtdetektionsmittel führen.
Mit der Vorrichtung unter den optischen Messvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, die eingerichtet ist, den Analysebereich zu enthalten und das Streumedium als ein gemessenes Objekt zu messen, werden die wahren mittlerne Zeitverzögerungsdaten, die von dem Arithmetikverarbeitungsbereich ausgegeben werden, der Analyseeinheit zugeführt. Die Analyseeinheit führt die Analyse basierend auf den wahren mittleren Zeit verzögerungdaten durch, um die gewünschte interne Information des Streumediums zu erhalten, z. B. die Konstante betreffend Absorption oder Streuung des Streumediums, dessen Brechungsindex, des Grades der Heterogenität der Zusammensetzung oder die Konstante betreffend die Struktur. Deshalb kann die optische Messvorrichtung genau die In-vivo-Information erhalten, ohne den Organismus aufzuschneiden, was eine Untersuchung oder Diagnose der Krankheit erlaubt.
Mit der Vorrichtung unter den optischen Messvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, die den zweiten arithmetischen Verarbeitungsbereich umfasst, erhält der zweite arithmetische Verarbeitungsbereich das Verhältnis des ersten Integralwertes und des zweiten Integralwertes und die Analyseeinheit analysiert die Verhältnisarithmetikdaten und die wahren mittleren Zeitverzögerungdaten, wodurch man ausführlichere interne Informationen des gemessenen Objektes erhält.
Wenn der zweite arithmetische Verarbeitungsbereich die Integrationsarithmetikeinheit und die Verhältnisarithmetikeinheit umfasst, berechnet die Integrationsarithmetikeinheit den ersten und zweiten Integralwert und führt die jeweiligen Integrationsdaten der Verhältnisarithmetikeinheit zu. Die Verhältnisarithmetikeinheit führt die Arithmetikoperation (d. h. die Verhältnisarithmetik) aus, um das Verhältnis des ersten Integrationswertes und des zweiten Integrationswertes basierend auf den zugeführten Integrationsdaten zu erhalten. Insbesondere, wenn die Verhältnisarithmetikeinheit die zweite Schalteinrichtung, die zweite Speichereinrichtung und die Verhältnisarithmetikeinrichtung umfasst, werden die zweiten Integrationsdaten von der Integrationsarithmetikeinheit durch die zweite Schalteinrichtung zu der zweiten Speichereinrichtung zugeführt, und darin gespeichert. Auf der anderen Seite werden die ersten Integrationsdaten von der Integrationsarithmetikeinheit durch die zweite Schalteinrichtung in die Verhältnisarithmetikeinrichtung eingegeben. Die Verhältnisarithmetikeinrichtung liest die zweiten Integrationsdaten aus der zweiten Speichereinrichtung gemäß der Eingabe der ersten Integrationsdaten aus, und führt dann die Arithmetikoperation durch, um das Verhältnis zwischen dem ersten Integrationswert und dem zweiten Integrationswert zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend gegeben wird, und den begleitenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung auf geführt werden, und deshalb nicht als für die vorliegende Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen, vollständiger verständlich.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung, die im Folgenden gegeben wird, offensichtlich. Jedoch sollte man verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und die besonderen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung aufführen, nur zur Veranschaulichung gegeben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind Blockdiagramme, um ein Beispiel der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung im zweiten Zustand bzw. im ersten Zustand zu zeigen;
2 ist ein Blockdiagramm, um ein Beispiel der optischen Messvorrichtung zu Messung der internen Information des Streumediums gemäß der vorliegenden Erfindung in dem zweiten Zustand zu zeigen;
3 ist ein Blockdiagramm, um das Beispiel der optischen Messvorrichtung zum Messen der internen Information des Streumediums gemäß der vorliegenden Erfindung in dem ersten Zustand zu zeigen;
4 ist ein Diagramm, um ein Beispiel der Korrelation zwischen der wahren mittleren Zeitverzögerung und dem Zustand des gemessenen Objektes zu zeigen;
5 ist ein Blockdiagramm, um ein anderes Beispiel der optischen Messvorrichtung zur Messung der internen Information des Streumediums gemäß der vorliegenden Erfindung in dem zweiten Zustand zu zeigen; und
6 ist ein Blockdiagramm, um das Beispiel der optischen Messvorrichtung zur Messung der internen Information des Streumediums gemäß der vorliegenden Erfindung in dem ersten Zustand zu zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erklärt. In der Beschreibung der Zeichnungen werden dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und redundante Beschreibung wird weggelassen.
1A und 1B sind Blockdiagramme, die jeweils die Struktur und den Betrieb der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigen. Die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist mit einer Lichtquelle 10, Lichtwellenleitereinrichtung 12 und 14 wie optische Fasern, einem Fotodetektor 16, einem Wellenformspeicher 18, eine mittlere Zeitverzögerungsarithmetikeinheit 20 und mit einem Differenzarithmetikbereich 30 ausgestattet.
Die Lichtquelle 10 emittiert kurzgepulstes Licht, das das Messlicht darstellt. Die Lichtquelle 10 ist mit einem Ende der Lichfwellenleitereinrichtung 12 verbunden, so dass das Messlicht, das von der Lichtquelle 10 emittiert wird, darauf einfällt. Ein Ende der Lichtwellenleitereinrichtung 14 ist so angeordnet, dass sie dem anderen Ende der Lichtwellenleitereinrichtung 12 mit einem dazwischen liegenden Bereich 40 (vorbestimmter Bereich) gegenüberliegt, so dass das Messlicht, das von der Lichtwellenleitereinrichtung 12 ausgetreten ist und den Bereich 40 durchstrahlt hat, auf das eine Ende der Lichtwellenleitereinrichtung 14 einfällt. Ein zu messendes Objekt wird in dem Bereich 40 zur Untersuchung angeordnet, wie in 1B zu sehen ist.
Der Fotodetektor 16 ist mit dem anderen Ende der Lichtwellenleitereinrichtung 14 verbunden. Dieser Fotodetektor 16 empfängt das Messlicht, das in der Lichtwellenleitereinrichtung 14 entlang läuft, und gibt ein elektrisches Signal gemäß der Intensität des Lichtes aus. Der Wellenformspeicher 18 ist mit dem Fotodetektor 16 verbunden und speichert Daten der Lichtwellenform, entsprechend dem Ausgangssignal des Fotodetektors 16. Ein Trägersignal wird von der Lichtquelle 10 dem Wellenformspeicher 18 zugeführt, und der Wellenformspeicher 18 ist ausgelegt, um die Lichtwellenformdaten von dem Fotodetektor 16 synchron zur Emission des Messlichtes aufzunehmen.
