本發(fā)明涉及一種用于對軀體內(nèi)血管中流動的血液的特性進行非侵入式光學體內(nèi)測量的方法。流動血液特性的測量指的是例如確定血液成分的濃度，例如葡萄糖濃度、血紅蛋白濃度亦或血液的氧飽和度。但按照本發(fā)明的方法也涉及測量軀體內(nèi)流動的血液的溫度。在此，在本發(fā)明的背景中有借助光、例如激光輻射通過分析反向散射的光進行光學分析，其中，借助于脈動式超聲波輻射“標記”測量的位置，即血管。在此，例如激光光源的光射入到軀體內(nèi)并且通過測量和分析反向散射的散射光以最不同的方法來確定尋求的參數(shù)。在此，通常使用可見區(qū)域和紅外區(qū)域中的電磁輻射(例如激光輻射)，因為活體組織對在約550nm至1000nm之間的電磁輻射基本上是透明的(生物學窗)。借助超聲波輻射定位測量位置基于超聲波場與血液或組織的相互作用。超聲波場通過與血液和組織的相互作用引起光學特性、尤其是反射能力或散射能力的改變。這實現(xiàn)利用超聲波輻射的頻率調(diào)制反向散射的光，使得在分析過程中能夠提取經(jīng)調(diào)制的分量。

背景技術(shù)：

例如由EP1601285B1已知一種這樣的用于利用超聲波定位光學測量流動血液特性的方法。超聲波輻射聚焦在中央血管內(nèi)部，并且用于超聲波輻射的固定脈沖長度和重復(fù)時間被預(yù)先設(shè)定。此外，光源以及相鄰的用于在血管上方的皮膚表面上檢測反向散射的光的探測單元這樣定位，使得光源與探測單元的多數(shù)光接收器之間的距離與檢驗的血液組織的深度一致。用至少兩個離散的光波長照射目標組織，并且測量反向散射的光并且在探測器表面上大量超聲波脈沖匯集。在考慮超聲波焦點的有助于信號的體積和血液速度的情況下，能夠由所確定的值計算血管中的濃度。在此重要的是，超聲波場聚焦在測量位置上也就是在血管上，因為以這種方式實現(xiàn)源定位。

在DE102006036920B3中描述了一種用于測量脈動血液中葡萄糖濃度的方法，其中，在每個測量周期內(nèi)，通過至少兩個射入的NIR波長多次檢測血液的透射能力和/或散射能力，并且計算與血糖濃度相關(guān)的指示值，并通過將該指示值與事先確定的校準表進行比較來確定血糖濃度。在此，選擇在1560nm至1630nm波長范圍內(nèi)的第一波長，以及選擇在790nm至815nm波長范圍內(nèi)的第二波長，計算所述兩個波長的透射能力和/或散射能力之比，其中，該比例與血液溫度有關(guān)地被用作用于從所述校準表中讀取血糖濃度的指示值。在此重要的是，盡可能精確地確定血液溫度。

在此背景下，DE102008006245A1描述一種用于非侵入式光學確定介質(zhì)、尤其是含水介質(zhì)的溫度的方法，其中，利用紅外線和/或可見光在位置取決于介質(zhì)溫度的吸收線范圍內(nèi)對所要檢驗的介質(zhì)進行照射，并且測量吸收線范圍內(nèi)的光的吸收并通過與校準數(shù)據(jù)進行比較來由該測量確定溫度。在此重要的是，利用至少兩個在所述吸收線范圍內(nèi)位于吸收最大值不同側(cè)上的離散光波波長照射所述介質(zhì)，并且根據(jù)所確定的兩個吸收值相互間的比率或函數(shù)關(guān)系確定至少一個與溫度有關(guān)的測量值或與溫度有關(guān)的測量函數(shù)，以及根據(jù)該測量值或該測量函數(shù)通過與先前所記錄的校準數(shù)據(jù)進行比較來確定溫度。在該光學溫度測量中也可以借助脈動式超聲波輻射標記軀體內(nèi)的測量位置，例如血管。

