專利名稱：用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的含量或特性的裝置和方法，特別地用于測定并監(jiān)視生理血液值的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的含量或特性的裝置和方法，特別地用于測定并監(jiān)視生理血液值，其具有獨立權(quán)利要求的前序部分的特征。當(dāng)前，在醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)的多種應(yīng)用中都存在有監(jiān)視并測量測量介質(zhì)的含量或特性。舉例來說，應(yīng)實時測定并持續(xù)監(jiān)視病人的血液的含量(例如，血糖或氧飽和度)或非醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如過程監(jiān)控)的過程流體(液體或氣體)的含量。
背景技術(shù)：
舉例來說，脈動測氧法是一種測定出動脈血液的脈動率(PR)和氧飽和百分率 (%Sp02)的方法。目前，這是一種既定的方法并使用在眾多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，例如在重病特別護理中，用于監(jiān)視睡眠或在手術(shù)中進行監(jiān)視。在底層技術(shù)中，通常使用光傳感器以較大的時鐘速度來記錄由LEDs產(chǎn)生的兩個波長(典型地為660nm和940nm)。能夠從可變和固定區(qū)域中不同的信號強度中提取出期望的測量值。對觀察光譜區(qū)域透明的組織，當(dāng)變化引起較強及特別地變化的外界光時，還生成有附加信號。不論哪種情況，這些附加信號通常由無LED照明的第三測量點獲取。一個普遍的問題是在光測量技術(shù)中引入到組織中的光量是有限的。否則，將對組織造成熱效應(yīng)引起的損害。因此，在已知的測量方法和裝置中，測量時間都相當(dāng)?shù)拈L。這導(dǎo)致了信噪比很低。然而，最佳信噪比是強制性的，特別是當(dāng)測量的物質(zhì)以很小的濃度存在時(例如，測量血糖時，所測量的濃度的范圍約為mmo I/1)。目前，期望的是除了血紅蛋白的氧飽和度，還獲取其他的血液參數(shù)，以在監(jiān)護病患時獲得重要的參數(shù)。首先，重要的是監(jiān)視血液中的氣體平衡。W02008/132205A1描述了可用于測定組織中的CO2分壓且可用于脈動測氧法的傳感器。不同的血紅蛋白衍化物是用于監(jiān)視的其他重要的值。這包括測定總血紅蛋白濃度(ctHb),測定碳氧血紅蛋白濃度(Hbco)或其他血液值。然而，這些其他的血液值并不能通過上述的技術(shù)(兩波長)來獲取。用于獲取這些值的前提是非常精確地測定動脈血液的光譜特性，以及在較寬的光譜范圍上測定組織的光譜特性。待測量的另一血液值是血糖含量。糖尿病是世界范圍內(nèi)最常見的代謝疾病之一。其患病率隨著飲食習(xí)慣的改變正大量增加。因此，假定2 OIO年約28 5萬人(世界人口的
6.4%)患有糖尿病，則在2030年將有439萬人(世界人口的7. 7%)患病。這就是為什么體液中的葡萄糖濃度是臨床化學(xué)中最常測定的一個參數(shù)的原因之一。這里，人們理想上愿意使用無創(chuàng)傷方法來測定精確的血糖水平。用于監(jiān)視病患，W02006/094169A1提出了一種用于檢測其他血液參數(shù)的基于LED的測光系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多個(典型地8個)不同波長的LEDs，因而能夠采集不同光譜節(jié)點的信號。然而，這一技術(shù)有一些缺點。LEDs被逐一地開啟并被寬帶傳感器以一定時間間隔記錄，因而當(dāng)變化的外界光在傳感器上產(chǎn)生影響并移動時其通常具有虛擬疊加的信號。由于在該技術(shù)中逐一開啟多個LEDs、即節(jié)點，且主要依據(jù)彼此之間的相對信號強度進行評價，因而這種疊加具有特別大的影響。此外，LEDs具有基于溫度的發(fā)射曲線，且介于20nm與30nm之間的光譜的半峰全寬通常加強LED發(fā)射，從而不能精確地限制到窄的光譜范圍，即精確地限制到相關(guān)化學(xué)組分。此外，較少數(shù)量的節(jié)點與皮膚表面和組織的特性結(jié)合是因人而異的，因此僅能夠在有限的程度上對血液組分進行精確分離和定量評價。僅能夠根據(jù)測量生成幾個節(jié)點的比率并使用該比率用于分析化學(xué)組分。然而，血液的光譜性以及特別地組織透射何種光的特性(因人而異的不同散射特性以及波長依賴性)對測量值有著較大的影響，因此使用這種方法的測量很容易出錯。目前，多種改進促使了可靠地測定血液和諸如血漿和由其得到的血清的流體、以及諸如尿液的其他體液中的葡萄糖濃度。最近幾年，特別地建立了多種基于酶的方法。然而，這種情況下，多數(shù)這種方法需要抽出少量的血，因而是一種部分創(chuàng)傷性方法。當(dāng)前，咨詢醫(yī)師時較少測量葡萄糖，而對于特護病房中的病患，每小時都需數(shù)次測量葡萄糖值。對于胰島素依賴型糖尿病患者，借助于測試條儀器一天進行六次自測是常用的，以獲得改進的但并非理想的血糖濃度的校準(zhǔn)。這種測量需要抽取血液，這讓病人感覺不適。此外，由于血液是被壓出的因而通常與組織流體并不平衡。這導(dǎo)致了不精確性。因此，期望的是對用于醫(yī)學(xué)工程的非創(chuàng)傷性方法和相關(guān)裝置進行改進。為了測定血糖，需要定量地測定血液中的葡萄糖濃度。已發(fā)展有允許無試劑地測定復(fù)雜體液中的葡萄糖的光譜方法。舉例來說，已公開 有在近紅外區(qū)域的光譜測量(NIR光譜法)。其只能探測較小的葡萄糖濃度(約2mmol/l至約30mmol/l ;目標(biāo)范圍5. 0_7. Ommol/1)。此外，血液中存在非常高的水含量(典型地大于80%)，因而導(dǎo)致了 NIR光譜法中吸收較強。此外，血液包含有變化和未知濃度的其他物質(zhì)，須排除交叉敏感性。如果存在著非創(chuàng)傷性測量，則需要在存在周圍組織的身體中執(zhí)行測量，且考慮或隔離不同介質(zhì)的影響。此外，在非創(chuàng)傷性測量方法中需選擇身體上的一個測量點。有利的測量點不必總是要求單獨存在的血液，而是存在于組織中的血液。此外，組織被皮膚層覆蓋，而皮膚層的特性因人而異，且隨時間發(fā)生很大的變化。例如，皮膚的水含量浮動很大且尤其依賴于汗水的形成。此外，皮膚具有不同的結(jié)構(gòu)且在多處具有皮下脂肪層，而脂肪層的水含量非常低且血液灌注度非常低，因而特別地與血糖不平衡。