CN102238901B - 用于光学检测关节状况的光学检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于光学检测关节状况的装置和方法。本发明提出：用光照射包括至少一个关节的对象的身体部位（5）并在至少一个关节处和身体部位（5）的至少一个其他部分处局部地检测光的衰减，其中用于局部地检测光的衰减的采样频率比对象的心跳频率高。

Description

用于光学检测关节状况的光学检测方法和装置

技术领域

本发明涉及用于光学检测关节状况的光学检测方法和装置。

背景技术

在本申请的上下文中，应将术语光理解为非电离的电磁辐射的意思，特别是带有介于400nm和1400nm之间范围内的波长的非电离的电磁辐射。术语身体部位的意思是人或动物身体的部位。术语阻塞既包括完全阻塞又包括在很大程度上阻塞。

一般地，本发明涉及光学检测关节状况，特别是涉及诸如风湿性关节炎（RA）那样的关节疾病的光学检测。对这种关节疾病的治疗是分阶段的。通常，患者首先服用止痛药。随后往往是非甾体抗炎药物（NSAID）和缓解疾病的抗风湿性药物（DMARD）。在很多情况下，用药物治疗的最后阶段是使用生物疗法。最后一类特别昂贵，而且治疗能够使每位患者每年花费数万美元。此外，在较晚治疗阶段中使用的药物经常引起更严重的副作用。对这种关节疾病，医学专家们基于疾病活动在治疗中的变化来得出他们的判断，该疾病活动由发炎关节的数目和严重程度给出。

因为风湿性关节炎是渐恶性疾病，而且早期诊断并开始治疗能够有助于延缓副作用和高治疗花费，因此对用于提供关节状况的令人满意的信息并且辅助医学专家就实际关节状况得出结论的方法和装置存在需求。

在使用提供给患者的非靶性荧光染色剂的依时性测量中已经发现，与正常的健康关节相比较，患病关节中的灌注动态不同。然而，在风湿病学家的临床实践中，多数情况下注入造影剂都是不切实际的。

作为可选方案，已经有人提出使用扩散光学层析成像（DOT）给关节成像，以提供关于它们的状况的信息。在研究项目中，已经凭借压力套袖暂时阻塞了流向身体部位的静脉血，并且已经凭借DOT对单个关节进行了成像。在这些研究中，人们已经发现存在着与风湿性关节炎（RA）的存在相关联的光学参数。

例如，已经知道能够通过灌注中的变化识别发炎。相比人类或者动物身体的其他成分，血液成分特别是含氧的和缺氧的血红素具有截然不同的光学特征，并因此能够基本上被光学地检测到。

欧洲专利申请EP08156917.0中描述了用于检测关节状况的装置和方法。该文献描述了在患者的手臂和手中的血流（部分）阻塞之前、之中和之后，通过分析关节和例如患者的手的其他部位的光谱透射中的变化来测量关节的发炎。使用在患者的手臂周围应用的压力套袖阻塞血流。压力套袖的应用需要时间且要求一些经验，并因此需要额外人员（例如护士）的帮助。延长在患者的手臂周围佩戴充气式套袖的时间会使患者不舒服，并且通过产生血凝块的方式给患者的健康损害带来尽管是非常小的风险。此外，套袖及其所附设备，泵和控制用电子设备，提高了装置的成本，而且包括了具有相对高故障风险的机械部件。

