НЕИНВАЗИВНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕРИАЛА
NON-INVASIVE ANALYSIS OF MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу и системе для неинвазивного анализа материала. Более конкретно, изобретение относится к способу и системе для неинвазивного анализа материала на основе отклонения зондирующего светового луча, который отражается в оптической среде, наложенной на материал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В различных технических применениях и, в частности, в химических, биологических и медицинских применениях требуется анализ материалов в отношении их состава и компонентов. Для этого в некоторых методах анализа отбирается часть материала и приводится в реакцию с другими материалами. На основе изменения реакционной смеси затем может делаться вывод относительно компонентов материала.
Однако отбор или изменение материала может быть нежелательным, например, если материал вследствие реакции больше не может использоваться по своему непосредственному назначению или если отбор части материала повреждает или разрушает материал. В этих случаях может быть предпочтительным неинвазивный анализ материала, при котором исходная функция или возможность применения материала не затрагивается вследствие анализа.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит задача создания способа и системы для неинвазивного анализа материала.
Эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения и системой согласно пункту 28 формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением способ включает в себя этап размещения оптической среды на поверхности материала, так что по меньшей мере часть поверхности оптической среды находится в контакте с поверхностью материала. Этап размещения оптической среды на поверхности материала в смысле настоящего изобретения должен включать в себя, в частности, также размещение поверхности материала на оптической среде и, в общем, приведение каждого в контакт. Так, оптическая среда может, в частности, быть выполнена как приемное приспособление для материала или может быть прочно связана с материалом. Предпочтительно, оптическая среда представляет собой тело из ZnS, ZnSe, Ge или Si, которое является прозрачным в предопределенном диапазоне длин волн, предпочтительно в инфракрасном диапазоне или части инфракрасного диапазона. Материал может представлять собой ткань, например, кожу, а также жидкость или твердое тело или комбинацию твердого тела, кожи и ткани, как, например, держатель образца из стекла с находящейся на нем исследуемой тканью или находящейся в нем жидкостью.
В случае упомянутого контакта, как правило, речь идет о непосредственном контакте. В качестве ʺнепосредственного контактаʺ рассматривается такой контакт, при котором поверхности оптической среды и материала касаются. В этом контексте, вышеупомянутый этап размещения оптической среды на поверхности материала означает приведение в соприкосновение поверхностей оптической среды и материала. Например, оптическая среда и материал могут, соответственно, на некотором участке иметь (по существу) плоские поверхности, которые приводятся в контакт друг с другом.
Соответствующий изобретению способ дополнительно содержит этап излучения возбуждающего светового луча с длиной волны возбуждения через участок поверхности оптической среды, который находится в контакте с поверхностью материала, на поверхность материала. Кроме того, соответствующий изобретению способ включает в себя этап излучения зондирующего светового луча через оптическую среду на участок поверхности оптической среды, который находится в контакте с поверхностью материала, так что зондирующий световой луч и возбуждающий световой луч на границе раздела оптической среды и поверхности материала перекрываются. Предпочтительно, зондирующий световой луч и возбуждающий световой луч перекрываются на границе раздела оптической среды и поверхности материала на 10% до 100% или на 50% до 100%, особенно предпочтительно более чем на 90% или даже на 100%. Степень перекрытия определяется, например, тем, что определяется первый участок границы раздела, на который падает 95%, предпочтительно 98% от общей интенсивности света зондирующего светового луча. Также определяется второй участок границы раздела, на котором находится 95%, предпочтительно 98% от общей интенсивности света возбуждающего светового луча. Пересечение первого и второго участка границы раздела затем подставляется в отношение к среднему значению первого и второго участка границы раздела и дает степень перекрытия.
Соответствующий изобретению способ дополнительно содержит этап непосредственного или опосредованного косвенного обнаружения отклонения отраженного зондирующего светового луча в зависимости от длины волны возбуждающего светового луча. Отклонение может определяться, например, непосредственно с помощью позиционно-чувствительного фотодетектора (PSD) или опосредованно с помощью фотодетектора, в частности, фотодиода, который размещен за ирисовой диафрагмой.
Кроме того, соответствующий изобретению способ включает в себя этап анализа материала на основании обнаруженного отклонения отраженного зондирующего светового луча в зависимости от длины волны возбуждающего светового луча. Анализ здесь означает, в частности, измерение или определение параметров, характеризующих состав материала. Предпочтительно, анализ включает в себя определение характеристики поглощения материала. Если возбуждающий световой луч является инфракрасным световым лучом, то анализ предпочтительно включает в себя выполнение инфракрасной спектроскопии.
Соответствующий изобретению способ основан на том, что поглощенный в материале возбуждающий световой луч изменяет ход луча для зондирующего светового луча через оптическую среду. Причина этого заключается в том, что поглощение возбуждающего светового луча в материале вызывает повышение температуры, которое локально изменяет показатель преломления оптической среды, находящейся в контакте с материалом, и, таким образом, отклоняет ход луча для зондирующего светового луча. Степень отклонения коррелируется со степенью поглощения возбуждающего светового луча в материале, так что компоненты материала с характеристическим спектром поглощения могут быть идентифицированы по степени отклонения зондирующего светового луча.