此外，通常需要考慮在光學(xué)測量區(qū)域上還存在著骨組織。不言而喻的是，骨組織與含量不平衡。可以不同的方式進行化學(xué)組分的基于波長的檢測?？稍陔x散的節(jié)點上實施測量。通常，被稱為光度測量技術(shù)或多光譜光度測定法，兩者的實施皆使用多個不同波長的光發(fā)射器或?qū)拵А鞍坠狻保⑹褂枚鄠€光譜限定的接收器(濾波技術(shù))。借由LEDs或激光器，及借由寬帶照明和窄帶光接收器上的濾波器可實現(xiàn)不同波長的光發(fā)射器。如果使用LEDs，附加的技術(shù)難點在于它們具有相對較大的輻射分布且隨著發(fā)射器升溫輻射分布發(fā)生變化。例如，US5086229描述了這種技術(shù)的一個例子。這些測量技術(shù)典型地具有被記錄并評價的三個至約十個波長或波長范圍。這種測量技術(shù)對測定血糖的應(yīng)用并不是有利的。首先，采用這種測量技術(shù)需要實現(xiàn)多個在800nm至1200nm之間的有效波長上的節(jié)點。這些節(jié)點須滿足三個條件
I.它們需要位于葡萄糖和水的吸收譜帶中或外側(cè)。2.它們需要獨立于血液或組織中存在的其他物質(zhì)的交叉敏感性。3.它們需要被設(shè)計為能夠計算不同的散射信號和光路，并由此得出的不同的基本信號。因此，總之，為了對血糖含量進行非創(chuàng)傷性測量，需滿足下述條件使用光譜裝置必須能夠測定出相較于水濃度較小的葡萄糖濃度。需要較深的穿透組織的深度(典型地多于3_)。能夠排除與其他物質(zhì)的交叉敏感性。能夠區(qū)分來自血液和組織的值(脈動檢查)。儀器的性價比較高并且是小型且便攜的。光源不能太強而灼傷手指。光源優(yōu)選地基于LEDs。至今，尚未能發(fā)展出能夠用于糖尿病患者的非創(chuàng)傷性定期、安全且可靠的血糖測定的批量生產(chǎn)的儀器。許多先前提及的方法和裝置都不適于解決這些問題或滿足上述條 件。US5070874和US5360004中披露了用于測定血糖的非創(chuàng)傷性傳感器。此外，反射測量技術(shù)是周知的。但它們被限制為難以適用于血糖測量。首先，輻射的主要部分直接來自于表面。其次，皮膚的結(jié)構(gòu)因人而異且身體上各點之間的皮膚結(jié)構(gòu)也不同。此外，無法可靠地定義散射特性。因此，使用反射光譜方法對要求的低物質(zhì)濃度的穩(wěn)定的定量測量并不利于解決上述問題。作為基礎(chǔ)技術(shù)，醫(yī)學(xué)研究中通常使用光譜法以測定有機物的濃度。常用的是抽取少量的血液并通過光度測定法或光譜測定法檢測試管中血液。用于這種創(chuàng)傷性技術(shù)的儀器及操作儀器的復(fù)雜性是顯著的。此外，存在著延時性。試管測量僅有限地用于病患監(jiān)視。在光譜計量中，使用光譜儀——目前主要是使用光柵結(jié)構(gòu)制成，來將寬光譜范圍上的光分開，并在具有多個線性排列的光接收器(像素)的傳感器上以光譜的形式記錄和分析光線。另一選擇是傅里葉變換方法(FTIR光譜法)，優(yōu)選地在近紅外區(qū)域使用。這種方法對于血糖測量來說也是不理想的。首先，這種方法更適于長波輻射。其次，由于傅里葉原理其很好地適于窄帶峰，但在為定量分析血液中的水和葡萄糖而需要SOOnm至1200nm范圍的寬帶吸收的情況下，這種方法是相對不精確并易于出錯的測量方法。發(fā)明人已認(rèn)識到，為測量血糖,應(yīng)使用光譜范圍在650nm至約1200nm之間的方法，否則組織中可能的光路就會太短，而皮膚和其他層的影響就太大。在醫(yī)學(xué)工程上，該光譜范圍被稱為診斷窗口。該范圍還促使了對皮下物質(zhì)的分析。此外，已知由于組織較強的散射特性，有效光程長度嚴(yán)重偏離直接路徑長度。用于估值的典型變量是有效光程長度相對于直接路徑長度的倍數(shù)，為4至8倍。然而，雖然多個用于血糖測量的已知方法因大于1300nm的波長產(chǎn)生了更強的吸收帶信號而在此處進行測量，但僅有少數(shù)這種用于血糖測量的已知方法被保留。Fischbacher ^(Ch. Fischbacher, K. -U. U. Jagemann, K. Danzer, U.A. Muller，L. Papenkordt，J. Schuler;Enhancing calibration modelsfornon-invasive,near-infrared spectroscopical blood glucosedetermineation;Fresenius J Anal Chem(1997)359:78-82Springer_Verlag 1997)和 Meuer 等(Non-invasive glucose determineation in the human eye;WolfgangSchrader，Petra Meuer，Jurgen Popp, Wolfgang Kiefer, Johannes-Ulrich Menzebach andBernhard Schrader;Journal of Molecular Structure, Volumes 735-736,14February2005,pages 299_306and Dissertation Petra Meuer, University of Wurzburg 2002)提出了用于測定血糖的其他方法。Fischbacher等示出可建立緊密的聯(lián)系。然而，傳統(tǒng)光譜儀器的信噪比被認(rèn)為是不足的。此外，其是以反射的方式進行測量，而如上所述在組織中這是不可用的。Meuer等示出在眼球上的好的測量結(jié)果。由于使用清晰、非擴散的介質(zhì)，所提出的方法也可以反射的方式使用。然而，其也清楚地示出了這種情況下商業(yè)提供的光譜技術(shù)并不能滿足為可靠地測定低濃度而所需要的信噪比。其他的應(yīng)用領(lǐng)域，其中測量介質(zhì)的含量需以時間解析的方式建立，涉及在血液、心肺機中的透析或血液中的乳酸鹽的測量，其中同樣建立血液值(可選地，在試管中)，或涉及非醫(yī)學(xué)應(yīng)用，其中例如過程流體被監(jiān)視。舉例來說，典型的非醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括生產(chǎn)過程中流體的色彩測量?？上攵€有在燃燒過程中測量氣體。舉例來說，其他的應(yīng)用選擇為添加連續(xù)供應(yīng)的原料的食品工藝?！ひ雅队惺褂脤嶒炇夜庾V儀以檢測活體中的血液和組織成分。根據(jù)這些先前技術(shù)，目前，現(xiàn)代實驗室光譜儀使用線傳感器工作。