“超聲波標記”的原理在非侵入式光學測量流動血液特性中原則上已被證明。然而，該方法可進一步改進以優(yōu)化測量的質(zhì)量。這里使用本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法可以實現(xiàn)改進對軀體內(nèi)血管中流動的血液的特性進行的體內(nèi)測量。

為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明教導(dǎo)一種用于對軀體內(nèi)血管中流動的血液特性進行非侵入式光學體內(nèi)測量的方法，例如用于確定血液成分的濃度，

其中，用具有超聲波頻率(f_US)的超聲波輻射輻照軀體以便標記血管，

其中，用具有至少一個光波長的光照射具有血管的軀體，并且用探測器檢測反向散射的光，

其中，利用如下頻率f_MG調(diào)制在血管外由軀體反向散射的光分量，該頻率對應(yīng)于超聲波輻射的頻率f_US，

其中，由于與流動的血液的多普勒效應(yīng)而利用以多普勒頻移f_D偏移的頻率f_MB調(diào)制在血管內(nèi)反向散射的光分量，并且

其中，利用分析單元從探測器處測量的探測信號中提取利用偏移頻率f_MB調(diào)制的信號分量。然后，由該信號分量確定血液特性，例如血液成分的濃度亦或血液的溫度。

本發(fā)明首先從已知的如下認識出發(fā)：可以用光學方法非侵入地和體內(nèi)地測量軀體內(nèi)流動的血液的特性，同時借助超聲波輻射實現(xiàn)測量位置的標記。在已知的現(xiàn)有技術(shù)中，在分析過程中提取利用超聲波輻射的頻率調(diào)制的整個光分量，而且與光事實上是否從血液或可能從鄰近的組織中反向散射無關(guān)。因此，這在現(xiàn)有技術(shù)中之所以可能是因為超聲波輻射聚焦到血管上，使得在血管外反向散射的經(jīng)調(diào)制的光分量應(yīng)該很小。因此，該方法的結(jié)果尤其與超聲波輻射的聚焦有關(guān)，因為當借助超聲波輻射也調(diào)制血管外的組織時，測量信號將失真。

與此相反，通過按照本發(fā)明的方法保證：事實上僅反向散射的光的如下光分量進入到分析中，該光分量事實上從血液中反向散射。在此，本發(fā)明從如下認識出發(fā)：利用不同的調(diào)制頻率調(diào)制一方面由流動的血液以及另一方面由包圍的組織反向散射的光分量。在包圍的組織中，調(diào)制頻率f_MG等于超聲波頻率f_US。然而，在流動的血液中由于多普勒效應(yīng)利用改變的頻率f_MB進行調(diào)制。調(diào)制頻率f_MB由于血液運動以多普勒頻移的頻率f_D不同于超聲波頻率f_US：

f_MB＝f_US±f_D。

在超聲波回聲中記錄的多普勒頻移f_Decho如下定義：

f_Decho＝(2V_B·f_US·cosΦ)/_US

與調(diào)制頻率的變化密切相關(guān)的多普勒頻移f_D大約是超聲波回聲-多普勒頻移的二分之一(f_Decho＝2f_D)。這由下面的方程式得到：

f_D＝(v_B·f_US·cosΦ)/v_US

在此，f_US是超聲波頻率、f_D是血液中的多普勒頻移、f_Decho是超聲波接收器中的多普勒頻移、V_B是血液速度、v_US是血液中超聲波的速度以及Φ是血液運動方向與超聲波之間的角度。

因此，按照本發(fā)明在使用多普勒效應(yīng)的情況下實現(xiàn)精確的血管定位，而且與是否利用聚焦的超聲波輻射工作無關(guān)。雖然在已知的現(xiàn)有技術(shù)中已使用了多普勒效應(yīng)，然而在那里僅用于準備測量，根本不是為了定位測量位置。這在本發(fā)明的范圍內(nèi)用相似的方式也是可能的。為了找到血管，脈動式超聲波在相應(yīng)的角度下射入到血管上方的組織中，并且分析超聲波回聲。通過分析超聲波回聲，在深度采樣過程中可以首先找到并定位血管。然而不同于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明并不局限于在找到血管過程中利用多普勒效應(yīng)，而是多普勒頻移的影響也進入光學測量的分析中。因為在光學測量的分析過程中，不僅提取利用超聲波輻射的頻率調(diào)制的光分量，而且僅精確地提取利用以多普勒頻移偏移的頻率調(diào)制的光分量，原因在于僅這些光分量源于運動的血液內(nèi)部的散射。因此，對從血液中反向散射的光子流的分量進行精確的隔離。