Die mittlere Zeitverzögerungarithmetikeinheit (Schwerpunktarithmetikeinheit) 20 ist mit dem Wellenformspeicher 18 verbunden. Die mittlere Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 berechnet die mittlere Zeitverzögerung (Schwerpunkt der Lichtwellenform) des Lichtes, das von dem Fotodetektor 16 detektiert wird, basierend auf den Daten, die in dem Wellenformspeicher 18 gespeichert sind.
Der Difterenzarithmetikbereich 30 ist mit der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 verbunden. Dieser Differenzarithmetikbereich 30 umfasst eine Schalteinheit 32, einen Speicher 34 und eine Difterenzarithmetikeinheit 36. Die Schalteinheit 32 ist mit der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 verbunden, und der mittlere Zeitverzögerungspeicher (Schwerpunktspeicher) 34 und die Differenzarithmetikeinheit 36 sind jeweils mit der Schalteinheit 32 verbunden. Die Schalteinheit 32 ist angeordnet, um auf ein Ziel für die Ausgangsdaten von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 zwischen dem Zeitverzögerungspeicher 34 und der Differenzarithmetikeinheit 36 zu schalten. Der mittlere Zeitverzögerungspeicher 34 speichert die Ausgangsdaten von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20. Die Difterenzarithmetikeinheit 36 subtrahiert die Daten, die in dem mittleren Zeitverzögerungspeicher 34 gespeichert sind, von den Eingangsdaten von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 durch die Schalteinheit 32.
Als nächstes wird der Betrieb der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung und das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung erklärt. Zuerst emittiert, wie in 1A gezeigt ist, die Lichtquelle 10 das Messlicht in einem Zustand, indem kein gemessenes Objekt in dem Bereich 40 (oder in dem zweiten Zustand) angeordnet ist. Das Messlicht breitet sich in der Lichtwellenleitereinrichtung 12 aus, so dass er in den Bereich 40 emittiert. Das Messlicht breitet sich durch den Bereich 40 aus, um in die Lichtwellenleitereinrichtung 14 einzutreten und um zu dem Fotodetektor 16 durch die Lichtwellenleitereinrichtung 14 geführt zu werden. Dies führt dazu, dass der Fotodetektor 16 eine zeitlich veränderliche Wellenform des Messlichtes, das den Bereich 40 durchlaufen hat, detektiert. Diese Lichtwellenformdaten werden in dem Wellenformspeicher 18 synchron zu dem Messlicht aufgenommen und darin gespeichert.
Die mittlere Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 liest die Lichtwellenformdaten aus dem Wellenformspeicher 18 nach Bedarf und führt eine vorbestimmte Arithmetik durch, ba sierend auf den Daten, um die mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu berechnen. Diese mittlere Zeitverzögerung ist die mittlere Zeitverzögerung H der Instrumentenfunktion
Denkbare Beispiele für die Instrumentenfunktion h(t) schließen die Pulswellenform des Messlichtes, die Ansprechfunktion des Fotodetektors 16, andere Signalstörungen verursacht durch Signalleitungen zur Übertragung der elektrischen Signale, usw., ein.
Die mittlere Zeitverzögerungdaten der Instrumentenfunktion h(t), die man so erhält, werden in die Schalteinheit 32 eingegeben. Das Ziel der Daten, das von der Schalteinheit 32 kontrolliert wird, ist auf den mittleren Zeitverzögerungspeicher 34 voreingestellt, und die mittleren Zeitverzögerungdaten der Instrumentenfunktion h(t) wird deshalb in den mittleren Zeitverzögerungspeicher 34 eingegeben. Daraus ergibt sich, dass die mittlere Zeitverzögerungdaten von h(t) in dem mittleren Zeitverzögerungspeicher 34 gespeichert werden.
Als nächstes emittiert, wie in 1B gezeigt ist, die Lichtquelle 10 das Messlicht in einem Zustand, indem das gemessene Objekt 45 in dem Bereich 40 (oder in dem ersten Zustand) angeordnet ist. Diese Messlicht breitet sich in der Lichtwellenleitereinrichtung 12 aus, um auf das gemessene Objekt 45 zu treffen. Das Messlicht, das durch das gemessene Objekt 45 durchgegangen ist, und das in die Lichtwellenleitereinrichtung 14 eingetreten ist, breitet sich in der Lichtwellenleitereinrichtung 14 aus, um von dem Fotodetektor 16 empfangen zu werden. Die Lichtwellenformdaten, die von dem Fotodetektor 16 auf diese Weise detektiert werden, ist eine, die die interne Information des gemessenen Objektes 45 wiederspiegelt. Diese Lichtwellenformdaten werden in dem Wellenformspeicher 18 gespeichert und werden für die mittlere Zeitverzögerungarithmetik der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 verwendet. Die mittlere Zeitverzögerung, die zu dieser Zeit von der mittleren Zeitverzögerungarithmetikeinheit 20 berechnet wird, ist die mittlere Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform o(t). Die mittleren Zeitverzögerungdaten der beobachteten Wellenform o(t) wird in die Schalteinheit 32 eingegeben. Das Ziel der Daten, das von der Schalteinheit 32 kontrolliert wird, ist auf die Difterenzarithmetikeinheit 36 voreingestellt, so dass die mittleren Zeitverzögerungdaten der beobachteten Wellenform o(t) in die differenzarithmetische Einheit 36 eingegeben werden. Die Differenzarithmetikeinheit 36 liest die mittleren Zeitverzögerungdaten der In strumentenfunktion h(t) aus dem mittleren Zeitverzögerungspeicher 34 und subtrahiert die mittlere Zeitverzögerung der Instrumentenfunktion h(t) von der mittleren Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform o(t).
Entsprechend der Kenntnis der Erfinder kann man die mittlere Zeitverzögerung der wahren Wellenform i(t) durch Subtraktion der mittleren Zeitverzögerung der Instrumentenfunktion h(t) von der mittleren Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform o(t) erhalten. Dieses Prinzip wird nun erklärt.
Wenn die wahre Wellenform i(t), die beobachtete Wellenform o(t) und die Instrumentenfunktion h(t) ist, wird die Beziehung zwischen ihnen im Allgemeinen durch Gleichung 2 ausgedrückt.
Im Folgenden reicht das Integrationsgebiet von –∞ bis +∞, außer es ist anders angegeben.
