用于光谱检查活组织的测量系统的制作方法

本发明涉及一种用于光谱检查活组织的测量系统，其具有带有两个位于壳体一侧的壳体开口的壳体、一个或多个布置在壳体中的光学辐射源和一个或多个布置在壳体中的光学辐射探测器，其中，辐射源和光学辐射探测器分别配置给壳体开口，其中，在辐射源和辐射探测器之间不存在壳体内部的光学连接。此外，本发明涉及一种用于使用测量系统的方法。

背景技术：

对活组织的光谱检查能够观察静态的和动态的组织特性及其相关的生理过程。已知的用于将光谱方法应用在分析和医学领域中的实例是对人的不同的生理学参数的氧计量的和/或光谱学的确定。

典型的用于所提及的应用的测量系统具有一个或多个辐射源以及一个或多个辐射探测器。辐射源和辐射探测器的具体的实例是led和光电二极管。辐射源照射待检查的组织，并且由所述辐射源发射的射束被组织接收、散射、反射或透射。在此，辐射探测器的任务在于，测量组织的吸收特性、反射特性和/或透射特性。us2016/0061726a1例如公开了所述测量系统。

在理想情况中，测量到的信号的改变仅仅由于所检查的组织的生理学特征的改变引起。然而在实际的测量中测量系统的其他因素、例如环境参数或操作条件可以影响探测到的测量信号。正如生理学特征可以是动态性质的测量信号的改变，例如当辐射源在运行期间发热并且由此改变发射的射束的强度。

与测量系统相关而与组织的生理学改变不相关的所述改变必须被最小化，以便获得可靠的和无误的测量结果。否则使测量的精度和准确性变差。

技术实现要素：

因此，本发明任务在于，开头所提及的测量系统进一步改进如下，使内部的和外部的干扰影响最小化和/或能够被探测并且由此可以在评估测量结果以及非创伤性地确定至少一个生理学参数时被可靠地考虑，其中，所述测量系统在此能够灵活地用于不同的人和应用地点并且此外应该能用作在上级测量系统中的模块。因此，不仅紧凑的结构、在不同的组织表面上的可应用性以及容易的清洁是值得期待的，以便满足医学领域中的卫生要求。

为了解决该任务，本发明从一种开头所述类型的测量系统出发提出，在壳体中布置光学参考传感器，并且从辐射源至参考传感器存在用于传输参考信号的直接的光学连接通道。

由此可以借助参考传感器同时地并且连续地相对于辐射探测器的测量值测定在很大程度上不受干扰的参考值并且被考虑用于评估测量结果。由运行引起的、辐射源强度的波动由此可以被滤除并且不再使用于分析组织的测量结果失真。

符合目的地，壳体的内表面设置有吸收光的黑色层。通过所述措施使发射到组织中的射束不会由于在壳体的内壁上的反射和散射而受影响。此外，由此降低由组织反射回到的壳体中的光可通过在壁上反射和散射而到达参考传感器的概率。

特别有利的是，壳体开口以至少部分地透明的层覆盖。由此避免污物能进入到壳体中。此外，壳体的与组织接触的面可以特别容易地清洁。基于透明地构造的层大多数情况基本上不影响测量本身。

本发明的一个另外的符合目的的进一步方案设置，所述透明的层光学具有滤波元件。所述透明的层可以例如这样构造，以使得该层仅仅在一个方向上是透明的。由此可以强制确定的光学辐射路径，从而例如避免射束从组织反射回到辐射源。

此外有意义的是，测量系统具有一个或多个温度传感器。温度传感器可以例如实现ntc热敏电阻。通过所述措施可以补偿其他的干扰影响和/或将所述干扰影响更准确地分类。例如可以考虑由于被贴靠的组织以及由于周围环境对测量系统变热的影响。为了实现特别适合于检查生理学参数的测量结果而符合目的的是，辐射源设置用于发射在可见的和/或近红外的波长范围内的射束。通过在所述波长范围内的射束可以实现特别有效的测量结果。同时不损害所述组织。

特别有利的是，连接通道的高度与辐射源和被配置辐射源的壳体开口之间的间距的比例最多为0.5。由此进一步确保，参考传感器仅仅测量辐射源的射束而不测量射入的外界光或由组织反射回的光。

一个另外的有利的构型设置，壳体例如构造为柔性带。由此，测量系统可以灵活地与不同的组织表面结构适配。微型化的测量系统可以例如集成到手镯或环形件或类似于环的形状中。辐射源和参考传感器之间的直接的光学连接可以例如通过光导纤维线缆实现，从而辐射强度的参考测量也是可能的，当例如在该实施方式中在辐射源和参考传感器之间不存在直的光路时。

