Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen biologischer, chemischer und/oder physikalischer Parameter in lebendem biologischem Gewebe nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum bestimmen biologischer, chemischer und/oder physikalischer Parameter in lebendem biologischen Gewebe nach Anspruch 15.

Das Bestimmen biologischer, chemischer und/oder physikalischer Parameter in lebendem biologischen Gewebe ist eine Grundnotwendigkeit im Bereich der physiologischen Forschung und bei medizinischen Untersuchungsverfahren. Ein besonderes Beispiel stellt hierbei die Ermittlung und Überwachung von Blutbestandteilen und insbesondere die Bestimmung der Blutzuckerkonzentration dar. Für gewöhnlich muss hierfür das Gewebe verletzt und eine gewisse Blutmenge entnommen werden. Obwohl für derartige invasive Verfahren heutzutage Geräte zur Verfügung stehen, mit denen eine Blutentnahme mit einem minimalen Aufwand und auf eine relativ sichere Weise möglich ist, empfinden manche Personen dies als unangenehm. Hinzu kommt, dass eine Blutentnahme für Personen mit Blutgerinnungsstörungen stets mit besonderen Vorsichtsmaßnahmen verbunden sein muss, um unstillbare Blutungen und damit große Komplikationen zu vermeiden. Eine zeitlich kontinuierliche Kontrolle des Blutzuckers und anderer Blutparameter ist für derartige Personen kaum oder nur unter ärztlicher Anleitung und Überwachung möglich.

Um den genannten Problemen zu begegnen, wurden Verfahren entwickelt, mit denen die Blutzuckerkonzentration nichtinvasiv, d.h. ohne ein Einstechen und eine Blutentnahme, bestimmt werden kann. Bei derartigen Verfahren wird auf die Messung einer Lichtabsorption oder einer Änderung des Polarisationszustandes eines auf das Gewebe eingestrahlten Lichtes zurückgegriffen.

So offenbart beispielsweise die US-amerikanische Patentschrift US 5,383,452 ein Verfahren, bei dem die durch die Zuckerkonzentration im biologischen Gewebe verursachte Drehung der Polarisationsebene gemessen wird. Mittels einer zuvor vorgenommenen Eichung anhand konventioneller Blutzuckermessmethoden im Zusammenhang mit einer bewußten Beeinflussung des

Blutzuckerspiegels im Rahmen eines Toleranztests kann die Drehung der Polarisationsebene als Maß für die Blutzuckerkonzentration verwendet werden.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 43 14835 AI offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Glukose in einer biologischen Matrix, bei dem Licht an einem Ort in die Matrix eingestrahlt und die Intensität des innerhalb der Matrix gemessenen Lichtes bestimmt wird. Die gemessene Intensität wird dann als Maß für die Glukosekonzentration innerhalb der Matrix verwendet.

Die nichtinvasive Bestimmung des Blutzuckerspiegels ist wegen der physikalisch bekannten Wechselwirkung zwischen Licht und Glukose somit vergleichsweise einfach. Die Bestimmung physikalischer Werte im lebenden Gewebe bzw. die Ermittlung von Laborwerten im menschlichen Blut beschränkt sich jedoch nicht ausschließlich auf die Bestimmung des Blutzuckerspiegels, sondern umfasst eine viel größere Menge an zu messenden Werten. Hierzu reichen die aus dem Stand der Technik bekannten nichtinvasiven Methoden nicht mehr aus. Insbesondere genügt es nicht, den Polarisationszustand oder die Intensität des Streulichtes zu kennen, um die fraglichen Parameter nichtinvasiv zu ermitteln. Damit stoßen die eingangs erwähnten Messverfahren an ihre Grenzen.

Es besteht somit die Aufgabe, ein nichtinvasives Messverfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens anzugeben, mit dem sich biologische, chemische und physikalische Parameter im lebenden Gewebe auch unter ungünstigen oder unbekannten oder physikalisch noch nicht hinreichend genau erforschten Wechselwirkungen zwischen dem Licht einerseits und dem zu messenden Parameter andererseits bestimmen lassen. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen von Vorrichtung und Verfahren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen biologischer, chemischer und/oder physikalischer Parameter in lebendem biologischem Gewebe enthält eine Energieversorgungseinheit, eine Laser-Betriebseinheit mit mindestens einer auf das biologische Gewebe gerichteten Laserquelle, mindestens eine Sensoreinheit zum Detektieren des von dem biologischen Gewebe rückgestreuten und/oder absorbierten Lichtes, eine Steuereinheit, eine Speicher- und Verarbeitungseinheit und eine Schnittstelle für eine externe Datenverarbeitungseinheit.

Zweckmäßigerweise ist die Sensoreinheit als ein flächiges Sensorarray ausgebildet. Der erste Sensorabschnitt bildet ein inneres Teilarray und der zweite Sensorabschnitt ein das innere Teilarray umgebendes äußeres Teilarray.

Dadurch kann die Verteilung des gestreuten Lichtes ortsabhängig erfasst werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist das innere Teilarray einen

Vorsatz mit einem in einer ersten Polarisationsrichtung ausgerichteten Polarisator und das äußere Teilarray einen Vorsatz mit einem in einer zweiten Polarisationsrichtung ausgerichteten Polarisator auf, wobei die erste Polarisationsrichtung senkrecht zur zweiten Polarisationsrichtung orientiert ist. Damit lässt sich das Streulicht zum einen orts- und richtungsabhängig und zum anderen in seinem Polarisationszustand erfassen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit als eine Photometereinheit mit einem ersten Photometer zum Bestimmen einer absoluten Intensität des Lichtes der Laserquelle und einem zweiten Photometer zum Messen des von dem Gewebe gestreuten Lichtes ausgebildet. Die Sensoreinheit weist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung eine Umschaltmechanik zum bedarfsweisen Umlenken des Lichtes von der Laserquelle zum ersten Photometer auf. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind zwei Laserquellen mit zueinander orthogonalen Strahlrichtungen vorgesehen. Dadurch können die Eigenschaften des Streulichtes in Abhängigkeit von der Strahlrichtung des einfallenden Lichtes erfasst werden.

Zweckmäßigerweise ist die Laserquelle in einem auf dem Sensorarray befindlichen Loch angeordnet und weist eine gegenüber der Detektionsrichtung des Sensorarrays um einen Kippwinkel geneigte Strahlrichtung auf. Vorteilhaft ist es, wenn der Kippwinkel einen um 45° herum verstellbaren Wert aufweist. Damit wird das im Gewebe in einer gewissen Tiefe erzeugte Streulicht, aber nicht das auf der Gewebeoberfläche reflektierte Licht von der Detektoranordnung erfasst.

Zweckmäßigerweise besteht das erste Teilarray aus mindestens einer ersten Einzeldiode und das zweite Teilarray aus mindestens vier Einzeldioden, die um die erste Einzeldiode herum gleichmäßig verteilt sind.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Sensoreinheit einen Drucksensor zum Messen eines Anpressdruckes zwischen der Sensoreinheit und dem Gewebe und/oder einen Temperatursensor zum Messen einer Gewebetemperatur auf. Damit kann zum einen der Anpressdruck der Sensoreinheit auf dem Gewebe überwacht und zum anderen die Abhängigkeit der zu messenden Parameter vom Anpressdruck gemessen werden. Der Temperatursensor dient ebenfalls der Überwachung gleichbleibender Messbedingungen.

Zweckmäßigerweise bilden der Drucksensor und/oder der Temperatursensor einen mit der Steuereinheit zusammenwirkenden Regelkreis zum Einstellen eines zweckmäßigen Anpressdruckes und/oder eines zweckmäßigen Temperaturwertes.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines biologischen, chemischen und/oder physikalischen Parameters in einem lebenden biologischen Gewebe ist in Form eines selbstlernenden Verfahrensablaufs mit folgenden Verfahrensschritten ausgebildet:

Das Verfahren teilt sich in zwei grundsätzliche Verfahrensblöcke. Dies ist zum einen eine Kalibrierungsphase und zum anderen eine Interpolationsphase.

Das Ausführen der Kalibrierungsphase umfasst mindestens eine konventionelle Bestimmung des Parameters in Verbindung mit mindestens einer an dem Gewebe ausgeführten Lichtstreumessung zum Ermitteln optischer Messwerte. In Verbindung damit wird der mindestens eine konventionell bestimmte Parameter zu den jeweiligen optischen Messwerten zugeordnet. Diese Daten werden als eine kalibrierende Referenzmenge gespeichert.

