УСТРОЙСТВО НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ КРОВИ (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR NON-INVASIVE DETERMINATION OF CHEMICAL COMPONENTS OF BLOOD (VERSIONS)

ПРИОРИТЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По этой заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент серии US №60/977,467, поданной 4 октября 2007, которая здесь введена в качестве ссылки во всей своей полноте.
ПРЕДЫДУЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Основное свойство образца, будь это газ, жидкость или твердое тело, заключается в тенденции или отсутствии тенденции поглощать или рассеивать свет определенных длин волн. Характеристика тенденции образца поглощать, рассеивать или пропускать является основой для многих оптических измерений или методов (например, спектрофотометрии). Точность и повторяемость измерений, проводимых с помощью оптических устройств, связаны со многими факторами, включающими в себя мощность сигнала, поступающего на один или множество детекторов. Оптические устройства могут быть использованы для измерения наличия и характеристик компонентов в крови человека или животного или во внутритканевых жидкостях. В одном примере, неинвазивные оптические приборы могут использовать некоторые формы спектроскопии, чтобы обнаружить сигнал или спектр из области исследования тела пациента.
Диабет это хроническое заболевание, которое, если нет контроля, со временем приводит к серьезным нарушениям многих систем организма, включая нервы, кровеносные сосуды, глаза, почки и сердце. Национальный Институт Диабета и Болезней Пищеварительного Тракта и Почек (NIDDK) оценивает, что 23,6 миллиона людей или 7, 8 процента населения Соединенных Штатов были больны диабетом в 2007 г. Глобально, Всемирная Организация Здравоохранения (WHO) оценивает, что более 180 миллионов людей больны диабетом, ожидается, что их количество возрастет к 2030 году до 366 миллионов, включая 30,3 миллиона в Соединенных Штатах. По мнению WHO, приблизительно 1,1 миллиона человек умерло от диабета в 2005 году. Предполагается, что смертность от диабета возрастет более чем на 50% между 2006 и 2015 по всему миру и более чем на 80% в развитых странах.
Экономическое бремя от диабета для отдельных лиц и общества в целом весьма значительно. По утверждению Американской Ассоциации Диабета, полные ежегодные экономические издержки от диабета были оценены в 174 миллиарда долларов в Соединенных Штатах в 2007 году. Они выросли на 42 миллиарда долларов с 2002. Это 32% превышение означает, что сумма расходов возрастала более чем на 8 миллиардов ежегодно.
Жизненно важным элементом управления диабетом является самоконтроль концентрации глюкозы в крови (SMBG) диабетиками в домашних условиях. Благодаря частой проверке уровней глюкозы в крови, диабетики могут лучше управлять лечением, диетой и физическими упражнениями, чтобы поддерживать контроль и предотвратить долговременные отрицательные последствия для здоровья. Действительно, Контроль Диабета и Проявлений Диабета (DCCT), которому следовали 1,441 диабетиков в течение нескольких лет, показал, что тех, кто выполнял программу интенсивного контроля с помощью множественных проверок сахара в крови каждый день, по сравнению с таким же количеством в группе со стандартной обработкой, только имели развитие болезни диабета глаз, развитие болезни почек, 1/3 развитие болезней нервов, и гораздо меньше людей, у кого уже были ранние формы этих трех осложнений, получили ухудшение.
Однако способы текущего мониторинга не поощряют регулярное использование из-за неудобного и болезненного характера забора крови через кожу перед анализом, что заставляет многих диабетиков быть не слишком прилежными, какими они были бы при удобном контроле глюкозы в крови. Как результат, неинвазивное измерение концентрации глюкозы является желательным и полезным усовершенствованием для управления диабетом. Неинвазивный контроль сделает многоразовую ежедневную проверку безболезненной и более приятной для детей с диабетом. В соответствии с исследованием, опубликованным в 2005 (J.Wagner, C.Malchoff and G.Abbott Diabetes Technology & Therapeutics, 7 (4) 2005, 612-619), люди с диабетом выполняли бы SMBG более часто и имели бы улучшенное качество жизни с устройством непроникающего мониторинга глюкозы в крови.