发明内容

本发明的目的是提供用于检测关节状况的装置和方法，该装置和方法在不需要压力套袖的情况下提供关节状况的信息。

该目的是通过根据权利要求1的装置解决的。本发明基于这样的认知，即患者的心跳产生遍布患者的血管系统的压力脉搏。代替通过使用压力套袖阻塞血流的方式在患者的血管系统中产生压力脉搏，由患者自己的心跳产生的压力脉搏也能够被用于确定身体部位对于这种压力脉搏的反应。然而，如果检测基于当前心跳的压力脉搏，那么检测期间的采样率应当比患者的心跳频率高，以给从患者检测到的、心跳调制的光学信号提供适当的采样。因为用于辐射的光的衰减是对两个不同位置（至少其中之一是关节）局部地检测到的，所以能够检测到该至少一个关节相比身体部位的至少一个其他部分的光学属性的差异。能够检测到该至少一个关节相比该至少一个其他部分对于血流变化的响应。在关节发炎期间，关节中的血管（毛细血管）的数量和属性发生变化。这个效应与血液的特定光吸收度一起被用于测量关节状况。由于在不同血流条件下测量的缘故（在由患者的心跳产生的血压脉搏的不同阶段期间，产生了不同的血流状况），能够把血液产生的信号与身体中的其他光衰减源产生的信号分开。由于测量了至少一个关节和身体部位的至少一个其他身体部分（例如紧邻着关节），因此获得了关节特异性的结果，而且在所述关节和所述其他身体部分（诸如脂肪、皮肤等）二者都存在的组织的贡献能够被分开。结果，能够获得对于血液成份变化的关节特异性的信号。可以忽略为了识别身体部位的组成（例如骨骼、脂肪、皮肤等）所做的单独的测量。因此，给医学专家提供了关节状况和/或疾病活动的有价值的信息。

更概括地说，替代对象的心跳频率，还可以使用参考频率，其中对象的心跳频率只是一个例子。另一个参考频率可以是对象的呼吸频率。呼吸频率与心跳频率耦合。因此，可以把呼吸频率用作参考频率。要使用的参考频率的值取决于参考频率是如何与心跳频率耦合的。

根据本发明的装置的实施例特征在于采样频率是对象的心跳频率的至少两倍。这个实施例具有这样的优点：因为这个实施例满足奈奎斯特采样定理，所以在采样期间没有信息丢失。

根据本发明的进一步的实施例特征在于采样频率是至少100Hz，优选地至少120Hz，优选地至少150Hz，优选地至少200Hz，优选地至少250Hz，优选地至少300Hz，优选地至少400Hz。这个实施例具有这样的优点：根据对象的心跳频率，满足奈奎斯特采样定理。当对象放松或者休息时，至少100Hz、120Hz和150Hz的采样频率将通常足以满足采样定理。然而，当对象在锻炼或者他的心跳频率因任何其他原因提高时，可能需要至少200Hz、250Hz和300Hz的采样频率，以满足采样定理。不论对象的实际心跳频率如何，至少400Hz的采样频率都将满足采样定理。因此，就不需要对象的实际心跳频率信息来确保适当的采样。

根据本发明的装置的进一步的实施例特征在于该装置进一步包括用于检测对象的心跳频率的心跳传感器，该心跳传感器与测量单元耦合，以使得基于由心跳传感器检测到的对象的心跳频率确定采样频率。这个实施例具有这样的优点：它提供了把对象的实际心跳频率耦合到获得局部衰减数据的采样频率的简单方法。

根据本发明的装置的进一步的实施例特征在于测量单元包括能够发射具有至少两个不同的波长的光的光源单元。这个实施例具有这样的优点：能够选择第一波长以使得血液对于这个第一波长的光具有更高的吸收度，并且能够选择第二波长以使得对于这个第二波长的光，血液的吸收度更低或者与周围组织相当。因此，提供了有关至少一个关节和身体部位的至少一个其他部分的灌注的更详细信息，并且这些信息能够被分析用于判断所述至少一个关节的状况。

根据本发明的装置的进一步的实施例特征在于该装置进一步包括一锻炼装置，用于使对象锻炼以影响对象的心跳和/或呼吸。这个实施例具有这样的优点：通过在不同心跳频率和/或在不同呼吸状况下获得局部衰减数据的方式能够获得对于判断关节状况的有价值的数据。使对象锻炼是改变对象的心跳频率和/或改变对象的呼吸的简单手段。使对象锻炼还产生了对象的血液的氧成分的变化。这种氧成分的变化将通过对象的身体部位（例如关节）中的血液产生光的衰减的变化。检测这种变化能够提供对于判断关节状况的有价值的信息。