Das Ausführen der Interpolationsphase umfasst mindestens eine an dem

Gewebe ausgeführte Lichtstreumessung zum Ermitteln optischer Messwerte. Der zu bestimmende Parameter wird aus dem Messwerten der Lichtstreumessung und den Daten der Referenzmenge interpoliert. Der interpolierte Parameter wird in der Referenzmenge gespeichert.

Bei dem Ausführen der Kalibrierungsphase wird die Ermittlung einer Referenzmenge zweckmäßigerweise in Form von Referenzvektoren ausgeführt. Jeder Referenzvektor besteht aus dem konventionell ermittelten Parameters und einem die optischen Messwerte enthaltenen Messwertvektor. Bei dem Ausführen der Interpolationsphase wird ein Messwertvektor mit optischen Messwerten bestimmt und der dazu gehörende interpolierte Parameter zusammen mit dem Messwertvektor in die Referenzmenge als neuer Referenzvektor überführt.

Der bei dem Ausführen der Kalibrierungsphase ermittelte Messwertvektor enthält bei einer zweckmäßigen Ausführungsform eine durch das Gewebe beein- flusste Lichtintensität in einer ersten Polarisationsrichtung und durch das Gewebe beeinflusste Lichtintensität in einer zweiten Polarisationsrichtung. Der Messwertvektor wird mit dem unabhängig ermittelten Parameter zu dem Referenzvektor zusammengefasst. Der bei dem Ausführen der Interpolationsphase ermittelte Messwertvektor enthält bei einer zweckmäßigen Ausführungsform eine durch das Gewebe beein- flusste Lichtintensität in einer ersten Polarisationsrichtung und eine durch das Gewebe beeinflusste Lichtintensität in einer zweiten Polarisationsrichtung.

Der interpolierte Parameter wird mit folgenden Schritten ermittelt:

Es erfolgt ein Registrieren des Messwertvektors und ein Ermitteln von nächstliegenden Messwertvektoren aus der Referenzmenge mit einem minimalen Abstand zu dem Messwertvektor. Anschließend wird der dem registrierten Messwertvektor zugeordnete Parameters aus den nächstliegenden Messwertvektoren und den jeweils dazu gehörenden Referenzparametern interpoliert.

Der interpolierte Parameter wird zusammen mit dem Messwertvektor nach dem Ausführen der Interpolation zur Referenzmenge hinzugefügt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 15. Es werden für gleiche und/oder gleichwirkende Teile und Verfahrensschritte die selben Bezugszeichen verwendet.

Es zeigt:

Fig. 1 ein beispielhaftes Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße

Vorrichtung,

Fig. la beispielhaften Schaltplan für mehrere Messsensoren,

Fig. lb einen beispielhaften Schaltplan für eine Zentraleinheit,

Fig. 2 beispielhafte Darstellung einer Sensoreinheit, eine Bedeckung der in Fig. 2 gezeigten Sensoreinheit mit Polarisatoren, eine mit weiteren Komponenten ergänzte Sensoreinheit in einer Seitenansicht im Schnitt, eine um Abstandshalter und Druck- und Temperatursensoren ergänzte Sensoreinheit, der für die Sensoreinheit vorgesehene Strahlengang in einem ersten Ausführungsbeispiel, eine Ausführungsform für eine Sensoreinheit für eine wahlweise Absolutmessung der anfänglich emittierten Laserintensität, eine Ausführungsform für eine Sensoreinheit mit zwei Laserlichtquellen mit zueinander orthogonalen Strahlrichtungen, eine weitere beispielhafte Sensoranordnung, eine weitere Ausführungsform für eine kombinierte

Anordnung aus Sensor und Lichtquelle, eine beispielhafte Darstellung eines Ablaufplans für eine Kalibrierungsphase, eine beispielhafte Darstellung eines Ablaufplans für eine Interpolationsphase,

Fig. 13 eine schematische Referenzmenge, Fig. 14 eine auf der Referenzmenge ausgeführte Interpolation,

Fig. 15 eine aus realen Messungen ermittelte Referenzmenge.

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild für die erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. la in Verbindung damit einen beispielhaften Schaltplan für Messsensoren und Fig. lb einen beispielhaften Schaltplan zum Realisieren einer Zentraleinheit mittels integrierter Schaltkreise. Bei dem Aufbau der Vorrichtung wird auf ein modulares Konzept zurückgegriffen. Dieses Konzept ermöglicht es, verschiedene Komponenten, Sensoren, Datenverarbeitungseinheiten und weitere Geräte so zusammen zuführen, dass eine möglichst umfangreiche und an den Einzelfall abgestimmte Menge an Messdaten erfasst und verarbeitet werden kann.

Die Vorrichtung besteht aus einer Zentraleinheit 1, die über eine Energieversorgungseinheit la mit Spannung versorgt wird. Als Energieversorgungseinheit kann sowohl ein Netzanschluss mit einer nachgeschalteten Trafo- und Gleichrichterschaltung, als auch eine Akkumulator- und Batterieeinheit verwendet werden.

Innerhalb der Zentraleinheit ist eine Laser-Betriebseinheit 2 vorgesehen. Diese steuert eine an die Zentraleinheit anschließbare Laserquelle 3 oder enthält selbst eine Laservorrichtung, von der aus das Laserlicht über ein Lichtleitkabel nach außen geleitet wird. In einem solchen Fall ist die Laserquelle 3 eine bloße, dem Lichtleitkabel nachgeschaltete Strahloptik zum Ausrichten des Strahles auf die Gewebeoberfläche.

Als Laser-Betriebseinheit kann die dafür übliche Treiberhardware eingesetzt werden. Diese erlaubt zweckmäßigerweise einen Pulsbetrieb der Laserquelle mit variierbar einstellbaren Zeitintervallen im Bereich von 100 ms bis 800 ms und unterstützt somit die Ausführung von Pulsprogrammen. Als Laserquelle kommt zweckmäßigerweise eine Laserdiode mit einer emittierten Wellenlänge zwischen 800 nm bis 950 nm zur Anwendung. Die Leistung der Laserdiode sollte zweckmäßigerweise auf weniger mW beschränkt sein, um Schäden innerhalb des Gewebes zu vermeiden. Möglich ist die Verwendung einer Laserdiode vom P-Typ. Zweckmäßigerweise ist die Laserdiode durch eine Kondensatorschaltung gegenüber Überspannungen geschützt.

Zur Messwertgewinnung ist mindestens eine Sensoreinheit 4 vorgesehen. Diese enthält mindestens einen Messsensor 4a, der das von dem biologischen

Gewebe gestreute, reflektierte, abgeschwächte oder in einer sonstigen Weise beeinflusste Laserlicht empfängt. Bei dem hier vorliegenden Beispiel ist zumindest die emittierende Öffnung der Laserquelle 3 zusammen mit dem Messsensor 4a in dem Körper der Sensoreinheit 4 vereinigt. Bei dem hier vorliegenden Beispiel bildet die Sensoreinheit 4 somit ein an die Zentraleinheit 1 angeschlossenes Messmodul zum Emittieren von Laserstrahlung und zum

Gewinnen von Messdaten.

Als Messsensoren können die dafür üblichen Photodioden verwendet werden. Als zweckmäßig haben sich dabei Photodioden mit einem lichtempfangenden Durchmesser von ca. 2 bis 5 mm erwiesen. Bei dem Nachweis von Streustrahlung im infraroten Spektralbereich ist eine schwarze Bedeckung der

Lichtempfangsfläche zweckmäßig, um eine Beeinflussung der Diode durch den Einfall sichtbaren Lichts auszuschließen. Um eine höhere Empfindlichkeit der Anordnung der Sensoreinheit zu erreichen und ein hinreichend großes Messareal zu erfassen, ist es zweckmäßig, einige Photodioden zu Gruppen und Teil- arrays 10 und 11 zusammenzufassen und geeignet, insbesondere parallel, zu verschalten. Ein Beispiel hierzu ist in Fig. la gezeigt. Dabei lassen sich die Empfindlichkeiten der Photodioden durch entsprechende Widerstände Rl, R2, R3 und R4 einstellen, die an zweckmäßigen Stellen in die Schaltung integriert sind. Die dafür notwendige Schaltung und die Anordnung der Photodioden auf einer entsprechenden Platine bildet einen integralen Teil der Sensoreinheit. Zum Betreiben der Sensoreinheit 4, insbesondere zum Empfangen der von dem Messsensor erfassten Messsignale, ist innerhalb der Zentraleinheit eine

Steuereinheit 5 vorgesehen. Diese wirkt mit der Laser-Betriebseinheit 2 zusammen. Die Steuereinheit stellt Schaltsignale für die Laser-Betriebseinheit bereit und enthält gleichzeitig einen Verstärker für die von der Sensoreinheit sowie die von den Druck- und Temperatursensoren gesammelten Messsignale.

