CN102046072B - 光学检测方法和用于光学检测关节状况的设备 - Google Patents

光学检测方法和用于光学检测关节状况的设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种光学检测方法，其中用光照射包括至少一个关节的身体部位(5)。由身体部位(5)引起的光的局部衰减被检测为所述至少一个关节的位置处和所述身体部位(5)的至少一个其他部分的位置处的衰减测量(2)；以及其中流向和/或流自所述身体部位(5)的血流被暂时地至少部分地阻断，此后再次恢复(3)。在阻断血流之前(I)、期间(II)和之后(III)中的至少两个时间里，对所述至少一个关节和对所述身体部位(5)的至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。

Description

光学检测方法和用于光学检测关节状况的设备
技术领域
本发明涉及一种光学检测方法和一种用于光学检测关节状况的设备。
背景技术
在本申请的上下文中，术语光将被理解为是指非电离的电磁辐射，特别地，具有范围在400nm和1400nm之间的波长。术语身体部位是指人体或动物身体的一部分。术语阻断(blocking)覆盖完全阻断和实质(substantial)程度上的阻断这二者。
一般地，本发明涉及关节状况的光学检测，特别地涉及诸如类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis，RA)之类的关节疾病的光学检测。这种关节疾病的治疗是分阶段的。通常，病人首先服用(receive)止痛药。这些之后通常是非甾体类抗炎药(NSAID)和病情缓解抗风湿药(DMARD)。在许多情况下，在用药物治疗中的最后阶段是使用生物制品疗法。特别地，最后的类别很昂贵，每个病人每年的治疗可花费好几万美元。并且，在治疗后期使用的药物常常引起更严重的副作用。对于这种关节疾病，医务人员根据由发炎的关节的数量和严重性给出的疾病活动性来做出他们的关于疗法改变的决定。
由于类风湿性关节炎是一种渐进的疾病，早诊断并早开始治疗能帮助延缓副作用和治疗的高成本，因此需要提供令人满意的关于关节状况的信息的方法和设备，这些方法和设备帮助医务人员得出关于实际关节状况的结论。
在使用施加至病人的非靶(non-targeted)荧光染料的时间相关(timedependent)测量中发现：与正常健康的关节相比，患病的关节中的灌注动态特性(perfusion dynamics)是不同的。然而，在风湿病学家的临床实践中，在大多数情况下施加(administration)造影剂是不切实际的。
作为一个选择，已提议采用扩散光学层析成像(Diffuse OpticalTomography，DOT)来成像关节以提供有关它们状况的信息。在一个研究计划中，流向身体部位的静脉血流已借助于压力袖带被暂时地阻塞(obstruct)，并且已借助于DOT对单个关节成像。在这样的研究中，已发现存在与类风湿性关节炎(RA)相关的光学参数。
例如，已知可通过灌注的变化识别炎症。血液成分，特别是氧合血红蛋白和去氧血红蛋白这二者与人体或动物身体的其他成分相比具有截然不同的光学特性，因此理论上是可光学检测的。
US6424859B2公开了一种用于表征关节状况的近红外线光谱技术。将来自光谱测量的结果和在其中存储了多个关节炎的关节和健康关节的测量结果的数据库进行比较。然而，该技术不能令人满意地将血液产生的信号和身体中其他源产生的信号分开。另外，该技术也允许将关节特定的特征从由诸如皮肤、脂肪等之类的组织产生的特征中分离。
当前没有帮助医务人员早期检测关节疾病，或更具体地，定量地和客观地检测发炎的关节的令人满意的工具。同样的情况也存在于疾病活动性的监测，没有用于快速、客观和定量地检测疾病活动性(关节发炎的程度)的工具。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光学检测方法和一种用于光学检测关节状况的设备，该方法和设备提供了与关节状况相关的信息，这允许早期检测关节疾病并允许监测疾病活动性。该光学检测方法和用于光学检测关节状况的设备将提供足够的信息来帮助医务人员分别做出关于关节状况和疾病活动性的结论。
