DE102018124531A1

DE102018124531A1 - Method and device for non-invasive optical measurement of properties of living tissue

Info

Publication number: DE102018124531A1
Application number: DE102018124531.9A
Authority: DE
Inventors: Vera Herrmann
Original assignee: Nirlus Eng AG; NIRLUS ENGINEERING AG
Current assignee: Nirlus Eng AG; NIRLUS ENGINEERING AG
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-04-09
Also published as: WO2020070228A1

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zur nicht invasiven optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe im Inneren eines Körpers (1), mit einer Messvorrichtung (2), die zumindest eine Lichtquelle (3) und einen Detektor (4) aufweist,wobei die Messvorrichtung oder zumindest ein Teil der Messvorrichtung gegen die Oberfläche, z. B. die Haut, des Körpers (1) gedrückt wird,wobei der Körper (1) mittels der Lichtquelle (3) mit Licht mit zumindest einer Lichtwellenlänge beleuchtet wird und wobei das aus dem Körper (1) rückgestreute Licht oder das durch den Körper (1) hindurchtretende Licht mit dem Detektor (4) erfasst und das Detektorsignal zur Bestimmung einer Eigenschaft des Gewebes ausgewertet wird.Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach der Messung der optischen Eigenschaft der Anpressdruck der Messvorrichtung (2) gegen den Körper (1) kontrolliert wird.It is a method for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body (1), with a measuring device (2), which has at least one light source (3) and a detector (4), the measuring device or at least part of the measuring device against the surface, e.g. B. the skin of the body (1) is pressed, the body (1) being illuminated by means of the light source (3) with light having at least one light wavelength and the light scattered back from the body (1) or by the body ( 1) passing light is detected with the detector (4) and the detector signal is evaluated to determine a property of the tissue. The method is characterized in that the contact pressure of the measuring device (2) against, before, during and / or after the measurement of the optical property the body (1) is checked.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtinvasiven optischen Messung (bzw. in-vivo-Messung) von Eigenschaften von lebendem Gewebe (einschließlich fließendem Blut) im Innern eines (menschlichen) Körpers, mit einer Messvorrichtung, die zumindest eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist,
wobei die Messvorrichtung oder zumindest ein Teil der Messvorrichtung gegen die Oberfläche, z. B. die Haut, des Körpers gedrückt wird,
wobei der Körper mittels der Lichtquelle mit Licht mit zumindest einer Lichtwellenlänge beleuchtet wird und wobei das aus dem Körper rückgestreute Licht oder das durch den Körper hindurchtretende Licht mit dem Detektor erfasst und das Detektorsignal zur Bestimmung einer Eigenschaft des Gewebes oder zur Bestimmung mehrerer Eigenschaften des Gewebes ausgewertet wird.The invention relates to a method for the non-invasive optical measurement (or in vivo measurement) of properties of living tissue (including flowing blood) inside a (human) body, with a measuring device which has at least one light source and a detector,
wherein the measuring device or at least part of the measuring device against the surface, for. B. the skin, the body is pressed,
wherein the body is illuminated by means of the light source with light having at least one light wavelength and the light scattered back from the body or the light passing through the body is detected by the detector and the detector signal is evaluated to determine one property of the tissue or to determine several properties of the tissue becomes.

Bei dem Körper handelt es sich folglich bevorzugt um einen menschlichen Körper. Nichtinvasive Messung meint z. B. die nichtinvasive Messung der Konzentration von Blutbestandteilen in Blutgefäßen, z. B. die Messung der Hämoglobinkonzentration, der Sauerstoffsättigung, des Blutzuckergehaltes oder dergleichen. Die Erfindung umfasst aber auch die Messung in Gewebe außerhalb einer Blutbahn, z. B. im Zuge der in-vivo-Gewebeklassifizierung. Dabei wird Licht, z. B. einer oder mehrerer Laserlichtquellen in den Körper eingestrahlt und durch Messung und Auswertung des rückgestreuten Streulichtes werden die gesuchten Parameter auf verschiedenste Weise bestimmt. Dazu wird üblicherweise elektromagnetische Strahlung (z. B. Laserlichtstrahlung) aus dem sichtbaren Bereich und/oder dem Infrarotbereich verwendet, z. B. zwischen etwa 550 nm und 2.000 nm. Häufig wird zur Optimierung der Messmethoden das rückgestreute Licht unter Einwirkung von Ultraschallstrahlung gemessen, um z. B. den Ort der Messung mit der Ultraschallstrahlung zu markieren.The body is therefore preferably a human body. Non-invasive measurement means e.g. B. the non-invasive measurement of the concentration of blood components in blood vessels, e.g. B. the measurement of hemoglobin concentration, oxygen saturation, blood sugar or the like. The invention also includes measurement in tissue outside a bloodstream, e.g. B. in the course of in vivo tissue classification. Light, e.g. B. one or more laser light sources are radiated into the body and by measuring and evaluating the backscattered scattered light, the parameters sought are determined in various ways. For this purpose, electromagnetic radiation (e.g. laser light radiation) from the visible range and / or the infrared range is usually used, e.g. B. between about 550 nm and 2,000 nm. Often, to optimize the measurement methods, the backscattered light is measured under the influence of ultrasound radiation in order to, for. B. to mark the location of the measurement with the ultrasound radiation.

