專利名稱：皮膚光學(xué)表征設(shè)備的制作方法
皮膚光學(xué)表征設(shè)備
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2005年9月15日提交的美國臨時(shí)專利申請No. 60/717, 490 的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用包括在本申請中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及診斷與治療的皮膚病學(xué)的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法用 于測量諸如皮膚的組織的物理特性。
皮膚病學(xué)的設(shè)備用于改進(jìn)多種皮膚狀況，例如移除不需要的毛發(fā)，皮膚 再生，移除血管病變，痤瘡處理，脂肪團(tuán)、色素病變以及牛皮癬處理、紋身 移除、皮膚及其它毒瘤處理，等等。很多這樣的設(shè)備通常以處理對象的組織 中的發(fā)色團(tuán)為目標(biāo)。根據(jù)所用程序，這種發(fā)色團(tuán)可以是例如黑色素、血色素、 脂質(zhì)、水或紋身色素。
這些設(shè)備的最佳應(yīng)用至少部分取決于對于對象皮膚色素沉著的準(zhǔn)確鑒 定，從而可以采用合適的處理參數(shù)。然而，通常所采用的皮膚分類方法并不 是主要基于所關(guān)注的發(fā)色團(tuán)的實(shí)際測量，例如皮膚中黑色素的數(shù)量。例如， 通常采用的菲茨帕特里克(Fitzpatrick)皮膚類型標(biāo)準(zhǔn)，其范圍從非常白 (皮膚類型I)到非常黑(皮膚類型VI),其完全是基于人的膚色和暴露于
位中發(fā)色團(tuán)濃度的變化。例如，雖然一個(gè)人的皮膚的不同部位可以顯示出不 同的黑色素濃度，菲茨帕特里克標(biāo)準(zhǔn)對于這個(gè)人只提供單一皮膚類型。因此， 采用這種傳統(tǒng)的皮膚分類方法可能會在處理中導(dǎo)致并發(fā)癥，例如燒傷、疤痕 或無效處理。
因此，對于皮膚病學(xué)的和其它設(shè)備和方法需要能夠準(zhǔn)確且有效地確定人 的皮膚的物理特性，例如，皮膚黑色素光學(xué)密度(MOD)、血含量、膠原質(zhì)含 量和/或水合程度。另外，對于皮膚病學(xué)的設(shè)備還需要改進(jìn)的安全機(jī)構(gòu)，以 便使其可以為非專業(yè)人士使用，例如家庭應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明^^供一種用于確定組織的部分的物理特性的皮膚病學(xué)的 設(shè)備，其包括被配置用于產(chǎn)生具有至少第一波長的輻射的輻射源組件和耦合 到該源組件的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)用于將來自于源的輻射引導(dǎo)到組織部分，其中 所述波導(dǎo)具有被配置用于利用輻射來照射組織部分的表面。所述設(shè)備還包括 耦合到波導(dǎo)的探測器，并且所述探測器被配置用于探測來自源的輻射，其中 該探測器產(chǎn)生信號，用于指示所探測輻射的等級。與探測器相連的處理器處 理該信號并計(jì)算組織區(qū)域的物理特性。在組織的部分被來自源的輻射照射 后，該探測器可以被配置用于探測來自源的輻射。
在一個(gè)相關(guān)方面，皮膚特性可以是例如黑色素指數(shù)，膠原質(zhì)含量，漫射 或紅斑觀'J量的 <壬<可 一 個(gè)。
在另一方面，輻射源組件可以包括兩個(gè)或者更多輻射源。例如，第一輻 射源可以產(chǎn)生具有第一波長(或第一波段)的輻射，而第二輻射源可以產(chǎn)生 具有第二波長(或第二波段)的輻射?？蛇x的，輻射源組件可以包括單一輻射 源。輻射源可以產(chǎn)生多于一個(gè)波長的輻射(即，第一波長的輻射和第二波長 的輻射)，或者輻射源組件可以被配置用于產(chǎn)生具有兩個(gè)或更多，或者三個(gè)
或更多波長的輻射。第一和/或第二波長可以是從大約350腿到大約1200腿 范圍內(nèi)選擇，或從大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)選擇。在一些實(shí)施例中， 輻射源組件可以包括發(fā)光二極管(LED)、雙色LED、可調(diào)諧輻射源和/或激光 輻射源中的至少一個(gè)。此處所使用的術(shù)語"波長"并不限于單色光，而是根 據(jù)光源性質(zhì)也可以限定波長的譜線或段。
另一方面，該設(shè)備還包括接觸傳感器，用于指示光波導(dǎo)的表面是否與皮 膚相接觸。通過實(shí)例，可以配置接觸傳感器使其用于探測在源所產(chǎn)生的波長 的輻射的等級。在一些實(shí)施例中，輻射源組件被配置用于產(chǎn)生具有兩種或更 多波長的輻射，接觸傳感器可以被配置用于探測兩個(gè)或更多那些波長的輻射 等級。
相關(guān)方面，在上述設(shè)備中，可以配置接觸傳感器使其發(fā)送信號給處理器， 用于指示波導(dǎo)的表面沒有同組織相接觸。例如，當(dāng)接觸傳感器探測到所探測 的輻射等級低于或高于閾值時(shí)，接觸傳感器可以發(fā)送信號。接觸傳感器可以 沿著邊界光學(xué)耦合到波導(dǎo)，其中波導(dǎo)配置成當(dāng)其表面不與組織接觸時(shí)，其沿 著邊界全內(nèi)反射該輻射?？蛇x的，接觸傳感器可以沿著邊界光學(xué)耦合到波導(dǎo)， 其中將波導(dǎo)配置成當(dāng)其表面不與組織接觸時(shí)，其并不沿著邊界全內(nèi)反射該輻 射。另一方面，接觸傳感器可以被配置用于發(fā)送信號到處理器以指示波導(dǎo)的 表面同組織相接觸。例如，接觸傳感器可以探測所探測的輻射等級是高于還 是低于閾值。接觸傳感器可以沿著邊界光學(xué)耦合到波導(dǎo)，其中波導(dǎo)被配置成 當(dāng)其表面同組織相接觸時(shí)，并不沿著邊界全內(nèi)反射輻射?？蛇x的，接觸傳感 器可以沿著邊界光學(xué)耦合到波導(dǎo)，其中波導(dǎo)被配置成當(dāng)其表面同組織相接觸 時(shí)，沿著邊界全內(nèi)反射輻射。
另一方面，設(shè)備還可以包括兩個(gè)偏光器，其中之一可以被配置用于過濾 從輻射源組件發(fā)出的第 一偏光性的輻射，而另 一個(gè)可以-故配置用于過濾進(jìn)入 接觸傳感器和/或進(jìn)入探測器的第二偏光性的輻射。該設(shè)備可以包括布置在 接觸傳感器和波導(dǎo)之間和/或在波導(dǎo)和探測器之間的濾光器。