根据本发明的装置的进一步的实施例特征在于该锻炼装置是自行车测力计。这个实施例具有这样的优点：自行车测力计是特别适合在其上把光的局部衰减的检测和使对象锻炼加以组合的平台。在进行锻炼的同时，对象能够舒适地坐在自行车上，用他的双手抓住方向把。可以把测量单元的至少一部分集成到方向把中。

本发明的目的是通过根据权利要求9的光学检测方法进一步解决的。该方法实现了关于该装置的上述优点。

根据本发明的方法的实施例特征在于身体部位的至少一个其他部分是另一个关节。这个实施例具有这样的优点：能够对不同关节对于血流变化的响应加以比较，并且提供了在多个关节的条件下的差异信息。在优选的实施例中，同时测量患者双手中的所有关节。

根据本发明的方法的进一步的实施例特征在于将基本上同时获得的对至少一个关节和对身体部位的至少一个其他部分的不同的局部衰减测量结果相互比较。这个实施例具有这样的优点：通过把对于关节获得的数据与基本上同时从身体部位的至少一个其他部分获得的数据做比较，能够获得对于判断至少一个关节的状况的有价值的信息。比较基本上同时获得的数据的优点在于：影响至少一个关节和至少一个其他部分的变化被同时消除了，只留下涉及至少一个关节和至少一个其他部分之间与时间无关的区别的信息。

根据本发明的方法的进一步的实施例特征在于在不同的局部衰减测量的采集期间，身体部位被浸入在光学匹配介质中。这个是实施例具有这样的优点：降低了光学边际效应和检测器所经受的强度的动态范围。

根据本发明的方法的进一步的实施例特征在于该方法进一步包括附加的步骤：

使对象锻炼以影响对象的心跳和/或呼吸。

这个实施例具有这样的优点：通过在不同的心跳频率和/或在不同的呼吸状况下获得局部衰减数据，能够获得用于判断关节状况的有价值的数据。这一点已在涉及根据本发明的装置的实施例中讨论。

附图说明

本发明的其他特征和优点将出现在参考附图的实施例的详细描述中。

图1示意性地示出根据实施例的用于光学检测关节状况的装置。

图2示意性地示出根据实施例的测量单元的细节。

图3示意性地示出作为身体部位的例子的人手，指明了关节的位置。

图4示意性地说明对两个关节以及非关节的身体部位的一个其他部分同时进行不同的局部衰减测量的结果。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的实施例。图1示意性地示出用于光学检测关节状况的装置。在图示中，人体4被示意性地显示成身体和构成待检查的身体部位5的手。然而，应当注意的是本发明不限于人体，还可以检查例如动物体。进一步地，身体部位5不限于手，还可以由包括至少一个关节6的诸如手臂、腿、脚等那样的其他身体部位构成。

在所示的实施例中，用于光学检测关节状况的装置包括测量单元2和控制单元1。控制单元1被提供用于控制该装置的运行和数据采集。根据本发明，如此安排数据采集，以使得用于获得局部衰减数据的采样频率比患者的心跳频率高。用这种方式，确保了来自患者的由心跳调制的衰减信号的适当采样，同时不再需要由压力套袖产生血流的阻塞。测量单元2被提供用于用光来辐射被检查的身体部位5的部分并在身体部位5的不同位置处测量光的局部衰减。例如，在所示的实施例中，测量单元2是由下面将要更详细地描述的测量头构成的。将参考图2更详细地描述根据实施例的测量单元2的构造。该装置可以包括用于检测对象的心跳频率以确定适当的采样频率的心跳传感器（未示出）。根据本发明的装置可以被包括在进一步包括测力计（未示出）的系统中。适当的测力计的例子是自行车测力计。测力计提供了使其身体部位正被检查的对象锻炼以影响对象的心跳频率和/或呼吸的简单的手段。所述系统能够在与心跳频率和/或呼吸有关的不同状况下进行测量，产生能够有助于确定对象的关节状况的有价值的信息。所述装置的至少一部分，例如光源单元和/或检测元件（参见图2）可以被集成到测力计中，例如集成到自行车测力计的方向把中。这样，人类对象能够在自行车测力计上锻炼，他的双手抓住方向把，而在同时测量关节。