Предпочтительно, способ включает в себя этап ориентирования зондирующего светового луча, так что зондирующий световой луч полностью отражается на границе раздела между оптической средой и поверхностью материала. Понятие полного отражения отождествляется в настоящем описании и формуле изобретения, основываясь на законе преломления Снеллиуса, с углом падения зондирующего светового луча, который больше, чем критический угол полного отражения, который равен арксинусу частного от деления показателя преломления материала на показатель преломления оптической среды. Предпочтительно, зондирующий световой луч ориентирован таким образом, что он позволяет выполнять анализ множества различных материалов с различными оптическими плотностями.
Предпочтительно, возбуждающий световой луч формируется как модулированный по интенсивности, в частности, импульсный возбуждающий световой луч. Предпочтительно, частота модуляции, в частности, частота повторения импульсов составляет от 5 до 2000 Гц, а особенно предпочтительно от 10 до 1000 Гц или от 20 до 700 Гц. Если возбуждающий световой луч формируется как импульсный возбуждающий световой луч, то циклический нагрев и охлаждение компонентов материала, поглощающих возбуждающий свет, путем расширения и сжатия компонентов материала создает волны давления и, в частности, волны тепла, которые проходят через материал и распространяются в оптическую среду и, таким образом, также отклоняют ход луча для зондирующего светового луча.
Предпочтительно, этап излучения возбуждающего светового луча повторяется для различных частот модуляции, и этап анализа материала включает в себя анализ материала на основе обнаруженных отклонений зондирующего светового луча в зависимости от длины волны и частоты модуляции возбуждающего светового луча. При этом различные частоты модуляции приводят к включению различных слоев в процесс поглощения. Например, более высокие частоты модуляции приводят к приповерхностным процессам поглощения, в то время как более низкие частоты модуляции также включают в себя процессы поглощения в более глубоких слоях. Таким образом, обеспечивается возможность анализа различных слоев.
Предпочтительно, этап анализа материала включает в себя вычитание значения, которое основано на отклонении зондирующего светового луча, которое было обнаружено при первой частоте модуляции, из значения, которое основано на отклонении зондирующего светового луча, которое было обнаружено при второй частоте модуляции, или деление значения, которое основано на отклонении зондирующего светового луча, которое было обнаружено при первой частоте модуляции, на значение, которое основано на отклонении зондирующего светового луча, которое было обнаружено при второй частоте модуляции. За счет вычитания или деления может исключаться влияние приповерхностных слоев из процессов поглощения, которые имеют место в приповерхностных и более глубоких слоях, так что может быть определен вклад более глубоких слоев.
Предпочтительно, этап анализа материала содержит вычитание значений, которые основаны на отклонениях зондирующего светового луча, которые были обнаружены при первой частоте модуляции для различных длин волн возбуждающего светового луча, из значений, которые основаны на отклонениях зондирующего светового луча, которые были обнаружены при второй частоте модуляции для различных длин волн возбуждающего светового луча, причем значения особенно предпочтительно являются спектральными значениями интенсивности поглощения, или деление значений, которые основаны на отклонениях зондирующего светового луча, которые были обнаружены при первой частоте модуляции для различных длин волн возбуждающего светового луча, на значения, которые основаны на отклонениях зондирующего светового луча, которые были обнаружены при второй частоте модуляции для различных длин волн возбуждающего светового луча, причем значения являются особенно предпочтительно спектральными значениями интенсивности поглощения. Путем вычитания или деления значений может выделяться спектр поглощения определенного слоя материала, так что в этом слое может обнаруживаться присутствие определенных веществ, что особенно предпочтительно тогда, когда вещества не равномерно распределены в материале.
Предпочтительно, этап анализа включает в себя соотнесение значений, которые основаны на отклонениях зондирующего светового луча, которые были обнаружены при различных частотах модуляции, с различными участками в материале, предпочтительно с участками в материале, лежащими на различной глубине. За счет соотнесения или ассоциирования значений с участками материала, может обеспечиваться распределение вещества в материале, в частности, профиль по глубине присутствия вещества.
Предпочтительно, определение отклонения зондирующего светового луча содержит усиление соответствующего зондирующего сигнала синхронным усилителем. За счет применения импульсного возбуждающего светового луча в комбинации с синхронным усилителем могут регистрироваться также слабые сигналы или изменения сигналов, которые находятся в области шума. Импульсный возбуждающий световой луч предпочтительно модулируется оптическим прерывателем. Оптический прерыватель предпочтительно связан с синхронным усилителем. В качестве альтернативы, импульсный возбуждающий световой луч может быть сгенерирован с помощью импульсного источника света возбуждения.