Существует множество неинвазивных подходов для определения концентрации глюкозы. Один способ неинвазивного определения химических компонентов в крови включает в себя сбор и анализ данных спектрального состава света. Выделение информации о характеристиках крови, таких как концентрация глюкозы, из спектральных или других данных, полученных спектроскопией, представляет собой сложную проблему из-за наличия компонентов (например, кожи, жира, мускулов, кости, внутритканевой жидкости) иных, чем кровь, в области, которая подвергается исследованию. Такие иные компоненты могут влиять на эти сигналы таким образом, что изменяют их считывание. В частности, результирующий сигнал может быть много больше по величине, чем часть сигнала, которая соответствует крови, и следовательно, ограничивает возможность точно выделить информацию о характеристиках. К таким решениям относится способ и устройство для определения компонентов крови методом спектрофотометрии, раскрытый в публикации US 4997769 A, а также раскрытые в патенте US 6205354 B1 устройство и способ для неинвазивного измерения каротиноидов и подобных химических веществ в биологической ткани на основании метода резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния. В этом методе лазерный луч направляется на область исследования ткани. Небольшая фракция света рассеянного излучения формирует сигнал комбинационного рассеяния каротиноида, указанный сигнал собирается, фильтруется и измеряется. Результирующий сигнал комбинационного рассеяния может анализироваться так, что фоновый флуоресцентный сигнал удаляется и результаты измерений отображаются и сравниваются с известными стандартами калибровки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления изобретения относятся к устройству, включающему в себя источник света, чтобы генерировать множество световых пучков с каждым из множества световых пучков, имеющим отличный от других диапазон длин волн. Устройство также включает в себя световую воронку, чтобы направлять множество световых пучков в область исследования, апертуру, чтобы направлять множество световых пучков, излученных от области исследования, в линзу, при этом линза сконфигурирована для сбора световых пучков, излученных от области исследования. Далее, устройство включает в себя детектор, включающий в себя множество светочувствительных устройств, каждое из которых сконфигурировано для детектирования светового пучка и сконфигурировано, чтобы генерировать выходной сигнал, указывающий интенсивность детектированного света, и процессор для определения характеристик крови как функции каждого генерированного выходного сигнала.
Варианты осуществления относятся к системе сбора света, включающей в себя линзу, расположенную непосредственно рядом с областью исследования, апертуру, расположенную между линзой и областью исследования и сконфигурированную для направления множества световых пучков, излученных областью исследования; и один или более фильтров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В чертежах, которые необязательно представлены в масштабе, аналогичные номера описывают подобные компоненты на представленных фигурах. Аналогичные позиции, имеющие разные буквенные индексы отражают разные примеры по существу подобных компонентов. Чертежи иллюстрируют главным образом, посредством примера, но не посредством ограничения, различные варианты осуществления, обсужденные в настоящем документе.
Фиг.1А-В иллюстрируют графики пульсовой волны, соответствующей поглощению света артериальной крови в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.2 иллюстрирует оптическую схему в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг.3 иллюстрирует существующую оптическую схему для выполнения оптических измерений биологического образца в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Фиг.4А-В иллюстрируют оптические схемы для выполнения оптических измерений биологического образца в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Фиг.5 иллюстрирует вид в поперечном сечении световой воронки в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Фиг.6 иллюстрирует компоненты источника света в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует вид в поперечном сечении световой воронки с матрицей в виде группы инфракрасных излучающих диодов (IRED), расположенных в ней, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Следующее подробное описание включает в себя ссылки на сопровождающие чертежи, которые формируют часть подробного описания. Чертежи показывают, посредством иллюстрирования, определенные варианты осуществления, в которых изобретение может быть применено. Эти варианты осуществления, которые также указываются здесь как «примеры», описаны достаточно подробно, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники применить изобретение. Варианты осуществления могут быть объединены, другие варианты осуществления могут быть использованы, или конструктивные или логические изменения могут быть сделаны без отступления от объема настоящего изобретения. Последующее подробное описание, следовательно, не может быть понято в ограничивающем смысле, и объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой и ее аналогами.
