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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung
der diffusen Reflexion.
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Hintergrund der Erfindung
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Das
Bedürfnis
und die Forderung nach einem genauen, nicht-invasiven Verfahren
zur Bestimmung von Analyt-Konzentrationen in menschlichem Gebewebe
ist gut dokumentiert. Barnes et al. (
U.S. Patent
Nr. 5,379,764 ) offenbart beispielsweise das Erfordernis
für Diabetiker,
die Zuckerniveaus in ihrem Blut häufig zu überwachen. Es ist ferner anerkannt, das
große
Veränderungen
in den Zuckerniveaus weniger wahrscheinlich sind, je häufiger die
Analyse gemacht wird. Diese großen
Veränderungen
mit den Symptomen und Komplikationen der Krankheit verknüpft, deren
Langzeiteffekte eine Herzkrankheit, die Arteriosklerose, Blindheit,
Herzinfarkt, Bluthochdruck, Nierenversagen und vorzeitigen Tod umfassen.
Wie unten beschrieben wird, wurden Systeme für die nicht-invasive Messung
von Zucker im Blut vorgeschlagen. Trotz dieser Bemühungen ist
jedoch für
alle gegenwärtig
im Handel erhältlichen
Formen von Zuckerüberwachung
zu Hause immer noch ein Lanzettenschnitt in den Finger erforderlich.
Dies wird als so unangenehm für
den Diabetes-Patienten angenommen, dass der am meisten effektive
Einsatz von jeglicher Form von Diabetesmanagement selten erreicht
wird.
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Die
verschiedenen, vorgeschlagenen, nicht-invasiven Verfahren zur Bestimmung
des Blutzuckerniveaus, die einzeln unten diskutiert werden, verwenden
allgemein die quantitative Infrarot-Spektroskopie als theoretische
Basis für
die Analyse. Die Infrarot-Spektroskopie misst die elektromagnetische Strahlung
(0,7–25 μm), die eine
Substanz bei verschiedenen Wellenlängen absorbiert. Die Atome nehmen
keine festen Positionen in Bezug aufeinander ein, sondern sie schwingen
um einen mittleren Abstand vor und zurück. Die Absorption des Lichtes bei
der geeigneten Energie bewirkt, dass die Atome auf ein höheres Schwingungsniveau
angeregt werden. Die Anregung der Atome auf einen angeregten Zustand
tritt nur bei bestimmten, diskreten Energieniveaus auf, die für das spezielle
Molekül
charakteristisch sind. Die meisten primären Schwingungszustände treten
in einem mittleren Infrarotfrequenzbereich (das heißt 2,5–25 μm) auf. Die
nicht-invasive Analytbestimmung in dem Blut in diesem Be reich ist jedoch
problematisch, wenn nicht unmöglich,
aufgrund der Absorption des Lichts durch Wasser. Das Problem wird
durch die Verwendung von kürzeren Wellenlängen des
Lichts überwunden,
die nicht von Wasser gedampft werden. Oberschwingungen der primären Schwingungszustände existieren
bei kürzeren
Wellenlängen
und ermöglichen
die quantitativen Bestimmungen dieser Wellenlängen.
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Es
ist bekannt, dass Zucker bei mehreren Frequenzen sowohl im mittleren
als auch im nahen Infrarotbereich absorbieren. Es gibt jedoch andere
infrarotaktive Analyte in dem Blut, die auch bei ähnlichen
Frequenzen absorbieren. Aufgrund der Überlappung dieser Absorptionsbänder kann
eine einzige oder spezifische Frequenz nicht für eine zuverlässige, nichtinvasive
Zuckermessung verwendet werden. Die Analyse der spektralen Daten
für die
Zuckermessung erfordert damit die Bestimmung von vielen spektralen
Intensitäten über einen
weiten Spektralbereich, um die Empfindlichkeit, Präzision,
Genauigkeit und Zuverlässigkeit
zu erreichen, die für
eine quantitative Bestimmung erforderlich ist. Zusätzlich zu überlappenden
Absorptionsbändern
wird die Messung von Zucker weiter durch die Tatsache kompliziert
gemacht, dass Zucker eine untergeordnete Gewichtskomponente in dem
Blut ist und dass die resultierenden Spektraldaten ein nicht-lineares
Ansprechverhalten aufgrund sowohl der Eigenschaften der überprüften Substanzen
und/oder von inhärenten Nicht-Linearitäten in dem
optischen Geräteaufbau zeigen.
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Robinson
et al (
U.S. Patent Nr. 4,975,581 ) offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Charakteristik
von einem unbekannten Wert in einer biologischen Probe unter Verwendung
von Infrarot-Spektroskopie im Zusammenhang mit einem Mehr-Variablen-Modell,
das empirisch von einem Satz von Spektren von biologischen Proben mit
bekannten charakteristischen Werten abgeleitet ist. Die oben erwähnte Charakteristik
dient im Allgemeinen die Konzentration des Analyten, beispielsweise
Zucker, sie kann jedoch eine beliebige chemische oder physikalische
Eigenschaft der Probe sein. Das Verfahren von Robinson et al. umfasst
ein zweistufiges Verfahren, das sowohl Kalibrierungs- als auch Vorhersageschritte
umfasst. In dem Kalibrierungsschritt wird das Infrarotlicht mit
einer Kalibrierungsprobe mit bekannten charakteristischen Werten gekoppelt,
so dass eine differentielle Dämpfung
von wenigstens einigen Wellenlänger
der Infrarotstrahlung als eine Funktion der verschiedenen Komponenten
und des Analyten, die die Probe bilden, mit bekannten charakteristischen
Werten erfolgt. Das Infrarotlicht wird mit der Probe dadurch gekoppelt,
dass das Licht durch die Probe hindurch tritt oder dass das Licht
von der Probe reflektiert wird. Die Absorption des Infrarotlichts
durch die Probe verursacht Intensitätsschwankungen des Lichts,
die eine Funktion der Wellenlänge
des Lichts sind. Die resultierenden Intensitätsschwankun gen, bei den wenigstens
einigen Wellenlängen,
werden für
einen Satz von Kalibrierungsproben mit bekannten charakteristischen
Werten gemessen. Ursprüngliche
und transformierte Intensitätsveränderungen
werden dann empirisch mit den bekannten Charakteristiken der Kalibrierungsproben
unter Verwendung eines Viel-Variablen-Algorithmus in Beziehung gesetzt,
um ein Viel-Variablen-Kalibrierungsmodell zu erhalten. In dem Vorhersageschritt
wird das Infrarotlicht mit einer Probe mit einem unbekannten charakteristischen
Wert gekoppelt, und das Kalibrierungsmodell wird auf die ursprünglichen
oder transformierten Intensitätsschwankungen
der geeigneten Wellenlängen
des Lichts angewendet, das von dieser unbekannten Probe gemessen.