Предпочтительно, возбуждающий световой луч фокусируется оптическим элементом на поверхности оптической среды, причем оптический элемент включает в себя, в частности, параболическое зеркало. Предпочтительным образом, оптический элемент юстируется с помощью лазера юстировки, который излучает видимый свет. Лазерный луч лазера юстировки может быть ориентирован с помощью зеркального элемента таким образом, что ход луча лазера юстировки по меньшей мере частично совмещается с ходом возбуждающего светового луча.
Предпочтительным образом, длина волны возбуждающего светового луча изменяется, в частности, путем изменения длины волны циклически в пределах предопределенного диапазона длин волн или путем целенаправленной установки характеристических длин волн, в частности, длин волн поглощения предполагаемого вещества. Путем изменения диапазона длин волн возбуждающего светового луча, может быть осуществлен спектральный анализ, который дает возможность различить компоненты материала, имеющие сходные или перекрывающиеся спектры поглощения. Изменение предопределенного диапазона длин волн может осуществляться, например, путем применения перестраиваемого источника света.
Предпочтительным образом, возбуждающий световой луч является возбуждающим лазерным лучом. Путем применения возбуждающего лазерного луча, область поглощения или спектр поглощения может анализироваться с высоким разрешением. Для инфракрасной области спектра, в качестве возбуждающего лазера предпочтительно может применяться квантовый каскадный лазер.
Предпочтительным образом, зондирующий световой луч является зондирующим лазерным лучом. Предпочтительно, длина волны зондирующего светового луча лежит в видимом диапазоне длин волн. За счет применения видимого зондирующего лазерного луча, ориентирование зондирующего лазерного луча на участок границы раздела, через который проходит возбуждающий световой луч, может быть упрощено.
Предпочтительно, длина волны возбуждения находится в диапазоне от 6 мкм до 13 мкм, особенно предпочтительно от 8 мкм до 11 мкм.
Предпочтительно, поляризация зондирующего светового луча устанавливается таким образом, что отклонение отраженного зондирующего светового луча является максимальным.
Предпочтительным образом, зондирующий световой луч перед обнаружением отклонения по меньшей мере еще один раз, предпочтительно от двух до более пяти раз полностью отражается в том же месте на границе раздела (пограничной поверхности) оптической среды. Например, при этом зондирующий световой луч с помощью системы зеркал отражается обратно в область перекрытия с возбуждающим световым лучом. За счет этого угол отклонения эффективно увеличивает, благодаря чему точность обнаружения отклонения повышается.
Если анализируемым материалом является кожа пациента, то способ предпочтительно включает в себя этап подготовки поверхности кожи путем нанесения и снятия полоски ткани для удаления омертвевших клеток кожи, причем полоска ткани имеет материал, сцепляющийся с поверхностью кожи. За счет удаления омертвевших клеток кожи может повышаться точность анализа, так как исключаются искажающие влияния из-за омертвевших клетки кожи.
Если анализируемым материалом является кожа пациента, то этап анализа материала предпочтительно включает в себя этап определения уровня сахара в крови пациента. Особенно предпочтительно, этап определения уровня сахара в крови включает в себя этап измерения содержания глюкозы в интерстициальной жидкости кожи пациента.
Если анализируемым материалом является кожа пациента, то этап анализа материала предпочтительно включает в себя этап определения содержания воды в коже пациента.
Если анализируемым материалом является кожа пациента, то этап анализа материала предпочтительно включает в себя этап определения белкового состава кожи пациента и особенно предпочтительно определение белкового состава кожи пациента в различных слоях кожи. Понятно, что термин ʺслои кожиʺ следует понимать как области в коже, которые проходят (по существу) параллельно поверхности кожи и расположены один над другим или один под другим.
Предпочтительно, материал представляет собой текущую или неподвижную жидкость или эмульсию, и анализ материала включает в себя определение содержания сахара, спирта, жира и/или белка в жидкости.
Предпочтительно, материал представляет собой топливо, и анализ материала включает в себя определение содержания спирта, сложного метилового эфира рапсового масла, свинца или бензола в топливе.
Предпочтительно, материал представляет собой пресную или соленую воду, и анализ материала включает в себя определение загрязнения воды.
Предпочтительно, материал представляет собой биологическую жидкость.
Предпочтительно, с длиной волны возбуждающего светового луча соотносится значение интенсивности поглощения на основе обнаруженного отклонения зондирующего светового луча. Значение интенсивности поглощения может сравниваться с калибровочным значением интенсивности поглощения, которое представляет собой значение интенсивности поглощения кожи пациента при известном уровне сахара в крови и той же длине волны возбуждающего светового луча. Предпочтительно, затем определяется текущий уровень сахара в крови пациента на основе сравнения, при этом определенный уровень сахара в крови тем больше отклоняется от уровня сахара в крови, лежащего в основе калибровки, чем больше значение интенсивности поглощения отклоняется от калибровочного значения интенсивности поглощения.