Zur Verstärkung kann ein Standard-Verstärkerschaltkreis verwendet werden, bei dem sich der Verstärkungsfaktor durch ein Verhältnis von dabei eingesetzten Widerständen sehr leicht einstellen lässt. Dabei können für unterschiedliche Sensorgruppen verschiedene Verstärkungsfaktoren zur Anwendung kommen. So ist beispielsweise ein Verstärkungsfaktor von 10 bei der Umsetzung der Messsignale des Temperatursensors und ein Verstärkungsfaktor von 1 bei der Umsetzung der Messsignale aus den Messsensoren der Sensoreinheit möglich. Diese unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren lassen sich üblicherweise über ein Setzen von Jumpern auf der Platine des Verstärkerschaltkreises vorgeben.

Beide Komponenten werden von einer Speicher- und Verarbeitungseinheit 6 mit Steuersignalen beaufschlagt und setzen dabei ein in der Speicher- und Verarbeitungseinheit gespeichertes Messprogramm um. Optional können an die Steuereinheit 5 weitere Sensoren 5a angeschlossen werden. Dies können insbesondere Druck- oder Temperatursensoren sein.

Die Verwendung eines Temperatursensors ist zweckmäßig, um eine gleichbleibende Temperatur im zu vermessenden Gewebe zu überwachen und somit nachteilige Beeinflussungen des Messverfahrens zu verhindern. Hierzu können die für derartige Messungen üblichen Temperatursensoren eingesetzt werden.

Die Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt beispielsweise durch ein 8-poliges Kabel, insbesondere ein Netzwerkkabel. Die von den optischen Messsensoren detektierten physikalischen Effekte und Wechselwirkungen des Lichtes im biologischen Gewebe können ganz unterschiedlicher Natur sein. Sie sind dem Fachmann jedoch ansich bekannt, obgleich die genauen Auswirkungen jedes einzelnen Effektes auf die letztlich von der Sensoranordnung detektierten Messsignale in der Gesamtheit sehr komplex sein können. Als grundlegende Effekte sind an dieser Stelle die Lichtabsorption innerhalb des Gewebes gemäß dem Gesetz von Lambert/Beer, die Brechung des Lichtes an der Grenzfläche unterschiedlicher Dielektrika, insbesondere an der Gewebeoberfläche und Luft, die physikalisch mit den Fresnel- Gleichungen beschrieben werden kann, zu erwähnen. Eine innerhalb des Gewebes auftretende Diffraktion oder Lichtstreuung, die sowohl richtungsabhängig, als auch diffus sein kann und insbesondere als Rayleigh- und Mie- Streuung zu beschreiben ist und von der Größe der streuenden Partikel abhängt, sowie vor allem Polarisationseffekte, insbesondere Drehungen von Polarisationsebenen und andere Formen optischer Aktivität, die insbesondere durch chirale Zentren von innerhalb des Gewebes vorhandenen Molekülen hervorgerufen wird, können ebenfalls als physikalische Wechselwirkungsprozesse zur Messwertgewinnung genutzt werden.

Die Speicher- und Verarbeitungseinheit 6 ist hierfür programmierbar, die in ihr gespeicherten Daten und Messen können ausgelesen und extern verarbeitet und auch verändert werden. Hierzu ist eine Schnittstelle 7 vorgesehen, über die eine externe Datenverarbeitungseinheit 8, beispielsweise ein Computer oder ein externes Netzwerk, angeschlossen werden kann. In diesem Fall wirkt die Zentraleinheit als Datensammeleinrichtung, die regelmäßig abgefragt werden kann. Dies kann insbesondere über eine USB-Schnittstelle erfolgen.

Alternativ kann die Schnittstelle auch in Form einer SD-Karte ausgeführt sein. Diese kann als mobiles Speichermodul in einen entsprechenden Schacht des Gerätes eingeschoben und mit den Messdaten bespielt werden. Diese Daten werden anschließend in einem Computer ausgelesen. Die Komponenten können natürlich alle in einem Gehäuse untergebracht und miniaturisiert sein. Es ist ohne weiteres möglich, die Anordnung als eine an einem Körperteil tragbare Vorrichtung, beispielsweise ein Armband, auszuführen. Dabei werden die in der Zentraleinheit vorhandenen Elemente hinreichend miniaturisiert und zweckmäßigerweise sogar auf eine Platine der Sensoreinheit 4 angeordnet.

Zweckmäßig ist hierbei die Verwendung einer Hardwarearchitektur unter Verwendung eines MikroControllers. Dieser führt insbesondere eine AD-Umsetzung mit einer Verarbeitungsbreite von 10 oder 12 bit aus. Bei der Verwendung eines AD-Wandlers mit einer Verarbeitungsbreite von 10 bit und einem analogen Eingangssignal mit einer maximalen Spannung von ca.4000 mV wird dabei einer Auflösung von etwa 3,9 mV/Einheit erreicht. Dabei ist es vorteilhaft, einen möglichst großen Spannungsbereich für das Eingangssignal zu sichern, weil der Pegel des tatsächlich anliegenden Messsignals nicht von vornherein bekannt ist. Ein Überlauf des AD-Wandlers wird dabei vermieden. Allerdings reduziert sich dabei die Auflösung der AD-Wandlung.

Ein EEPROM zur Zwischenspeicherung von Prozessdaten ist von Vorteil. Als Taktfrequenz ist je nach konkreter Gestaltung des MikroControllers ein

Frequenzintervall zwischen 1 MHz und 8 MHz und darüber verwendbar. Der MikroController weist eine Reihe von Ports auf, über die die Messsignale der Sensoreinheit sowie weiterer Sensoren eingelesen werden und über die eine Programmierung des MikroControllers erfolgen kann. Die Programmierung erfolgt insbesondere über eine integrierte JTAG-Schaltung. Weiterhin sind Ports für eine Speicherung der Messdaten, insbesondere auf eine SD-Card, und deren Übergabe an eine externe Datenverarbeitungseinheit vorgesehen.

Schließlich dient ein Port zur Ausgabe von Steuersignalen an die Steuereinheit und die Laser-Betriebseinheit zum Aktivieren und Deaktivieren der Laserquelle und/oder der Sensoreinheit und der sonstigen Messsensoren.

Eine weitere zweckmäßige, hier nicht dargestellte Einrichtung kann ein Mittel für eine drahtlose Datenübertragung sein, die in der Zentraleinheit angeordnet ist und mit dem es möglich ist, die ermittelten Messdaten an einen externen Empfänger, beispielsweise an eine medizinische Einrichtung oder eine Überwachungszentrale, zu versenden. Die gesamte Vorrichtung kann dabei äußerlich die Form eines Mobiltelefons aufweisen.

Die gesamte Vorrichtung weist zweckmäßigerweise ein hier nicht dargestelltes Display auf. Als Display können sowohl kleine und einfache Flüssigkristallanzeigen für miniaturisierte Geräte als auch größere Anzeigen für stationär einsetzbare Konfigurationen verwendet werden. Das Display kann als Standard- Hardware in Verbindung mit einer entsprechenden Treiberbibliothek ausgebildet sein.

Für eine Benutzerführung sind eine Reihe von Tasten vorgesehen. Diese erlauben in Verbindung mit einer Schnittstelle zur Benutzerführung ein Setzen und Löschen von Geräteparametern, zum Speichern und Auslesen von Messdaten und dergleichen Daten mehr. In einer minimalen Konfiguration sind vier Tasten vorgesehen. Diese greifen über entsprechende Ports auf den Mikro- controller zu. Beim Drücken einer Taste wird der entsprechende Port auf Masse geschaltet und so der digitale Input erzeugt. Ein interner Programmcode zum Lesen der Tasten zählt die anliegenden Bytes und überprüft diese auf Veränderungen. Entsprechend der dabei gewonnenen Resultate werden auf dem Display entsprechende Menüs aktiviert, deaktiviert oder innerhalb der Menüs Scrollfunktionen ausgeführt.

Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung der in Richtung des zu untersuchenden Gewebes gerichteten Oberfläche einer beispielhaften Sensoreinheit 4. Bei dem hier gezeigten Beispiel enthält die Sensoreinheit ein flächiges Sensorarray 9 aus einzelnen Messsensoren 4a. Die Anzahl der Messsensoren ist grundsätzlich beliebig. Bei dem hier vorliegenden Beispiel ist das Sensorarray 9 in einen ersten Sensorabschnitt mit einem inneren Teilarray 10 aus vier Messsensoren und einen zweiten Sensorabschnitt mit einem äußeren Teilarray 11 aus acht Messsensoren unterteilt. Das äußere Teilarray schließt dabei das innere Teilarray vollständig ein. Neben dem Sensorarray ist wie bereits vorhergehend erwähnt die Laserquelle 3 oder eine entsprechende Strahloptik in den Körper der Sensoreinheit eingelassen. Es ist möglich, einzelne Messsensoren aus jedem der beiden Teilarrays messtechnisch aus dem Messprozess auszunehmen oder beliebig zusammenzufassen. Dadurch lassen sich verschiedene Konfigurationen der Teilarrays realisieren. Es ist insbesondere möglich, die der Laserquelle am nächsten liegenden Messsensoren abzuschalten oder deren Signale messtechnisch weniger zu gewichten als die der übrigen Messsensoren.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist dabei das innere Teilarray 10 von einem ersten Polarisator 12 und das äußere Teilarray 11 von einem zweiten Polarisator 13 überdeckt. Diese weisen zueinander orthogonale Polarisationsrichtungen A und B auf. Das von der Laserquelle 3 emittierte Licht wird durch die polarisierende Bedeckung nicht beeinflusst. Der Polarisator 13 weist aus diesem Grund eine Öffnung 14 auf, durch die das Laserlicht hindurchtreten kann. Der Durchmesser der Öffnung kann im Bereich von 1 bis 3 mm liegen. Alternativ hier ist natürlich auch die Anordnung einer Blende mit einem variablen Öffnungsquerschnitt möglich. Zur Bedeckung der Teilarrays bzw. der Oberfläche der Sensoreinheit wird zweckmäßigerweise auf Polarisationsfolien zurückgegriffen, die auf einem Glasträger befestigt sind und somit die Sensoroberfläche plan überdecken.

Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Aufbau der Sensoreinheit kann mit weiteren Komponenten ergänzt sein. Fig. 4 zeigt eine diesbezügliche Ausführungsform in einer Seitenansicht und Fig. 5 in einer Sicht auf die Sensorfläche. Die zusätzlich angefügten Komponenten sollen zum einen einen hinreichenden Abstand zwischen der Sensorfläche und der Oberfläche des Gewebes sichern und zum anderen Parameter detektieren, die für einen reibungslosen Messvorgang notwendig sind.

Bei dem in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten Beispiel sind zum einen gleichmäßig um die Sensoroberfläche verteilte Abstandshalter 15 zwischen Sensorfläche und Gewebe vorgesehen. Die Abstandshalter setzen auf der Gewebeoberfläche 16 auf. Sie weisen gegebenenfalls eine klebfähige Aufsetzfläche auf, die ein Ver- rutschen der gesamten Anordnung verhindert und den Sensor auf dem zugewiesenen Platz am Gewebe befestigt.

Die Abstandshalter befinden sich innerhalb einer die Sensorfläche umgebenden Anordnung aus Drucksensoren 17 und Temperatursensoren 18. Die Drucksensoren 17 registrieren den Auflagedruck der Sensoreinheit auf der Gewebeoberfläche und sind an die vorhergehend erläuterte Steuereinheit innerhalb der Zentraleinheit gekoppelt. Die Temperatursensoren registrieren zum einen die Temperatur unmittelbar auf der Gewebeoberfläche und zum anderen in der unmittelbaren äußeren Umgebung des Messortes. Sie weisen eine Kontaktfläche auf, die einen guten thermischen Kontakt zwischen der Gewebeoberfläche und dem Sensorkörper sichert.

Die Abstandshalter 15 und die dazwischen angeordneten Druck- und Temperatursensoren 17 und 18 sind voneinander durch luftdurchlässige Schlitze 19 abgeteilt. Diese Schlitze verhindern einen messwertverfälschenden Unterdruck zwischen der Sensorfläche und der Gewebeoberfläche und eine sich daraus ergebende gesteigerte Durchblutung oder eine anders geartete verfälschende Veränderung des Gewebes.

Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Strahlengang an der vorhergehend beschriebenen Sensoreinheit 4. Das von der Laserquelle 3 emittierte, gegebenenfalls über ein Lichtleitkabel 20 herangeführte Laserlicht trifft unter einem endlichen Winkel α innerhalb eines Strahlflecks mit endlicher Größe auf die Gewebeoberfläche 16 auf und dringt dort in die obersten Gewebeschichten ein. Das innerhalb des Gewebes erzeugte Streulicht breitet sich von dem Strahlfleck innerhalb eines Streukegels aus und wird in einer senkrecht zur Gewebeoberfläche orientierten Detektionsrichtung erfasst. Dabei durchdringt das Streulicht die Polarisatoren 12 und 13 und wird von den dahinter angeordneten Teilarrays 10 und 11 empfangen. Der Einfallswinkel α beträgt ca. 45° und ist um diesen Winkel herum mittels einer in der Sensoreinheit angeordneten Kippmechanik 21 justierbar. Mit einer derartigen Sensoreinheit lassen sich die Intensitäten an beiden Teilarrays in einer Relativmessung bestimmen. Fig. 7 zeigt eine Fortbildung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung, bei der neben der Relativmessung der auf beide Teilarrays fallenden Intensitäten eine Absolutmessung der Intensität des anfänglich auf die Gewebeoberfläche emittierten Laserlichtes möglich ist. Hierzu sind zwei Gruppen von Messsensoren vorgesehen. Mindestens einer der Messsensoren dient dabei ausschließlich der absoluten Intensitätsmessung. Bei dem hier gezeigten Beispiel ist dies ein Messsensor 22. Dessen Detektionsrichtung ist gegen die Oberfläche eines Umlenkspiegels 23 gerichtet, der wahlweise in die Strahlungsrichtung der Laserquelle 3 hineingeklappt werden kann und dabei das emittierte Laserlicht direkt auf den Messsensor 22 umlenkt. Die Umschaltmechanik für den Umlenkspiegel wird ebenfalls von der Zentraleinheit, insbesondere von der dort enthaltenen Steuereinheit, aus angesprochen.

Weiterhin enthält die in Fig. 7 gezeigte Sensoranordnung die üblichen, auf das von der Gewebeoberfläche gestreute Licht sensitiven Messsensoren. In dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel ist hierzu beispielhaft ein einzelner Messsensor 24 gezeigt. Anstelle dieses einzelnen Messsensors können hier natürlich auch die in den vorherigen Figuren gezeigten Teilarrays 10 und 11 vorgesehen sein. Einer der Messsensoren des äußeren Teilarrays 11 kann dabei als Messsensor 22 im Sinne des hier vorliegenden Ausführungsbeispiel genutzt werden und ist entsprechend abgekippt.

Fig. 8 zeigt eine weitere Sensorfläche mit zwei Laserlichtquellen 25 und 26 in Verbindung mit der bereits vorhergehend beschriebenen Arrayanordnung 9 aus den Teilarrays 10 und 11. Die Laserlichtquellen 25 und 26 weisen zueinander orthogonal orientierte Strahlrichtungen auf und sind in einem Winkel von 45° gegenüber der Gewebeoberfläche geneigt. Die Arrayanordnung 9 registriert somit zum einen Streulicht, das durch die Laserlichtquelle 25 im Gewebe erzeugt worden ist, und zum anderen wird mit der selben Arrayanordnung Streulicht erfasst, das durch die Laserlichtquelle 26 im Gewebe hervorgerufen wird. Die in Fig.8 gezeigte Vorrichtung wird zweckmäßigerweise in einem Pulsbetrieb betrieben. Dabei wird durch die Laser-Betriebseinheit 2 innerhalb der Zentraleinheit zunächst die Laserlichtquelle 25 aktiviert, während die Arrayan- ordnung in Verbindung damit das Streulicht aus dem Gewebe detektiert. Als nächstes aktiviert die Laser-Betriebseinheit 2 die Laserlichtquelle 26 und der Messvorgang in der Arrayanordnung wiederholt sich, sodass insgesamt vier Messwerte innerhalb dieses Messzyklus gewonnen werden.

