(57)【要約】  分光光度器械は、演算装置、アパーチャ４２２を備えた生体組織係合表面４０４を有するプローブ４０２、及び測定光信号を生じ、かつ第一光路４２０を介してプローブに光学結合された光源を備えて構成される。部分反射第一反射部材４３０はプローブ内に設置され、また、測定光信号の第一部分を生体組織アパーチャへ反射し、かつ第一反射部材を介して測定光信号の第二部分を送信するために設置されたおよそ楕円形輪郭を有する。第二反射部材４５６はプローブ内に設置され、かつ、第一反射部材を介して送信された測定光信号を反射するために設置されたおよそ楕円形輪郭を有する。第二光路４２８は、生体組織サンプルを介して送信された光信号を受信するためにプローブ内に配置された遠位の末端、及び演算装置に結合された近位の末端を有する。
2008522145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光光度器械用フィードバックシステムにして、
−内部を通って延在する第一アパーチャを備えた生体組織係合表面を有するプローブ、
−光源に光学結合され得る近位の末端を有し、かつ、測定光信号ビームを生体組織サンプルへ運ぶための上記第一アパーチャに光学結合された遠位の末端へ向かって延在している第一光路、
−第一光路の測定光信号の一部分をサンプル抽出するための上記第一アパーチャに隣接する第一光路に光学結合された遠位の末端を有し、かつ、基準光信号ビームを演算装置へ運ぶための近位の末端へ向かって延在している第二光路、
を備えて構成されるフィードバックシステム。
【請求項２】
フィードバック手段が第一光路から測定光信号の一部分を除去する、請求項１に記載のフィードバックシステム。
【請求項３】
第三光路が第二アパーチャに光学結合された遠位の末端を有し、かつ演算装置へ結合可能な近位の末端へ向かって延在している、請求項２に記載のフィードバックシステム。
【請求項４】
フィードバック手段が更に、
−第一光路の測定光信号の一部分を第一アパーチャを介して生体組織サンプル上へ反射するため、及び測定光信号の一部分を送信するために、第一アパーチャに隣接して配置された部分反射表面を有する第一反射部材、
−第一反射部材を介して送信された測定光信号を反射するために配置された反射表面を有する第二反射部材、及び、
−光信号を収集するための第二反射部材に隣接した遠位の末端を有し、かつ演算装置に結合可能な近位の末端へ向かって延在している光ファイバー、
を備えて構成される、請求項２又は３に記載のフィードバックシステム。
【請求項５】
部分反射表面が約４０：１から約５０：１までの反射／送信比を有する、請求項４に記載のフィードバックシステム。
【請求項６】
部分反射表面が実質的に波長に何の変化ももたらさない反射／送信比を有する、請求項４に記載のフィードバックシステム。
【請求項７】
第二光路が第一光路の測定光信号の独立した部分をサンプル抽出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項８】
第二光路が第一光路の測定信号の軸対称部分をサンプル抽出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項９】
第二光路が第一光路の測定信号の実質的に全ビームからサンプル抽出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１０】
第一光路が更に、
−光入力領域を備えられた近位の末端を有し、かつ、光出力領域を備えられ、生体組織係合表面に並行なプローブハウジング内へ延在し、第一アパーチャに隣接して配置された遠位の末端へ延在している第一光ファイバー、
−反射表面を有し、かつ第一光ファイバーの遠位の末端及び第一アパーチャに隣接して配置された第一部分で形成された第一反射部材、
を備えて構成され、
及び、第二光路が更に、プローブハウジング内に配置された遠位の末端において光入力領域を備えられ、かつ光出力領域を備えられた近位の末端へ向かって延在している第二光ファイバーを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１１】
第一反射部材の第一部分が生体組織係合表面に対して約４５°の角度で配置される、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１２】
生体組織サンプル上における光を、生体組織表面の平面に対して実質的に垂直に反射するように第一反射部材の第一部分が配置される、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１３】
第一反射部材の第一部分が凹形に湾曲した輪郭を有する、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１４】
第一反射部材の第一部分が平坦な輪郭を有する、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１５】
第二光路が更に第一反射部材内において第一部分に対して斜めに形成された第二部分を備えて構成され、かつ、第二光ファイバーの遠位の末端が第二部分に隣接して配置される、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１６】
第二光路が更に第一反射部材と第一アパーチャの間に配置された反射表面を有する第二反射部材を備えて構成され、第二光ファイバーの遠位の末端が第二反射部材に隣接して配置される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１７】
第一反射部材の反射表面が部分的に反射及び部分的に送信し、また、第二光路が第一光ファイバーのように第一反射部材の反対側の側面において配置された反射表面を有する第二反射部材を備えて構成され、かつ、第二光ファイバーの遠位の末端が第二反射部材に隣接して配置される、請求項１０に記載のフィードバックシステム。
【請求項１８】
第一反射部材の反射表面がアルミニウム、金、銀又は絶縁体のいずれか一つを備えて構成される、請求項１７に記載のフィードバックシステム。
【請求項１９】
第一反射部材の反射表面が約４０：１の反射／送信比を有する、請求項１７又は１８に記載のフィードバックシステム。
【請求項２０】
第一反射部材の反射表面が約５０：１の反射／送信比を有する、請求項１７又は１８に記載のフィードバックシステム。
【請求項２１】
第二反射部材が凹形に湾曲した輪郭を有する、請求項１７〜２０に記載のフィードバックシステム。
【請求項２２】
更に第二光ファイバーの遠位の末端に結合された光減衰器を備えて構成される、請求項１０〜２１のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項２３】
減衰器が基準光信号の約９７％から約９９％までを減衰するように適応される、請求項２２に記載のフィードバックシステム。
【請求項２４】
減衰器が大容量散乱媒体を備えて構成される、請求項２２又は２３に記載のフィードバックシステム。
【請求項２５】
減衰器が、
−凹形に湾曲した輪郭を有する第一表面、
−第二光ファイバーの遠位の末端に光学結合された第二表面、
−第一表面と第二表面の間に延在している先細領域、
を備えて構成される、請求項２４に記載のフィードバックシステム。
【請求項２６】
減衰器が、
−ガラスブロック、
−ガラスブロック上に形成された表面散乱媒体、
−ガラスブロックと第二光路の遠位の末端の間に入れられた光送信スペーシング部材、
を備えて構成される、請求項２２に記載のフィードバックシステム。
【請求項２７】
第一アパーチャが第二アパーチャから、約５ｍｍから約３５ｍｍまでの最小距離で間隔を置いている、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項２８】
光源が約８００、７６０、７２０及び６８０ｎｍにおいて光信号を発する、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項２９】
第三光路が更に、
−第二アパーチャに隣接して配置された反射表面を有する反射部材、
−反射表面に隣接して配置された光入力領域を備えた遠位の末端、及び光出力領域を備えた近位の末端を有する光ファイバー、
を備えて構成される、請求項１〜２８のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項３０】
反射表面が凹形に湾曲した輪郭を有する、請求項２９に記載のフィードバックシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定を主とする光分野、特に、光源内における出力信号の不安定度を測定し、かつ、補正するための方法及び構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】ＵＳ６４８７３４３：「光ファイバーの光混合器」
