用于非侵入性地确定d-葡萄糖浓度的测量设备和测量方法
用于非侵入性地确定d-葡萄糖浓度的测量设备和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非侵入性地确定D-葡 萄糖浓度的测量方法和测量设备。
【背景技术】
[0002] 由现有技术已知用于血糖浓度的非侵入性在体测量的手段。在此，例如光学地激 励组织层，W便由所测量的射束吸收来测量血糖含量，所述射束吸收取决于葡萄糖浓度。
[0003] 已知方法的缺点在于，迄今不能够在葡萄糖浓度的非侵入性确定中实现足够的精 度，因为在已知的葡萄糖吸收带中的吸收通过其他材料和组织物质的显著的吸收与散射效 应叠加，运示例性地在图5中示出。
[0004] 一种运样的非侵入性测量手段例如由US 7,729,734 B2已知。提出一种测量设备， 其中，将不同波长的两个经180°移相的、经调制的激光射束用于激励葡萄糖。经移相的激光 射束产生红外（IR)范围中的两个经移相的光热信号，其借助红外探测器检测。激光感生的、 经波长调制的移相信号的分析处理能够实现显著的、主要通过水引起的背景信号的抑制。 然后由所检测的差分红外信号的幅度和相位推断出葡萄糖浓度。
[0005] 然而，所提出的测量设备的缺点是，由所测量的IR信号确定葡萄糖浓度要求0.1° 的相位分辨率，运在实际应用条件下无法遵循。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明所基于的任务是，避免已知的非侵入性测量设备的缺点。所述测量设 备尤其应能够产生原始数据，所述原始数据能够实现血液参数、尤其D-葡萄糖浓度的更精 确的非侵入性确定。另一个任务是，提供一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非 侵入性地确定D-葡萄糖浓度的测量方法，借助所述测量方法可W避免常规方法的缺点。
[0007] 所述任务分别通过具有独立权利要求的特征的测量设备和测量方法解决。本发明 的有利的实施方式和应用由从属权利要求得出。
[000引本发明基于W下认识：已知的测量设备中的干扰性错误测量可能通过W下方式引 起，即运些测量可能受所照射的身体表面的或位于其下的皮肤层的局部有限的不规则 性一一例如受丘疹、脂肪脉、骨头、角质层、汗和/或毛细血管的密度起伏影响。
[0009] 因此，本发明包括W下一般性技术教导：不是在待检查的测试对象的身体表面上 的仅仅一个唯一的测量部位处而是在多个测量部位处实施测量。运些测量部位可W构造为 间隔开的或重叠的测量区域或者构造为彼此间隔开的测量点。
[0010] 与现有技术一致地，根据本发明的测量设备具有用于产生电磁射束的至少一个激 励源W及具有禪合输入装置，W便将由激励源发射的射束禪合输入到测量对象的身体表面 中。
[0011] 此外，所述测量设备包括传感器装置，W便检测通过激励源在身体表面中禪合输 入的射束激励的红外（IR)射束。
[0012] 为了不仅仅在一个测量点处实施测量，禪合输入装置设置用于将由所述激励源发 射的射束平面地（fBchig)在多个测量部位处禪合输入到所述身体表面中，并且传感器装 置设置用于检测在多个测量部位处在所述身体表面中产生的IR射束。
[0013] 根据本发明的多个测量部位使用具有W下优点：可W识别W及通过测量部位的合 适选择来补偿上述局部有限的不规则性的意义上的有错误的测量点。在仅仅一个测量部位 处测量所激励的IR射束时无法区分IR射束的所测量的强度值由确定的葡萄糖浓度X产生还 是由葡萄糖浓度Y产生，其中，所产生的IR强度附加地受局部干扰效应一一例如具有超平均 厚度的角质层影响。在多个测量部位的情况下，例如可W通过在所有测量部位上取平均值 将W下测量部位辨识为"有错误的"测量部位:所述测量部位与平均值的偏差大于预先确定 的阔值，因为该测量值可能受局部不规则性和/或不期望的干扰效应影响。因此，剔除"有错 误的"测量部位改善了测量精度。此外，可W通过取平均值基于剩下的"无错误的"测量部位 来实现血液参数值、尤其D-葡萄糖浓度的确定的精度的改善，因为可W通过所述方式来平 均背景信号的波动。
[0014] 禪合输入装置优选如此设置，使得测量部位W规则的间距、例如格栅状地布置在 皮肤表面上。但运些测量部位也可W是不规则地布置的。
[0015] 优选地，禪合输入电磁射束所在的测量部位与检测所激励的IR射束所在的测量部 位一致。然而存在W下可能性：用于禪合输入电磁射束的测量部位与用于检测IR射束的测 量部位相互略微错开或在其数量方面略微偏差，只要平面地禪合输入所产生的电磁射束并 且可W平面地读取所产生的IR信号。
[0016] 根据本发明的一种特别优选的实施方式，激励源是用于产生可视(VIS)范围和/或 IR范围中的电磁射束的可调谐的激励源。根据所述变型方案，测量设备设置用于在测量过 程期间在预先确定的谱范围中调谐所述激励源。
[0017] 运具有W下优点：测量数据不是仅仅基于葡萄糖-吸收谱的一个或两个点而是可 W使用在预先确定的频率范围上的谱变化过程来确定血糖浓度。
[0018] 运基于发明人的W下发现:例如可W通过所调谐的IR谱的记录来可靠地辨识通过 高的水吸收或通过其他成份引起的干扰效应。因此，例如可W借助相关性分析来确定所记 录的测量曲线与参考谱的一致性。所测量的、在所调谐的频率范围中具有与参考曲线一一 例如D-葡萄糖-吸收曲线的高一致性的IR强度曲线表明：在测量部位处禪合输入的射束由 葡萄糖分子吸收，而与参考曲线的低一致性表明：禪合输入的射束由水或由其他物质吸收 或在它们处散射。
[0019] 因此，本发明的一个特别优点在于，仅仅可W将W下测量曲线考虑用于D-葡萄糖 浓度的确定:所述测量曲线实际上也已经测量其吸收曲线在图4中示例性示出的葡萄糖吸 收并且没有通过其他成份的在图5中示例性示出的吸收曲线失真。与此相反，由现有技术已 知的、测量仅仅一个或两个固定波长的手段不能可靠地区分所测量的测量值表明例如增高 的葡萄糖浓度还是取而代之地仅仅通过其他物质的相邻吸收曲线失真。
[0020] 根据另一种构型方式，禪合输入装置可W具有扫描单元，所述扫描单元设置用于 按时间顺序地照射禪合输入面上的多个测量部位(所谓的飞点照射）。禪合输入装置例如可 W构造为微扫描器或MEMS扫描器或可W包括数字光处理(DLP)单元。
[0021] 运具有W下优点：提高在禪合输入激励射束时在相应照射的测量部位处的能量密 度并且因此提高侵入深度，而不增大整个禪合输入面上的能量密度的平均值。
[0022] 为了平面地检测在多个测量部位处射出的IR射束，传感器装置优选是红外面式传 感器，例如IR-CCD传感器。
[0023] 有利地，在不同测量部位处产生的IR射束分别成像到所述IR面式传感器的不同区 域上。例如，可W将格栅状布置的测量部位一一在所述测量部位处检测在皮肤层中产生的 IR射束一一成像到W面式传感器的列和行的形式的相应格栅结构上，从而测量点的位置信 息保留。
[0024] 然后，通过所有测量部位的测量值的比较可W辨识并且在所测量的原始数据的进 一步处理时相应地忽视位置误差，即不适于血液参数确定的测量部位。
[0025] 根据本发明的测量设备产生WlR射束的所测量的强度的形式的、优选根据测量部 位的位置和可调谐的激励源的波长分辨的原始数据。根据运些测量数据，然后可W通过随 后的数据处理来确定D-葡萄糖浓度或一般性地确定血液参数的值。
[0026] 为此，测量设备可W包括分析处理单元，所述分析处理单元根据所检测的IR射束 并且根据所存储的参考谱来求取血液参数值、例如血糖浓度。
[0027] 根据本发明的测量设备的一个特别有利的应用是原始数据的测量，W便基于原始 数据确定在体D-葡萄糖浓度。下面，重复地参考根据本发明的测量设备的示例性突出的应 用。着重指出，本发明也可W归纳如下：可W将测量设备用于其他血液参数的确定，例如通 过存储用于所述血液参数的相应参考谱W及通过选择合适的频 率范围，所述频率范围匹配 于所述血液参数的吸收曲线。
[0028] 分析处理单元优选设置用于将所检测的IR数据与事先确定的参考谱进行比较。为 了生成参考谱，通过测量设备实施IR测量，并且将其与D-葡萄糖浓度进行相关，所述D-葡萄 糖浓度例如借助常规在体方法求取。