Соответствующая изобретению система содержит оптическую среду, устройство для излучения одного или нескольких возбуждающих световых лучей с длиной волны возбуждения и измерительное устройство. Как обсуждалось выше, оптическая среда может быть, например, телом, выполненным из ZnS, ZnSe, Ge или Si, которое является прозрачным в предопределенном диапазоне длин волн.
Устройство для излучения возбуждающего светового луча размещено таким образом, что излученный возбуждающий световой луч проникает через первую поверхность в оптическую среду и вновь выходит из нее через предопределенную точку на второй поверхности. Если в процессе функционирования материал размещен на второй поверхности оптической среды, то возбуждающий световой луч по меньшей мере частично поглощается на поверхности материала или в материале. Степень поглощения может определяться с помощью измерительного устройства.
Измерительное устройство содержит устройство для излучения зондирующего светового луча, которое расположено так, что излученный зондирующий световой луч проникает в оптическую среду и в процессе функционирования перекрывается с возбуждающим световым лучом на границе раздела оптической среды и поверхности материала. Предпочтительно, зондирующий световой луч и возбуждающий световой луч перекрываются на границе раздела оптической среды и поверхности материала на 10% до 100% или на 50% до 100%, особенно предпочтительно более чем на 90% или даже на 100%. Как описано выше, степень перекрытия определяется, например, тем, что определяется первый участок границы раздела, на котором находится 95%, предпочтительно 98% от общей интенсивности света зондирующего светового луча. Также определяется второй участок границы раздела, на котором находится 95%, предпочтительно 98% от общей интенсивности света возбуждающего светового луча. Пересечение первого и второго участков границы раздела затем подставляется в отношение к среднему значению первого и второго участка границы раздела и дает степень перекрытия.
Например, зондирующий световой луч может под углом, который меньше критического угла полного отражения, падать на границу раздела между второй поверхностью и поверхностью материала, причем место падения перекрывается с местом падения возбуждающего светового луча и предпочтительно совпадает с ним.
Измерительное устройство дополнительно содержит устройство для приема отраженного зондирующего светового луча и для непосредственного или опосредованного обнаружения отклонения отраженного зондирующего светового луча.
Например, если оптическая среда с второй поверхностью размещается на анализируемом материале, то возбуждающий световой луч проникает в материал и поглощается в разной степени в зависимости от состава материала и длины волны возбуждающего светового луча. Поглощение возбуждающего света вызывает теплопередачу и волны давления, которые влияют на ход луча зондирующего лазерного луча в оптической среде. Так как это влияние коррелировано с концентрацией компонента материала, поглощающего инфракрасный свет, то концентрация компонента материала может быть определена путем измерения степени отклонения хода луча от не подверженного такому влиянию хода луча.
Предпочтительным образом, зондирующий световой луч в процессе функционирования полностью отражается на границе раздела между оптической средой и поверхностью материала.
Предпочтительным образом, возбуждающий световой луч является инфракрасным световым лучом, так как инфракрасный свет поглощается многими материалами характерным образом и, таким образом, особенно хорошо подходит для анализа материалов.
Предпочтительным образом, возбуждающий световой луч является модулированным по интенсивности, в частности, импульсным возбуждающим световым лучом. Предпочтительно, устройство для приема отраженного зондирующего светового луча содержит синхронный усилитель для непосредственного или опосредованного обнаружения отклонения отраженного зондирующего светового луча. Предпочтительно, частота модуляции, в частности, частота повторения импульсов составляет от 5 до 2000 Гц, особенно предпочтительно от 10 до 1000 Гц или от 20 до 700 Гц. Для генерации импульсного возбуждающего светового луча, устройство для излучения возбуждающего светового луча предпочтительно содержит оптический прерыватель. Предпочтительным образом, оптический прерыватель размещен на пути возбуждающего светового луча и модулирует интенсивность возбуждающего светового луча. За счет применения модулированного по интенсивности и, в частности, импульсного светового луча в комбинации с синхронным усилителем, могут регистрироваться также слабые сигналы или изменения сигналов, которые находятся в области шума.
Предпочтительным образом, возбуждающий световой луч является возбуждающим лазерным лучом, и устройство для излучения возбуждающего лазерного луча выполнено с возможностью излучения возбуждающих лазерных лучей разных частот возбуждения. За счет применения возбуждающего лазерного луча, область поглощения или спектр поглощения может анализироваться с высоким разрешением.
Предпочтительно, система дополнительно содержит оптический элемент, который предназначен для фокусировки возбуждающего светового луча в предопределенной точке. За счет фокусировки в предопределенной точке, действие возбуждающего светового луча может концентрироваться еще сильнее, благодаря чему отклонение зондирующего светового луча становится еще более заметным. Оптический элемент может включать в себя, например, параболическое зеркало.
Предпочтительно, система включает в себя лазер юстировки, который облегчает ориентирование оптического элемента. Система предпочтительно включает в себя пару зеркал, которая пригодна для того, чтобы ориентировать ход луча лазера юстировки таким образом, что по меньшей мере часть хода луча лазера юстировки совпадает с ходом возбуждающего светового луча.