Wird. Das Ergebnis des Vorhersageschritts ist der abgeschätzte Wert
der Charakteristik der unbekannten Probe.
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Dähne et al.
(
U.S. Patent Nr. 4,655,225 )
offenbaren ferner ein Verfahren, das die nahe Infrarotspektroskopie
verwendet, um optische Energie in dem nahen Infrarotspektrum nichtinvasiv
durch einen Finger oder eine Ohrmuschel eines Subjekts zu übertragen.
Dähne offenbart
auch die Messung reflektierter Lichtenergie, um die Analytkonzentration
zu bestimmen. Es wird angegeben, dass die reflektierte Lichtenergie
ferner aus Licht, das von der Oberfläche der Probe reflektiert wird,
und Licht besteht, das von tief in dem Gewebe reflektiert wird.
Es ist die nahe Infrarotenergie, die von der Tiefe in der Probe
aus diffus reflektiert wird, von der Dähne offenbart, dass sie die
Analyt-Information enthält,
während
die an der Oberfläche
reflektierte Lichtenergie keine Analyt-Information gibt und die
Interpretation oder Messung von Licht, das von der Tiefe in dem
Gewebe reflektiert wird, behindert. Die vorliegende Erfindung ist
auf eine Vorrichtung zur verbesserten Messung von diffus reflektiertem
Licht gerichtet, während
die Auswirkungen des an der Oberfläche reflektierten Lichts eliminiert
werden.
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Die
Reflexionsspektroskopie ist in anderen nicht-medizinischen Anwendungen
bekannt. Im Allgemeinen befasst sich diese Spektroskopie mit der Identifizierung
der chemischen Struktur der Probe durch Verwendung der reflektierten
Information. Die diffuse Reflexionsspektroskopie ist ebenfalls allgemein
bekannt, und sie wird in großem
Umfang in dem sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Lichtspektrums
verwendet, um Materialien, beispielsweise Körner und andere Lebensmittelprodukte,
zu studieren.
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In
breitem Sinne verwendet die diffuse Reflexionsspektroskopie die
Tatsache, dass die Probenmaterialien dazu neigen, dass Licht in
einer mehr oder weniger zufälligen
Weise zu streuen. Ein Teil des Lichts wird gelegentlich von der
Probe zurückgestreut
und von einem Detektor aufgesammelt, um eine quantitative oder qualitative
Darstellung der Probe zu liefern.
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In
der Infrarotspektroskopie ist es oft erwünscht, den mittleren Infrarotbereich
des Spektrums zu verwenden. Die Grundschwingungsabsorptionen, die
oben beschrieben wurden, sind hier in dem fundamentalen Bereich
am stärksten.
Das Ziel der Infrarotspektroskopiemessung ist es oft, eine Probe
so vorzubereiten, dass sie mit dem mittleren Infrarotlicht analysiert
werden kann. Die Reflexionsspektroskopie ist ein sehr populärer Weg,
die Probe mit dem mittleren Infrarotlicht kompatibel zu machen. Wenn
eine Probe zu dick ist, um Licht durch eine Transmission durch sie
hindurch zubringen, kann oft ein Resultat durch Reflexion erhalten
werden. Die Reflexionsspektroskopie wird jedoch durch die Tatsache
kompliziert gemacht, dass mehr als ein optisches Phänomen in
diesem Modus auftritt. Die Reflexion von Licht von einer Probe kann
weitgehend in zwei Kategorien, die diffuse Reflexion und die Spiegelreflexion,
aufgeteilt werden. Die Spiegelreflexion einer Probe ist das Licht,
das nicht in die Probe eintritt sondern stattdessen (wie von einem
Spiegel) von der vorderen Oberfläche
der Probe reflektiert wird. Diese Komponente enthält Information über die
Probe an der Oberfläche.
Wenn das Material homogen ist, kann diese Oberflächenreflexion mit dem Körper in Beziehung
gesetzt werden. Während
die Spiegelkomponente physikalisch nicht viel wie ein Absorptionsspektrum
auftritt, kann sie mit dem Absorptionsspektrum des Körpermaterials
durch eine Transformation in Beziehung gesetzt werden, die die Kramers-Kronig-Transformation genannt
wird. Die meisten Experten stimmen noch damit überein, dass die diffuse Komponente
viel nützlicher
für die
Qualifikationen und Quantifikation der Probe ist als die Spiegelkomponente.
Es wurde eine Menge an Aufwand durch die Anmelder und andere betrieben,
um die diffuse Komponente zu verbessern und die Spiegelkomponente
weniger zu betonen, und um im Wesentlichen zu bewirken, dass das
Reflexionsspektrum mehr wie die Transmission ausfällt. Im
Allgemeinen fallen diese Bemühungen
weitgehend in drei Kategorien: eine optische Diskriminierung gegen
die Spiegelung, eine mechanische Diskriminierung und sekundäre Verfahren
der Probenvorbereitung, die darauf abgestimmt sind, die Spiegelung
auf ein Minimum herabzusetzen. Ein vierter nicht-unabhängiger Ansatz
ist es, sich von dem mittleren Infrarotbereich weg zu bewegen, um
die Erfordernisse bei der Probenvorbereitung zu lockern. Indem man
sich zu dem nahen Infrarotbereich oder dem sichtbaren Bereich des
Spektrums bewegt, wird die Schwingungsspektroskopie mehr verschwommen
und ungenau, oft kann dies jedoch dadurch ausgeglichen werden, dass
Verbesserungen in der Qualität
und dem Signal-Rausch-Verhältnis
der Daten, die erhalten werden können,
wegen einer verbesserten Probennahmemöglichkeit, einer geeigneteren
Weglänge
und einer besseren Diskriminierung gegen die Spiegelreflexion beobachtet
wird. Dieser Ansatz ist besonders nützlich, wenn eine quantitative
Information erwünscht
ist.
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Die
meisten Experten würden
zustimmen, dass die diffuse Komponente erwünscht und sogar notwendig ist,
wenn das Probenmaterial in Schichten oder nicht-homogen aufgebaut
ist. Die Spiegelkomponente enthält
weitgehend eine Information über
die Oberfläche
der Probe und nicht über
den Körper. Dennoch
beschreibt das
U.S. Patent Nr.
5,015,100 , ausgegeben. am 14. Mai 1991 an Walter M. Doyle, ein
Beispiel für
den Spiegelansatz. Die Spiegelkomponente des Lichts ist erheblich
abhängig
von der Wellenlänge
und enthält
Information über
den komplexen Brechungsindex des unter Test befindlichen Materials.