因此，反向散射的光包括來自整個組織的完全未經(jīng)調(diào)制地反向散射的光子流、來自利用超聲波輻射加載的組織的利用超聲波頻率調(diào)制的光子流以及利用偏移頻率調(diào)制的事實上從流動的血液中反向散射的光子流。通過合適的分析，最后的分量可以從信號中提取并且用于確定所希望的血液特性。

因此，按照本發(fā)明的方法的特征在于非常好的信噪比。實現(xiàn)對運動的血液中反向散射的光分量的精確隔離，而不強制地必須利用聚焦的超聲波輻射工作。此外，這也能在簡單的儀器構(gòu)造中實現(xiàn)。事實上重要的是可以利用簡單的探測器工作，因為探測器在光頻率方面既不必進行位置分辨地又不必進行頻率分辨地測量。利用該探測器僅可以測量強度以及因此僅可以測量光子流。不需要分析反向散射的光的頻率亦或相分析。然而，以所述方式就頻率而言進行分析，利用該頻率調(diào)制基于超聲波輻射的光。因此，本發(fā)明的特征在于優(yōu)化源定位和改進信噪比，而沒有提高儀器的費用。

利用按照本發(fā)明的方法可以體內(nèi)測量軀體內(nèi)流動的血液的不同特性。在此，這例如是確定在流動的血液中的葡萄糖濃度。在此，例如可采用來自DE1020160360920B3或EP1601285B1的認識。同樣可以考慮確定血紅蛋白濃度或血液的氧飽和度(參考例如EP1601285B1)。替代地或補充地，也可以利用按照本發(fā)明的方法確定軀體內(nèi)流動的血液的溫度。在此，可采用來自DE102008006245A1的認識。與使用何種光波長以及然后用何種方式由光學測量確定所希望的測量值無關(guān)，按照本發(fā)明總是可以以所述方式提取重要的從流動的血液中反向散射的光分量，從而優(yōu)化相應(yīng)的分析。

優(yōu)選地，在本發(fā)明的范圍中也利用聚焦的超聲波輻射工作。然而利用未聚焦的超聲波輻射工作同樣在本發(fā)明的范圍中，因為也在這種情況中出于所解釋的原因而可以精確提取所述重要的光分量。優(yōu)選地，利用具有預(yù)先設(shè)定的脈沖長度和重復(fù)時間的脈沖式超聲波輻射輻照軀體。在此，在探測器處在以一延遲而時間偏移的時間窗中測量光強度。該時間窗對應(yīng)于脈沖長度，其中，光強度在該時間窗內(nèi)匯集。該操作方式能夠?qū)崿F(xiàn)在重要的區(qū)域上減少測量范圍以及尤其是明顯減少接收數(shù)據(jù)的量，因為所述測量被限制在這種時間窗上，在該時間窗中超聲脈沖到達血管。

如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣適宜的是，首先利用超聲波裝置在測量的準備階段定位血管。為此，一方面使用超聲波源，另一方面使用超聲波接收器，其中，該超聲波接收器分析超聲波回聲。由于(可聽見的)多普勒頻移，在深度采樣過程中能夠找到血管，使得然后所述測量可以集中在該區(qū)域。特別優(yōu)選的是，在此以原則上已知的方式使用超聲換能器，因此，該超聲換能器同時是超聲波源和超聲波接收器。