Wenn I, O und H die mittleren Zeitverzögerungen von i(t), o(t) bzw. h(t) sind, werden sie folgendermaßen ausgedrückt. I = ∫t·i(t)dt/∫i(t)dt (3) O = ∫t·o(t)dt/∫o(t)dt (4) H = ∫t·h(t)dt/∫h(t)dt (5)
Es wird nun der Zähler und der Nenner von O berechnet. Als erstes wird der Zähler von O berechnet. ∫t·o(t)dt = ∫t·{∫h(t – t')i(t')dt'}dt = ∫∫t·h(t – t')i(t')dt'dt = ∫i(t')dt'∫t·h(t – t')dt
Setzt man hier t – t' = τ, t = τ + t' und dt = dτ ein, dann ergibt sich ∫t·o(t)dt = ∫i(t')dt'∫(τ + t')·h(τ)dτ = ∫i(t')dt'∫{τ·h(τ) + t'·h(τ)}dτ = ∫i(t')dt'∫τ·h(τ)dτ + ∫t'·i(t')dt'∫h(τ)dτ (6)
Als nächstes wird der Nenner von O berechnet. ∫o(t)dt = ∫∫h(t – t')i(t')dt'dt = ∫i(t')dt'∫h(t – t')dt
Setzt man hier t – t' = τ, t = τ + t' und dt = dτ ein, dann erhält man ∫ot)dt = ∫i(t')dt'∫h(τ)dτ (7)
Aus (6) und (7) ergibt sich O = {∫i(t')dt'∫τ·h(τ)dτ + ∫t'·i(t')dt'∫h(τ)dτ}/∫i(t')dt'∫h(τ)dτ = ∫τ·h(τ)dτ/∫t'·i(t')dt'/∫i(t')dt' = H + I (8)
Das Vorangegangene beweist, dass die mittlere Zeitverzögerung O der beobachteten Wellenform o(t) durch eine Summe aus der mittleren Zeitverzögerung H der Instrumentenfunktion h(t) und der mittleren Zeitverzögerung I der wahren Wellenform i(t) ausgedrückt wird.
Wie aus dem Vorangegangenen offensichtlich wird, erhält man die mittlere Zeitverzögerung I der wahren Wellenform i(t) durch Subtrahieren der mittleren Zeitverzögerung H der Instrumentenfunktion h(t) von der mittleren Zeitverzögerung O der beobachteten Wellenform o(t). Die Differenzarithmetikeinheit 36 ist eine zur Durchführung der Arith metikoperation, und deshalb sind die Ausgangsdaten von der Differenzarithmetikeinheit 36 die mittleren Zeitverzögerungdaten der wahren Wellenform (t). Deshalb erhält man die wahre mittlere Zeitverzögerung für die Wellenform des Messlichtes, die nützlich beim Ermitteln der internen Information des gemessenen Objektes ist.
Da die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung die wahre mittlere Zeitverzögerung der Wellenform des Messlichtes durch einen solch simplen Vorgang wie die Subtraktion der mittleren Zeitverzögerung der Instrumentenfunktion, die man vorher erhalten hat, von der mittleren Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform des Messlichtes, wie oben erklärt wurde, ermitteln kann, kann man die wahre mittlere Zeitverzögerung der Wellenform des Messlichtes schneller erhalten als mit den Techniken, die das konventionelle Entfaltungsverfahren verwenden.
Besondere Beispiele des obigen Fotodetektors 16 schließen eine Fotoröhre (PT), eine Fotomultiplierröhre (PMT), eine Fotomultiplierröhre (MCP-PMT), die eine Vielkanalplatte (MCP) beinhaltet, eine Fotodiode (PD), eine Avalanchefotodiode (APD), usw., ein. Der obige Fotodetektor ist normalerweise einer zum Umwandeln einer Lichtwellenform in eine elektrische Wellenform auf einer analogen Basis, jedoch kann der Fotodetektor auch digitale Messungen der Wellenform durchführen, wenn er im Photonenzählbereich verwendet wird. In diesem Fall erzeugt der Fotodetektor ein elektrisches Impulssignal entsprechend eines Photons. Das elektrische Signal wird auf einen Wert verstärkt, der durch einen nachfolgenden elektronischen Schaltkreis verarbeitet werden kann, und woraus man danach erhält man eine gemessene Zeitverteilung des elektrischen Impulssignales als gezählte Signale mit der Messzeit auf der Abszisse. In diesem Fall ist ein verwendetes Referenzsignal der Zeit (im Folgenden wird darauf als dem "Startsignal" Bezug genommen) ein Synchronisationssignal, das man von einem elektrischen Signal erhält, das zur Erzeugung des Messlichtpulses oder eines elektrischen Signals, das mit dem Lichtpuls synchronisiert ist, das man erhält, wenn der Fotodetektor den Messpuls detektiert, verwendet wird. Das Startsignal und das elektrische Signal, das man durch Photonendetektion erhält (im Folgenden wird darauf als dem "Stoppsignal" Bezug genommen), werden in einen Zeit-Amplitudenwandler (im Folgenden wird darauf als "TAC" Bezug genommen) eingegeben. Der TAC wandelt ein Zeitintervall in eine Amplitude eines Ausgangssignales um und man kann eine Lichtsignalwellenform dadurch erhalten, dass sie durch einen Pulshöhenanalysator (PHA) analysiert wird. Um die Auflösung der Detektionszeit des Photons zu erhöhen, ist ein Konstantfraktionsdiskriminator (im Folgenden wird darauf als einem "CFD" Bezug genommen) wirkungsvoll, wenn er vor dem TAC gesetzt wird. Der Wellenformspeicher kann die Ausgangssignalintensitätsverteilung, die man durch die obige Messung erhält, in Form einer Zeitverteilung speichern.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ausgelegt, das Triggersignal von der Lichtquelle 10 in den Wellenformspeicher 18 einzugeben, jedoch kann die Vorrichtung abgeändert werden, um das Triggersignal in das Verarbeitungssystem nach dem Wellenformspeicher 18 einzugeben. In diesem Fall erhält man die mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes, indem man den Arithmetikprozess als richtige Verzögerung der Zeitkomponente der Lichtwellenform entsprechend der Eingabe des Triggersignals durchführt.
Weiterhin ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgelegt, das Messlicht zu detektieren, das von dem gemessenen Objekt 45 durchgelassen wird, jedoch kann die Vorrichtung abgeändert werden, das Messlicht zu detektieren, das von dem gemessenen Objekt 45 reflektiert wird. In diesem Fall wird z. B. eine andere Lichtwellenleitereinrichtung als die Lichtwellenleitereinrichtungen 12 und 14 an eine Einfallsposition des Messlichtes angeordnet, das von dem gemessenen Objekt 45 reflektiert wird, und diese Lichtwellenleitereinrichtung wird mit dem Fotodetektor 16 verbunden.
Die obige Ausführungsform ist ausgelegt, um die zweite mittlere Zeitverzögerung in dem zweiten Zustand zu erhalten, in dem das gemessene Objekt nicht an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist und um danach die erste mittlere Zeitverzögerung in dem ersten Zustand zu erhalten, indem das gemessene Objekt an dem vorbestimmten Platz angeordnet ist, jedoch kann die Vorrichtung abgeändert werden, so dass der Betrieb in umgekehrter Reihenfolge abläuft.