實驗室光譜儀通常與玻璃光纖連接器一起工作，因而需將用于照明和捕獲光纖的復(fù)雜的光學(xué)波導(dǎo)從測量點(組織上的傳感器)向上路由至具有光譜儀的儀器單元。然而，時間解析的測量僅能實現(xiàn)較差的信噪比，這是由于同時產(chǎn)生實際上較顯著的光損(特別當(dāng)在光線中進行耦合時)。因此，這種實驗室光譜儀的應(yīng)用同樣不利于監(jiān)視或測量血液值，例如氧飽和度或血糖的測定。單色儀系統(tǒng)和FTIR光譜儀不能滿足用于組合光譜分析和脈動監(jiān)視的時間要求。玻璃光纖僅能捕獲小部分的有效光。因此在測量時這種單元通常需要較長的積分時間。EP522674A2披露了用于測定胚胎中的血氧飽和度的血氧計。為此，使用了光譜儀且通過玻璃光纖將來自測量點的測量光傳輸至該光譜儀。US2006/0167348披露了使用傳統(tǒng)FTIR光譜儀生成活體的紅外光譜的實踐。為此，也提出通過玻璃光纖傳輸測量光。W02009/043554披露了用于從活的組織采集光譜測量信號的方法和測量設(shè)備。然而，并未示出測量光如何被耦合至傳感器布置。由于光譜儀需要分光且身體的皮膚表面僅能暴露在有限的光強下，因而這些測量至今不能以時間解析的方式實施，即脈動解析的方式。然而，需要區(qū)分測量值的脈動成分和組織成分。此外，被附著至身體的傳感器或至少其部分不能超過特定的尺寸，以免在長期監(jiān)視的實踐中對病患造成麻煩。W003/071939中提出了用于以時間解析的方式記錄測量值的光譜光度測量的系統(tǒng)。使用各不同的光譜濾波器依次測量寬帶光源。這種系統(tǒng)非常龐大且復(fù)雜。此外，總是僅在單個波長上記錄時間解析信息而波長被連續(xù)地記錄。因此，還可用在不同光譜范圍中并用于監(jiān)視血糖的該系統(tǒng)并不適于長期監(jiān)視脈動和血液參數(shù)。US5879294提出了一種系統(tǒng)，其中對組織中的發(fā)色團進行光譜測量。使用光譜的二階導(dǎo)數(shù)進行評價，并在節(jié)點(典型地每一物質(zhì)兩個)上進行評價。例如，這就是為何其能夠測定組織中的氧飽和度。這種方法是靜態(tài)實施的，即不能脈動解析或時間解析地定量測定發(fā)色團。W02007/048989A1中解釋了據(jù)此的用于監(jiān)視組織氧濃度(StO2濃度)的方法。 此外，為監(jiān)視病患(例如用于建立氧飽和度)，需要區(qū)分血液(血紅蛋白)中的成分和組織(肌紅蛋白)中的成分。血紅蛋白和肌紅蛋白修正的光譜特性非常地相似，但在高度光譜解析檢測的情況中是不同的。US5931779中描述了能夠進行區(qū)分的方法。相比之下，測量血糖時區(qū)分組織和血液并不是強制的。因此，測量血糖時脈動解析的測量并不是強制的。如果血液中和組織中的血糖含量是平衡的，則能獲得精確值(如果是沒有諸如皮下脂肪和骨頭的較佳血液灌注的組織)。然而，脈動成分使得能夠檢查是否是平衡的。在活體血液分析領(lǐng)域中的另一困難約束在于相關(guān)血液、組織和皮膚成分在500nm至850nm光譜范圍上大大減弱的吸收度或摩爾吸光度，但在醫(yī)學(xué)上這對監(jiān)視病患是重要的。因此，包含在皮膚中的血紅蛋白和黑色素對可見光譜具有較大的吸收系數(shù)，而對于極近紅外范圍(VNIR)具有顯著地低的吸收系數(shù)。測量血糖時，優(yōu)選地典型在800nm至1200nm的波長范圍上進行測定，此時組織中具有較低的吸收度，因此測量血糖時該問題影響較小。然而，在血液值的活體測量的情況中同樣存在著類似的問題，例如在糖尿病患者的情況中，或在非醫(yī)學(xué)測量和在諸如管道的難以進入的機器部分處監(jiān)視過程參數(shù)的情況中。在這些應(yīng)用的情況下同樣需要時間解析測量，但具有較大尺寸的實驗室光譜儀難以被引入至測量點。因此，所有已知的方案都存在缺點。特別地，沒有一種光譜系統(tǒng)能夠一起滿足涉及脈動測量，涉及根據(jù)脈動成分(動脈血液)和靜態(tài)成分(靜脈血液和組織、肌紅蛋白)進行有區(qū)分的活體血液分析且為了在病患身上連續(xù)使用而最小化傳感器單元，涉及非創(chuàng)傷性血糖測量或涉及以有限的空間占用量在測量點上對測量介質(zhì)的含量進行測量的所有要求。上述總結(jié)的種種局限顯示出至今無法在活體中以時間解析方式和/或采用具有小的空間要求并耐用的裝置實施檢測。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的之一在于避免已知的缺點，特別地，研發(fā)了一種裝置和方法，其不具有上文列出的局限且特別地能夠在活體中以時間解析方式實施期望的分析，即以對動脈血參數(shù)和基于組織的參數(shù)進行生理區(qū)分的方式。此外，使得能夠?qū)铙w中血糖進行時間解析測量，和對試管中的血液進行測量，或在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中以可靠的方式、甚至在難以進入的測量點處實施其他的時間解析測量。根據(jù)本發(fā)明，借由具有獨立權(quán)利要求的特定部分的特征的裝置和方法，實現(xiàn)了上述目的及進一步的目的。用于光譜儀或光度檢測的理論基礎(chǔ)由比爾-朗伯定律給出?？捎糜谠诠饩€透射吸收分子的方案中測定吸收分子的濃度Ci。h=hie^I 1 )其中Ιλ是通過待檢測物質(zhì)后的光強強度，1“是輻射的光強，μ α,λ是基于波長(λ )的總吸收系數(shù)，以及I是穿過物質(zhì)的路徑長度。由于組織的散射特性，這種情況下可預(yù)計有效光程長度，但在該光譜范圍和應(yīng)用的情況中可將其忽略。對其進行代數(shù)操作，得到該普遍定律必須被進一步多元化，因為諸如人體血液的物質(zhì)包含多種化學(xué)成分物質(zhì)(分子化合物)且這些物質(zhì)的吸收系數(shù)以基于波長的方式發(fā)生變化。在具有η種物質(zhì)的情況下，可得到μαΛ⑴假定光程長度對所有波長都是相同的，對m個波長可得出下式
