專利名稱：用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的裝置和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求I用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的裝置和根據(jù)權(quán)利要求15用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或者物理學參數(shù)是生理研究領域和醫(yī)學探索方法中的必須基礎。在這里確定和監(jiān)控血液成份以及特別是確定血糖濃度是一個特別的例子。為此，一般而言組織必須被破壞并且提取一定量的血液。盡管對于該類侵入性的方法目前有設備可供使用，通過其可以以最小的花費和以相對安全的方式提取血液，但 部分人對其并不滿意。此外對于有血凝癥的病人，血液提取總是需要有謹慎措施，從而避免止不住的流血和其帶來的大型并發(fā)癥。對于該類病人血糖和其它血液參數(shù)的在時間上連續(xù)的監(jiān)控幾乎不可能或者只有在醫(yī)生的引導和監(jiān)控下可能。為了解決所述的問題研究出了可以不侵入性地確定血糖濃度的方法，即沒有刺入和血液提取。該類方法基于測量入射至組織的光的光吸收度或者極化狀態(tài)的改變。例如美國專利US 5，383，452公布了一種方法，通過其測量由生物組織內(nèi)的血糖濃度導致的極化平面的旋轉(zhuǎn)。通過之前采用的基于常規(guī)血糖測量方法和在糖耐量測試的框架下有意識的影響血糖值的校準，極化平面的旋轉(zhuǎn)可以用作血糖濃度的度量。德國公開文獻DE 4314835 Al公開了一種方法和裝置，用于分析生物母體中的葡萄糖，其中光線在一個位置射入母體中并且母體中測量的光線強度被確定。測得的強度用作母體內(nèi)葡萄糖濃度的度量。由于光和葡萄糖間熟知的物理相互作用，非侵入性地確定血糖值相對簡單。但確定活著的組織中的物理值或者確定人體血液的實驗值不僅僅限于確定血糖濃度值，而是包括多得多的待測量的值。在這里基于現(xiàn)有技術(shù)水平的熟知的非侵入性方法就不再夠用了。特別不足夠的是辨別漫射光的極化狀況和強度，以便用于非侵入性地計算有關的參數(shù)。因此前面提到的測量方法碰到了極限。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務是給出非侵入性的測量方法和用于執(zhí)行該方法的裝置，以此可以在光和待測量參數(shù)間的相互作用是不利的或者未知的或者物理上尚未足夠精確研究的情況下，確定活著的組織中的生物學、化學和物理學參數(shù)。該任務通過根據(jù)權(quán)利要求I的裝置和根據(jù)權(quán)利要求13的方法解決。各從屬權(quán)利要求包括適宜的和/或有優(yōu)勢的裝置和方法的實施形式。根據(jù)本發(fā)明的用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的裝置包括能量供給單元、具有至少一個對準生物組織的激光源的激光運行單元、用于探測由生物組織反散射和/或吸收的光線的至少一個傳感器單元、控制單元、存儲和處理單元以及用于外部數(shù)據(jù)處理單元的接口。傳感器單元有目的地被制成平面?zhèn)鞲衅麝嚵?。第一傳感器部分形成?nèi)部的子陣列并且第二傳感器部分形成包住內(nèi)部子陣列的外部子陣列。由此可以位置相關地采集散射光線的分布。在一個有益地構(gòu)造中，內(nèi)部子陣列包括具有指向第一極化方向的起偏光鏡的附件并且外部子陣列包括具有指向第二極化方向的起偏光鏡的附件，其中第一極化方向與第二極化方向垂直地定向。這樣散射光一方面可以地點和方向相關地被米集，另一反面以其極化狀況被米集。在另一個實施形式中，傳感器單元被制成具有用于確定激光源的光的絕對強度的第一光度計和用于測量由組織散射的光的第二光度計的光度計單元。在有益的構(gòu)造中，傳感器單元包括轉(zhuǎn)向機構(gòu)，用于在需要時將光從激光源轉(zhuǎn)向至第一光度計。 在一個有益的實施形式中，設置具有互相垂直的照射方向的兩個激光源。散射光的特征由此能夠根據(jù)入射光的照射方向而被采集。激光源被有目的地置于位于傳感器陣列的一個孔中，并且具有相對于傳感器陣列的探測方向傾斜了一個傾斜角(a)的照射方向。有優(yōu)勢的是傾斜角具有在45°周圍可調(diào)節(jié)的值。這樣由探測器布置采集在組織內(nèi)一定深度產(chǎn)生的散射光，而不是在組織表面反射的光線。第一子陣列有益地由至少一個第一單二極管組成，并且第二子陣列由均勻分布在第一單二極管周圍的至少四個單二極管組成。在一個有益的實施形式中，傳感器單元具有壓力傳感器，用于測量傳感器單元和組織之間的接觸壓力，和/或具有溫度傳感器，用于測量組織溫度。由此一方面可以監(jiān)控傳感器單元在組織上的接觸壓力并且另一方面可以測量待測參數(shù)和接觸壓力的關系。溫度傳感器也用于監(jiān)控恒定的測量條件。壓力傳感器和/或溫度傳感器有益地形成與控制單元共同作用的控制回路，用于調(diào)整適宜的接觸壓力和/或適宜的溫度值。