【特許文献２】ＵＳ５８７９２９４：「生体組織発色団測定システム」
【特許文献３】ＵＳ６４８１８９９：「分光光度器械用光学コネクタラッチ構造」
【特許文献４】ＵＳ６６６７８０３：「分光光度器械用較正モード認識及び較正アルゴリズム」
【０００３】
分光計が、生体組織の特性を測定するための道具として脚光を浴びてきた。図示することによってのみ、このタイプの装置の操作を、先行技術の図１を参照しながら簡単に記述する。図示されるように、器械は、光ファイバー１６によって電子装置パッケージ１４に取り外し可能に接続された、光プローブ１２を含んでいた。電子装置パッケージ１４は、コネクタ１８、検出器２０、演算装置／コントローラ２２、及び、ディスプレイ２４を含んでいた。操作において、プローブ１２は測定、乃至、分析されるべき生体組織上に配置された。プローブ１２は、光ファイバー１６及びプローブコネクタ２６を介して電子機器に連動された。次に先行技術の図２を参照すると、多くの異なる波長（例えば、８００、７６０、７２０、６８０、及び５３０ｎｍ）を発生するために、プローブコネクタ２６は、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）乃至、他の光源３０、３２、２４、２６及び３８を含んでいた。生体組織の特性を測定するために使用された光は、送信光ファイバー４０、４２、４４及び４６によってプローブ１２に係合された。プローブ１２の生体組織係合表面から、測定される生体組織へ送信された後、光は、受信光ファイバー４８の末端において収集される前に、生体組織を通って進んだ。この収集された光（測定光信号）は、その後、プローブコネクタ２６及び電子装置パッケージコネクタ１８を介して器械１４へ送信された。各測定光信号と一致する基準光信号（即ち、基準光信号は組織を通って送信されなかった）もまた、電子装置パッケージコネクタ１８へ送信された。光プローブ１２は、特許文献１に非常に詳細に記載されている。
【０００４】
電子装置パッケージ１４によって受け取られた、収集された測定光信号、及び基準光信号は、重要な各波長におけるこれら光信号の典型である電気信号を生じる検出器２０に送信された。演算装置／コントローラ２２は、その後、測定された生体組織パラメータ（例えば、飽和酸素レベル（StO2））の典型であるデータを生じるために、これらの信号を演算した。測定の読み取りは、ディスプレイ２４上に視覚的に表示された。生体組織パラメータデータを計算するために使用されたアルゴリズムは公知であり、かつ、特許文献２に記載されている。
【０００５】
器械１４によって続いて成される測定の精度を上昇するために、較正処置が典型的に行われた。分光光度タイプの器械を較正するための、方法及び装置が公知であり、前記の特許文献２に開示されている。例えば、較正は、図１に示されるように、較正装置５０上にプローブ１２を設置することによって成し遂げられた。較正装置５０は、光分散材料で詰まったハウジングを含んでいた。光分散材料は大まかに、リファレンススペクトルを備えるために、スペクトルに関してフラットである（即ち、全ての光を同じ程度に反射する）。Zotefoams社から入手可能のPlastazote  LD45のような白色ポリエチレンフォームが、この目的に使用され得た。
【０００６】
前記のタイプの分光光度器械の一つの構成は、重要な各波長のために、測定光信号を検出するための光電子増倍管（PMT）、及び、較正認識信号（又は、周辺光）を検出するための光ダイオードを含む。PMTｓ及び光ダイオードが装着された光学ベンチの温度制御の維持を助け、かつ、それによって送信シグナルのドリフトを軽減するために、電子パッケージ内において熱電気冷却機が含まれ得た。
【０００７】
この装置と接続するのに使用されたプローブコネクタ２６は、コネクタ２６内において発生された基準信号を有する実施形態を示す、先行技術図２中に図示されている。示されるとおり、プローブコネクタ２６は、８００、７６０、７２０及び６８０ｎｍにおいて測定光信号を発生するために、３０、３２、３４、及び３６の４つのＬＥＤを含んだ。これらＬＥＤ各々からの光信号は、分離測定信号送信ファイバー４０、４２、４４、４６によってプローブ１２に係合された。分析される生体組織を通って送られ、かつ、プローブにおいて収集された後、測定光信号は、測定信号受信ファイバー４８によってプローブコネクタ２６に係合され返される。測定信号受信ファイバー４８の末端は、電子パッケージ１４のコネクタ１８内のソケットと接続するために装着されたサンプルはめ輪５２におけるプローブコネクタ４８内に存在した。光プローブ１２については、「使い捨て生体組織プローブチップ」という題の米国特許出願及び特許文献１に非常に詳細に記述されている。
【０００８】
基準光信号もまた、プローブコネクタ２６によって備えられた。基準光信号は各ＬＥＤからの光の一部分を含んでおり、かつ、収集される前にプローブ１２から送られていなかった。図２に示された実施形態において、各測定光信号源LED３０、３２、３４、３６から、基準ファイバー取り付けはめ輪６４に装着された光分散材料で形成された光混合器／減衰器６２へ各々延在する、基準光信号送信光ファイバー５４、５６、５８及び６０によって、基準光信号が収集された。基準信号送信ファイバー５４、５６、５８、６０は、基準信号受信ファイバー６６に繋がる光分散材料における取り付けはめ輪６４内で収集された。各LEDから受信された基準光は混合器６２において混合され、かつ、基準信号受信ファイバー６６を介して送信された。基準信号受信ファイバー６６の末端は、電子パッケージ１４のコネクタ１８内のソケットと接続するために装着された基準はめ輪６８におけるプローブコネクタ２６内に存在した。
【０００９】
生体組織を介して送信された場合に著しく減衰したので、コネクタ２６における測定光信号の強度は、非減衰基準光信号の強度よりもはるかに小さいものであった（例えば、約１００万倍小さい）。同一の光電子増倍管利得で検出可能にする、基準と測定信号単位を合わせるために、基準信号は混合器６２において減衰された。基準信号の減衰は、中央に設置された基準信号受信ファイバー６６から等距離の測定信号送信ファイバー５４、５６、５８、６０に位置する反射モードによって得られた。光学的に透明なエポキシ基質（例えば、EpoTech３０１：エポキシテクノロジー社製、マサチューセッツ州ビレリカ）中の光分散材料（例えば、酸化チタン：アルドリッチ社製、ウィスコンシン州ミルウォーキー）の濃度は、混合器６２内で適切な減衰レベルを備えるために調節されてきた。プローブコネクタ２６はまた、各LED３０、３２、３４、３６及び３８に対して、好ましくは１４ピン電気コネクタ７２及び光ファイバー取り付けはめ輪７４を有し、コネクタ７２に繋がるPCボード７６において各LEDが設置された。LED３８は、較正認識送信ファイバー７８に接続された較正認識信号LEDであった。ファイバー４０、４２、４４、４６条の矢印は「プローブチップへ」を示し、一方ファイバー４８条の矢印は「プローブチップから」を示すことが理解される。
【００１０】
コネクタラッチ構造（図示されず）が、電子パッケージ１４におけるコネクター１８の一致するソケット（図示されず）に対して、プローブコネクタ２６のサンプルはめ輪５２及び基準はめ輪６８を留めた。ラッチコネクタ構造は、特許文献３中に詳細に記述されている。
【００１１】
空間的に分離された路におけるコネクタ１８において受信される基準光信号、及び測定光信号（サンプル光信号としても参照される）は、レンズ又は他の光学素子によって平行にされ、かつ、シャッター及び路移動光学素子８０（先行技術図３）に向かった。シャッター及び路移動光学素子８０は、選択的に、かつ、代替的に信号を、検出器２０（光学ベンチ）へ向かう共通の路の中へ進めた、或いは収めた。シャッター及び、路移動光学素子８０の一実施形態を図３中に図示されている。図のとおり、３０°ステッパー電動機８７は、矢印８６で示されているように不透明な羽根部８４を駆動し、かつ、演算装置／コントローラ２２によって制御された。ステッパー電動機８７は、基準光信号、及び測定光信号の一つを選択的に遮断し、かつ、他の一つを路移動光学素子８０へ送信するために、羽根部８４を配置した。矢印８８は、平行にされたLED基準光路を示し、一方、矢印９０は平行にされた測定／サンプル光路（プローブ１２からの）を示した。
【００１２】