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I據(jù)此，能夠直接測定出物質(zhì)的濃度。另一理論基礎(chǔ)在于光和分子之間的量子化學(xué)作用。因而通過基于波長的光量子的吸收，激發(fā)了離散且分子特定的轉(zhuǎn)動-振動躍遷或電子躍遷。由于諧波的轉(zhuǎn)動-振動躍遷和分子的復(fù)合振動，或由于發(fā)光團中復(fù)雜的電子躍遷，在觀察的光譜范圍內(nèi)發(fā)生激發(fā)。這些躍遷是波長特定和物質(zhì)特定的。因此，可在不同的波長處分析不同的物質(zhì)。然而，例如由于人體包含許多不同的物質(zhì)且源自這些物質(zhì)的信息被疊加，因而需要使用光譜方法以考慮量子化學(xué)作用，但不是基于節(jié)點的多光譜光度測定法或光度測定分析。在800nm至1200nm的光譜范圍上對水和葡萄糖雙物質(zhì)進行諧波光譜的非常詳細(xì)的觀察時，例如，需考慮進一步的細(xì)節(jié)。這里水是一種非常特別的分子。首先，由于原子附加地成角度地排列，水具有強極性。此外，在流體狀態(tài)下，氫鍵對光譜產(chǎn)生影響。因此，一方面，流體水的光譜強烈地依賴于溫度。然而，在這種情況下可忽略，因為人體上測量點處的溫度被固定在35°C至40°C的較窄的溫度范圍內(nèi)。分子在水中的溶解產(chǎn)生了進一步的影響。因而，隨著濃度發(fā)生改變，分子之間的力及生成的光譜也發(fā)生改變。雖然這些變化相對較小，但它們是可被探測的且在化學(xué)計量評價中需予以考慮。根據(jù)本發(fā)明的裝置用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的含量，特別地用于確定并監(jiān)視生理血液值。該裝置具有至少一個光源，用于生成寬帶光。關(guān)于此，寬帶表示生成的光的波長確定地適于分析血液或組織中或其他測量介質(zhì)中的相應(yīng)成分。典型地，使用至少產(chǎn)生頻帶在500nm至850nm之間的光以用于監(jiān)視病患(例如,測量氧飽和度)且至少產(chǎn)生頻帶在800nm至1200nm之間的光以用于測定血糖。特別地，光源為還產(chǎn)生足量的用于血糖測量的NIR區(qū)域光的白光LED。光源用于將寬帶光應(yīng)用至至少一個測量區(qū)域。典型地，測量區(qū)域是生物表層上的點，更特別地，是人體表層上的點，例如在指尖或耳垂上的點。然而，測量區(qū)域還可以是待測介質(zhì)流經(jīng)的管道，例如，用于透析時傳輸血液的線管，或向一個進程供應(yīng)流體或從其排出流體的線管。此外，裝置具有用于傳播或擴散根據(jù)光的波長自測量點返回的分析光的工具。一方面，分析光可以是自測量區(qū)域直接反射的光，或另一方面，其可以是在透射通過組織后自其它點再發(fā)射的分析光。此外，裝置具有用于記錄傳播光的傳感器陣列。典型地，傳感器陣列為二維CMOS布置。基于應(yīng)用和合適的頻域，還可使用其他的二維傳感器陣列，例如InGaAs傳感器陣列。CMOS圖像傳感器是高度解析的，典型地包含百萬或更多個像素(本發(fā)明使用的傳感器具有I. 6MP或甚至5MP)。使用傳感器陣列及典型地使用CMOS傳感器陣列的優(yōu)點之一在于其簡便的可用性。然而，特別地，二維傳感器陣列還提供了更高的測量速度和更好的信噪比。由于測量光·基于波長傳播，因而測量光被成像至傳感器的一行上。然而，測量光具有特定的寬度，因此傳播的測量光(即光譜)可被傳感器陣列上彼此相鄰的多個平行的行同時捕獲。由于并行地讀取傳感器陣列上的多個行，因而能夠增加個別行的結(jié)果，即可增加個別光譜。典型地，可以通過集成陣列上高達(dá)1000個相鄰的行的信號來生成光譜。為此，裝置還具有用于同時捕獲二維陣列上多個相鄰行的信號的工具。此外，裝置被設(shè)計為可增加這些相鄰行的光譜。因此，根據(jù)本發(fā)明，并不是使用二維傳感器來實施光譜解析測量。而是使用相鄰的行以在較短時間期間內(nèi)生成更多的光譜，因而生成更好的信號。并行測量被理解為幾乎同時測量。當(dāng)然顯然傳感器上的個別像素和行是被順序地讀取。然而，由于掃描頻率非常高，因此能夠?qū)⑵浞Q為幾乎同時地測量并列的行。這實現(xiàn)了部分圖像的讀取及由此更高的速度。還能夠生成更好的光譜中的信噪比?；诓煌愋偷膽?yīng)用，對信噪比的要求是不同的。在監(jiān)視應(yīng)用(例如，舉例來說，測量血液飽和度)的情況中，多數(shù)情況下感興趣的僅是動脈血液。而并不關(guān)注組織成分。因此，在這種監(jiān)視應(yīng)用中為脈動解析測量。此外，用于脈動解析測量，如有可能，信噪比應(yīng)能使得可從心臟收縮和心臟舒張時測量的差異中獲取充分清晰的信號。當(dāng)測量諸如血糖、脂肪或酒精的血液含量時，脈動解析測量就不那么重要了。舉例來說，測量血糖時，在相對較短的時間后就能獲得動脈血液中的成分和組織成分的平衡。這時，脈動解析測量并不是強制的，但為對于檢查測量結(jié)果一定是有利的。目前，CMOS圖像傳感器主要用于移動電話、監(jiān)控攝像機和數(shù)碼相機。在前兩個應(yīng)用領(lǐng)域中，特別地可使用高質(zhì)量、微型像素物鏡。這種傳感器很小，典型地具有3_的圖像邊長。此外，其可被參數(shù)化以用于讀取區(qū)域。因此，如果減少圖像區(qū)域，就能獲得非常高的幀頻，例如超過100Hz，而高的幀頻使得能夠?qū)γ}動信號進行時間解析評價。對于CMOS傳感器，電子器件被直接集成至該傳感器。光學(xué)陣列具有諸如讀取電路、可調(diào)放大器及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路。這使得能夠通過細(xì)電纜快速地傳輸數(shù)據(jù)。因而包含光譜儀、照明裝置、電子器件及圖像記錄的整個布置具有非常小的尺寸(優(yōu)選地，小于20_X 30_X 100mm,典型地約為10_X 15_X 50mm)。因此，這種裝置可僅裝備細(xì)電纜，且可直接附著至病患。這就能夠省去玻璃光纖等。由于CMOS布置的設(shè)計僅具有幾毫米的尺寸，因而在微型系統(tǒng)中具有足夠的空間，例如在手指或耳垂上，或在可用空間受限的點上。同時圖像質(zhì)量非常好，且僅需少量的光，因而能夠使用小的微型照明單元。先前技術(shù)中部分使用的CCD陣列常需要讀取整個探測器，因而被證明難以獲得足夠高的幀頻，因為CXDs的速率僅為幾Hz。能夠?qū)MOS傳感器限制為“感興趣區(qū)域”(ROI)從而使其更加快速，因為僅需讀取需要的數(shù)據(jù)。雖然在全圖像的情況下CMOS傳感器也具有相對較慢的幀頻，但當(dāng)被限制至ROI時，典型地可獲得高達(dá)200Hz的幀頻。這也使得能夠快速地記錄光譜，從而能夠以脈動解析的方式工作。最大的脈率典型地為3Hz。因而在四倍掃描的情況下，需要約12Hz?；谛盘柕拿}動成分，可在活體內(nèi)進行血液參數(shù)的測量。由于脈動成分和靜態(tài)成 分之間不同，因而能夠區(qū)分血液的影響和組織的影響。DE19518511中描述了這種影響和其可能的評價。由于二向色陷波(dichrotic notch),基頻被加倍。