Ein Verfahren zur optischen Messung von Eigenschaften von fließendem Blut mittels Ultraschalllokalisierung ist z. B. aus der EP 1 601 285 B1 bekannt. Die Ultraschallstrahlung wird auf das Innere eines zentralen Blutgefäßes fokussiert und es werden außerdem eine Lichtquelle sowie eine benachbarte Detektionseinheit zum Erfassen des rückgestreuten Lichtes auf die Hautoberfläche über dem Blutgefäß derart positioniert, dass der Abstand zwischen Lichtquelle und der Mehrheit der Lichtrezeptoren der Detektionseinheit mit der Tiefe des untersuchenden Blutgewebes korrespondiert. Das Zielgewebe wird mit wenigstens zwei diskreten Lichtwellenlängen beleuchtet und das rückgestreute Licht wird gemessen. Das Ultraschallwellenfeld verursacht durch Wechselwirkung mit Blut und Gewebeänderungen der optischen Eigenschaften, insbesondere des Reflexions- und Streuvermögens. Dies führt zu einer Modulation des rückgestreuten Lichtes mit der Frequenz der Ultraschallstrahlung, so dass sich im Zuge der Auswertung der modulierte Anteil extrahieren lässt.A method for the optical measurement of properties of flowing blood by means of ultrasound localization is e.g. B. from the EP 1 601 285 B1 known. The ultrasound radiation is focused on the inside of a central blood vessel and a light source and an adjacent detection unit for detecting the backscattered light on the skin surface above the blood vessel are also positioned such that the distance between the light source and the majority of the light receptors of the detection unit is at the depth of the examining blood tissue corresponds. The target tissue is illuminated with at least two discrete light wavelengths and the backscattered light is measured. The ultrasonic wave field is caused by interaction with blood and tissue changes in the optical properties, in particular the reflectivity and scattering power. This leads to a modulation of the backscattered light with the frequency of the ultrasound radiation, so that the modulated portion can be extracted in the course of the evaluation.

Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Blutglukosekonzentration wird in der DE 10 2006 036 920 B3 ein Verfahren zur spektrometrischen Bestimmung der Blutglukosekonzentration im pulsierend fließenden Blut beschrieben. Eine Umsetzung dieses Verfahrens zur nichtinvasiven in-vivo-Bestimmung der Glukosekonzentration setzt ergänzend eine nichtinvasive Bestimmung der Temperatur des Blutes voraus. Ein solches Verfahren zur nichtinvasiven, optischen Bestimmung der Temperatur eines Mediums innerhalb eines Körpers ist z. B. aus der DE 10 2008 006 245 A1 bekannt. Auch bei dieser optischen Temperaturmessung kann der Ort der Messung im Innern eines Körpers, z. B. einer Blutbahn, mittels gepulster Ultraschallstrahlung markiert werden.In connection with the determination of the blood glucose concentration, the DE 10 2006 036 920 B3 described a method for the spectrometric determination of the blood glucose concentration in the pulsating flowing blood. Implementation of this method for the non-invasive in vivo determination of the glucose concentration additionally requires a non-invasive determination of the temperature of the blood. Such a method for non-invasive, optical determination of the temperature of a medium within a body is, for. B. from the DE 10 2008 006 245 A1 known. Even with this optical temperature measurement, the location of the measurement inside a body, e.g. B. a bloodstream, are marked by means of pulsed ultrasound radiation.

Eine Modifikation der beschriebenen Verfahren, die auf der Ultraschalllokalisierung basieren, ist aus der WO 2015/177156 A1 bekannt. Auch dort wird der Körper zur Markierung eines Blutgefäßes mit Ultraschallstrahlung mit einer Ultraschallfrequenz bestrahlt, wobei der Körper mit dem Blutgefäß mit Licht mit zumindest einer Lichtwellenlänge beleuchtet und das rückgestreute Licht mit einem Detektor erfasst wird, wobei der außerhalb des Blutgefäßes aus dem Körper rückgestrahlte Lichtanteil mit einer Frequenz moduliert ist, welche der Ultraschallfrequenz entspricht. Der innerhalb des Blutgefäßes rückgestreute Lichtanteil ist aufgrund des Dopplereffektes im fließenden Blut mit einer um die Dopplerverschiebung gegenüber der Frequenz der Ultraschallstrahlung verschobenen Frequenz moduliert. Mit einer Auswerteeinheit kann aus dem an dem Detektor gemessenen Detektorsignal der mit der verschobenen Frequenz modulierte Signalanteil extrahiert werden. Bei diesem Verfahren ist gewährleistet, dass tatsächlich nur solche Lichtanteile des rückgestreuten Lichtes in die Auswertung einfließen, die tatsächlich aus dem Blut rückgestreut werden, da nur diese aufgrund des Dopplereffektes mit einer anderen Modulationsfrequenz moduliert sind, als die aus dem angrenzenden Gewebe rückgestreuten Lichtanteile. Damit ist eine präzise Markierung der Blutbahn möglich, und zwar unabhängig davon, ob mit fokussierter Ultraschallstrahlung gearbeitet wird oder nicht. Im Gegensatz zu dem aus der EP 1 601 285 B1 bekannten Verfahren wird bei dem aus WO 2015/177156 A1 bekannten Verfahren die Ultraschallstrahlung nicht zur zum Auffinden des Blutgefäßes verwendet, sondern die Ausnutzung des Dopplereffektes fließt auch unmittelbar in die Auswertung der optischen Messung ein.A modification of the methods described, which are based on ultrasound localization, is known from US Pat WO 2015/177156 A1 known. Here too, the body is irradiated with ultrasound radiation to mark a blood vessel with ultrasound radiation, the body being illuminated by the blood vessel with light having at least one light wavelength and the backscattered light being detected by a detector, the part of the light reflected from the body outside the blood vessel also being included a frequency is modulated which corresponds to the ultrasound frequency. The backscattered portion of light inside the blood vessel is modulated due to the Doppler effect in the flowing blood with a frequency shifted by the Doppler shift relative to the frequency of the ultrasound radiation. With an evaluation unit, the signal component modulated with the shifted frequency can be extracted from the detector signal measured at the detector. This method ensures that only those light components of the backscattered light that actually are backscattered from the blood flow into the evaluation, since only these are modulated with a different modulation frequency than the light components backscattered from the adjacent tissue due to the Doppler effect. This makes it possible to mark the bloodstream precisely, regardless of whether or not focused ultrasound radiation is used. In contrast to that from the EP 1 601 285 B1 known method is used in the WO 2015/177156 A1 known methods do not use ultrasound radiation to find the blood vessel, but the exploitation of the Doppler effect also flows directly into the evaluation of the optical measurement.