根據(jù)本發(fā)明的用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的方法，其形式為自學習的方法流程，所述方法包括以下方法步驟該方法分為兩個基本的方法塊。一個是校準階段，另一個為內(nèi)插階段。校準階段的執(zhí)行包括至少一個常規(guī)的參數(shù)確定以及用于確定光學測量值的至少一個在組織處執(zhí)行的光散射測量。與此相關的，將至少一個常規(guī)確定的參數(shù)分配給各自的光學測量值。該數(shù)據(jù)被存儲作為校準的參考集合。內(nèi)插階段的執(zhí)行包括用于確定光學測量值的至少一個在組織處執(zhí)行的光散射測量。由光散射測量的測量值和參考集合的數(shù)據(jù)內(nèi)插得到待測量的參數(shù)。經(jīng)內(nèi)插得到的參數(shù)存儲在參考集合中。在執(zhí)行校準階段時，有益地以參考矢量的形式執(zhí)行參考集合的確定。每個參考矢量由常規(guī)確定的參數(shù)和包括光學測量值的測量值矢量組成。在執(zhí)行內(nèi)插階段時，確定具有光學測量值的測量值矢量并且屬于該測量值矢量的經(jīng)內(nèi)插的參數(shù)和該測量值矢量共同傳輸至參考集合中作為新的參考矢量。
在一個有益的實施形式中，在執(zhí)行校準階段時所確定的測量值矢量包括沿第一極化方向由組織影響的光強度和沿第二極化方向由組織影響的光強度。該測量值矢量和獨立確定的參數(shù)合成為參考矢量。在一個有益的實施形式中，在執(zhí)行內(nèi)插階段時所確定的測量值矢量包括沿第一極化方向由組織影響的光強度和沿第二極化方向由組織影響的光強度。通過以下步驟確定經(jīng)內(nèi)插的參數(shù)記錄測量值矢量以及從到該測量值矢量的距離最小的參考集合中確定最近的測量值矢量。緊接著由最近的測量值矢量和各屬于所述最近的測量值矢量的參考參數(shù)內(nèi)插屬于所記錄的測量值矢量的參數(shù)。經(jīng)內(nèi)插的參數(shù)和該測量值矢量在執(zhí)行內(nèi)插后一起添加到參考集合。


下面通過實施例進一步描述根據(jù)本發(fā)明的裝置和根據(jù)本發(fā)明的方法。圖I至圖15用于說明。對于相同的和/或者相同作用的部分和方法步驟采用同一個附圖標記。其中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的框圖，圖Ia示出了多個測量傳感器的示例性的電路圖，圖Ib示出了中央單元的示例性的電路圖，圖2示出了傳感器單元的示例性的視圖，圖3示出了圖2示出的具有起偏光鏡的傳感器單元的遮蓋，圖4示出了補充了更多部件的傳感器單元的側(cè)視截面圖，圖5示出了補充了間隔件和壓力和溫度傳感器的傳感器單元，圖6示出了第一實施例中傳感器單元的預設射線路徑，圖7示出了傳感器單元的一種實施形式，其用于最初發(fā)射的激光強度的可選絕對測量，圖8示出了具有兩個發(fā)射方向互相垂直的激光源的傳感器單元的實施形式，圖9示出了另一種示例性的傳感器配置，圖10示出了傳感器和激光源組合配置的另一種實施形式，圖11示出了校準階段的流程圖的示例性視圖，圖12示出了內(nèi)插階段的流程圖的示例性視圖，圖13示意性地示出了參考集合，圖14示出了在參考集合上實行的內(nèi)插，圖15示出了由真實測量計算得到的參考集合。
具體實施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性的框圖，圖Ia與此相關地示出了測量傳感器的示例性的電路圖以及圖Ib示出了通過集成電路實現(xiàn)中央單元的示例性的電路圖。在制作裝置時采用模塊化概念。該概念使共同運作不同的部件、傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和其它設備以采集并處理盡可能全面以及對應單獨情況調(diào)整過的測量數(shù)據(jù)集合成為可能。
該裝置包括中央單元1，其通過能量供給單元Ia供電。作為能量供給單元既可以使用后面接有變壓和整流電路的電網(wǎng)接口，也可以是使用蓄電池和干電池單元。中央單元內(nèi)設置有激光運行單元2。該激光運行單元控制可連接在中央單元上的激光源3或者其本身包括激光裝置，激光通過光纖由激光裝置導至外部。在這種情況下，激光源3為用于將射線對準組織表面的接在光纖后的裸露的照射光學裝置。作為激光運行單元可以采用通常的驅(qū)動硬件。這有益地允許了在IOOms到800ms范圍內(nèi)時間間隔可變調(diào)的激光源的脈沖操作并且以此支持了脈沖程序的實行。作為激光源有益地采用發(fā)射波長在800nm到950nm間的激光二極管。激光二極管的功率應該有益地被限制在幾mW內(nèi)，從而避免組織內(nèi)部的損傷。采用P型的激光二極管是可行的。激光二極管有益地通過電容電路被過壓保護。 為了獲得測量數(shù)據(jù)設置至少一個傳感器單元4。該傳感器單元包括至少一個測量傳感器4a，其接收由生物組織散射、反射、衰減或者以其它方式影響的激光。在此處的例子中至少是激光源3的發(fā)射口和測量傳感器4a —起被整合在傳感器單元4體內(nèi)。