Dieser komplexe Brechungsindex enthält einen imaginären Term,
der sich auf den Absorptionskoeffizienten des Materials bezieht.
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Doyle
gibt an, dass die mögliche
Nützlichkeit der
Spiegelreflexionsspektroskopie den Durchschnittsfachleuten wohl
bekannt ist, und er weißt
darauf hin, dass mathematische Ausdrücke, nämlich die Kramers-Kronig-Beziehung,
verwendet werden können,
um die gemessenen Reflexionsspektren in Absorptionsspektren umzusetzen.
Diese berechneten Spektren sind dann nützlich für die Identifizierung von Proben
durch Vergleich mit existierenden Bibliotheken von Absorptionsspektren.
Die Arbeit des Standes der Technik wurde jedoch nicht für quantitative Messungen,
beispielsweise die Zusammensetzungsanalyse von Proben, beispielsweise
dem Blut eines Patienten, verwendet. Tatsächlich würde es für diesen Zweck sehr schlecht
arbeiten, da nur sehr wenig Blutinformation an der Oberfläche der
Haut vorhanden ist. Die diffuse Komponente muss verwendet werden.
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Das
Dokument Nr. 424, das an der 16. jährlichen FACSS-Konferenz im
Oktober 1998 von Doyle and McIntosh präsentiert wurde, kam zu dem Schluss,
dass die Kramers-Kronig-Beziehungen nicht
verwendet werden konnten, um genaue Absorptionsspektren von Reflexionsdaten
zu erhalten außer,
wenn die benutzten Gleichungen modifiziert wurden, um die Polarisation
und den Einfallswinkel in die Betrachtung mit einzubeziehen, oder
außer
das experimentelle Gerät
liefert Strahlung, die die Verhältnisse
bei einem senkrechten Einfall näherungsweise
verwirklicht.
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Das
Patentzitat von Doyle beschreibt die Verwendung des Geräts in einem
Spiegelreflexionssystem, in dem die analytische Strahlung, die von
der Probe reflektiert wird, die Bedingungen, die bei einem senkrechten
Einfall existieren, annähert,
und es schlug eine Lösung
vor, indem im Wesentlichen die gleichen Bedingungen von Strahlungen,
die parallel zu der Einfallsebene polarisiert sind, und von Strahlungen,
die senkrecht zu der Einfallsebene polarisiert sind, sichergestellt
werden. Doyle lehrt, dass ein halbdurchlässiger Strahlteiler, der in
solch einem Gerät
verwendet wird, die gewünschte
Polarisationsbalance erreichen würde,
jedoch den Strahlungswirkungsgrad wegen der Verluste in der Transmission der
Probe, der Reflexion nach der Probe und dem Absorptionsverlust in
dem Strahlteiler opfern würde. Das
Doyle-Zitat beschreibt dann ein System mit verbesserten Strahlungswirkungsgrad,
das einen Strahlteiler mit aufgeteiltem Feld verwendet, der einen
Oberflächenbereich
hat, der in eine ungeradzahlige Vielzahl von reflektierendem Lamellen
und offenen, durchlässigen
Bereich eingeteilt ist.
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Das
U.S. Patent Nr. 4,852,955 ,
das ebenfalls an Doyle ausgegeben wurde, beschreibt ein System, das
das Problem des beschränkten
Strahlteilerwirkungsgrads durch Verwendung eines 100%ig reflektierenden
Spiegels, der die Hälfte
der Systemöffnung abdeckt,
und dadurch, dass eine Anordnung getroffen wird, dass die Bestrahlungs-
und Ausgangsstrahlen gegenüberliegende
Hälften
der Öffnung
verwenden, umgeht. Die Verwendung des Strahlteilers mit geteiltem
Feld nach diesem Zitat beinhaltet jedoch eine Verteilung der einfallenden
Strahlung, die im Bezug auf eine Achse senkrecht zu der Probenoberfläche asymmetrisch
ist. Als Ergebnis gibt es keine Sicherheit dafür, dass die p- und s-Polarisationszustände ausbalanciert
sind, wenn der vorgeschlagene Strahlteiler in Betrieb ist.
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Die
Einschränkungen
des Standes der Technik nach Doyle sind klar. Die Spiegelreflexion
ist nur nützlich,
wenn das Körpermaterial
durch die Oberflächenzusammensetzung
adäquat
repräsentiert
wird. Wenn dies nicht der Fall ist, beispielsweise wenn nicht-invasive
Blutanalytmessungen durchgeführt werden,
gibt diese Methode ein verfälschtes
Resultat.
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Ein
Beispiel für
eine mechanische Diskriminierung gegen die Spiegelreflexion ist
in dem
U.S. Patent Nr. 4,661,706 ,
ausgegeben am 28. April 1987 an Robert G. Messerschmidt und Donald
W. Sting gezeigt. Messerschmidt et al. zeigen, dass die Spiegelkomponente
und die diffuse Komponente des reflektierten Lichts mechanisch getrennt
werden können,
wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass die Spiegelkomponente aus
der Oberfläche
der Probe vortritt. Eine lamellenartige Vorrichtung „schöpft" das gespiegelte
Licht ab, bevor es auf den Detektor auftreffen kann. Eine rein diffuse
Reflexion kann nach einer sorgfältigen
Ausrichtung erhalten werden. Ein Nachteil der Vorrichtung ist es,
dass sie nicht beim Aufsammeln des diffusen Lichts effektiv arbeitet.
Ein großer
Teil der diffus reflektierten Energie verläuft nur bis zu einer flachen
Tiefe in die Probe, und es ist an dieser Grenze, wo die Blockiervorrichtung
liegt. Ein aus geringer Tiefe kommendes, diffuses Licht wird daher
ausgeschlossen. Für
sehr hoch absorbierende Proben in dem mittleren Infrarotbereich
ist das Signal-Rausch-Verhältnis der
resultierenden Messung stark verschlechtert. Dieser Typ von Vorrichtung könnte erfolgreich
für nicht-invasive
Blutanalytmessungen jedoch mit reduziertem Wirkungsgrad im Vergleich
zu dem in dieser Anmeldung vorgeschlagenen Verfahren verwendet werden.