Verschiedene interne Informationen des gemessenen Objektes können ermittelt werden, wenn man die wahre mittlere Zeitverzögerung Daten des Messlichtes, das man von der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung erhält, verwendet. Als nächstes wird die Vorrichtung zur Messung der internen Information des Streumediums erklärt, die so ausgelegt ist, dass sie die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung einschließt.
2 und 3 sind Blockdiagramme, um die Struktur und den Betrieb einer solchen optischen Messvorrichtung zu zeigen. Die Vorrichtung ist mit der optischen Messvorrichtung (1A und 1B), die oben erklärt wurde, einer Analyseeinheit 50, die mit der Difterenzarithmetikeinheit 36 verbunden ist, einer Aufzeichnungseinheit 52, die mit der Analyseeinheit 50 verbunden ist, und einer Anzeigeeinheit 54, die mit der Aufzeichnungseinheit 52 verbunden ist, ausgestattet.
Die Analyseeinheit 50 führt eine vorbestimmte Berechnung basierend auf den wahren mittleren Zeitverzögerungausgabedaten von der Differenzarithmetikeinheit 36 aus, um die vorbestimmte interne Information des Streumediums 45 zu erhalten. Die Aufzeichnungseinheit 52 zeichnet die internen Informationsdaten, die man von der Analyseeinheit 50 erhält, auf und speichert sie. Die Anzeigeeinheit 54 zeigt eine grafische Darstellung der internen Informationsdaten auf einem Schirm an, die man von der Analyseeinheit 50 erhält. Die Bereitstellung der Aufzeichnungseinheit 52 und der Anzeigeeinheit 54 macht es einfach, eine zeitliche Änderung des internen Zustandes des Streumediums 45 zu verfolgen.
Der Inhalt der arithmetischen Verarbeitung der Analyseeinheit 50 ist unterschiedlich abhängig vom Typ der internen Information des Streumediums 45, die man erhalten will. Zum Beispiel, wenn man einen Absorptionskoeffizienten μ_a aus der mittleren Zeitverzögerung, die man von der Differenzarithmetikeinheit 36 erhält, erhält, führt die Analyseeinheit 50 eine Berechnung basierend auf einer theoretischen Formel durch, die ein Impulsansprechverhalten mit einem Parameter des Absorptionskoeffizienten μ_a ausdrückt. Die Lösung für die Photonendiffusionsgleichung, die als eine solche theoretische Formel oft verwendet wird, d. h. eine Wellenform des gemessenen Ausgangslichtes, wenn gepulstes Licht mit einer genügend kurzen Pulsweite auf das gemessene Objekt einfällt, wird folgendermaßen angegeben. f(t) = (4πcD)–3/2t–5/2exp(–μa)ct)exp{–r2/(4Dct)}
Hier bedeutet c: die Geschwindigkeit der Photonen in dem Medium
D: der Photonendiffusionskoeffizient (= 1/(3 μ_s'), wobei μ_s' ein Transportstreukoeffizient ist)
μ_a: der Absorptionskoeffizient
t: die Zeit
r: ein Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Fotodetektor
Sei c' die Geschwindigkeit der Photonen im Vakuum und n ein Brechungsindex des gemessenen Objektes, dann ist c = c'n. Weiterhin ist der obigen Transportstreukoeffizent μ_s' definiert als μ_s' = (1 – g)μs, wobei g ein mittlerer Kosinus des Streuwinkels der Photonen durch das Streumedium ist.
Diese Lösung erhält man unter einer Bedingung für ein unendlich großes gemessenes Objekt. Die Form der Gleichung ändert sich mehr oder weniger abhängig von der Konfiguration des zu messenden Streumediums, den Randbedingungen, oder Ähnlichem, aber in diesem Fall kann man die Lösung grundsätzlich auch als eine Abänderung der obigen Formel oder durch eine Addition von einigen Bedingungen zu der obigen Formel erhalten.
Die theoretische Formel der mittleren Zeitverzögerung erhält man durch Teilen eines Integrals von f(t) gewichtet mit t, ∫t·f(t)dt durch das Integral der obigen Formel ∫f(t)dt. Es gibt verschiedene gut bekannte theoretische Formeln abhängig von der Konfiguration des Streumediums, die z. B. in dem Bereicht von S. R. Arridge et al., "Theoretical Basis for the Determination of Optical Pathlengths in Tissue: Temporal and Frequency Analysis" (Physics in Med. & Biol., Dezember 1991) beschrieben werden.
Da die theoretische Formel einer mittleren Zeitverzögerung eine Funktion des Absorptionskoeffizienten μ_a ist, kann der Absorptionskoeffizient μ_a umgekehrt unter Verwendung der mittleren Zeitverzögerungdaten berechnet werden, die man von der Differenzarithmetikeinheit 36 erhält. Ebenso kann man auch die interne Information wie die Streukonstante, der Brechungsindex oder Ähnliches des Streumediums 45 erhalten, wenn die Analyseeinheit 50 Umkehrrechnungen unter Verwendung der mittleren Zeitverzögerungdaten oder eine Arithmetik zum gleichzeitigen Lösen von Gleichungen durchführt. Deshalb kann man die gewünschten internen Informationen erhalten, indem man die arithmetische Operation in der Arithmetikeinheit 50 abhängig vom Typ der internen Information einstellt.
Ein Beispiel für die Detektion einer Änderung des Brechungsindexes ist die Messung der Blutglukosekonzentration. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Glukosekonzentration im Gewebe stark den Brechungsindex der extrazellulären Flüssigkeit beeinflusst, wie in dem Bericht von John S. Maier et al. "Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coefficient of tissues in the near infrared" (OPTICS LETTERS/Vol. 19, Nr. 24/Dezember 15, 1994) beschrieben wird. Da der Lichtstreukoeffizient im Gewebe weitgehend von den Indexunterschieden zwischen der extrazellulären Flüssigkeit und den Zellen abhängt, ändert die Indexänderung des extrazellulären Fluids den Streukoeffizienten, so dass die Ausgangswellenform geändert wird, was als eine Änderung der mittleren Zeitverzögerung erscheint. Da es eine Korrelation zwischen der mittleren Zeitverzögerung des Lichtes, das durch das Streumedium hindurchgetreten ist, und dem Brechungsindex des extrazellulären Fluids, wie beschrieben, gibt, kann man den Brechungsindex des extrazellulären Fluids erhalten, indem eine geeignete Berechnung durchgeführt wird basierend auf den mittleren Zeitverzögerungdaten in der Analyseeinheit 50.