В этом документе элементы, используемые в единственном числе, могут использоваться и во множественном числе, и термин «или используется, чтобы рассматриваться как неразделительное «или», если нет указаний к противоположному. Дополнительно, следует понимать, что применяемая здесь фразеология или терминология и не определенная иным способом используется только с целью описания, а не ограничения. Более того, все публикации, патенты и патентные документы, относящиеся к этому документу, введены здесь ссылкой во всей полноте, как если бы введенные ссылкой отдельно. В случае несогласованного использования между этим документом и теми документами, тоже введенными в качестве ссылки, использование во введенной ссылке следует рассматривать дополнительно к использованию этого документа; для несопоставимых несоответствий, использование в этом документе контролируют.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к оптическим компонентам, таким как световые воронки для освещения и измерения оптических свойств образца. Хотя спектральный анализ образца областей человеческого тела или тела животного приведен в качестве примера, варианты осуществления относятся ко всем типам оптических контрольно-измерительных приборов, включая в себя оптические детекторы, микроскопы, спектрометры и т.д. Оптическая спектроскопия может быть использована для определения количества света, поглощенного биологическим образцом, таким как человеческий палец. Измерением количества света, поглощенного пальцем, возможно определить уровни глюкозы, холестерина и гемоглобина человека неинвазивно. Измерения кончика пальца обычно предпочтительней из-за большой концентрации капилляров в кончике пальца и из-за превращения артериальной крови в венозную кровь, которое встречается в кончике пальца.
Когда свет проходит через биологический образец, такой как человеческий палец, свет поглощается и рассеивается разными компонентами пальца, включающими в себя кожу, мускулы, кость, жир, внутритканевую жидкость и кровь. Было обнаружено, однако, что поглощение света человеческим пальцем показывает слабую циклическую кривую, которая соответствует сердцебиению. ФИГ.1 описывает график 102 пульсовой волны, который соответствует световому поглощению артериальной крови в капилляре из-за сердцебиения пациента. Хотя амплитуда циклической кривой мала по сравнению с общим фототоком, генерируемым детектором, рассматриваемая информация может быть выделена из циклической кривой графика 102. Например, предполагая, что человеческое сердце бьется с частотой шестьдесят ударов в минуту, время между началом любого биения пульса и концом этого биения пульса равно 1 одной секунде. В течение этого односекундного периода график будет иметь максимум или верхнее 104 показание и минимум или нижнее 106 показание. Верхнее 104 показание графика соответствует положению, когда в капиллярах минимальное количество крови, а нижнее 106 значение соответствует положению, когда в капиллярах максимальное количество крови. Благодаря использованию оптической информации, содержащей верхние и нижние значения циклического графика, оптическое поглощение и рассеяние основными составляющими пальца, которых нет в капиллярах, такие как кожа, жир, кости, мускулы и внутритканевая жидкость, исключены. Эти основные составляющие, которых нет в капиллярах, исключены из-за того, что они не годятся для изменения за односекундный интервал. Другими словами, свет, который поглощается кровью, может быть определен на основании верхних и нижних значений графика 102.
Р
V
0
Принимая максимальное (пиковое) значение циклического фототока, генерированного светочувствительным устройством, за I, смежное нижнее значение циклического фототока за I, а фототок, генерированный светочувствительным устройством без человеческого пальца за I, коэффициенты пропускания, соответствующие верхнему и нижнему фототокам, могут быть определены как:
и
Соответствующие верхнее и нижнее значения поглощения равны:
и
v
Р
Разница между А и А отражает поглощение света и рассеяние только кровью в пальце.
Алгоритмы, показанные в уравнении (5), только требуют отслеживания изменения фототока, чтобы определить изменение световой мощности, прошедшей через палец. Как результат, нет необходимости определять фототек, генерированный светочувствительным устройством без человеческого пальца.
-5
К сожалению, из-за того что циклическая кривая представляет собой очень слабый сигнал, амплитуда циклической картины (кривой) (т.е. разница между верхним и нижним значениями) обычно составляет 1-3% от полной световой мощности, прошедшей через палец. Фиг.1А иллюстрирует циклическую кривую в увеличенном масштабе. Фиг.1В описывает более точное отражение циклической кривой по показателю амплитуды сигнала. Чтобы получить отношение сигнал/шум (S/N) 100:1 при определении ΔА, фоновый шум устройства, используемый при измерении поглощения света пальцем, должен быть не больше, чем 3,0×10 при поглощении (от одного верхнего значения до другого верхнего значения) внутри 10-герцевого диапазона частот.
-5
Однако фоновый шум при 3,0×10 поглощении (от одного верхнего значения до другого верхнего значения) внутри 10-герцевого диапазона частот трудно получить с низкими уровнями световой мощности, которые используются некоторыми неинвазивными портативными устройствами с питанием от батареек для измерения химических веществ крови. Одно решение включает в себя увеличение световой мощности освещения. Однако из-за ограниченных размеров некоторых устройств может быть невозможно или может быть неэффективно увеличивать мощность света, чтобы достичь желаемого фонового шума (например, из-за разрядки батареек). Таким образом, существует необходимость для системы и способа повышать количество мощности света, которая может быть определена такими устройствами, без значительного увеличения размера устройства и потребляемой мощности батареек.