[0029] 在本发明的一种有利构型方式中，为了测量所调谐的谱变化过程中的强度变化过 程，对于所述测量部位中的每一个测量部位所检测的IR射束分别成像到所述IR面式传感器 的不同区域上。换言之，存在测量部位与面式传感器的部分区域的1:1映射，从而测量区域 W二维分辨率成像到面式传感器上，例如特征在于面式传感器的确定的列和行。
[0030] 然后，在调谐激励源时，面式传感器的相应于确定的测量部位的每一个部分区域 记下相应测量部位的激励谱。然后，分析处理单元可W如先前所述那样通过与参考谱的比 较和/或通过取平均值来辨识适于或者不适于所述血液参数值的确定的测量部位。
[0031] 根据本发明的实现的另一可能性提出，传感器装置具有光谱仪。传感器装置例如 可W包括光学格栅或棱镜，所述光学格栅或棱镜设置用于将在所述身体表面中产生的IR射 束的不同波长范围分别成像到所述IR面式传感器的不同列上。所述IR面式传感器的行分别 分配给所述身体表面上的一组测量部位。在此，面式传感器的两个平面延展方向中的哪一 个定义为列或者行的定义是任意的。
[0032] 根据所述变型方案，分析处理单元设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平 均值来辨识W下测量部位:所述测量部位的所检测的IR强度值适于所述D-葡萄糖浓度的确 定。与此相反，可W剔除W下行:在所述行中识别到干扰效应。由此可W进一步提高血糖测 量的精度。
[0033] 在所述实施变型方案中，虽然位置分辨率减少了一维，因为面式传感器的一维用 于IR信号的谱分辨。但所述实施例的一个特别优点是，可W由所检测的IR信号的谱分解获 得有价值的信息，W便提高D-葡萄糖确定的精度。例如可W测量附加的巧光效应或可W在 激励频率下测量葡萄糖吸收曲线的多个峰值。
[0034] D-葡萄糖浓度例如与葡萄糖吸收峰值的高度相关。如果现在出现附加的巧光效 应，则由此葡萄糖吸收峰值的所测量的峰值高度可W在不变的葡萄糖浓度的情况下改变。 通过附加的谱分解可W识别并且W修正因子的形式考虑运样的效应。
[0035] 先前已经指出，通过皮肤表面结构的局部有限的不规则性并且通常基于葡萄糖分 子相比于毛细管血液中的水和其他成份而言的低浓度，可能出现测量数据的期望的失真。
[0036] 因此，分析处理单元优选求取所检测的IR射束的峰值、相应峰值的波长和/或相应 峰值的强度。
[0037] 接着，分析处理单元然后优选求取峰值的强度比例，即例如第一峰值的强度与第 二峰值的强度的比例，从而可W求取主吸收峰值和可能存在的次峰值。
[0038] 此外，分析处理单元优选在一方面所述IR射束的所测量的峰值的波长与另一方面 预给定的特有波长之间求取波长一致性，所述特有波长对于葡萄糖吸收是特有的。然后，所 测量的峰值的强度比例和所测量的峰值与特有波长的波长一致性能够实现所测量的射束 实际上由葡萄糖吸收造成还是基于干扰的评价。
[0039] 分析处理单元可W进一步求取所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相 应峰值的强度比例或将所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相应峰值进行比较 W确定葡萄糖浓度。
[0040] 此外，分析处理单元可W实施先前所述的在传感器的各个像素或行上的取平均， W便辨识受干扰效应影响的测量部位和测量曲线。
[0041] 此外，由激励源发射的信号可W是经调制的。在运种情况下，分析处理单元设置用 于根据所述经调制的信号确定色散角。在此，优选红外范围中的较长波长的载波信号保证 实现到上皮肤层中的所期望的侵入深度，而经调制的信号附加地能够实现色散角的分析处 理。
[0042] 激励源可W是可调谐的量子级联激光器。由激励源产生的射束的波长优选位于 250nm至30]im的范围中。进一步优选地，所产生的射束可W位于7皿至14皿的范围中，突出的 从8.5皿至10.5皿的葡萄糖吸收带位于该范围中，该葡萄糖吸收带在约9.6皿处具有峰值。
[0043] 优选地，在预先确定的谱范围中调谐可调谐的激励源，所述预先确定的谱范围包 括D-葡萄糖-吸收带中的一个或多个峰值，优选在IR范围中，因为在所述范围中葡萄糖吸收 带是足够显著地突出的并且禪合输入的射束的侵入深度足W达到1.5WI1至2WI1深度处的毛 细血管。
[0044] 如果传感器装置除IR面式传感器W外还包括另一 IR光电二极管，其检测通过激励 源在身体表面中禪合输入的射束激励的红外射束，则在本发明的范畴内能够进一步改善测 量精度。作为平均值由光电二极管测量在测量部位的整个面上检测的IR射束。
[0045] IR光电二极管可W用于溫度测量W修正在测量部位处检测的IR信号的由溫度决 定的波动或W构造参考信号，W便修正可能出现的散射效应。
[0046] 此外，分析处理单元可W设置用于监视并且在调谐激励源时如此调节可调谐的激 励源的当前功率，使得所述当前功率保持恒定或具有预先确定的曲线变化过程。因为激光 器的功率调节例如取决于波长，所W通过附加的调节回路可W进一步提高测量精度，因为 可W根据激光功率标准化所检测的IR射束的强度。
[0047] 优选地，禪合输入装置包括测量头，所述测量头的形状匹配于测试对象的下指尖 或上指尖、脚遲和/或耳垂。对此，测量头可W具有平的或弯曲的支承面或可W构造为夹具。 为了避免由于在测量表面上的错误定位引起的测量误差，禪合输入装置可W进一步设置用 于在执行测量过程之前求取所述测试对象的下指尖或上指尖、脚遲或耳垂是否定位在所述 测量头上的预先确定的区域中。
[0048] 由所述激励源发射的光可W通过光纤束或通过光学器件平面地禪合输入到所述 身体表面中。在无格栅或者光谱仪的构型方式中，所检测的IR射束同样可W通过光纤束直 接成像到IR面式传感器的相应区域上。与此相反，在具有光谱仪或者具有光学格栅或棱镜 的构型方式中，设有附加的光学器件，W便构成测量行的测量部位的光学强度平均值，所述 光学强度平均值然后通过光学格栅谱分解地成像到面式传感器的行上。
[0049] 此外，本发明设及一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非侵入性地确 定D-葡萄糖浓度的方法，所述方法包括W下步骤:产生电磁射束，将所产生的射束禪合输入 到测量对象的身体表面中W及检测红外射束，所述红外射束通过在所述身体表面中禪合输 入的射束来激励，其中，将所产生的射束平面地在多个测量部位处禪合输入到所述身体表 面中。优选地，在测量过程期间在VIS范围和/或IR范围中的预先确定的谱范围中调谐经禪 合输入的电磁射束。
[0050] 测量设备的先前描述的方面也可W构造为相应的方法步骤，而运未明确列出。
【附图说明】
[0051 ]下面参考附图描述本发明的其他细节和优点。附图示出：
[0052] 图1:根据一个实施例的测量设备的示意性框图；
[0053] 图2:根据本发明的根据另一个实施例的测量设备的传感器装置；
[0054] 图3:根据一个实施例的IR面式传感器上所检测的IR信号的谱分解；
[0055] 图4:在IR范围中葡萄糖的主吸收峰值；
[0056] 图5:与其他在血液中存在的成份的吸收曲线相比较的葡萄糖吸收曲线；
[0057] 图6:根据另一个实施例的测量设备的示意性框图。
【具体实施方式】
[0058] 图1示出根据本发明的用于非侵入性地确定D-葡萄糖浓度的测量设备1的示意性 框图。
[0059] 为了非侵入性地确定D-葡萄糖浓度，要测量其血糖浓度的人将下指尖9置于测量 头8的测量表面上。在当前示例中，测量表面构造为平的支承面。 但也可W有利地在上指尖、 脚遲或耳垂处测量血糖浓度，因为在那里毛细血管W小的侵入深度延伸。为了施加在上指 尖或脚遲处，测量表面也可W是弯曲的，W便使测量面匹配于待测量的身体部位的表面形 状。