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Optische
Mittel wurden ebenfalls verwendet, um diffuse und Spiegel-Komponenten
zu trennen. Ein neuerliches Beispiel wird von Ralf Marbach in seiner
Doktorarbeit mit dem Titel „MeB-Verfahren
zur IR-spektroskopischen Blutglukosebestimmung" (englische Übersetzung: „Measurement
Techniques for IR Spectroscopic Blood Glucose Determination"), veröffentlicht
in Düsseldorf
1993, beschrieben. Marbach verwendet ein optisches Diskriminierungssystem,
das im Prinzip dem recht ähnlich
ist, das von Harrick Scientific Corp. in dem Praying Mantis-Instrument
mit diffuser Reflexion verwendet wurde, das zuerst 1980 eingeführt wurde.
Er ist das Konzept, dass das Spiegel-reflektierte Licht von einer
Probe mit einem Winkel gleich und entgegengesetzt zu dem Einfallswinkel
zu der Oberflächensenkrechten
reflektiert wird. Unter Verwendung dieser Tatsache ist es eine einfache
Sache, das Licht nur außerhalb
des eingegebenen Sammelwinkels aufzusammeln. Marbach und Harrick
begrenzen dann den Einfallswinkel auf einen kleinen Bereich, so
dass ein größerer Bereich von
Ausfallswinkeln für
das Aufsammeln verwendet werden kann. Es ist zu beachten, dass es
einen begrenzten Bereich des Raumes gibt, in dem das Licht in die
Probe eingeführt
und von der Probe aufgesammelt werden kann. Als fester Winkel für eine Probe mit
ebener Oberfläche
kann dieses Arbeitsvolumen mit 2π Steradiant
in einem festen Winkel angegeben werden. In der Harrick-Vorrichtung ist ein
kleiner und gleich großer,
fester Winkel durch die Eingabe- und Ausgabeoptik ausgeschnitten.
Weniger als 1/2π Steradiant
wird entweder durch die Eingabe- oder die Ausgabeoptik eingegrenzt.
Dies führt
zu einem Wirkungsgrad von weniger als 50% des zur Verfügung stehenden
Gesamtwinkels. Ein anderer kritischer Faktor beim Einsammeln von
diffus reflektiertem Licht ist die Richtungseigenschaft des aufgesammelten
Lichts. Viele Proben einschließlich
der Hautprobe, die für
die nicht-invasiven Messungen erforderlich sind, sind recht weitgehend
vorwärts
streuend. Dies bedeutet, dass ein gestreutes Photon eine Richtung
nur um einen kleinen Winkel nach einem Streuereignis ändert. Die
Harrick-Vorrichtung erfordert es, dass ein Photon über einen
großen
Winkel abweicht, bevor es von der Ausgabeoptik aufgesammelt werden
kann. Diese geringe Performance in Anwesenheit einer Anisotropie
der Probe und der relativ geringe Wirkungsgrad sind schwerwiegende
Probleme bei der Harrick-Vorrichtung. Die Marbach-Vorrichtung verbessert
die Harrick-Vorrichtung in mehrfacher Hinsicht. Als erstes nähert sich
das Gesamtvolumen, das für
die Eingabe und das Aufsammeln des Lichtes zur Verfügung steht,
2π Steradiant,
welches die theoretische Grenze ist. Dies wird dadurch erreicht,
dass eine Basis für
den Azimutwinkel von 360° sowohl
für das
einfallende als auch das ausgegebene Licht zugelassen wird. Als
zweites wird die Vorwärtsrichtungseigenschaft
der Streuung in Betracht gezogen. Strahlen, die nur um einige Winkelgrade
abweichen, können
aufgesammelt werden. Der Untergang dieses Ansatzes ist es, dass die
optischen Eingabe- und Ausgabesysteme in Bezug auf die Vergrößerung vollständig unabgestimmt
sind. Jedes System mit diffuser Reflexion muss in Abstimmung mit
der Quelle und dem Detektor des Systems arbeiten. Da Detektoren
in dem nahen Infrarotbereich des Spektrums mehr Rauschen entwickeln,
wenn sie größer werden, sollte
es ein Ziel sein, den Detektor so klein wie möglich zu machen. Eine helle,
kompakte Quelle ist ebenfalls vorteilhaft. In dem Marbach-System
wird das Bild der Quelle in Relation zu dem Bild des Detektors in
der Probenebene stark vergrößert. Dies
bedeutet, dass die Dichte der Quellenergie, die auf den Detektor
abgebildet werden kann, begrenzt ist. Zusätzlich wird die von der Probe
angesammelte Energie auf ihrem Weg zu dem Detektor verkleinert.
Wiederum wird der Energiewirkungsgrad verschlechtert. Eine ideale
Situation würde
die Vergrößerungen
am Eingang und am Ausgang gleich groß lassen. Eine andere wichtige
Einschränkung
der Marbach-Ausführung betrifft
die Auswahl der Winkel für
die Eingabe und die Ausgabe. Reale optische Systeme sind gut bei
der Abbildung mit großen
Brennweiten. Systeme mit kleinen Brennweiten insbesondere mit großen Feldbegrenzungsdurchmessern
neigen dazu, schlecht abzubilden. Marbach erwähnt diese Tatsache in seiner
Arbeit. In diesem Design ist der primäre, nahezu senkrecht ausgerichtete
Raum mit großer Brennweite
insgesamt für
das eingegebene Licht reserviert, und das nicht ideale, nahezu streifende
Licht wird als Ausgabe verwendet. Es ist gut vorstellbar, dass die
Vorrichtung besser arbeiten würden,
wenn sie in „Rückwärtsrichtung" von dem Modus verwendet
würde,
der von Marbach verwendet wird, wobei der Ort der Quelle und der
Ort des Detektors ausgetauscht wurden. Die in dieser Anmeldung beschriebene
Vorrichtung liefert eine noch bessere Lösung.
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Die
US-A-4,859,064 offenbart
ein Spektroskopiesystem, das die Komponente der diffusen Reflexion
des Reflexionsspektrums von der Komponenten der Spiegelreflexion
und der Verwendung eines Fern-Feld-Unterbrechungsfilters trennt.
Die Oberfläche
der Probe wird an einer Brennebene des optischen Systems angeordnet.
Das optische System erzeugt ein Bild auf der Oberfläche der
Probe, das ein Bild des Fern-Feldunterbrechungsfilters umfasst. Das
optische System bildet die Oberfläche der Probe entweder auf
einen gleichen oder einen anderen Fern-Feldunterbrecher ab. Die
Energie, die von der Oberfläche
der Probe reflektiert wird, die an der Fern-Feldunterbrechung im
Fokus ist, enthält
die Bildinformation über
das Bild des Filters, während
die Energie, die von unterhalb der Oberfläche der Probe reflektiert wird,
nicht notwendigerweise eine Bildinformation über das Bild des Filters enthält. Da die
Energie von der Oberfläche
der Probe spiegelreflektiert wird und da die Energie von unterhalb
der Oberfläche diffus
reflektiert wird, ist die Spiegelkomponente des Reflexionsspektrums
räumlich
von einem Teil der Komponenten der diffusen Reflexion an der Fern-Bildunterbrechung getrennt
und wird ausgefiltert. Das nun gefilterte Reflexionsspektrum enthält diffus
reflektierte Energie, die auf den Detektor eines Spektrometers gerichtet
wird.