Фиг.2 представляет собой упрощенную блок-схему, которая иллюстрирует компоненты настоящей оптической измерительной системы 200, которая использует концепцию «пульсации» для определения количества света, поглощенного и рассеянного исключительно кровью в человеческом пальце. Источник 201 питания, такой как батарейка, подает питание к источнику 202 света, который генерирует множество световых пучков 204, 206, 208, 210, направленных к кончику пальца пациента. В соответствии с одним аспектом системы оптической измерительной системы 200, каждый из световых пучков 204, 206, 208, 210 имеют разную длину волны или разный диапазон длин волн, обычно в пределах от 800 нм до 1600 нм. Например, первый световой пучок 204 может иметь диапазон длин волн между 850-900 нм, второй световой пучок 206 может иметь диапазон длин волн между 875-940 нм, третий световой пучок может иметь диапазон длин волн между 920-980 нм, и четвертый световой пучок 210 может иметь диапазон длин волн между 950-1050 нм. Хотя оптическая измерительная система 200 описана здесь как генерирующая четыре (4) световых пучка (потока), предполагается, что источник 202 света может быть изменен, с тем чтобы генерировать меньше световых пучков или дополнительные световые пучки в других вариантах осуществления.
Первая апертура 212 обеспечивает попадание световых пучков 204, 206, 208, 210 на область исследования пальца. Вторая апертура 214 обеспечивает, что часть световых пучков, которые проходят через палец, попадают на линзу 216. Световые пучки 204, 206, 208, 210 ослабляются пальцем и компонентами оптической измерительной системы 200, и, таким образом, из пальца выходят ослабленные световые пучки 218, 220, 222, 224. Ослабленные световые пучки 218, 220, 222, 224 попадают на линзу 216, и линза 216 собирает ослабленные световые пучки 218, 220, 222, 224 так, что они более эффективно попадают на детекторный блок 226.
Детекторный блок 226 размещен непосредственно под линзой 216 и содержит множество светочувствительных устройств (LSD) 228, 230, 232, 234, таких как группа светодиодов. В соответствии с одним аспектом оптической измерительной системы 200, каждое из светочувствительных устройств 228, 230, 232, 234 обнаруживает свет на определенной длине волны, как определенную соответствующими интерференционными фильтрами (IF) 236, 238, 240, 242, соответственно. Интерференционный фильтр пропускает одну или более спектральных полос или линий света и блокирует другие.
Каждое из светочувствительных устройств 228, 230, 232, 234 генерирует соответствующий электрический сигнал, который пропорционален мощности света, принятой конкретным светочувствительным устройством. Электрический сигнал, генерируемый фотодиодом, может быть преобразован в другую форму сигнала, такую как аналоговый сигнал напряжения или цифровой сигнал.
Процессор 234 соединен с детекторным блоком 226 и сконфигурирован для вычисления изменения сигналов 244, 246, 248, 250 фототока.
В соответствии с одним аспектом, процессор 243 реализует алгоритм, такой как показан в уравнении (5), чтобы вычислить изменение в поглощении света (ΔА), вызванное исключительно кровью в пальце. После чего это количественное вычисление поглощения света кровью может быть использовано для определения характеристик крови. Например, сравнивая вычисленное значение поглощения света с заранее заданными значениями, соответствующими разным уровням глюкозы, хранящимися в памяти (не показано), уровень глюкозы пациента может быть определен.
Рассмотрим теперь на Фиг.3 конфигурацию устройства преобразования для измерения количества света, поглощенного человеческим пальцем. Блок 302 Инфракрасного Излучающего Диода [IRED] включает в себя множество IREDов, которые генерируют ближнее инфракрасное (NIR) излучение или световые пучки от 850 до 1100 нм. Генерированные NIR световые пучки поступают на вход апертуры 304 и проходят через палец. NIR световые пучки, прошедшие через палец, проходят через выходную апертуру 306 на линзу 308. Линза 308 коллимирует световые пучки и проецирует их на группу 310 фильтров и затем детекторную группу 312. Устройство также включает в себя корпус 314 со стенками, чтобы предотвратить попадание на световые детекторы паразитного света.
В этой оптической схеме длины волн световых пучков, проходящих через выходную апертуру 306, полностью смешаны по длине волны. Более определенно, распределение мощности входящего света от 800 до 1100 нм передается каждому детектору в детекторной группе 312.