由此在此處的例子中傳感器單元4形成了與中央單元I連接的用于發(fā)射激光射線和獲得測量數(shù)據(jù)的測量模塊。可以采用通常的光電二極管作為測量傳感器。其中光電二極管的光線接收直徑有益地約為2到5_。當散射光線位于紅外光譜區(qū)域時光線接收表面的黑色遮蓋是有益的，用于排除可見光入射對二極管的影響。為了達到傳感器單元布置的更高的敏感度和采集足夠大的測量區(qū)域，有益的是，若干光電二極管被聯(lián)合并以適合的方式(特別是平行地)連接成組和部分陣列10和11。圖I示出了這樣的例子。其中光電二極管的敏感度通過相應的集成在電路中有益位置的電阻Rl、R2、R3、R4調(diào)節(jié)。為此所需的在相應電路板上的光電二極管布置和電路組成了傳感器單元的集成部分。為了操作傳感器單元4，特別是接收由測量傳感器采集的測量信號，在中央單元內(nèi)預設有控制單元5。該控制單元和激光運行單元2共同工作。控制單元給激光運行單元提供開關信號并且還具有用于由傳感器單元以及壓力和溫度傳感器收集的測量信號的放大器?？梢圆捎脴藴史糯蠡芈酚糜诜糯?，其中放大倍數(shù)可以通過此處采用的電阻的比例非常簡單地調(diào)整。其中對于不同的傳感器組可以采用不同的放大倍數(shù)。這樣例如在轉(zhuǎn)換溫度傳感器的測量信號時放大倍數(shù)可以為10以及在轉(zhuǎn)換傳感器單元的測量傳感器的測量信號時放大倍數(shù)可以為I。不同的放大倍數(shù)通常可以通過在放大回路的電路板上設置跳線預先給定。兩個部件都由存儲和處理單元6通過控制信號操控并且在其中轉(zhuǎn)換存儲在存儲和處理單元中的測量程序。優(yōu)選的是在控制單元5上接有另外的傳感器5a。其可以特別是壓力或者溫度傳感器。采用溫度傳感器是有益的，用于監(jiān)控待測量組織的恒定的溫度并且以此阻止測量方法的不利影響。在這里對于該類測量可以采用普通的溫度傳感器。各個部件間的連接例如可以通過8針電線，特別是網(wǎng)線實現(xiàn)。由光學測量傳感器探測的生物組織中的光的物理效應和相互作用可能是性質(zhì)完全不同的。雖然各個效應對最近由傳感器布置探測的測量信號的準確影響在總體上可能非常復雜，但它們對于專業(yè)技術(shù)人員是熟知的。作為基本的效應在此處要提到根據(jù)Lambert/Beer法則的組織內(nèi)部的光吸收、光在不同介質(zhì)間交界面的折射，特別是在組織表面和空氣處，其在物理上可以通過Fresnel方程描述。在組織內(nèi)部出現(xiàn)的、既可以是方向相關也可以是漫反射的、并且尤其可以描述為Rayleigh和Mie散射且和散射粒子的大小相關的衍射或者光散射，以及最重要的極化效應、特別是極化平面的旋轉(zhuǎn)和其它形式的尤其是通過手性中心由組織內(nèi)部的分子產(chǎn)生的光學作用，也可以作為物理相互作用過程用于獲取測量參數(shù)。存儲和處理單元6在這里是可編程的，存儲在其中的數(shù)據(jù)和測量可以讀出并且在外部處理和修改。這里預設有接口 7，通過其可以連接外部數(shù)據(jù)處理單元8，例如計算機或者外部網(wǎng)絡。在這種情況下中央單元用作可以被定期問詢的數(shù)據(jù)收集裝置。這可以特別是通過USB接口實現(xiàn)。作為替代地，接口可以實現(xiàn)為SD卡的形式。其可以作為移動存儲模塊被插入設備相應的槽中并且被灌入測量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)之后在計算機中讀出。 部件當然可以全部置于殼體中并且小型化。容易實現(xiàn)的是將整個布置實現(xiàn)為身體部分可佩帶的裝置，例如為手環(huán)。其中中央單元中存在的元件被足夠小型化并且甚至有益地被置于傳感器單元4的電路板上。在這里有益地采用使用微處理器的硬件架構(gòu)。這實現(xiàn)了特別是具有處理帶寬為10或者12bit的AD轉(zhuǎn)換。在使用具有處理帶寬為IObit以及模擬輸入信號的最大電壓約為4000mV的AD轉(zhuǎn)換器的情況下可以達到約3. 9mV每單位的分辨率。其中有優(yōu)勢的是確保輸入信號有盡可能大的電壓范圍，因為實際存在的測量信號的電平在起初并不已知。這樣可以避免AD轉(zhuǎn)換器的超程。但這減低了 AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。用EEPROM用于進程數(shù)據(jù)的暫存是有優(yōu)勢的。作為采樣頻率可以根據(jù)微處理器的具體構(gòu)造采用IMHz和8MHz間的頻率間隔。微處理器具有一系列接口，傳感器單元以及其他傳感器的測量信號通過其可以被讀取并且微處理器的編程可以通過其實現(xiàn)。編程特別是通過集成的JTAG電路實現(xiàn)。此外設有接口用于測量數(shù)據(jù)的存儲(特別是存儲在SD卡上)以及將其傳輸至外部數(shù)據(jù)處理單元。最后有接口輸出控制信號至控制單元和激光運行單元，用于啟動和關閉激光源和/或者傳感器單元和其它測量傳感器。