由于對血壓曲線頻譜的傅里葉分析包含高達(dá)八次諧波的成分，因此從技術(shù)角度出發(fā)以50Hz的頻率進行掃描是有利的。此外，快速的掃描減少了產(chǎn)生高頻信號成分的移動偽影。如果違反了取樣原理，這種干擾也會直接反映在信號的可用區(qū)域中。如果每次記錄圖像時，以50Hz的頻率記錄傳感器相鄰行中的1000個光譜，其由于增加或集成而光譜生成足夠的數(shù)據(jù)深度和信噪比，則能夠用于光譜地評價血液成分，不僅是組織成分還包括脈動成分(作為光譜，動脈血液僅具有約1%的信號)。傳感器陣列被布置為使得不同波長的光入射在陣列的不同點上。此外，優(yōu)選地，傳播光被并行地傳導(dǎo)至傳感器的多個相鄰的行上。根據(jù)本發(fā)明及其優(yōu)點的裝置的基本原理對不同的應(yīng)用都是相同的。基于待測含量需修正頻率范圍。相應(yīng)地，光源、傳感器、衍射光柵及采用的光學(xué)單元應(yīng)適于測量的場合。基于監(jiān)視病患時測定血液值和基于血糖測量，將以示范的方式詳細(xì)地解釋本發(fā)明。裝置優(yōu)選地具有外殼并被設(shè)計為緊湊的裝配。緊湊的裝配包含至少一個光源，用于傳播和分析光的工具以及傳感器陣列。由于采用了這種布置，能夠在測量點上將照明裝置和光譜系統(tǒng)直接集成至傳感器。照明裝置和微型光譜儀可直接應(yīng)用于測量區(qū)域。從而，能夠省去相對更剛硬且更大的光纖。顯著地，可使用更多的光。如果光線通過玻璃光纖傳輸至測量點，則會損失大部分能量。如果玻璃光纖耦合入組織且通過另一玻璃光纖提取返回的光線，則再次損失了大部分光。此外，如果僅退耦一個用于光譜儀的狹縫且光譜式傳播開，則僅剩余少量的光用于探測。這需要已知布置中使用的技術(shù)上最好的燈具，且同時需要進行長時間的曝光。相比之下，優(yōu)選地，外殼中非常小的光源(例如LED)和光譜儀被放至組織處。這增大了光輸出，從而曝光時間非常短。光源、傳播測量光的工具和傳感器陣列使得能夠在測量區(qū)域中對血液和組織進行光譜分析。在光譜學(xué)領(lǐng)域中有著不同的方法。一種新的方法是光譜成像領(lǐng)域中的方法。通過有效光柵/光學(xué)單元布置將光線光譜地分開至二維傳感器陣列上。因而在傳感器的一個方向上獲得空間信息，而另一方向包含光譜信息。每一成像點是獲取強度信息的像素，該強度信息通常具有8、12、14或16位的數(shù)據(jù)深度。CMOS圖像傳感器，包含了特別用于本發(fā)明的有利特性，在這一技術(shù)中普遍使用。InGaAs傳感器適于更長波的頻譜范圍，但其仍具有將需要的電路邏輯集成至CMOS墊上的個別光電元件。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地使用這種衍射光柵作為傳播測量光的工具，且使用這種傳感器陣列以用于記錄傳播光。 波分裝置優(yōu)選地包括色散光學(xué)元件，通常為光學(xué)光柵，更特別地，為全息光柵，在一有利實施例中，為閃耀光柵，從而在由攝像機(camera)或圖像傳感器捕獲的衍射級上具有較高的光輸出，且在適于測量SpO2濃度的500nm至850nm的波長范圍上或在適于測量血糖的800nm至1200nm的波長范圍上具有較高的光輸出。用于測量血糖，光譜區(qū)域被定義為約800nm至1200nm。在該光譜區(qū)域中，在960nm+/-50nm的區(qū)域和1150nm+/_50nm的區(qū)域上探測到最大的信號變化。光譜呈現(xiàn)出與變化的水信號相關(guān)聯(lián)。InGaAs傳感器技術(shù)能夠同時評價上述兩個區(qū)域。然而，在上述光譜區(qū)域上目前商用的傳感器顯著地差于CMOS傳感器，但是后者僅能接收最大波長為IlOOnm的光。InGaAs傳感器具有極少數(shù)量的像素(典型地，100K至1000K個像素)，因而具有較差的信噪比。最大的衍射效率被選擇為落入這樣的波長范圍內(nèi)，該波長范圍使得所使用的傳感器具有最低的靈敏度。例如，閃耀光柵可以是具有不對稱的鋸齒狀光柵輪廓的透射式光柵，其中鋸齒的側(cè)面被分別設(shè)計為作為單個鏡面，從而在期望的衍射級的方向上傳輸光。此外，還可使用全息光柵。例如，可使用VPH光柵(體相位全息光柵)作為特定閃耀或全息光柵。該VPH光柵是透射式光柵，兩個玻璃或塑料窗格中夾有透明的光敏材料，在該材料中制備有期望的不同折射率的圖案，例如采用全息曝光及由此引起的材料結(jié)構(gòu)的改變所產(chǎn)生的。根據(jù)本發(fā)明，使用這種閃耀光柵可在較窄的預(yù)定波長范圍上獲得超過80%的高的衍射效率。因此，借由衍射光柵和入射狹縫可制備非常小的光譜系統(tǒng)，該光譜系統(tǒng)覆蓋了整個光譜范圍，且具有對基于脈動的記錄來說非常重要的時間解析度。此外，由于獲取二維圖像，因而能夠同時記錄并評價許多光譜，這顯著地改善了信噪比。技術(shù)的組合使得能夠構(gòu)造小型、高解析度且非?？焖俚膫鞲衅鲉卧?，這種傳感器單元可直接附著至脈動測氧儀常用的身體上的點上。這使得傳感器能夠被附著至諸如指尖、手掌或耳垂的優(yōu)選測量點上，或附著至皮膚表層。因此，特別優(yōu)選地，外殼被設(shè)計為貼在病人身體的一點上，特別地貼在手指或耳垂上。在人體上的測量質(zhì)量顯著地依賴于選擇的測量點。特別地用于測量血糖時，測量點必須被較好地血液灌注，包含較少的脂肪組織且易于被測量。因此，以上述順序列出的下列測量點特別地適用于測量血糖透過手指、手掌或耳垂。使用手指時，應(yīng)注意如有可能應(yīng)在沒有骨頭或指甲的位置進行測量。因而可選擇將光線橫向地耦合入手指，且在集中在指尖的線上提取光線。所提出的技術(shù)組合促使了以下非常重要的傳感器特性傳感器具有的像素解析度使得能夠以小于約5nm的必要光譜解析度來記錄整個光譜。可選擇讀取傳感器的一部分，并因此以高的讀取速率進行記錄和讀取(典型地大于100Hz)，從而以基于脈動的方式評價組織和血液的光譜特性。此外，裝置特別優(yōu)選地具有狹縫光闌。狹縫光闌設(shè)置在分析光的入口區(qū)和用于傳播分析光的工具之間。狹縫光闌使得能夠精確地定義測量區(qū)域。特別地，對于用于傳播光的工具，狹縫光闌被布置成使得細(xì)長的圖像在不同于圖像延展的方向上散播開，優(yōu)選地在垂直于圖像延展的方向上散播開。從而在二維傳感器陣列上在一個方向上獲得了根據(jù)波長解析的表達(dá)，以及在另一方向上獲得了測量區(qū)域的空間解析的表達(dá)。此外，裝置優(yōu)選地直接裝備有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。