図示された実施形態において、路移動光学素子８０は、測定光路９４内において４５°接合（ビーム分割）反射部材９２を含んだ。この結合反射部材９２は、矢印９６で示されたように、測定光信号の大部分（例えば９８〜９９％）が検出器２０（図１参照）の方へ向かって反射部材９２を通り抜けることを可能にした。その際、残り（例えば１〜２％）は検出器２０から反射された（即ち、矢印９８で示されるように、遮断された）。基準光路１０２内の４５°反射部材１００は、測定光信号が初期に進められた側面と反対側にある、結合反射部材９２の側面上において、基準光信号が反射された。基準光信号の大部分は、それから結合反射部材９２を通り抜けたであろう、一方で、少量（例えば１〜２％）は、測定光信号のように、同様の光路９６に沿って検出器２０（図１参照）に反射されたであろう。測定光信号、及び基準光信号は、それによって同様の路９６上において進められた、或いは収められ、かつ、共通の検出器へ進められた。演算装置／コントローラ２２（図１参照）からの制御信号に答えて、ステッパー電動機８７は、基準光信号、又は測定光信号の一つを遮断するために不透明な羽根部８４を配置したであろう。他の基準光信号、及び測定光信号は、それから、検出器２０へ送信されたであろう。この光学素子の配置もまた、基準光信号の強度を減衰された、それによって検出器２０のPMTsは飽和しなかったであろう。
【００１３】
先行技術図４は、先行技術図１中に示され、かつ、前記の器械１０又は、電子パッケージ１４内において使用するための検出器２０の図である。矢印１０４で示された、直径約５ｍｍの平行にされた光ビーム（基準、又はサンプル（測定）光信号のいずれか）が、光学軸１０８から３０°ずれた位置に配置された８００ｎｍ二色性反射部材１０６の前面に送信された。７８０ｎｍよりも長い波長を有する光の約９０％が、第一光電子増倍管（ＰＭＴ）センサー１１０で反射され、そのＰＭＴセンサー１１０は、ＰＭＴセンサー１１０の前に配置された、半値全幅（ＦＷＨＭ）の８００ｎｍバンドパスフィルター（＋／−１０ｎｍ）を有した。
【００１４】
７８０ｎｍよりも短い波長を有する光の約８０％が、光学軸１０８から２５°ずれた位置に配置された７６０ｎｍ二色性反射部材１１２の前面へ、８００ｎｍ二色性反射部材１０６を介して送信された。７４０ｎｍよりも長い波長を有する光の約９０％が、第二ＰＭＴセンサー１１４で反射され、そのＰＭＴセンサー１１４は、ＰＭＴセンサー１１４の前に配置された７６０ｎｍバンドパスフィルター（＋／−１０ｎｍＦＷＨＭ）を有した。７４０ｎｍよりも短い波長を有する光の約８０％が、光学軸１０８から３０°ずれた位置に配置された７２０ｎｍ二色性反射部材１１６の前面へ、７６０ｎｍ二色性反射部材１１２を介して送信された。７００ｎｍよりも長い波長を有する光の約９０％が、第三ＰＭＴセンサー１１８で反射され、そのＰＭＴセンサー１１８は、ＰＭＴセンサー１１８の前に配置された７２０ｎｍバンドバスフィルター（＋／−１０ｎｍＦＷＨＭ）を有した。７００ｎｍよりも短い波長を有する光の約８０％が、光学軸１０８から３０°ずれた位置に配置された６８０ｎｍ二色性反射部材１２０の前面へ、７２０ｎｍ二色性反射部材１１６を介して送信された。６６０ｎｍよりも長い波長を有する光の約９０％が、第四ＰＭＴセンサー１２２で反射され、そのＰＭＴセンサー１２２は、ＰＭＴセンサー１２２の前に配置された６８０ｎｍバンドパスフィルター（＋／−１０ｎｍＦＷＨＭ）を有した。６６０ｎｍよりも短い波長を有する光の約８０％が、光ダイオードの前に配置された６００ｎｍ短路フィルター（約４００ｎｍ〜６００ｎｍの送信された光）から構成される検出器ブロックへ、６８０ｎｍ二色性部材１２０を介して送信された。この検出器は、周辺光の存在、及び／又は、較正材料認識信号（５３０ｎｍＬＥＤエミッタ）を測定するために用いられた。較正材料認識信号、及び、その使用方法については、特許文献４中に記載されている。
【００１５】
器械によって較正手順が行われいてる間、及び、測定の較正に接続して使用された各ＰＭＴに対して（前記実施形態においては４つのＰＭＴ）、プローブ（即ち、ベースラインサンプル）から受け取られた測定信号と基準信号（即ち、ベースライン基準）の両方にベースラインの読み取りが確立された。これらの較正測定、及び基準ベースライン信号（各PMTに対する）は、前記シャッター及び、路移動光学素子８０を介して得られ、かつ、メモリー（分離して示されていない）内に保管され、測定較正アルゴリズムにおいて実際に使用された。
【００１６】
先行技術図５は、光プローブ１３０を図示しており、光プローブ１３０は、前記特許文献２において示された器械と接続した状態で使用され、かつ、光混合器１３２を含んだ。プローブ１３０は、多数の光ファイバー１３６、１３８及び１４０を支持するための差込１３４、内部に差込１３４が設置されているハウジング１４２、及びハウジング１４２に取り外し可能に設置された使い捨てエラストマーチップ（図示せず）を含んだ。光ファイバー１３６は、混合ファイバー１４４において末端部を成し、かつ、ハウジング１４２とケーブルハウジング１４６内の器械の間に結合された。プローブ１３０の図示された実施形態は、器械からの様々な波長の光（狭いバンド幅のLEDによって備えられた）がプローブ１３０へそれを介して送信された、４つの送信ファイバー１３６を有した。送信ファイバー１３６の末端は、はめ輪１４８内において封印された。光混合機１３２は、プローブ１３０のファイバーはめ輪１４８と生体組織対向表面１５０の間に配置された光ファイバー１４４の一区画であった。光混合機１３２は、その入力側において、個々の送信ダイバー１３６から光を受け取った。光混合機１３２は、その出力側において発信された光の均一化を高め、かつ生体組織に送信した。光の各波長が生体組織の同様の体積を介して進むことを可能にしながら、光の各波長が混合機１３２のファイバー１４４の全断面領域に渡って散乱された。
【００１７】
図示のとおり、送信ファイバー１３６は曲げられ、又は生体組織対向表面１５０に対して９０°の方向に向くように形成された。送信ファイバー１３６の末端から発信された光の様々な波長は、混合機１３２のファイバー１４４内で混同され、かつそれによって、生体組織対向表面１５０におけるファイバー１４４の表面領域を通って散乱された。図示のとおり、受信ファイバー１３８及び較正認識ファイバー１４０も、プローブ１３０の生体組織対向表面１５０において末端部を成す末端を有した。受信ファイバー１３８は、検査される生体組織を介して進んだ光を収集し、かつ、演算装置へ収集した光を送信した。較正認識ファイバー１４０から発信された光は、較正処理を制御するための器械によって用いられた。
【００１８】
典型的な先行技術器械は、光を生体組織上に向けるために、プローブ内の光ファイバーを曲げることによって測定光信号を生体組織サンプルへ向けた（図５参照）。光ファイバーに対する典型的な最小推奨曲げ半径はファイバー直径の２０倍であり、この数字は光ファイバーの種類によって大きく変化し得る。この推奨曲げ半径よりも小さい光ファイバーの曲げ又は形成は、信号を弱める、光信号の損失、温度に敏感になる、及びファイバーの損傷という結果をもたらす。しかしながらプローブ内の所望の空間制限は、光ファイバーの最小推奨曲げ半径を収容するためには一般的に適していない。一般的に、より小さいサンプル領域及び／又は、より小さい検査対象に従事するために、より小さな大きさのプローブが必要とされ、かつ、検査対象にとってより快適であまり侵入しないことが考慮される。その結果、先行技術器械は光ファイバーの最小推奨曲げ半径を収容するには充分に大きいか、光ファイバーのオーバーベンディングによる光信号の質低下のいずれかをもたらした。
【００１９】
試験下で生体組織の表面に光をもたらすための従来技術構造が機能している一方で、LEDｓと生体組織の間の路において高い信号損失に遭遇した。更に、所望の全光路を作成するために著しい製造努力と部品費用をこうむった。また、光源波長におけるドリフトを補正するために、較正処理が定期的に繰り返されねばならなかった。
【００２０】
更に、先行技術器械にとって、測定位置が基準及び測定信号強度の比較によって制限される。光源に配置された分配ファイバーによって、基準信号は光源における光信号を取り込んだ、それによってファイバー内の光は二つの異なる場所へ進んだ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
その発明の技術的な課題は、基準光信号に対する測定光信号の厳密な比較を可能にする分光光度器械に対し、フィードバックシステムを備えることである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本課題は、請求項1に係るフィードバックシステムによって解決される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、分光光度器械の出力信号の不安定度を測定するためのフィードバックシステムである。本システムは、プローブ、第一光路及び第二光路を含む。プローブはそこを介して延在する第一アパーチャを有する生体組織係合表面を有する。第一光路は光源に対して光学結合可能な近位の末端を有し、かつ、測定光信号のビームを生体組織サンプルへ運ぶための第一アパーチャに光学結合した遠位の末端へ延在している。第二光路は、第一光路の測定光信号の一部分をサンプルとして抽出するための第一アパーチャに隣接した第一光路と光学結合した遠位の末端を有し、かつ、演算装置へ結合可能な近位の末端へ延在している。本発明は生体組織に入る光のより良い示度を備えている、というのは、基準信号が生体組織へ送られる実際の信号から取られるからである。これは見返りに、より精密な検査結果を見込む。本発明に係るフィードバックシステムは、フィードバック信号を用いて作成される調整に対し、より厳密なフィードバック信号をもたらす。