[0060] 测量设备1包括量子级联激光器2,所述量子级联激光器在预先确定的波长范围内 是可调谐的。根据所述实施例，测量设备1设置用于对于7WI1至14WI1的范围中的测量过程调 谐量子级联激光器2。葡萄糖的主吸收带位于所述范围中，所述主吸收带在图4中示出。所述 带从8. Siim延伸至10.5]im并且在约9.6]im处具有峰值。在此，遍历频率范围的预先确定的频 率或频率区间时的时间节拍可W位于0.1 Hz至12曲Z的范围中。
[0061] 由量子级联激光器2发射的激光光线通过光纤线路3和合适的普通光学器件4引导 至禪合输入装置5。禪合输入装置5将由激励源2发射的射束平面地禪合输入到下指尖9中。
[0062] 在当前示例中，禪合输入装置5由微扫描器6、光纤束7和测量头8组成，其中，每一 个光纤紧邻一个测量点终止。
[0063] 各个测量点格栅状地布置成行和列（未示出）。微扫描器6依次地一一例如逐行地 控制格栅状布置的点，运例如也已知为飞点法。入射的激光光线在下指尖9的上皮肤层中吸 收并且又作为红外射束发出。通过禪合输入的激光射束产生的红外射束通过合适的普通光 学器件12成像到IR面式传感器13上，所述IR面式传感器构造为IR-CCD-传感器。
[0064] 在此，所述多个测量部位中的每一个成像到所述IR-CCD-传感器13的一个预先确 定的区域上，从而实现与传感器面上的相应的位置或者像素的1:1分配。
[0065] 因此，测量部位的位置信息保留并且能够实现各个测量部位的几何分析处理、即 测量部位的按照皮肤表面上的位置的分析处理。
[0066] W附图标记4、10和12表示的元件是普通光学器件元件一一如分束器、透镜、镜等， 其自身由现有技术已知并且构成用于激励射束的光路或者用于所检测的IR射束的光路。
[0067] 对于所遍历的频率范围中的每一个频率或者每一个频率区间，由面式传感器13记 录一个测量值，从而测量设备1对于多个测量点中的每一个测量每一个所遍历的频率区间 的、W所检测的IR射束的强度的形式的测量序列。
[0068] 为了分析处理测量数据并且为了控制测量过程，设有中央分析处理与控制单元 14,其例如可W实现为现场可编程口阵列(FPGA)。
[0069] 控制单元14通过信号线路17-21控制和同步激光器2、扫描单元6、面式传感器12和 测量头8。控制单元14通过信号线路17接收由面式传感器13测量的数据。控制单元14通过另 一信号线路18与测量头8连接，测量头8通过所述另一信号线路向控制单元14发送W下信 号：指尖9是否已经定位在测量头8上W及该指尖是否已经正确地、即在支承面的预先确定 的区域中定位。如果是运种情况，则控制单元14执行测量过程，否则输出警告信号。
[0070] 信号线路20和21是用于通过分析处理单元14控制激光器2的调节回路的一部分。 通过控制线路21，分析处理单元14 一方面可W如此控制可调谐的级联激光器2,使得所述级 联激光器在实施测量过程时W确定的时间节拍遍历预先确定的频率范围。此外，可W调节 激光器2的功率。因为激光器2的功率随着波长而变化，所W通过禪合输出，激光器2的功率 通过信号线路20传输到控制单元14上并且由控制单元14监视。由此，可W避免激光源2的强 度波动，W便防止所测量的IR射束的强度中的变化也受激光强度波动影响。替代地，可W根 据所测量的激光强度标准化所检测的IR信号。
[0071] 分析处理单元14在实施测量过程时通过另一信号线路19控制微扫描器6。此外，可 W将由测量设备1求取的测量数据显示在显示器16上。事先求取的参考谱存储在存储单元 15中。
[0072] 对于激励源的每一个所遍历的频率区间，分析处理单元14读取所激励的IR射束的 由红外面式传感器13检测的强度，从而对于所述多个测量点中的每一个测量在所激励的波 长上的强度变化过程。分析处理单元14可W由所述强度变化过程对于每一个测量点求取所 检测的IR射束的峰值和相应峰值的强度。在本发明的意义上的术语"峰值"也包括吸收峰 值，在所述吸收峰值处所检测的IR射束的所测量的强度回退。
[0073] 通过运种方式，分析处理单元14例如可W在9.6WI1处求取主吸收峰值的位置和高 度，如在图4中所示的那样。
[0074] 然后，通过比较所测量的值与存储在存储单元15中的参考曲线可W确定葡萄糖浓 度。
[0075] 为了改善测量精度，分析处理单元14比较所有测量点的各个测量序列。对此，例如 可W在各个测量部位上对于每一个所遍历的波长范围比较IR射束的所测量的强度值的波 动。运例如可W通过在所有测量部位上取平均值W及随后确定每一个测量部位与平均值的 偏差来实现。由此可W辨识和消除位置误差和谱误差。如果在一个测量部位处或在多个测 量部位处所测量的IR射束的强度与所述测量部位中的大多数相比显著偏差，则在D-葡萄糖 浓度的确定时不考虑相应的测量值。
[0076] 图2示出本发明的另一个实施例。在此，仅仅放大地示出测量设备1的传感器装置， 因为其他部件相应于图1中的部件。
[0077] 与图1中的测量设备不同，图2中的传感器设备包括附加的光学格栅22,所述附加 的光学格栅设置用于将在身体表面中产生的IR射束的不同波长范围成像到IR面式传感器 13的不同列上。因此，如此实现所检测的IR谱的谱分解，使得IR面式传感器13的行分别分配 给身体表面上的不同测量部位，而不同的波长范围成像到面式传感器13的不同列上。
[007引运在图2和3中对于面式传感器13的前=行23、24和25示例性地示出。
[0079] -个确定的列的所有测量值相应于在一个波长或者一个波长范围中测量的IR信 号的强度。第一列的所有像素分别相应于在波长Al的情况下所检测的IR强度值，第二列的 所有像素相应于在波长A2的情况下所检测的IR强度值，第=列的所有像素相应于在波长A3 的情况下所检测的IR强度值，等等。
[0080] 通过借助光学格栅22的附加的谱划分，不再能够如在图1的实施例中那样二维地 在面式传感器13上对测量部位进行位置分辨。因此，在其射到格栅22上并且由所述格栅22 谱分解地成像到面式传感器13的相应行上之前(未示出），通过光学方式平均测量面的一行 的各个测量部位的所测量的强度值。
[0081] 图3中的曲线1_23相应于面式传感器13的第一行23的所测量的IR谱并且示出主峰 值Pl_23和在约扣m处的第二峰值P2_23，所述主峰值相应于9.6WI1处的吸收峰值，所述第二 峰值相应于巧光峰值。
[0082] 在图3中的简化示图中也增大地示出吸收峰值Pl_23,尽管其相应于所检测的强度 的回退。
[0083] 行24和25的所检测的强度谱1_24和1_25示出与第一行23的谱类似的、但不完全相 同的变化过程。
[0084] 现在，分析处理单元14可W分析所检测的吸收谱的各个峰值。在此，作为错误测量 剔除具有与在所有行上的平均值的显著偏差的行，W便提高葡萄糖浓度确定的精度。此外， 可W将具有显著不同于参考曲线的峰值结构的所测量的峰值结构(例如峰值的数量和高度 比例）的行辨识为局部错误测量。可W借助相关性分析来比较峰值结构。
[0085] 如果例如一行包含在波长祉m处的而不是所预期的扣m处的巧光峰值，则分析处理 单元可W将相应的测量序列分类为测量错误，并且在葡萄糖浓度确定时不考虑运些数据。
[0086] 根据图2中的实施例的传感器设备包括另一 IR光电二极管26,其测量在测量部位 的整个面上的红外射束作为平均值。对此，从测量部位测量的IR射束通过分束器27引导到 光电二极管26上。IR光电二极管26用于溫度测量W 修正在测量部位处检测的IR信号的由溫 度决定的波动。
[0087] 图6示出根据另一实施例的测量设备的示意性框图。根据所述实施例，调制由激励 源2发射的信号。在此，优选红外范围中的较长波长的载波信号保证实现到上皮肤层中的所 期望的侵入深度，而经调制的信号附加地能够实现色散角的分析处理。
[0088] 与图1中的实施例不同，所述测量设备包括另一镜29, W便能够实施干设测量。在 此，来自于激光源2的激光光线的一部分通过半透明的镜10引导到镜29上，在那里被反射并 且然后垂直地成像到面式传感器13上。与此相反，来自于激光源2的激光光线的一部分禪合 输入到指尖9中。在指尖9中激励的射束被引导回镜10并且由所述镜同样成像到面式传感器 13上。所述两个成像到面式传感器13上的光束在面式传感器13上干设W形成干设图（未示 出）。由所述干设图可W计算折射率，其具有对于葡萄糖而言特有的值。借助所述附加的测 量变型方案可W进一步提高测量精度。