另一個有益的、此處未示出的裝置為用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置，其安置在中央單元內(nèi)并且通過其可以實現(xiàn)將計算出的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到例如為醫(yī)學裝置或者監(jiān)控中心的外部接收器。其中整個裝置的外形可以為移動電話的形式。整個裝置有益地包括此處未示出的顯示器。作為顯示器既可以采用用于小型化設備的液晶顯示器，也可以采用用于固定配置的大型顯示器。顯示器可以被制成具有相應驅(qū)動庫的標準硬件。為了用戶向?qū)ьA設有一系列的按鍵。這些按鍵連同用于用戶向?qū)У慕涌谠试S設備參數(shù)的設置和消除，用于存儲和讀取測量數(shù)據(jù)以及類似更多的數(shù)據(jù)。在最小配置中預設有四個按鍵。這些按鍵通過相應的接口連接到微處理器。在按下按鍵時相應接口會被接地并且以此產(chǎn)生數(shù)字輸入。用于讀取按鍵的內(nèi)部程序編碼計算其上的字節(jié)并且檢查其變化。對應此處獲得的結(jié)果在顯示器上啟動、關閉相應的菜單或者執(zhí)行菜單內(nèi)的滾動功能。圖2示出了朝向待探測組織的示例性傳感器單元4的表面的原理圖。在此示出的例子中，傳感器單元包括由單個測量傳感器4a組成的平面?zhèn)鞲衅麝嚵?。測量傳感器的數(shù)量在理論上是任意的。在此示出的例子中，傳感器陣列9被分成具有由4個測量傳感器組成的內(nèi)部子陣列10的第一傳感器部分和具有由8個測量傳感器組成的外部子陣列11的第二傳感部分。其中外部子陣列完全包圍住內(nèi)部子陣列。如前所述，在傳感器陣列旁邊有激光源3或者相應的發(fā)射光學裝置被放入傳感器單元體內(nèi)。從測量技術(shù)上來說，將兩個子陣列任一個中的單個測量傳感器從測量進程中去除或者任意結(jié)合是可行的。以此可以實現(xiàn)不同的子陣列的配置。特別可行的是關閉離激光源最近的測量傳感器或者給其信號在測量技術(shù)上相對于其它測量傳感器的信號更小的權(quán)重。如圖3所示，此處內(nèi)部子陣列10由第一起偏光鏡12覆蓋并且外部子陣列11由第二起偏光鏡13覆蓋。這些起偏光鏡具有互相垂直的極化方向A和B。由激光源3發(fā)射的光不會被產(chǎn)生極化的覆蓋物影響。為此起偏光鏡13具有激光可以穿過的開口 14。開口的直徑可以在I至3mm之間。布置一個具有可變開口截面的遮光板當然也可以作為替代選擇。有益地可以采用極化膜，用于遮蓋子陣列或者傳感器單元的表面，其被固定在玻璃載體上并且以此平整地遮蓋住傳感器表面。
圖2和圖3中示出的傳感器單元的構(gòu)造可以補充更多的部件。圖4示出了與此相關的實施形式的側(cè)視圖以及圖5示出了傳感器表面的視圖。額外附加上的部件一方面要保證傳感器表面和組織表面間有足夠的距離，另一方面要探測對于順利的測量過程所必需的參數(shù)。在圖4和圖5示出的例子中，在傳感器表面和組織之間預設有均勻分布在傳感器表面的間隔件15。間隔件安放于組織表面16之上?？赡艿那闆r下，它們具有粘性的安放面，其阻止了整個布置的滑動并且將傳感器固定在組織上所分配的位置處。間隔件位于環(huán)繞傳感器表面的、由壓力傳感器17和溫度傳感器18組成的布置內(nèi)。壓力傳感器17記錄了傳感器單元在組織表面上的承載壓力并且和之前所述的中央單元中的控制單元相耦合。溫度傳感器一方面記錄了緊貼組織表面的溫度另一方面記錄了緊貼測量位置的外部環(huán)境溫度。它們具有保證組織表面和傳感器體間良好熱接觸的接觸表面。間隔件15和之間安置的壓力傳感器17和溫度傳感器18互相之間通過狹縫19分害I]。這些狹縫阻止了導致測量值錯誤的傳感器表面和組織表面間的低壓以及由此產(chǎn)生的上升的供血或者其它種類的組織的假的變化。圖6示出了在之前所述的傳感器單元4處的示例性的照射路徑。由激光源3發(fā)射的、在需要的情況下通過光纖20引導的激光以有限的角度α在一個有限大小的照射點內(nèi)照射到組織表面16上并且在其處侵入組織最上表層。在組織內(nèi)部產(chǎn)生的散射光從照射點在一個散射錐中擴散并且被垂直于組織表面定向的探測裝置收集。在此散射光穿過起偏光鏡12和13并且被后置的子陣列10和11接收。入射角度α約為45°并且可以通過傳感器單元中安置的傾斜機構(gòu)21在該角度左右調(diào)整。通過該類傳感器單元可以在比較測量中確定兩個子陣列上的強度。圖7示出了圖6示出的布置的進一步構(gòu)造，其中除了落在兩個子陣列上的強度的比較測量之外，在最初發(fā)射到組織表面的激光強度的絕對測量也是可行的。為此預設有兩組測量傳感器。至少一個測量傳感器在此單獨用于絕對的強度測量。其在此處示出的例子中為測量傳感器22。其探測裝置指向轉(zhuǎn)向鏡面23的表面，轉(zhuǎn)向鏡面23有選擇地可以轉(zhuǎn)向激光源3的照射方向并且將發(fā)射的激光直接轉(zhuǎn)向至測量傳感器22。轉(zhuǎn)向鏡面的轉(zhuǎn)向機構(gòu)也由中央單元、特別是由其中包括的控制單元控制。此外圖7中示出的傳感器布置還包括了普通的對從組織表面散射的光線敏感的測量傳感器。