此外為了優(yōu)化分析而適宜的是，進行無光射入的基準測量以及在分析過程中考慮該基準測量。

尤其優(yōu)選使用至少一個激光器作為光源，該激光器例如產(chǎn)生具有預(yù)先給定波長的單色聚合連續(xù)的激光。在此，原則上使用已知的波長，該波長對于相應(yīng)的光學測量是適宜的并且由現(xiàn)有技術(shù)原則上是已知的。在此對于相應(yīng)測量也可以適宜的是，射入多個不同的波長以及必要時利用多個激光源工作。如果例如應(yīng)該確定葡萄糖濃度，那么提供至少兩個一方面在1560nm至1630nm、另一方面在790nm至815nm波長范圍內(nèi)的波長的輻射(參考DE102006036920B3)。在確定血紅蛋白濃度或氧飽和度的情況中可以考慮其他的波長(參考例如EP1601285B1)。在溫度測量的情況中，可以考慮在水的相應(yīng)吸收線的范圍內(nèi)的波長，其中，可以例如在970nm左右的水吸收線范圍內(nèi)工作(參考DE1020080062451)。

附圖說明

下面借助示出一個實施例的僅一個附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

該唯一的圖示意性地示出用于實施所述方法的裝置。

具體實施方式

在該圖中示出具有血管2的軀體1以及鄰接血管的組織3。為了非侵入式光學測量血液特性，設(shè)置激光器單元4、超聲波單元5、探測器單元6以及控制及分析單元7。利用具有至少一個波長的光的激光器單元4照射具有血管2的軀體1。利用探測器單元6檢測反向散射的光。該探測器單元6僅測量強度，也就是說，在探測器處在不進行位置分辨或頻率分辨的情況下確定反向散射的光子流。射入的激光的波長與應(yīng)用有關(guān)以及因此與應(yīng)該分析何種血液特性或成分有關(guān)。

按照本發(fā)明，用具有超聲波頻率f_US的超聲波輻射輻照軀體1以便標記血管2。由于超聲波輻射與血液或組織的相互作用，反向散射的光強度利用超聲波輻射的頻率進行調(diào)制。在此，具有特別重要意義的是如下事實：在血管2外，也就是說在鄰接的組織3中，反向散射的光分量利用頻率f_MG進行調(diào)制，該頻率恰好對應(yīng)于超聲波頻率f_US。與此相反，在血管2內(nèi)，反向散射的光分量由于在流動的血液中的多普勒效應(yīng)利用頻率f_MB進行調(diào)制，該頻率相對于超聲波頻率f_US以多普勒頻移f_D偏移。

因此在圖中表示，探測器單元6既實現(xiàn)利用頻率f_MB調(diào)制的光分量，又實現(xiàn)利用頻率f_MG調(diào)制的光分量。所述利用頻率f_MG調(diào)制的光分量源于組織3中的散射，而利用頻率f_MB的光分量事實上源于血管2內(nèi)的散射。但是此外探測器單元6也實現(xiàn)完全未經(jīng)調(diào)制的光分量，因為該光分量來自未與超聲波脈沖相互作用的區(qū)域。

按照本發(fā)明僅提取利用頻率f_MB調(diào)制的并且因此事實上從運動的血液的區(qū)域中反向散射的光子流分量。因此，在光學信號中分析多普勒頻移。整個反向散射的光子流包括一個時間上恒定的組分和兩個經(jīng)調(diào)制的組分，也就是一方面利用頻率f_MG在組織中經(jīng)調(diào)制的組分和另一方面利用頻率f_MB在血液中經(jīng)調(diào)制的組分。

補充地也在探測器處檢測與射入的光無關(guān)的背景噪聲。

利用所述方法的測量可以例如如下實施：

首先尋找血管。為此，脈動的超聲波在軀體1內(nèi)的血管2上方以相應(yīng)的角度Φ射入。軸向地在選定的運行時間內(nèi)進行深度采樣。通過分析超聲波回聲可以定位血管2。最大超聲波回聲與運行時間相對應(yīng)，在該運行時間中超聲波脈沖位于血管中。最大超聲波回聲的運行時間對應(yīng)于超聲波從超聲波換能器途經(jīng)組織到達超聲波接收器所需的一半時間。然后，以此方式分析的超聲波回聲產(chǎn)生例如聲音信號、光信號或類似信號的信號。然后，基于如下延遲設(shè)定觸發(fā)器信號，其中，該延遲與在脈沖產(chǎn)生后最大超聲波回聲的運行時間相對應(yīng)。然后，該觸發(fā)器信號開始下面的光學測量。