该目标通过根据权利要求1的光学检测方法解决。在该光学检测方法中，包括至少一个关节的身体部位被光照射，由所述身体部位引起的所述光的局部衰减被检测为所述至少一个关节的位置处和所述身体部位的至少一个其他部分的位置处的衰减测量(measurement)。流向或流自该身体部位的血流被暂时至少部分地阻断，此后再恢复正常(enable)。在阻断血流之前、期间和之后中的至少两个时间里，对所述至少一个关节和对所述身体部位的所述至少一个其他部分进行不同的(distinct)局部衰减测量。阻断血流前和阻断血流后的测量可给出相关的数据，只要(if only)因为完全恢复并回到与测量前相同的传输属性可以花费身体相当长的时间(＞5分钟)。因为针对其中至少一个是关节的两个不同的位置局部地检测用于照射的光的衰减，所以可以检测至少一个关节的光学属性与身体部位的至少一个其他部分相比的差异。因为在阻断血流之前和期间、在阻断血流之前和之后和/或在阻断血流期间和之后进行不同的局部衰减测量，所以可以检测至少一个关节对与至少一个其他部分相比的血流变化的反应。在关节发炎期间，关节中血管(毛细管)的数目和属性改变。该效应和血液的特定光吸收一起被用于测量关节的状况。由于在不同血流状况下的测量，血液产生的信号可从身体中光衰减的其他源产生的信号中分离出来。因为测量了至少一个关节和身体部位的至少一个其他身体部分(例如，接近所述关节)，所以获得了关节特定的结果，并且可分离来自于存在于关节和其他身体部分(例如脂肪、皮肤等)这二者中的组织的影响(contribution)。结果，可以获得针对血液容量(content)变化的关节特定的信号。识别身体部位组成(例如骨骼、脂肪、皮肤等)的单独测量可省略。作为结果，关于关节状况和/或疾病活动性的有价值的信息被提供给医务工作人员。应当注意，不需要完全阻断血流，而血流的明显部分减少就足够了。
优选地，在阻断血流之前、期间和之后的全部三个间隔对至少一个关节和对身体部位的至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。在该情况下，提供了关于该至少一个关节状况的甚至更多的信息。
如果所述身体部位的至少一个其他部分是另一个关节，则可以比较不同关节对血流变化的反应并提供关于若干关节状况的差异的信息。
优选地，在阻断血流之前、阻断血流期间和阻断血流之后对至少一个关节和身体部位的至少一个其他部分进行连续的不同的局部衰减测量。在该情况下，由于连续的测量，为至少一个关节和至少一个其他部分提供了关于响应血流变化的时间点的确切信息。
如果相互比较基本上同时获得的对至少一个关节和对身体部位的至少一个其他部分的不同的局部衰减测量的结果，所述至少一个关节和至少一个其他部分之间响应上的差异以有益的方式得以提供。
优选地，通过施加压力来阻断血流。因此，提供了一种用于阻塞血流的简单和方便的方法。
根据一个方面，在获取不同的局部衰减测量期间，身体部位被浸入光学匹配介质中。在该情况下，减小了检测器经受的强度动态范围和光学边界效应。
通过根据权利要求8的一种用于光学检测关节状况的设备进一步解决了所述目的。该设备包括：测量单元，用于用光照射包括至少一个关节的身体部位，并局部地检测所述至少一个关节处和身体部位的所述至少一个其他部分处的光的衰减；血流阻断单元，用于阻断流向和/或流自所述身体部位的血流；和控制单元。该控制单元控制该设备使得：流向和/或流自所述身体部位的血流暂时地至少部分地被阻断，并且此后再恢复；并且在阻断血流之前、期间和之后中的至少两个时间里对所述至少一个关节和对所述身体部位的所述至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。该设备实现了上面针对所述方法描述的优点。
如果血流阻断单元适用于通过施加压力来阻断血流，则可以以简单和方便的方式来实现优点。
如果测量单元包括能够发射至少两个不同波长的光的光源单元，则可以选择一个波长使得血液具有高吸收，并且可选择另一个波长使得血液的吸收低或者与周围组织相当(comparable)。因此，关于至少一个关节和身体部位的至少一个其他部分的灌注的更多详细信息可得以提供，并且可被分析以判断该至少一个关节的状况。
优选地，光源单元包括至少两个激光器。在该情况下，提供边界明确的波长，并且可以以高精确度检测灌注的差异。