此處在圖7示出的例子中示例性地示出了單獨的測量傳感器24。這里當然也可以設置如前圖所示的子陣列10和11來替代該單獨的測量傳感器。此處外部子陣列11的測量傳感器中的一個可以作為測量傳感器22按照前面的實施例被使用并且相應的被傾斜。圖8示出了另一個具有兩個激光源25和26以及之前描述的由子陣列10和11組成的陣列布置9的傳感器表面。激光源25和26具有互相垂直朝向的照射方向并且相對于組織表面的傾斜角為45°。陣列布置9以此一方面記錄下由激光源25在組織中產(chǎn)生的散射光，并且另一方面也通過該陣列布置采集由激光源26在組織中產(chǎn)生的散射光。圖8中示出的裝置有益地以脈沖操作的方式運行。其中當與之相連的陣列布置探 測到組織中的散射光時，通過中央單元中的激光運行單元2首先啟動激光源25。接著激光運行單元2啟動激光源26，并且陣列布置中的測量過程被重復，這樣在該測量循環(huán)中總共獲得四個測量值。圖9示出了傳感器布置的另一個例子。該布置包括位于組織表面16上的由環(huán)形探測器27組成的布置、用于吸收測量的光電探測器28、用于折射測量的光電探測器29、具有光譜分辨率用于確定波長相關的吸收的光傳感器30和用于確定組織內(nèi)散射光的極化狀況的光傳感器31。具有約為45°入射角α的激光源32被用作光源。之前所述的中央單元I控制激光源和傳感器布置的運行。環(huán)形探測器I接收在組織內(nèi)產(chǎn)生的散射光并且在可能的情況下在側(cè)面對于可能不期望的入射光部分被遮蔽。對于光電探測器28和光電探測器29的位置和運行需要考慮在組織內(nèi)的介質(zhì)中穿過的光線路徑。布置中的距離a到d按照落在每個探測器上的信號能達到最佳的方式選擇。組織內(nèi)部入射激光的侵入深度可以通過光線的功率和波長來改變。因為光線在生物組織中的侵入深度隨波長變化，所以距離a和d要相應的被更改。除了 45°的入射角外其它角度甚至掠過的入射也是可行的。光電探測器30上的散射光線的光譜采集允許被探測組織的化學分析。圖10示出了另一個由傳感器和光源組成的組合布置的實施例。該部置由內(nèi)部具有由光源33特別是激光源組成的布置的殼體、光學反射的表面34和35組成。它們多次反射激光并且讓其通過位于布置底部的開口 36射出。開口由極化膜37覆蓋。在開口 36周圍有同中心安置的環(huán)形探測器38和39，同時整個布置被優(yōu)選為涂黑漆的殼體40包裹。環(huán)形探測器包括例如用于測量衍射效應的光敏層和/或者光伏層并且也可以制成一個單元。在探測器中可能存在的測量信號和射入的光強度間的非線性關系可以通過入射功率的變化補償?？梢源嬖趬毫?或者溫度傳感器。圖10的實施例中、但也可以是前面所示出的實施例中的一個或者多個傳感器也可以被用作在重復安放傳感器布置時探測和校正錯誤的參考探測器。之前所述的激光源有益地在使光在組織內(nèi)的侵入深度最大的波長區(qū)域照射。在這里有效的激光源為其發(fā)射的光具有約從650nm到IOOOnm的波長并且因此位于近紅外區(qū)域。該類波長的光線例如侵入人類皮膚至4cm的深度并且在該處達到初始值的25%的強度。在這里被證明的是位于紅色和紅外光譜區(qū)域的激光二極管，特別是半導體激光器或者色心激光器。其中約為200ms的相對較短的激光脈沖是足夠的。當然為了獲得關于不同組織層的敏感信息采用電磁譜中的其它波長也是可行的。這樣的話例如照射位于紫外區(qū)域具有小于400nm波長的光也是可行的，并且以此可以達到Icm的侵入深度，從而達到有選擇性的檢查皮膚組織層。當然所用光的波長還取決于所檢查組織中的組織液。在檢查嚴重充血的組織時，例如檢查粘膜或直接在血管截面處測量，應當如此選擇光的波長，使得血液中的氧飽含度不構(gòu)成影響。 作為測量方法的優(yōu)選地點特別為體腔處。這樣的話就可以在肚臍區(qū)域進行實驗。其中構(gòu)建測量程序的準確參數(shù)可以在中央單元處通過其中存在的輸入裝置，特別是按鈕、觸摸屏，但也可以通過外接接口輸入和調(diào)整。第一實施形式特別適用于大型的、固定的裝置，最后的一種可能性對于移動的小型設備和小型化的測量布置是有意義的。與此相關的，為測量布置的用戶提供用于用戶指導的裝置是有利的，其例如形式為信號音、語音輸出、顯示的文字和符號視圖、菜單序列和同類型的其它的信號。這些不僅涉及中央單元上的配置的實行也涉及測量的實行或者也涉及用戶數(shù)據(jù)和測量系列的管理。測量本身應該優(yōu)選在位于穩(wěn)定的溫度條件下，位于相同的組織和身體位置并且位于潔凈的和無毛發(fā)的組織表面實行。同樣的不應該發(fā)生強烈環(huán)境光線的影響，特別是太陽光，射入測量區(qū)域并且在此處使測量發(fā)生錯誤。下面描述示例性的方法步驟，其被執(zhí)行用于由所述的傳感器布置采集的測量值確定未知的組織參數(shù)。其中下面的描述涉及血糖濃度的確定。但可以理解的是，血糖濃度實際上可以被任意的參數(shù)替代。該方法的基本想法在于，通過自學習的測量布置以經(jīng)驗方式首先確定一系列不同的且理論上任意數(shù)量的測量數(shù)據(jù)和組織內(nèi)的待測量的參數(shù)之間的聯(lián)系，在這里首先會積累足夠多的數(shù)據(jù)然后接著使用測量數(shù)據(jù)和測量的參數(shù)之間所確定的經(jīng)驗關系，以便最后僅從光學上確定需要確定的參數(shù)。