【００２４】
第一光路の遠位の末端の光学結合は、光源からの光が部分的又は完全に光路に伝達することを可能にする。第二光路と第一光路間の光学結合は、第一光路を通って送られた光の一部分が第二光路に入ることを可能にする。第一及び第二光路は、好ましくは光を送信するために光ファイバーを備えて構成する。本光ファイバーは、中断されない光ファイバー、又は光ファイバーの二区画間の異なる媒体を通って光が進む、中断された光ファイバーの幾つかの区画を備えて構成する。本発明に係るフィードバックシステムは、特に、出力信号の不安程度を測定するために適している、というのは、演算装置にトランスファーバックされる基準信号が、光源に近い測定光ビームの分裂ではなく、むしろ測定領域に近いからである。従って、光源から測定領域までの送信中に、光信号におけるあらゆる変化が、測定光ビーム及び基準光ビーム中に存在する。これら変化は、測定光信号と基準光信号間の比較に影響しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図６は分光光度器械２００の構成図であり、本発明の一実施形態により生体組織を介して送信された光の吸収を測定することによって、生体組織サンプルにおける第二生体組織発色団に対する第一生体組織発色団の相対的な濃度を測定するためのものである。光プローブ２０２は、コネクタ２０８を介して電子パッケージ２０６に取り外し可能かつ実施可能に結合される。電子パッケージ２０６は、演算装置／コントローラ２１０、ディスプレイ２１２及び光源２１４を含む。光源２１４は、多くの異なる波長（例えば、８００、７６０、７２０及び６８０ｎｍ）において光を発するためにＬＥＤｓ又は他の光源を含んでも良い。光源２１４からの測定光信号は、プローブ２０２内に包含された運搬光路２２０へ、コネクタ２０８を通って移動する。測定光信号は、コネクタ２０８からプローブ２０２の生体組織係合表面２０４まで、運搬光路２２０を通って移動し、かつ生体組織サンプル内に入る。測定光信号の基準信号部分は、運搬光路２２０を介して基準光路２２８内へ移動した後（即ち、基準光信号は生体組織サンプルを介して送信されていない）、進路を変える。生体組織サンプルを介して移動した測定光信号を含む光信号は、生体組織係合表面２０４において収集され、かつプローブ２０２を通る帰光路２２４に沿って移動する。基準光路２２８及び帰光路２２４からの光信号は、コネクタ２０８に沿って電子パッケージ２０６まで移動する。電子パッケージ２０６によって受け取られた収集光信号及び基準光信号は、演算装置／コントローラ２１０によって、測定された生体組織パラメータ（例えば、飽和酸素レベル（ＳｔＯ２））を表すデータを生じるために使われる。次にデータはディスプレイ２１２上に表示される。基準光信号もまた、演算装置／コントローラ２１０によって、光源２１４の出力信号の不安程度を測定するために用いられる。
【００２６】
本発明によると、分光光度器械用プローブはプローブハウジング２０２を備えて構成され、そのプローブハウジングは、プローブハウジングを介して延在する第一及び第二アパーチャ２２２、２２６を備えた生体組織係合表面２０４を有している。第一光ファイバー２１６、３１６、４１６及び第一反射手段２３０、３３０、４３０は、第一光ファイバーの光を第一アパーチャ２２２、３２２、４２２及び第二反射手段へ向け、第二反射手段は、光をフィードバック光ファイバー２６８、３６８、４６８へ向ける。更に本発明に係るプローブは、第二アパーチャ２２６、３２６、４０６から光信号を収集するための光受信手段を備えて構成される。これらプローブの実施形態は、図６中において７ａ、７ｂ、８、９、１０及び１１で示されている。様々な実施形態を以下に詳細に記す。
【００２７】
図７Ａは、本発明の一実施形態に係る図６のプローブ２０２及びコネクタ２０８の一部分を図示している。プローブ２０２は、生体組織係合表面２０４を含むプローブハウジング２０３を含む。生体組織係合表面２０４は、生体組織係合表面２０４を通って延在している第一運搬アパーチャ２２２及び第二帰アパーチャ２２６を備える。運搬アパーチャ２２２及び帰アパーチャ２２６はそれぞれ、生体組織サンプルへの測定光信号の運搬及び生体組織サンプルからの光信号の収集を可能にする。
【００２８】
プローブハウジング２０３は、コネクタ２０８の遠位の末端を受け入れるためにプローブハウジング２０３を通って延在しているコネクタアパーチャ２０５を備える。一実施形態において、コネクタ２０８は接着剤、クリップ又は他の適した手段によってハウジング２０３と結合している。他の実施形態によると、コネクタ２０８は、プローブハウジング２０３と一体化して構成される。更に他の実施形態によると、コネクタ２０８は、プローブハウジング２０３と取り外し可能に結合される。
【００２９】
コネクタ２０８は、光源２１４からプローブハウジング２０３へ測定光信号を送信するために光源２１４に結合された少なくとも一つの送信光ファイバー２１６を含む。光ファイバー２１６のような光ファイバーを光源２１４のような光源に結合するための仕組みは、ここでは具体化されていない「光源構造」という題の米国特許出願中に記述される。一実施形態によると、多数の光源２１４からの様々な波長の測定光信号は、電子パッケージ２０６内において互いに結合され、かつ単一送信光ファイバー２１６に沿ってプローブ２０２へ移動する。他の実施形態によると、個々の又は多数の送信光ファイバー２１６が各光源２１４に結合している。光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａは、コネクタアパーチャ２０５を介してプローブハウジング２０３内へ延在する。送信光ファイバー２１６は、プローブハウジング２０３内において生体組織係合表面２０４の面とほぼ平行な角度で延在する。
【００３０】
図７Ａの運搬光路２２０は、送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａに隣接して配置された反射表面２３２を有する反射部材２３０を含む。反射部材２３０は、送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａ及び生体組織係合表面２０４の表面に相互に関連して配置され、それによって送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａに存在する測定光信号は反射表面２３２に当たり、生体組織係合表面２０４内の運搬アパーチャ２２２を介して、かつ生体組織サンプル表面上で反射される。一実施形態によると、反射部材２３０の第一部分２３３は、送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａ及び生体組織係合表面２０４に対して約４５°の角度で配置される。
【００３１】
稼動において、測定光信号のおおまかに円状のビームは、送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａを出て、矢印２３８によって示されるように、ビームの第一領域が反射部材２３０の第一部分２３３において反射表面２３２から反射される。反射された測定光信号のビームは、運搬アパーチャ２２２を介して生体組織サンプル上へ向けられる。一実施形態によると、反射された測定光信号は、生体組織サンプル表面に対して約７０°〜約１１０°の角度において生体組織サンプル上に向けられる。他の実施形態によると、測定光信号は、生体組織サンプルの表面に対しておよそ垂直な角度配置で生体組織サンプル上に向けられる。
【００３２】
一般的に、生体組織サンプルの表面に対しておよそ垂直に生体組織サンプル上に測定光信号が向けられるのが好ましい。そのような相対的配置は、全ての測定光信号が生体組織サンプルを介して同一距離に移動するという可能性を増加させる。本発明に係るプローブ２０２は、送信光ファイバー２１６を曲げることよりもむしろ、測定光信号ビームを反射することによって、生体組織サンプルの表面に対して垂直な角度で生体組織サンプル上に測定光信号を向ける。プローブハウジング２０３は、典型的には少なくともファイバー直径の２０倍である光ファイバー２１６の最小曲げ半径を収容する必要が無い。反対に、プローブハウジング２０３は、プローブハウジング２０３内に突き出ている送信光ファイバー２１６の直径を収容する必要があるのみである。本発明の実施形態に係るプローブハウジング２０３は、先行技術プローブよりも小さい、又は代替としてプローブハウジング２０３内に於いて他の構成部品に対して空間の増加をもたらす。測定光信号の質もまた、送信光ファイバー２１６の過大な曲げを減じることによって改良される。本発明に係るプローブ２０２もまた、送信光ファイバー２１６が曲げストレスにさらされなくなるので、修理の必要性がより少なくなり、また、故障又は入れ替えの必要性がより少なくなる。