目前，CMOS圖像傳感器典型地包括有這種模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。然而，根據(jù)本發(fā)明，空間解析的表達(dá)并不用于空間解析的分析。通過相鄰行對多個光譜的并行測量是為了用于改善信號。在目前情況下，光闌被理解為表示任何一種光學(xué)工具，其通過第一成像光學(xué)單元(物鏡)裁剪出細(xì)長的帶狀區(qū)域的成像區(qū)域。其中，帶狀區(qū)域不一定是連續(xù)的，例如也可由一系列單個成像元件組成。 此外，裝置優(yōu)選地具有信號放大器，可從外部參數(shù)化。CMOS圖像傳感器通常具有了集成的這種可從外部參數(shù)化的放大器。由于在電路中對信號進行了數(shù)字轉(zhuǎn)換，因此可電氣地方便無損地將數(shù)字信號傳輸一段相對較長的距離至評價單元。光源優(yōu)選地為LED。LEDs是可被快速開啟(典型地為10-1000 μ s)的光源。其可在高的、但對組織來說并不危險的光功率且無散熱問題的情況下運行。用于監(jiān)視病患時(例如，血液中的氧飽和度)，優(yōu)選地使用可見(VIS)和近紅外(NIR)光譜區(qū)域的光，特別地，使用極近紅外區(qū)域的光，例如在500nm至850nm的VNIR區(qū)域的光。優(yōu)選地借由一個LED或LEDs的組合生成這種光。例如，傳統(tǒng)的白光LEDs適于此，通過額外疊加的熒光染料，該白光LEDs具有寬帶光發(fā)射。無機熒光染料，例如具有鐿或YAG中的其他稀土元素或相似的主晶格，可用于作為染料。組合不同的染料能夠生成基于應(yīng)用要求的整個光譜范圍上的光。例如，在用于測量血糖的800nm至1200nm的范圍上的光。還可以組合不同的LEDs。但這種情況下，應(yīng)注意發(fā)射器必須是溫度穩(wěn)定的，且輻射在局部必須較好地均勻化。此外，裝置優(yōu)選地具有電纜連接器。特別地，裝置還優(yōu)選地?zé)o需用于其他光學(xué)線管以將光線導(dǎo)入其中或從其導(dǎo)出的連接器。特別地由于根據(jù)本發(fā)明的光源和根據(jù)本發(fā)明的傳感器并不要求較高的電流和電壓，特別地當(dāng)電纜無需被屏蔽以用于模擬信號時，具有幾根電線的電纜對操作根據(jù)本發(fā)明的裝置來說就已足夠。由于記錄了整個光譜，因而能夠建立并監(jiān)視多個不同的生理血液值。特別地，能夠評價下述參數(shù)脈搏率脈搏形狀和結(jié)構(gòu)血氧飽和度(SHbO2)總血紅蛋白(CtHb)HbCO 濃度MetHb 濃度去氧Hb濃度
PI (灌注指數(shù))PVI (脈搏指數(shù)pleth變化指數(shù))組織氧飽和度StO2血糖濃度乳糖在本發(fā)明的范圍內(nèi)，生理血液值是為診斷或監(jiān)視的目的而對病患建立的所有值，特別地是上文列出的值。此外，在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也存在著多種可能的應(yīng)用，例如監(jiān)視燃燒過程(通過測量過程 氣體)，或在添加原料的諸如食物或藥品的產(chǎn)品制造中進行監(jiān)視。特別優(yōu)選地，裝置被設(shè)計為應(yīng)用于透射式和反射式的兩種測量方式。從而，可以反射方式在可見光譜區(qū)間上且以透射方式在VNIR區(qū)間上測量血液成分，以補償500nm至800nm區(qū)間上較強的吸收率。如果可照射足量的光(或基于測量波長)，僅以透射的方式進行測量也是可行的。在500nm至800nm區(qū)間上較強的吸收率這一難題在特別地長于800nm的葡萄糖測量中就不再那么顯著了。如果照射足量的光，則監(jiān)視時采取純粹的透射式測量也是可行的，例如當(dāng)測量氧飽和度時。存在著實施以反射和透射的方式進行組合記錄的多種選擇。在用于監(jiān)視病患的第一實施例中，反射式記錄和透射式記錄在時間上順序地布置?？蛇x地，光照射至皮膚的兩個區(qū)域上。首先，光被照射至線型記錄點的區(qū)域上且讀取反射圖像。接下來，光被照射至記錄線外側(cè)的一個或多個點上且傳輸至記錄線的光被記錄并讀取。在評價單元中這兩項信息彼此聯(lián)系。特別地，為此，裝置配備有計算機布置，其被設(shè)計為交替地實施透射式測量和反射式測量。此外，為此，裝置具有能夠?qū)⒐庹丈渲羶蓚€不同的測量點上的光源。可通過使用多個光源或合適的偏轉(zhuǎn)工具來實現(xiàn)。在用于監(jiān)視病患的第二實施例中，對反射區(qū)域和透射區(qū)域進行空間地分離。為此，裝置，特別地及其外殼，具有用于分離來自反射區(qū)域和透射區(qū)域的分析光的工具。入射光被照射在位于傳感器的視場中的部分皮膚上。通過對照射光的機械阻擋隔離出傳感器視場的第二部分。因此僅有穿過人體組織的光可進入該區(qū)域。借由物鏡對反射的和透射后由皮膚產(chǎn)生的光進行成像，最初，細(xì)長的光闌(狹縫)可提取大體上細(xì)長或一維的圖像，隨后傳播該圖像，更具體地是衍射，以彼此方向不同的波分方式，優(yōu)選地波分的方向垂直于圖像的方向。從而，可使用相對簡易的工具以相對簡易的方式生成二維圖像，該圖像提供了關(guān)于以線型方式捕獲的皮膚和組織區(qū)域的波長解析的信息。由于通過圖像傳感器或圖像變換器捕獲輻射，因而隨后可進行分析從而以定量和基于脈動的方式建立包含在皮膚和組織中的物質(zhì)，因而短時間后就能通過活體測量的方式對血液中的成分特別是化合物作出判斷。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠結(jié)合以光譜檢測和分析進行記錄的傳感器的時間解析和基于脈動的功能。采用這種設(shè)計，首先以反射的方式捕獲光，其次以透射的方式捕獲光。以類似的方式測定血糖含量，其中反射式測量不是強制的。根據(jù)本發(fā)明，狹縫可大體上相應(yīng)于皮膚上的記錄點的線性方向。衍射方向或波分方向于是可以垂直于該狹縫的方向，從而圖像傳感器的二維像素陣列的行和列可相應(yīng)于這些方向。因此，以相應(yīng)于諸如皮膚上的記錄線的一維空間成分和與其正交的衍射方向生成圖像以用于建立衍射圖像及相關(guān)光譜。透鏡系統(tǒng)有利地被設(shè)計為微型物鏡。為此，可使用來自監(jiān)控攝像機技術(shù)領(lǐng)域的兆像素物鏡或使用微型物鏡(例如，聚合物物鏡)，其已廣泛應(yīng)用于移動電話的照相機中。然而，可選地還可使用用于成像的其他透鏡系統(tǒng)或消色差透鏡。通過使用的非常小的傳感器可很好地組合這些物鏡。這些非常小的物鏡中常見的失真可基于其靜態(tài)性而使用軟件予以補償。