DE60133652T2

DE60133652T2 - Gerät und verfahren zur reproduzierbaren veränderung lokaler absorptions und streuungs koeffizienten in einer gewebemessstelle während optischer abtastung

Info

Publication number: DE60133652T2
Application number: DE60133652T
Authority: DE
Inventors: Kevin H. Gilbert HAZEN; George Phoenix ACOSTA; N. Alan Suite A ARA Mesa ABUL-HAJ; Roxanne E. Mesa ABUL-HAJ
Original assignee: Sensys Medical Inc
Current assignee: Sensys Medical Inc
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: ATE392177T1; WO2002010748A3; JP2004504905A; DE60133652D1; WO2002010748A2; EP1304954A2; HK1055550A1; AU2001271943A1; EP1304954B1; CA2417609C; TW533308B; US6534012B1; CA2417609A1; MXPA03000995A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf minimal-invasive und nicht-invasive klinische Tests. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein nicht-invasives Verfahren zum Modifizieren örtlich begrenzter (lokalisierter) Absorptions- und Streukoeffizienten an einer Gewebemessstelle während eines optischen Abtastens.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Herkömmliche Verfahren klinischer Tests erfordern bisher die Verwendung von invasiven Vorgehensweisen, z. B. Biopsie und Phlebotomie, um Proben von Blut und Gewebe zu nehmen. Folglich wurden die Proben zur Untersuchung und Analyse an einen zentralen Ort, z. B. ein Labor, transportiert. Jedoch besteht eine zunehmende Tendenz, Tests am Ort der Versorgung und sogar zu Hause durchzuführen. Einer der Vorteile dieses Trends besteht darin, die Durchlaufzeit ab dem Zeitpunkt einer Probenahme bzw. Abtastung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem man in der Lage ist, auf der Basis der Testergebnisse zu handeln, zu minimieren. Gleichzeitig werden Probenahme- bzw. Abtastprozeduren immer weniger invasiv. Da sie das Erfordernis, mit Blut- und Gewebeprobestücken zu hantieren, minimieren oder eliminieren, verringern minimal-invasive und nicht-invasive Vorgehensweisen drastisch das Risiko einer biologischen Gefährdung sowohl für das Subjekt als auch die behandelnde Person. Außerdem minimiert die verringerte Verwendung von Verbrauchsreagenzien die Kosten von Tests und die Umwelt- und Gesundheitsrisiken, die die Verwendung chemischer Substanzen darstellt.
Es werden derzeit Analysatoren zur Verwendung am Ort der Versorgung und zu Hause entwickelt, die entweder auf eine minimal-invasive Weise Proben entnehmen oder vollständig nicht-invasiv sind, oft indem sie Gewebe optisch abtasten. Während der Verwendung ist es bei vielen dieser Analysatoren notwendig, die Oberfläche einer Gewebemessstelle direkt zu berühren, um z. B. Testbedingungen zu steuern:

• die Stabilität des Analysators während der Messung;
• die Minimierung des Spektralreflexionsgrades;
• die Vermeidung von Streulicht; und
• die anvisierten Probenahme- bzw. Abtastregion auf reproduzierbare Weise zu treffen

Ein Druck auf die als Probe genommene bzw. abgetastete Gewebestelle (Hautstelle), der durch eine Berührung mit dem Analysator bewirkt wird, kann zu örtlichen Schwankungen der Probenahme bzw. Abtastung führen. Beispielsweise wird durch einen auf die Gewebemessstelle ausgeübten Druck Wasser aus der Umgebung der Stelle herausgedrückt, wodurch die Wasserkonzentration gesenkt wird. Mit sich verändernder Wasserkonzentration geht eine entsprechende Veränderung des lokalen Absorptionskoeffizienten einher. Außerdem erhöht eine sinkende Wasserkonzentration die Dichte der in dem als Probe genommenen Gewebevolumen vorliegenden Streuzentren, wodurch der verringerte Streukoeffizient verändert wird. Es wäre wünschenswert, eine lokale Absorption und reduzierte Streukoeffizienten auf kontrollierte, reproduzierbare Weise zu modifizieren, wodurch ermöglicht wird, dass Differentialmessungen das Signal/Rausch-Verhältnis eines oder mehrerer Zielanalyten optimieren.
Die WO 99/59464 A offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum nicht-invasiven Messen zumindest eines Parameters einer Probe, z. B. des Vorliegens oder der Konzentration eines Analyten, in einem Körperteil, in dem die Temperatur gesteuert wird. Die bekannte Vorrichtung misst Licht, das durch die Probe von einer durchschnittlichen Probenahme- bzw. Abtasttiefe, dav, die auf eine temperaturgesteuerte Region in dem Gewebe beschränkt ist, reflektiert, gestreut, absorbiert oder emittiert wird. Diese durchschnittliche Probenahme- bzw. Abtasttiefe beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm und stärker bevorzugt weniger als 1 mm. Ein Beschränken der Probenahme- bzw. Abtasttiefe in das Gewebe wird durch eine entsprechende Wahl des Abstands zwischen der Quelle und dem Detektor und der Beleuchtungswellenlängen erzielt. Bezüglich eines anderen Aspekts beziehen sich das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung auf ein nicht-invasives Messen zumindest eines Parameters eines Körperteils bei einem schrittweisen Verändern der Temperatur. Bezüglich eines weiteren Aspekts sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen zumindest eines Parameters eines Körperteils mit einer Temperaturmodulation offenbart. Ferner wird ein verbessertes Verfahren zum Messen zumindest eines Parameters einer Gewebeprobe geliefert, das folgende Schritte umfasst: (a) Absenken der Temperatur der Gewebeprobe auf eine Temperatur, die unterhalb der normalen physiologischen Temperatur des Körpers liegt; und (b) Bestimmen zumindest einer optischen Eigenschaft der Gewebeprobe.
Ferner wäre es vorteilhaft, Probenahme- Probenahme- bzw. Abtastvorrichtungen zu liefern, die entweder einen konstanten Druck oder eine konstante Verschiebung zwischen dem Analysator und der Haut des Subjekts aufrechterhalten oder die Veränderungen des Drucks oder der Verschiebung über die Zeit hinweg auf reproduzierbare Weise steuern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung liefert ein Subjektgrenzflächenmodul gemäß der Definition im Anspruch 1 zum Modifizieren lokalisierter Absorptions- und Streukoeffizienten durch Steuern des Drucks, der während eines optischen Abtastens durch einen Analysator auf eine Gewebemessstelle ausgeübt wird; der ausgeübte Druck kann auf einem konstanten Pegel gehalten werden oder er kann in Abhängigkeit von der Zeit auf eine gesteuerte, reproduzierbare Weise ausgeübt werden, so dass Absorptions- und verringerte Streukoeffizienten auf gesteuerte, reproduzierbare Weise variiert werden können. Die Erfindung ist auch als Verfahren zum Modifizieren lokalisierter Absorptions- und Streukoeffizienten auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise durch Variieren des Drucks oder der Verschiebung während des optischen Abtastens gemäß der Definition im Anspruch 40 verkörpert.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Platzierungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Körperteils wie z. B. eines Arms, so dass der Körperteil in einer feststehenden Position und in einer feststehenden Höhe gehalten wird. Die Erfindung umfasst ferner einen Ausgeübte-Kraft-Mechanismus zum Weiterschieben der faseroptischen Sonde eines Analysators, bis sie mit dem Körperteil in Kontakt gelangt, und zum Aufrechterhalten des Kontakts bei einem konstanten Druck. Die ausgeübte Kraft wird durch ein Gegengewicht auf einer Einzelarmwaage geliefert. Die Erfindung liefert ferner eine Temperatursteuerung, um die Temperatur der faseroptischen Sonde mit der Oberflächentemperatur in der unmittelbaren Umgebung der Gewebemessstelle auszugleichen.
Alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen eine Einrichtung zum In-Kontakt-Bringen der faseroptischen Sonde mit der Oberfläche der Gewebemessstelle und zum anschließenden Verschieben derselben um eine bekannte Strecke vor. Bei einem Ausführungsbeispiel definieren eine LED und ein Detektor eine Ausgangsposition vor der Verschiebung, und die faseroptische Sonde wird um eine gegebene Strecke verschoben, nachdem die LED erfasst wurde. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Verschiebung der Sonde durch die Eliminierung der Spektralreflektanz vorgegeben. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Probe in das Gewebe hinein verschoben, bis eine Analyse der Spektralinformationen angibt, dass die bevorzugten Tiefen der Probe gerade mittels der Sonde untersucht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 liefert eine dreidimensionale Ansicht einer Armtrageführung gemäß der Erfindung;
2 liefert eine dreidimensionale Ansicht der Armtrageführung der 1, bei der eine Handgelenksführung und eine Handführung beseitigt sind, gemäß der Erfindung;
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausgeübte-Kraft-Mechanismus zum Weiterschieben einer faseroptischen Sonde, gemäß der Erfindung;
4 liefert eine dreidimensionale Ansicht eines Konstante-Verschiebung-Subjektgrenzflächenmoduls, gemäß der Erfindung; und
5 liefert zwei nicht-invasive diffuse Reflexionsspektren einer Gewebemessstelle an einem menschlichen Unterarm, gemäß der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Ausübung von Druck auf eine Probenahme- bzw. Abtastregion bei einer nicht-invasiven Messung kann die Messstelle auf verschiedene Weise beeinflussen, einschließlich:

• lokalisierter Veränderungen der Analytenkonzentration;
• lokalisierter Veränderungen von physischen Parametern wie z. B. der Temperatur; und
• Veränderungen bei Absorptions- und Streukoeffizienten.

Beispielsweise verändert sich dann, wenn Druck auf eine Region des Körpers ausgeübt wird, die lokalisierte Wasserkonzentration auf Grund des ausgeübten Druckes, wodurch Wasser aus der Region gedrückt wird. Anschließend wird der innere Blutdruck erhöht, um einen Blutfluss in die Region aufrechtzuerhalten. Beide Auswirkungen verändern die lokalisierte Wasserkonzentration mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Während sich die Wasserkonzentration verändert, verändern sich zahlreiche zusätzliche lokalisierte Parameter. In dem Nahe-Infrarot-Spektralbereich nimmt der Absorptionskoeffizient μ_a mit sinkender Wasserkonzentration ab. Bei weniger Wasser nimmt die Dichte der Streuzentren zu, was zu einer Zunahme des reduzierten Streukoeffizienten μ'_s führt. Selbstverständlich verändert sich das μ_a/μ'_s-Verhältnis ebenfalls, da sich beide Koeffizienten verändert haben. Außerdem verändert sich die Konzentration aller im Blut oder in der interstitiellen Flüssigkeit mitgeführten Analyten über ein lokalisiertes Volumen hinweg, während sie zusammen mit dem Wasser aus der Region abgestoßen werden. Infolge der Wasserbewegung unterliegen auch nicht-wässrige Analyten lokalisierten Konzentrationsveränderungen. Beispielsweise nimmt die relative Konzentration der verbleibenden nicht-wässrigen Analyten zu, wenn Wasser aus einem gegebenen Gewebevolumen entweicht.
Während einer nicht-invasiven Messung ist das Eindringen von Photonen in die Gewebeschichten von dem auf das Gewebe ausgeübten Druck abhängig. Wie zuvor angegeben wurde, verändert ein auf eine lokalisierte Region ausgeübter Druck die Wasserkonzentration, was zu einer lokalisierten Veränderung der Streu- und Absorptionskoeffizienten führt. Während sich die Streueigenschafen des Gewebes verändern, was durch Veränderungen des Streukoeffizienten angezeigt wird, verändert sich die Eindringtiefe von Photonen. Folglich ändert sich das als Probe genommene bzw. abgetastete Volumen des Gewebes. Da die Gewebemessstelle nicht homogen beschaffen ist, sondern vielmehr aus Schichten gebildet ist, können Veränderungen des als Probe genommenen bzw. abgetasteten Volumens eine ausgeprägte Wirkung auf die Messung haben. Bei einer ersten Annäherung weist die Haut eine Reihe von Schichten auf, angefangen beim Stratum corneum an der Oberfläche, worauf wiederum die Epidermis, die Dermis und eine subkutane Fettschicht folgen, wobei man innere Strukturen wie z. B. Organe und Knochen schließlich weit unter der Haut findet. Jede Schicht weist eine andere mittlere Konzentration jedes Analyten und jeder Störsubstanz auf. Während sich die mittlere Eindringtiefe der Sondierungsphotonen ändert, ändert sich demgemäß die mittlere Konzentration von Analyten und Störsubstanzen. Somit führt bei einer gegebenen Probe eine Ausübung verschiedener Drücke zu Spektren, die verschiedene Gewebevolumina als Probe nehmen bzw. abtasten, von denen jedes unterschiedliche Konzentrationen an Zielanalyten und von Störsubstanzen enthält. Ein auf die Messstelle ausgeübter Druck muss entweder konstant gehalten oder auf gesteuerte, reproduzierbare Weise variiert werden, so dass die Auswirkung einer Druckvariation auf die Probenahme- bzw. Abtaststelle gut charakterisiert werden kann, was eine entsprechende Entwicklung von Algorithmen ermöglicht, die die verschiedenen als Probe genommenen bzw. abgetasteten Volumina kompensieren oder nutzen.
Bei einer nicht-invasiven Analyse sind die Auswirkungen von Druck im nahen Infrarot- und im mittleren Infrarot-Bereich, die die Oberflächenschichten als Probe nehmen bzw. abtasten, am offensichtlichsten. Ausgeübter Druck verändert lokalisierte Konzentrationen über eine begrenzte radiale Entfernung von dem Berührungspunkt und bis in begrenzte Tiefen. Somit werden Photonen, die vorwiegend die betroffene Region als Probe nehmen bzw. abtasten, am stärksten durch Druck beeinflusst. Die Eindringtiefe von Nahes-Infrarot- und Mittleres-Infrarot-Photonen wird durch die starke Absorbanz von Wasser begrenzt. Streumitten in dem Gewebe begrenzen ebenfalls die Eindringtiefe von Licht, von dem ultravioletten über den sichtbaren bis hin zum Infrarot-Bereich. Da diese Spektralregionen Tiefen im Gewebe als Probe nehmen bzw. abtasten, in denen Druck die stärkste Wirkung hat, sind sie auch am druckempfindlichsten. Man sollte beachten, dass die Auswirkungen am stärksten bei auf diffuser Reflexion basierenden Analysatoren zu beobachten sind, jedoch auch auf Transflektanz basierende Messungen beeinflussen und auch einen gewissen Einfluss auf auf Transmission basierende Messungen ausüben.