优选地，该设备是医学光学检测设备。
附图说明
将由参考附图的实施例的详细描述得出本发明的其他特征和优点。
图1示意性地示出了根据一个实施例的用于光学检测关节状况的装置。
图2示意性地示出了根据一个实施例的测量单元的细节。
图3示意性地示出了作为身体部位的一个实例的人的手，关节的位置如图所示。
图4示出了作为时间的函数的衰减测量的一个实例。
图5示意性地图示了对两个关节和不是关节的身体部位的一个其他部分的同时不同的局部衰减测量的结果。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的一个实施例。图1示意性地示出了用于光学检测关节状况的装置。在该图示中，人体4被示意性地示为身体，并且手形成了即将被检查的身体部位5。然而，应当注意，本发明并不限于人体，例如动物身体可经受检查。并且，身体部位5不限于手，还可以由包括至少一个关节6的另一个身体部位，例如臂、腿、脚等形成。
在所示的实施例中，用于光学检测关节状况的设备包括测量单元2、血流阻断单元3和控制单元1。控制单元1被提供来控制该设备的操作和数据采集。测量单元2被提供来用光照射接受检查的身体部位5的部分，并且测量身体部位5不同位置处的光的局部衰减。例如，在所示的实施例中，测量单元2由将在下文更详细描述的测量头形成。血流阻断单元3被提供来暂时地阻断流向和/或流自接受检查的身体部位5的血流。在该实施例中，血流阻断单元3由压力袖带提供，压力袖带围绕接受检查的手所属的臂，并通过向上臂施加压力来阻塞(obstruct)血流。应当注意，为了允许暂时地至少部分地阻断流向和/或流自身体部位5而非手的血流，可不同地调适血流阻断单元3。
参考图2，将更详细地描述根据本实施例的测量单元2的结构。
在图2中示意性示出的测量单元2适用于透射几何(transmissiongeometry)的衰减测量。测量单元2包括发射用于照射身体部位5的光束的光源单元21。该光源单元21包括至少一个光源和将光束引导至身体部位5的合适光导。光源可由灯或由一个或多个激光器形成，并且光导可例如由光纤形成。光源单元21适合于能够发射至少两个不同波长的光，优选地处于红到近红外(red to near infrared)，其中，选择一个波长使得血液具有高吸收，并且选择另一个波长使得血液的吸收低或者与周围的组织相当。适当的波长例如为600nm和805nm，但是其他满足这些标准的波长也是可能的。在波长范围550nm到980nm之间的波长是特别合适的。另外，例如可由透镜形成的光学组件22被提供来将光引导至身体部位5。光学组件22能够将光(照射光25)集中在身体部位5的感兴趣的特定区域(或者若干感兴趣的特定区域；即特定位置)上，这将在下文中描述。第二光学元件23被提供来收集出现于感兴趣的特定区域(一个或多个)的光，并将收集的光26引导至检测元件24。检测元件24例如可由光电二极管、CCD、诸如与连接至光电二极管的纤维之类的光导或另一种现有技术中已知的光检测方案形成。
调适测量单元2使得可以对身体部位5的至少两个不同部分进行不同的局部衰减测量。
调适控制单元1使得它借助于血流阻断单元3控制流向和/或流自身体部位5的血流的至少部分阻断。另外，它控制测量单元2，使得在血流被阻断之前(图4中的间隔I)进行局部衰减测量、在阻断血流期间(图4中的间隔II)进行局部衰减测量(在相同的位置)，以及在恢复血流之后(图4中的间隔III)进行局部衰减测量(在相同的位置)。
图4示出了在阻断血流之前(I)、阻断血流期间(II；“闭塞(occlusion)”)和在阻断血流之后(III)在作为感兴趣的特定区域的指关节上随时间的衰减测量(光学强度测量)的实例。可以看出三个时间间隔(闭塞之前(I)、期间(II)和之后(III))中的衰减测量是连续进行的，以获得时间分辨(time-resolved)测量。可以看出，测量的强度在阻断血流后下降，在恢复血流后再次上升。然而，下降的高度和阻断/恢复血流与所测强度的变化之间的时间关系提供了关于接受检查的关节6的状况的重要信息。