另一方面，該設(shè)備還可以包括耦合至輻射源組件的控制器。該控制器可 以被配置用于激活輻射源組件，用于在不同時(shí)間產(chǎn)生不同波長的輻射。
另一方面，波導(dǎo)可以由折射率在大約1. 4到大約2. 5范圍內(nèi)的材料制成。 在一些實(shí)施例中，波導(dǎo)為光纖。該設(shè)備還可以包括耦合到源組件的至少一個(gè) 附加波導(dǎo)。在一些情況中，附加波導(dǎo)可以是光纖。
另 一方面，本發(fā)明公開了 一種用于確定組織的部分的物理特性的皮膚病 學(xué)的設(shè)備，其包括被配置用于產(chǎn)生具有第一和第二波長的輻射的輻射源組 件，和耦合到源組件的波導(dǎo)，用于從源引導(dǎo)輻射到組織的部分，以及具有被 配置用于利用輻射來照射組織部分的表面。波導(dǎo)表面適于同組織接觸，并能 夠在不與皮膚接觸時(shí)通過由其中的側(cè)壁反射的輻射的全內(nèi)反射來抑制輻射 的傳播。該設(shè)備還包括耦合到波導(dǎo)的探測器，其被配置用于探測從源發(fā)出的 輻射，其中探測器可以產(chǎn)生用于指示所探測輻射的等級的信號。該探測器可 以被配置成用于在組織的部分被從源發(fā)出的輻射照射后探測從源發(fā)出的輻 射。同探測器相連的處理器可以用于處理信號并計(jì)算組織部分(例如，皮膚 部分)的物理特性。換句話說，處理器可以基于探測器的輸出確定組織(例 如，皮膚)特性。
相關(guān)方面，上述設(shè)備中，沿著邊界光學(xué)耦合到波導(dǎo)的接觸傳感器可以被 配置用于探測傳播通過該邊界的輻射等級，從而確定所述波導(dǎo)的表面是否與 組織接觸。
相關(guān)方面，第一和第二波長可以在大約300nm到大約1200nm,大約600nm 到大約900nm，或大約630nm到大約730nm的范圍內(nèi)。例如，第一波長可以 是大約645nm,或大約700nm。在一些實(shí)施例中，第一波長大約645nm而第二波長大約7G0nm。
另一個(gè)相關(guān)方面，該設(shè)備還可以包括同傳感器和源相連的反饋機(jī)構(gòu)，其 中當(dāng)傳感器指示在波導(dǎo)和源之間不存在光學(xué)接觸時(shí)，該反饋機(jī)構(gòu)能夠抑制源 的激活，并且當(dāng)傳感器指示存在光學(xué)接觸時(shí)，能夠激活源。
另一方面，本發(fā)明提供一種皮膚病學(xué)的設(shè)備，其帶有至少一個(gè)輻射源， 光學(xué)耦合到輻射源用于將輻射從源傳輸?shù)狡つw的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有兩個(gè)相對 的表面和在表面之間延伸的側(cè)壁。該設(shè)備還包括耦合到波導(dǎo)的探測器，用于 探測從被源輻射所照射的皮膚區(qū)域反向散射的至少一部分輻射，以及光學(xué)耦 合到側(cè)壁的光學(xué)接觸傳感器，該傳感器基于對通過側(cè)壁泄漏的反向散射輻射 的探測，確定波導(dǎo)是否同皮膚相接觸。
另一方面，公開了一種皮膚病學(xué)的設(shè)備，其包括輻射源組件、第一波導(dǎo)、 第二波導(dǎo)，其中第一波導(dǎo)具有適于接收從輻射源組件發(fā)出的輻射的近端和適 于傳輸輻射到組織的遠(yuǎn)端，第二波導(dǎo)具有適于從第一波導(dǎo)接收反向散射輻射 的遠(yuǎn)端和適于傳輸反向散射輻射的近端。該設(shè)備還可以包括光學(xué)耦合到第二 波導(dǎo)并配置用于測量組織的物理特性的探測器；以及電耦合到探測器的處理 器，該處理器被配置用于接收從探測器發(fā)出的相應(yīng)于反向散射輻射的信號。 該處理器被配置用于基于探測到的反向散射輻射確定組織的物理特性。該設(shè) 備還包括用于將從近端離開的反向散射輻射耦合到探測器的裝置，例如分束 器。該輻射源組件能夠產(chǎn)生在大約350nm到大約1200nm,或大約600nm到大 約900nm范圍內(nèi)的兩個(gè)或更多波長的輻射。該設(shè)備還可以包括附加的波導(dǎo)， 例如光纖。
另一方面，本發(fā)明提供一種皮膚病學(xué)的設(shè)備，其包括至少一個(gè)輻射源、 光纖、另一個(gè)光纖、探測器和處理器，其中所述光纖在近端接收從源發(fā)出的 輻射并在遠(yuǎn)端將輻射施加到皮膚區(qū)域，所述另一個(gè)光纖在遠(yuǎn)端處與皮膚在另 一個(gè)區(qū)域耦合，該另一個(gè)區(qū)域由皮膚片段同被照射區(qū)域所分離，從而接收在 傳播經(jīng)過該片段后所施加的輻射的至少 一部分，所述探測器光學(xué)耦合到另一 個(gè)光纖的近端，用于探測由該光纖所接收的傳播輻射的至少一部分，該探測 器產(chǎn)生信號用于指示所接收的輻射的強(qiáng)度，所述處理器基于探測器信號進(jìn)行 操作，用于確定皮膚特性。
另一方面，公開了一種用于確定組織特性的方法，其包括以下步驟從 波導(dǎo)將第一和第二波長的輻射施加到組織；探測從組織反向散射的第一和第 二波長的至少部分輻射；產(chǎn)生至少一個(gè)信號，用于指示反向散射輻射強(qiáng)度，以及處理該至少一個(gè)信號用于計(jì)算皮膚區(qū)域的特性。施加輻射的步驟還包括
將從大約350nm到大約1200nm范圍內(nèi)或大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)選 出的多個(gè)波長的輻射施加到皮膚，另外，可以探測波導(dǎo)和皮膚區(qū)域之間的光 學(xué)接觸。波導(dǎo)同組織的接觸可以通過對反向散射輻射的等級的探測來感觀'J。 該方法還可以包括減少周圍輻射來阻止其被探測器所探測。在一些實(shí)施例 中，該方法還包括在探測之前減少具有第一偏光性的輻射，并探測具有第二 偏光性的輻射。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備的側(cè)視示意圖； 圖1B示意性示出在圖1A所示的設(shè)備中的波導(dǎo)和皮膚不接觸的情況下， 大量從皮膚反向散射進(jìn)入波導(dǎo)的輻射射線在波導(dǎo)的側(cè)壁上全內(nèi)反射，其中光 學(xué)傳感器光學(xué)耦合到上述波導(dǎo)的側(cè)壁，因此由傳感器產(chǎn)生低探測信號；
圖1C示意性地示出在圖1A所示設(shè)備的波導(dǎo)與皮膚接觸的情況下，大量 從皮膚反向散射進(jìn)入波導(dǎo)以入射在波導(dǎo)的側(cè)壁上的輻射射線傳播穿過側(cè)壁 到達(dá)傳感器，從而產(chǎn)生高于閾值的傳感器信號來指示接觸，其中所述光學(xué)傳 感器耦合到波導(dǎo)的側(cè)壁；.