其中要強調(diào)的是，確定組織中入射光狀態(tài)和最后由傳感器布置測量到的由此產(chǎn)生的強度或者極化效應間的物理關系并不需要詳細知曉并且多數(shù)情況下也不能夠被詳細解釋。該方法被分成兩個大的方法部分。在第一方法部分中，即校準階段，確定一系列的所謂的測量矢量并且和通過其它方法確定的參數(shù)建立聯(lián)系。在此會產(chǎn)生所謂的參考矢量。在第二方法部分中，后文中被稱作內(nèi)插階段，所有在校準階段中確定的測量值矢量和參考矢量會被用于由新計算出的測量值矢量以內(nèi)插的方法確定所尋找的組織參數(shù)。測量值矢量的維度，即它的分量的數(shù)量，可以任意大。它從根本上由傳感器布置提供的測量值的數(shù)量所確定。這樣例如圖2示出的傳感器布置提供在組織上散射的光在第一極化方向上的第一強度測量值以及散射光在第二極化方向上的第二強度測量值。各個單獨的測量值矢量因此為二維的。多個測量值矢量和分別對應于測量值的組織參數(shù)共同描述了一個三維空間中的二維平面。在圖8的傳感器布置中各個單獨的測量值矢量由四個分量組成。前兩個分量為第一啟動的激光源的互相垂直的極化方向上的光線強度，測量值矢量的第三和第四分量在有第二啟動的激光源的情況下由極化相關的光強度構(gòu)成。這樣計算出的整個測量值矢量以此形成了五維空間中的四維超曲面。相應的根據(jù)圖9中的傳感器布置計算出的測量值矢量形成了六維空間中的五維超曲面。基于對于每個測量布置而言壓力和/或者溫度可以作為額外的測量值出現(xiàn)為出發(fā)點，各個超曲面的維度會增加一或者二。下文所述的方法會基于由兩分量的測量值矢量構(gòu)成的整體而描述。其中經(jīng)過的方法步驟很容易就能被轉(zhuǎn)換到高維測量值矢量上，只要只有一個組織參數(shù)要被計算。下文所述方法的基本思路在于，首先基于校準過程足夠準確地確定測量值矢量的η維超曲面并且然后在該超曲面上實行內(nèi)插。該方法以校準階段開始。這里在圖11中示出了一個示例性的流程圖。之前所述的
圖2中的傳感器布置的使用可以用于該方法的實行。由子陣列10提供的測量值在下文中由變量P和一個序數(shù)表示，由子陣列11提供的測量值在后文中由變量S和一個序數(shù)表示。其中各序數(shù)表示了所執(zhí)行的測量的編號。因此一個測量值矢量M由分量(P;S)組成。其中標示Mi或者Mk指代第i個或者k個測量的測量值矢量，其所屬的分量Pi和Si或者Pk和Sk在此為第i個或者k個測量的相應的測量值P和S。其中序數(shù)i表示在校準階段中產(chǎn)生的測量值和測量值矢量，并且為此獨立確定組織參數(shù)，與之相對序數(shù)k表示在內(nèi)插階段中產(chǎn)生的測量值矢量并且需要為所述測量值矢量內(nèi)插組織參數(shù)。與之相關的,對于需要確定的組織參數(shù)在下文中用變量BZ表示。其中標示BZi或者BZk指代在第i個或者第k個測量中獨立確定的或者之后被內(nèi)插的組織參數(shù)。校準階段以獨立確定組織參數(shù)BZi的方法步驟41開始。只要其中涉及的是血糖測量，就要在這里實行抽血和相應的提供確定的血糖測量值的血液分析。同時在方法步驟42中，采用根據(jù)圖2的傳感器布置執(zhí)行非侵入性測量。其中所確定的測量值Si和Pi組成測量值矢量Mi并且在方法步驟43中和獨立確定的組織參數(shù)BZi合成參考矢量Ri并且被放在數(shù)據(jù)庫或者存儲器44中。其中存儲的參考矢量組成了所述方法的參考集合R。在決定步驟45中會檢驗已經(jīng)采集的參考矢量Ri是否足夠。只要是足夠的，所述方法進入內(nèi)插階段46。對于參考集合R所需的參考矢量Ri的數(shù)量根據(jù)其所描述的超曲面的構(gòu)造和其獨立度被調(diào)整。對于血糖測量已證實大約20個參考矢量可以在之后實現(xiàn)足夠好的內(nèi)插。一般情況下盡可能多的數(shù)量的參考矢量當然是有利的，但必須考慮到出現(xiàn)的花費而有意義地衡量。圖12示出了內(nèi)插階段46流程的示例圖。內(nèi)插階段以步驟47開始，其中采用之前所述的測量布置確定測量值矢量Mk。在使用根據(jù)圖2的傳感器布置時該矢量由兩個分量Sk和Pk組成。在下一個步驟48中，存儲器44內(nèi)包含的參考集合R被喚出。其中存儲的參考矢量Ri包含的測量值矢量Mi和測量值矢量Mk在步驟49被比較。其中選出預定數(shù)量的、與給出的測量值矢量Mk最接近的測量值矢量M，i。屬于這些測量值矢量的參考矢量R’ i組成了后續(xù)內(nèi)插步驟50的基礎。在內(nèi)插步驟50中由被選出的參考矢量R%和實際的測量值矢量Mk確定內(nèi)插的參數(shù)BZk并且在步驟51中作為純光學的和非侵入性測量到的組織參數(shù)被
全A屮
口 ED ο所述的方法流程使方法自學式地被執(zhí)行成為可能。這意味著內(nèi)插的參數(shù)BZk和測量值矢量Mk現(xiàn)在又一起成為之后測量的參考矢量R”新的參考矢量Ri會被添加進數(shù)據(jù)庫44和其中包括的參考集合中。