特别是在具有柔性带以及由此对不同的组织结构的适配性的构型中，同样可能的是，微型化的测量系统在不同的组织类型或身体部分上移动并且在此连续地接收测量数据，以便例如检查组织类型之间的差别。

附图说明

下面根据附图详细地说明本发明。附图中：

图1示意性地示出根据现有技术的测量系统；

图2示意性地示出根据本发明的在第一实施方式中的测量系统的截面图；

图3示意性地示出根据本发明的在第二实施方式中的测量系统的截面图；

图4示意性地示出根据本发明的在第三实施方式中的测量系统的截面图；

图5示意性地示出根据本发明的在第四实施方式中的测量系统的截面图；

图6示意性地示出根据本发明的在第五实施方式中的测量系统的截面图；

图7示意性地示出根据本发明的在第六实施方式中的测量系统的截面图。

具体实施方式

由现有技术已知的测量系统在图1中以附图标记1示出。测量系统1具有壳体2、辐射源3和辐射探测器4。测量系统1用于光谱检查活组织5。在反射光谱学中，辐射源3和辐射探测器4如图1中所示地通常位于平行于待检查的组织5的平面中。例如一个或多个led可以用作辐射源3，并且光电二极管可以用作辐射探测器4。壳体2在其朝向组织5的一侧具有两个壳体开口2a，2b，射束可以通过所述壳体开口从壳体2射出以及射入所述壳体中。

如同在图1中可以看到的那样，不存在辐射源3的光束至辐射探测器4的直接的路径。如果忽略例如外界光的干扰影响，则由辐射探测器4探测到的光因此必须传播通过组织5。与此相应地，辐射探测器4的信号包含关于被照射的组织5的光学特性的信息。

该测量系统1相对于另外的已知的替代漫反射例如仅仅测量透射的测量系统的主要的区别和优点在于，测量系统1可以原则上应用在身体的任意部位上，因为不存在例如关于待检查的组织5的厚度的几何结构限制。射束从辐射源3至辐射探测器4通过组织5的可能的路径通过在组织5中的方向箭头标出。

然而该测量系统1的缺点在于，该测量系统例如与基于透射的测量系统1相比明显更难于确定辐射源3的强度：由于在图1中所示的测量系统1中不存在直接的从辐射源3至辐射探测器4的光路，也不存在借助现存的辐射探测器4确定用于测量组织的辐射强度的可能性。辐射强度的测量在图1中所示的测量系统中仅仅在使用其他外部的辅助装置、例如反射器的情况下并且仅仅在测量所述组织5之前或之后是可能的。然而这种解决方案使测量系统1复杂化并且此外在测量期间不能探测与时间相关的、辐射源3的强度波动。

图2示意性地示出根据本发明的第一实施方式。在壳体2中设置光学参考传感器6。参考传感器6设置用于在测量过程期间连续地测量辐射源3的辐射强度。为此设置在辐射源3和参考传感器6之间的连接通道2c。连接通道2c构造为尽可能没有外部的干扰影响使辐射源3的光信号失真，所述连接通道特别是设计为使得没有射入的外界光或由组织反射回到辐射源的光影响测量到的光信号。在测量过程期间，辐射探测器4和参考传感器6被并列地读取。以所述方式能实现同时测定组织特性和辐射源3的辐射功率。然后测量组织特性的辐射探测器4的信号可以基于参考传感器6的信号被标准化，从而可以补偿例如由于温度改变引起的、辐射源3的辐射强度波动。

参考传感器6可以在此如图2中所示地位于辐射源3和辐射探测器4之间，然而这不是强制要求的，并且参考传感器的另外的定位是可能的，此外实现在辐射源3和参考传感器6之间的连接通道。

原则上，不仅辐射源3、辐射探测器4和参考传感器5的数量而且其布置可以与相应的要求相匹配。一个对于测量系统的设计方案重要的主要方面是辐射源3和辐射探测器3之间的间距，因为通过所述间距预给定射束到组织中的典型的射入深度，所述射束到达探测器。如果不仅接近表面的组织层而且位于较深位置的层要被检查，则需要在辐射源3和探测器4之间的一定的间距。在这种情况中，本发明的所示的实施方式能实现特别高效地利用由测量系统占据的空间并且由此实现特别紧凑的结构方式，因为参考传感器6可以节省空间地放置在辐射源3和辐射探测器4之间。