Fig.9 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Sensoranordnung. Diese besteht aus einer auf der Gewebeoberfläche 16 aufgebrachten Anordnung aus einem Ringdetektor 27, einem Photodetektor 28 für eine Absorptionsmessung, einem Photodetektor 29 für eine Refraktionsmessung, einem Photosensor 30 mit einer spektralen Auflösung zum Bestimmen einer wellenlängenabhängigen Absorption und einem Photosensor 31 zum Bestimmen des Polarisationszustandes des im Gewebe gestreuten Lichtes. Als Lichtquelle dient eine Laserquelle 32 mit einem Einstrahlwinkel α von ca.45°. Die bereits erwähnte Zentraleinheit 1 steuert den Betrieb der Laserquelle und der Sensoranordnung.

Der Ringdetektor 1 empfängt das in dem Gewebe erzeugte Streulicht und ist gegebenenfalls seitlich gegen möglicherweise einfallende unerwünschte Lichtanteile abgeschirmt. Für die Position und den Betrieb des Photodetektors 28 sowie des Photodetektors 29 ist die im Mittel innerhalb des Gewebes durchlaufene Lichtstrecke zu berücksichtigen. Die Abstände a bis d innerhalb der Anordnung sind so zu wählen, dass ein Optimum der an jedem Detektor anfallenden Signale erreicht wird. Die sich innerhalb des Gewebes für das eingestrahlte Laserlicht ergebende Eindringtiefe kann durch die Leistung und die Wellenlänge des Lichtes variiert werden. Da sich die Eindringtiefe des Lichtes in biologischen Geweben mit der Wellenlänge ändert, müssen die Abstände a bis d daraufhin entsprechend verändert werden.

Neben dem Einfallswinkel von 45° sind auch andere Winkel oder sogar ein streifender Einfall möglich. Die spektrale Erfassung des Streulichtes am Photodetektor 30 erlaubt eine chemische Analyse des untersuchten Gewebes. Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine kombinierte Anordnung aus Sensor und Lichtquelle. Die Anordnung besteht aus einem Gehäuse mit einer darin enthaltenen Anordnung aus einer Lichtquelle 33, insbesondere einer Laserquelle, und optisch reflektierenden Oberflächen 34 und 35. Diese reflektieren das Laserlicht mehrfach und lassen es aus einer auf der Unterseite der Anordnung gelegenen Öffnung 36 austreten. Die Öffnung ist mit einer Polarisationsfolie 37 überspannt. Um die Öffnung 36 herum befinden sich konzentrisch angeordnete Ringdetektoren 38 und 39, während die gesamte Anordnung mit einem vorzugsweise schwarz lackierten Gehäuse 40 eingehaust ist.

Die Ringdetektoren enthalten beispielsweise für die Messung von Diffraktionseffekten Photoschichten und/oder Solarschichten und können auch als eine Einheit ausgebildet sein. Die in den Detektoren möglicherweise vorhandene Nichtlinearität zwischen dem Messsignal und der eingestrahlten Lichtintensität kann durch eine Variation der Einstrahlleistung ausgeglichen werden. Druck- und/oder Temperatursensoren können vorhanden sein. Einer oder mehrere Sensoren aus dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 10, aber auch aus den vorhergehend gezeigten Ausführungsbeispielen, können auch als Referenzdetektoren verwendet werden, die Fehler bei einem wiederholten Aufsetzen der Sensoranordnung detektieren und korrigieren.

Die vorhergehend erwähnten Laserquellen strahlen zweckmäßigerweise in einem Wellenlängenbereich, in welchem die Eindringtiefe des Lichtes in das Gewebe maximal ist. Hierzu sind Laserquellen zweckdienlich, deren emittiertes Licht eine Wellenlänge von ca. 650 nm bis 1000 nm aufweist und daher im nahen Infrarot liegt. Licht einer derartigen Wellenlänge dringt beispielsweise in menschliche Haut bis zu 4 cm tief ein und erreicht dort eine Intensität, die bei 25% des Anfangswertes liegt. Bewährt haben sich hierbei Laserdioden im roten und infraroten Spektralbereich, insbesondere Halbleiterlaser oder Farb- zentrenlaser. Dabei genügen relativ kurze Laserpulse von etwa 200 ms. Natürlich ist es auch möglich, andere Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums zu verwenden, um sensitive Aussagen über verschiedene Gewebeschichten zu gewinnen. So ist es beispielsweise möglich, Licht im UV-Bereich mit einer Wellenlänge von weniger als 400 nm einzustrahlen und damit Eindringtiefen von bis zu 1 cm zu erreichen, um damit selektiv nur dermale Gewebeschichten zu untersuchen.

Die Wellenlänge des verwendeten Lichtes hängt allerdings auch von den in dem untersuchten Gewebe vorhandenen Gewebeflüssigkeiten ab. Bei der Untersuchung eines stark durchbluteten Gewebes, zum Beispiel von Schleimhäuten oder einer direkten Messung an einem Adernabschnitt, sollte die Wellenlänge des Lichtes so gewählt werden, dass die in dem Blut gegebene Sauerstoffsättigung keine Rolle spielt.

Als bevorzugte Orte des Messverfahrens kommen insbesondere Körperhöhlen in Betracht. So ist es möglich, im Bereich des Bauchnabels eine Messung auszuführen.

Die genauen Parameter zur Gestaltung eines Messprogramms können dabei in die Zentraleinheit über dort vorhandene Eingabemittel, insbesondere Knöpfe, Touchscreens, aber auch über eine externe Schnittstelle eingegeben und angepasst werden. Die erste Ausführungsform eignet sich besonders für größere, stationäre Einrichtungen, die letztere Möglichkeit ist für mobile Kleingeräte und miniaturisierte Messanordnungen sinnvoll.

In Verbindung damit ist es vorteilhaft, wenn dem Benutzer der Messanordnung Mittel für eine Benutzerführung bereitgestellt sind, die beispielsweise in Form von Signaltönen, Sprachausgaben, angezeigten Schrift- und Zeichendarstellungen, Menüfolgen und dergleichen weitere Signalisierungen ausgebildet sind. Dies betrifft sowohl das Ausführen von Konfigurationen an der Zentraleinheit wie auch das Ausführen von Messungen oder auch das Verwalten von Nutzerdaten und Messreihen. Die Messungen selbst sollten vorzugsweise unter gleichbleibenden Temperaturbedingungen, an der gleichen Gewebe- oder Körperstelle und auf einer sauberen und haarfreien Gewebeoberfläche ausgeführt werden. Ebenso sollten Beeinflussungen unterbleiben, bei denen starkes Umgebungslicht, insbesondere Sonnenlicht, auf den Messbereich einfallen kann und dabei die Messungen verfälscht.

Nachfolgend werden beispielhafte Verfahrensschritte erläutert, die dazu ausgeführt werden, um aus den mit den genannten Sensoranordnungen erfassten Messwerten den unbekannten Gewebeparameter zu bestimmen. Dabei wird in den nachfolgenden Beschreibungen auf die Bestimmung der Blutzuckerkonzentration Bezug genommen. Es ist jedoch einsichtig, dass anstelle der Blutzuckerkonzentration praktisch jeder beliebige Parameter in Betracht kommen kann.

Der Grundgedanke des Verfahrens besteht darin, mittels einer selbstlernenden Messanordnung auf eine empirische Weise zunächst einen Zusammenhang zwischen einer Reihe von unterschiedlichen und grundsätzlich beliebig vielen Messdaten einerseits und dem zu messenden Parameter innerhalb des Gewebes andererseits zu ermitteln, hierzu zunächst hinreichend viele Daten zu akkumulieren und schließlich den ermittelten empirischen Zusammenhang zwischen Messdaten und gemessenem Parameter dazu zu verwenden, um den zu bestimmenden Parameter schließlich ausschließlich optisch zu bestimmen. Dabei ist zu betonen, dass der physikalische Zusammenhang, der das Verhalten des eingestrahlten Lichtes im Gewebe bestimmt und den daraus resultierenden Intensitäts- oder Polarisationseffekten, die dann letztlich von der Sensoranordnung gemessen werden, nicht im einzelnen bekannt sein muss und oftmals auch nicht detailliert aufgeklärt werden kann.