接下來進一步描述在內(nèi)插步驟中執(zhí)行的計算步驟。圖13首先示出了形式為三維空間中內(nèi)嵌表面的、由參考矢量R1至Rltl組成的集合的示例性參考集合R。三維空間的基礎矢量組成之前所述的參數(shù)P、S和BZ。參考集合以此將組織參數(shù)BZ的關系描述為測量得到的參數(shù)S和P的函數(shù)。盡管該函數(shù)一般并不是顯式的，而是只以點狀存在，但對于下文描述的計算步驟假設由參考矢量形成的表面在基本上是平滑的，即至少在每點上是連續(xù)的。參考集合R如所述由足夠多數(shù)量的N個參考矢量Ri = (Si, Pi, BZi)組成。如果把
參考矢量Ri作為矩陣的列向量，參考集合可以如下被給出

其中M1到Mltl組成了前面所述的測量值矢量吣。兩個矢量a=(Xl，yi)和b=(x2，y2)間的距離d在歐式空間內(nèi)根據(jù)畢達哥拉斯定理通過求模得出d = |a -6| = -Jr2)2 + (/j -y2T (2)相應的對于給出的測量值矢量Mk= (Sk，Pk)和各個已經(jīng)包含在參考集合R內(nèi)的測量值矢量Mi的距離dki如下被確定
(M-Sl)^(Pt-Pl)1、
^(Sk-S2)2+(Pk-P1)1dk = ' = --f-r(3)
*
J [Μ-S^2HPk-Pv) /由該集合現(xiàn)在可以接著由參考集合中選出三個最小值d’ ki并且由此選出最近的
測量值矢量M’ i和由此選出內(nèi)插所需的i=l. . . 3的參考矢量R’ i。所述內(nèi)插集合I可以由
下面的矩陣形式給出
,. . ,x f S； 5； Si)
I M. M7 M, ^11,^ ==PI(4)
BZ' BZ, BZx V 1 2 3J BZ1 BZ2 BZi所述的三個矢量在空間中確定了對于內(nèi)插所需的表面。表面可以在數(shù)學上通過由空間坐標X，y, Z和系數(shù)組a’、b’、c’和d’的線性組合被明確確定a1 x+b1 y+c1 ζ = d' .(5)所述的參數(shù)方程可以通過引入新的參數(shù)a=_a’ /b’，b=_b’ /c’和c=d’ /c’被轉(zhuǎn)換成ζ = ax+by+C (6)，其中z=BZ, x=S以及y=P。這樣BZ = aS+bP+c. (7)為了確定內(nèi)插表面必須在此確定參數(shù)A、B和C。為此會追溯到參數(shù)集合I，其中由此可以得出具有三個公式和三個未知數(shù)的線性方程組BZ' l = HS1 AbP' x+cBZ' 2 = aS' 2+bP/ 2+c (8)BZ' 3 = aS' 3+bP/ 3+c所述方程組的解為
權(quán)利要求
1.一種用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的裝置，包括中央單元(I)、能量供給單元(la)、用于運行至少ー個對準生物組織的激光源(3)的激光運行単元(2)、用于探測由生物組織反散射和/或吸收的光的至少ー個傳感器単元(4)、控制單元(5)、存儲和處理單元(6)以及用于外部數(shù)據(jù)處理単元(8)的接ロ(7)。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，傳感器単元(4)包括平面的傳感器陣列(9)，其中傳感器陣列具有第一傳感器部分作為內(nèi)部子陣列(10)并且具有第二傳感器部分作為包圍內(nèi)部子陣列的外部子陣列(U)。
3.如權(quán)利要求I或者2所述的裝置，其特征在干，內(nèi)部子陣列(10)包括具有沿第一極化方向定向的第一起偏光鏡(12)的附件，并且外部子陣列(11)包括具有沿第二極化方向定向的第二起偏光鏡(13)的附件，其中第一起偏光鏡的極化方向與第二起偏光鏡的極化方向垂直地定向。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，傳感器単元(4)包括光度計單元，所述光度計單元具有用于確定激光源(3)的光的絕對強度的第一光度計(22)和用于測量由組織散射的光的第二光度計(24 )。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，傳感器単元(4)具有轉(zhuǎn)向機構(gòu)(23)，用于根據(jù)需要將光從激光源轉(zhuǎn)向至第一光度計(22 )。
6.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，設置具有互相垂直的照射方向的兩個激光源(25、26)。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，激光源(3、25、26)具有安置在傳感器単元中的出口，其中所述出口具有相對于傳感器陣列的探測方向傾斜了ー個傾斜角(a )的照射方向。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述傾斜角(a)具有在45°周圍可調(diào)節(jié)的值。