【００３３】
帰光路２２４は、収集された光信号をプローブ２０２から電子パッケージ２０６へ返すために、帰アパーチャ２２６及び帰光ファイバー２１８に隣接して配置された反射部材２５０を含む。生体組織サンプルを介して送信された測定光信号を含む光は、反射部材２５０の反射表面２５１上で反射され、かつ、帰ファイバー２１８の遠位の末端２１８ａの方へ向けられる。反射表面２５１は、帰ファイバー２１８の遠位の末端２１８ａ上で反射された光信号を絞る又は焦点を合わせるために湾曲した輪郭を有する。収集された光は、コネクタ２０８内において帰ファイバー２１８を介して、電子パッケージ２０６へ送信される。このようにして運搬光路２２０の構造と同様に、帰ファイバー２１８は、生体組織サンプルを介して送信された光信号を収集するために曲げられる必要はない。減少されたサイズ及び輪郭を有するプローブ２０２は、従って、もたらされる。他の実施形態（図示されず）によると、第一反射部材２３０に関して記載されたように、反射部材２５０はおおまかに平坦である。
【００３４】
反射部材２３０には、更に第一部分２３３に対して斜めに形成された第二部分２３６が備えられる。第二部分２３６は、測定光信号をフィードバック光路２２８へ反射するように形成される、又は配置される。送信光ファイバー２１６からの測定光信号ビームが反射部材２３０へ向けられるので、測定光信号ビームの第二領域は、矢印２４０で表されたように、反射部材２３０の第二部分２３６で反射される、それによって第二領域２４０の測定光信号は第一領域２３８の測定光信号から分かれ、フィードバック光路２２８へ向かう。第二領域２４０の測定光信号は総体的に、測定光信号の約１〜２０％に相当する。
【００３５】
フィードバック光路２２８は、フィードバック光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａと結合された拡散部材２６６を含む。本実施形態において、拡散部材２６６は、大容量媒体を備えて構成され、かつ、フィードバック光信号を受信するために配置された第一表面２７０及びフィードバック光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａと光学結合された第二表面２７２を有する。拡散器２６６が第一表面２７０と第二表面２７２の間において先細になるように、第一表面２７０はおおまかに第二表面２７２よりも広い表面積を有する。拡散部材２６６は、第一表面２７０において測定光信号の分割された又はフィードバックされた部分を受信するために、かつ、第二表面２７２においてそれらをフィードバック光ファイバー２６８に送信するために配置された。このようにして、フィードバック光ファイバー２６８の直径に一致するように、フィードバック光信号のビーム直径は、拡散部材２６６の第一表面２７０と第二表面２７２の間で減じられた。この特徴は、フィードバック光信号ビームとフィードバック光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａの直径の間におけるサイズの違いを埋め合わせる。一実施形態によると、第一表面２７０はおおまかに凸形状を有するために外に向かって湾曲する。第一表面２７０が湾曲することによって、第一表面２７０から基準光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａへ基準光信号によって移動された距離は、基準信号が第一表面２７０にあたる場所にかかわらず、大まかに一致する。
【００３６】
拡散部材２６６は、結合効率又は第一表面２７０に当たる基準光信号の量に関する光ファイバー２６８に送信された基準光信号の量を、反射された基準光信号が拡散部材２６６に当たる角度及び第一表面２７０上における基準光信号の空間的配置とは無関係にする。言い換えれば、基準光信号が第一表面２７０のどこに又はどの角度で当たっても、およそ同一の光信号がフィードバック光ファイバー２６８へ送信される。
【００３７】
一般的に、測定光信号は生体組織サンプルを通って移動する際、著しく弱められる。これにより、帰光路２２４の収集された光信号の強度を決定するための又は収集された光信号を電気信号へ変換するための（図１に示されるように、演算装置／コントローラ２２内で成されるようなもの）検出器は、測定光信号の初期信号強度のほんの約１％に従って信号強度を収容する必要がある。しかしながら基準光信号は、生体組織サンプル減衰に影響されず、およそ測定光信号と同様の信号強度を保持する。拡散部材２６６は更に、収集された光信号強度とおよそ同一になるように基準光信号の信号強度を弱めるために使用される。そうすることは、同様の又は類似の検出器を基準光信号と収集された光信号の両方に用いることを可能にする。その二つを比較することも容易になる、なぜならそれらはおよそ同様の強度だからである。一実施形態によると、拡散器２６６は基準光信号の約９９％を減衰する。他の実施形態によると、拡散器２６６は、帰光路２２４によって収集された測定光信号とおよそ同様の信号強度に、基準光信号を減衰する。
【００３８】
様々な実施形態によると、拡散部材２６６は、一般的に光を拡散するために使われており、かつ光学部品製造業者から入手可能のタイプの乳色すきがけ拡散器でも良い。代替として、拡散部材２６６はホログラフィック又は、すりガラス拡散器もしくは散乱媒体であっても良い。
【００３９】
送信光ファイバー２１６、フィードバック光ファイバー２６８及び帰光ファイバー２１８を含む光ファイバーは、電子パッケージ２０６とプローブ２０２の間に延在しているコネクタ２０８内に包含される。一実施形態において、プローブ２０２とコネクタ２０８は一つに統一されており、かつ使い捨てユニットである。他の実施形態によると、コネクタ２０８の遠位の末端は、プローブハウジング２０３に対して取り外し可能であり、かつ結合可能である。選択的に、プローブ２０２とコネクタ２０８は、コネクタ構造によって結合された分離ユニットである。一実施形態によると、送信、帰、及び基準光ファイバー２１６、２１８、２６８は、アパーチャ２０５を介してコネクタ２０８からプローブハウジング２０３内へ延在する。他の実施形態によると、いかなる光ファイバーの組み合わせも、コネクタ２０８からプローブ２０２へ光信号を送信するための結合構造と連結する。
【００４０】
コネクタ２０８は、電気コネクタ、光学コネクタ、その二つの組み合わせ、又はRFリンク、IRリンク、又は他のワイヤレス連通構成のようなワイヤレスリンクであっても良い。コネクタ２０８は、プローブ２０２と電子パッケージ２０６の間で連通するために使用される。ワイヤレスコネクタが使用される場合、動力供給源は、プローブ２０２に動力を供給するためにプローブ２０２と共に使用されても良い。その動力供給源は、バッテリー、燃料電池、蓄電器、太陽電池又はそのようなものであっても良い。
【００４１】
図７Bは、拡散部材２６６の内部において使用するための本発明の他の実施形態に係る拡散部材２８０を示す。拡散部材２８０もまた、基準光信号の強度を減衰し、かつ、基準ファイバー結合効率を基準光信号の空間的及び角度非画一性と無関係にするために使用される。拡散部材２８０は、ガラスブロック２８４の第一表面２８２上に配置された表面散乱媒体２８１を含む。エポキシ本体２８６は、ガラスブロック２８４の反対側の第二表面２８８から基準光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａへ延在する。反射された基準光信号が表面散乱媒体２８１に当たる際、おおまかに球形をした「クラウド」内部へ拡散する。基準光信号の信号強度は、「クラウド」の中心に近づくほど大きくなり、かつ、「クラウド」の周囲に向かって弱くなる乃至は減衰される。エポキシ本体２８６は、ガラスブロック２８４と類似の光伝達率を有する。エポキシ本体２８６は、表面散乱媒体２８１において拡散された基準光信号の「クラウド」と基準光ファイバー２６８の遠位の末端２６８ａの間のスペーサーとして使用される。エポキシ本体２８６のサイズ及びそれによる表面散乱媒体２８１と基準光ファイバー２８１の遠位の末端２６８ａ間の間隔は、基準光信号の大部分の光線が基準ファイバー２６８によって上記のように適切な信号強度で受信されるように、選択される。
【００４２】