Das Verfahren ist in zwei große Verfahrensabschnitte unterteilt. In einem ersten Verfahrensabschnitt, der Kalibrierungsphase, werden eine Reihe von so genannten Messvektoren ermittelt und mit dem auf anderem Wege bestimmten Parameter in Beziehung gesetzt. Dabei werden so genannte Referenzvektoren erzeugt. In einem zweiten Verfahrensabschnitt, der nachfolgend als Interpola- tionsphase bezeichnet wird, wird die Gesamtheit der während der Kalibrierungsphase bestimmten Messwert- und Referenzvektoren dazu verwendet, um aus den neu ermittelten Messwertvektoren nun auf dem Wege der Interpolation den gesuchten Gewebeparameter zu ermitteln

Die Dimension der Messwertvektoren, d. h. die Zahl ihrer Komponenten, kann ansich beliebig groß sein. Sie wird im wesentlichen von der Anzahl der von den Sensoranordnungen gelieferten Messwerte bestimmt. So liefert beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Sensoranordnung einen ersten Intensitätsmesswert für am Gewebe gestreuten Licht in einer ersten Polarisationsrichtung und einen zweiten Intensitätsmesswert für Streulicht in einer zweiten Polarisationsrichtung. Jeder einzelne Messwertvektor ist damit zweidimensional. Eine Vielzahl von Messwertvektoren beschreibt damit zusammen mit einem den Messwerten jeweils zugeordneten Gewebeparameter eine zweidimensionale Fläche in einem dreidimensionalen Raum.

Bei der Sensoranordnung aus Fig.8 besteht jeder einzelne Messwertvektor aus vier Komponenten. Die ersten beiden Komponenten ergeben sich aus den Lichtintensitäten für die zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen bei der ersten aktiven Laserlichtquelle, die dritte und vierte Komponente des Messwertvektors werden durch die polarisationsabhängigen Lichtintensitäten im Falle der zweiten aktiven Laserlichtquelle gebildet. Die Gesamtheit der so ermittelten Messwertvektoren bilden damit eine vierdimensionale Hyperfläche in einem fünfdimensionalen Raum.

Entsprechend bilden die aus der Sensoranordnung gemäß Figur 9 ermittelten Messwertvektoren eine fünfdimensionale Hyperfläche in einem sechsdimensio- nalen Raum. Geht man davon aus, dass zu jeder Sensoranordnung jeweils der Druck und/oder die Temperatur als weiterer Messwert hinzu treten kann, nimmt die Dimension der jeweiligen Hyperflächen um eins oder um zwei zu.

Das nachfolgend erläuterte Verfahren wird anhand einer Gesamtheit aus zweikomponentigen Messwertvektoren dargestellt. Die dabei ablaufenden Verfahrensschritte lassen sich jedoch ohne weiteres auf höher dimensionale Messwertvektoren übertragen, sofern nur ein einziger Gewebeparameter zu ermitteln ist.

Der Grundgedanke des nachfolgend erläuterten Verfahrens besteht darin, zunächst die n-dimensionale Hyperfläche der Messwertvektoren anhand von Kalibriervorgängen hinreichend genau zu bestimmen und anschließend auf dieser Hyperfläche Interpolationen auszuführen.

Das Verfahren startet mit einer Kalibrierungsphase. Ein beispielhafter Ablaufplan hierzu ist in Fig. 11 dargestellt. Zum Ausführen des Verfahrens wird von einer Verwendung der vorhergehend beschriebenen Sensoranordnung nach Fig. 2 ausgegangen. Die von dem Teilarray 10 gelieferten Messwerte werden nachfolgend mit der Variable P und einem Index, die von dem Teilarray 11 gelieferten Messwerte mit der Variable S und einem Index bezeichnet. Die Indizes bezeichnen dabei jeweils die Nummer einer ausgeführten Messung. Ein Messwertvektor M setzt sich somit aus den Komponenten (P; S) zusammen. Die Bezeichnung M, oder M _k steht dabei für einen Messwertvektor der i-ten bzw. k-ten Messung, die dazu gehörenden Komponenten P, und S, bzw. P _k und S _k sind dabei die entsprechenden Messwerte P und S der i-ten bzw. k-ten Messung. Dabei bezeichnet der Index i Messwerte und Messwertvektoren, die innerhalb der Kalibrierphase erzeugt worden sind, und für die der Gewebeparameter unabhängig bestimmt worden ist, der Index k dagegen Messwertvektoren, die während der Interpolationsphase erzeugt werden und für die der Gewebeparameter interpoliert werden soll.

Im Zusammenhang damit wird für den zu bestimmenden Gewebeparameter nachfolgend die Variable BZ verwendet. Die Bezeichnungen BZ, bzw. BZ _k stehen dabei für den in der i-ten bzw. k-ten Messung unabhängig bestimmten oder später interpolierten Gewebeparameter.

Die Kalibrierungsphase beginnt mit einem Verfahrensschritt 41 einer unabhängigen Ermittlung eines Gewebeparameters BZ,. Sofern es sich dabei um eine Blutzuckermessung handelt, wird hierzu eine Blutabnahme und eine entsprechende Blutanalyse ausgeführt, die einen eindeutigen Blutzuckermesswert liefert. Gleichzeitig damit wird in einem Verfahrensschritt 42 eine nichtinvasive Messung unter Verwendung der Sensoranordnung nach Fig. 2 ausgeführt. Die dabei ermittelten Messwerte S, und P, bilden einen Messwertvektor M, und werden in einem Verfahrensschritt 43 mit dem unabhängig ermittelten Gewebeparameter BZ, zu einem Referenzvektor R, vereinigt und in einer Datenbank oder einem Speicher 44 abgelegt. Die dort gespeicherten Referenzvektoren bilden die Referenzmenge R des Verfahrens.

In einem Entscheidungsschritt 45 wird geprüft, ob die Anzahl der bereits erfassten Referenzvektoren R, ausreichend ist. Sofern dies der Fall ist, geht das Verfahren in die Interpolationsphase 46 über. Die Zahl der für die Referenzmenge R erforderlichen Referenzvektoren R, richtet sich nach der Gestalt der damit beschriebenen Hyperfläche und nach deren Individualitätsgrad. Für Blutzuckermessungen hat es sich herausgestellt, dass etwa 20 Referenzvektoren später eine hinreichend gute Interpolation ermöglichen. Im Allgemeinen gilt, dass eine möglichst große Anzahl an Referenzvektoren natürlich von Vorteil ist, aber sinnvoll hinsichtlich des vertretbaren Aufwandes abgewogen werden muss.

Fig. 12 zeigt einen beispielhaften Plan für den Ablauf der Interpolationsphase 46. Die Interpolationsphase beginnt mit einem Schritt 47, bei dem unter Verwendung einer der vorgenannten Sensoranordnungen ein Messwertvektor M _k bestimmt wird. Dieser besteht bei einer Verwendung der Sensoranordnung gemäß Fig. 2 aus zwei Komponenten S _k und P _k . In einem nächsten Schritt 48 wird die in dem Speicher 44 enthaltene Referenzmenge R aufgerufen. Die in den dort gespeicherten Referenzvektoren R, enthaltenen Messwertvektoren M, werden mit dem Messwertvektor M _k in einem Schritt 49 verglichen. Dabei werden eine vorbestimmte Anzahl vom Messwertvektoren M', ausgewählt, die zu dem gegebenen Messwertvektor M _k am nächsten liegen. Die zu diesen Messwertvektoren gehörenden Referenzvektoren R', bilden die Grundlage für einen nun folgenden Interpolationsschritt 50. Innerhalb des Interpolations- Schrittes 50 wird aus den ausgewählten Referenzvektoren R', und dem aktuellen Messwertvektor M _k ein interpolierter Parameter BZ _k ermittelt und als nun rein optisch und nicht invasiv gemessener Gewebeparameter in einem Schritt 51 ausgegeben.

Der beschriebene Verfahrensablauf ermöglicht es, das Verfahren selbstlernend auszuführen. Das bedeutet, dass die interpolierten Parameter BZ _k zusammen mit den Messwertvektoren M _k nun wiederum einen Referenzvektor R, für spätere Messungen bilden. Die neuen Referenzvektoren R, werden der Datenbank 44 und der dort enthaltenen Referenzmenge hinzugefügt.