Предпочтительно, устройство для излучения возбуждающего светового луча представляет собой квантовый каскадный лазер. Предпочтительно, устройство для излучения возбуждающего светового луча может перестраиваться в диапазоне длин волн возбуждения от 6 мкм до 13 мкм, предпочтительно от 8 мкм до 11 мкм.
Предпочтительно, длина волны зондирующего светового луча лежит в видимом диапазоне. За счет этого упрощается ориентирование зондирующего светового луча на возбуждающий световой луч.
Предпочтительно, устройство для приема отраженного зондирующего светового луча и для непосредственного или опосредованного обнаружения отклонения отраженного зондирующего светового луча включает в себя фотодетектор, в частности, фотодиод и ирисовую диафрагму, причем фотодетектор расположен за ирисовой диафрагмой, или PSD.
Предпочтительным образом, зондирующий световой луч, перед обнаружением отклонения, по меньшей мере еще один раз, предпочтительно от двух до пяти раз полностью отражается в том же месте на граничной поверхности оптической среды. Например, зондирующий световой луч отражается обратно с помощью системы зеркал под другим углом в место перекрытия с возбуждающим световым лучом. За счет многократного отражения в области перекрытия, угол отклонения эффективно увеличивается, благодаря чему точность обнаружения отклонения увеличивается.
Кроме того, способ и система выполнены с возможностью анализа материалов в и на коже, а также для получения селективных по глубине профилей этих материалов. Способ и система также пригодны для анализа следов материалов, таких как вредные вещества или взрывчатые вещества на коже, или для исследования впитывания косметических средств, таких как жиры и компоненты кремов, мазей или лосьонов или фармацевтических биологически активных веществ, медикаментов и т.п. в кожу. Кроме того, способ и система также пригодны для сенсорных применений, таких как контроль текущих и неподвижных жидкостей или растворов и эмульсий для определения, например, содержания спирта или состава алкогольных напитков, таких как пиво, вино или спиртоводочные напитки, содержания жира в молоке или молочных продуктах и, в общем, содержания сахара, жира, спирта или белка в пищевых продуктах. Кроме того, способ и система пригодны для анализа топлива, например, для определения содержания свинца или бензола, измерения загрязненности воды (например, нефтью) или анализа биологических жидкостей, а также анализа патологических и непатологических изменений в коже, например, обнаружения меланом путем определения состава белка кожи на различных глубинах кожи, обнаружения аллергии или псориаза, а также определения влажности кожи.
Предпочтительным образом, система содержится в устройстве для определения уровня сахара в крови пациента, которое также содержит средство управления для установки различных длин волн возбуждающего светового луча и логический или вычислительный блок, который выполнен так, чтобы из обнаруженных отклонений зондирующего светового луча в зависимости от длины волны возбуждения определять уровень сахара в крови в коже пациента, когда оптическая среда приводится в контакт с кожей пациента таким образом, что возбуждающий световой луч, выходящий в упомянутой предопределенной точке из оптической среды, проникает в кожу.
Предпочтительным образом, система содержится в устройстве для анализа материала, которое дополнительно содержит средство управления для установки различных частот модуляции возбуждающего светового луча и логический или вычислительный блок, который выполнен так, чтобы анализировать материал посредством обнаруженных отклонений зондирующего светового луча при различных частотах модуляции, когда оптическая среда приводится в контакт с материалом таким образом, что возбуждающий световой луч, выходящий в упомянутой предопределенной точке из оптической среды, проникает в материал.
Предпочтительным образом, материал представляет собой кожу пациента, и логический или вычислительный блок выполнен так, чтобы на основе обнаруженных отклонений зондирующего светового луча при различных частотах модуляции анализировать различные слои кожи пациента.
Предпочтительным образом, система содержится в устройстве для анализа компонентов жидкости или эмульсии, которое дополнительно содержит средство управления для установки различных длин волн возбуждающего светового луча и логический или вычислительный блок, который выполнен так, чтобы на основе обнаруженных отклонений зондирующего светового луча определять компоненты жидкости или эмульсии в зависимости от длины волны возбуждения, когда оптическая среда приводится в контакт с жидкостью или эмульсией таким образом, что возбуждающий световой луч, выходящий в упомянутой предопределенной точке из оптической среды, проникает в жидкость или эмульсию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает схематичное представление предпочтительного примера выполнения соответствующей изобретению системы в процессе функционирования;
Фиг. 2 показывает диапазоны глюкозы, которые были измерены при анализе человеческой кожи с помощью предпочтительного примера выполнения соответствующей изобретению системы;
Фиг. 3 показывает сравнение неинвазивного определения уровня глюкозы в крови в соответствии с предпочтительным примером выполнения соответствующей изобретению системы и инвазивного измерения с глюкометром;
Фиг. 4 показывает оценку неинвазивного измерения уровня глюкозы в соответствии с фиг. 3 на диаграмме погрешностей Кларка;
Фиг. 5 показывает спектры интенсивности поглощения, которые получены с помощью предпочтительного примера выполнения соответствующей изобретению системы при различных частотах модуляции;
Фиг. 6а-с показывают схематичное представление анализируемого материала, спектр интенсивности поглощения глюкозы и спектр интенсивности поглощения полимерного слоя;
Фиг. 7 показывает этапы процесса в соответствующем изобретению способе.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Фиг. 1 показывает схематичное представление предпочтительного примера выполнения соответствующей изобретению системы в процессе функционирования. Предпочтительный пример выполнения включает в себя оптическую среду 10, устройство для излучения инфракрасного светового луча в форме квантового каскадного лазера 20, устройство для излучения зондирующего светового луча в форме зондирующего лазера 30 и устройство со средствами для приема отраженного зондирующего лазерного луча с фотодиодом 40 и со средствами для оценки отраженного зондирующего лазерного луча, которые включают в себя синхронный усилитель 50, цифро-аналоговый преобразователь 51 и вычислитель 52.