Vorteilhafterweise werden die vorstehenden Auswirkungen auf lokalisierte Absorptions- und Streukoeffizienten bei einem Verfahren angewendet, das differentielle Spektralmessungen verwendet, während derer die ausgeübte Kraft in einem bekannten Ausmaß variiert wird, um lokalisierte Absorbanz- und Streukoeffizienten auf gesteuerte Weise zu modifizieren. Die resultierenden Werte für das μ_a/μ'_s-Verhältnis werden dann bei einer Differentialmessung verwendet, um das Signal/Rausch-Verhältnis eines Zielanalytsignals zu verbessern. Beispielsweise erreicht die beobachtete Absorbanz bestimmter Komponenten wie z. B. Wasser, Protein, Fett oder Harnstoff einen bekannten Pegel oder ein gegebenes Verhältnis gegenüber einer anderen Komponente. Diese Verhältnisse können bei bekannten Drücken oder Verschiebungspegeln für Einzelsubjekte oder Gruppen von Subjekten unter Verwendung beliebiger einer großen Anzahl von kombinierten Wellenlängen mit bekannten chemometrischen Techniken kalibriert werden.
Zusammengefasst umfasst das erfundene Verfahren folgende Schritte:

• Bereitstellen einer Gewebemessstelle;
• Bereitstellen eines spektroskopischen Analysators, der eine Subjektgrenzfläche aufweist, die dahin gehend angepasst ist, während einer Messung direkt mit der Gewebemessstelle in Kontakt zu gelangen;
• Durchführen einer anfänglichen Spektralmessung, bei der der durch den Analysator ausgeübte Druck oder die durch den Analysator bewirkte Verschiebung bekannt ist und während der Messung aufrechterhalten wird;
• Berechnen der Absorbanz- und Streukoeffizienten;
• Durchführen nachfolgender Messungen, bei denen der ausgeübte Druck oder die ausgeübte Verschiebung um ein bekanntes Ausmaß variiert wird, und Berechnen von Absorbanz- und Streukoeffizienten für jede Messung; und
• Bestimmen einer optimalen Probenahme- bzw. Abtasttiefe zum Erfassen eines Zielanalyten auf der Basis des Verhältnisses der gemessenen Absorptionskoeffizienten und Streukoeffizienten.

Die Erfindung wird weiter als Vorrichtung zum Modifizieren lokalisierter Absorptions- und Streukoeffizienten durch Variieren eines Drucks auf eine oder einer Verschiebung einer Gewebemessstelle auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise verkörpert. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liefert die Erfindung ein Subjektschnittstellenmodul zum einstellbaren Aufrechterhalten eines Drucks, der auf eine Gewebemessstelle von einer faseroptischen Sonde ausgeübt wird, auf einem konstanten Pegel während des optischen Abtastens. Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ein verzweigtes faseroptisches Bündel verwendet, das Licht von der Lichtquelle eines Analysators zu der Gewebemessstelle und von der Gewebemessstelle zu dem Detektorelement des Analysators koppelt, wäre auch ein anderes Mittel eines Koppelns von Licht von einer Lichtquelle zu einer Zielstelle bei der Erfindung geeignet. Das Konstante-Kraft-Subjektgrenzflächenmodul besteht aus zwei Hauptelementen: einer Platzierungsführung zum Befestigen des Körperteils eines Subjekts, an dem sich die Gewebemessstelle befindet, und einem einstellbaren Ausgeübte-Kraft-Mechanismus.
Obwohl die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf menschliche Subjekte beschrieben wurde, ist diese Beschreibung lediglich beispielhaft und soll den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken. Außerdem wurde die Platzierungsführung mit Bezug auf den menschlichen Arm beschrieben. Die Prinzipien der Erfindung legen Fachleuten andere Führungen nahe, die auf andere sowohl menschliche als auch nicht-menschliche Gliedmaßen und Körperteile anwendbar sind. Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Armplatzierungsführung 10 gezeigt. Die Armplatzierungsführung ist mit einer Ellbogenführung 11 und einer Handgelenksführung 12 ausgestattet. Obwohl die erfundene Führung auch ein Stützen und Immobilisieren des Arms unterstützt, besteht ihre primäre Funktion darin, eine reproduzierbare Platzierung der Gewebemessstelle auf dem Analysator, die für ein Erzeugen präziser, konsequenter nicht-invasiver Messungen wesentlich ist, zu ermöglichen. Während des Gebrauchs platziert ein Subjekt in sitzender Position den Arm, von dem eine Probe genommen bzw. der abgetastet werden soll, in der Armplatzierungsführung, so dass der Ellbogen durch die Ellbogenführung 11 aufgenommen wird und das Handgelenk und die Hand auf der ergonomisch geformten Handgelenksführung 12 und Handführung 13 positioniert sind. In der resultierenden Position befindet sich der Probenarm an der Seite des Subjekts, und der Ellbogen ist zu 90° gebeugt. Bei dem aktuellen Ausführungsbeispiel weist die Armplatzierungsvorrichtung eine Händig keit auf; das heißt Armplatzierungsvorrichtungen sind separat dahin gehend angepasst, einen rechten bzw. einen linken Arm aufzunehmen.
Es ist bevorzugt, dass sich das Subjekt während der eigentlichen Probenahme bzw. des eigentlichen Abtastens in einer sitzenden Position befindet, um die Auswirkungen einer Größendifferenz zwischen Subjekten zu minimieren. Während Tests der erfundenen Vorrichtung führte eine Probenahme bzw. ein Abtasten, bei der bzw. bei dem sich das Subjekt in einer sitzenden Position befand, lediglich zu einer 2-Differenz bezüglich der Höhe des Arms zwischen einem erwachsenen Mann und einem zehnjährigen Jungen, was ermöglicht, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung so gebaut wird, dass die bewegliche faseroptische Sonde eine relativ geringe Bewegungsbandbreite benötigt. Die Handgelenks-/Handführungseinheit 14 ist auf abnehmbare Weise an einem mechanischen Schlitten (2) angebracht, was ermöglicht, dass die Handgelenksstütze ungeachtet der Armlänge direkt unter dem Handgelenk des Subjekts positioniert wird. Zum Zweck einer optimalen Reproduzierbarkeit bezüglich einer Platzierung des Arms auf dem Analysator werden eine auf das jeweilige Subjekt ausgelegte Ellbogenführung 11 und Handgelenks-/Handführung 14 gebaut, indem subjektspezifische Abdrücke des Ellbogens, des Handgelenks und der Hand eines Subjekts hergestellt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Abdrücke aus einer Substanz wie z. B. dem von Micro-Mark, Berkeley Heights, NJ, gelieferten 5-Minuten-RTV-Silikonkitt (RTV = room temperature vulcanization, Vulkanisation bei Raumtemperatur), der von der FDA (Fond and Drug Administration, US-Behörde für Nahrungs- und Arzneimittel) für einen Hautkontakt zugelassen ist, gebildet. Jedoch wären gleichermaßen auch andere zur Abdruckherstellung verwendete Produkte geeignet, die das entsprechende Toxizitätsprofil aufweisen.