替代led也可以例如使用激光器(例如呈激光二极管形式)作为辐射源3。辐射源3在模块内部的几何布置同样不是固定的。辐射源3能够例如呈一列地、呈多列地(矩阵式地)、或者半圆形地布置。除了光电二极管以外也可以使用探测器阵列或cmos传感器作为辐射探测器4和参考传感器6。在多个辐射探测器4的情况中，所述辐射探测器能够以不同的布置被使用，例如线性地、矩阵式地或圆形地布置。

图3示出根据本发明的在第二实施方式中的测量系统1。在该实施例中，辐射探测器4和辐射源3位于测量系统1中的印刷电路板(pcb)7中。在pcb7中布置壳体2。壳体具有两个空腔8a，8b。

在pcb7上布置作为辐射源3的多个led3a和作为参考传感器6的光电二极管。led3a和参考传感器6此外共同布置在空腔8a中。光可以通过壳体2的壳体开口2a射入到空腔8a中或者从空腔8a射出。为了使参考传感器6的测量不受射入的外界光或者由组织反射回的光影响而设置隔离体9，借助所述隔离体形成在辐射源3和参考传感器6之间的窄的光学连接通道2c。光学连接通道2c的高度h是重要的系统参数。高度h必须比led3a和壳体开口2a之间的间距a小得多，因为否则从组织5反射回到led3a的光也可以到达参考传感器6。为此符合目的的是，光学连接通道2c尽可能窄地构造。优选地，连接通道9的高度h与led3a和壳体开口2a之间的间距a的比例为最多0.5。在这里示出的实施例中，该比例为大约0.38。

此外，壳体2和特别是空腔8a，8b的壁被涂成黑色，由此射入的外界光在所述壁上不被反射或者在空腔8a中被散射。出于所述原因，pcb7也以黑色的保护漆涂覆，因为所述保护漆由于其颜色同样确保非常好地吸收光。

此外，辐射探测器4布置在pcb7上。所述辐射探测器位于空腔8b中。光可以通过壳体开口2b射入到空腔8b中或者从空腔8b射出。

柔性的线缆10设置在pcb7的背面上，led3a通过所述线缆被提供电流或者控制，并且探测器4，6可以被读取。

空腔8a，8b的壳体开口2a，2b设置有窗11a，11b，所述窗由透明材料构成。窗11a，11b通过不透光材料12彼此分隔开，从而防止led3a的光可以在窗内部被多次反射并且到达辐射探测器4，而不通过组织5。由于窗11a，11b可以特别容易地清洁壳体2的与组织5接触的侧面。

优选地使用生物兼容材料用于壳体2、窗11a，11b和不透光材料12，窗11a，11b通过所述不透光材料连接，因为由此模块的贴靠面对于活组织5是生物兼容的。

所使用的pcb7在该实施例中比壳体2大得多。pcb的突出的部分可以用于借助粘接物或螺栓将测量系统1固定在这里未示出的测量仪中。当选择另外的固定可能性时，pcb7的尺寸也可以被减小到壳体2的尺寸。

在该实施例中示出的测量系统1的尺寸是非常紧凑的。壳体2是仅仅3.8mm高和7.5mm宽。pcb7是12.5mm宽，从而测量系统1由于其紧凑性可以特别好地集成到上一级测量仪。

在测量过程中，将测量系统1放置到组织5上，从而壳体开口2a，2b朝向组织5。接着，led3a通过测量控制调节单元(msr单元，在此未示出)通过柔性的线缆10来控制，并且led3a将射束射入空腔8a中。射束的第一部分通过壳体开口2a和窗11a传导入组织5中，并且射束的第二部分在直接的路径上到达参考传感器6。其余的射束基本上由于在空腔8a的壁上或在pcb7上的黑色涂层而被吸收。发射到组织5中的射束在该组织中传播并且多次被反射。射束的一部分最后通过窗11b和壳体开口2b到达空腔8b中并且可以在那里由辐射探测器4检测。由辐射探测器4测量出的射束由msr单元检测。msr单元同样检测由参考传感器6测量到的值并且可以最后在评估整体检查时考虑所述值。

图4中所示的第三实施例作为图3中所述的实施方式的扩展方案具有在朝向空腔8a，8b的窗口11a，11b上的光学滤波元件以及在led3a和参考传感器6之间的光学连接通道2c中的光学滤波元件。

光学滤波元件13可以例如是包含用于确定的波长或波长范围的增透膜的干涉滤波器或干涉镜。在窗11a，11b的情况中，滤波元件13也可以直接集成到窗11a，11b中。通过滤波器或镜子可以影响确定的波长或波长范围的射束能射入测量系统1的哪个子元件中或者哪个射束能从所述子元件射出。由此，例如由于外界光、光从组织5不期望地漫反射到空腔8a中或者组织5的热辐射(红外线)进入到空腔8a，8b中而引起的干扰可以被减小。滤波功能由在滤波元件13处的方向箭头示出。