圖1D示意性地示出耦合到圖1A所示設(shè)備的波導(dǎo)的側(cè)壁的光學(xué)傳感器的 探測器相對于側(cè)壁這樣放置，即對應(yīng)于探測器的觀察立體角的中心射線相對 于側(cè)壁的角度cp選擇為保證在波導(dǎo)和皮膚不接觸的情況下，基本上抑制從皮 膚反向散射進(jìn)入波導(dǎo)的輻射射線到達(dá)探測器，而在接觸的情況下，那些射線 中的部分離開側(cè)壁以到達(dá)探測器；
圖1E示意性地描述了皮膚部分，其包括表皮層、真皮層和顯示具有高 濃度黑色素的表皮/真皮連接處；
圖1F是以不同角度從空氣進(jìn)入波導(dǎo)的輻射的射線的示意圖； 圖1G是以不同角度從皮膚組織進(jìn)入波導(dǎo)的輻射的射線的示意圖； 圖2描述了與適于用在本發(fā)明的 一些實(shí)施例中的兩個(gè)示例性LED相關(guān)聯(lián) 的發(fā)射光譜；
圖3描述了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，施加到形成輻射源的LED上的觸 發(fā)信號和利用由那些LED產(chǎn)生的輻射照射皮膚部分所探測的反向散射信號；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性、說明性設(shè)備的信號靈敏度， 該設(shè)備用于測量黑色素指數(shù)作為相對于所觀察的皮膚的傾角的函數(shù)；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性、說明性設(shè)備的信號靈敏度， 該設(shè)備用于測量黑色素指數(shù)作為空氣間隙的厚度的函數(shù)，其中空氣間隙是適 于同皮膚相接觸的設(shè)備的表面與被觀察皮膚部分之間的空氣間隙；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備的側(cè)視示意圖，該
設(shè)備采用能夠在所關(guān)注的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生兩種或更多波長的輻射的單一輻
射源；
圖7A示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備， 其采用具有反射側(cè)壁的波導(dǎo)用來將輻射從源耦合進(jìn)入皮膚；
圖7B示意性地示出圖7A所示設(shè)備的波導(dǎo)的反射側(cè)壁將從源接收的輻射 引導(dǎo)到波導(dǎo)的適于同皮膚相接觸的表面，從而使得在不接觸的情況下，輻射 從接觸表面全內(nèi)反射；
圖8A是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備的側(cè)視示意圖， 該設(shè)備包括能夠產(chǎn)生不同波長的輻射的兩個(gè)輻射源和具有用于將輻射從那 些源反射到皮膚的反射側(cè)壁的波導(dǎo)；
圖8B是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備的側(cè)視示意圖， 該設(shè)備釆用兩個(gè)輻射源，其輻射經(jīng)波導(dǎo)的反射側(cè)壁反射到皮膚，該設(shè)備還包 括用于探測從所照射的皮膚反向散射的輻射的兩個(gè)探測器；
圖9示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備，該設(shè) 備采用輻射源以通過棱鏡耦合輻射到一個(gè)位置處的皮膚，并且采用探測器， 該探測器光學(xué)耦合到在另 一位置處的皮膚，用于收集傳輸穿過皮膚的至少部 分輻射，從而測量皮膚的特性，例如黑色素光學(xué)密度；
圖IO示意性地描述上述圖9所示設(shè)備的使用，其放置在人眼虹膜上以
及對人眼虹膜^:測；
圖IIA示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備，其 采用光纖用于將輻射耦合進(jìn)入皮膚并收集從皮膚反向散射的輻射；
圖IIB示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的皮膚病學(xué)的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施 例，其采用一個(gè)或更多用于將輻射耦合進(jìn)入皮膚的光纖，以及用于收集從皮 膚反向散射的輻射的環(huán)形波導(dǎo)；
圖IIC是適于用在圖IIB所示設(shè)備的示例性環(huán)形波導(dǎo)的透視示意圖IID是適于用在圖IIB所示設(shè)備的環(huán)形波導(dǎo)的透視示意圖，其包括放 置在環(huán)形封套中的多個(gè)光纖；
圖IIE是被圖IIB所示設(shè)備的輻射源照射的皮膚的表面區(qū)域以及耦合到設(shè)備的環(huán)形波導(dǎo)的、通過其收集反向散射輻射的區(qū)域的頂視示意圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備的側(cè)視示意圖，其采用光纖 將在其近端從源接收的輻射通過其遠(yuǎn)端傳輸?shù)狡つw；
圖13示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的皮膚病學(xué)的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施 例，其包括帶有分叉(split end)的光纖，該分叉用于提供接收來自源的 輻射的輸入端口和用于將在其遠(yuǎn)端所收集的反向散射輻射耦合到探測器的
ir出端口； .