Insgesamt sind verschiedene Verfahren zur nichtinvasiven, optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe aus dem Stand der Technik bekannt, und zwar sowohl auf der Basis von Transmissionsmessungen als auch auf der Basis von Reflexionsmessungen. Bei der Umsetzung der bekannten Verfahren in die Praxis sind eine Vielzahl von Schwierigkeiten zu überwinden, die insbesondere die Übertragung der Messmethoden von Laborbedingungen auf den Praxiseinsatz betreffen, und zwar insbesondere dann, wenn die Messungen nicht nur unter Idealbedingungen von einem Arzt oder medizinisch geschultem Personal durchgeführt werden sollen, sondern auch die eigenständige Messung durch den Patienten selbst ermöglichen sollen. - Hier setzt die Erfindung ein. All in all, various methods for the non-invasive, optical measurement of properties of living tissue are known from the prior art, both on the basis of transmission measurements and on the basis of reflection measurements. When the known methods are put into practice, a large number of difficulties have to be overcome, in particular relating to the transfer of the measurement methods from laboratory conditions to practical use, in particular if the measurements are not only carried out under ideal conditions by a doctor or medically trained personnel but should also enable independent measurement by the patient himself. - This is where the invention begins.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine zuverlässige, nichtinvasive optische Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe im Innern eines Körpers ermöglicht und sich bevorzugt durch einen verbesserten Benutzungskomfort und/oder eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber Fehlbedienungen auszeichnet.The invention has for its object to provide a method that enables a reliable, non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body and is preferably characterized by improved ease of use and / or increased insensitivity to incorrect operation.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren der eingangs beschriebenen Art, dass vor, während und/oder nach der Messung der optischen Eigenschaften der Anpressdruck der Messvorrichtung gegen den Körper kontrolliert wird, und zwar bevorzugt ebenfalls mit optischen Mitteln, so dass bei erhöhter Funktionalität der apparative Aufwand nicht oder nicht nennenswert erhöht wird.To achieve this object, the invention teaches in a generic method of the type described in the introduction that before, during and / or after the measurement of the optical properties, the contact pressure of the measuring device against the body is checked, preferably also with optical means, so that at increased functionality of the equipment effort is not increased or not significantly.

Die Erfindung geht dabei zunächst einmal von der bekannten Erkenntnis aus, dass sich die bekannten optischen Verfahren grundsätzlich hervorragend zur nichtinvasiven optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe im Innern eines Körpers eignen, und zwar sowohl auf Basis von Transmissionsmessungen als auch auf Basis von Reflexionsmessungen. Stets ist es zweckmäßig, eine Messvorrichtung, die zumindest eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist, unmittelbar auf den Körper, z. B. auf die Haut, aufzusetzen, um einerseits das Licht einwandfrei in den Körper einzustrahlen und andererseits die durch den Körper hindurchtretenden Lichtanteile und/oder die aus dem Körper rückgestreuten Lichtanteile mit einem Detektor zu erfassen. Dabei hat die Erfindung erkannt, dass ein variierender Anpressdruck, der mit der Messvorrichtung auf den zu untersuchenden Körper und folglich auf das zu untersuchende Gewebe ausgeübt wird, die Messergebnisse beeinflussen kann. Sollen z. B. die Eigenschaften von fließendem Blut, z. B. die Sauerstoffsättigung oder der Blutzuckergehalt, mit optischen Methoden untersucht werden, so kann ein variierender Anpressdruck der Vorrichtung die Verhältnisse in der Blutbahn und/oder in dem angrenzenden Gewebe beeinflussen und damit die Messung verfälschen. So verändern sich die Positionen bzw. die Orientierungen der streuenden Teilchen innerhalb der Blutbahn in der Regel pulsierend und führen damit zu pulsierend variierenden Absorptionseigenschaften des Blutes, und zwar aufgrund der sich pulsierend ändernden Dichte und der pulsierend ändernden Orientierung. Diese Verhältnisse werden z. B. durch einen veränderten Anpressdruck der Messvorrichtung beeinflusst und damit gestört. Es kann z. B. zu einem „Pulsverschwinden“ durch den Anpressdruck kommen. Außerdem kann eine erhöhte Dichte der Streuungszentren im Gewebe durch den erhöhten Anpressdruck die Messung verändern. Es kann auch zu einem „Stau“ einer bestimmten „optischen Situation“ kommen, so dass dann im Zuge der Messung die ermittelten Werte nicht mehr den aktuellen Werten entsprechen. Vor diesem Hintergrund hat die Erfindung erkannt, dass eine Kontrolle des Anpressdrucks zweckmäßig ist, um insbesondere eine unzulässig hohe Beeinflussung der Messung durch einen zu hohen oder zu niedrigen Anpressdruck zu vermeiden. So kann in einer Steuereinheit der Messvorrichtung ein zulässiges Pressdruckintervall mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert definiert werden und z. B. in der Steuereinheit hinterlegt werden. Ergibt sich im Zuge der Messung, dass der Pressdruck außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, kann z. B. eine (nachfolgende) Messung der optischen Eigenschaften des Gewebes oder des Blutes unterbunden werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Warnsignal ertönen. Darauf wird im Folgenden noch eingegangen.The invention is based first of all on the known finding that the known optical methods are fundamentally outstandingly suitable for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue in the interior of a body, both on the basis of transmission measurements and on the basis of reflection measurements. It is always expedient to place a measuring device, which has at least one light source and a detector, directly on the body, e.g. B. to put on the skin, on the one hand to radiate the light properly into the body and on the other hand to detect the light components passing through the body and / or the light components scattered back from the body with a detector. The invention has recognized that a varying contact pressure, which is exerted on the body to be examined and consequently on the tissue to be examined with the measuring device, can influence the measurement results. Should z. B. the properties of flowing blood, e.g. B. the oxygen saturation or the blood sugar content can be examined with optical methods, a varying contact pressure of the device can influence the conditions in the bloodstream and / or in the adjacent tissue and thus falsify the measurement. The positions or the orientations of the scattering particles within the bloodstream usually change in a pulsating manner and thus lead to pulsatingly varying absorption properties of the blood, specifically because of the pulsatingly changing density and the pulsatingly changing orientation. These relationships are such. B. influenced by a changed contact pressure of the measuring device and thus disturbed. It can e.g. B. can lead to a “pulse disappearance” due to the contact pressure. In addition, an increased density of the scattering centers in the tissue can change the measurement due to the increased contact pressure. A "traffic jam" of a certain "optical situation" can also occur, so that during the course of the measurement the determined values no longer correspond to the current values. Against this background, the invention has recognized that a check of the contact pressure is expedient, in particular to avoid an impermissibly high influence on the measurement by an excessively high or too low contact pressure. Thus, a permissible pressing pressure interval with a lower limit value and an upper limit value can be defined in a control unit of the measuring device and z. B. be stored in the control unit. If the measurement shows that the pressing pressure is outside the permissible range, z. B. a (subsequent) measurement of the optical properties of the tissue or blood can be prevented. As an alternative or in addition, a warning signal can sound. This will be discussed in the following.