Как описано ниже, существуют моменты в схеме устройства, описанного на Фиг.3, которые ограничивают эффективность устройства и которые приводят к потенциально высокому фоновому шуму.
Низкая мощность освещения
Чтобы приспособиться к маленькому размеру пальца ребенка, нужно чтобы свет попадал на палец через входную апертуру 304 с диаметром приблизительно 0,25 (1/4) дюймов или меньше и чтобы свет, прошедший через палец, собирался бы через выходную апертуру 306 с диаметром приблизительно 0,25 (1/4) дюймов или меньше. Однако количество IREDов, которые могут быть размещены примерно в 0,25-дюймовом диаметре, ограничено. Например, только четыре с 3-миллиметровым (мм) диаметром IREDa могут быть эффективно размещены в области с 0,25-дюймовым диаметром входной апертуры 304. Так как средняя мощность от каждого из IREDов равна приблизительно 2,5 милливатт (мВт) в угле излучения половинной мощности пятнадцати (15) - двадцати (20) градусов, то полная полезная мощность, которая попадает на палец от каждого IRED, составляет приблизительно пятьдесят процентов (50%) или 1,25 мВт. Таким образом, для четырех (4) IREDов полная полезная мощность приблизительно равна пяти (5) мВт (например 4×2,5 мВт ×0,50) для диапазона входящих длин волн, охватываемого четырьмя IREDми, обычно 850 1100 нм.
Поглощение и Рассеяние Человеческим Пальцем
В общем, как описано выше, свет, который попадает на палец, будет ослаблен кожей, жиром, мускулами, кровью и костью. Например, было обнаружено, что поглощение и рассеяние света человеческим пальцем может уменьшать мощность прошедшего света в NIR области 850-1100 нм приблизительно в 200 раз. В результате полная IR мощность, прошедшая через палец, составляет приблизительно только 25 микроватт (мкВт) (например, 5 мВт/200) во всем диапазоне входящих длин волн, охватываемом четырьмя IREDми, обычно от 850-1100 нм.
Маленький Телесный Собирающий Угол с помощью Оптики Связи
Свет спускается из выходной апертуры 306 во всех направлениях в 2π телесном угле ниже пальца. В традиционных оптических схемах трудно собрать большую мощность света, прошедшего через палец, из того, что выходная апертура 306 не может рассматриваться как точечный источник. Обычно полная мощность света, собранного с использованием оптической схемы, показанной на Фиг.3, составляет только около 10% или уменьшает мощность в 10 раз до 2,5 мкВт во всей области длин волн, охватываемой четырьмя IREDми, обычно от 850 до 1100 нм. Следует отметить, что это мощность оптического измерения, поступающая на все детекторы на Фиг.3.
Количество Детекторов
Кроме того, оптическим системам, таким как показанные на Фиг.3, могут быть необходимы не менее двадцати (20) - тридцати (30) диодных детекторов, чтобы получить точную информацию, касающуюся химических компонентов в крови. По этой причине, мощность излучения, которая доходит до каждого детектора, составит приблизительно 125 нВт или менее.
Узкополосный Фильтр
Интерференционный фильтр, расположенный наверху каждого детектора, обычно имеет полную ширину на уровне полумаксимума (FWHM) полосы пропускания в 10 нм, которая уменьшает мощность излучения в 25 раз до 5 нВ, допуская равномерное распределение мощности по всей области длин волн от 850 нм до 1100 нм. Более того, максимальное значение пропускания каждого интерференционного фильтра составляет примерно 50% или менее. Таким образом, мощность излучения, принятая каждым детектором, уменьшается приблизительно до 2,5 нВт или менее.
Эффективность фотоэлектрического преобразования
-4
Эффективность фотоэлектрического преобразования для детекторов на Кремниевом Диоде варьируется от 0,1 ампер/ватт (А/Вт) при 1100 нм до, приблизительно, 0,5 А/Вт при 900 нм. В результате, в зависимости от центральной длины волны соответствующего интерференционного фильтра, фототок, генерируемый каждым детектором, находится в пределах от 0,25 наноампер или менее (нА) до 1,25 нА или менее для каждого детектора. Соответствующий высокий уровень дробового шума в 10-герцевой полосе пропускания составляет примерно 2,0×10 коэффициента пропускания (р-р) или более, который больше в 6 раз того, который требуется для точного определения значения ΔА, как определено уравнением (5), с отношением сигнал/шум, равным 100. Другими словами, чтобы достичь желаемого отношения С/Ш 100:1 для ΔА мощность излучения, принятого детекторами, должна быть увеличена более чем в 40 раз.