[0089] 本发明的在先前的说明书和附图和权利要求中公开的特征不仅可W单独地而且 可W组合地对于本发明在其不同构型中的实现是有意义的。
【主权项】
1. 一种测量设备（1)，其用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度，所述测量设备具有 a) 至少一个激励源(2)，其用于产生电磁射束， b) 耦合输入装置(5-8)，其设置用于将由所述激励源(2)发射的射束耦合输入到测量对 象的身体表面中， c) 传感器装置（13)，其设置用于检测通过所述激励源（2)在所述身体表面中耦合输入 的射束激励的红外（IR)射束， 其特征在于， d) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源（2)发射的射束平面地在多个测 量部位处耦合输入到所述身体表面中， e) 所述传感器装置（13)设置用于在多个测量部位处检测在所述身体表面中产生的IR 射束。2. 根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述激励源（2)是用于产生VIS范围 和/或IR范围中的电磁射束的可调谐的激励源，并且所述测量设备（1)设置用于在测量过程 期间在预先确定的谱范围中调谐所述激励源(2)。3. 根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述耦合输入装置(5-8)包括扫描 单元(6)，所述扫描单元设置用于按时间顺序地照射耦合输入面的多个测量部位。4. 根据权利要求2或3中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述传感器装置（13)包括IR面式传感器、优选IR-CCD传感器，用于检测在所述测量 部位处发射的IR射束，和/或 b) 在不同测量部位处产生的IR射束分别成像到所述IR面式传感器的不同区域上。5. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于分析处理单元（14)，所述 分析处理单元用于根据所检测的IR射束并且根据所存储的参考谱来确定血液参数值、优选 D-葡萄糖浓度。6. 根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于， a) 在预先确定的谱范围中调谐所述激励源的情况下，对于所述测量部位中的每一个测 量部位，所检测的IR射束分别成像到所述IR面式传感器(13)的不同区域上以测量在所调谐 的谱变化过程中的强度变化过程， 和/或 b) 所述分析处理单元设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平均值来辨识适于所 述D-葡萄糖浓度的确定的测量部位。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述传感器装置(13)具有光谱仪，和/或 b) 所述传感器装置包括光学格栅(22)，所述光学格栅设置用于将在所述身体表面中产 生的IR射束的不同波长范围成像到所述IR面式传感器（13)的不同列上，其中，所述IR面式 传感器的行(23,24,25)分别分配给所述身体表面上的不同测量部位，和/或 c) 所述分析处理单元（14)设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平均值来辨识以 下行:所述行的所检测的IR强度值适于所述D-葡萄糖浓度的确定。8. 根据权利要求5至7中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述分析处理单元（14)在所检测的IR射束的峰值处求取相应峰值的波长和/或相应 峰值的强度，和/或 b) 所述分析处理单元（14)求取所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相应峰 值的强度比例，和/或 c) 所述分析处理单元（14)在所述IR射束的峰值的波长与所述参考曲线的峰值的预给 定的特有波长之间求取波长一致性，和/或 d) 所述特有波长相应于D-葡萄糖吸收峰值的波长。9. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 由所述激励源(2)发射的信号是经调制的，以及 b) 所述分析处理单元(14)设置用于根据所述经调制的信号确定色散角。10. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述传感器装置包括IR 光电二极管(26)，其检测通过所述激励源(2)在所述身体表面中耦合输入的射束激励的IR 射束以构造参考信号，以便修正在所述测量部位处检测的IR信号的由温度决定的波动。11. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述耦合输入装置(5-8)包括测量头(8)，所述测量头的形状匹配于测试对象的下指 尖或上指尖、脚踵和/或耳垂，和/或 b) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于在执行测量过程之前求取所述测试对象的下指尖 或上指尖、脚踵或耳垂是否定位在所述测量头(8)上的预先确定的区域中，和/或 c) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源(2)发射的射束通过光纤束(7)或 通过光学器件平面地耦合输入到所述身体表面中。12. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 由所述激励源(2)产生的电磁射束位于250nm至30000nm的范围中，和/或 b) 所述可调谐的激励源（2)能够通过预先确定的谱范围来调谐，所述预先确定的谱范 围包括D-葡萄糖-吸收带中、优选IR范围中的一个或多个峰值，和/或 c) 所述激励源（2)是可调谐的量子级联激光器，其中，所产生的射束位于Ιμπι至30μπι的 范围中、优选7μηι至14μηι的范围中。13. -种根据以上权利要求中任一项所述的测量设备（1)的应用，其用于非侵入性地测 量所述D-葡萄糖浓度。14. 一种用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度的 方法，所述方法包括以下步骤： a) 产生电磁射束， b) 将所产生的射束耦合输入到测量对象的身体表面中， c) 检测通过在所述身体表面中耦合输入的射束激励的IR射束， 其特征在于， 将所产生的射束平面地在多个测量部位处耦合输入到所述身体表面中。15. 根据权利要求13所述的测量方法，其特征在于，在测量过程期间在VIS范围和/或IR 范围中的预先确定的谱范围中调谐经耦合输入的电磁射束。
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度测量方法和测量设备。测量设备(1)包括用于产生电磁射束的激励源(2)；耦合输入装置(5-8)，其设置用于将由所述激励源(2)发射的射束耦合输入到测量对象的身体表面中；传感器装置(13)，其设置用于检测通过激励源(2)在所述身体表面中耦合输入的射束激励的红外(IR)射束。所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源(2)发射的射束平面地在多个测量部位处耦合输入到所述身体表面中，所述传感器装置(13)设置用于在多个测量部位处检测在所述身体表面中产生的IR射束。
【IPC分类】A61B5/00, A61B5/145
【公开号】CN105491949
【申请号】CN201480036498
【发明人】R-D·克莱因, M·赖希尔, D·埃伯特
【申请人】Sms瑞士医学传感器股份公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月23日