Wie zuvor angegeben wurde, verwendet eine faseroptische Sonde ein verzweigtes faseroptisches Kabel 15, um Licht energie von einer (nicht gezeigten) Energiequelle an die Gewebemessstelle zu liefern. Dieselbe Sonde fängt Lichtenergie, die von der Gewebemessstelle reflektiert oder transmittiert wird, ein und liefert sie an (nicht gezeigte) Detektoren. Eine Subjektgrenzfläche umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, bei dem die faseroptische Sondenspitze 17 von einer Endoberfläche des zylindrischen Gehäuses vorsteht. Eine Apertur 18 in der Armplatzierungsführung gewährt der Subjektgrenzfläche einen Zugang zu der Gewebemessstelle.
Der Arm des Subjekts ist derart in der Armführung 10 positioniert, dass der niedrigste Punkt des aufliegenden Unterarms direkt über der Spitze der faseroptischen Sonde 17 aufliegt. Während der Arm positioniert wird, wird die Fasersondenspitze 17 unter Verwendung der Balkenbewegungsbremse 34 (3), die nachstehend ausführlicher beschrieben wird, in einer nach unten gerichteten Position verriegelt.
Nachdem der Arm positioniert wurde, wird ein Ausgeübte-Kraft-Mechanismus 30, der eine herkömmliche Einzelarmwaage beinhaltet, dazu verwendet, die faseroptische Sondenspitze mit einer konstanten nach oben gerichteten Kraft 31, in 3 gezeigt, nach oben zu bewegen, bis sie den Arm berührt. Um eine sehr geringe, bekannte Kraftmenge mit der faseroptischen Sonde auf den Arm auszuüben, sollte der Berührungspunkt zwischen dem Unterarm und der Sonde auf die Spitze der Sonde beschränkt sein. Es ist vorzuziehen, dass die faseroptische Sonde rechteckig ist, wobei die Längsseite des Rechtecks der Länge nach auf dem Arm orientiert ist, so dass die gesamte Sonde den Arm mit einer minimalen Druckausübung berühren kann. Außerdem muss der Kopf der faseroptischen Sonde so klein wie möglich sein; wiederum deshalb, um die Druckmenge, die für eine vollständige Berührung zwischen der Sonde und der Gewebemessstelle erforderlich ist, zu minimieren. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die ausgeübte Kraft durch ein Gegengewicht 33 an einer Einzelarmwaage bereitgestellt. Die Waage weist einen angelenkten Balken 32 auf, der an einer senkrechten Halterung 37 angebracht ist und der sich um einen Drehpunkt, der durch den Punkt der Befestigung an der senkrechten Halterung definiert ist, dreht. Ein Lager 38 ermöglicht eine frei Bewegung des Balkens um den Drehpunkt herum. Während das einstellbare Gewicht 33 an der Achse des Balkens entlang bewegt wird, wird die Kraft 31, die durch die faseroptische Sonde auf die Gewebemessstelle ausgeübt wird, verändert. Eine (nicht gezeigte) alternative Anordnung für das einstellbare Gewicht beinhaltet ein Gewicht, das an dem Arm der Waage entlang gleitet, der mit Abstufungen für verschiedene Druckpegel versehen ist. Eine Schraube, an der ein kleines kreisförmiges Gewicht angebracht ist, kann für Feineinstellungen der ausgeübten Kraft verwendet werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der gesamte ausgeübte Druck auf kontinuierliche Weise von 0 bis auf 2 kg/in² (in = inch; Zoll) variiert werden. Zusätzliche Gewichte können hinzugefügt werden, um die ausgeübte Kraft je nach Bedarf zu variieren. Nachdem die faseroptische Sonde positioniert wurde, kann die Sonde mit dem Balkenbewegungsbrems-/-verriegelungsmechanismus 34 in ihrer Position verriegelt werden. Die Balkenbewegungsbremse arbeitet anhand einer Reibungsplatte, die zu der aufrechten Halterung 37 komprimiert wird, um den Balken in einer gewünschten Position zu verriegeln. Außerdem ist die Subjektgrenzfläche beweglich an einer Kardanhalterung 35 angeordnet, um zu gewährleisten, dass die optische Achse der Sonde an dem Berührungspunkt senkrecht zu dem Arm des Subjekts ist. Die Kardanhalterung umfasst einen Kardanverriegelungsmechanismus 36, der die Kardanvorrichtung mittels eines Kompressions- oder Einschnürungselements verriegelt. Die faseroptische Sondenspitze kann mit dem Kardanverriegelungsmechanismus 36 in ihrer Position verriegelt werden, um die Stabilität der Sonde bezüglich des Arms aufrechtzuerhalten. Um die Reproduzierbarkeit der Armplatzierung weiter zu gewährleisten, ist es notwendig, die erfundene Vorrichtung vor einer Strukturverformung auf Grund eines auf das Subjekt ausgeübten übermäßigen Drucks für den Fall, dass sich das Subjekt auf den Analysator aufstützt, zu schützen. Die gesamte Struktur des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist somit dahin gehend entworfen, einer Kraft von 200 Pfund, die auf die Armtragestruktur ausgeübt wird, standzuhalten, ohne sich zu verformen.
Zusätzlich zur Drucksteuerung ist die Vorrichtung in der Lage, die Temperatur der faseroptischen Sonde zu steuern, so dass sie bezüglich der lokalisierten Temperatur in der Umgebung der Gewebemessstelle ausgeglichen werden kann. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 16 zylindrisch und umgibt die faseroptische Sonde vollständig, wobei die Sondenspitze 17 von einer Endoberfläche des zylindrischen Gehäuses 16 vorsteht. In dem Gehäuse befindet sich ein Metallkern, der mittels einer (nicht gezeigten) Niederspannungstemperaturvorrichtung auf einer gegebenen Temperatur gehalten wird. Bei dem aktuellen Ausführungsbeispiel ist der Kern aus Aluminium hergestellt, obwohl auch andere Metalle, die ein geringes Gewicht aufweisen und ohne weiteres Wärme leiten, geeignet wären. Die Temperaturvorrichtung ist mit einer Rückkopplungssteuerung ausgestattet, was es ihr ermöglicht, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Man sollte beachten, dass die Temperatur der als Probe genommenen bzw. abgetasteten Region auf Grund der Nahes-Infrarot-Spektren vorhergesagt werden kann, indem die Verschiebungen der Wasserbänder, die bei 1450, 1950 und 2600 nm absorbieren, verwendet werden. Mit zunehmender Temperatur des Wassers verschieben sich diese Bänder hin zu einer höheren Energie.