Die Photonendiffusionsgleichung wird allgemein als eine Formel verwendet, um die internen Funktionsparameter, wie Streukonstante oder Absorptionskonstante aus den mittleren Zeitverzögerungdaten, wie oben beschrieben, zu erhalten, jedoch ist die Formel nicht immer darauf beschränkt. Zum Beispiel schließen anwendbare Beispiele eine Formel, die von einem Ausdruck abgeleitet wird, in dem die Absorption von Licht in einem Streumedium als eine Funktion des Ausbreitungsabstandes ausgedrückt wird, eine Formel für eine Beziehung zwischen der mittleren Zeitverzögerung und der internen Informationsparameter, die man durch Experimente erhält, usw., ein.
Es ist auch möglich, den Grad der Heterogenität von Gewebe des Streumediums 45 oder eine Konstante, die dessen Struktur betrifft, unter Verwendung der mittleren Zeitverzögerungdaten zu erhalten. Wenn ein Modell für das Gewebe des Streumediums 45 aufgestellt werden kann, kann der Grad der Heterogenität des Gewebes oder die Konstante betreffend die Struktur quantifiziert werden, indem eine geeignete Formel für das Modell angewendet wird. Selbst in dem Fall, wenn die Anwendung des Modells nicht leicht ist, kann man einen Wert des Parameters betreffend des Streumediums 45 erhalten, indem Voruntersuchungen der Korrelation zwischen dem Parameter und der mittleren Zeitverzögerung der Wellenform des Lichtes, das von dem Streumedium 45 durch gelassen oder reflektiert wird, durchgeführt werden. In diesem Fall führt die Analyseeinheit 50 einen Prozess durch, um die mittleren Zeitverzögerungsdaten von der Differenzarithmetikeinheit 36 mit den vorbestimmten Korrelationsdaten zu vergleichen, um die vorbestimmten Parameter zu erhalten.
Hier soll ein Beispiel betrachtet werden, in dem die wahre mittlere Zeitverzögerung des gemessenen Lichtes die Korrelation aufweist, die in 4 gezeigt ist, mit einem Zustand des gemessenen Objektes (z. B. die Zusammensetzung oder die Struktur). In 4 bezeichnen Punkte Daten, die man aus vielen Messungen, die tatsächlich an einem menschlichen Körper durchgeführt wurden, erhält, und die durchgezogene Linie zeigt eine Korrelationslinie an, die man aus den gemessenen Werten erhält. Angenommen, Punkt A ist ein Wert der mittleren Zeitverzögerung, den man für den menschlichen Körper des gemessenen Objektes erhält, sieht man, dass der Zustand der Person näherungsweise B ist, und eine messende Person (z. B. ein Doktor), der das nachprüft, kann eine Einschätzung darüber abgeben, ob eine ausführlichere Messung (Untersuchung) notwendig ist oder nicht.
Wenn eine Korrelation zwischen der Bedingung einer Krankheit oder Bedingung des Körpers und der gemessenen mittleren Zeitverzögerung gewonnen wird, kann man nützliche Informationen direkt aus den mittleren Zeitverzögerungsdaten erhalten. Wenn es z. B. eine Korrelation zwischen einer Änderung von gemessenen Werten und einer strukturellen Änderung des Gewebes gibt, kann man ein Ausmaß der strukturellen Änderung aus der Änderung der mittleren Zeitverzögerung unter Verwendung der Korrelation erhalten.
Wenn die arithmetische Verarbeitung der Analyseeinheit 50 eingerichtet wird, um die Information betreffend die strukturelle Änderung des gemessenen Objektes zu erhalten, kann die optische Messvorrichtung, die in 2 und 3 gezeigt ist, für Osteoporosediagnose angewendet werden. Wie z. B. von Ryuichiro ARAKI, Akira TAKEUCHI et al., in "Optical measurement of osteoporotic bone (1) (2)" (Abstracts at the 65th Meeting of the Japanese Society for Hygiene) beschrieben wurde, zeigt eine zeitliche Wellenform von Licht, das ein knöchernes Gewebe, das in der Struktur von normalen Bedingungen abweicht, durchläuft, eine Änderung eines Spitzenwertes, einer Ausdehnung, einer mittleren Zeitverzögerung oder Ähnlichem der Wellenform abhängig von der strukturellen Veränderung. Genauer erklärt breitet sich das Licht, das durch das Gewebe hindurchgeht, darin als Streulicht aus, und so nimmt die Häufigkeit der Gelegenheiten gestreut zu werden mit einer groben Gewebestruktur ab, um so die Wellenform zu ändern. Bei geringerer Streuung wird die Weite der Wellenform des Ausgangslichtes enger, und der Spitzenwert und die mittlere Zeitverzögerung werden zu kürzerer Zeit gezogen, verglichen mit denen von normalem Gewebe. Entsprechend kann man die Informationen betreffend die Osteoporose durch Messung der mittleren Zeitverzögerung des Ausgangslichts erhalten. In diesem Fall kann die Analyseeinheit 50 so eingestellt werden, dass eine Berechnung durchgeführt wird, um einen Parameter zu erhalten, der eine Änderung des Ausmaßes der Struktur basierend auf den mittleren Zeitverzögerungdaten anzeigt.
Die Alzheimer-Krankheit ist ein Beispiel, in dem Ergebnisse der Änderungen des Streukoeffizienten des menschlichen Körpers, dessen Absorptionskoeffizient, der Gewebsstruktur usw. synthetisch erscheinen. Der Zustand und die Funktion des Gehirns des Patienten, das an dieser Krankheit leidet, wird bis zu einem gewissen Grad durch PET und MRI aufgedeckt, und man fand, dass ein Verlauf der Krankheit in einer Verkümmerung des Gewebes, einer Abnahme des Blutflusses, usw. mündet, wegen eines Auslaufens von Nervenzellen. Dadurch wird die Lichtausbreitung im Gewebe weniger einer Lichtmodulation aufgrund der Streuung oder Absorption unterzogen, so dass sich die mittlere Zeitverzögerung des Ausgangslichtes beträchtlich ändert, abhängig vom Fortschritt der Krankheit. Deshalb, wenn die Analyseeinheit 50 eingestellt wird, um ein Verfahren durchzuführen, um den Fortschritt der Krankheit aus den mittleren Zeitverzögerungdaten, basierend auf solch einer Korrelation zu erhalten, durchzuführen, kann die Diagnose der Alzheimer-Krankheit durch die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die obigen Ausführungsformen begrenzt, sondern die Erfindung kann verschiedene Ausführungen und Veränderungen aufweisen. Zum Beispiel verwendet die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das Einzelpunkteinstrahl/Einzelpunktnachweisverfahren. Die Vorrichtung kann jedoch, ohne darauf beschränkt zu sein, ausgelegt werden, um Photonen, die von einigen Punkten des gemessenen Objektes außerhalb des Messlichtes, das auf das gemessene Objekt einfällt, austreten, durch eine Vielzahl von Fotodetektoren, die um das gemessene Objekt ange ordnet sind, zu detektieren, und um die interne Information des Streumediums, die man von dem entsprechenden Messlicht erhält, zuzuordnen. Umgekehrt kann die Position der Lichtquelle zum Abtasten bewegt werden, um austretende Photonen durch den fixierten Fotodetektor zu detektieren. Weiterhin können diese Verfahren in Kombination verwendet werden.