【公告号】DE102013010611A1, EP3013228A1, US20160143564, WO2014206549A1
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非侵入性地确定D-葡 萄糖浓度的测量方法和测量设备。
【背景技术】
[0002] 由现有技术已知用于血糖浓度的非侵入性在体测量的手段。在此，例如光学地激 励组织层，W便由所测量的射束吸收来测量血糖含量，所述射束吸收取决于葡萄糖浓度。
[0003] 已知方法的缺点在于，迄今不能够在葡萄糖浓度的非侵入性确定中实现足够的精 度，因为在已知的葡萄糖吸收带中的吸收通过其他材料和组织物质的显著的吸收与散射效 应叠加，运示例性地在图5中示出。
[0004] 一种运样的非侵入性测量手段例如由US 7,729,734 B2已知。提出一种测量设备， 其中，将不同波长的两个经180°移相的、经调制的激光射束用于激励葡萄糖。经移相的激光 射束产生红外（IR)范围中的两个经移相的光热信号，其借助红外探测器检测。激光感生的、 经波长调制的移相信号的分析处理能够实现显著的、主要通过水引起的背景信号的抑制。 然后由所检测的差分红外信号的幅度和相位推断出葡萄糖浓度。
[0005] 然而，所提出的测量设备的缺点是，由所测量的IR信号确定葡萄糖浓度要求0.1° 的相位分辨率，运在实际应用条件下无法遵循。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明所基于的任务是，避免已知的非侵入性测量设备的缺点。所述测量设 备尤其应能够产生原始数据，所述原始数据能够实现血液参数、尤其D-葡萄糖浓度的更精 确的非侵入性确定。另一个任务是，提供一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非 侵入性地确定D-葡萄糖浓度的测量方法，借助所述测量方法可W避免常规方法的缺点。
[0007] 所述任务分别通过具有独立权利要求的特征的测量设备和测量方法解决。本发明 的有利的实施方式和应用由从属权利要求得出。
[000引本发明基于W下认识：已知的测量设备中的干扰性错误测量可能通过W下方式引 起，即运些测量可能受所照射的身体表面的或位于其下的皮肤层的局部有限的不规则 性一一例如受丘疹、脂肪脉、骨头、角质层、汗和/或毛细血管的密度起伏影响。
[0009] 因此，本发明包括W下一般性技术教导：不是在待检查的测试对象的身体表面上 的仅仅一个唯一的测量部位处而是在多个测量部位处实施测量。运些测量部位可W构造为 间隔开的或重叠的测量区域或者构造为彼此间隔开的测量点。
[0010] 与现有技术一致地，根据本发明的测量设备具有用于产生电磁射束的至少一个激 励源W及具有禪合输入装置，W便将由激励源发射的射束禪合输入到测量对象的身体表面 中。
[0011] 此外，所述测量设备包括传感器装置，W便检测通过激励源在身体表面中禪合输 入的射束激励的红外（IR)射束。
[0012] 为了不仅仅在一个测量点处实施测量，禪合输入装置设置用于将由所述激励源发 射的射束平面地（fBchig)在多个测量部位处禪合输入到所述身体表面中，并且传感器装 置设置用于检测在多个测量部位处在所述身体表面中产生的IR射束。
[0013] 根据本发明的多个测量部位使用具有W下优点：可W识别W及通过测量部位的合 适选择来补偿上述局部有限的不规则性的意义上的有错误的测量点。在仅仅一个测量部位 处测量所激励的IR射束时无法区分IR射束的所测量的强度值由确定的葡萄糖浓度X产生还 是由葡萄糖浓度Y产生，其中，所产生的IR强度附加地受局部干扰效应一一例如具有超平均 厚度的角质层影响。在多个测量部位的情况下，例如可W通过在所有测量部位上取平均值 将W下测量部位辨识为"有错误的"测量部位:所述测量部位与平均值的偏差大于预先确定 的阔值，因为该测量值可能受局部不规则性和/或不期望的干扰效应影响。因此，剔除"有错 误的"测量部位改善了测量精度。此外，可W通过取平均值基于剩下的"无错误的"测量部位 来实现血液参数值、尤其D-葡萄糖浓度的确定的精度的改善，因为可W通过所述方式来平 均背景信号的波动。
[0014] 禪合输入装置优选如此设置，使得测量部位W规则的间距、例如格栅状地布置在 皮肤表面上。但运些测量部位也可W是不规则地布置的。
[0015] 优选地，禪合输入电磁射束所在的测量部位与检测所激励的IR射束所在的测量部 位一致。然而存在W下可能性：用于禪合输入电磁射束的测量部位与用于检测IR射束的测 量部位相互略微错开或在其数量方面略微偏差，只要平面地禪合输入所产生的电磁射束并 且可W平面地读取所产生的IR信号。
[0016] 根据本发明的一种特别优选的实施方式，激励源是用于产生可视(VIS)范围和/或 IR范围中的电磁射束的可调谐的激励源。根据所述变型方案，测量设备设置用于在测量过 程期间在预先确定的谱范围中调谐所述激励源。
[0017] 运具有W下优点：测量数据不是仅仅基于葡萄糖-吸收谱的一个或两个点而是可 W使用在预先确定的频率范围上的谱变化过程来确定血糖浓度。
[0018] 运基于发明人的W下发现:例如可W通过所调谐的IR谱的记录来可靠地辨识通过 高的水吸收或通过其他成份引起的干扰效应。因此，例如可W借助相关性分析来确定所记 录的测量曲线与参考谱的一致性。所测量的、在所调谐的频率范围中具有与参考曲线一一 例如D-葡萄糖-吸收曲线的高一致性的IR强度曲线表明：在测量部位处禪合输入的射束由 葡萄糖分子吸收，而与参考曲线的低一致性表明：禪合输入的射束由水或由其他物质吸收 或在它们处散射。
[0019] 因此，本发明的一个特别优点在于，仅仅可W将W下测量曲线考虑用于D-葡萄糖 浓度的确定:所述测量曲线实际上也已经测量其吸收曲线在图4中示例性示出的葡萄糖吸 收并且没有通过其他成份的在图5中示例性示出的吸收曲线失真。与此相反，由现有技术已 知的、测量仅仅一个或两个固定波长的手段不能可靠地区分所测量的测量值表明例如增高 的葡萄糖浓度还是取而代之地仅仅通过其他物质的相邻吸收曲线失真。
[0020] 根据另一种构型方式，禪合输入装置可W具有扫描单元，所述扫描单元设置用于 按时间顺序地照射禪合输入面上的多个测量部位(所谓的飞点照射）。禪合输入装置例如可 W构造为微扫描器或MEMS扫描器或可W包括数字光处理(DLP)单元。
[0021] 运具有W下优点：提高在禪合输入激励射束时在相应照射的测量部位处的能量密 度并且因此提高侵入深度，而不增大整个禪合输入面上的能量密度的平均值。
[0022] 为了平面地检测在多个测量部位处射出的IR射束，传感器装置优选是红外面式传 感器，例如IR-CCD传感器。
[0023] 有利地，在不同测量部位处产生的IR射束分别成像到所述IR面式传感器的不同区 域上。例如，可W将格栅状布置的测量部位一一在所述测量部位处检测在皮肤层中产生的 IR射束一一成像到W面式传感器的列和行的形式的相应格栅结构上，从而测量点的位置信 息保留。
[0024] 然后，通过所有测量部位的测量值的比较可W辨识并且在所测量的原始数据的进 一步处理时相应地忽视位置误差，即不适于血液参数确定的测量部位。
[0025] 根据本发明的测量设备产生WlR射束的所测量的强度的形式的、优选根据测量部 位的位置和可调谐的激励源的波长分辨的原始数据。根据运些测量数据，然后可W通过随 后的数据处理来确定D-葡萄糖浓度或一般性地确定血液参数的值。
[0026] 为此，测量设备可W包括分析处理单元，所述分析处理单元根据所检测的IR射束 并且根据所存储的参考谱来求取血液参数值、例如血糖浓度。
[0027] 根据本发明的测量设备的一个特别有利的应用是原始数据的测量，W便基于原始 数据确定在体D-葡萄糖浓度。下面，重复地参考根据本发明的测量设备的示例性突出的应 用。着重指出，本发明也可W归纳如下：可W将测量设备用于其他血液参数的确定，例如通 过存储用于所述血液参数的相应参考谱W及通过选择合适的频 率范围，所述频率范围匹配 于所述血液参数的吸收曲线。
[0028] 分析处理单元优选设置用于将所检测的IR数据与事先确定的参考谱进行比较。为 了生成参考谱，通过测量设备实施IR测量，并且将其与D-葡萄糖浓度进行相关，所述D-葡萄 糖浓度例如借助常规在体方法求取。