Фиг.4 иллюстрирует оптическую схему для выполнения оптического детектирования биологического образца, соответствующую одному аспекту настоящей оптической измерительной системы 400. Источник 402 света генерирует множество световых пучков 404, 406, 408, 410. Источник 402 света может быть источниками света с нитью накаливания или инфракрасными излучающими диодами, например. В соответствии с одним аспектом оптической измерительной системы 400, у каждого из световых пучков 404, 406, 408, 410 разная длина волны или разный диапазон длин волн. Например, первый световой пучок 404 может иметь диапазон длин волн в пределах 850-920 нм, второй световой пучок 406 может иметь диапазон длин волн в пределах 900-980 нм, третий световой пучок 408 может иметь диапазон длин волн в пределах 970-1050 нм, а четвертый световой пучок 410 может иметь диапазон длин волн в пределах 1030-1100 нм. Полный диапазон длин волн может включать в себя, примерно, от 800 нм до 1600 нм, например. Хотя оптическая измерительная система 400 здесь описана как генерирующая четыре (4) световых пучка, предполагается, что источник света может быть модифицирован, чтобы генерировать меньше световых пучков или дополнительные световые пучки в других вариантах осуществлениях.
Световые пучки 404, 406, 408, 410 от источника 402 света входят в световую воронку 412 через входное отверстие 414 и выходят из световой воронки 412 через выходное отверстие 416. Диаметр входного отверстия 416 световой воронки 412 меньше или равен диаметру входного отверстия 414. Например, в соответствии с одним вариантом осуществления диаметр входного отверстия 414 приблизительно равен 0,625 (5/8) дюйма, а диаметр выходного отверстия 416 приблизительно равен 0,25 (1/4) дюйма. Следовательно, в противоположность схеме, описанной на Фиг 3, световая воронка 412 фокусирует световые пучки 404, 406, 408, 410 в одном и том же общем направлении к кончику пальца пациента. Световая воронка может значительно увеличить полную мощность излучения, принятую областью исследования (целевой областью) по сравнению со схемой на Фиг.3, и, следовательно, существенно повысить Отношение Сигнал-Шум.
Фиг.5 иллюстрирует вид в поперечном сечении осветительного компонента или воронки 412. В соответствии с одним аспектом, световая воронка 412 имеет по существу цилиндрическую внешнюю поверхность 502 с диаметром D1 и центральную полость, определяемую внутренней стенкой 506, которая имеет форму усеченного конуса, и два световых входное/выходное отверстия 508 и 504. Отверстие 508 (второе отверстие) имеет меньший диаметр D3, и отверстие 504 (первое отверстие) имеет больший диаметр D2. Разделительный промежуток между двумя световыми отверстиями равен L, а Половинный Угол внутренней поверхности в форме усеченного конуса равен α. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения величина Половинного Угла варьируется от 10 до 15 градусов. Половинный Угол может быть менее чем 25 градусов, например. Световая или осветительная воронка 412 может быть сформирована из пластика, металла или другого подходящего материала или составного/слоистого материала, с любым требуемым показателем (показателями) преломления. В соответствии с одним аспектом, световая воронка 412 сформирована из металла и поверхность внутренней стенки 506 сделана высоко отражательной. Если сконфигурировано правильно, интенсивность света на выходе 508 может быть повышена в 50-100 раз, по сравнению с интенсивностью на входе 504.
Фиг.6 иллюстрирует компоненты источника 402 света в соответствии с одним аспектом оптической измерительной системы 400. Печатная схема может быть расположена близко или вплотную к первому отверстию воронки и может включать в себя источники света, установленные на плате или находящиеся в контакте с платой. В одном примере множество IREDов 602, 604, 606 и 608 прикреплены к плате с печатной схемой (РСВ) 610. РСВ 610 принимает электрическую энергию через линию 612 энергоснабжения, которая соединена с источником питания (например, источник питания 201), таким как батарея. Когда электрическая энергия подается через линию 612 энергоснабжения, каждый из IREDов 602, 604, 606 и 608 получает энергию и генерирует множество световых пучков (потоков) (например, световые пучки 404, 406, 408, 410). В частности, IREDы с одинаковым рабочим током могут быть соединены последовательно, чтобы увеличить срок службы батареи. Источник света может быть установлен внутри воронки или над воронкой, например, таким путем, как заключение в корпус.