Квантовый каскадный лазер 20 излучает инфракрасный лазерный луч по первому частичном пути 21 инфракрасного лазерного луча посредством оптического прерывателя 22, который преобразует непрерывный инфракрасный лазерный луч в импульсный инфракрасный лазерный луч, предпочтительно с частотой повторения импульсов от 10 Гц до 1000 Гц. В качестве альтернативы, устройство для излучения инфракрасного светового луча, здесь квантовый каскадный лазер 30, также может работать в импульсном режиме с частотой повторения импульсов предпочтительно от 10 Гц до 1000 Гц.
В конце первого частичного пути 21 инфракрасного лазерного луча, инфракрасный лазерный луч попадает на параболическое зеркало 23. Параболическое зеркало 23 направляет инфракрасный лазерный луч вдоль второго частичного пути 24 инфракрасного лазерного луча на первую поверхность 11 оптической среды 10. Угол падения между вторым частичным путем 24 инфракрасного лазерного луча и первой поверхностью 11 составляет в показанном на фиг. 1 предпочтительном примере выполнения 90°. В принципе, однако, возможны и другие углы падения между вторым частичным путем 24 инфракрасного лазерного луча и первой поверхностью 11, при условии, что инфракрасный лазерный луч проникает через первую поверхность 11 в оптическую среду 10 и не претерпевает полного отражения.
Ход луча инфракрасного лазерного луча проходит в оптической среде 10 вдоль третьего частичного пути 25 инфракрасного лазерного луча к второй поверхности 12 оптической среды 10. Угол падения между третьим частичным путем 25 инфракрасного лазерного луча и второй поверхностью 12 в предпочтительном примере выполнения, показанном на фиг. 1, составляет 90°. В принципе, однако, и здесь возможны другие углы падения между третьим частичным путем 25 инфракрасного лазерного луча и второй поверхностью 12, при условии, что достаточная доля инфракрасного лазерного луча может выйти из оптической среды 10 через вторую поверхность 12.
В показанной на фиг. 1 в процессе работы предпочтительной форме выполнения, инфракрасный лазерный луч проникает вдоль четвертого частичного пути инфракрасного лазерного луча в образец 100 материала, который прилегает к оптической среде 10. Расстояние между параболическим зеркалом 23 и второй поверхностью 12 оптической среды и форма параболического зеркала 23 выбраны с учетом оптических плотностей вдоль второго и третьего частичного пути 24, 25 инфракрасного лазерного луча таким образом, что инфракрасный лазерный луч фокусируется на второй поверхности 12 или в точке, которая лежит на предопределенном расстоянии, например, между 30 мкм и 100 мкм, за второй поверхностью 12 в образце 100 материала.
В образце материала инфракрасный лазерный луч по меньшей мере частично поглощается компонентами материала. Поглощение изменяет температуру поглощающего компонента материала. При импульсном инфракрасном лазерном луче, как показано на фиг. 1, создаются волны давления и волны тепла, так как поглощающие компоненты материала циклически нагреваются и охлаждаются, и возникающие в результате колебания расширения приводят к колебаниям давления, которые распространяются в форме волн давления через материал. Созданные волны тепла и волны давления, распространяются, так как оптическая среда 10 и материал находятся в непосредственном контакте, в оптическую среду 10 и оказывают там влияние на показатель преломления.
Для измерения поглощения инфракрасного лазерного луча и коррелированной с поглощением оптической плотности оптической среды 10 служит излучаемый от зондирующего лазера 30 зондирующий лазерный луч. На фиг. 1, зондирующий лазерный луч направляется посредством первого зеркала 31 на третью поверхность 13 оптической среды 10. В качестве альтернативы, зондирующий лазер 30 может быть ориентирован таким образом, что зондирующий лазерный луч направляется непосредственно на третью поверхность 13. Как показано на фиг. 1, ход луча зондирующего лазерного луча может образовывать с третьей поверхностью 13 угол 90°. В качестве альтернативы, ход луча зондирующего лазерного луча может образовывать с третьей поверхностью 13 меньший угол, при условии, что достаточная доля зондирующего лазерного луча может проникать в оптическую среду 10.