[0029] 在本发明的一种有利构型方式中，为了测量所调谐的谱变化过程中的强度变化过 程，对于所述测量部位中的每一个测量部位所检测的IR射束分别成像到所述IR面式传感器 的不同区域上。换言之，存在测量部位与面式传感器的部分区域的1:1映射，从而测量区域 W二维分辨率成像到面式传感器上，例如特征在于面式传感器的确定的列和行。
[0030] 然后，在调谐激励源时，面式传感器的相应于确定的测量部位的每一个部分区域 记下相应测量部位的激励谱。然后，分析处理单元可W如先前所述那样通过与参考谱的比 较和/或通过取平均值来辨识适于或者不适于所述血液参数值的确定的测量部位。
[0031] 根据本发明的实现的另一可能性提出，传感器装置具有光谱仪。传感器装置例如 可W包括光学格栅或棱镜，所述光学格栅或棱镜设置用于将在所述身体表面中产生的IR射 束的不同波长范围分别成像到所述IR面式传感器的不同列上。所述IR面式传感器的行分别 分配给所述身体表面上的一组测量部位。在此，面式传感器的两个平面延展方向中的哪一 个定义为列或者行的定义是任意的。
[0032] 根据所述变型方案，分析处理单元设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平 均值来辨识W下测量部位:所述测量部位的所检测的IR强度值适于所述D-葡萄糖浓度的确 定。与此相反，可W剔除W下行:在所述行中识别到干扰效应。由此可W进一步提高血糖测 量的精度。
[0033] 在所述实施变型方案中，虽然位置分辨率减少了一维，因为面式传感器的一维用 于IR信号的谱分辨。但所述实施例的一个特别优点是，可W由所检测的IR信号的谱分解获 得有价值的信息，W便提高D-葡萄糖确定的精度。例如可W测量附加的巧光效应或可W在 激励频率下测量葡萄糖吸收曲线的多个峰值。
[0034] D-葡萄糖浓度例如与葡萄糖吸收峰值的高度相关。如果现在出现附加的巧光效 应，则由此葡萄糖吸收峰值的所测量的峰值高度可W在不变的葡萄糖浓度的情况下改变。 通过附加的谱分解可W识别并且W修正因子的形式考虑运样的效应。
[0035] 先前已经指出，通过皮肤表面结构的局部有限的不规则性并且通常基于葡萄糖分 子相比于毛细管血液中的水和其他成份而言的低浓度，可能出现测量数据的期望的失真。
[0036] 因此，分析处理单元优选求取所检测的IR射束的峰值、相应峰值的波长和/或相应 峰值的强度。
[0037] 接着，分析处理单元然后优选求取峰值的强度比例，即例如第一峰值的强度与第 二峰值的强度的比例，从而可W求取主吸收峰值和可能存在的次峰值。
[0038] 此外，分析处理单元优选在一方面所述IR射束的所测量的峰值的波长与另一方面 预给定的特有波长之间求取波长一致性，所述特有波长对于葡萄糖吸收是特有的。然后，所 测量的峰值的强度比例和所测量的峰值与特有波长的波长一致性能够实现所测量的射束 实际上由葡萄糖吸收造成还是基于干扰的评价。
[0039] 分析处理单元可W进一步求取所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相 应峰值的强度比例或将所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相应峰值进行比较 W确定葡萄糖浓度。
[0040] 此外，分析处理单元可W实施先前所述的在传感器的各个像素或行上的取平均， W便辨识受干扰效应影响的测量部位和测量曲线。
[0041] 此外，由激励源发射的信号可W是经调制的。在运种情况下，分析处理单元设置用 于根据所述经调制的信号确定色散角。在此，优选红外范围中的较长波长的载波信号保证 实现到上皮肤层中的所期望的侵入深度，而经调制的信号附加地能够实现色散角的分析处 理。
[0042] 激励源可W是可调谐的量子级联激光器。由激励源产生的射束的波长优选位于 250nm至30]im的范围中。进一步优选地，所产生的射束可W位于7皿至14皿的范围中，突出的 从8.5皿至10.5皿的葡萄糖吸收带位于该范围中，该葡萄糖吸收带在约9.6皿处具有峰值。
[0043] 优选地，在预先确定的谱范围中调谐可调谐的激励源，所述预先确定的谱范围包 括D-葡萄糖-吸收带中的一个或多个峰值，优选在IR范围中，因为在所述范围中葡萄糖吸收 带是足够显著地突出的并且禪合输入的射束的侵入深度足W达到1.5WI1至2WI1深度处的毛 细血管。
[0044] 如果传感器装置除IR面式传感器W外还包括另一 IR光电二极管，其检测通过激励 源在身体表面中禪合输入的射束激励的红外射束，则在本发明的范畴内能够进一步改善测 量精度。作为平均值由光电二极管测量在测量部位的整个面上检测的IR射束。
[0045] IR光电二极管可W用于溫度测量W修正在测量部位处检测的IR信号的由溫度决 定的波动或W构造参考信号，W便修正可能出现的散射效应。
[0046] 此外，分析处理单元可W设置用于监视并且在调谐激励源时如此调节可调谐的激 励源的当前功率，使得所述当前功率保持恒定或具有预先确定的曲线变化过程。因为激光 器的功率调节例如取决于波长，所W通过附加的调节回路可W进一步提高测量精度，因为 可W根据激光功率标准化所检测的IR射束的强度。
[0047] 优选地，禪合输入装置包括测量头，所述测量头的形状匹配于测试对象的下指尖 或上指尖、脚遲和/或耳垂。对此，测量头可W具有平的或弯曲的支承面或可W构造为夹具。 为了避免由于在测量表面上的错误定位引起的测量误差，禪合输入装置可W进一步设置用 于在执行测量过程之前求取所述测试对象的下指尖或上指尖、脚遲或耳垂是否定位在所述 测量头上的预先确定的区域中。
[0048] 由所述激励源发射的光可W通过光纤束或通过光学器件平面地禪合输入到所述 身体表面中。在无格栅或者光谱仪的构型方式中，所检测的IR射束同样可W通过光纤束直 接成像到IR面式传感器的相应区域上。与此相反，在具有光谱仪或者具有光学格栅或棱镜 的构型方式中，设有附加的光学器件，W便构成测量行的测量部位的光学强度平均值，所述 光学强度平均值然后通过光学格栅谱分解地成像到面式传感器的行上。
[0049] 此外，本发明设及一种用于测量原始数据W确定血液参数、尤其W非侵入性地确 定D-葡萄糖浓度的方法，所述方法包括W下步骤:产生电磁射束，将所产生的射束禪合输入 到测量对象的身体表面中W及检测红外射束，所述红外射束通过在所述身体表面中禪合输 入的射束来激励，其中，将所产生的射束平面地在多个测量部位处禪合输入到所述身体表 面中。优选地，在测量过程期间在VIS范围和/或IR范围中的预先确定的谱范围中调谐经禪 合输入的电磁射束。
[0050] 测量设备的先前描述的方面也可W构造为相应的方法步骤，而运未明确列出。
【附图说明】
[0051 ]下面参考附图描述本发明的其他细节和优点。附图示出：
[0052] 图1:根据一个实施例的测量设备的示意性框图；
[0053] 图2:根据本发明的根据另一个实施例的测量设备的传感器装置；
[0054] 图3:根据一个实施例的IR面式传感器上所检测的IR信号的谱分解；
[0055] 图4:在IR范围中葡萄糖的主吸收峰值；
[0056] 图5:与其他在血液中存在的成份的吸收曲线相比较的葡萄糖吸收曲线；
[0057] 图6:根据另一个实施例的测量设备的示意性框图。
【具体实施方式】
[0058] 图1示出根据本发明的用于非侵入性地确定D-葡萄糖浓度的测量设备1的示意性 框图。
[0059] 为了非侵入性地确定D-葡萄糖浓度，要测量其血糖浓度的人将下指尖9置于测量 头8的测量表面上。在当前示例中，测量表面构造为平的支承面。 但也可W有利地在上指尖、 脚遲或耳垂处测量血糖浓度，因为在那里毛细血管W小的侵入深度延伸。为了施加在上指 尖或脚遲处，测量表面也可W是弯曲的，W便使测量面匹配于待测量的身体部位的表面形 状。
[0060] 测量设备1包括量子级联激光器2,所述量子级联激光器在预先确定的波长范围内 是可调谐的。根据所述实施例，测量设备1设置用于对于7WI1至14WI1的范围中的测量过程调 谐量子级联激光器2。葡萄糖的主吸收带位于所述范围中，所述主吸收带在图4中示出。所述 带从8. Siim延伸至10.5]im并且在约9.6]im处具有峰值。在此，遍历频率范围的预先确定的频 率或频率区间时的时间节拍可W位于0.1 Hz至12曲Z的范围中。