圖14示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備，該設(shè)備具 有根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)構(gòu)建的處理模塊和診斷模塊；以及
圖15示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備，該設(shè)備被 設(shè)計(jì)用于在緊湊的封套中提供診斷和處理能力二者。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要涉及用于診斷和/或治療的皮膚病學(xué)的和其它設(shè)備，還涉及 診斷和治療方法，用于確定一個(gè)或多個(gè)皮膚特性，其中該確定是響應(yīng)于至少 一個(gè)波長，更優(yōu)選的兩個(gè)或更多波長的照射，通過由皮膚所散射的輻射的分 析而實(shí)現(xiàn)的。其它方面，本發(fā)明提供用于確定光學(xué)元件是否與皮膚相接觸的 光學(xué)傳感器，其中該光學(xué)元件例如波導(dǎo)或處理窗，輻射通過該波導(dǎo)或處理窗 從設(shè)備傳輸?shù)狡つw。
圖1A示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性的皮膚病學(xué)的設(shè) 備l的截面圖，其可以測量組織的物理特性，在該特定的實(shí)施例中，可以測 量人類皮膚的黑色素光學(xué)密度("MOD")。設(shè)備1包括能夠產(chǎn)生不同波長的輻 射的兩個(gè)光源2A和2B，其中波長選擇為充分分離以提供物理特性的兩個(gè)獨(dú) 立的測量。根據(jù)本申請，可以采用多種波長。在這樣的情況下，為了測量MOD, 可以選擇多種不同波長，雖然也可以采用在其它范圍內(nèi)的波長，但是波長優(yōu) 選為在大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)。(這里使用的術(shù)語"光"和"輻射" 是可以相互替代的，是指在期望的光譜范圍內(nèi)的電磁輻射。除非另外說明， 這些術(shù)語僅是作為示例，應(yīng)該理解，基于本申請還可以使用其他形式的輻射 能量，包括聲能、超聲、微波、紅外、可見光和其它電磁輻射。)
通常，波長分離選擇為使得在那些波長能夠從皮膚發(fā)色團(tuán)(例如，黑色 素)得到足夠的差異響應(yīng)，從而可以對皮膚中發(fā)色團(tuán)的濃度進(jìn)行精確測量。 作為例子，在本實(shí)施例中，源2A產(chǎn)生波長約為645nm的輻射，而源2B產(chǎn)生波長約為700nm的輻射。這種波長的選擇特別適合用于皮膚黑色素含量的測
量，因?yàn)樗峁┝藖碜院谏氐淖銐虻牟町愴憫?yīng)，同時(shí)使得來自例如血或水
的其它皮膚成分的光學(xué)干涉最小化。
可以采用多種相干或者非相干的輻射源作為源2A和2B。例如，在一些
實(shí)施例中，源2A和2B包括發(fā)光二極管(LED )，而在其它實(shí)施例中，其可以 包括激光二極管、燈等。在另外一些實(shí)施例中，可以采用單一的源產(chǎn)生兩種 波長的光，這可以通過例如使從非相干源發(fā)出的光通過一個(gè)或多個(gè)濾光器來 實(shí)現(xiàn)。類似的，可以采用單一源產(chǎn)生跨越一個(gè)或多個(gè)輻射段的輻射，而輻射 段中想要的波長通過對那些波長敏感的傳感器來探測。
在該示例性實(shí)施例中LED的使用提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，LED通常是低成 本、緊湊并且可靠的輻射源。此外，其光的輸出可以被精確地控制并調(diào)整。 另外，其輸出輻射束的輪廓可以通過例如采用模制透鏡來控制。然而，應(yīng)該 理解還可以采用任何其它合適的輻射源。
光源2A和2B與波導(dǎo)5經(jīng)其上表面5A光學(xué)耦合，從而使由每個(gè)光源所 產(chǎn)生的至少一部分光進(jìn)入波導(dǎo)，用于傳輸?shù)綄ο蟮钠つw。波導(dǎo)在光學(xué)領(lǐng)域是 公知的，且通常是指任一光學(xué)傳輸介質(zhì)，其提供穿過介質(zhì)^v第一位置到第二 位置的光學(xué)5^徑。如在下面更詳細(xì)討-論的，進(jìn)入波導(dǎo)的輻射由波導(dǎo)傳輸至波 導(dǎo)的表面5B,當(dāng)該表面與皮膚相接觸時(shí)，輻射通過該表面?zhèn)鬏斨疗つw區(qū)域6。 照射在皮膚上的部分輻射由皮膚表面鏡面反射，而另一部分進(jìn)入到皮膚中。
由于皮膚為不透明的介質(zhì)，進(jìn)入皮膚的輻射經(jīng)歷多重散射和/或反射作 用，這導(dǎo)致一些輻射重新進(jìn)入回到波導(dǎo)(就是說， 一些輻射反向散射進(jìn)入波 導(dǎo))。波導(dǎo)5能夠有利地起到類似于光學(xué)積分球的作用，使得能夠大體上均 勻的照射所關(guān)注的皮膚片段，并且能夠促進(jìn)反向散射輻射耦合到探測器10。 該探測器10光學(xué)耦合到波導(dǎo)的表面5A,用于接收經(jīng)過波導(dǎo)表面5B從皮膚耦 合進(jìn)入波導(dǎo)的反向散射輻射的至少一部分。至少一部分反向散射輻射通過表 面5A耦合離開波導(dǎo)，從而被探測器所探測。可以釆用本領(lǐng)域中已知的多種 光學(xué)輻射探測器。這種探測器的一個(gè)例子包括由Hamatsu所銷售的序號為 56865-01的商業(yè)可用探測器。