In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt die Ermittlung bzw. die Kontrolle des Pressdrucks selbst ebenfalls mit optischen Mitteln. Dazu wird vorgeschlagen, dass zur Ermittlung bzw. Kontrolle des Anpressdrucks Licht mit zumindest einer Wellenlänge in den Körper eingestrahlt und die Intensität des aus dem Körper rückgestreuten oder durch den Körper hindurchtretenden Lichtes erfasst wird, wobei die Intensität von dem Pressdruck abhängt, so dass die gemessene Intensität den Anpressdruck repräsentiert. Damit besteht die Möglichkeit, z. B. ein zulässiges Intensitätsintervall mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert zu definieren und z. B. in einer Steuereinheit der Messvorrichtung zu hinterlegen und auszuwerten, ob die gemessene Intensität innerhalb oder außerhalb des zulässigen Intensitätsintervalls liegt. So kann die optische Messung zur Bestimmung der Gewebeeigenschaften unterbunden werden, sofern die im Zuge der Druckkontrolle gemessene Intensität außerhalb des Intensitätsintervalls liegt, d. h. die „eigentliche“ Messung wird nur zugelassen, wenn die bei der Druckkontrolle gemessene Intensität innerhalb des Intensitätsintervalls liegt. Alternativ oder ergänzend kann zusätzlich ein optisches und/oder akustisches Warnsignal erzeugt werden.In a particularly preferred embodiment, the determination or control of the pressing pressure itself is likewise carried out using optical means. For this purpose, it is proposed that for determining or checking the contact pressure, light with at least one wavelength is radiated into the body and the intensity of the light scattered back from or through the body is recorded, the intensity depending on the contact pressure, so that the measured Intensity represents the contact pressure. So there is the possibility, for. B. to define an allowable intensity interval with a lower limit and an upper limit and z. B. in a control unit of the measuring device and to evaluate whether the measured intensity is within or outside the permissible intensity interval. In this way, the optical measurement for determining the tissue properties can be prevented if the intensity measured in the course of the pressure control lies outside the intensity interval, i. H. the "actual" measurement is only permitted if the intensity measured during pressure control lies within the intensity interval. Alternatively or additionally, an optical and / or acoustic warning signal can also be generated.

Die Erfindung hat dabei erkannt, dass sich die Intensität des transmittierten Lichtes und/oder die Intensität des rückgestreuten Lichtes hervorragend als Kontrollparameter für den Pressdruck bzw. Anpressdruck in derartigen Messungen eignet. Denn der Anpressdruck hat empfindlichen Einfluss auf das Streuvermögen des Gewebes. Mit erhöhtem Anpressdruck verringert sich der Anteil der Flüssigkeit im Gewebevolumen deutlich und die Konzentration der Streuzentren steigt in diesem Gewebevolumen und dieses resultiert in einem erhöhten Streukoeffizient. Dazu wird Licht eingestrahlt, das bevorzugt im infraroten und/oder sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, das z. B. eine Wellenlänge von 500 nm bis 2.000 nm aufweist. Besonders bevorzugt wird für diese Pressdruckkontrolle Licht einer sogenannten isosbestischen Wellenlänge verwendet, z. B. Licht mit einer Wellenlänge von etwa 800 bis 810 nm, z. B. 805 bis 808 nm. Bei dieser Wellenlänge sind die Absorption und Rückstreuung unabhängig vom Beladungszustand mit Sauerstoff, da sich die Absorptionskurven für Oxihämoglobin und Desoxihämoglobin schneiden. Auch die Absorptionskurven der anderen wesentlichen Bestandteile von Blut und/oder Gewebe weisen in diesem Bereich Absorptionsminima auf. Dieses hat zur Folge, dass sich durch die Änderung des Anpressdrucks vor allem das Streuvermögen des Gewebes verändert und damit eignet sich eine optische Messung in diesem Bereich besonders zur Pressdruckkontrolle. Die Veränderung der Transmission und Rückstreuung in diesem Wellenlängenbereich ist ein Maß für die Streuzentrenkonzentration, wobei der Zusammenhang nicht linear, sondern negativ logarithmisch ist. Mit erhöhtem Pressdruck wird die Intensität des Lichtes in Transmissionsrichtung verringert und der Anteil des reflektierten Lichtes wird erhöht. Insgesamt ermöglicht die Messung der Intensität des Lichtes - entweder in Transmission oder in Reflexion - die Kontrolle des Pressdrucks, und zwar insbesondere bei Verwendung einer isosbestischen Wellenlänge, z. B. bei 805 bis 808 nm. The invention has recognized that the intensity of the transmitted light and / or the intensity of the backscattered light are outstandingly suitable as control parameters for the contact pressure or contact pressure in such measurements. Because the contact pressure has a sensitive influence on the spreading capacity of the fabric. With increased contact pressure, the proportion of liquid in the tissue volume decreases significantly and the concentration of the scattering centers increases in this tissue volume and this results in an increased scattering coefficient. For this purpose, light is irradiated, which is preferably in the infrared and / or visible wavelength range. B. has a wavelength of 500 nm to 2,000 nm. Light of a so-called isosbestic wavelength is particularly preferably used for this pressure control, e.g. B. light with a wavelength of about 800 to 810 nm, e.g. B. 805 to 808 nm. At this wavelength, the absorption and backscattering are independent of the state of loading with oxygen, since the absorption curves for oxyhemoglobin and deoxihemoglobin intersect. The absorption curves of the other essential components of blood and / or tissue also have absorption minima in this area. The result of this is that the change in the contact pressure primarily changes the scattering capacity of the fabric, making an optical measurement in this area particularly suitable for checking the contact pressure. The change in the transmission and backscatter in this wavelength range is a measure of the scattering center concentration, the relationship not being linear, but negative logarithmic. With increased pressure, the intensity of the light in the transmission direction is reduced and the proportion of the reflected light is increased. Overall, the measurement of the intensity of the light - either in transmission or in reflection - enables the control of the pressing pressure, in particular when using an isosbestic wavelength, e.g. B. at 805 to 808 nm.