図８は本発明の他の実施形態に係るプローブ２０２を示す。基準光路２２８及び帰光路２２４は図７Aに関して記載されたとおりである。しかしながら運搬光路２２０は以下のように変更される。反射部材２３０′の第一部分２３３′は、第一部分２３３′の反射表面２３２′が大まかに楕円形を有するように、湾曲した形状に形成される。反射部材２３０′は、凹面側が送信光ファイバー２１６の遠位の末端２１６ａに向くように配置される。前記のように、測定光信号ビームの一部分は矢印２３８で示されるように第一部分２３３′の反射表面２３２′に向き、かつ運搬アパーチャ２２２を介して生体組織サンプル上で反射される。第一部分２３３′の凹面は、生体組織サンプル上において反射される測定光信号ビームの焦点を合わせる又は絞る。第一部分２３３′は、送信光ファイバー２１６から外に向かって出る光ビームの全て又は大部分を十分に捕らえるために形成され、かつ配置される。
【００４３】
図９は本発明の他の実施形態に係るプローブ３０２の一部分を図示している。プローブ３０２は、前述のように、ハウジング３０３内のアパーチャ３０５を介してハウジング３０３内に送信及び帰光ファイバー３１６、３１８が延在するようにコネクタ３０８と結合された、生体組織係合表面３０４を有するプローブハウジング３０３を含む。プローブ３０２はまた、図７Ａに関して記載されたのと同様に、送信光ファイバー３１６に結合された送信光路３２０、及び、基準光ファイバー３１８に結合された帰光路３２４を含む。送信光路３２０は、生体組織係合表面３０４内のアパーチャ３２２を介して生体組織サンプル上に測定光信号を反射するために、送信光ファイバー３１６に隣接して配置された第一反射部材３３０を更に含む。プローブ３０２は、送信光路３２０の測定光信号の一部分を捕らえるために、基準光路３２８を更に含む。基準光路３２８は、プローブハウジング３０３の第一反射部材３３０と生体組織係合表面３０４の間に入れられた第二反射部材３４２を含む。
【００４４】
第二又はフィードバック反射部材３４２は、反射表面３４３を有し、かつ、第一反射部材３３０で反射された後かつ生体組織サンプルに当たる前の測定光信号路において配置される。第二反射部材３４２は、頂点３４４を有するように大まかに三角形又は一つのパイ片のような形状である。第二反射部材３４２もまた湾曲表面輪郭に形成される、それによって凹形反射表面３４３が、基準光ファイバー３６８の遠位の末端３６８ａに面する。
【００４５】
フィードバック反射部材３４２はハウジング３０３内に配置される、それによって頂点３４４は、第一反射部材３３０から生体組織サンプルの方へ向いた測定光信号の大まかに円形のビーム内のおよそ中心に置かれる。矢印３４６で表されるように、測定光信号ビームの第一領域は、第一反射部材３３０の反射表面３３２から、生体組織係合表面３０４内のアパーチャへ、更に生体組織サンプル上へ反射される。矢印３４８で表されるように、測定光信号ビームの第二領域もまた、反射表面３３０において反射されるが、第二反射部材３４２によって遮断される。第二領域３４８の測定光信号は、第二反射部材３４２において反射され、基準光路３２８へ方向転換する又は向かう。
【００４６】
一実施形態によると、反射部材３４２は、基準光ファイバー３６８の遠位の末端３６８ａ上における反射された基準光信号の焦点を合わせるために選択された、楕円形の輪郭を有する。他の実施形態によると、反射部材３４２は、基準光ファイバー３６８に結合された拡散部材３６６上における反射された基準光信号の焦点を合わせるために選択された、楕円形の輪郭を有する。反射部材３４２は、約３６°の弧を広げるように回転する。そのように設計された反射部材３４２は、全測定光信号の約１０％を方向転換する。捕らえられた光信号の、より大きな又は、より小さな比は、反射部材３４２の角度拡張を増加又は減少することによって、即ち、測定光信号ビームに対応する反射部材３４２によって形成されたパイ片形状のサイズによって成し遂げられ得る。選択的に、フィードバック反射部材３４２は、測定光信号を遮断するために、測定光信号が第一反射部材３３０において反射されるよりも前に、送信光ファイバー３１６の遠位の末端３１６ａと第一反射部材３３０の間に入れられる。
【００４７】
いくつかの場合において、測定光信号は幾らか拡散され、かつ信号ビームに渡って均一に広げられる、一方他の場合において、測定光信号はビーム中央に集結される。第二反射部材３４２は、パイ片、又は測定光信号の円形ビームの楔形領域３４８の方向を変える。パイ片、又は楔形領域３４８は、測定光信号ビームの軸対称部である。本発明に係るフィードバック光路３２８は、測定光信号がビームの中心で集結されようとも、円周方向へ分散されようとも、有利に測定光ビームの軸対称サンプルを遮断する。一実施形態によると、第一反射部材３３０は図８に関して記述されたように、湾曲した形状を有する。
【００４８】
図１０は、本発明の他の実施形態に係るプローブ４０２を示す。プローブ４０２は、前述されたように、送信及び帰光ファイバー４１６、４１８がハウジング４０３内のアパーチャ４０５を介してハウジング４０３内に延在するようにコネクタ４０８と結合された生体組織係合表面４０４を有する、プローブハウジング４０３を含む。プローブ４０２は、図７Ａに関して記述されたように、帰光ファイバー４１８に結合された帰光路４２４を含む。
【００４９】
プローブ４０２は、送信光ファイバー４１６の遠位の末端４１６ａに隣接して配置された反射表面４３２を有する第一又は運搬反射部材４３０を含む、運搬光路４２０を有する。反射部材４３０は、生体組織係合表面４０４内及び生体組織サンプル上へ運搬アパーチャ４２２を介して測定光信号を向けるために、送信光ファイバー４１６の遠位の末端４１６ａ及び、生体組織係合表面４０４の平面に相互に関連して配置される。一実施形態によると、反射部材４３０は、送信光ファイバー４１６の遠位の末端４１６ａ及び生体組織係合表面４０４に対して約４５°の角度で配置される。第一反射部材４３０は図示のように湾曲又は前述のように平面でも良い。
【００５０】
本実施形態によると、第一反射部材４３０の表面４３２は部分的にのみ反射する。すなわち、矢印４４０で示されるように測定光信号の第一部分は、矢印４４２で示されるように測定光信号の第二部分が反射表面４３２を介して送信される間、上記のように、第一反射部材４３０を超えて基準光路４２８の中へ反射される。反射表面４５８を有する第二反射部材４５６は、第一反射部材４３０の他の側面において配置される。第二反射部材４５６は、反射表面４５８から基準光ファイバー４６８の遠位の末端４６８ａ上に向かって反射される測定光信号ビームの送信された部分を反射するために配置される。第二反射部材４５６は図示のように湾曲しても良く、又は、平坦な輪郭を有しても良い。基準光ファイバー４６８は前記のように、拡散部材４６６と結合した状態で図示されている。
【００５１】
第一反射部材４３０の部分反射表面４３２は、約２５０オングストロームの厚みを有するアルミニウムのコーティングから形成される。他の実施形態によると、コーティングは、例えば金又は銀のような金属材料、乃至電気絶縁体材料の多層コーティングである。一実施形態によると、部分反射表面４３２は、約４０：１の反射／送信比を有する。他の実施形態によると、部分反射表面４３２の反射／送信比は約５０：１である。一般的に、より高い反射／送信比が好ましい。更に、反射／送信比が全表面４３２に渡って、かつ、基準光信号が当たる角度に無関係に全波長に渡って一定であることが好ましい。一実施形態によると、特定の波長におけるコーティングの反射／送信比は、第一反射部材４３０の表面４３２に渡って約１．１２５％を超えるような変化はしない。他の実施形態によると、部分反射コーティングがスペクトル的に約０．２５％以内の平坦であれば（即ち、反射／送信比が全波長に対しておよそ一定であれば）、反射／送信比は、一つのユニットから次のユニットまで約２〜５％の間で変化しても良い。更に他の実施形態によると、部分反射コーティングがスペクトル的に平坦でない場合、一つのユニットから次のユニットまでの反射／送信比の偏りは、約１％以内であるべきであり、かつ、表面４３２に渡るいかなる変化も約０．２５％以内であるべきである。
【００５２】
測定光信号は、時々測定光信号ビームの中心付近で均等に分配されないことがある。測定光信号の非対称な分配の一つの原因は、送信光ファイバー４１６が不均整に束ねられたからかもしれない。非対称な分配の他の原因は、送信光ファイバー４１６とプローブ４０２の間の回転調整不良によって引き起こされるかもしれない。しかしながら、本実施形態に係るフィードバック光路４２８は、測定信号の全ビームをサンプル抽出する。フィードバック光路４２８は、ビームに渡る非対称な波長分配に関係なく生体組織サンプルに当たる測定光信号の全ビームをあらわすフィードバックサンプルを備える。
【００５３】