因此，波導(dǎo)允許在設(shè)備和皮膚之間反復(fù)的光學(xué)耦合。如在下面更詳細(xì)討 論的，由于光耦合、傳輸和漫射中的顯著改變，在設(shè)備和皮膚之間的差的耦 合將導(dǎo)致測量的不精確。此外，在設(shè)備l中，波導(dǎo)介質(zhì)是一種物質(zhì)，在這樣 的情況下為藍(lán)寶石或諸如熔融硅石或玻璃的其他合適的介質(zhì)，其折射率同空氣具有足夠的差別，以如下面更詳細(xì)討論的采用全內(nèi)反射的構(gòu)思來實(shí)現(xiàn)所期 望的對MOD的測量。(然而，在下面所述的附加的實(shí)施例中將明顯看出，包 括具有折射率同空氣相近的物質(zhì)或甚至空氣本身的其它介質(zhì)也可以用作波 導(dǎo)。例如，在一些實(shí)施例中，也可以采用包含諸如空氣的流體或者配置為用 于固定液體的空心反射管作為波導(dǎo)。)
設(shè)備1還包括偏光器3和4，其具有平行的偏光軸，并且分別置于光源 2A和2B同波導(dǎo)5的表面5A之間。另 一個(gè)偏光器7放置在探測器10和波導(dǎo) 5的表面5A之間，其偏光軸與和偏光器3和4相關(guān)聯(lián)的偏光軸垂直。偏光器 3， 4和7的目的是將從組織表面和其它表面反射，并且因此沒有穿透進(jìn)入組 織的光移除。偏光器的布置保證大致抑制從多個(gè)界面(例如波導(dǎo)/空氣、波 導(dǎo)/皮膚、空氣/皮膚或波導(dǎo)/洗液、空氣/洗液(在皮膚上涂有洗液的情況下)) 鏡面反射的輻射到達(dá)^:測器10。這種鏡面反射的輻射同源發(fā)出的偏光的輻射 具有相同(或至少基本上相同)的偏光性，并且因此被耦合到探測器的正交 的偏光器所阻止。釆用這樣布置的偏光器尤其有利于阻止從皮膚表面鏡面反 射的輻射到達(dá)探測器。鏡面反射輻射沒有穿透皮膚，因此通常不含有任何與 所關(guān)注的皮膚色素相關(guān)的信息。將其同探測器10的阻隔增加了測量的精確 度。相反的，關(guān)于所關(guān)注的皮膚色素的信息主要是由被皮膚的真皮層所漫射 的反向散射的光所承載的。因?yàn)檫@種漫射散射的光顯示出隨機(jī)的偏光性，與 鏡面反射光具有相對的偏光性的部分光可以穿過偏光器7從而被探測器10 所探測。因此，到達(dá)探測器10的光主要是提供關(guān)于被測量的物理特性的信 息，在這樣的情況下為組織的MOD的光。
另夕卜，設(shè)備1包括在偏光器7和探測器10之間的光譜濾光器8。該濾光 器能夠透過源2A和2B所發(fā)出的期望波長，但過濾出其它輻射噪聲源(例如， 環(huán)境光和從處理源來的輻射)，因此增強(qiáng)了設(shè)備的測量靈敏度。
繼續(xù)參照圖1A，設(shè)備1還包括光學(xué)接觸傳感器11,用于探測波導(dǎo)(更 具體的為傳輸輻射到達(dá)皮膚所穿過的波導(dǎo)的表面5B)和皮膚之間的接觸，該 傳感器包括輻射探測器11A和濾光器9，該濾光器一面同探測器lla光學(xué)耦 合， 一面通過側(cè)壁5C (其在表面5A和5B之間延伸)同波導(dǎo)5耦合。這里所 使用的術(shù)語"接觸，，和"光學(xué)接觸"不僅可以指物理接觸，還可以指能夠?qū)?致傳感器的探測信號達(dá)到預(yù)定閾值之上的波導(dǎo)表面和皮膚之間充分接近的 情況。
具體的，探測器11探測穿過表面5B進(jìn)入波導(dǎo)、并穿過側(cè)壁5C離開波導(dǎo)的輻射的一部分。當(dāng)表面5B和皮膚表面之間的光學(xué)耦合很差時(shí)(例如，當(dāng)該表面與皮膚之間存在相當(dāng)大的空氣間隙時(shí))，從側(cè)壁5C漏出的輻射的量 少，并且因此探測器ll探測到的信號弱。當(dāng)表面5B和皮膚表面之間的光學(xué) 耦合好時(shí)(例如，當(dāng)表面5B和組織6之間存在較小間隙或沒有間隙時(shí)，或 當(dāng)組織6和表面5B之間實(shí)現(xiàn)完全接觸時(shí))，從側(cè)壁5C漏出的輻射的量顯著 增加，并且因此，探測器ll探測到的信號強(qiáng)。兩種信號之間的差別是由于因波導(dǎo)和空氣的折射率的差異造成的光的 全內(nèi)反射。波導(dǎo)的折射率明顯的大于空氣的折射率，大約為1.45: 1。因此， 在操作中，源2A和2B發(fā)出的大量的輻射將會經(jīng)表面5B離開波導(dǎo)，而只有 一小部分將會內(nèi)部反射，并且只有反射輻射中的一小部分將從側(cè)壁5C中離 開。當(dāng)表面5B朝向組織6定向時(shí)， 一些已發(fā)射的光將會被反射回設(shè)備。然 而，折射率的差異導(dǎo)致了光在重新進(jìn)入波導(dǎo)5時(shí)以角度折射，該角度隨后將 導(dǎo)致基本上所有的光都發(fā)生全內(nèi)反射，從而使得基本上沒有光離開表面5C。當(dāng)設(shè)備同組織相接觸時(shí)，基本上更多的光重新進(jìn)入波導(dǎo)5并穿過表面 5C。因此，探測器11隨后探測到非常大量的光，從而指示已經(jīng)實(shí)現(xiàn)接觸(或 者設(shè)備已經(jīng)放置得充分接近，足以實(shí)現(xiàn)對MOD的讀取)。當(dāng)探測信號超過預(yù) 定閾值時(shí)，傳感器11的探測器11A指示波導(dǎo)和皮膚之間存在光學(xué)接觸，并 且當(dāng)探測信號低于閾值時(shí)，指示波導(dǎo)和皮膚之間沒有(或差的)光學(xué)接觸。原理在圖1F和1G中舉例說明。圖1F示出其中波導(dǎo)5不與組織相接觸 的情況。因此，在進(jìn)入波導(dǎo)之前，光的射線a, b和c所傳播通過的介質(zhì)是 空氣，其折射率大約等于1 U=l),而波導(dǎo)的折射率大約1. 45。因此，如在 下面的更詳細(xì)數(shù)學(xué)地所示，以大于43.6度(臨界角，相對于從表面5c延伸 的法線而測得的)的角度照在波導(dǎo)/空氣的邊界上的任何在波導(dǎo)中傳播的射 線將會被全內(nèi)反射。然而，如在圖1F中所示，所有重新進(jìn)入波導(dǎo)的輻射都 會被折射到相對于表面5c比臨界角大的角度。例如，垂直于空氣/波導(dǎo)邊界 的射線a以直線傳播并平行于表面5c。