Als nächstes sind 5 und 6 Blockdiagramme, um die Struktur und den Betrieb einer Modifikation der optischen Messvorrichtung, die in 2 und 3 gezeigt ist, zu zeigen. Zusätzlich zur Anordnung der optischen Messvorrichtung, die in 2 und 3 gezeigt ist, ist diese Vorrichtung weiterhin mit einem Integrator 60, der mit dem Wellenformspeicher 18 verbunden ist, einer Schalteinheit 62, die mit diesem Integrator 60 verbunden ist, und einem Integralwertspeicher 60 und einer Verhältnisarithmetikeinheit 66, die jeweils mit dieser Schalteinheit 62 verbunden sind, ausgestattet. Die Analyseeinheit 50 ist mit der Verhältnisarithmetikeinheit 66 verbunden und Ausgangsdaten von der Verhältnisarithmetikeinheit 66 wird der Analyseeinheit 50 zugeführt. Die Aufzeichnungseinheit 52 und die Anzeigeeinheit 54 sind mit der Analyseeinheit 50 verbunden, ähnlich wie in der Vorrichtung, die in 2 und 3 gezeigt ist.
Als nächstes wird der Betrieb der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung und das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung erklärt.
Wie in 5 zu sehen ist, emittiert zuerst die Lichtquelle 10 das Messlicht in dem Zustand, in dem das gemessene Objekt nicht in dem Bereich 40 (oder in dem zweiten Zustand) angeordnet ist, und der Fotodetektor 16 detektiert die zeitabhängige Wellenform des Messlichtes, das durch den Bereich 40 hindurchgeht. Diese Lichtwellenformdaten werden in dem Wellenformspeicher 18 synchron zu dem Messlicht aufgenommen und darin gespeichert.
Die mittlere Zeitverzögerungsarithmetikeinheit 20 liest die Lichtwellenformdaten aus dem Wellenformspeicher 18 je nach Anforderung und berechnet die mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes basierend auf den Daten. Auf der anderen Seite berechnet der Integrator 60 einen Zeitintegrationswert der Messlichtwellenform basierend auf den Lichtwellenformdaten in dem Wellenformspeicher 18. Mit der obigen Berechnung erhält man die mittlere Zeitverzögerung und den integrierten Wert der Instrumentenfunktion h(t). Die erhaltenen mittleren Zeitverzögerungsdaten und Integrationswertdaten werden in den mittleren Zeitverzögerungsspeicher 34 und den Integrationsspeicher 64 über die Schalteinheiten 32 bzw. 62 eingegeben und darin gespeichert.
Als nächstes emittiert, wie in 6 gezeigt ist, die Lichtquelle 10 das Messlicht in dem Zustand, indem das gemessene Objekt 45 in dem Bereich 40 (oder in dem ersten Zustand) angeordnet ist, und der Fotodetektor 16 empfängt das Licht, das durch das gemessene Objekt 45 hindurchgegangen ist. Die Lichtwellenformdaten, die von dem Fotodetektor 16 detektiert wurden, werden in dem Wellenformspeicher 18 gespeichert und werden für die mittlere Zeitverzögerungsarithmetik der mittleren Zeitverzögerungsarithmetikeinheit 20 und für die Integrationsarithmetik des Integrators 60 verwendet. Dadurch werden die mittlere Zeitverzögerung und der Zeitintegrationswert der beobachteten Wellenform o(t) berechnet. Die mittleren Zeitverzögerungsdaten und integrierten Wertdaten der beobachteten Wellenform o(t) werden durch die entsprechenden Schalteinheiten 32 und 62 der Differenzarithmetikeinheit 36 und der Verhältnisarithmetikeinheit 66 zugeführt. Die Differenzarithmetikeinheit 36 liest die mittleren Zeitverzögerungsdaten der Instrumentenfunktion h(t) aus den mittleren Zeitverzögerungsspeicher 34 und subtrahiert die mittlere Zeitverzögerung der Instrumentenfunktion h(t) von der mittleren Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform o(t), um die mittlere Zeitverzögerung der wahren Wellenform i(t) zu erhalten. Auf der anderen Seite liest die Verhältnisarithmetikeinheit 66 die Daten der integrierten Werte der Instrumentenfunktion h(t) aus dem Integrationsspeicher 64 und führt eine Berechnung durch, um die integrierten Werte der beobachteten Wellenform o(t) durch die integrierten Werte der Instrumentenfunktion h(t) zu teilen. Die Berechnungsergebnisse der Differenzarithmetikeinheit 36 und Verhältnisarithmetikeinheit 66 werden beide zur Analyseeinheit 50 gesendet.
Die Analyseeinheit 50 führt eine ausführlichere Analyse unter Verwendung der mittleren Zeitverzögerungsdaten der wahren Wellenform i(t) und der Verhältnisarithmetikdaten der Integrationswerte der Lichtwellenform als in der vorangegangenen Vorrichtung durch. Die mittleren Zeitverzögerungsdaten, die man von der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung erhält, aus dem Wellenformspeicher 18 werden einer Veränderung durch verschiedene Parameter, einschließlich des Streukoeffizienten, des Absorptionskoeffizienten usw., wie vorher beschrieben, unterzogen. Ähnlich wird der Integrationswert der Lichtwellenform auch einer Modulation durch den Streukoeffizienten, den Ab sorptionskoeffizienten usw., unterzogen. Entsprechend können durch Durchführung der Berechnungsverfahren, wie Kombinieren der mittleren Zeitverzögerungsdaten mit den Verhältnisarithmetikdaten des Integrationswertes der Beitrag der Streuung und der Beitrag der Absorption an der mittleren Zeitverzögerung leicht voneinander getrennt werden.
Wie oben ausgeführt wurde, kann man durch das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung schnell und einfach die wahre mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes einfach durch Subtrahieren der zweiten mittleren Zeitverzögerung des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel ohne Beeinflussung durch das gemessene Objekt (welches die mittlere Zeitverzögerung der Instrumentenfunktion ist) detektiert wird, von der ersten mittleren Zeitverzögerung des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt durchstrahlt oder reflektiert wird (welches die mittlere Zeitverzögerung der beobachteten Wellenform ist), erhalten, wobei die gewünschte optische Messung effizient innerhalb einer kurzen Zeit durchgeführt werden kann. Da man die interne Information des gemessenen Objektes durch Analysieren der wahren mittleren Zeitverzögerungsdaten des Messlichtes erhalten kann, kann man die In-vivo-Information genau erhalten, ohne den Organismus aufzuschneiden, so dass z. B. eine Untersuchung oder die Diagnose der Krankheit innerhalb einer kurzen Zeit durchgeführt werden kann.