Die lokalisierte Temperatur des Unterarms kann auch direkt gemessen werden. Ein in einem Gehäuse eingekapselter Thermistor 19 steht von dem Gehäuse 16 in einer Entfernung von etwa 7 mm von dem Rand der faseroptischen Sondenspitze leicht in den Unterarm vor. In Kombination mit Temperaturablesewerten in dem Gehäuse kann die lokalisierte Unterarmtemperatur an der Gewebemessstelle berechnet werden.
Fachleuten wird einleuchten, dass der Druck anhand einer Vielzahl anderer Mittel ausgeübt werden kann, einschließlich, aber nicht ausschließlich: eines Hebelarms, einer Federkraft, eines Luftdrucks, oder von Gegengewichten. Obwohl das obige System mit Gegengewichten kalibriert ist, wird Fachleuten einleuchten, dass der ausgeübte Druck anhand einer Vielzahl von Mitteln gemessen werden kann, einschließlich, aber nicht ausschließlich: Waagen, Luftdruckmessgeräten oder mittels einer Berechnung.
Eine alternative Version der Armplatzierungsführung wird auf reproduzierbare Weise an dem Arm befestigt und weist Führungsstangen auf, die sich mit dem Spektrometer koppeln lassen, um ein reproduzierbares Koppeln der Probe mit dem Analysator zu unterstützen.
Während das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel eine ausgeübte Kraft verwendet, um zwischen dem Analysator und der Gewebemessstelle einen ausgeübten Druck zu erzeugen, wird der Analysator bei einem alternativen Ausführungsbeispiel mit der Gewebemessstelle in Kontakt gebracht und anschließend eine bekannte Strecke gegen die Haut an der Gewebemessstelle verschoben. Bei dem vorliegenden alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die faseroptische Sonde in einer feststehenden vertikalen Position gehalten, während sie von einer Plattform, auf der die Gliedmaße des Subjekts aufliegt, vorsteht. Die Plattform wird angehoben und abgesenkt, wodurch ermöglicht wird, dass die Spitze der faseroptischen Sonde die Haut an der Gewebemessstelle in variierendem Ausmaß komprimiert. Es sind verschiedene Versionen des aktuellen Ausführungsbeispiels vorgesehen, von denen jede ein anderes Verfahren zum Bestimmen des Grades der Verschiebung verwendet. Zuerst definieren eine LED und ein Detektor eine Ausgangsposition vor einer Verschiebung, und das Subjektgrenzflächenmodul kann eine gegebene Strecke verschoben werden, nachdem die LED erfasst wurde. Zweitens kann der Analysator bewegt werden, bis die Spektralreflektanz beseitigt ist, oder kann optional nach Eliminierung von spektral reflektiertem Licht eine feststehende Strecke bewegt werden. In dem nahen Infrarotbereich wäre dies der Fall, wenn sich die Lichtintensität bei 1950 nm, wo Wasser eine starke Absorbanz aufweist, an null annähert. Drittens kann der Analysator in das Gewebe hinein verschoben werden, bis eine Analyse der Spektralinformationen angibt, dass die bevorzugten Tiefen der Probe gerade sondiert werden, was durch die Erfassung chemischer Bänder angegeben wird, die als Marker für ein einzelnes Subjekt oder eine Klasse von Subjekten dienen; ausführlich in der gemeinschaftlich übertragenen US-Patentanmeldung Seriennr. 09/359,191, An intelligent System For Noninvasive Blood Analyse Prediction, S. Malin, T. Ruchti (22. Juli 1999), die als US-6280381 veröffentlicht ist, beschrieben. Jede dieser Versionen wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 4 liefert das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung eine ergonomisch ausgelegte Ellbogenführung 11, Handgelenksführung 12 und Handführung 13, die an einer Armtrageplattform 40 angebracht sind. Die faseroptische Sonde 17 steht durch die Armtrageplattform 40 hindurch vor. Die Armtrageplattform 40 wird durch einen linearen Betätigungsmechanismus, der aus einem Betätigungsarm 41 und vertikalen Führungen 42 zusammengesetzt ist, vertikal nach oben und unten bewegt. Der lineare Betätigungsmechanismus wird durch einen herkömmlichen Elektromotor 45 angetrieben, der wiederum durch einen (nicht gezeigten) Digitalprozessor gesteuert wird. Eine LED 43, die sich auf einer Seite des Arms des Subjekts befindet, ist auf eine direkt oberhalb des Faserbündels 17 befindliche Stelle gerichtet und wird durch einen Detektor 44 erfasst, der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Arms des Subjekts befindet. Während des Gebrauchs lässt das Subjekt seinen Arm auf der vorgesehenen Ellbogenführung 11, Handgelenksführung 12 und Handgelenksführung 13 aufliegen. Das lineare Betätigungsglied senkt die Plattform, die den Arm des Subjekts trägt, in Richtung der faseroptischen Sonde ab, indem sie die Armtrageplattform 40 absenkt. Wenn der Arm in die durch die LED 43 und den entsprechenden Detektor 44 definierte Ebene eintritt, geht das LED-Signal verloren, und das System erkennt, dass sich die Gewebemessstelle in einer bekannten Entfernung von der Spitze der faseroptischen Sonde 17, der Nullposition, befindet. Die Armtrageebene kann auf gesteuerte Weise weiter abgesenkt werden, was bekannte Verschiebungen der faseroptischen Sonde in den Unterarm des Subjekts hinein ermöglicht. Natürlich ermöglicht die Elastizität von lebendem Gewebe, dass auf die Oberfläche der Gewebemessstelle verschiedene Drücke ausgeübt werden, ohne dass das Faserbündel tatsächlich in die Haut des Arms eindringt.
Eine zweite Version des Konstante-Verschiebung-Subjektgrenzflächenmoduls definiert die Nullposition der übersetzenden Armtrageebene, indem sie spektral reflektiertes Licht, das durch die faseroptische Sonde eingefangen wird, erfasst. Die Nullposition stellt den Punkt dar, an dem kein spektral reflektiertes Licht erfasst wird. Wenn die Gewebemessstelle nicht in Kontakt mit der Oberfläche der faseroptischen Sonde steht, kann spektral reflektiertes Licht in der Sonde eingefangen und erfasst werden. Dieses spektral reflektierte Licht ist eine Störsubstanz, die die Analyse behindert. Wenn die Gewebemessstelle zum ersten Mal in einen vollständigen Kontakt mit der Spitze der faseroptischen Sonde gelangt, nähert sich das spektral reflektierte Licht einer Nullintensität. Bei einer auf einer diffusen Reflexion beruhenden Messung der Haut im nahen Infrarotbereich weist Wasser mehrere starke Absorbanzbänder auf, die sich bei 1450, 1950 und 2600 nm befinden. Zwei nichtinvasive diffuse Reflexionsspektren einer Gewebemessstelle an einem menschlichen Unterarm sind in 5 gezeigt. Die obere Kurve 50 zeigt, dass Licht bei 1950 und 2500 nm erfasst wird, in einer Region, in der Wasser ausreichend hohe Absorbanzpegel aufweist, dass ein Nullsignal beobachtet werden sollte. Die Erfassung von Licht gibt an, dass spekt ral reflektiertes Licht eingefangen wird und dass die faseroptische Sonde und die Gewebemessstelle sich nicht berühren. Die untere Kurve 51 zeigt eine Nullintensität (rauschbegrenzte Intensität) bei 1950 und 2500 nm, was darauf hinweist, dass die faseroptische Sondenspitze und die Gewebemessstelle in direktem Kontakt stehen. Der Nullpunkt ist als der Punkt definiert, an dem die Intensität bei 1950 nm zum ersten Mal null erreicht. Bekannte Verschiebungen über diesen Punkt hinaus werden unter Verwendung der zurückgelegten Wegstrecke der computerisierten Armtrageplattform ermittelt.