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MARBACH
R. ET AL: „Optical
defuse reflectance accessory for measurements of skin tissue by near-infrared
spectroscopy" APPLIED
OPTICS, Vol. 34, No. 4, 1. Februar 1995 (1995-02-01), Seiten 601–621, XP000482448
ISSN: 003-6935 offenbart ein optimiertes Gerät zur Messung von Spektren
diffuser Reflexion von menschlichem Hautgewebe in dem nahen Infrarot-Spektralbereich.
Das Gerät
umfasst einen zugriffsfähigen,
ellipsenförmigen
Sammelspiegel mit wirksamen Beleuchtungsoptiken für kleine
Bereiche von Messproben mit umfangreichem Körper. Das optische Design wird
durch die Ergebnisse einer Monte-Carlo-Simulationsstudie der Reflexionscharakteristiken
von Hautgewebe unterstützt. Weil
die Resultate sich aus Bemühungen
ergaben, den Blutzucker nicht-invasiv zu messen, wird das hauptsächliche
Gewicht auf den langwelligen nahen Infrarotbereich gelegt, wo eine
ausreichende Eindringtiefe für
die Strahlung in das Gewebe immer noch zur Verfügung steht. Das Gerät wird für Messungen
der diffusen Reflexion im lebenden Organismus angewendet.
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Die
Erfindung ist auf eine Vorrichtung für eine verbesserte Messung
von diffus reflektiertem Licht von einem einen Analyten enthaltenden,
menschlichen Gewebe gerichtet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für eine verbesserte
Messung von diffus reflektiertem Licht von einem einen Analyten
enthaltenden, menschlichen Gewebe, und es umfasst eine Spiegelsteuervorrichtung,
die das spiegelreflektierte Licht oder das von der Oberfläche reflektierte
Licht von dem diffus reflektierten Licht trennt, das von tief in
dem Gewebe zurückkommt. Daher
erreicht nur das diffus reflektierte Licht, das die Analyt-Information
enthält,
den Detektor. Die Spiegelsteuervorrichtung umfasst eine Oberfläche, die dafür gedacht
ist, dass der analytische Strahl von einer Lichtquelle darauf auftrifft,
wobei die Oberfläche in
eine geradzahlige Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist, wobei
die Hälfte
der Abschnitte klar zum Durchlassen von Lichtstrahlen ist und eine
Hälfte
der Abschnitte reflektierende Spiegel aufweist, um die reflektierten
Strahlen von der Probe zu der Detektorvorrichtung zu richten. Die
Spiegelsteuervorrichtung umfasst ferner einen opaken Raum vorgegebener
Breite, der als Grenze zwischen jeweils nebeneinander liegenden
Abschnitten dient. Der opake Raum kann entlang den Mittellinien
der Oberfläche
angeordnet sein, so dass der gesamte Oberflächenbereich der reflektierenden
Abschnitte gleich dem gesamten Oberflächenbereich der offenen Abschnitte
ist; oder opake Raum kann wahlweise außerhalb des Zentrums in einer
Weise angeordnet sein, so dass der gesamte Oberflächenbe reich
der reflektierenden Abschnitte ungleich ist zu dem gesamten Oberflächenbereich
der offenen Abschnitte.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, dass die Verwendung einer Spiegelsteuervorrichtung
auf der Basis einer symmetrischen Verteilung der Eingabe- und Ausgabeoptiken
die Spiegellichtverfälschung,
die mit der Probennahme von diffuser Reflexion von menschlichem
Gewebe verknüpft
ist, reduzieren oder eliminieren kann. Die Lichtstrahlen von einer
Energiequelle werden durch ein optisches System auf eine Gewebeprobe
fokussiert, das vorzugsweise aus Linsen aufgebaut ist. Das Licht
tritt durch die Spiegelsteuervorrichtung hindurch oder fällt auf sie
ein, wie in weiterem Detail unten beschrieben wird. Es wurde gefunden,
dass eine Fokussierung des Strahls bewirkt, dass jegliches Licht,
das in das System eintritt und einer Spiegelreflexion unterworfen
ist, aus dem System auf der gegenüberliegenden Seite des Fokuszentrums
austritt. Insbesondere verlaufen die Lichtstrahlen, die eine Spiegelreflexion
erfahren, entlang einem Weg, der symmetrisch um den zentralen Fokus
ist. Damit verläuft
das spiegelreflektierte Licht entlang einem Weg, der eine Mittelpunktsymmetrie
hat. Die Spiegelsteuervorrichtung, das optische System, hat eine
Symmetrie um den zentralen Fokus. Beispielsweise tritt Licht, das
von der Oberfläche
der Haut spiegelmäßig reflektiert
wird, aus dem optischen System auf der gegenüberliegenden Seite des Strahlfokus
aus, was einer gegenüberliegenden Öffnung in
der Spiegelsteuervorrichtung entspricht. Nicht spiegelmäßig reflektiertes
Licht, das eine Änderung
in der Richtung in Bezug auf seinen Einfallswinkel zu dem zentralen
Fokus erfahren hat, fällt
auf die Oberfläche
der Spiegelsteuervorrichtung in einem nicht-fensterartigen Abschnitt ein und wird
zum Zwecke der nachfolgenden Spektralanalyse abgelenkt. Auf diese
Weise erreicht das spiegelmäßig reflektierte
Licht niemals den Analysator.