射線b以與相對于表面5b的法線成 46. 4度的入射角照在空氣/波導(dǎo)邊界上，但是被折射到相對于表面5c更陡的 角度，并被全內(nèi)反射。類似的，與空氣/波導(dǎo)邊^(qū)4妄近平行的射線c也發(fā)生 折射，被折射到相對于表面5c的法線比臨界角43. 6度稍大的角度。因此， 射線c也發(fā)生全內(nèi)反射。如圖1G所示，當(dāng)波導(dǎo)5與組織6接觸時(shí)，以入射角大于z (46. 4度) 照到組織/波導(dǎo)邊界的任何光不會在表面5c處發(fā)生全內(nèi)反射。在本例中，組織和波導(dǎo)的折射率基本上相同(n=1.45)。因此，光不會發(fā)生顯著折射，基 本上以直線繼續(xù)傳播。因此，任何入射角大于大約角z的輻射不會全內(nèi)反射。 如圖1G所示，射線c和d不發(fā)生全內(nèi)反射。具有在表面5c上以臨界角y(43. 6 度)的入射角的射線b會發(fā)生全內(nèi)反射。任何以小于43. 6度角入射的射線 不會發(fā)生全內(nèi)反射。任何以大于43. 6度角入射的射線都會發(fā)生全內(nèi)反射。
當(dāng)然，很多其他的實(shí)施例也是可能的，包括但不限于完全反轉(zhuǎn)的實(shí)施例， 即只有實(shí)現(xiàn)接觸時(shí)光才會發(fā)生全內(nèi)反射，因此導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)接觸時(shí)所探測到的光 的等級嚴(yán)重下降。因此，當(dāng)光的等級下降到限定閾值以下時(shí)，發(fā)出接觸的信 號。另外，雖然優(yōu)選采用折射率同組織的折射率匹配或者接近匹配的波導(dǎo)， 但這并不是必須的?？蛇x的實(shí)施例可以設(shè)計(jì)成具有不匹配的折射率。對于用 在皮膚表面的實(shí)施例，優(yōu)選但不是必須的，采用洗液以促進(jìn)輻射從源2A和 2B到皮膚的傳播，更加優(yōu)選的，釆用折射率同皮膚的折射率匹配或者接近匹 配的洗液。其它組織可能并不需要洗液，尤其是諸如口腔組織的組織，其可 能已經(jīng)涂有自然的潤濕物，其促進(jìn)光或其它輻射的傳播。
參照圖1B和圖1C，光學(xué)傳感器11的功能性可以通過考慮在下面兩個(gè)更 詳細(xì)的情況中全內(nèi)反射的幾何結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步認(rèn)識波導(dǎo)5與皮膚不接觸的情 況(圖1B示出將波導(dǎo)的表面5B同皮膚分離的空氣間隙)和波導(dǎo)與皮膚完全 接觸的情況(圖1C)。在第一種情況中，從源發(fā)出的傳播穿過波導(dǎo)的部分輻 射被波導(dǎo)/空氣的分界面鏡面反射，并且另一部分進(jìn)入到空氣間隙并穿過空 氣間隙到達(dá)皮膚。被皮膚朝向波導(dǎo)反射和/或散射回的輻射射線穿過空氣間 隙且照射到波導(dǎo)的表面5B。這些光中的一些將會進(jìn)入到波導(dǎo)中，不過是以大 部分情況下會導(dǎo)致其在側(cè)壁5C上發(fā)生全內(nèi)反射的角度(再次，由于波導(dǎo)和 空氣分界面的折射)。
當(dāng)表面5b在空氣中時(shí)，射線A入射在表面5c上的入射角(cp)可以等 于或者大于發(fā)生全內(nèi)反射的角度的最小值，如在下面的關(guān)系式中所示
(p^arcsin (nm/nw) 方程(1 )
其中，I!:n表示圍繞波導(dǎo)的介質(zhì)(例如空氣)的折射率，并且
nw表示形成波導(dǎo)的材料的折射率。
相反，當(dāng)表面5B與皮膚接觸時(shí)(圖1C)，進(jìn)入波導(dǎo)的反向散射輻射射 線以允許大量那些射線離開波導(dǎo)到達(dá)傳感器的角度照在側(cè)壁上。
在很多實(shí)施例中，為了優(yōu)化傳感器的性能，所選取的形成波導(dǎo)的材料的 折射率與空氣的折射率差別很大。優(yōu)選的，形成波導(dǎo)的材料顯示出與皮膚相近的折射率，約為『1.45。本實(shí)施例中，波導(dǎo)是由折射率為大約1. 45的熔融硅石制成的。在其它實(shí)施例中，可以采用不同的介質(zhì)，例如，折射率約為1. 7的藍(lán)寶石。另外，如在圖1D中所示意地顯示，探測器ll優(yōu)選為相對波導(dǎo)的側(cè)壁放 置，使得對應(yīng)于探測器視場的立體角的中心射線A相對于側(cè)壁5C形成大約 30度的角e。也可以為其他角度，并且可以根據(jù)所涉及的材料的物理特性而 改變，所涉及的材料包括波導(dǎo)的材料，所涉及的組織(皮膚、口腔組織和其 他組織)和波導(dǎo)與組織之間的材料(空氣，水，血液等)。每個(gè)都具有不同 的折射率，并且因此導(dǎo)致探測器11A的最優(yōu)角度具有不同的值。在一些這種 實(shí)施例中，優(yōu)選在表面上(例如，在圖1A的表面5c上)帶有附加的棱鏡， 例如直角熔融硅石棱鏡。再次參照圖1A,設(shè)備1還包括與光學(xué)傳感器11、探測器10以及源2A 和2B相連的反饋機(jī)構(gòu)12。當(dāng)光學(xué)傳感器指示在波導(dǎo)(例如，在本實(shí)施例中， 在波導(dǎo)的表面5B)和皮膚之間沒有光學(xué)接觸或存在差的光學(xué)接觸時(shí)，該反饋 系統(tǒng)12忽略探測器10的輸出信號。然而，在操作過程中，源2A和2B將連 續(xù)地或以規(guī)則間隔工作，來對接觸進(jìn)行檢查。(在一些實(shí)施例中，用于提供 輻射以測量皮膚的物理特性的源或多個(gè)源還可以提供用于其他目的的附加 的輻射，例如處理或診斷。在該實(shí)施例中，基于接觸的探測情況，反饋系統(tǒng) 將控制源或多個(gè)源，從而保證在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供其它輻射。)