根据本发明，衰减测量不仅针对单个关节6进行，而是同时(即在正常血流(I)、阻塞血流(II)和恢复血流(III)的相同周期内)测量至少一个关节和接受检查的身体部位的至少一个其他部分。这通过在至少一个关节6的位置和身体部位5的至少一个其他部分的位置同时进行不同的局部衰减测量来实现。身体部位的该至少一个其他部分可以是另一个关节或者是不是关节的用作参考部分的部分。对于每一个位置，对照射光的至少两个不同波长进行衰减测量，对于所述两个不同波长的其中之一血液具有高吸收，对于另一个波长血液的吸收低或者与周围的组织相当。优选地，同时为病人的多个关节进行衰减测量。在优选的实施例中，同时测量双手的所有关节。
结果，根据该实施例执行以下步骤：对至少一个关节和身体部位5的至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量；流向接受检查的身体部位5的血流借助于血流阻断单元3暂时地被阻断，对所述至少一个关节和所述至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量；并且恢复血流，对所述至少一个关节和身体部位5的所述至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。在每个间隔中，进行若干次衰减测量以获取时间分辨测量。另外，不但独立地而且相对彼此地分析所述至少一个关节和身体部位5的所述至少一个其他部分的与时间相关的表现(behavior)。采用针对至少两个不同的波长的测量允许分析灌注动态特性和氧合作用(oxygenation)。
优选地，同时测量多个关节，并相对彼此地分析这些多个关节的与时间相关的表现。更优选地，同时测量身体部位5的所有关节。图3示出了作为待检查的身体部位5的实例的手，关节6的位置由十字准线指示(应当注意，没有为所有的关节提供附图标记)。所指示的位置可被用作局部衰减测量的位置，在这些被指示的位置之间的附加位置可用于参考衰减测量。
在图1所示的实施例中，通过测量单元2，控制单元1检测包含关节6的身体部位5的光谱特性。在基线测量后，血流被血流阻断单元3(至少部分地)阻断。测量单元2现在检测与减少的血流相关的光谱变化。在一段时间例如30秒后，通过适当地操作血流阻断单元3(例如松开压力袖带)恢复血流。测量单元2检测灌注在关节中多快恢复、灌注以何种顺序恢复。优选地，还在关节和身体部位5的其他区域之间比较灌注恢复。发炎的关节与健康的关节相比具有不同的灌注和氧合作用。结果，由测量单元12测量的动态光谱表现将是不同的。
图5示出了同时进行的(透射几何)衰减测量结果的一个实例。用T1标记的轨迹与在第一关节处的局部衰减测量相对应，用T2标记的轨迹与在第二关节处的局部衰减测量相对应，用R1标记的轨迹与不是关节的参考位置处的局部衰减测量相对应。在轨迹中发生的下降的特性A、B、C可以是不同的。因此，可分析单个的下降，也可分析在不同轨迹T1、T2和R1中下降A、B、C之间的关系。与其他关节相比或与参考位置相比，发炎的关节可示出诸如透射(transmission)中增大的降低之类的高灌注的标志。同样，轨迹T1、T2和R1之间透射的变化之间的时间差D、E可用作发炎的标志，并提供重要的信息。
分析各个关节与时间相关的表现、关节相对于彼此的表现以及关节相对于其他部位(可起参考的作用)的表现。
在上述实施例中，测量单元2已经适用于透射几何的测量，即从一边照射身体部位，在相对的一边上测量已穿过该身体部位的光。在该实施例的一个修改中，测量单元2可适用于反射几何的衰减测量。在该情况下，从身体部位5的相同侧进行照射和检测。在反射几何中，光学组件22和23可结合。从照明光中分离扩散的反射光是有利的。这可以例如通过正交偏振光谱成像(orthogonal polarized spectralimaging，OPSI)或暗场成像(darkfield imaging)或现有技术中已知的其他适当技术来实现。
应当注意，在所述实施例中，血流不需要完全地被阻断，血流实质性的减少就足够了。
存在实现测量单元2的多种不同方式。测量来自接受检查的身体部位5的多个部分的光的局部收集是实质特征。这可以例如通过一次照亮单个点、检测身体部位5上的相应的单个点并在身体部位5上扫描照亮的位置和检测点来完成。
其它更优选的可能是照亮整个身体部位5，并使用CCD照相机或另一种合适的照相机成像透射的(或反射的)光。然而，由于扩散透射，在该情况下，图像的分辨率受限，并且例如在指头之间行进的光可能使检测器负荷过重。