在图2中示意性地示出的测量单元2被适配于透射几何学中的衰减测量。测量单元2包括发射用于辐射身体部位5的光束的光源单元21。光源单元21包括至少一个光源和用于把光束指引到身体部位5的适当的光导。光源可以由灯或者一个或多个激光器构成，而光导可以例如由光纤构成。光源单元21适配于能够发射具有至少两个不同波长，优选在红光到近红外光范围内，其中如此选择一个波长，使得血液具有高的吸收度，并如此选择另一个波长，使得血液的吸收度很低或者与周围组织相当。适当的波长是例如600nm和805nm，但其他满足这些标准的波长也是可以的。在550和980nm之间的波长范围内的波长特别恰当。进一步地，提供了用于把光指引到身体部位5的例如可以由透镜构成的光学组件22。像下面将要描述的那样，光学组件22能够把光（辐射光25）会聚到身体部位5的特定的感兴趣区域（或者一些特定的感兴趣区域；即特定位置）。提供第二光学元件23用于收集从特定的感兴趣的区域（或多个区域）中产生的光并把所收集的光26指引到检测元件24。检测元件24可以例如是由光电二极管、CCD、诸如连接到光电二极管的光纤那样的光导，或者现有技术中已知的其他光检测结构构成。

如此适配测量单元2，以使得能够对身体部位5的至少两个不同部分执行不同的局部衰减测量。优选地，同时测量多个关节并分析这多个关节彼此的依时性行为。更优选地，同时测量身体部位5的所有关节。图3示出了手，作为待检查的身体部位5的例子，并且通过十字准线指出了关节6的位置（应当注意的是，并非为所有关节都提供了参考符号）。能够把被指出的位置作为用于局部衰减测量的位置来使用，并且此外能够把在这些被指出的位置之间的位置作为参考衰减测量来使用。

在图1所示的实施例中，控制单元1经由测量单元2检测包括关节6的身体部位5的光谱特征。现在，测量单元2检测与血流中的变化有关的光谱变化。优选地，也把关节和身体部位5的其他区域之间的灌注做比较。相比健康的关节，发炎的关节将具有不同的灌注和氧合作用。结果，由测量单元2测量的动态光谱行为将是不同的。

图4示出作为时间的函数同时执行的（在透射几何学中）衰减测量结果的例子。用T1标记的迹线对应于在第一关节处的局部衰减测量，用T2标记的迹线对应于在第二关节处的局部衰减测量，而用R1标记的迹线对应于在非关节的参考位置处的局部衰减测量。信号随着患者的心跳频率而周期性地变化。迹线中出现的下降的特征A1，A2，A3可以是不同的。相比其他关节或者相比参考位置，发炎的关节能够示出高灌注迹象，诸如透射中增加的下降。所述下降反映了在执行测量的不同位置之间的调制深度的差异。相比在健康组织中的血流，调制深度受到通过患病组织的血流变化的影响。同样，在迹线T1、T2和R1之间的透射变化之间的时间差异D1，D2能够被用作发炎的标记并提供重要的信息。

对单个关节的依时性行为、关节相对彼此之间的以及相对其他的（能够起到参考作用的）部位的行为进行了分析。

在上面描述的实施例中，已经使测量单元2适配于透射几何学中的测量，即，从一侧辐射身体部位而在相反的一侧上测量已经通过身体部位的光。在实施例的变形中，能够使测量单元2适配于反射几何学中的衰减测量。在这种情况下，从身体部位5的同侧执行辐射和测量。在反射几何学中，能够组合光学组件22和23。从照明光中分离漫反射光是有利的。这能够例如通过正交偏振光谱成像(OPSI)或者暗视野成像或者现有技术中的其他适当技术来实现。