更具體地，在本實(shí)施例中，反^t系統(tǒng)12包括處理器12A,用于接收傳感 器的探測器IIA的輸出信號。處理器將探測器的輸出信號同預(yù)定的閾值進(jìn)行 比較，從而確定在波導(dǎo)的表面5B和皮膚之間是否存在適宜的光學(xué)接觸(低于 閾值的探測器信號指示波導(dǎo)和皮膚之間沒有光學(xué)接觸)。如果傳感器的探測 器的輸出信號低于閾值，處理器忽略探測器10的輸出信號，或者可選的， 可以抑制設(shè)備的操作，從而不提供對組織物理特性的測量或?qū)M織的處理。 例如，在該實(shí)施例中，處理器12A可以發(fā)出控制信號到切換單元12B，切換 單元12B又忽略探測器10的輸出。源2A和2B將始終處于使用狀態(tài)(或者 是連續(xù)或者是周期的)，因?yàn)樗鼈兲峁┍惶綔y器11A所探測的輻射來確定系 統(tǒng)是否同組織相接觸。(可選的，可以提供分開的光源來提供被探測器11A 所探測的輻射，因此使得源2A和2B只有在測量組織的物理特性時(shí)才處于使 用狀態(tài)。)如在下面更詳細(xì)所討論的，處理器12A還處理從纟果測器IO接收到的輸出信號，來確定所關(guān)注的皮膚特性。在其它實(shí)施例中，傳感器11具有其自 身專用的處理器，用來處理傳感器的探測器11A的輸出信號，從而確定波導(dǎo) 是否同皮膚存在光學(xué)接觸，并將所得信息發(fā)送到反饋系統(tǒng)12。
繼續(xù)參照圖1A,如上所述，響應(yīng)于從由源2A和2B所產(chǎn)生的輻射照射的 皮膚反向散射的輻射的探測，處理器12A還可以分析由探測器10產(chǎn)生的信 號，以確定所關(guān)注的皮膚特性，例如皮膚中的黑色素濃度。此處所^^用的術(shù) 語"反向散射輻射"是指從所照射的皮膚經(jīng)過反射和/或散射作用返回到波 導(dǎo)的輻射。
作為例子，可以以下面的方式使用設(shè)備1來確定皮膚片段的黑色素濃度。 例如，在光學(xué)傳感器11探測到波導(dǎo)表面5B和皮膚之間存在光學(xué)接觸之后， 源2A和2B可以相繼地被激活，用于照射同波導(dǎo)相接觸的皮膚片段。源可以 在不同的時(shí)間間隔中提供波長為6"nm和700nm的輻射。照射皮膚的一部分 輻射穿透皮膚并經(jīng)穿越真皮/表皮連接處(DE連接處)的通道，穿過表皮到 達(dá)真皮。因?yàn)槠つw是不透明的介質(zhì)，進(jìn)入皮膚的輻射遭受多種散射和/或反 射作用，尤其是在真皮層。 一些輻射被黑色素所吸收，尤其是在其穿過真皮 /表皮連接處時(shí)，在本例中真皮/表皮連接處的黑色素濃度高。多重散射/反 射作用導(dǎo)致一些輻射耦合出皮膚返回到波導(dǎo)中。
由于黑色素的吸收特性，如果皮膚包含相對較少量的黑色素，相對較高 等級的光將反向散射到波導(dǎo)5。相反地，如果皮膚包含相對大量的黑色素， 相對較低等級的光將被反射到波導(dǎo)5。由于進(jìn)入皮膚的輻射同黑色素的相互 作用，因此，反向散射進(jìn)入波導(dǎo)的輻射載有與MOD相關(guān)的信息。
作為例子并且不限于任何特定的理論，在本實(shí)施例中利用的在兩個(gè)照射 波長中的每個(gè)從皮膚進(jìn)入波導(dǎo)的反向散射輻射強(qiáng)度可以通過下面的關(guān)系式 來表征
<formula>formula see original document page 20</formula> 方程(2 )
其中，
Rdλ表示采用波長入的輻射照射的皮膚區(qū)域的漫反射系數(shù)(反向散射輻射 強(qiáng)度)，
K是一個(gè)比例常數(shù)，其取決于例如照射的輻射強(qiáng)度以及同輻射進(jìn)入皮膚 的耦合相關(guān)的幾何因素，
Tλ是根據(jù)黑色素濃度在照射波長A處經(jīng)過皮膚的透射系數(shù)，
以及 Rdermis表示真皮的漫反射系數(shù)。因?yàn)楹谏乜梢晕找恍┹椛?，透射系?shù)^取決于所照射皮膚區(qū)域中的 黑色素濃度。因此，《載有關(guān)于黑色素濃度的信息。在本示例性實(shí)施例中，
輻射波長選在大約600nm到大約900nm的范圍內(nèi)，/人而確j呆輻射同血液的相 互作用最小化。因此，上面的方程(2)不考慮血液的影響。
所照射的皮膚在照射波長(入)處的表觀光學(xué)密度(0DA )可以由下面 的關(guān)系式確定
叫=-log《 方程(3 )
因?yàn)樯厦娴耐干湎禂?shù)^與在波長入處的黑色素光學(xué)密度成比例(表示為
ODr')，方程(3 )可以按下面的方式改寫
OA^ODf-l。g/^麗 方程(4)
在從大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)選耳又輻射波長，保證雖然^與波長
相關(guān)，Rd,is基本上與照射波長無關(guān)。因此，在兩個(gè)波長處表觀光學(xué)密度(OD
入)的差別，以及更一般的，從大約600腿到大約900腿光譜范圍內(nèi)的表觀
光學(xué)密度的斜率與黑色素的濃度成比例。例如，黑色素指數(shù)(M)可以采用
下面方式來定義
M=100(OD;a-0D,2) 方程(5)
作為示例，在很多實(shí)施例中，基于所探測到的來自皮膚的漫反射(反向
散射)的輻射強(qiáng)度，處理器12A采用上面的數(shù)學(xué)關(guān)系式來計(jì)算黑色素光學(xué)密度。