Im folgenden sollen die in der Interpolationsphase ausgeführten Berechnungsschritte genauer beschrieben werden. Fig. 13 zeigt zunächst eine beispielhafte Referenzmenge R aus einer Menge von Referenzvektoren Ri bis Rio in Form einer in einem dreidimensionalen Raum eingebetteten Fläche. Die Basisvektoren des dreidimensionalen Raumes bilden die vorhergehend erwähnten Parameter P, S und BZ. Die Referenzmenge beschreibt somit die Abhängigkeit des Gewebeparameters BZ als Funktion der gemessenen Parameter S und P.

Obwohl diese Funktion für gewöhnlich nicht explizit bekannt ist, sondern nur punktweise vorliegt, wird für die nachfolgend dargestellten Berechnungsschritte davon ausgegangen, dass die von den Referenzvektoren gebildete Fläche grundsätzlich glatt, d.h. mindestens an jedem Punkt stetig ist.

Die Referenzmenge R besteht wie beschrieben aus einer hinreichend großen Anzahl aus N Referenzvektoren R, = (S,, P,, BZ,). Fasst man die Referenzvektoren R| als Spaltenvektoren einer Matrix auf, kann die Referenzmenge wie folgt angegeben werden:

Dabei bilden die Mi bis M _N die vorhergehend beschriebenen Messwertvektoren

Der Abstand d zwischen zwei Vektoren a = (xi, Vi) und b = (x ₂ , y ₂ ) bestimmt sich gemäß dem Satz des Pythagoras im euklidischen Raum über eine Normbildung:

Entsprechend lassen sich zu einem gegebenen Messwertvektor M _k = (S _k , P und jedem bereits in der Referenzmenge R enthaltenen Messwertvektor M, Abstände d _k i wie folgt bestimmen:

Aus dieser Menge werden nun nachfolgend die drei kleinsten Werte d' _ki und damit die nächstliegenden Messwertvektoren M', und damit die für die Interpolation benötigten Referenzvektoren R', mit i = 1 ... 3 aus der Referenzmenge ausgewählt. Diese Interpolationsmenge I lässt sich wie folgt in Matrixform angeben:

Diese drei Vektoren legen eine für die Interpolation benötigte Fläche im Raum fest. Flächen lassen sich mathematisch durch eine Linearkombination aus den Raumkoordinaten x, y und z und einem Parametersatz a', b', c' und d' eindeutig festlegen: a'x + b'y + c'z = d' . (5)

Diese Parametergleichung lässt sich durch Einführen neuer Parameter a = - a'/C, b = -Wie' und c= d'/C zu z = ax + by + C (6) umformen. Dabei ist z = BZ, x = S und y = P. Es gilt somit

BZ = aS + bP + c . (7)

Zur Bestimmung der Interpolationsfläche müssen somit nun die Parameter A, B und C bestimmt werden. Hierzu wird auf die Parametermenge I zurückgegriffen, wobei sich daraus ein lineares Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten ergibt:

BZ = aS +bP +c

BZ = aS +bP +c (8)

BZ = aS +bP +c

Die Lösungen dieses Gleichungssystems ergeben sich dann zu (BZ -BZ )(S -S ) - (BZ -BZ )(S -S )

b = (10) (P -P )(S -S' ₃ ) - (P -P )(S -S )

c = BZ -aS -bP (11)

Damit ergibt sich der zu dem Messwertvektor M _k gehörende interpolierte Wert für den biologischen Gewebeparameter BZ _k aus der Beziehung:

BZ _k =aS _k +bP _k +c. (12)

Ein gelegentlich im Nenner der Gleichungen (9) oder (10) auftretender Wert von Null kann dadurch beseitigt werden, indem die Spalten innerhalb der Matrix aus Gleichung (3) gegeneinander vertauscht, d.h. permutiert werden.

Zur Illustration der genannten Interpolationsschritte sei auf die Figuren 13 und 14 verwiesen. Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt aus einer durch die Endpunkte von Referenzvektoren Ri bis Rio gebildeten Referenzmenge in einem dreidimensionalen (S; P; BZ)-Raum. Die Referenzmenge ist dabei eine zweidimensionale Hyperfläche. Fig. 14 zeigt einen Messwertvektor M _k mit einem dazu gehörenden interpolierten Gewebeparameter BZ _k , in der Umgebung von drei nächstliegenden Referenzvektoren R'i bis R' ₃ . Diese bilden die in diesem Fall ausgewählte Interpolationsmenge I. Diese bilden eine Interpolationsfläche F aus. Wie aus der Figur entnommen werden kann, kann der interpolierte

Parameter BZ _k als der dem Messwertvektor M _k zugewiesene Wert auf dem Gebiet der Interpolationsfläche F aufgefasst werden.

An der Darstellung aus Fig. 14 lassen sich zwei Dinge ablesen. Die Interpolation wird erstens besonders dann genau, wenn die Hyperfläche möglichst flach und krümmungsarm ist und ihre Genauigkeit nimmt auch dann zu, wenn Messwertvektoren der Referenzmenge möglichst dicht an dem Messwertvektor liegen, dessen Parameter BZ _k zu interpolieren ist. Zweitens bilden die Refe- renzvektoren unveränderliche Stützpunkte für die ansonsten unbekannte Hyperfläche. Diese wird bei jedem neuen Interpolationsvorgang durch eine neue Interpolationsfläche in einem kleinen Gebiet angenähert, wobei sich der interpolierte Gewebeparameter etwas über oder unter der wirklichen Hyperfläche befindet. Dies ist von Bedeutung für die nachfolgenden Interpolationsvorgänge, bei denen wiederum auf interpolierte Gewebeparameter BZ _k und dazu gehörende Messwertvektoren M _k zurückgegriffen wird. Streng genommen handelt es sich dann nicht mehr um eine Interpolation entlang einer klar definierten Fläche, sondern innerhalb einer mehr oder weniger auf einen gewissen Bereich eingeschränkte Punktwolke. Die grundsätzlichen Verfahrensschritte ändern sich dadurch nicht, jedoch ist einsichtig, dass die Interpolation umso genauer sein wird, je ausgeprägter und deutlicher die optisch bestimmten Messgrößen von dem zu bestimmenden Gewebeparameter BZ abhängen.

Alternativ kann die Interpolation auch mit Hilfe eines aus der Referenzmenge R erzeugten Interpolationsnetzes ausgeführt werden. Dabei wird der Wertebereich für die Werte Messwerte S und P in ein Netz aus beispielsweise 12 mal 12 Punkte unterteilt und die Referenzvektoren R,, d.h. die Referenzwerte BZ, an diesen Punkten in einem ersten Interpolationsschritt ermittelt. Das Interpolationsnetz ermöglicht es, in der Interpolationsphase zu jedem gemessenen Messwertvektor M _k in der Nähe befindliche Referenzmesswertvektoren M, zu finden und somit die Interpolation sicherer auszuführen.

Die Referenzmenge, d.h. die durch die Referenzvektoren gebildete Hyperfläche, kann eine durchaus komplexe Form aufweisen. Fig. 15 zeigt hierzu ein aus realen Kalibrierungsmessungen gewonnenes Beispiel. In dem Diagramm sind Blutzuckerkonzentrationen BZ über den Messwerten S und P in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die Referenzmenge zeigt sich in diesem Beispiel als eine durch Maxima, Minima und Sattelpunkte geformte Fläche, die sich durchaus von Gewebe zu Gewebe bzw. von Proband zu Proband unterscheiden kann und somit auch als individueller„Fingerabdruck" für den Probanden oder das untersuchte Gewebe gelten kann. Bedienungsseitig erfolgen diese Auswerteprozeduren als Hintergrundprozesse einer für den Anwender komfortablen Menüführung. Diese Menüführung ist vor allem bei dem Erfassen von Messreihen von Vorteil, die personalisiert auf einen Probanden erfolgen sollen. Dabei kann der Benutzer zunächst aus einem ersten Menü einen Probandennamen wählen und bestätigen. Während der Kalibrierungsphase wird eine Messung ausgeführt und der Anwender unmittelbar darauf aufgefordert, den unabhängig bestimmten Wert BZ, für den Gewebeparameter einzugeben. Die Eingaben werden von dem Gerät bestätigt und innerhalb einer personalisierten Datenbank abgespeichert. Die Eingabe der entsprechenden Zahlenwerte für BZ, kann dabei entweder über eine Zifferntastatur oder über UP- and DOWN-Menüs erfolgen, bei denen die entsprechenden Werte innerhalb eines hinreichend großen Auswahlbereiches durchlaufen werden.