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Andere
Ziele und viele der zugehörigen
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht beachtetet, wenn
sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung
betrachtet im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird,
wobei in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in
allen Figuren davon in
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung ist, die die abwechselnden
Antworten auf Licht zeigt, das auf ein einen Analyten enthaltendes Gewebe
auftrifft, einschließlich
der Spiegelreflexion, der diffusen Reflexion, der Absorption und
der Transmission;
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2 eine
schematische Darstellung des Effekts auf die Spiegelreflexion zeigt
bei Verwendung von Eingabe- und Ausgabestrahlen, die um einen zentralen
Fokus herum symmetrisch sind;
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3 eine
typische optische Konfiguration mit einem einzigen Spiegel für die Reflexionsmesswertnahme
zeigt, worin der optische Strahl in eine Eingabe- und Ausgabeseite
um eine einzige Mittellinie aufgeteilt ist;
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4 eine
schematische Darstellung für
die Eliminierung von spiegelreflektiertem Licht unter Verwendung
von vier Quadranten zeigt;
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5 eine
schematische Darstellung der Richtungsänderung ist, die erforderlich
ist, damit diffus reflektierte Lichtenergie den Analysator erreicht;
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6 eine
schematische Darstellung einer Spiegelsteuervorrichtung zeigt, die
acht Quadranten enthält;
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7 ein
schematisches Diagramm einer alternativen Spiegelsteuervorrichtung
ist, die im Allgemeinen rechteckige, symmetrische Quadranten verwendet;
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8a eine
für das
Verständnis
nützliche Draufsicht
ist, die eine Spiegelsteuervorrichtung zeigt;
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8b eine
Draufsicht auf die Spiegelsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist; und
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9 eine
schematische Zeichnung ist, die die Verwendung der Spiegelsteuervorrichtung
dieser Erfindung in einem Spektroskopiesystem zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine verbesserte Vorrichtung zur Messung
der diffusen Reflexion gerichtet. Die Basis für die Messung ist diffus reflektiertes
Licht, das von der Gewebeprobe zurückkehrt, nachdem sie durch
eine Breitband-Energiequelle von nahem Infrarot bestrahlt worden
ist.
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Bezug
nehmend zuerst auf 1 ist eine schematische Darstellung
der Lichtenergie gezeigt, die auf eine einen Analyten enthaltendes
Gewebeprobe auftrifft. Wie in der vereinfachten Darstellung gezeigt
ist, umfasst die Gewebeprobe 12 eine obere Schicht oder
Oberhaut 16, eine mittlere Schicht oder Haut 18 und
subkutanes Gewebe 19. Das einfallende Licht 10 bestrahlt
die Gewebeprobe 12, wobei Teile der Lichtenergie durch
die Gewebeprobe hindurch übertragen
werden, wodurch sich ein Transmissionslicht 26 ergibt,
das auf der gegenüberliegende
Seite der Gewebeprobe austritt. Alternativ kann die Gewebeprobe
einen Teil der Lichtenergie absorbieren, was als Wärme absorbierte
Lichtenergie 24 ergibt. Ein drittes Phänomen umfasst die Spiegelreflexion 14 von
einem Teil des einfallenden Lichts 10. Schließlich kann
ein Teil 30 der Lichtenergie diffus reflektiert werden.
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Das
diffus reflektierte Licht 30 macht mehrere Brechungen durch
aufgrund des Kontaktes mit verschiedenen Komponenten innerhalb der
Gewebeprobe. Gelegentlich kehrt ein Teil der diffus reflektierten
Lichtenergie 30 zu der Oberfläche der Gewebeprobe 12 zurück und tritt
durch die Hautoberfläche
zu der Messvorrichtung aus. Somit werden sowohl spiegelreflektiertes
Licht 14 als auch diffus reflektiertes Licht 30 kombiniert
und zu dem Instrument der vorliegenden Erfindung zurückgeführt.
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Von
dem reflektierten Licht enthält
nur das diffus reflektierte Licht 30 Analyt- oder Zucker-Information.
Das Licht, das spiegelartig reflektiert wird, enthält Information über die
vaskuläre
Oberhaut, enthält
jedoch keine Zuckerinformation. Daher ist es das Ziel der vorliegenden
Erfindung, nur das diffus reflektierte Licht 30 für die Analyse
zu verwenden, indem dieses Licht von dem spiegelreflektierten Licht 14 getrennt
wird. Das spiegelreflektierte Licht 14 kann als Verfälschungslicht
betrachtet werden, da es die erforderliche Information für die Analyse
nicht enthält.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, dass die Probleme, die mit der Messwertnahme
mit diffus reflektiertem Licht von Gewebe verbunden sind, durch
die Verteilung der Eingabe- und
Ausgabeoptiken auf der Grundlage der Zentrumssymmetrie auf ein Minimum
herabgesetzt werden können.
In einer Zentrumssymmetrie-Konfiguration werden die Lichtstrahlen 10 durch
ein optisches System, das Linsen enthält, auf die Gewebeprobe 12 fokussiert.
Es wurde gefunden, dass die Lichtstrahlen, die spiegelartig von
der Oberfläche
des Gewebes 12 reflektiert werden, aus dem optischen System
auf der gegenüberliegenden
Seite des Strahlfokus austreten. Jeglicher Lichtstrahl, der in das
System eintritt und einer Spiegelreflexion unterworfen wird, verlässt das
System auf der gegenüberliegenden
Seite des Zentrumsfokus.
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Bezug
nehmend nunmehr auf 2 ist ein schematisches, für das Verständnis nützliches
Diagramm dargestellt, das das Konzept und den Effekt von Lichtstrahlen
erläutert,
die durch das Linsensystem hindurch treten, das den Strahl fokussiert.
Wie in 2 gezeigt ist, sind die Lichtstrahlen A, B und
C so dargestellt, dass sie durch eine im Allgemeinen kreisförmige, transparente
Platte hindurch treten, die in vier Quadranten um den Mittelpunkt
herum unterteilt ist. Die Quadranten umfassen einen ersten Quadranten 32,
einen zweiten Quadranten 34, einen dritten Quadranten 38 und
einen vierten Quadranten 36. Wie dargestellt ist, fällt die
eingegebene Lichtenergie A 42 in dem ersten Quadranten
auf die Platte auf und tritt durch diese hindurch. Aufgrund der
Mittelpunktsymmetrie kehrt die ausgegebene Lichtenergie A 48 aufgrund
der Spiegelreflexion durch die Platte in dem dritten Quadranten
zurück.
Entsprechend fällt
die eingegebene Lichtenergie B 40 ebenfalls auf den ersten
Quadranten 32 ein. Die ausgegebene Lichtenergie B 36,
die das Resultat der Spiegelreflexion ist, tritt aus dem dritten
Quadranten 38 aus. Auf ähnliche Weise
hat die eingegebene Lichtenergie C 44, die auf dem zweiten
Quadranten 34 einfällt,
eine Komponente von spiegelreflektiertem Licht, die aus dem vierten Quadranten 36 austritt,
wie als ausgegebene Lichtenergie C 50 gezeigt ist.
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Im
Gegensatz zu dem Konzept der Mittelpunktsymmetrie umfasst eine typische
optische Konfiguration mit einem einzigen Spiegel für die Reflexions-Probennahme
einen optischen Strahl, der in eine Eingabe- und eine Ausgabeseite
um eine einzige Mittellinie aufgeteilt ist. Diese Konfiguration
ist in 3 gezeigt. Wiederum ist eine im Allgemeinen kreisförmige Platte
mit einer Eingabeseite 52 und einer Ausgabeseite 54 dargestellt.