図７Aを大まかに参照すると、図１１は第一アパーチャ２２０において生体組織サンプルへ測定光信号が運搬され、かつ第二アパーチャ２２８において収集されたパターンを図示している。測定光信号は、運搬スポット２６０で明示する生体組織サンプルへ当たる。測定光信号を含む光信号は、順番に受信領域２６２で明示する生体組織上の領域から収集される。受信領域２６２は、測定光信号が運搬スポット２６０と受信領域２６２の間において最小間隔X及び最大間隔Yを移動するように、運搬スポット２６０から間隔を置かれる。実線は、第一反射部材２３０、３３０が各々およそ平坦又は平面である図７A及び図９において示されたようなプローブに対する生体組織サンプルパターンを表す。破線は、第一反射部材２３０′及び４３０が各々湾曲又は楕円形の輪郭を有する図８及び図１０において示されたプローブ２０２及びプローブ４０２に対する生体組織サンプルパターンを表す。
【００５４】
上記のように、湾曲又は楕円形の輪郭を有する反射部材は、生体組織サンプル上に反射された測定光信号ビームの焦点を合わせる又は絞る。運搬スポット２６０′は順番に、運搬スポット２６０′と受信領域２６２の間の最小直線移動距離X′が増加されるように、減少された領域を有する。最小直線移動距離Xが湾曲した輪郭を有する運搬反射部材の使用によって増加される一方で、アパーチャ２２２と２２６の間の距離は大体において同一に保たれ得る。更に、運搬反射部材２３０と帰光ファイバー２１８の遠位の末端２１８ａ間の距離のようなプローブ２０２内における部品間の距離は、大体において同一に保たれる。
【００５５】
測定光信号が運搬スポット２６０と受信領域２６２間を移動する直線距離は、測定光信号が送信される生体組織サンプル内の深さを表す。すなわち、運搬スポット２６０に近づいて生体組織サンプルから収集された測定光信号は、生体組織サンプルのより浅い層を介して送信される、一方で、更に運搬スポット２６０からより遠ざかって生体組織サンプルから収集された測定光信号は、生体組織サンプルのより深い層を介して送信される。一般的に、運搬スポット２６０と受信領域２６２間において約１１ｍｍよりも短い距離を移動する測定光信号は、皮膚の浅い層及び脂肪組織を介して顕著に送信される。そのようなサンプル抽出距離は、しばしば生体組織吸収の弱められた又は不正確な表示を生じる、なぜなら送信された光信号は、関心のある下の組織による信号吸収というよりもむしろ皮膚や脂肪層による信号吸収を表しているからである。およそ図８及び図１０で示された実施形態に係るプローブは、従って、増加されたサンプル抽出距離を収容するためのプローブ２０２のサイズ増加を必要としないで、運搬スポット２６０′と受信領域２６２間の最小サンプル抽出距離の増加及び、収集された光信号の質向上をもたらす。好ましい最小移動距離は、サンプル抽出される生体組織のタイプによって変化する。反射部材２３０′が湾曲又は楕円形輪郭を有する（図１０参照）図８中で示される実施形態に係るプローブは、測定光信号の運搬と光信号の受信の間で約５ｍｍ〜約３５ｍｍの最小移動距離を備えるように設計されても良い。
【００５６】
図１２は本発明の他の実施形態に係るプローブ４０２′を示す。プローブ４０２′は、運搬光路４２０′、帰光路４２４′及び基準光路４２８′を含む図１０のプローブ４０２の多くの特徴を含む。しかしながら、帰光路４２４′は、例えば受信運搬アパーチャ４２６′において光信号を収集するためのフォトダイオード４８０′のような光検出器を含む。フォトダイオード４８０′は、生体組織サンプルから光信号を検出するために配置された入力４８２′及び電気コネクタ４８６′に結合された出力４８４′を有する。フォトダイオード４８０′は、光信号を収集した入力を、電子パッケージ２０６（図６参照）と電気的に連通している電気コネクタ４８６′に沿って送信するための電気信号に変換する。
【００５７】
LEDｓ又は他の光源は、出力測定光信号波長又は色、及び強度の両方において、しばしばずれたり又は変化する。そのような出力信号不安程度は、信号乃至色及び強度の１０％まであり得る。ほんの０．５％のずれは、２つのStO2ユニットによって計算された飽和酸素レベルをぐらつかせる。ずれは、周囲温度と分光光度器械の稼動中にLEDｓが温まることによる構成部分温度の両変化によって引き起こされる。測定光信号も、それらが測定光信号源から生体組織サンプルへ移動するにつれて信号損失、又はずれを含む不安定になる傾向がある。測定光信号におけるずれは、光源波長に係る基準値と生体組織サンプルを介して送信された光信号の収集の間において、不正確な比較値をもたらす可能性がある。
【００５８】
本発明に係るフィードバック比較システムは、測定光信号の基準サンプルが実際に全ての運搬路を介して移動した後にそれを捕らえることによって、測定光の波長及び強度におけるずれを含む、出力信号の不安程度を測定するための手段を備える。測定光信号の基準サンプルは、測定光信号が生体組織サンプルへ運搬される点において取られる。従って、基準サンプルは、運搬光路から生体組織サンプルまでの全てにわたって測定光信号の波長及び強度における全ての変化を含む。基準サンプルは、図６に示されるように演算装置／コントローラ２１０に入力される。演算装置２１０は、光源２１４の出力信号の不安程度を測定するために基準サンプルを用い、かつ、測定光信号が運搬光路２２０を移動するにつれて測定光信号に変化させる。そのようなデータは、生体組織サンプルに当たる測定光信号の周波数及び強度が所望の範囲内にあるように光源２１４の出力を調整するために、フィードバック機構において用いられても良い。そのようなデータはまた、生体組織サンプルの吸収光を演算する場合に、生体組織サンプルに当たる光の波長及び強度のより正確な入力値をもたらすためのアルゴリズムにおいて用いられても良い。
【００５９】
典型的な先行技術分光光度器械によると、測定光信号の基準サンプルは、測定光信号が著しく生体組織サンプルから取り除かれる運搬光路、例えばプローブコネクタ上の点において典型的に取られる。そのような装置に係る基準サンプルは、プローブコネクタと生体組織サンプルの間における運搬光路に沿う測定光信号における、あらゆる変化又はずれを除外する。本発明に係る分光光度器械は、測定光信号に係る正確かつ狂いのない基準信号を有利にもたらす。
【００６０】
フィードバック光路は更に、測定光信号ビームが生体組織サンプルに当たる路内におけるサンプル抽出位置からサンプル抽出された基準測定光信号を含む。運搬アパーチャの側面に配置されたサンプル抽出位置は、運搬アパーチャを介して生体組織に当たる光信号よりも、より大きな入射角度で移動する測定光信号をサンプル抽出する傾向があるかもしれない。そのような装置は、それら信号に有利なように基準サンプルを偏らせるかもしれない。更に、アパーチャ２１６の側面に配置されたサンプル抽出位置は、実際生体組織に運搬される動力と相関関係に無いかもしれない。基準サンプルは、実際に生体組織サンプルに当たるのよりもより短い波長において動力のピークを示すかもしれない。両ケースにおいて、基準サンプルは、補正結果の精度を減少しながら偏らされるかもしれない。本発明に係るプローブは、測定光信号に関する正確で狂いの無い基準信号を有利にもたらしながら、運搬アパーチャにおいて生体組織サンプルに向けられた測定光信号ビームをサンプル抽出する。更にフィードバック光路は、生体組織に当たる光信号の典型である運搬光路を移動する測定光信号のサンプルを除外する。前述された様々な実施形態によると、フィードバック光路は、生体組織サンプルへ運搬される測定光信号の全領域に渡る部分から光信号をサンプル抽出、又は除外する。本発明に係るフィードバック補正システムは、周波数又は強度とは無関係に測定光信号を不均一にサンプル抽出する。更に、運搬光路における変化、即ち、図７A中に示されるように送信光ファイバー２１６の配置における変則は、典型的なサンプルを外れない。
【００６１】
典型的な先行技術器械は、頻繁に行われる「消去する」方法のための較正モジュールを含んだ。例えば、「白色」箱はプローブに加えられ、かつ、較正方法は測定光信号に関する基準値のリセットに続いた。本発明に係るプローブは、測定光信号のフィードバック部に基づくフィードバックデータを連続してもたらす。プローブを頻繁に消去したりリセットする、又は、波長のずれを追跡するために音場較正を行う必要は無い。較正モジュール又は以前の器械の箱は除去され、本器械の稼動の複雑さを低減する。更に、稼動データは直ぐに、かつ連続して可能である。
【００６２】
上記実施形態のいずれも、生体組織サンプルに当たる測定光信号の典型である測定光信号の一部分をサンプル抽出するためのフィードバック手段である。例えば、図７Aの反射部材２３０、部分２３６、図９の反射部材３４２、図１０の部分送信反射部材４３０及び第二反射部材４５６は全て、生体組織サンプルに当たる測定光信号の典型である、測定光信号の一部分をサンプル抽出するためのフィードバック手段である。上記フィードバック手段のいずれかによって取られた基準サンプルは、その次に光源２１４の出力信号不安程度を測定するために使用される。
【００６３】