Eine dritte Version des Konstante-Verschiebung-Subjektgrenzflächenmoduls legt die Verschiebung der faseroptischen Sonde in den Unterarm hinein unter Verwendung von Spektralinformationen fest. Wie zuvor erörtert wurde, verändern sich die Streu- und Absorptionskoeffizienten der Probe mit in unterschiedlichem Ausmaß ausgeübtem Druck. Somit sind das als Probe genommene bzw. abgetastete Volumen und die resultierenden Spektren eine Funktion der Verschiebung der Faser gegenüber der Nullposition. Somit können die Spektren dazu verwendet werden, eine Rückkopplung an das lineare Antriebssystem bezüglich der gewünschten Verschiebung des Subjektgrenzflächenmoduls zu erzeugen.
Andere Systeme zum Anheben und Absenken der Armtrageplattform sind möglich, einschließlich: einer Handkurbel, eines Hebearms, eines Scherenhebers und -antriebs, eines Gelenkpunkts in Verbindung mit einem linearen Antrieb sowie eines Schneckenantriebs.
Es gibt viele Situationen, in denen es nützlich ist, das Ausmaß an Druck, das durch einen Analysator auf die Probe, die gerade analysiert wird, ausgeübt wird, zu steuern. Auf dem Gebiet der Biomedizin werden derzeit Analysatoren für eine Vielzahl von wichtigen Analyten entwickelt; beispielsweise Glucose zum Überwachen von Diabetikern, Harnstoff zur Verwendung bei Dialysepatienten sowie Sauerstoff. Wie zuvor erwähnt wurde, verdrängt ein Durchführen von Tests am Ort der Versorgung unter Verwendung von minimal-invasiven und nicht-invasiven Verfahren rasch herkömmlichere Verfahren einer Probenahme und einer Laboranalyse auf dem Gebiet klinischer Tests. Die Erfindung lässt sich bei jeglichen minimal-invasiven und nicht-invasiven Messungen dieses Typs, bei denen ein Analysator eine Gewebemessstelle berühren muss, anwenden.
Obwohl die vorstehende Beschreibung die Erfindung im Zusammenhang mit medizinischen Anwendungen mit menschlichen Subjekten präsentierte, lässt sich die Erfindung auf einer Anzahl von technischen Gebieten anwenden, bei denen Feststoffproben analysiert werden, die an oder in der Nähe der Oberfläche nicht homogen sind und die elastisch sind, oder bei denen spektrale Reflektanz eliminiert werden muss, indem eine Probe direkt mit einem Analysator in Kontakt gebracht wird. Beispielsweise kann die Erfindung ohne weiteres an eine Verwendung im Veterinärbereich oder in der Forschung mit nicht-menschlichen Subjekten angepasst werden. Außerdem ist ein optisches Abtasten von landwirtschaftlichen Produkten äußerst weit verbreitet. Beispielsweise werden Analysen von Früchten, Gemüsen und Körnern durch das Ausmaß an Druck, der durch den Analysator auf die Probe ausgeübt wird, beeinflusst. Die Erfindung liefert ferner eine Vorrichtung zur Beseitigung von spektral reflektiertem Licht von einer Probe in einem Diffuse-Reflexion-Modus, was für eine quantitative Analyse von Kleinanalytsignalen wesentlich ist. Auf dem Fachgebiet der Pharmazeutik und der Chemie ist ein enger Kontakt des Analysators mit Tabletten, Kapseln, Pellets, Chips und anderen derartigen Artikeln bei Messungen, die auf einer diffusen Reflexion beruhen, von Vorteil.

Claims

Eine Vorrichtung zum Variieren lokalisierter Absorptions- und Streukoeffizienten an einer Gewebemessstelle auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise während einer optischen Abtastung, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Subjektgrenzfläche (17) zum variierbaren Berühren einer Gewebemessstelle; eine Einrichtung (30) zum Variieren und Aufrechterhalten eines Kontakts mit der Gewebemessstelle durch die Subjektgrenzfläche (17) auf gesteuerte und reproduzierbare Weise, wobei die Einrichtung (30) eine Kardanhalterung (35) zum Aufnehmen der Subjektgrenzfläche (17) aufweist; und eine Einrichtung zum reproduzierbaren Positionieren der Gewebemessstelle relativ zu der Subjektgrenzfläche (17).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Subjektgrenzfläche folgende Merkmale aufweist: eine faseroptische Sonde, die von einem Gehäuse (16) umgeben ist, wobei die Sonde Lichtenergie an die Gewebemessstelle liefert und Lichtenergie, die von der Gewebemessstelle transmittiert oder reflektiert wird, einfängt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der eine Spitze (17) der faseroptischen Sonde die Gewebemessstelle berührt, wobei die Gewebemessstelle auf einer Gliedmaße des Subjekts angeordnet ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die faseroptische Sonde rechteckig ist und bei der die Sondenspitze (17) die Gliedmaße der Länge nach berührt, so dass ein Kontakt der Sondenspitze (17) mit der Gewebemessstelle maximiert wird, wobei ein Minimum eines Drucks, der durch die Sondenspitze (17) auf die Gewebemessstelle ausgeübt wird, erforderlich ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das Gehäuse (16) einen Zylinder aufweist, der die faseroptische Sonde umgibt, und bei der die Sondenspitze (17) von einer Endoberfläche des Gehäuses (16) vorsteht.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Gehäuse (16) aus einem wärmeleitfähigen Material eines geringen Gewichts hergestellt ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Gehäuse ferner eine Einrichtung zum Erhitzen der faseroptischen Sonde aufweist, so dass die Sondentemperatur mit der Oberflächentemperatur an der Gewebemessstelle ins Gleichgewicht gebracht wird.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Subjektgrenzfläche ferner eine Einrichtung (19) zum Erfassen der Oberflächentemperatur an der Gewebemessstelle aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Einrichtung (30) zum Variieren und Aufrechterhalten eines Kontakts mit der Gewebemessstelle durch die Subjektgrenzfläche auf gesteuerte und reproduzierbare Weise folgende Merkmale aufweist: eine Einzelarmwaage mit einem Gegengewicht (33), wobei die Einzelarmwaage einen angelenkten Balken (32) aufweist, der an einer senkrechten Halterung (37) an ei nem Befestigungspunkt befestigt ist, wobei ein Lagerelement (38) ermöglicht, dass sich der angelenkte Balken (32) frei um einen durch den Befestigungspunkt definierten Drehpunkt dreht, und wobei der Balken (32) ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; wobei die Kardanhalterung (35) an dem zweiten Ende befestigt ist, um die Subjektgrenzfläche aufzunehmen; wobei ein Einstellen des Gegengewichts (33) die Höhe des Drucks, der durch die faseroptische Sonde auf die Gewebemessstelle ausgeübt wird, variiert.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Subjektgrenzfläche an der Kardanhalterung (35) beweglich angeordnet ist, so dass die optische Achse der faseroptischen Sonde senkrecht zu einer Gliedmaße des Subjekts ist, auf der sich die Gewebemessstelle befindet, wenn die faseroptische Sonde gegen die Gewebemessstelle drückt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Kardanhalterung mit einem Kardanverriegelungsmechanismus (36) ausgestattet ist, wobei der Kardanverriegelungsmechanismus (36) ein beliebiges eines Kompressions- und eines Einschnürungselements aufweist, und bei der der Kardanverriegelungsmechanismus (36) dahin gehend wirksam ist, eine Stabilität der faseroptischen Sondenspitze (17) bezüglich der Gewebemessstelle aufrechtzuerhalten.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der das Gegengewicht (33) ein einstellbares Gewicht aufweist, das an dem ersten Ende des angelenkten Balkens (32) befestigt ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der das Gegengewicht (33) ein größeres Gewicht aufweist, das sich an dem Balken (32) entlangschiebt, wobei der Balken (32) Abstufungen für verschiedene Druckpegel aufweist, und bei der eine Schraube mit einem geringeren Gewicht, das an dem ersten Ende befestigt ist, Feineinstellungen eines ausgeübten Druckes ermöglicht.