Für die jeweiligen optischen Messungen wird im Zuge einer Kalibrierung des Messsystems eine optimale Haltung der Messvorrichtung bzw. des Sensors bestimmt und z. B. ein zweckmäßiges Intensitätsintervall hinterlegt.For the respective optical measurements, an optimal posture of the measuring device or the sensor is determined in the course of a calibration of the measuring system and z. B. deposited an appropriate intensity interval.

Die beschriebene optische Pressdruckkontrolle wird erfindungsgemäß im Zusammenhang mit einer optischen Messung der Eigenschaften von lebendem Gewebe, z. B. von Blut oder dergleichen, eingesetzt. Dabei kann auf die grundsätzlich bekannten Erkenntnisse zur nichtinvasiven optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe, z. B. Blut, zurückgegriffen werden. Die Pressdruckkontrolle kann z. B. bei der Bestimmung der Sauerstoffsättigung von Blut verwendet werden. Außerdem kann sie bei der Untersuchung der Glukosekonzentration von Blut verwendet werden. Dabei können z. B. die in der EP 1 601 285 B1 , die EP 2 046 190 B1 , EP 3 170 446 A1 und WO 2015/177156 A1 verwendet werden. Insbesondere können die optischen Messungen zur Bestimmung der jeweiligen Eigenschaften des Blutes bzw. des Gewebes mit den in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Wellenlängen durchgeführt werden.The optical pressing pressure control described is inventively used in connection with an optical measurement of the properties of living tissue, e.g. B. of blood or the like used. It can be based on the fundamentally known findings on the non-invasive optical measurement of properties of living tissue, for. B. blood. The baling pressure control can e.g. B. used in the determination of blood oxygen saturation. It can also be used to study blood glucose levels. Here, for. B. in the EP 1 601 285 B1 , the EP 2 046 190 B1 , EP 3 170 446 A1 and WO 2015/177156 A1 be used. In particular, the optical measurements for determining the respective properties of the blood or tissue can be carried out with the wavelengths described in these publications.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass für die Messung der optischen Eigenschaften des Gewebes/Blutes Licht einer anderen Wellenlänge verwendet wird als für die optische Pressdruckkontrolle. In diesem Fall können mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen oder zumindest eine Lichtquelle verwendet werden, die mehrere unterschiedliche Lichtwellenlängen erzeugt. Dabei kann gegebenenfalls mit ein und demselben Detektor gearbeitet werden, sofern dieser eine ausreichende Empfindlichkeit für die verschiedenen Lichtwellenlängen aufweist.Basically, there is the possibility that light of a different wavelength is used for the measurement of the optical properties of the tissue / blood than for the optical pressure control. In this case, several light sources with different wavelengths or at least one light source that generates several different light wavelengths can be used. If necessary, one and the same detector can be used, provided that it has sufficient sensitivity for the different light wavelengths.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die optische Messung einerseits und die Pressdruckkontrolle andererseits mit ein und derselben Lichtwellenlänge und folglich auch mit ein und derselben Lichtquelle und demselben Detektor realisiert werden. So besteht z. B. die Möglichkeit, für die Messung der Glukosekonzentration in fließendem Blut ebenfalls (u. a.) eine Lichtwellenlänge im Bereich zwischen 790 nm und 850 nm, z. B. um etwa 805 nm bis 808 nm zu verwenden, bei der sich die beiden Absorptionskurven von Oxihämoglobin und Desoxyhämoglobin kreuzen, so dass bei dieser Wellenlänge die Absorption und damit auch der Anteil des rückgestreuten Lichtes unabhängig vom Beladungszustand mit Sauerstoff ist. Insofern kann auf die z. B. in der EP 3 170 446 A1 beschriebenen Erkenntnisse zurückgegriffen werden, wonach eine solche Wellenlänge als Indikator für die Glukosekonzentration verwendet werden kann. Interessant ist nun, dass mit ein und derselben Wellenlänge auch eine Pressdruckkontrolle möglich ist, da die bereits erwähnten Intensitätsgrenzen weit außerhalb der im Zusammenhang mit der optischen (physiologischen) Messung auftretenden Werte liegen.However, there is also the possibility that the optical measurement on the one hand and the baling pressure control on the other hand can be realized with one and the same light wavelength and consequently also with one and the same light source and the same detector. So there is z. B. the possibility to measure the glucose concentration in flowing blood also (among other things) a light wavelength in the range between 790 nm and 850 nm, z. B. to use about 805 nm to 808 nm, in which the two absorption curves of oxihemoglobin and deoxyhemoglobin intersect, so that at this wavelength the absorption and thus the proportion of the backscattered light is independent of the state of loading with oxygen. In this respect, the z. B. in the EP 3 170 446 A1 Insights described can be used, after which such a wavelength can be used as an indicator of the glucose concentration. It is interesting that a pressure control can be carried out with the same wavelength, since the intensity limits already mentioned lie far outside the values that occur in connection with the optical (physiological) measurement.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Messvorrichtung zur nichtinvasiven optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe im Innern eines Körpers nach einem Verfahren der beschriebenen Art. Die Messvorrichtung weist zumindest eine Lichtquelle, einen Detektor und eine Steuereinheit auf, wobei die Messvorrichtung oder zumindest ein Teil der Messvorrichtung gegen die Oberfläche des Körpers drückbar ist. Die Steuereinheit ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Das bedeutet, dass insbesondere in der Steuereinheit zumindest ein oberer Grenzwert und/oder ein unterer Grenzwert für einen minimal zulässigen Anpressdruck und/oder einen maximal zulässigen Anpressdruck bzw. für die den entsprechenden Anpressdruck jeweils repräsentierenden Messgrößen hinterlegt ist. Insofern sind als obere und untere Grenzwerte entsprechende Streu- oder Transmissionsintensitäten in der Steuereinheit hinterlegt. Die Steuereinheit ist nun so eingerichtet bzw. so programmiert, dass die Messvorrichtung eine optische Messung der Eigenschaften des Gewebes nur zulässt, wenn der ermittelte Anpressdruck bzw. die entsprechenden optischen Intensitäten, die den Anpressdruck repräsentieren, innerhalb des hinterlegten Bereichs liegt. Optional kann die Messvorrichtung eine optische Anzeige und/oder eine akustische Anzeige aufweisen, mit der z. B. ein Warnsignal erzeugbar ist, sofern der ermittelte Pressdruck bzw. die den Pressdruck repräsentierende Messgröße außerhalb des vordefinierten, zulässigen Intervalls liegt.The invention also relates to a measuring device for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body by a method of the type described. The measuring device has at least one light source, a detector and a control unit, the measuring device or at least part of the measuring device is pressed against the surface of the body. The control unit is set up to carry out the described method. This means that in particular in the control unit at least one upper limit value and / or one lower limit value for a minimum permissible contact pressure and / or a maximum permissible contact pressure or for the measured variables representing the respective contact pressure. In this respect, corresponding scatter or transmission intensities are stored in the control unit as upper and lower limit values. The control unit is now set up or programmed in such a way that the measuring device only permits an optical measurement of the properties of the tissue if the determined contact pressure or the corresponding optical intensities, which represent the contact pressure, lie within the stored range. Optionally, the measuring device can have a visual display and / or an acoustic display with which, for. B. a warning signal can be generated if the determined pressing pressure or the measured variable representing the pressing pressure is outside the predefined, permissible interval.