В общем случае, ход луча зондирующего лазерного луча должен быть ориентирован таким образом, что место падения зондирующего лазерного луча на второй поверхности 12 оптической среды 10 совпадает с местом падения инфракрасного светового луча на второй поверхности 12 оптической среды или по меньшей мере частично перекрывается с ним. За счет этого гарантируется, что, в процессе функционирования инфракрасного лазерного луча, ход луча зондирующего лазерного луча ведет через описанную выше область оптической среды 10, в которой показатель преломления n испытывает достаточно сильное влияние поглощения инфракрасного лазерного луча в материале 100, причем ясно, что эта область ограничена, потому что волны давления ослабляются по мере их распространения, и нарастание тепла уменьшается с удалением от области поглощения.
Предпочтительным образом, оптическая плотность оптической среды 10, в зависимости от исследуемого материала 100 и угла между ходом луча зондирующего лазерного луча и второй поверхностью 12 выбирается таким образом, что зондирующий лазерный луч на второй поверхности 12 или на границе раздела между второй поверхностью 12 оптической среды 10 и материалом 100 испытывает полное отражение. Отраженный или полностью отраженный зондирующий лазерный луч попадает в дальнейшем прохождении хода луча на четвертую поверхность 14 оптической среды 10. Четвертая поверхность 14 может быть такой, что зондирующий лазерный луч выходит из оптической среды 10 через четвертую поверхность 14.
Как показано на фиг. 1, выходящий из оптической среды 10 зондирующий лазерный луч детектируется фотодиодом 40. Отклонение зондирующего лазерного луча может, как показано на фиг. 1, измеряться посредством изменения оптической плотности в частичной области оптической среды 10 таким образом, что зондирующий лазерный луч перед попаданием на фотодиод 40 проходит через ирисовую диафрагму. Ирисовая диафрагма 41 тогда частично препятствует попаданию отклоненного зондирующего лазерного луча на фотодиод 40, так что измеренная на фотодиоде 40 интенсивность зондирующего лазерного луча снижается из-за отклонения при прохождении через оптическую среду 10. В качестве альтернативы, позиционно-чувствительный фотодиод 40, например четырех-квадрантный фотодиод, может применяться для того, чтобы измерять изменение хода луча или отклонение. В этом случае ирисовая диафрагма 41 может отсутствовать.
Синхронный усилитель 50 принимает сигнал с фотодиода 40 и сигнал частоты импульсного инфракрасного светового луча. Синхронный усилитель отфильтровывает шум из сигнала интенсивности, так что даже малые колебания интенсивности могут измеряться.
Отфильтрованный сигнал интенсивности с фотодиода 40 преобразуется с помощью цифро-аналогового преобразователя 51 в цифровой сигнал и передается на вычислитель 52, который выполнен с возможностью записи измеренных значений интенсивности в зависимости от длины волны или диапазона длин волн квантового каскадного лазера 30 и сравнения записанных значений с калибровочной кривой, чтобы иметь возможность на этой основе сделать выводы о составе материала 100. Вычислитель 52 включает в себя для этой цели процессор, блок памяти и инструкции, которые, при исполнении процессором, записывают измеренные значения интенсивности в связи с длиной волны или диапазоном длин волн квантового каскадного лазера 30.
Процесс, описанный выше, который наглядно представлен на фиг. 7, предпочтительно повторяется для нескольких различных длин волн или диапазонов длин волн в инфракрасном световом диапазоне, чтобы иметь возможность определять спектр поглощения одного или нескольких компонентов материала. При этом наличие компонента материала может определяться путем измерения характеристических спектров поглощения и концентрации компонента материала из амплитуды спектра, например, путем сравнения с калибровочной кривой. Квантовый каскадный лазер 30 может для этого перестраиваться, например, в диапазоне длин волн от 8 мкм до 11 мкм.
Если система используется для определения значения сахара в крови пациента, то из измеренного спектра поглощения глюкозы в интерстициальной жидкости посредством калибровочной кривой может вычисляться уровень сахара в крови пациента.
Система, показанная на фиг. 1, содержит устройство для излучения лазерного луча юстировки, здесь в форме Ge-Ne-лазера 60 и пару зеркал 61, 62, которая ориентирует ход луча лазера юстировки таким образом, что по меньшей мере часть хода луча лазера юстировки совпадает с ходом луча инфракрасного светового луча, т.е. возбуждающего светового луча.
Если анализируемым материалом 100 является кожа, и целью анализа является определение уровня сахара в крови, то, например, основание большого пальца, кончик пальца, ладонь руки или другая поверхность тела приводится в контакт с второй поверхностью 12 оптической среды 10. Перед этим приводимая в контакт поверхность тела может подготавливаться путем нанесения и снятия полоски ткани для удаления омертвевших клеток кожи, причем полоска ткани имеет материал, прилипающий к поверхности кожи.