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 9, die ferner einen Balkenbewegungsbremsmechanismus (34) aufweist, wobei der Balkenbewegungsbremsmechanismus eine Reibungsplatte aufweist, wobei die Reibungsplatte dahin gehend wirksam, ist, den Balken dadurch in einer gewünschten Position zu verriegeln, dass sie gegen die senkrechte Halterung gedrückt wird.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum reproduzierbaren Positionieren der Gewebemessstelle (17) relativ zu der Subjektgrenzfläche eine Gliedmaßenführung (10) zum Aufnehmen einer Gliedmaße des Subjekts, auf der sich die Gewebemessstelle befindet, aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der die Gliedmaßenführung (10) eine Armführung (10) umfasst, wobei die Armführung (10) folgende Merkmale aufweist: eine an einer Tragestruktur angebrachte Plattform (40); eine Ellbogenführung (11); eine Handgelenksführung (12) und eine Handführung (13), die alle auf abnehmbare Weise an der Plattform angebracht sind; und eine durch die Plattform (40) definierte Apertur (18).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Armführung (10) den Arm des Subjekts aufnimmt, so dass der Ellbogen des Subjekts in der Ellbogenführung (11) aufliegt, das Handgelenk des Subjekts auf der Handge lenksführung (12) aufliegt und die Hand des Subjekts auf der Handführung (13) aufliegt, so dass eine Gewebemessstelle auf einer unteren Oberfläche des Arms mit der Apertur (18) ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die Subjektgrenzfläche, die an der Einrichtung zum Variieren und Aufrechterhalten eines Kontakts (30) mit der Gewebemessstelle angebracht ist, durch die Apertur (18) nach oben vorsteht, um die Gewebemessstelle zu berühren.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Handgelenksführung (12) und die Handführung (13) als eine einzelne Einheit (14) gebildet sind und bei der die Einheit auf schiebbare Weise an der Plattform (40) angebracht (20) ist, so dass die Einheit gemäß der Länge des Unterarms des Subjekts positionierbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der die Ellbogenführung (11) und die Anordnung ergonomisch geformt sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der die Ellbogenführung (11) und die Anordnung je nach Subjekt spezifisch geformt sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der der Arm des Subjekts so positionierbar ist, dass sich der Arm an der Seite des Subjekts befindet und in einem Winkel von neunzig Grad gebeugt ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Armführung (10) dahin gehend angepasst ist, entweder einen rechten Arm oder einen linken Arm aufzunehmen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, beider die Einrichtung zum reproduzierbaren Positionieren der Gewebe messstelle (17) relativ zu der Subjektgrenzfläche eine Plattform (40) aufweist, wobei die Plattform (40) getragen wird durch die und befestigt ist an der Einrichtung zum Variieren und Aufrechterhalten eines Kontakts (41, 42) mit der Gewebemessstelle durch die Subjektgrenzfläche auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise, wobei die Einrichtung zum Variieren und Herstellen eines Kontakts folgende Merkmale aufweist: ein System zum Anheben und Absenken der Plattform (41, 42), so dass die faseroptische Sonde mit der Gewebemessstelle in Kontakt gebracht und anschließend in einem bekannten Ausmaß in die Haut an der Gewebemessstelle verschoben werden kann, wobei die Subjektgrenzfläche fest angebracht ist; wobei sich die Gewebemessstelle an einem Arm des Subjekts befindet.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei Folgendes auf abnehmbare Weise an der Plattform (40) angebracht ist: eine Ellbogenführung (11), eine Handgelenksführung (12) und eine Handführung (13) zum reproduzierbaren Positionieren des Arms, wobei die Handgelenksführung (12) und die Handführung (13) schiebbar sind, um Arme unterschiedlicher Länge unterzubringen; und wobei die Plattform (40) eine Apertur (18) aufweist, durch die die faseroptische Sonde vorsteht, um mit der Gewebemessstelle in Kontakt zu gelangen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der die Ellbogenführung (11), die Handgelenksführung (12) und die Handführung (13) ergonomisch geformt sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der die Führungen (11, 12, 13) je nach Subjekt spezifisch geformt sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der der Arm des Subjekts derart positionierbar ist, dass sich der Arm an der Seite des Subjekts befindet und in einem Winkel von neunzig Grad gebeugt ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der das System zum Anheben und Absenken (41, 42) der Plattform (40) einen linearen Schiebemechanismus (41, 42) aufweist, wobei der lineare Schiebemechanismus einen Betätigungsarm (41) und eine Mehrzahl von vertikalen Führungen (42) aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 29, wobei das System zum Anheben und Absenken (41, 42) der Plattform (40) ferner einen Elektromotor (45) zum Antreiben des linearen Schiebemechanismus aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 30, bei der der Motor (45) computergesteuert ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 31, bei der ein Nullpunkt die Erhöhung darstellt, bei der zum ersten Mal ein vollständiger Kontakt zwischen dem Arm und der faseroptischen Sonde erfolgt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 32, wobei das System ferner folgende Merkmale aufweist: eine auf einer Seite des Arms befindliche LED (43); einen auf der gegenüberliegenden Seite des Arms befindlichen Detektor (44); wobei ein Signal von der LED (43) auf eine direkt oberhalb der faseroptischen Sonde befindliche Stelle gerichtet ist und durch den Detektor (44) erfasst wird.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 33, bei der der Arm abgesenkt wird, bis der Nullpunkt erreicht ist, wobei der Nullpunkt die Erhöhung darstellt, bei der das Signal der LED (43) nicht erfassbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 32, bei der der Nullpunkt dadurch ermittelbar ist, dass aufeinander folgende Spektralmessungen für spektral reflektiertes Licht analysiert werden, und bei der ein Nichtvorhandensein von spektral reflektiertem Licht auf den Nullpunkt hinweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 32, bei der der Arm des Subjekts an dem Nullpunkt positionierbar ist und anschließend auf die faseroptische Sonde abgesenkt werden kann, so dass die Sonde in einem bevorzugten Ausmaß in die Haut der Gewebemessstelle verschoben wird, wobei das bevorzugte Ausmaß durch Zielwerte für Absorptions- und Streukoeffizienten angegeben wird, wobei die Koeffizienten für aufeinander folgende Spektralmessungen berechnet werden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der das System zum Anheben und Absenken (41, 42) der Plattform (40) eine beziehungsweise eines beziehungsweise einen der Folgenden aufweist: eine Handkurbel; einen Hebelarm; einen Scherenheber; einen Gelenkpunkt in Verbindung mit einem linearen Antrieb; und einen Schneckenantrieb.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum reproduzierbaren Positionieren (15) der Gewebemessstelle relativ zu der Subjektgrenzfläche eine Platzierungsführung aufweist, wobei die Platzierungsführung reproduzierbar an einem Körperteil des Subjekts, an dem sich die Gewebemessstelle befindet, befestigbar ist, wobei die Führung eine Apertur (18) aufweist, durch die die Subjektgrenzfläche vorsteht, um mit der Gewebemessstelle in Kontakt zu gelangen, wobei die Platzierungsführung ferner eine oder mehrere Führungsstangen zum reproduzierbaren Koppeln eines Analysators, der die Subjektgrenzfläche stützt, mit der Gewebemessstelle aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 38, bei der das Körperteil eine Gliedmaße des Subjekts umfasst.