Die Messvorrichtung kann im Übrigen nicht nur eine Lichtquelle, sondern auch mehrere Lichtquellen, z. B. mehrere Laserdioden aufweisen. Bevorzugt wird kohärentes Laserlicht verwendet. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, nicht kohärentes Licht zu verwenden, und zwar insbesondere für die Lichtquelle, die für die Pressdruckkontrolle verwendet wird. Es kann z. B. kontinuierliche Laserstrahlung mit einer Dauerleistung in einer Größenordnung von 0,1 bis 10 mW, vorzugsweise 0,5 bis 2 mW, z. B. etwa 1 mW verwendet werden. Der Detektor wird an den entsprechenden Wellenlängenbereich angepasst. Bevorzugt wird ein Detektor verwendet, der sowohl für die Wellenlänge für die optische Messung als auch für die Wellenlänge für die Pressdruckkontrolle geeignet ist, so dass gegebenenfalls ein einziger Sensor verwendet wird. Dabei kann es sich z. B. um eine Si PIN-Diode handeln. Eine solche Diode wird insbesondere dann verwendet, wenn die Lichtquellen Licht in einem Bereich des kleinen biologischen Fensters (700 nm bis 1.300 nm) erzeugen. Wird im erweiterten biologischen Fenster gearbeitet, kann z. B. eine InGaAs-Diode verwendet werden.The measuring device can, moreover, not only one light source, but also several light sources, e.g. B. have multiple laser diodes. Coherent laser light is preferably used. However, it is also within the scope of the invention to use non-coherent light, in particular for the light source used for the pressure control. It can e.g. B. continuous laser radiation with a continuous power in the order of 0.1 to 10 mW, preferably 0.5 to 2 mW, z. B. about 1 mW can be used. The detector is adapted to the corresponding wavelength range. A detector is preferably used which is suitable both for the wavelength for the optical measurement and for the wavelength for the baling pressure control, so that a single sensor may be used. It can be z. B. is a Si PIN diode. Such a diode is used in particular when the light sources generate light in a region of the small biological window (700 nm to 1,300 nm). If you work in the expanded biological window, z. B. an InGaAs diode can be used.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
2 ein vereinfachtes Flussdiagramm zum Betrieb der Vorrichtung nach 1.

The invention is explained in more detail below on the basis of a drawing illustrating only one exemplary embodiment. Show it

1 schematically simplified an inventive device and
2nd a simplified flow chart for the operation of the device according to 1 .