Dabei ist es auch möglich, innerhalb bereits vorliegender Referenzdaten zu browsen und diese Daten zu editieren oder auch zu löschen. Diese Browse- funktion kann sowohl an dem Gerät selbst, als auch an einer externen Datenverarbeitungseinheit über die erwähnte Schnittstelle und mit den dort umfangreicheren und komfortableren Editiermöglichkeiten, beispielsweise entsprechenden Auswerteprogrammen und Texteditoren, erfolgen.

Bei dem Erreichen einer bestimmten Menge an Referenzdaten gibt das Gerät über das Display einen entsprechenden Hinweis aus und signalisiert damit, dass die Interpolationsphase gestartet werden kann. Während der Interpolationsphase wird die Messung wie während der Kalibrierungsphase ausgeführt. Das Gerät gibt jedoch nach dem Ausführen der Messung keine Aufforderung zur Eingabe eines Referenzwertes aus, sondern zeigt auf dem Display das Ausführen des vorhergehend beschriebenen Interpolationsvorgangs an. Der dabei interpolierte Gewebeparameter BZ _k wird angezeigt und intern gespeichert. Auch in diesem Fall ist es möglich, die beim Messvorgang erfassten Daten über die Schnittstelle an die externe Datenverarbeitungseinheit zu übertragen und dort weitere Bearbeitungen vorzunehmen. Grundsätzlich ist es möglich, die Randbedingungen zu modifizieren und anzugeben, unter welchen Kriterien eine Interpolation ausgeführt wird und unter welchen Kriterien die Interpolation unterbleiben soll. Der Benutzer kann hierzu über das Menü beispielsweise für die vorhergehend genannten Abstände d _k i gewisse Maximalbeträge vorgeben. Liegt der Abstand d _k i zwischen dem Messwertvektor M _k und dem Messwertvektor M, der Referenzmenge außerhalb dieses vorab definierten Bereichs, wird ein entsprechender Hinweis ausgegeben und die Interpolation gestoppt oder unter dem Vorbehalt einer möglicherweise stark fehlerbehafteten Bestimmung des Gewebeparameters fortgesetzt.

Der in dem Gerät enthaltenen Software entspricht eine auf der externen Datenverarbeitungseinrichtung enthaltene Softwarekomponente. Diese besteht aus einem Satz aus Programmwerkzeugen zur Datenanalyse. Sie ermöglicht eine Darstellung der aus den Messwertvektoren und den Gewebeparametern erzeugten Hyperfläche und ermöglichen damit eine Beurteilung der Güte einer möglichen Interpolation.

Weiterhin umfasst die Software Bestandteile zum Vergleichen der korrekten und unabhängig bestimmten Gewebeparameter BZ, mit den errechneten Werten BZ _k auf der Grundlage der optischen Messungen und zeigt in einem Graphen die Qualität der optischen Messungen an. Sie ermöglicht damit eine mögliche zusätzliche Qualitätsüberprüfung der Messung.

Die Software umfasst weiterhin Mittel zum Errechnen einer Korrelationsfunktion zwischen den unabhängig bestimmten Gewebeparametern BZ, und den interpolierten Werten BZ _k .

Zum Ausführen dieser Programmwerkzeuge werden die entsprechenden Messdaten auf die externe Datenverarbeitungseinheit überspielt. Nach dem Ausführen der Programmmittel wird eine Datei mit den entsprechenden Resultaten erzeugt und ausgegeben. Zum Ausführen dieser Prozeduren wird beispielsweise auf eine Kombination aus einer datenverarbeitenden Software und bereits vorgegebenen Mitteln zur Darstellung von Daten und zu deren Ausgabe zurückgegriffen. So liegen beispielsweise die Messwerte in Form einer Datei in einem ASCII-Format vor und werden einer entsprechenden Datenanalyse durch ein erstes Softwaremittel unterzogen. Die dabei errechneten Ergebnisse werden in eine Datei übertragen, auf die wiederum mittels eines Plot- Programmes, beispielsweise gnuplot, zugegriffen wird. Die dabei errechneten Daten, insbesondere die Hyperfläche für die Interpolation oder die Korrelationsfunktion, werden nun mittels gnuplot dargestellt und anschließend in ein LaTeX-kompatibles Fileformat überführt. Schließlich wird das LaTeX-File mit entsprechenden Textangaben ergänzt und mittels eines Compilierungspro- gramms in ein DVI-, PS- oder PDF-File übertragen und angezeigt. Alternativ dazu können die entsprechenden Werte auch in ein graphisches Anzeigeprogramm überführt und auf einem Display betrachtet werden.

Der dazu gehörende Code umfasst beispielsweise fünf Abschnitte. In einem ersten Abschnitt werden die für die Ausführung des Programms notwendigen Variablen definiert. In einem zweiten Abschnitt werden Konfigurationsdaten eingelesen. Danach werden in einem dritten Abschnitt die Daten aus einem Datenfile ausgelesen und in einem vierten Abschnitt die errechneten Daten in ein Ausgabefile geschrieben. Der fünfte Abschnitt stellt den eigentlichen Kern des Codes dar und dient der Berechnung der Korrelationswerte.

Zum Einlesen der Konfigurationsdaten wird zweckmäßigerweise auf eine bereits vorgespeicherte Konfigurationsdatei zurückgegriffen. Danach gibt das Programm die gelesenen Datenfiles als Information aus und legt die Filenamen für die Ausgabewerte fest. Damit wird der Speicherplatz für die Ausgabedaten reserviert.

In einem nächsten Schritt wird das Eingabefile auf dessen ordnungsgemäßes Format geprüft. Anschließend wird für jeden Wert BZ die prozentuale Abweichung x zwischen dem korrekten Wert BZ, und dem Wert BZ _k ermittelt:

x = 100— *--100 (13)

BZ, Zur Berechnung der Korrelationsfunktion kann beispielsweise auf das

Pearson'sche Produktmoment bzw. den Pearson-Koeffizienten zurückgegriffen werden. Dieser ist ein dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen zwei mindestens intervallskalierten Merkmalen. Er kann Werte zwischen -1 und +1 annehmen. Bei einem Wert von +1 oder -1 besteht ein vollständig positiver (bzw. negativer) linearer Zusammenhang zwischen den betrachteten Merkmalen. Wenn der Korrelationskoeffizient den Wert 0 aufweist, hängen die beiden Merkmale überhaupt nicht linear voneinander ab. Der Pearson-Koeffizient berechnet sich für N Werte BZ, und N Werte BZ _k wie folgt:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wurden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

1 Zentraleinheit

la Energieversorgungseinheit

2 Laser-Betriebseinheit

3 Laserquelle

4 Sensoreinheit

4a Messsensor

5 Steuereinheit

5a Zusatzsensor

6 Speicher- und Verarbeitungseinheit

7 Schnittstelle

8 externe Datenverarbeitungseinheit

9 Sensorarray

10 erstes Teilarray

11 zweites Teilarray

12 erster Polarisator

13 zweiter Polarisator

14 Lichtaustrittsöffnung

15 Abstandshalter

16 Gewebeoberfläche

17 Drucksensor

18 Temperatursensor

19 Schlitz

20 Lichtleitkabel

21 Kippmechanik

22 Messsensor, Absolutmessung

23 Umlenkspiegel

24 Messsensor, Streumessung

25 erste Laserlichtquelle

26 zweite Laserlichtquelle

27 Ringdetektor

28 Photodetektor, Absorptionsmessung Photodetektor, Refraktionsmessung

Photosensor, spektral auflösend

Photosensor für Polarisationszustand

Laserquelle

innere Lichtquelle

erste reflektierende Oberfläche

zweite reflektierende Oberfläche

Öffnung

Polarisationsfolie

erster Ringdetektor

zweiter Ringdetektor

unabhängige Ermittlung Gewebeparameter nichtinvasive optische Messung

Erzeugung Referenzvektor

Speicherablage

Vollständigkeitsprüfung

Übergang zur Interpolationsphase

Bestimmen Messwertvektor

Aufruf Referenzmenge

Vergleich Messwertvektor/ Referenzvektor

Interpolation

Ausgabe interpolierter Gewebeparameter