В соответствии с одним аспектом, световая воронка 412 может быть прикреплена к РСВ 610 винтами, соединительными зажимами или другими средствами крепления. Внутренняя поверхность в форме усеченного конуса осветительной воронки 412 служит для концентрирования и фокусировки световых пучков 404, 406, 408 410 от IREDов 602, 604, 606 и 608 в общий пучок конической формы, направленный к пальцу.
Фиг.7 иллюстрирует вид в поперечном сечении другого варианта осуществления световой воронки 412 с трехмерной (3-D) групповой матрицей 702 IRED, расположенной в ней. Множество источников света, таких как IREDы, могут быть расположены в трехмерных уровнях и приспособлены для оптимизации интенсивности света. Источники света могут быть расположены в горизонтальных и вертикальных уровнях, например. В соответствии с одним вариантом осуществления, существуют в общей сложности двадцать шесть (26) IREDов, включенных в 3-D матрицу. IREDы расположены в четырех (4) уровнях. Первый уровень, как указано 704, включает в себя четыре (4) IREDa (два IREDa не показаны), второй слой, как указано 706, включает в себя пять (5) IREDов (два IREDa не показаны), третий слой, как указано 708, включает в себя семь (7) IREDов (четыре IREDa не показаны), и четвертый слой, как указано 710, включает в себя десять (10) IREDов (шесть IREDов не показаны). Линия 712 электроснабжения обеспечивает питание для всех IREDов. В соответствии с другими вариантами осуществления также могут быть использованы другие конфигурации IRED. Любое количество источников света или уровней может быть использовано для оптимизации световой интенсивности.
По причине того, что IREDы являются оптически прозрачными для инфракрасного света, потери света из-за эффекта блокировки в воронкообразной полости должны быть ниже и предполагается, что структура, показанная на Фиг.7, соберет свыше 85% мощности излучения, испускаемой 3-D группой IREDов в световую воронкообразную полость. В результате полная мощность излучения, проходящая через 0,25-дюймовый диаметр выходного отверстия 416 световой воронки 412, должна составлять приблизительно 55 мВт (например, 26×2,5 мВт ×0,85). Поэтому полная мощность излучения, проходящая через 0,25-дюймовое отверстие над пальцем в представленной оптической измерительной системе 400, приблизительно в одиннадцать (11) раз больше соответствующей мощности, достигшей апертуры 306 (например, 5 мВт) конфигурации, описанной со ссылкой на Фиг.3. Более того, увеличение мощности излучения, падающей на палец, увеличит количество мощности излучения, которая может быть пропущена через палец и, таким образом, увеличит световую мощность, которая может быть обнаружена на детекторном блоке 428.
Вернемся опять к Фиг.4А, световые пучки 404, 406, 408, 410 ослабляются пальцем и компонентами оптической измерительной системы 400. Ослабленные световые пучки затем проходят выходную апертуру 418, собранные асферической линзой 430. Пучки 432, выходя из линзы 430, могут затем проходить через фильтры 426 на детекторы 428.
Главное преимущество использования асферической линзы 430 для сбора света заключается в ее намного большем телесном угле для сбора света. При реализации конфигурации должным образом полная мощность излучения, принятая каждым детектором, может быть повышена в 3-4 раза, когда асферическая линза 430 используется для сбора света, излученного областью исследования, в сравнении со схемой, собирающей свет, показанной на Фиг.3. Комбинация использования световой воронки 412 и асферической линзы 430 в качестве светового коллектора может повысить световую мощность, принятую каждым детектором, в примерно 20-40 раз по сравнению оптической схемой, показанной на Фиг.3.
Детекторный блок 428 расположен ниже асферической линзы 430 и может включать в себя множество светочувствительных устройств, таких как группа фотодиодов. В соответствии с одним аспектом оптической измерительной системы 400 каждое светочувствительное устройство обнаруживает свет на определенной длине волны, как задано соответствующим интерференционным фильтром 426, размещенным на верху детектора.
Процессор (например, процессор 243) может быть соединен с детекторным блоком 428 и сконфигурирован, чтобы вычислять изменение сигналов тока, генерированных светочувствительными устройствами. Например, как описано выше со ссылкой на Фиг.2, процессор 243 выполняет алгоритм, такой как показано в уравнении (5), чтобы вычислить изменение поглощения света (ΔА), вызванное исключительно кровью в пальце. После этого, это количественное вычисление поглощения света кровью может быть использовано для определения характеристик крови.