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung dient der nichtinvasiven optischen Messung von Eigenschaften von lebendem Gewebe im Innern eines Körpers, z. B. der Bestimmung der Sauerstoffsättigung oder zur Bestimmung der Glukosekonzentration des Blutes oder zur Bestimmung von Eigenschaften des Gewebes (z. B. zur Gewebeklassifizierung). Die in 1 stark vereinfacht dargestellte Messvorrichtung 2 weist zumindest eine Lichtquelle 3 und zumindest einen Detektor 4 bzw. 4` auf. Diese Messvorrichtung 2 oder zumindest ein Teil der Messvorrichtung kann gegen die Oberfläche des angedeuteten Körpers 1 gedrückt werden. Dabei ist in 1 zum einen die Möglichkeit einer Reflexionsmessung dargestellt, d. h. der Detektor 4 ist in Reflexionsrichtung auf der gleichen Seite des Körpers 1 angedeutet, wie die Lichtquelle 3. In vereinfachter gestrichelter Darstellung ist optional eine Anordnung des Detektors 4` für eine Transmissionsmessung dargestellt.The measuring device according to the invention is used for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body, e.g. B. the determination of oxygen saturation or for determining the glucose concentration of the blood or for determining properties of the tissue (z. B. for tissue classification). In the 1 measuring device shown in a highly simplified manner 2nd has at least one light source 3rd and at least one detector 4th respectively. 4` on. This measuring device 2nd or at least part of the measuring device can be against the surface of the indicated body 1 be pressed. Here is in 1 on the one hand the possibility of a reflection measurement is shown, ie the detector 4th is on the same side of the body in the direction of reflection 1 hinted at how the light source 3rd . An arrangement of the detector is optional in a simplified dashed representation 4` shown for a transmission measurement.

Mit der in 1 dargestellten Vorrichtung kann z. B. vor der Messung der optischen Eigenschaft (z. B. der Sauerstoffsättigung oder der Blutzuckerkonzentration) der Anpressdruck der Messvorrichtung 2 gegen den Körper 1 kontrolliert werden. Diese Kontrolle des Anpressdrucks erfolgt auf optischem Wege mit Hilfe der in 1 dargestellten Lichtquelle 3 und dem Detektor 4 sowie einer nicht dargestellten Steuereinheit. Es wird z. B. mit der Lichtquelle 3 Licht (z. B. Laserlicht) mit einer Wellenlänge von etwa 805 nm in den Körper eingestrahlt und mit Hilfe des Detektors 4 das rückgestreute Licht gemessen. Die Intensität I_r des rückgestreuten Lichtes (mit der Intensität I_t des transmittierten Lichtes) hängt von dem Anpressdruck ab, d. h. die gemessene Intensität repräsentiert den Anpressdruck. Dieses hängt damit zusammen, dass der Anpressdruck das Streuvermögen des Gewebes 1 beeinflusst. In der Steuereinheit der Messvorrichtung sind für die Intensität ein unterer Grenzwert Imin und ein oberer Grenzwert I_max hinterlegt, so dass mit der Steuereinheit ermittelt werden kann, ob die gemessene Intensität I_t oder I_r innerhalb oder außerhalb des zulässigen Intensitätsintervalls liegt. Diese Vorgehensweise ist in 2 illustriert.With the in 1 The device shown can e.g. B. before measuring the optical property (z. B. the oxygen saturation or blood sugar concentration) the contact pressure of the measuring device 2nd against the body 1 to be controlled. This control of the contact pressure is done optically with the help of the 1 shown light source 3rd and the detector 4th and a control unit, not shown. It is e.g. B. with the light source 3rd Light (e.g. laser light) with a wavelength of approximately 805 nm is radiated into the body and with the help of the detector 4th the backscattered light measured. The intensity I _r of the backscattered light (with the intensity I _t of the transmitted light) depends on the contact pressure, ie the measured intensity represents the contact pressure. This is due to the fact that the contact pressure affects the scattering capacity of the fabric 1 influenced. There is a lower limit for the intensity in the control unit of the measuring device Imin and an upper limit I _max stored so that the control unit can determine whether the measured intensity I _t or I _r lies within or outside the permissible intensity interval. This procedure is in 2nd illustrated.

Nach dem Start wird die Lichtquelle 3 eingeschaltet (a) und mit Hilfe des Detektors 4 der rückgestreute Lichtanteil I_r (oder alternativ der transmittierte Lichtanteil I_t mit dem Detektor 4` gemessen (b). Über die Steuereinheit erfolgt eine Prüfung, ob der ermittelte Intensitätswert I_t bzw. I_r innerhalb des gespeicherten Intensitätsintervalls [I_min , I_max ] liegt (c). Ist dieses der Fall, so schließt sich die optische Messung (d) der gewünschten Eigenschaften des Gewebes, z. B. die Messung der Sauerstoffsättigung oder die Messung der Blutglukosekonzentration an. Liegt der den Pressdruck repräsentierende Intensitätswert außerhalb des definierten Intensitätsintervalls, so erfolgt ein Warnsignal (e) und es wird diese optische Messung nicht zugelassen (f). Es besteht dann die Möglichkeit für den Nutzer, die Messvorrichtung in einer anderen Haltung an den Körper anzusetzen und die Messung zu wiederholen. Der in 2 dargestellte Algorithmus kann z. B. in der Steuereinheit hinterlegt sein.After the start, the light source 3rd switched on (a) and with the help of the detector 4th the backscattered portion of light I _r (or alternatively the transmitted light component I _t with the detector 4` measured (b) . The control unit checks whether the determined intensity value I _t respectively. I _r within the stored intensity interval [ I _min , I _max ] lies (c) . If this is the case, the optical measurement closes (d) the desired properties of the fabric, e.g. B. the measurement of oxygen saturation or the measurement of blood glucose concentration. If the intensity value representing the pressing pressure lies outside the defined intensity interval, a warning signal is issued (e) and this optical measurement is not allowed (f) . It is then possible for the user to position the measuring device on the body in a different position and to repeat the measurement. The in 2nd algorithm shown z. B. be stored in the control unit.