Wenn das optische Messverfahren der vorliegenden Erfindung ausgelegt wird, das Verhältnis des ersten Integrationswertes der Wellenform des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, und des zweiten Integrationswertes der Wellenform des Messlichtes, das von dem Lichtdetektionsmittel ohne Beeinflussung des gemessenen Objektes detektiert wird, zu erhalten, wird es möglich, genauere interne Informationen des gemessenen Objektes durch Analyse des Verhältnisses und der wahren mittleren Zeitverzögerungsdaten zu erhalten.
Die optische Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann effizient die gewünschte optische Messung innerhalb einer kurzen Zeit durchführen, da der erste arithmetische Verarbeitungsbereich schnell und einfach die wahre mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes erhält einfach durch Subtraktion der zweiten mittleren Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung.
Mit der Vorrichtung, die mit dem ersten und zweiten Lichtwellenleitermittel unter den optischen Messvorrichtungen der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, kann die erste Lichtwellenleitereinrichtung leicht und sicher das Messlicht von Lichtquelle zu dem gemessenen Objekt führen, während das zweite Lichtwellenleitermittel sicher das Messlicht, das von dem gemessenen Objekt durchgelassen oder reflektiert wird, zu dem Lichtdetektionsmittel führen, wobei ermöglicht wird, die optische Messung des gemessenen Objektes einfacher durchzuführen.
Mit der Vorrichtung, die mit der Analyseeinheit unter den optischen Messvorrichtungen der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, erhält man mit der Analyseeinheit verschiedene interne Informationen des Streumediums durch Analyse der wahren mittleren Zeitverzögerungsdaten des Messlichtes und man kann z. B. die In-vivo-Informationen genau erhalten, ohne den Organismus aufzuschneiden, wodurch es möglich wird, die Untersuchung und Diagnose einer Krankheit in einer kurzen Zeit durchzuführen.
Mit der Vorrichtung, die mit dem zweiten arithmetischen Verarbeitungsbereich unter der optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, erhält man mit dem zweiten Arithmetikverarbeitungsbereich das Verhältnis des ersten Integralwertes, des zweiten Integralwertes und die Analyseeinheit analysiert, dass die Verhältnisarithmetikdaten und die wahren mittleren Zeitverzögerungsdaten des Messlichtes, wobei man genauere interne Informationen des gemessenen Objektes erhält, wodurch ermöglicht wird, die Untersuchung oder Diagnose der Krankheit geeigneter durchzuführen.

1A

18: WELLENFORMSPEICHER
20: MITTLERE ZEITVERZÖGERUNGSARITHMETIKEINHEIT
32: SCHALTEINHEIT
34: MITTLERER ZEITVERZÖGERUNGSSPEICHER
36: DIFFERENZARITHMETIKEINHEIT

1B

2

18: WELLENFORMSPEICHER
20: MITTLERE ZEITVERZÖGERUNGSARITHMETIKEINHEIT
32: SCHALTEINHEIT
34: MITTLERER ZEITVERZÖGERUNGSSPEICHER
36: DIFFERENZARITHMETIKEINHEIT
50: ANALYSEEINHEIT
52: AUFZEICHNUNGSEINHEIT

3

4

GEMESSENE PHYSIKALISCHE GRÖSSE
MITTLERE ZEITVERZÖGERUNG

5

18: WELLENFORMSPEICHER
20: MITTLERE ZEITVERZÖGERUNGSARITHMETIKEINHEIT
32: SCHALTEINHEIT
34: MITTLERER ZEITVERZÖGERUNGSSPEICHER
36: DIFFERENZARITHMETIKEINHEIT
50: ANALYSEEINHEIT
52: AUFZEICHNUNGSEINHEIT
60: INTEGRATOR
62: SCHALTEINHEIT
64: INTEGRALSPEICHER
66: VERHÄLTNISARITHMETIKEINHEIT

6

Claims

Ein optisches Messverfahren umfassend: einen ersten Schritt des Emittierens von Messlicht von einer Lichtquelle (10) auf das gemessene Objekt (45), in einem ersten Zustand, in dem ein gemessenes Objekt (45) an einem vorherbestimmten Platz (40) angeordnet wird, und messen des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt (45) durchgelassen oder reflektiert wird, mit Lichtmessmittel (16), um eine erste mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu erhalten; ein zweiter Schritt des Emittierens des Messlichtes von der Lichtquelle (10) zu dem vorherbestimmten Platz (40), in einem zweiten Zustand, in dem das gemessene Objekt (45) nicht an dem vorherbestimmten Platz (40) angeordnet ist, und messen des Messlichtes, das durch den vorherbestimmten Platz hindurchgeht ohne durch das gemessene Objekt beeinflusst zu werden, durch das Lichtmessmittel (16), um eine zweite mittlere Zeitverzögerung zu erhalten; und einen dritten Schritt des Abziehens der zweiten mittleren Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung, um eine tatsächliche mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend einen vierten Schritt des Analysierens der tatsächlichen mittleren Zeitverzögerung, die man in dem dritten Schritt erhält, um eine interne Information des gemessenen Objektes (45) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen fünften Schritt des Emittierens des Messlichtes von der Lichtquelle (10) zu dem gemessenen Objekt (45), in dem ersten Zustand, in dem das gemessene Objekt (45) in dem vorherbestimmten Platz (40) angeordnet ist, und erfassen des Messlichtes, das von dem gemessenen Objekt (45) durchgelassen oder reflektiert wird, von dem Lichterfassungsmittel (16), um einen ersten integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu erhalten; einen sechsten Schritt des Emittierens des Messlichtes von der Lichtquelle (10) zu dem vorherbestimmten Platz (40) in dem zweiten Zustand, in dem das gemessene Objekt (45) nicht an dem vorherbestimmten Platz (40) angeordnet ist, und erfassen des Messlichtes, das den vorherbestimmten Platz (40) durchläuft ohne von dem gemessenen Objekt (45) beeinflusst zu werden, durch das Lichterfassungsmittel (16), um einen zweiten integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu erhalten; und einen siebten Schritt des Erhaltens eines Verhältnisses des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend einen achten Schritt des Analysierens der tatsächlichen mittleren Zeitverzögerung, den man in dem dritten Schritt erhalten hat, und des Verhältnisses des ersten Integralwertes und des zweiten Integralwertes, den man in dem siebten Schritt erhalten hat, um interne Information des gemessenen Objektes (45) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das gemessene Objekt (45) ein streuendes Medium ist und worin die interne Information zumindest aus einer Information besteht, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt: eine Konstante, die die Absorption des Streumediums betrifft; eine Konstante, die dessen Streuung betrifft; dessen Brechungsindex; ein Ausmaß an Heterogenität von dessen Zusammensetzung; und eine Konstante, die dessen Struktur betrifft.