另一个更优选的可能是照亮身体部位5上离散数量的点。该实现具有优点：较少的杂散光到达检测器，这导致较高的分辨率；可调整所有点的强度，使得对于检测器仅需要有限的动态范围。
也可能将接受检查的身体部位5浸入光学匹配介质(例如流体)中，以减少光学边界效应和落在检测器上的强度的动态范围。在这种技术中，采用具有与组织的光学属性相似的光学属性(例如光学吸收系数和减小的散射系数)的流体。
进一步地，为了检测不同的波长，可以改变照亮波长。还可以同时使用所有所需的波长来照亮，并例如使用滤波器或光谱仪在检测路径中分离不同的波长。
在优选的实现中，同时测量多个身体部位(例如双手)。
尽管已经参考使用至少两个波长照亮的实施例描述了本发明，但本发明不限于此。例如，可使用更多数目的离散波长或者甚至在波长的某个范围(例如650nm至1000nm)上的完整光谱。然而，与几个不同的波长相比，获得完整的光谱需要更多昂贵的组件。如果将要区分几类组织成分(例如脂肪、水等)，那么使用多于两个不同的波长可能是有益的。使用更多的波长帮助提高设备的精确度，但是增加了成本和复杂度。

Claims (14)

1.光学检测方法；其中
用光照射包括至少一个关节(6)的身体部位(5)；和
由所述身体部位(5)引起的所述光的局部衰减被检测为所述至少一个关节(6)的位置处和所述身体部位(5)的至少一个其他部分的位置处的衰减测量；以及其中
流向和/或流自所述身体部位(5)的血流被暂时地至少部分地阻断，此后再次恢复；
在阻断血流之前(I)、期间(II)和之后(III)中的至少两个时间里，对所述至少一个关节(6)和对所述身体部位(5)的至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。
2.根据权利要求1的光学检测方法，其中在阻断血流之前(I)、期间(II)和之后(III)，对所述至少一个关节(6)和对所述身体部位的所述至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。
3.根据权利要求1和2中任意一项的光学检测方法，其中所述身体部位(5)的所述至少一个其他部分是另一个关节。
4.根据权利要求1和2中任意一项的光学检测方法，其中在阻断血流之前(I)、阻断血流期间(II)和阻断血流之后(III)，对所述至少一个关节(6)和所述身体部位(5)的所述至少一个其他部分进行连续的不同的局部衰减测量。
5.根据权利要求1和2中任意一项的光学检测方法，其中基本上同时获得的对所述至少一个关节(6)和对所述身体部位(5)的所述至少一个其他部分的不同的局部衰减测量的结果被相互比较。
6.根据权利要求1和2中任意一项的光学检测方法，其中通过施加压力来阻断血流。
7.根据权利要求1和2中任意一项的光学检测方法，其中，在获取不同的局部衰减测量期间，所述身体部位(5)被浸入在光学匹配介质中。
8.用于光学检测关节状况的设备；该设备包括：
测量单元(2)，用于用光照射包括至少一个关节(6)的身体部位(5)，并局部地和基本同时地检测所述至少一个关节(6)处和所述身体部位(5)的至少一个其他部分处的光的衰减；
血流阻断单元(3)，用于阻断流向和/或流自所述身体部位(5)的血流；
以及控制单元(1)，其控制所述设备，使得：
流向和/或流自所述身体部位(5)的血流被暂时地至少部分地阻断，此后再次恢复；和
在阻断血流之前(I)、期间(II)和之后(III)中的至少两个时间里，对所述至少一个关节(6)和对所述身体部位(5)的至少一个其他部分进行不同的局部衰减测量。
9.根据权利要求8的用于光学检测关节状况的设备，其中所述血流阻断单元(3)适合于通过施加压力来阻断血流。
10.根据权利要求8和9中任意一项的用于光学检测关节状况的设备，其中所述测量单元(2)包括能够发射至少两个不同波长的光的光源单元(21)。
11.根据权利要求10的用于光学检测关节状况的设备，其中所述光源单元(21)包括至少两个激光器。
12.根据权利要求8和9中任意一项的设备，其中该设备是医学光学检测设备。
13.根据权利要求10的设备，其中该设备是医学光学检测设备。
14.根据权利要求11的设备，其中该设备是医学光学检测设备。
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