Die 1 zeigt dabei lediglich die Komponenten, die für die Pressdruckkontrolle erforderlich ist. Bevorzugt sind die so erforderlichen Komponenten und die für die optische Untersuchung des Gewebes gegebenenfalls zusätzlich erforderlichen Komponenten (z. B. eine zusätzliche Lichtquelle und gegebenenfalls ein zusätzlicher Detektor) in ein einheitliches Gehäuse integriert, so dass die Pressdruckkontrolle Bestandteil der Messvorrichtung ist, die in grundsätzlich bekannter Weise für die Bestimmung der Eigenschaften des Gewebes/Blutes verwendet wird. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung eine oder mehrere Lichtquellen für die Erzeugung verschiedener Lichtwellenlängen enthalten, um die jeweiligen Messungen zu ermöglichen. Die in 1 dargestellten Komponenten, insbesondere die Lichtquelle 3 und der Detektor 4 können aber gegebenenfalls auch sowohl für die Pressdruckkontrolle als auch für die optisch physiologische Messung verwendet werden.The 1 only shows the components required for the baling pressure control is. The components required in this way and the components additionally required for the optical examination of the tissue (for example an additional light source and possibly an additional detector) are preferably integrated in a uniform housing, so that the pressure control is a component of the measuring device, which in principle known way for determining the properties of the tissue / blood is used. In particular, such a device can contain one or more light sources for generating different light wavelengths in order to enable the respective measurements. In the 1 components shown, especially the light source 3rd and the detector 4th but can optionally also be used both for checking the pressure and for optically physiological measurement.

Im Übrigen lässt sich die Erfindung auch mit solchen Messmethoden kombinieren, die auf der Markierung des Gewebes mit Ultraschallstrahlung basieren. In die Messvorrichtung 2 können folglich auch die erforderlichen Komponenten für eine derartige Ultraschalllokalisierung integriert werden. Dazu wird auf den Stand der Technik, z. B. die EP 1 601 285 B1 , die EP 3 170 446 A1 oder die WO 2015/177156 A1 verwiesen. Die in der Praxis für eine in 1 lediglich schematisch vereinfacht dargestellte Vorrichtung erforderlichen Komponenten (z. B. Stromversorgung und Leitungen, Steuerleitungen etc.) sind in 1 nicht gezeigt.In addition, the invention can also be combined with measurement methods based on the marking of the tissue with ultrasound radiation. In the measuring device 2nd the necessary components for such an ultrasound localization can consequently also be integrated. For this purpose, the state of the art, for. B. the EP 1 601 285 B1 , the EP 3 170 446 A1 or the WO 2015/177156 A1 referred. In practice for one in 1 only schematically simplified device required components (e.g. power supply and lines, control lines etc.) are in 1 Not shown.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 1601285 B1 [0003, 0005, 0013, 0023]
DE 102006036920 B3 [0004]
DE 102008006245 A1 [0004]
WO 2015/177156 A1 [0005, 0013, 0023]
EP 2046190 B1 [0013]
EP 3170446 A1 [0013, 0015, 0023]

Claims

Method for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body (1), with a measuring device (2) which has at least one light source (3) and a detector (4, 4 '), the measuring device or at least one Part of the measuring device against the surface, e.g. B. the skin of the body (1) is pressed, the body (1) being illuminated by means of the light source (3) with light having at least one light wavelength and the light scattered back from the body (1) or by the body ( 1) light passing through is detected with the detector (4, 4 ') and the detector signal is evaluated to determine a property of the tissue, characterized in that the contact pressure of the measuring device (2) against, before, during and / or after the measurement of the optical property the body (1) is checked.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that to determine or control the contact pressure, light with at least one wavelength is radiated into the body (1) and the intensity (I _r , I _t ) of the light scattered back from the body (1) or transmitted through the body is detected , the intensity depending on the contact pressure, so that the measured intensity (I _r , I _t ) represents the contact pressure.

Procedure according to Claim 2 , characterized in that a permissible intensity interval with a lower limit (Imin) and an upper limit (I _max ) defines and z. B. is stored in a control unit of the measuring device (2) and that it is evaluated whether the measured intensity (I _r , I _t ) is within or outside the permissible intensity interval (Imin, Imax).

Procedure according to Claim 3 , characterized in that the optical measurement for determining the tissue properties is prevented if the measured intensity (I _r , I _t ) lies outside the intensity interval (Imin, Imax).

Procedure according to Claim 3 or 4th , characterized in that the measuring device generates an optical and / or acoustic warning signal if the measured intensity (I _r , I _t ) lies outside the intensity interval (Imin, Imax).

Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that light with at least one first wavelength is used for the measurement of the optical properties and light of the same first wavelength or light with at least one other second light wavelength is used for the determination of the contact pressure.

Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that for the control or monitoring of the pressing pressure light, for. B. laser light, with a wavelength of 500 to 2000 nm, z. B. 700 to 1,000 nm, preferably 800 to 810 nm is used.

Measuring device for the non-invasive optical measurement of properties of living tissue inside a body (1), with at least one light source (3), a detector (4, 4 ') and a control unit, the measuring device (2) or at least a part of the Measuring device can be pressed against the surface of the body (1), characterized in that the control unit for performing the method according to one of the Claims 1 to 7 is set up.

Measuring device after Claim 8 , characterized in that in the control unit at least one upper limit value (I _max ) and / or one lower limit value (I _min ) for a minimum permissible contact pressure and / or a maximum permissible contact pressure or for the respectively representative measured variables (e.g. Scatter or transmission intensities) are stored.

Measuring device after Claim 8 or 9 , characterized in that the measuring device (2) has an optical and / or acoustic display with which a warning signal can be generated if the determined pressing pressure (I _r , I _t ) or the measured variable representing the determined pressing pressure outside of a predefined interval (Imin , Imax).