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的裝置可具有三個成像光學(xué)單元或物鏡。其中，第一成像光學(xué)單元生成細(xì)長或狹縫狀光闌上照明區(qū)域的二維圖像，該光闌優(yōu)選地布置在第一成像光學(xué)單元的像平面中。第二成像光學(xué)單元將狹縫狀光闌成像至例如無窮遠(yuǎn)，從而用于準(zhǔn)直穿過空隙的光帶。布置在第二成像光學(xué)單元之后的是波分裝置，優(yōu)選地具有光柵，其能夠在第二 方向上將光色散地分開。第三物鏡則生成光闌圖像的逆變換，該圖像已以波分的方式分裂開。從而在傳感器上獲得了皮膚上記錄的線的波長傳播圖像。根據(jù)本發(fā)明，圖像傳感器可以位于對于相應(yīng)的應(yīng)用優(yōu)化的波長區(qū)間上，例如，其可僅覆蓋相對較小的立體角區(qū)域。第一成像光學(xué)單元對光闌的狹縫上待分析的區(qū)域進行成像，因而光闌有效地遮罩了記錄線外側(cè)的區(qū)域。因此，原理上，使用光闌還使得能夠通過該布置來照明比接下來以光譜方法檢測的、受光闌限制的區(qū)域稍大的區(qū)域。LED照明源優(yōu)選地以脈沖的方式進行控制。從而能夠降低外來光的影響。此外，可使用內(nèi)部黑值平衡。新生產(chǎn)的CMOS傳感器具有內(nèi)部黑值。邊緣上的像素被黑色覆蓋。其也被內(nèi)部地讀取并用于內(nèi)部的黑值歸一化。雖然這樣并不能糾正外來光的問題，但可以糾正溫度變化或饋送的電子器件變化所引起的常見的傳感器漂移的問題。從而能夠以很短的曝光時間和較高的光強來記錄圖像。也正因此，外來光的影響非常的小。如果外來光會產(chǎn)生影響，在每一種情況中，都可以附加地記錄無LED照明和具有極大減少的ROI (感興趣區(qū)域；檢測頻譜)的背景圖像，并采用該背景圖像對圖像進行校正。在使用傳感器之間，在評價單元中存儲有固定的白光照明圖像。在等式(I)中，其相應(yīng)于1。(入)。在每一次記錄后，總共約有500至1000個相鄰的空間解析的譜線以較大的數(shù)據(jù)深度加入至光譜，根據(jù)上述等式5生成值I (λ)。此外，生成添加的光譜的二階導(dǎo)數(shù)a。其可直接用于確定需要的濃度。當(dāng)評價基于時間的值時，還可以——正如在脈搏測氧儀中常用的——根據(jù)脈動成分確定用于動脈血液成分的值。如果可選擇以脈動解析的方式建立光譜數(shù)據(jù)，對于確定血糖，還能夠分別集成心臟收縮和舒張的光譜并通過簡單地求差來獲得動脈血液的清晰的光譜，并因此確定出體內(nèi)動脈血液中的血糖成分而非組織中的血糖成分。記錄的光譜根據(jù)手指(或其他測量點)壓上傳感器的壓強而發(fā)生變化。如果分析光譜的二階導(dǎo)數(shù)則可避免該壓強依賴性。此外，二階導(dǎo)數(shù)還能夠測量僅關(guān)于動脈血液的吸收率。因此避免了周圍組織中散射光的影響。在某些情況下，接觸壓強對光譜的影響比動脈血液的吸收率要大。因此重要的是能夠在保持不被接觸壓強影響的情況下進行測量。當(dāng)分析二階導(dǎo)數(shù)時這是可能的。還可以對不同的區(qū)域求和，或?qū)Σ煌脑u價對局部范圍有區(qū)別地照明并分析不同的部分。對脈動信息有利的是組合并評價波分信息的相對較大區(qū)域，特別地在520nm至570nm的區(qū)域上。由于脈動存在于整個光譜區(qū)域上，可選地可以對用于評價的所有像素進行求和。因此，例如，在掃描頻率為50Hz的情況下，典型地可以以每像素12位數(shù)據(jù)深度來集成500000個像素，因此可得到非常大的數(shù)據(jù)深度并能夠探測脈動所產(chǎn)生的非常微弱的光強變化。依據(jù)脈沖信息，根據(jù)下式，可根據(jù)脈沖幅度與固定的不隨時間變化的組織和靜脈血的吸收率的比率得到灌注系數(shù)PI W = -X 100% { )
DCAC是基于脈動信號的幅度，DC是最大吸收信號。該PI值不依賴于波長但·可以是成比例的(scaled),這可以根據(jù)文獻(xiàn)“The wavelengthdependence of pulseoximetry” (Damianou,D. ;Crowe, J. A. ;Pluse Oximetry:A Critical Appraisal, IEEEColloquium;Volume 1996,issue 124,29May 1996, pages 7/1-7/3)。在變化的情況下，該測量值提供了病人狀態(tài)的不同的臨床相關(guān)變化的早期跡象。另一重要的測量變量是“脈搏指數(shù)變化系數(shù)”(PVI)，其建立了呼吸和脈搏之間的聯(lián)系。在多個呼吸周期中由下式確定PVI :
PT PfPVI = —^*100*%,(8)
W-可按照“The light-tissue interaction of pulse oximetry”(Mannheimerph.D. ;Anesth. Analg.2007Dec;105 (6Suppl):S 10-7. Review)中，或“LEDBased SensorSystem for Non-Invasive Measurment of the Hemoglobin，，(U. Timm，E. Lewis，D.McGrath,J.Kraitl and H. Ewald;13th InternationalConference on BiomedicalEngineering; volume 23，Springer BerlinHeidelbergj 2009)中所描述的方式計算 ％Sp02濃度和總血紅蛋白值。在評價時，相較于傳統(tǒng)測氧儀，能夠比較兩個光譜區(qū)域。例如，介于640nm至680nm之間的光譜頻道可被集成以生成660mn的常用信號。這樣做，例如典型地能夠有效地集成50000個像素以用于生成光譜測量點。然而，優(yōu)選的評價是對脈動光譜的化學(xué)計量評價。根據(jù)定量的光譜分析可直接確定不同血紅蛋白衍生物的濃度。二階導(dǎo)數(shù)中吸收率的最大值或最小值
Hb02 542nm 576nmHb 555nm 754nmHbCO 538nm 569nmMetHb 640nm
權(quán)利要求