上記特許及び刊行物の全ては、リファレンスによってここにおいて実質化される。本発明は個々の実施形態によって記述されてきたが、当業者はこの説明のもとで、請求された発明の精神を逸脱する又は範囲を超えることなく更なる実施形態や修正を生み出すことが可能である。ここに記述されたものは例証によって示唆され、制限が無い。申請者は、ここに添付の請求項を通じて発明の範囲を記述する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】先行技術分光光度器械の構成図である。
【図２】図１の先行技術プローブコネクタの側面断面図である。
【図３】図１の先行技術コネクタの一部分の透視図である。
【図４】図１の先行技術検出器の一部分の側面図である。
【図５】先行技術プローブの側面断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る分光光度器械の構成図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る図６のプローブの側面断面図である。
【図７Ｂ】本発明の他の実施形態に係る図６の基準光路の一部分の透視図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る図６のプローブの側面断面図である。
【図９】本発明の更に他の実施形態に係る図６のプローブの側面断面図である。
【図１０】本発明のまた更に他の実施形態に係る図６のプローブの側面断面図である。
【図１１】図７A〜１０のプローブに係る生体組織サンプルに衝突し、かつ存在する測定光信号のパターンを詳述する上面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る図６のプローブの側面断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月1日(2007.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光光度器械用フィードバックシステムにして、
−内部を通って延在する第一アパーチャを備えた生体組織係合表面を有するプローブ、
−光源に光学結合され得る近位の末端を有し、かつ、測定光信号ビームを生体組織サンプルへ運ぶため上記第一アパーチャに光学結合された遠位の末端へ向かって延在している第一光路、
−第一光路の測定光信号の一部分をサンプル抽出するため上記第一アパーチャに隣接する第一光路に光学結合された遠位の末端を有し、かつ、基準光信号ビームを演算装置へ運ぶための近位の末端へ向かって延在している第二光路、
を備えて構成されるフィードバックシステム。
【請求項２】
フィードバック手段が第一光路から測定光信号の一部分を除去する、請求項１に記載のフィードバックシステム。
【請求項３】
第三光路が第二アパーチャに光学結合された遠位の末端を有し、かつ演算装置へ結合可能な近位の末端へ向かって延在している、請求項２に記載のフィードバックシステム。
【請求項４】
フィードバック手段が更に、
−第一光路の測定光信号の一部分を第一アパーチャを介して生体組織サンプル上へ反射するため、及び測定光信号の一部分を送信するために、第一アパーチャに隣接して配置された部分反射表面を有する第一反射部材、
−第一反射部材を介して送信された測定光信号を反射するために配置された反射表面を有する第二反射部材、及び、
−光信号を収集するための第二反射部材に隣接した遠位の末端を有し、かつ演算装置に結合可能な近位の末端へ向かって延在している光ファイバー、
を備えて構成される、請求項２又は３に記載のフィードバックシステム。
【請求項５】
部分反射表面が約４０：１から約５０：１までの反射／送信比を有し、及び／又は、実質的に波長に何の変化ももたらさない反射／送信比を有する、請求項４に記載のフィードバックシステム。
【請求項６】
第二光路が第一光路の測定光信号の独立した部分をサンプル抽出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項７】
第二光路が第一光路の測定信号の軸対称部分をサンプル抽出する、又は、実質的に全ビームからサンプル抽出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項８】
第一光路が更に、
−光入力領域を備えられた近位の末端を有し、かつ、光出力領域を備えられ、生体組織係合表面に並行なプローブハウジング内へ延在し、第一アパーチャに隣接して配置された遠位の末端へ延在している第一光ファイバー、
−反射表面を有し、かつ第一光ファイバーの遠位の末端及び第一アパーチャに隣接して配置された第一部分で形成された第一反射部材、
を備えて構成され、
及び、第二光路が更に、プローブハウジング内に配置された遠位の末端において光入力領域を備えられ、かつ光出力領域を備えられた近位の末端へ向かって延在している第二光ファイバーを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項９】
第一反射部材の第一部分が生体組織係合表面に対して約４５°の角度で配置される、及び／又は、生体組織サンプル上における光を生体組織表面の平面に対して実質的に垂直に反射するように配置される、請求項８に記載のフィードバックシステム。
【請求項１０】
第一反射部材の第一部分が凹形に湾曲した輪郭又は平坦な輪郭を有する、請求項８に記載のフィードバックシステム。
【請求項１１】
第二光路が更に第一反射部材内において第一部分に対して斜めに形成された第二部分を備えて構成され、かつ、第二光ファイバーの遠位の末端が第二部分に隣接して配置される、請求項８に記載のフィードバックシステム。
【請求項１２】
第二光路が更に第一反射部材と第一アパーチャの間に配置された反射表面を有する第二反射部材を備えて構成され、第二光ファイバーの遠位の末端が第二反射部材に隣接して配置される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１３】
第一反射部材の反射表面が部分的に反射及び部分的に送信し、また、第二光路が第一光ファイバーのように第一反射部材の反対側の側面において配置された反射表面を有する第二反射部材を備えて構成され、かつ、第二光ファイバーの遠位の末端が第二反射部材に隣接して配置される、請求項８に記載のフィードバックシステム。
【請求項１４】
第一反射部材の反射表面がアルミニウム、金、銀又は絶縁体のいずれか一つを備えて構成される、請求項１３に記載のフィードバックシステム。
【請求項１５】
第一反射部材の反射表面が約４０：１又は約５０：１の反射／送信比を有する、請求項１３又は１４に記載のフィードバックシステム。
【請求項１６】
第二反射部材が凹形に湾曲した輪郭を有する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１７】
更に第二光ファイバーの遠位の末端に結合された光減衰器を備えて構成される、請求項８〜１６のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項１８】
減衰器が基準光信号の約９７％から約９９％までを減衰するように適応され、及び／又は、大容量散乱媒体を備えて構成される、請求項１７に記載のフィードバックシステム。
【請求項１９】
減衰器が、
−凹形に湾曲した輪郭を有する第一表面、
−第二光ファイバーの遠位の末端に光学結合された第二表面、
−第一表面と第二表面の間に延在している先細領域、
を備えて構成される、請求項１８に記載のフィードバックシステム。
【請求項２０】
減衰器が、
−ガラスブロック、
−ガラスブロック上に形成された表面散乱媒体、
−ガラスブロックと第二光路の遠位の末端の間に入れられた光送信スペーシング部材、
を備えて構成される、請求項１７に記載のフィードバックシステム。
【請求項２１】
第一アパーチャが第二アパーチャから、約５ｍｍから約３５ｍｍまでの最小距離で間隔を置いており、及び／又は、光源が約８００、７６０、７２０及び６８０ｎｍにおいて光信号を発する、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項２２】
第三光路が更に、
−第二アパーチャに隣接して配置された反射表面を有する反射部材、
−反射表面に隣接して配置された光入力領域を備えた遠位の末端、及び光出力領域を備えた近位の末端を有する光ファイバー、
を備えて構成される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のフィードバックシステム。
【請求項２３】
反射表面が凹形に湾曲した輪郭を有する、請求項２２に記載のフィードバックシステム。
【国際調査報告】
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