Die Seiten sind durch eine Mittellinie, die sich durch die Diagonale
der Platte erstreckt, unterteilt. Die Eingabestrahlen A 42,
B 40 und C 50, die durch die Platte hindurch treten,
haben spiegelreflektierte Komponenten oder Ausgabe-Lichtenergie
A 48, B 46 und C 44, die tatsächlich durch die
Ausgabeoptiken als Probe genommen werden und von einem Detektor
gesehen werden.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, dass das Problem, das mit der Spiegelreflexion
verbunden ist, durch Design einer Spiegelsteuervorrichtung eliminiert
werden kann, die das Konzept der Mittelpunktsymmetrie umfasst, wie
in 1 gezeigt ist, um die Probleme mit optischen Standardkonfigurationen mit
einem einzigen Spiegel für
die Reflexions-Probennahme
zu überwinden.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine im Allgemeinen kreisförmige, für das Verständnis nützliche
Platte gezeigt, die in vier Quadranten unterteilt ist. Bei der Konfiguration
von 4 sind der erste Quadrant 32 und der
dritte Quadrant 38 als Eingabequadranten definiert. Der
zweite Quadrant 34 und der vierte Quadrant 36 sind
als Ausgabequadranten definiert. Das Licht der Energiequelle fällt auf
die kreisförmige
Platte ein. Die Eingabequadranten gestatten jedoch den Durchtritt
der Lichtenergie, während
die Ausgabequadranten opak sind. Somit tritt nur das Licht, das
auf die Eingabequadranten einfällt,
durch die Spiegelsteuervorrichtung hindurch, um mit der Gewebeprobe
in Kontakt zu kommen.
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Das
Licht, das von der Gewebeprobe reflektiert wird und das sowohl spiegelreflektiertes
Licht als auch diffus reflektiertes Licht enthält, fällt auf die gegenüberliegende
Seite der Spiegelsteuervorrichtung ein. Wie bei 1 erläutert wurde,
fällt jedoch
das gesamte spiegelreflektierte Licht, das von der Gewebeprobe zurückkommt,
auf den ersten oder dritten Quadranten 32, 38 ein
und kommt durch diese Öffnungen
zurück.
Im Gegensatz dazu fällt
eine Menge des diffus reflektierten Lichts auf den zweiten Quadranten 34 und
den vierten Quadranten 36 ohne irgendeine damit interferierende
Spiegelreflexion auf. Das diffus reflektierte Licht kann dann von
der Oberfläche
des zweiten und vierten Quadranten 34, 36 reflek tiert
und zu dem Analysator weitergeleitet werden. Auf diese Weise wird
nur das diffus reflektierte Licht analysiert.
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Wie
in der für
das Verständnis
nützlichen 5 gezeigt
ist, müsste
der diffus reflektierte Anteil eines Lichtstrahls 56 eine
Richtungsänderung
von wenigstens 45 Grad erfahren, bevor er von der Ausgabeoptik aufgenommen
werden könnte.
Es ist erkennbar, dass die Anzahl der Photonen, die dieser Richtungsänderung
ohne Absorption erfolgreich abschließen würden, geringer wäre als diejenigen,
die eine kleine Richtungsänderung
erfolgreich durchlaufen können.
Die Anmelder haben erkannt, dass der Wirkungsgrad des optischen
Systems verbessert werden kann, indem der optische Strahl in mehrere, auf
Symmetrie basierende Eingabe- und Ausgabeabschnitte unterteilt wird.
Ein solches alternative Ausführungsbeispiel,
das für
das Verständnis
nützlich
ist, ist in 6 gezeigt. In 6 wird
der optische Strahl in acht getrennte, keilförmige Quadranten um den Mittelpunkt
herum aufgeteilt. In der Acht-Quadranten-Konfiguration
müsste
ein Lichtstrahl, der in dem Zentrum eines Eingabequadranten liegt,
eine Richtungsänderung
von nur 22,5 Grad durchlaufen. Die Anmelder haben erkannt, dass
die Anzahl der Quadranten weiter erhöht werden kann. Wie in der
zum Verständnis
nützlichen 7 gezeigt
ist, kann der optische Strahl alternativ in 16 im Allgemeinen
quadratische Quadranten unterteilt werden, die ebenfalls symmetrisch
um den Mittelpunkt herum sind.
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8A zeigt
eine Spiegelsteuervorrichtung, die allgemein bei 110 gezeigt
ist. Die Oberfläche
der Spiegelsteuervorrichtung 110 ist in eine geradzahlige Vielzahl
von Abschnitten unterteilt, die hier als offene Abschnitte 116 und 118 und
als reflektierende Abschnitte 112 und 114 gezeigt
sind. Die offenen Abschnitte 116 und 118 sind
dafür gedacht,
einen Lichtstrahl durchzulassen oder zu übertragen, der auf die Oberfläche der
Spiegelsteuervorrichtung 110 einfällt.
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Im
Gegensatz dazu sind die reflektierenden Abschnitte 112 und 114 dafür gedacht,
den einfallenden Strahl zu blockieren und reflektierte Teile davon zu
einer vorgegebenen Stelle zu reflektieren.
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In 8A,
die nicht Teil der Erfindung ist, ist jeder der Abschnitte 112, 114, 116 und 118 von
gleicher Größe, und
daher ist der gesamte Oberflächenbereich
der offenen Abschnitte 116 und 118 gleich zu dem
gesamten Oberflächenbereich
der reflektierenden Abschnitte 112 und 114. Ferner
ist jeder der reflektierenden Abschnitte 112 und 114 zwischen
einem Paar von offenen Abschnitten 116 und 118 angeordnet,
und auf ähnliche
Weise ist jeder der offenen Abschnitte 116 und 118 zwischen
einem Paar von reflektierenden Abschnitten 112 und 114 angeordnet.
Schließlich
liegt jeder reflektierende Abschnitt, beispielsweise 112, einem
anderen reflektierenden Abschnitt, beispielsweise 114,
gegenüber, und
jeder offene Abschnitt, beispielsweise 116, liegt einem
anderen offenen Abschnitt, beispielsweise 118, gegenüber.
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Bezug
nehmend nun auf 8B ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
gezeigt. In 8B ist die Spiegelsteuervorrichtung 110 wiederum
in eine Vielzahl von reflektierenden Abschnitten 112 und 114 und
offene Abschnitte 116 und 118 unterteilt. Jeder reflektierende
Abschnitt, beispielsweise 112 und 114, liegt zwischen
einem Paar von offenen Abschnitten 116 und 118,
und auf ähnliche
Weise liegt jeder der offenen Abschnitte 116 und 118 zwischen
einem Paar von reflektierenden Abschnitten, beispielsweise 112 und 114.