[0061] 由量子级联激光器2发射的激光光线通过光纤线路3和合适的普通光学器件4引导 至禪合输入装置5。禪合输入装置5将由激励源2发射的射束平面地禪合输入到下指尖9中。
[0062] 在当前示例中，禪合输入装置5由微扫描器6、光纤束7和测量头8组成，其中，每一 个光纤紧邻一个测量点终止。
[0063] 各个测量点格栅状地布置成行和列（未示出）。微扫描器6依次地一一例如逐行地 控制格栅状布置的点，运例如也已知为飞点法。入射的激光光线在下指尖9的上皮肤层中吸 收并且又作为红外射束发出。通过禪合输入的激光射束产生的红外射束通过合适的普通光 学器件12成像到IR面式传感器13上，所述IR面式传感器构造为IR-CCD-传感器。
[0064] 在此，所述多个测量部位中的每一个成像到所述IR-CCD-传感器13的一个预先确 定的区域上，从而实现与传感器面上的相应的位置或者像素的1:1分配。
[0065] 因此，测量部位的位置信息保留并且能够实现各个测量部位的几何分析处理、即 测量部位的按照皮肤表面上的位置的分析处理。
[0066] W附图标记4、10和12表示的元件是普通光学器件元件一一如分束器、透镜、镜等， 其自身由现有技术已知并且构成用于激励射束的光路或者用于所检测的IR射束的光路。
[0067] 对于所遍历的频率范围中的每一个频率或者每一个频率区间，由面式传感器13记 录一个测量值，从而测量设备1对于多个测量点中的每一个测量每一个所遍历的频率区间 的、W所检测的IR射束的强度的形式的测量序列。
[0068] 为了分析处理测量数据并且为了控制测量过程，设有中央分析处理与控制单元 14,其例如可W实现为现场可编程口阵列(FPGA)。
[0069] 控制单元14通过信号线路17-21控制和同步激光器2、扫描单元6、面式传感器12和 测量头8。控制单元14通过信号线路17接收由面式传感器13测量的数据。控制单元14通过另 一信号线路18与测量头8连接，测量头8通过所述另一信号线路向控制单元14发送W下信 号：指尖9是否已经定位在测量头8上W及该指尖是否已经正确地、即在支承面的预先确定 的区域中定位。如果是运种情况，则控制单元14执行测量过程，否则输出警告信号。
[0070] 信号线路20和21是用于通过分析处理单元14控制激光器2的调节回路的一部分。 通过控制线路21，分析处理单元14 一方面可W如此控制可调谐的级联激光器2,使得所述级 联激光器在实施测量过程时W确定的时间节拍遍历预先确定的频率范围。此外，可W调节 激光器2的功率。因为激光器2的功率随着波长而变化，所W通过禪合输出，激光器2的功率 通过信号线路20传输到控制单元14上并且由控制单元14监视。由此，可W避免激光源2的强 度波动，W便防止所测量的IR射束的强度中的变化也受激光强度波动影响。替代地，可W根 据所测量的激光强度标准化所检测的IR信号。
[0071] 分析处理单元14在实施测量过程时通过另一信号线路19控制微扫描器6。此外，可 W将由测量设备1求取的测量数据显示在显示器16上。事先求取的参考谱存储在存储单元 15中。
[0072] 对于激励源的每一个所遍历的频率区间，分析处理单元14读取所激励的IR射束的 由红外面式传感器13检测的强度，从而对于所述多个测量点中的每一个测量在所激励的波 长上的强度变化过程。分析处理单元14可W由所述强度变化过程对于每一个测量点求取所 检测的IR射束的峰值和相应峰值的强度。在本发明的意义上的术语"峰值"也包括吸收峰 值，在所述吸收峰值处所检测的IR射束的所测量的强度回退。
[0073] 通过运种方式，分析处理单元14例如可W在9.6WI1处求取主吸收峰值的位置和高 度，如在图4中所示的那样。
[0074] 然后，通过比较所测量的值与存储在存储单元15中的参考曲线可W确定葡萄糖浓 度。
[0075] 为了改善测量精度，分析处理单元14比较所有测量点的各个测量序列。对此，例如 可W在各个测量部位上对于每一个所遍历的波长范围比较IR射束的所测量的强度值的波 动。运例如可W通过在所有测量部位上取平均值W及随后确定每一个测量部位与平均值的 偏差来实现。由此可W辨识和消除位置误差和谱误差。如果在一个测量部位处或在多个测 量部位处所测量的IR射束的强度与所述测量部位中的大多数相比显著偏差，则在D-葡萄糖 浓度的确定时不考虑相应的测量值。
[0076] 图2示出本发明的另一个实施例。在此，仅仅放大地示出测量设备1的传感器装置， 因为其他部件相应于图1中的部件。
[0077] 与图1中的测量设备不同，图2中的传感器设备包括附加的光学格栅22,所述附加 的光学格栅设置用于将在身体表面中产生的IR射束的不同波长范围成像到IR面式传感器 13的不同列上。因此，如此实现所检测的IR谱的谱分解，使得IR面式传感器13的行分别分配 给身体表面上的不同测量部位，而不同的波长范围成像到面式传感器13的不同列上。
[007引运在图2和3中对于面式传感器13的前=行23、24和25示例性地示出。
[0079] -个确定的列的所有测量值相应于在一个波长或者一个波长范围中测量的IR信 号的强度。第一列的所有像素分别相应于在波长Al的情况下所检测的IR强度值，第二列的 所有像素相应于在波长A2的情况下所检测的IR强度值，第=列的所有像素相应于在波长A3 的情况下所检测的IR强度值，等等。
[0080] 通过借助光学格栅22的附加的谱划分，不再能够如在图1的实施例中那样二维地 在面式传感器13上对测量部位进行位置分辨。因此，在其射到格栅22上并且由所述格栅22 谱分解地成像到面式传感器13的相应行上之前(未示出），通过光学方式平均测量面的一行 的各个测量部位的所测量的强度值。
[0081] 图3中的曲线1_23相应于面式传感器13的第一行23的所测量的IR谱并且示出主峰 值Pl_23和在约扣m处的第二峰值P2_23，所述主峰值相应于9.6WI1处的吸收峰值，所述第二 峰值相应于巧光峰值。
[0082] 在图3中的简化示图中也增大地示出吸收峰值Pl_23,尽管其相应于所检测的强度 的回退。
[0083] 行24和25的所检测的强度谱1_24和1_25示出与第一行23的谱类似的、但不完全相 同的变化过程。
[0084] 现在，分析处理单元14可W分析所检测的吸收谱的各个峰值。在此，作为错误测量 剔除具有与在所有行上的平均值的显著偏差的行，W便提高葡萄糖浓度确定的精度。此外， 可W将具有显著不同于参考曲线的峰值结构的所测量的峰值结构(例如峰值的数量和高度 比例）的行辨识为局部错误测量。可W借助相关性分析来比较峰值结构。
[0085] 如果例如一行包含在波长祉m处的而不是所预期的扣m处的巧光峰值，则分析处理 单元可W将相应的测量序列分类为测量错误，并且在葡萄糖浓度确定时不考虑运些数据。
[0086] 根据图2中的实施例的传感器设备包括另一 IR光电二极管26,其测量在测量部位 的整个面上的红外射束作为平均值。对此，从测量部位测量的IR射束通过分束器27引导到 光电二极管26上。IR光电二极管26用于溫度测量W 修正在测量部位处检测的IR信号的由溫 度决定的波动。
[0087] 图6示出根据另一实施例的测量设备的示意性框图。根据所述实施例，调制由激励 源2发射的信号。在此，优选红外范围中的较长波长的载波信号保证实现到上皮肤层中的所 期望的侵入深度，而经调制的信号附加地能够实现色散角的分析处理。
[0088] 与图1中的实施例不同，所述测量设备包括另一镜29, W便能够实施干设测量。在 此，来自于激光源2的激光光线的一部分通过半透明的镜10引导到镜29上，在那里被反射并 且然后垂直地成像到面式传感器13上。与此相反，来自于激光源2的激光光线的一部分禪合 输入到指尖9中。在指尖9中激励的射束被引导回镜10并且由所述镜同样成像到面式传感器 13上。所述两个成像到面式传感器13上的光束在面式传感器13上干设W形成干设图（未示 出）。由所述干设图可W计算折射率，其具有对于葡萄糖而言特有的值。借助所述附加的测 量变型方案可W进一步提高测量精度。