Ein nicht-invasives Verfahren zum Variieren lokalisierter Absorptions- und Streukoeffizienten an einer Gewebemessstelle auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise während einer optischen Abtastung eines Gewebevolumens, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Gewebemessstelle; Bereitstellen eines spektroskopischen Analysators, der eine Subjektgrenzfläche aufweist, die dahin gehend angepasst ist, während einer Messung mit der Gewebemessstelle in Kontakt zu gelangen; Durchführen einer anfänglichen NIR-Spektralmessung, für die jeglicher eines durch die Subjektgrenzfläche auf die Gewebemessstelle ausgeübten Druckes und eines Ausmaßes einer Verschiebung in das Gewebe der Gewebemessstelle seitens der Subjektgrenzfläche bekannt ist und während der anfänglichen Messung durch eine Einrichtung aufrechterhalten wird, die eine Kardanhalterung zum Aufnehmen der Subjektgrenzfläche aufweist; Berechnen von lokalen Absorbanz- und Streukoeffizienten für die Messungen; Durchführen einer oder mehrerer nachfolgender NIR-Spektralmessungen, bei der beziehungsweise bei denen ein ausgeübter Druck und/oder eine ausgeübte Verschiebung um ein bekanntes Ausmaß variiert wird; Berechnen von Absorbanz- und Streukoeffizienten für jede Messung; und Bestimmen einer optimalen Probenahme- bzw. Abtasttiefe zum Erfassen eines Zielanalyten, wobei ein Verhältnis von Absorptionskoeffizient zu Streukoeffizient ein Indikator der optimalen Tiefe ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 40, bei dem ein erhöhter Druck an der Gewebemessstelle Wasser aus dem als Probe genommenen Gewebevolumen drückt und bei dem der lokale Absorptionskoeffizient abnimmt, wenn die Wasserkonzentration in dem Gewebevolumen abnimmt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 41, bei dem eine Dichte von Streuzentren in dem als Probe genommenen Gewebe mit abnehmender Wasserkonzentration zunimmt und bei dem der Streukoeffizient mit zunehmender Dichte von Streuzentren zunimmt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem sich die Gewebemessstelle an einer Gliedmaße eines lebenden Subjekts befindet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 43, bei dem die Gliedmaße ein Arm ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem die Subjektgrenzfläche eine faseroptische Sonde aufweist, die eine Spitze aufweist, und bei dem die Sonde Lichtenergie an die Gewebemessstelle liefert und Lichtenergie, die von der Gewebemessstelle transmittiert oder reflektiert wird, einfängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 45, bei dem die Spitze die Gewebemessstelle berührt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem eine Führung die Gewebemessstelle relativ zu der Subjektgrenzfläche auf eine gesteuerte und reproduzierbare Weise positioniert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 47, bei dem die Führung eine Apertur umfasst, wobei die Subjektgrenzfläche durch die Apertur hindurch vorsteht, um die Gewebemessstelle zu berühren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem der ausgeübte Druck mittels einer Einzelarmwaage, die ein einstellbares Gegengewicht aufweist, variiert und gesteuert wird, wobei die Waage einen Balken aufweist, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei der Druck durch ein Einstellen des Gegengewichts gesteuert und variiert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 49, bei dem die Waage ferner die Kardanhalterung aufweist, die an einem Ende der Waage befestigt ist, wobei die Subjektgrenzfläche an der Kardanhalterung beweglich angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 50, bei dem die Waage ferner einen Verriegelungsmechanismus aufweist, so dass der Balken in eine gewünschte Position verriegelt werden kann.
Das Verfahren gemäß Anspruch 42, bei dem das Ausmaß der Verschiebung durch eine Plattform variiert und gesteuert wird, die eine oder mehrere Führungen zum reproduzierbaren Positionieren der Gewebemessstelle aufweist, wobei die Plattform getragen wird auf und befestigt ist an einem System zum Anheben und Absenken der Plattform, so dass die Subjektgrenzfläche die Gewebemessstelle berühren kann und anschließend in einem bekannten Ausmaß in die Haut an der Gewebemessstelle verschoben werden kann, wobei die Subjektgrenzfläche fest angebracht ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 52, bei dem ein Nullpunkt den ersten Punkt eines vollständigen Kontakts zwischen der Subjektgrenzfläche und der Gewebemessstelle darstellt, wobei die Gewebemessstelle zuerst auf den Nullpunkt abgesenkt wird und anschließend in einem weiteren bekannten Ausmaß abgesenkt wird, um die Subjektgrenzfläche weiter in die Gewebemessstelle hinein zu verschieben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 52, bei dem die Einrichtung zum Anheben und Absenken der Plattform ein lineares Betätigungsglied aufweist, wobei das lineare Betätigungsglied durch einen Elektromotor mit Leistung versorgt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 54, bei dem der Elektromotor digital gesteuert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 52, bei dem die Einrichtung zum Anheben und Absenken der Plattform eine be ziehungsweise eines beziehungsweise einen der Folgenden aufweist: eine Handkurbel; einen Hebelarm; einen Scherenheber; einen Gelenkpunkt in Verbindung mit einem linearen Antrieb; und einen Schneckenantrieb.