Jeder reflektierende Abschnitt liegt einem anderen reflektierenden
Abschnitt gegenüber, und
jeder offene Abschnitt liegt einem anderen offenen Abschnitt gegenüber.
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In 8B ist
auch ein Satz von opaken Abstandsflächen 113 und 111 gezeigt,
die entlang den Grenzen zwischen jedem der Abschnitte 112, 116, 114 und 118 angeordnet
sind. Die Wirkung der Abstandsflächen 111 und 113 ist
es, eine präzisere
Definition zwischen dem analytischen Strahl, der zum Bestrahlen
einer Probe ausgesendet wird, und dem Datenstrahl, der von der Probe
reflektiert wird, zu erreiche. Die opake Abstandsfläche zwischen
den reflektierenden und offenen Abschnitten erreicht diese erwünschte Verbesserung,
in dem sie beispielsweise ein Übersprechen
in den verschiedenen, nebeneinander liegenden Abschnitten von durchgelassenen und
reflektierten Lichtstrahlen verhindert.
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Wenn
opake Abstandsflächen 111 und 113 entlang
den Durchmessern einer kreisförmigen
Spiegelsteuervorrichtungs-Oberfläche,
beispielsweise 110, verwendet werden, ergeben sie eine
gleichmäßige Unterteilung
des restlichen Oberflächenbereichs
zwischen den reflektierenden Abschnitten 112 und 114 und
den offenen Abschnitten 116 und 118. Da es für die Analyse
gewisser Proben erwünscht sein
kann, den Oberflächenbereich
der reflektierenden Abschnitte ungleich zu dem Oberflächenbereich der
offenen Abschnitte ausgebildet zu haben, ist dies in 8B durch
die Hinzufügung
der opaken Abstandsbereiche 115 und 117 als erreicht
gezeigt. Zum Zwecke der Beschreibung ist der opake Bereich 115 so
gezeigt, dass er zu dem opaken Abstandsbereich 113 hinzugefügt ist,
um den Oberflächenbereich
des offenen Abschnitts 116 zu verkleinern, und auf ähnliche
Weise wurde der opake Bereich 117 zu dem opaken Abstandsbereich 113 hinzugefügt, um den
Oberflächenbereich
des offenen Abschnitts 118 zu verkleinern. In dem in 8B gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist in einem System, wo der analytische Quellenstrahl durch die
offenen Bereiche 116 und 118 übertragen wird und die diffuse
Reflexion von der Probe durch die Abschnitte 112 und 114 zu
einem Detektor reflektiert wird, ersichtlich, dass die Hinzufügung der
opaken Abschnitte 115 und 117 den Prozentsatz
des Quellenstrahl vermindert, der die Probe bestrahlt.
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Bezug
nehmend nun auf 9 ist eine schematische Darstellung
eines Spektroskopiesystems mit diffuser Reflexion gezeigt, das die
Vorrichtung dieser Erfindung verwendet. Eine Spiegelsteuervorrichtung 110 ist
so dargestellt, dass sie einen offenen Bereich 118 und
einen reflektierenden Bereich 119 hat. Es ist erkennbar,
dass die Spiegelsteuervorrichtung 110 nicht aus einer kreisförmigen Konfiguration bestehen
muss, wie in der 8B gezeigt ist, sondern auch
beispielsweise elliptisch oder rechteckig in der Form sein könnte.
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Die
Licht- oder Energiequelle 130 ist so gezeigt, dass sie
einen analytischen Quellenstrahl liefert, der bei 132, 134 und 136 gezeigt
ist. Der Quellenstrahl 132, 134 und 136 trifft
auf eine erste Oberfläche
der Spiegelsteuervorrichtung 110 auf. Der Teil des Quellenstrahls,
der mit 136 bezeichnet ist, fällt auf den reflektierenden
Abschnitt 114 der Spiegelsteuervorrichtung 110 auf
und wird weg reflektiert, wie durch den Pfeil gezeigt ist. Der Abschnitt
des Quellenstrahls, der bei 132 und 134 gezeigt
ist, tritt durch den offenen Bereich 118 der Spiegelsteuervorrichtung 110 hindurch
und geht weiter, um von einem elliptischen Spiegel 140 zu
einem gewünschten
Fokus auf der Probe 150 reflektiert zu werden.
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Ein
diffus reflektierter Strahl 152 wird von der Probe 150 zu
dem Spiegel 140 und von dort zu der reflektierenden Oberfläche 114 reflektiert,
wie durch die Pfeile gezeigt ist. Der diffus reflektierte Strahl 152 wird
auf einen elliptischen Spiegel 60 reflektiert, von dem
er in einen Detektor 170 fokussiert wird, wo der Strahl
analysiert wird.
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Im
Gegensatz zu dem diffus reflektierten Strahl 152 ist ein
spiegelreflektierter Lichtstrahl 154 in 9 dargestellt.
Wie in 9 gezeigt ist, wird der spiegelreflektierte Strahl 154 von
der Probe 150 zu dem Spiegel 140 reflektiert.
Dieser spiegelreflektierte Strahl tritt dann durch den offenen Bereich 116 hindurch,
der der offene Quadrant ist, der dem Eingabequadranten 118 gegenüberliegt,
durch den der Lichtstrahl eingetreten ist. Das spiegelreflektierte
Licht 154 wird somit nicht zu dem Analysator 170 reflektiert,
wie es oben für
den diffus reflektierten Strahl 152 beschrieben wurde.
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In 9 kann
die Spiegelsteuervorrichtung 110 ein einziges Element eines
allgemein bekannten Typs sein und die reflektierenden und offenen
Abschnitte haben, wie in 8B gezeigt
ist. Wenn es aus Herstellungszwecken erwünscht ist, kann die Spiegelsteuervorrichtung 110 auch
eine Einheit mit einer erwünschten
Dicke sein, die eine erste und eine zweite Oberfläche hat,
wobei jede dieser Oberflächen
in derselben Weise behandelt wird, wie in den 8A und 8B gezeigt
ist. Die reflektierenden und offenen Abschnitte auf einer ersten Oberfläche wären direkt
gegenüberliegend
zu den reflektierenden und offenen Flächen auf einer zweiten Oberfläche, um
die gewünschten
Resultate zu erreichen.
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Nachdem
die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, werden die Durchschnittsfachleute
leicht die anderen nützlichen
Ausführungsbeispiele
im Rahmen der Ansprüche,
die beigefügt
sind, erkennen.