Спектры кожи, которые были измерены подобным образом с предпочтительным примером выполнения соответствующей изобретению системы, показывают в качестве первого основного компонента полосы кератиноцитов и липидов. В качестве второго основного компонента измерялись диапазоны глюкозы, показанные на фиг. 2.
При сравнении неинвазивного определения уровня глюкозы в крови в соответствии с предпочтительным примером выполнения соответствующей изобретению системы и инвазивного измерения с глюкометром, как показано на фиг. 3, также в области низкой концентрации (180 мг/дл до уровня ниже 100 мг/дл) достигнуто хорошее совпадение. Фиг. 3 показывает измеренные значения сахара в крови и концентрации сахара в крови, определенные из амплитуды второго основного компонента.
Если представить, как показано на фиг. 4, результаты неинвазивного измерения уровня сахара в крови согласно фиг. 3 на диаграмме погрешностей Кларка, то все точки данных измерения лежат в зоне ʺАʺ, в которой при принятом методе должно лежать 90% значений.
Квантовый каскадный лазер 30 может перестраиваться в диапазоне длин волн от 8 мкм до 11 мкм. Из измеренного спектра поглощения глюкозы в интерстициальной жидкости с помощью калибровочной кривой вычисляется уровень сахара в крови пациента.
В предпочтительной форме выполнения система постоянно носится пациентом, например, в форме браслета, и, кроме того, выполнена так, чтобы сигнализировать пациенту предупредительным сигналом, когда концентрация глюкозы в интерстициальной жидкости падает ниже предопределенного значения.
В еще одной предпочтительной форме выполнения, система может управлять инсулиновым насосом для поддержания постоянного уровня сахара в крови у пациента.
В еще одной предпочтительной форме выполнения, вычислитель 52 может быть выполнен с возможностью записи измеренных значений интенсивности в зависимости от длины волны или диапазона длин волн квантового каскадного лазера 30 для различных частот импульсов инфракрасного лазерного луча. Вычислитель 52 включает в себя для этой цели процессор, блок памяти и инструкции, которые, при исполнении их процессором, записывают измеренные значения интенсивности, связанные с длиной волны или диапазоном длин волн и частотой импульсов инфракрасного лазерного луча.
Фиг. 5 показывает измеренные с помощью еще одной предпочтительной формы выполнения значения интенсивности показанной на фиг. 6а компоновки материалов, состоящей из покрытого полимерной пленкой 66 раствора 64 глюкозы, который находится на оптической среде 10. Сравнение спектров поглощения, показанных на фиг. 5, со спектрами интенсивности поглощения, показанными на фиг. 6b и 6c, показывает, что при более высоких частотах влияние поглощения посредством полимерной пленки 66 на качественную характеристику интенсивности поглощения снижается. Посредством вычитания или деления спектров интенсивности поглощения на разных частотах импульсов, таким образом, можно в значительной степени устранить влияние определенных слоев или вычислить спектры интенсивности поглощения определенных слоев материала, так что, например, может быть определен профиль по глубине по отношению к веществам, содержащимся в материале 100.
Вычитание или деление спектров может, например, как показано на фиг. 5, осуществляться по отношению к установленному опорному спектру. В качестве опорного спектра может, например, служить спектр при самой низкой или самой высокой частоте импульсов. Для учета различных интенсивностей накачки в соответствующих слоях, вызванных поглощением более высоких слоев, вычитанию или делению может предшествовать определение весовых коэффициентов, причем вычитаемые один из другого или делимые один на другой спектры или спектральные значения должны умножаться на весовой коэффициент. Кроме того, может применяться анализ главных компонентов согласно нелинейному итеративному алгоритму частных наименьших квадратов (NIPALS), например, чтобы определить вещество, которое распределяется по глубине по-разному в жесткой матрице.
Кроме того, специалисту в данной области должно быть понятно, что примеры выполнения, показанные выше, имеют чисто иллюстративный характер и никоим образом не должны ограничивать объем защиты формулы изобретения. В частности, следует отметить, что конкретные применения системы не должны ограничиваться применениями, описанными со ссылками на чертежи. Напротив, предполагается, что для специалиста должно быть очевидно, что применения, описанные со ссылками на чертежи, предназначены только для иллюстрации принципа изобретения, который применим к широкому разнообразию материалов и содержащихся в материалах веществ.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 оптическая среда
11 первая поверхность оптической среды
12 вторая поверхности оптической среды
13 третья поверхность оптической среды
14 четвертая поверхность оптической среды
20 квантовый каскадный лазер
21 первый частичный путь инфракрасного лазерного луча
22 оптический прерыватель
23 параболическое зеркало
24 второй частичный путь инфракрасного лазерного луча
25 третий частичный путь инфракрасного лазерного луча
30 зондирующий лазер
31 зеркало
40 фотодиод
41 ирисовая диафрагма
50 синхронный усилитель
51 аналого-цифровой преобразователь
52 вычислитель
60 лазер юстировки
61 зеркало
62 зеркало
64 раствор глюкозы
66 полимерная пленка