[0089] 本发明的在先前的说明书和附图和权利要求中公开的特征不仅可W单独地而且 可W组合地对于本发明在其不同构型中的实现是有意义的。
【主权项】
1. 一种测量设备（1)，其用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度，所述测量设备具有 a) 至少一个激励源(2)，其用于产生电磁射束， b) 耦合输入装置(5-8)，其设置用于将由所述激励源(2)发射的射束耦合输入到测量对 象的身体表面中， c) 传感器装置（13)，其设置用于检测通过所述激励源（2)在所述身体表面中耦合输入 的射束激励的红外（IR)射束， 其特征在于， d) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源（2)发射的射束平面地在多个测 量部位处耦合输入到所述身体表面中， e) 所述传感器装置（13)设置用于在多个测量部位处检测在所述身体表面中产生的IR 射束。2. 根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述激励源（2)是用于产生VIS范围 和/或IR范围中的电磁射束的可调谐的激励源，并且所述测量设备（1)设置用于在测量过程 期间在预先确定的谱范围中调谐所述激励源(2)。3. 根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述耦合输入装置(5-8)包括扫描 单元(6)，所述扫描单元设置用于按时间顺序地照射耦合输入面的多个测量部位。4. 根据权利要求2或3中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述传感器装置（13)包括IR面式传感器、优选IR-CCD传感器，用于检测在所述测量 部位处发射的IR射束，和/或 b) 在不同测量部位处产生的IR射束分别成像到所述IR面式传感器的不同区域上。5. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于分析处理单元（14)，所述 分析处理单元用于根据所检测的IR射束并且根据所存储的参考谱来确定血液参数值、优选 D-葡萄糖浓度。6. 根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于， a) 在预先确定的谱范围中调谐所述激励源的情况下，对于所述测量部位中的每一个测 量部位，所检测的IR射束分别成像到所述IR面式传感器(13)的不同区域上以测量在所调谐 的谱变化过程中的强度变化过程， 和/或 b) 所述分析处理单元设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平均值来辨识适于所 述D-葡萄糖浓度的确定的测量部位。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述传感器装置(13)具有光谱仪，和/或 b) 所述传感器装置包括光学格栅(22)，所述光学格栅设置用于将在所述身体表面中产 生的IR射束的不同波长范围成像到所述IR面式传感器（13)的不同列上，其中，所述IR面式 传感器的行(23,24,25)分别分配给所述身体表面上的不同测量部位，和/或 c) 所述分析处理单元（14)设置用于通过与参考谱的比较和/或通过取平均值来辨识以 下行:所述行的所检测的IR强度值适于所述D-葡萄糖浓度的确定。8. 根据权利要求5至7中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述分析处理单元（14)在所检测的IR射束的峰值处求取相应峰值的波长和/或相应 峰值的强度，和/或 b) 所述分析处理单元（14)求取所检测的IR射束的峰值与预给定的参考曲线的相应峰 值的强度比例，和/或 c) 所述分析处理单元（14)在所述IR射束的峰值的波长与所述参考曲线的峰值的预给 定的特有波长之间求取波长一致性，和/或 d) 所述特有波长相应于D-葡萄糖吸收峰值的波长。9. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 由所述激励源(2)发射的信号是经调制的，以及 b) 所述分析处理单元(14)设置用于根据所述经调制的信号确定色散角。10. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述传感器装置包括IR 光电二极管(26)，其检测通过所述激励源(2)在所述身体表面中耦合输入的射束激励的IR 射束以构造参考信号，以便修正在所述测量部位处检测的IR信号的由温度决定的波动。11. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 所述耦合输入装置(5-8)包括测量头(8)，所述测量头的形状匹配于测试对象的下指 尖或上指尖、脚踵和/或耳垂，和/或 b) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于在执行测量过程之前求取所述测试对象的下指尖 或上指尖、脚踵或耳垂是否定位在所述测量头(8)上的预先确定的区域中，和/或 c) 所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源(2)发射的射束通过光纤束(7)或 通过光学器件平面地耦合输入到所述身体表面中。12. 根据以上权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于， a) 由所述激励源(2)产生的电磁射束位于250nm至30000nm的范围中，和/或 b) 所述可调谐的激励源（2)能够通过预先确定的谱范围来调谐，所述预先确定的谱范 围包括D-葡萄糖-吸收带中、优选IR范围中的一个或多个峰值，和/或 c) 所述激励源（2)是可调谐的量子级联激光器，其中，所产生的射束位于Ιμπι至30μπι的 范围中、优选7μηι至14μηι的范围中。13. -种根据以上权利要求中任一项所述的测量设备（1)的应用，其用于非侵入性地测 量所述D-葡萄糖浓度。14. 一种用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度的 方法，所述方法包括以下步骤： a) 产生电磁射束， b) 将所产生的射束耦合输入到测量对象的身体表面中， c) 检测通过在所述身体表面中耦合输入的射束激励的IR射束， 其特征在于， 将所产生的射束平面地在多个测量部位处耦合输入到所述身体表面中。15. 根据权利要求13所述的测量方法，其特征在于，在测量过程期间在VIS范围和/或IR 范围中的预先确定的谱范围中调谐经耦合输入的电磁射束。
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量原始数据以确定血液参数、尤其以非侵入性地确定D-葡萄糖浓度测量方法和测量设备。测量设备(1)包括用于产生电磁射束的激励源(2)；耦合输入装置(5-8)，其设置用于将由所述激励源(2)发射的射束耦合输入到测量对象的身体表面中；传感器装置(13)，其设置用于检测通过激励源(2)在所述身体表面中耦合输入的射束激励的红外(IR)射束。所述耦合输入装置(5-8)设置用于将由所述激励源(2)发射的射束平面地在多个测量部位处耦合输入到所述身体表面中，所述传感器装置(13)设置用于在多个测量部位处检测在所述身体表面中产生的IR射束。
【IPC分类】A61B5/00, A61B5/145
【公开号】CN105491949
【申请号】CN201480036498
【发明人】R-D·克莱因, M·赖希尔, D·埃伯特
【申请人】Sms瑞士医学传感器股份公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月23日
【公告号】DE102013010611A1, EP3013228A1, US20160143564, WO2014206549A1
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