9.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，第一子陣列(10)由至少ー個第一單ニ極管組成，并且第二子陣列(11)由均勻分布在所述第一單ニ極管周圍的至少四個單ニ極管組成。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，傳感器単元具有至少ー個壓カ傳感器(17)，用于測量傳感器単元與組織之間的接觸壓力，并且/或者具有至少ー個溫度傳感器(18)，用于測量組織溫度。
11.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，激光運行單元(2)具有脈沖單元，用于產(chǎn)生激光脈沖，并且具有程序単元，用于激光脈沖序列的編程和執(zhí)行和/或用于改變光強度。
12.如前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，壓カ傳感器(17)和/或溫度傳感器(18)形成一個與控制単元(5)共同作用的控制回路，用于調(diào)整適宜的接觸壓カ和/或適宜的溫度值。
13.一種用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)(BZ)的方法，其形式為自學習的方法流程，所述方法包括以下方法步驟 -執(zhí)行校準階段，包括至少ー個常規(guī)的參數(shù)確定以及用于確定光學測量值的至少ー個在組織處執(zhí)行的光散射測量，-將至少ー個常規(guī)確定的參數(shù)分配給各自的光學測量值并且存儲校準的參考集合， -執(zhí)行內(nèi)插階段，包括用于確定光學測量值的至少ー個在組織處執(zhí)行的光散射測量， -由光散射測量的測量值和參考集合的數(shù)據(jù)內(nèi)插參數(shù)并且將被內(nèi)插的參數(shù)存儲在參考 集合中1o
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在干， -在執(zhí)行校準階段吋，以參考矢量(Ri)的形式執(zhí)行參考集合(R)的確定，其中每個參考矢量由常規(guī)確定的參數(shù)(BZi)和包括光學測量值的測量值矢量(Mi)組成， -在執(zhí)行內(nèi)插階段時，確定具有光學測量值的測量值矢量(Mk)并且屬于所述測量值矢量的被內(nèi)插的參數(shù)(BZk)和所述測量值矢量(Mk)共同傳輸至參考集合中作為新的參考矢量(Rk)0
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行校準階段時所確定的測量值矢量(Mi)包括沿第一極化方向(Si)由組織影響的光強度和沿第二極化方向(Pi)由組織影響的光強度，并且所述測量值矢量(Mi)和獨立確定的參數(shù)(BZi)合成為參考矢量(RiX
16.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行內(nèi)插階段時所確定的測量值矢量(Mk)包括沿第一極化方向(Sk)由組織影響的光強度和沿第二極化方向(Pk)由組織影響的光強度。
17.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，通過以下步驟確定被內(nèi)插的參數(shù)(BZk) -記錄測量值矢量(Mk)并且從到所述測量值矢量(Mk)的距離最小的參考集合(R)中確定最近的測量值矢量(M’ J， -由最近的測量值矢量(M\)和各相應的參考參數(shù)(BZi)內(nèi)插屬于所述測量值矢量(Mk)的參數(shù)(BZk)。
18.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，被內(nèi)插的參數(shù)(BZk)和所述測量值矢量(Mk)在執(zhí)行內(nèi)插后一起添加到參考集合(R)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定活著的生物組織中的生物學、化學和/或物理學參數(shù)的裝置，包括能量供給單元、具有至少一個對準生物組織的激光源的激光運行單元、用于探測由生物組織反散射和/或吸收的光的至少一個傳感器單元、控制單元、存儲和處理單元以及用于外部數(shù)據(jù)處理單元的接口。根據(jù)本發(fā)明的方法包括執(zhí)行校準階段和執(zhí)行內(nèi)插階段，所述執(zhí)行校準階段用于從參考矢量(Ri)確定參考集合(R)，其分別包括獨立確定參數(shù)(BZi)、將未極化的激光照射到生物組織上和記錄一系列光學測量值中的測量值矢量(Mi)；所述執(zhí)行內(nèi)插階段用于從內(nèi)插矢量(Ik)確定內(nèi)插集合(I)，其分別包括將未極化的激光照射到生物組織上和由反散射的光強度記錄測量值矢量(Mk)以及之后由參考集合(R)確定內(nèi)插參數(shù)(BZk)。
文檔編號A61B5/1455GK102858243SQ201180018606
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者A·米勒, H-P·烏茨 申請人:維梵圖姆有限公司