在第四实施例中在图5中，测量系统1以另外的辐射探测器4a补充，从而通过所述另外的辐射探测器使测量系统1也能实现透射测量。在透射测量中，通过参考传感器6测量出的、辐射源3的辐射功率可以同样被考虑。指明的是，在该实施例中虽然led3a的强度原则上能够通过另外的辐射探测器4a确定，但是这不能与对组织5的测量并列地进行。因此，在该实施例中单独的参考传感器6的使用也是特别有利的。

图6示出根据本发明的第五实施例。在此，本发明集成到上一级的测量仪中，所述测量仪具有两个侧部分2c，2d。此外，总共三个温度传感器14a，14b，14c集成到测量组件中，其中两个传感器直接集成到测量系统1中。例如可以使用ntc热敏电阻作为温度传感器14。附加的温度传感器14可以在测量系统1内部和外部被使用，以便补偿其他的干扰影响或者将所述干扰影响更准确地分类(例如通过被贴靠的组织5以及通过周围环境引起测量系统1变热的影响)。通过温度传感器14c特别是可以直接测量被贴靠的组织的温度。

为了对其绘图说明，图6中的测量系统1设计用于检查手指5a：温度传感器14a安置在空腔8a中，从而可以确定led3a和辐射探测器4的周围环境的温度。应注意的是，图6仅仅是横截面图，并且温度传感器14a位于壳体的边缘上，从而在led3a和参考传感器6之间的通道在很大程度上保持未被占据的并且由此不消极地影响参考测量。通过温度传感器14a测量出的温度具有多个原因(手指的热辐射、手指5a和壳体2之间的热传导、led3a的热辐射、由于电子元件的运行引起的壳体2变热)。这些原因之间可以通过另外的温度传感器进一步区分，其方式，例如附加的温度传感器14b置入到壳体壁中，所述附加的温度传感器仅仅测量壳体温度。如果此外将温度传感器14c安置在测量系统1外部以用于直接测量手指5a上的温度(热传导)，则可以直接确定手指温度并且由此可以获得关于在系统中出现的热源的附加信息。

图7示出第六实施例，其中，具有柔性的印刷电路(fpc16)的测量系统1被实现并且集成到环形件17中，活组织5、例如人的手指位于所述环形件中。与前述的实施例的主要区别在于，测量系统的部件不是位于一个平面内，而是沿着圆弧定向，其中，通过fpc16也可以实现另外的几何形状(椭圆的区段等)。如果fpc16弯曲到如此程度，以使得在led3a和参考传感器6之间不存在直线的光路，则光导体15可以用于传输光学信号。第六实施例的主要特征是，测量系统1在这个实现方案中可以持久地佩戴在身体上并且由此能够连续地测量或者例如在一定时间间隔内单独地测量。一个可对比的实施方案可以例如以手镯的形式实现。本发明能实现用于被使用在测量系统1中的led3a的不同的运行模式。led3a可以例如以任意的多路复用方法或调制方法运行。在辐射探测器4和参考传感器6上测量到的信号则可以通过相应的解多路复用方法或解调方法分析。用于所述方法具体的实例是在确定的时间段内按顺序激活不同的led3a或者并列地脉冲激发地运行多个led3a，其中，用于各个led3a的脉冲频率是不同的。

壳体2中的空腔8a，8b能够以环境空气填充，辐射探测器4、参考传感器6和辐射源3位于所述壳体中，所述环境空气在制造过程中被封入。替换地，空腔8a，8b可以包含在制造过程中充入的气体、混合气体或者固体材料、例如环氧树脂。在固体材料的情况中，仅仅空腔8a，8b的一部分或各个光学元件也可以为了保护所述元件而以固体材料例如环氧树脂包封。为了填充空腔同样可以使用以氮气防水的并且接着挤压成型的多孔的材料。

附图标记列表

1测量系统

2壳体

2a，b壳体开口

2c光学连接通道

2d，e壳体的侧部分

3，3a辐射源，led

4，4a辐射探测器

5组织

6参考传感器

7印刷电路板(pcb)

8a，b空腔

9隔离体

10线缆

11a，b窗

12不透光材料

13滤波元件

14a，b，c温度传感器

15光导体

16fcp

17环形件

a(led3a与壳体开口2a的)间距

h光学连接通道2c的高度