Optische Messvorrichtung umfassend: eine Lichtquelle (10) um Messlicht zu emittierten, das zu einem vorbestimmten Platz (40) geleitet wird; und ein Lichterfassungsmittel (16) um das Messlicht, das von dem vorherbestimmten Platz (40) ausgeht, zu erfassen; ein erster arithmetischer Verarbeitungsabschnitt um eine erste mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu berechnen, das von einem gemessenen Objekt (45) durchgelassen oder reflektiert wird, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichterfassungsmittel gemessen wird, wobei das gemessene Objekt (45) an dem vorbestimmten Platz (40) angeordnet ist; um eine zweite mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu berechnen, das durch den vorbestimmten Platz (40) durchgeht ohne von dem gemessenen Objekt (45) beeinflusst zu werden, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichterfassungsmittel (16) erfasst wurde, wobei das gemessene Objekt (45) nicht an dem vorbestimmten Platz (40) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet, dass der arithmetische Verarbeitungsbereich ausgelegt ist, um die zweite mittlere Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, um eine tatsächliche mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der erste arithmetische Verarbeitungsabschnitt umfasst: eine arithmetische mittlere Zeitverzögerungs-Einheit (20) um eine mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes zu berechnen, das von dem Lichterfassungsmittel (16) erfasst wurde, um die erste mittlere Zeitverzögerung und die zweite mittlere Zeitverzögerung zu erhalten; und eine arithmetische Differenzeinheit (30), um die zweite mittlere Zeitverzögerung von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, um die tatsächliche mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die arithmetische Differenzeinheit (30) umfasst: ein erstes Schaltmittel (32), um zu einem Bestimmungsort der Ausgangsdaten von der arithmetischen mittleren Zeitverzögerungs-Einheit (20) zu schalten, ein erstes Speichermittel (34), das mit dem ersten Schaltmittel (32) verbunden ist und angeordnet ist, um die zweite mittlere Zeitverzögerung zu speichern; und ein arithmetisches Differenzmittel (36), das mit dem ersten Schaltmittel (32) und dem ersten Speichermittel (34) verbunden ist, und das angeordnet ist, um die zweite mittlere Zeitverzögerung, die in dem ersten Speichermittel (34) gespeichert ist, von der ersten mittleren Zeitverzögerung abzuziehen, um die tatsächliche mittlere Zeitverzögerung zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: ein erstes Lichtwellenleitermittel (12), bei dem ein Ende mit der Lichtquelle (10) verbunden ist und das andere Ende angeordnet ist, dass es dem vorherbestimmten Platz (40) gegenüberliegt, um das Messlicht zu dem vorbestimmten Platz (40) zu lenken; und ein zweites Lichtwellenleitermittel (14), bei dem ein Ende mit dem Lichtmessmittel (16) verbunden ist, und das andere Ende angeordnet ist, dass es dem vorherbestimmten Platz (40) gegenüberliegt, um das Messlicht, das von dem vorbestimmten Platz (40) ausgeht, zu dem Lichtmessmittel (16) zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: eine Analyseeinheit (50), die mit dem ersten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt verbunden ist, um Daten zu empfangen, um die tatsächliche mittlere Verzögerungszeit, die man von dem ersten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt erhält, zu analysieren, um die interne Information des gemessenen Objektes (45) zu erhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiterhin umfassend: einen zweiten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt, um einen ersten integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu berechnen, das von dem gemessenen Objekt (45) durchgelassen oder reflektiert wurde, basierend auf dem Messlicht, das von dem Lichtmessmittel (16) erfasst wird, wobei das gemessene Objekt (45) in dem vorbestimmten Platz (40) angeordnet wird; um einen zweiten integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu berechnen, das durch den vorherbestimmten Platz (40) hindurchgeht, ohne von dem gemessenen Objekt (45) beeinflusst zu werden, basierend auf dem Messlicht, das durch das Lichterfassungsmittel (16) erfasst wurde, wobei das gemessene Objekt (45) nicht an dem vorherbestimmten Platz (40) angeordnet ist; und um ein Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes zu erhalten, und eine Analyseeinheit (50) die mit dem ersten und zweiten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt verbunden ist, um Daten zu empfangen, um die tatsächliche mittlere Verzögerungszeit, die man von dem ersten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt erhält, und das Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes, die man von dem zweiten arithmetischen Verarbeitungsabschnitt erhält, zu analysieren, um die interne Information des gemessenen Objekts (45) zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der zweite arithmetische Verarbeitungsabschnitt umfasst: eine arithmetische Integrationseinheit (60), um einen integralen Wert einer Wellenform des Messlichtes zu berechnen, das von dem Lichterfassungsmittel (16) erfasst wird, um den ersten integralen und den zweiten integralen Wert zu erhalten; und eine arithmetische Verhältniseinheit (66), um das Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die arithmetische Verhältniseinheit (66) umfasst: ein zweites Schaltmittel (62), um die von der arithmetischen Integrationseinheit (66) ausgegebenen Daten auf einen Bestimmungsort zu schalten; ein zweites Speichermittel (64), das mit dem zweiten Schaltmittel (62) verbunden ist und das angeordnet ist, um den zweiten integralen Wert zu speichern; und ein arithmetisches Verhältnismittel (66), das mit dem zweiten Schaltmittel (62) und mit dem zweiten Speichermittel (64) verbunden ist, und das angeordnet ist, um das Verhältnis des ersten integralen Wertes und des zweiten integralen Wertes, der in dem zweiten Speichermittel (64) gespeichert ist, zu erhalten.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, worin der erste arithmetische Verarbeitungsbereich weiter umfasst: einen Zeit-Amplituden-Wandler und einen Pulshöhenanalysator.
Vorrichtung nach Anspruch 14, worin der erste arithmetische Verarbeitungsbereich weiterhin umfasst: einen Konstantbruchteildiskriminator, der vor dem Zeit-Amplituden-Wandler und dem Pulshöhenanalysator gesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche weiterhin umfassend: einen Wellenformspeicher (18), der Wellenformdaten speichert, die von dem Lichterfassungsmittel (16) ausgegeben werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend: ein Triggermittel, um die Lichtquelle (10) und den Wellenformspeicher (18) zu synchronisieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, worin die arithmetische mittlere Zeitverzögerungs-Einheit (20) mit einem Wellenformspeicher (18) verbunden ist, der Daten einer Lichtwellenform empfängt, um eine mittlere Zeitverzögerung des Messlichtes, das von dem Lichterfassungsmittel (16) erfasst wird, zu bestimmen, indem ein Schwerpunkt der Lichtwellenform berechnet wird.