Фиг.4В иллюстрирует другую оптическую схему для выполнения оптического детектирования биологического образца в соответствии с одним аспектом представленной оптической измерительной системы 400. Источник 402 света генерирует множество световых пучков 404, 406, 408, 410. Источник 402 света может быть источниками света с нитью накаливания или инфракрасными излучающими диодами, например. В соответствии с одним аспектом оптической измерительной системы 400 каждый из световых пучков 404 406 408, 410 имеет разную длину волны или разный диапазон длин волн. Например, первый световой пучок 404 может иметь диапазон длин волн в пределах 850-920 нм, второй световой пучок 406 может иметь диапазон длин волн в пределах 900-980 нм, третий световой пучок 408 может иметь диапазон длин волн в пределах 970-1050 нм, и четвертый световой пучок 410 может иметь диапазон длин волн в пределах 1030-1100 нм. Полный диапазон длин волн может включать в себя примерно от 800 нм до 1200 нм, например. Хотя оптическая измерительная система 400 описана здесь как генерирующая четыре (4) световых пучка, предполагается, что источник света может быть изменен, чтобы генерировать меньше световых пучков или дополнительные световые пучки в другом варианте осуществления.
Световые пучки 404, 406, 408, 410 от источника 402 света входят в световую воронку 412 через входное отверстие 414 и покидают световую воронку 412 через выходное отверстие 416. Диаметр выходного отверстия 416 световой воронки 412 меньше или равен диаметру входного отверстия 414. Например, в соответствии с одним вариантом осуществления диаметр входного отверстия 414 приблизительно составляет 0,625 (5/8) дюйма, и диаметр выходного отверстия 416 приблизительно составляет 0,25 (1/4) дюйма. Следовательно, в противоположность схеме, описанной на Фиг.3, световая воронка 412 фокусирует световые пучки 404, 406, 408, 410 в одном и том общем направлении к кончику пальца пациента. Световая воронка может значительно увеличить общую мощность излучения, принятую областью исследования, по сравнению со схемой на Фиг.3, и следовательно существенно увеличить отношение Сигнал-Шум.
Как показано на Фиг.4В, световые пучки 404, 406, 408, 410 ослаблены пальцем и компонентами оптической измерительной системы 400. Ослабленные световые NIR пучки затем проходят выходную апертуру 418, собранные конденсорной линзой 420, и проецируемые на устройство 422 пропускающей дифракционной решетки.
Как показано на Фиг.4В, просветная дифракционная решетка 422 осуществляет разрешение по углу компонентов различных длин волн смешанных NIR световых пучков в спектре с длинами волн, повышающимися монотонно в направлении, обозначенном стрелкой. Другими словами из-за того, что дифракционный угол конкретного светового пучка зависит от длины волны светового пучка, каждый из световых пучков может быть разделен длиной волны. Оптический спектр 424 выходит из просветной дифракционной решетки 422 и затем суживается вниз с помощью группы 426 интерференционных фильтров и детектируется группой 428 диодов. Центральная длина волны каждого интерференционного фильтра в группе 426 фильтров установлена, чтобы повышаться монотонно до совпадения с соответствующим компонентом длины волны спектра, который выходит из просветной дифракционной решетки 422.
В сравнении с собирающей оптической структурой на Фиг.3, если распределение всей мощности излучения от 850 нм до 1100 нм поступает на каждый детектор, то подходящая используемая просветная дифракционная решетка будет посылать каждому детектору только компоненты длины волны, близкие к центральной длине волны соответствующего фильтра. В результате количество ослабленного света существенно снижается, а мощность излучения, принятая фотодиодами, увеличивается в 10-20 раз по сравнению со светом, собранным схемой, описанной на Фиг.3. Поэтому комбинирование использования световой воронки 412 и асферической линзы 420 в качестве светового коллектора и просветной решетки 422 в качестве устройства разделения длин волн может повышать мощность излучения, принятую фотодиодами, примерно от 100 до 200 раз по сравнению с оптической схемой, показанной на Фиг.3.
Варианты осуществления изобретения могут также включать в себя способы использования устройства, как описано выше, или систему сбора света. Источник света может контактировать с целевой областью через световую воронку таким образом, чтобы генерировать пропущенный, пропущенно-отраженный или отраженный свет. Пропущенный, пропущенно-отраженный или отраженный свет может входить в систему сбора света и быть направленным к одному или нескольким детекторам, например.