应当注意的是，在实施例中，不需要完全阻塞血流，但可能会使血流遭受相当的减少。

存在多种用于实现测量单元2的不同方法。本质特征是对来自正在接受检查的身体部位5的多个部分的光的局部采集进行测量。这能够例如通过在一次照射单个的斑点并检测身体部位5上的相应的单个斑点和在身体部位5上扫描照明和检测斑点的位置来实现。

进一步的、更优选的可能性是照射整个身体部位5并用CCD照相机或者其他适当的照相机对透射的（或者反射的）光进行成像。然而，由于漫透射的缘故，在这种情况下图像的解析度是有限的，而且例如在手指之间移动的光可能使检测器超载。

又一更优选的可能性是照射身体部位5上的离散数量的斑点。这种实现的优点在于更少的漫射光到达检测器，导致更高的解析度，还在于能够调节所有斑点的强度，以使得检测器只需要有限的动态范围。

为了降低光学边际效应和落在检测器上的强度的动态范围，也可以把正在接受检查的身体部位5浸入例如流体的光学匹配介质。在这种技术中，使用了具有与那些组织类似的光学属性（诸如光学吸收系数和优化散射系数）的流体。

进一步地，为了检测不同的波长，可以交换所述照明波长。还可以用所有所需波长同时照明并例如使用滤波器或者频谱仪在检测路径中分离不同的波长。

在优选实施方式中，同时测量多个身体部位（例如双手）。

虽然已经根据实施例描述了为了照明而使用至少两个波长，但是本发明不限于此。例如，能够使用更多数量的离散波长或者甚至是在某个波长范围（例如650到1000nm）上的全部频谱。然而，相比一些不同的波长，获得全部频谱需要更昂贵的组件。如果要区分一些类型的组织组分（诸如脂肪、水等），使用多于两个不同的波长可能是有利的。使用更多个波长有助于改进装置的准确性，然而，是以增加了的成本和复杂度为前提的。

应当注意的是，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的前提下设计很多可替换实施例。在权利要求中，放在括号之间的任何参考符号将不被解释成是对权利要求的限制。词语“包括”不排除在权利要求中未列出的那些元件或者步骤的存在。在元件之前的词语“一”（“a”或者“an”）并不排除多个这种元件的存在。在列举一些装置的系统权利要求中，这些装置的一些能够用计算机可读软件或者硬件的同一产品实现。在彼此不同的从属权利要求中列举的某些手段这一单纯的事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。

Claims (14)

1.用于光学检测关节状况的装置，该装置包括：

- 用光照射包括至少一个关节的对象的身体部位（5）并在至少一个关节和身体部位（5）的至少一个其他部分处局部地检测光的衰减的测量单元（2），其中该装置进一步被适配用于提供有关所述至少一个关节的状况的信息以及用于检测所述至少一个关节相比所述至少一个其他部分对于由对象心跳导致的血流变化的响应。

2.根据权利要求1的装置，其中采样频率至少是对象的心跳频率的两倍。

3.根据权利要求1-2的任何一个的装置，其中采样频率是至少100Hz。

4.根据权利要求1-2的任何一个的装置，其中该装置进一步包括：

- 用于检测对象的心跳频率的心跳传感器，该心跳传感器与测量单元（2）耦接，以使得基于由心跳传感器检测到的对象的心跳频率确定采样频率。

5.根据权利要求1-2的任何一个的装置，其中测量单元（2）包括能够发射具有至少两个不同的波长的光的光源单元（21）。

6.根据权利要求1-2的任何一个的装置，其中该装置进一步包括：

- 用于使对象锻炼以影响对象的心跳和/或呼吸的锻炼装置。

7.根据权利要求6的装置，其中锻炼装置是自行车测力计。

8.根据权利要求1-2的任何一个的装置，其中该装置是医学检测装置。

9.根据权利要求3的装置，其中采样频率是至少120Hz。

10.根据权利要求9的装置，其中采样频率是至少150Hz。

11.根据权利要求10的装置，其中采样频率是至少200Hz。

12.根据权利要求11的装置，其中采样频率是至少250Hz。

13.根据权利要求12的装置，其中采样频率是至少300Hz。

14.根据权利要求13的装置，其中采样频率是至少400Hz。

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