為了光學測量，激光射入到軀體1中。探測器數(shù)據(jù)的檢測在經(jīng)設(shè)定的用于最大超聲波回聲信號的時間窗中進行。以此方式保證，測量的時間間隔以及因此接收的數(shù)據(jù)也限制在如下時間范圍內(nèi)，在該時間范圍內(nèi)事實上也預(yù)期借助超聲波脈沖在血管范圍內(nèi)進行調(diào)制。通過接收由激光輻射反向散射的光的測量過程包括在時間窗中利用探測器進行的一系列重復(fù)的光學接收。以此方式，從超聲波頻率(MHz范圍)的光學信號中提取低頻率-多普勒頻移(在Hz、KHz范圍內(nèi)的可聽見的頻率)的光學信號。在測量過程內(nèi)的重復(fù)過程中連續(xù)地射入激光輻射，也就是說，在重復(fù)過程中保持接通激光器。在進行測量后，激光器斷開或激光輻射結(jié)束。

為了能夠提取背景噪聲，該測量過程也無激光輻射地重復(fù)。如果為了特定測量利用多個波長工作以及例如使用多個激光器，必要時可以重復(fù)單個步驟。

在分析過程中現(xiàn)在考慮，到達探測器的信號(也就是說光子流)除了與激光無關(guān)的背景噪聲外包含未經(jīng)調(diào)制的分量和因此一個時間上持續(xù)的組分(直流值)。此外，該信號包含兩個經(jīng)調(diào)制的分量和因此兩個“交流組分”。其中一個經(jīng)調(diào)制的分量源于來自組織的反向散射。該分量利用頻率f_MG調(diào)制，該頻率恰好對應(yīng)于超聲波輻射的頻率f_US。因此，來自組織的靜止部分的分量周期性地利用兆赫茲數(shù)量級的超聲波頻率f_US調(diào)制。此外，第二經(jīng)調(diào)制的分量進入探測器，其由于在流動的血液中的多普勒頻移利用偏移的頻率f_MB進行調(diào)制。因此，頻率f_MB以多普勒頻移f_D偏離超聲波頻率f_US(f_MB＝f_US±f_D)。由于血液的脈動，探測赫茲和千赫茲數(shù)量級的多個低頻率的混合。以此方式，提取源于血管中散射的信號分量并且從中以已知的方式確定相應(yīng)的血液特性，例如特定血液成分的濃度亦或溫度。

因此，按照本發(fā)明的裝置以原則上已知的方式由超聲波元件5、至少一個光源4(例如激光光源)和探測器單元6以及尤其是控制和分析單元7組成，其中，控制和分析單元7以按照本發(fā)明的方式適配。超聲波單元5產(chǎn)生超聲波輻射，其中，該超聲波輻射不必一定要聚焦。超聲波單元發(fā)射出脈沖信號。除了超聲波源外，超聲波單元6也具有一個或多個接收器，該接收器接收在設(shè)定的時間窗中觀察的信號。超聲波發(fā)射器和超聲波接收器也可以組合成一個共同的換能器。優(yōu)選使用激光光源作為光源4，該激光光源產(chǎn)生具有希望波長的連續(xù)單色聚合的光。因此優(yōu)選是連續(xù)波激光器。

探測器單元6具有一個或多個探測器，這些探測器串聯(lián)或并聯(lián)地彼此連接并且非常簡單地探測從軀體中發(fā)出的光。在此，放棄在探測器中進行位置分辨的測量和頻率分辨的測量。僅進行光強度的測量。

控制分析單元7首先控制超聲波單元5。該控制分析單元設(shè)定時間窗并且產(chǎn)生用于開始和結(jié)束光學接收的觸發(fā)器信號。該控制分析單元也可以接通或斷開激光器4，或者說開始或結(jié)束激光輻射。該控制分析單元也實施測量和分析算法，并且用于相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)(增強、過濾等)。然后，借助控制分析單元7也進行將未經(jīng)調(diào)制和經(jīng)調(diào)制的分量從探測器信號中分離。在此，可以采用原則上已知的用于從高頻混合信號中隔離出低頻率的傳統(tǒng)方法，例如傅里葉分析。