1.一種用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的含量或特性的裝置，特別地用于測定并監(jiān)視生理血液值，包含 至少一個光源(20 ；20a ;20b)，用于生成寬帶光(2 ；2a ;2b)，優(yōu)選地至少包括500nm至850nm和/或800nm至1200nm，更具體地為LED,以照射測量區(qū)域(3 ;3，;3”)， 用于根據(jù)其波長傳播分析光(4)的工具，所述分析光(4)被至少一個測量點(3 ;3’;3”)返回的或透過該測量點， 二維傳感器陣列(11)，更具體地為二維CMOS陣列，用于記錄傳播的分析光(13)，該傳感器陣列被布置為使得不同波長的光入射在傳感器陣列(11)的不同點上， 其中裝置(I)優(yōu)選地具有外殼(16)，且被設(shè)計為至少包括所述光源(20 ;20a;20b)、用于傳播的工具(9)和傳感器陣列(11)的緊湊組件。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于外殼(16)被設(shè)計為接附在病患身體上的點上，更特別地接附在手指或耳垂上，或是接附在用于測量介質(zhì)的線管上。
3.如權(quán)利要求I和2之一所述的裝置，其特征在于所述工具具有衍射光柵(9)用于色散，更具體地為全息光柵。
4.如權(quán)利要求I至3之一所述的裝置，其特征在于裝置(I)具有狹縫光闌(7)，布置在分析光(4)的入射區(qū)和用于傳播的工具(9)之間。
5.如權(quán)利要求I至4之一所述的裝置，其特征在于相對于用于傳播光的工具(9)，狹縫光闌(7)被布置為在與細(xì)長圖像不同的方向上生成細(xì)長圖像，優(yōu)選地垂直于細(xì)長圖像生成。
6.如權(quán)利要求I至5之一所述的裝置，其特征在于裝置具有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
7.如權(quán)利要求I至6之一所述的裝置，其特征在于裝置具有放大器，其優(yōu)選能夠被參數(shù)化。
8.如權(quán)利要求I至7之一所述的裝置，其特征在于裝置用于電氣通信連接(29)的連接器，且其中尤其是裝置不包括將光線引導(dǎo)至其中或從其中導(dǎo)出的連接器。
9.如權(quán)利要求I至8之一所述的裝置，其特征在于裝置被設(shè)計用于透射測量和反射測量。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于裝置具有計算機布置(26)，其被設(shè)計為能夠交替地實施透射測量和反射測量，其中裝置具有第一光源以用于通過照射第一測量區(qū)域(3’)實施反射測量，以及具有第二光源(20b)以照明第二測量區(qū)域(3”)來實施透射測量。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于裝置裝備有用于分離反射區(qū)域(3’)和透射區(qū)域(3”)輸出的分析光(4)的工具(17)。
12.如權(quán)利要求I至11之一所述的裝置，其特征在于裝置被設(shè)計為掃描頻率>50Hz，借由此能夠建立測量的生理血液值的組織成分和脈動成分。
13.如權(quán)利要求I至12之一所述的裝置，其特征在于該裝置配置有優(yōu)選的外部計算機布置(26，30)，所述計算機布置被設(shè)計為以時間解析的方式實施測量。
14.如權(quán)利要求I至13之一所述的裝置，其特征在于該裝置配置有優(yōu)選的外部計算機布置(26，30)，所述計算機布置被設(shè)計為能夠建立被捕獲的譜線的二階導(dǎo)數(shù)，且特別地能夠基于該二階導(dǎo)數(shù)建立生理血液值。
15.如權(quán)利要求I至14之一所述的裝置，其特征在于二維傳感器陣列(11)被布置為傳播的分析光入射在該二維傳感器陣列(11)的多個相鄰的行上，其中裝置(I)具有被設(shè)計為對相鄰的行生成的譜線求和的計算機布置。
16.一種如權(quán)利要求I至15之一所述的裝置與外部計算機布置(32)的組合，其中裝置(I)和計算機布置(32)通過通信電纜(29)互聯(lián)或能夠互聯(lián)。
17.一種用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的含量或特性的方法，特別地用于測定并監(jiān)視生理血液值，包含下述步驟，特別地與如權(quán)利要求I至15之一所述的裝置相結(jié)合 將來自寬帶光源(20 ；20a ；20b)的光(2 ；2a ；2b)照射至少一個測量區(qū)域(3 ;3，;3”)， 捕獲以反射和/或透射的方式返回的分析光(4)， 對捕獲的分析光(4)進行基于波長的傳播，將捕獲的分析光(4)的各個基于波長的分量成像在二維傳感器陣列(11)上，更特別地成像在二維CMOS攝像機上以生成光譜， 評價生成的光譜以建立測量介質(zhì)的含量或特性，特別地建立血液值， 其中，特別地事先將一外殼應(yīng)用至特別為生物的測量區(qū)域(3 ;3’;3”)上，該外殼包含光源和傳感器陣列。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于在衍射光柵(9)上傳播分析光(4)。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于以反射的方式和透射的方式捕獲分析光⑷。
20.如權(quán)利要求17至19之一所述的方法，其特征在于以時間解析的方式評價分析光(4)。
21.如權(quán)利要求17至20之一所述的方法，其特征在于建立捕獲的譜線的二階導(dǎo)數(shù)以建立生理血液值。
22.如權(quán)利要求17至21之一所述的方法，其特征在于掃描頻率大于50Hz，且建立測量的生理血液值的組織成分和脈動成分。
23.如權(quán)利要求17至22之一所述的方法,其特征在于傳播的分析光被成像在傳感器陣列(11)的多個相鄰的行上，且對各個行生成的譜線求和。
24.一種計算機程序產(chǎn)品，當(dāng)其在計算機上執(zhí)行時實施如權(quán)利要求17至22之一所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測定并監(jiān)視測量介質(zhì)的成分或特性的裝置，例如測定并監(jiān)視生理血液值，其中所述裝置包含光源(20)，用于生成寬帶測量光(2)并在測量區(qū)域(3)上發(fā)生作用，以及用于將被測量區(qū)域(3)反射的分析光(4)扇形散開的工具(9)。該裝置還具有用于提取扇形光的傳感器陣列(11)。傳感器陣列(11)、光源(20)以及用于分散分析光(4)的工具被布置為外殼中的緊湊單元。
文檔編號G01J3/28GK102946794SQ201180031147
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者A·庫爾克 申請人:森斯派克有限公司