通過說明并且僅為展示本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在測量皮膚黑色素光學(xué)密 度方面的功效，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)構(gòu)建了一個(gè)原型設(shè)備。通過比較該原型設(shè) 備在多個(gè)對象實(shí)施的對黑色素的測量和一些傳統(tǒng)設(shè)備在相同對象實(shí)施的相 應(yīng)測量，顯示該原型設(shè)備提供了更高的性能，尤其是提供了顯著更好的可重 復(fù)性測量。圖2中示出了用在原型設(shè)備中的兩個(gè)LED的輻射光譜。 一個(gè)LED 在波長大約645nm處具有最大輻射強(qiáng)度，而另一個(gè)LED在波長大約700nm處 具有最大輻射強(qiáng)度。圖3提供了響應(yīng)于不同時(shí)間間隔的LED的觸發(fā)，由探測 器測量用于確定黑色素濃度(在圖中表示為"色素計(jì)信號"(pigmentometer signal)的反向散射輻射產(chǎn)生的原始信號。該原始數(shù)據(jù)可以通過諸如上面所 討論的方式來分析，從而得到黑色素指數(shù)。
作為進(jìn)一步的說明，在與上面討論的原型類似的分別采用波長為660nm 和910nm的另一個(gè)i殳備中，圖4示出了作為相對于皮膚的傾斜的函數(shù)的設(shè)備 的靈敏度(動(dòng)態(tài)靈每丈度(rocking sensitivity)),而圖5示出了作為設(shè)備與皮膚之間的空氣間隙的厚度的函數(shù)的設(shè)備靈敏度。應(yīng)該理解，這里所給出 的數(shù)據(jù)只是為了說明的目的，并不一定想要表示由本發(fā)明的設(shè)備所獲得的光 學(xué)信號強(qiáng)度。4艮多其它的實(shí)施例也是可能的，并且所提供的數(shù)據(jù)也是專門針 對所測試的原型設(shè)備，該設(shè)備在設(shè)計(jì)方面同與設(shè)備1相關(guān)描述的實(shí)施例類似。 雖然在上面的實(shí)施例中，采用每個(gè)產(chǎn)生不同波長的輻射的兩個(gè)源，在一 些其它實(shí)施例中，可以采用單一源產(chǎn)生兩個(gè)或更多不同波長的輻射。為了測量歸D，優(yōu)選的，源發(fā)出在大約600nm到大約900nra范圍內(nèi)的輻射。作為例 子，如在圖6中所示意地顯示，皮膚病學(xué)的設(shè)備13包括能夠產(chǎn)生兩個(gè)或更 多波長的輻射的單一輻射源14,例如，雙色發(fā)光二極管(雙色LED)，其能 夠產(chǎn)生在大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)的兩個(gè)或更多波長的輻射。再次， 波長645和700 #皮二〖人為是優(yōu)選的，不過也可以采用多種其它波長的組合。設(shè)備13還包括具有處理器15a的控制單元15,其能夠驅(qū)動(dòng)雙色LED 15, 從而產(chǎn)生所需的顏色。例如，控制單元可以4吏LED在不同時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生多 種波長，用于照射所關(guān)注的皮膚區(qū)域。更具體的，類似于前面的實(shí)施例，由 LED15所產(chǎn)生的輻射經(jīng)穿過偏光器3的通道光學(xué)耦合到波導(dǎo)5。波導(dǎo)5將輻 射傳輸至組織6,在本情況中為人類皮膚。經(jīng)過濾光器8和偏光器7光學(xué)耦 合到波導(dǎo)5的探測器IO接收從所照射皮膚向后漫反射(反向散射)的輻射 的至少一部分。類似于前面的實(shí)施例，探測器10耦合到偏光軸與偏光器3 的偏光軸正交的偏光器7，來抑制并優(yōu)選的消除探測器10對鏡面反射的輻射 的探測，尤其是對由所照射的皮膚表面的鏡面反射的探測。此外，濾光器8 阻止環(huán)境輻射噪聲，例如，由于人造環(huán)境照明單元所產(chǎn)生的噪聲，使其不能 達(dá)到探測器10。響應(yīng)兩個(gè)或更多波長在皮膚的照射，處理器15a接收由探測器10所產(chǎn) 生的輸出信號，并分析那些信號，例如，以上述方式分析，來確定皮膚的諸 如MOD的物理特性。而且，類似于之前的實(shí)施例，設(shè)備13包括具有光學(xué)耦 合到濾光器9的探測器lla的光學(xué)傳感器ll,其可以確定波導(dǎo)是否同皮膚相 接觸，其方式也與結(jié)合圖1A所描述的探測器11采用的方式類似。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的設(shè)備的實(shí)施例并不限于上述內(nèi)容。例如，圖7A示 意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備16,其包括輻射 源17，其發(fā)出的輻射經(jīng)棱鏡18耦合到波導(dǎo)19。與前面的實(shí)施例類似，偏光 器3耦合到源17,并對源發(fā)出的輻射起偏(雖然可以采用多種材料，但本實(shí) 施例中的棱鏡由氟化鈣制成。)。波導(dǎo)19包括反射側(cè)壁19a，其可以將進(jìn)入波導(dǎo)的輻射反射到適于同皮膚相接觸的波導(dǎo)表面19B。波導(dǎo)19可以是例如諸如 熔融硅石的材料形成的塊，其折射率優(yōu)選接近于皮膚的折射率，并且反射側(cè) 壁可以例如通過在波導(dǎo)表面涂布反射材料(例如銀)來形成。在本實(shí)施例中，
源17和棱鏡18相對于波導(dǎo)放置，使得進(jìn)入波導(dǎo)的輻射射線被側(cè)壁19a反射 到組織6。當(dāng)表面19B和皮膚之間沒有光學(xué)接觸時(shí)，反射的輻射以入射角 (A0I)到達(dá)表面19B處的皮膚/波導(dǎo)分界面，導(dǎo)致那些射線的全內(nèi)反射(TIR)， 因此阻止它們離開波導(dǎo)，如圖7B中示意性地所示。例如，射線到達(dá)表面的 入射角度可以比在波導(dǎo)/空氣分界面導(dǎo)致TIR所需的最小角度大(參見上面 的方程l),從而保證那些射線的全內(nèi)反射。
相反的，當(dāng)波導(dǎo)的表面19B同皮膚光學(xué)接觸時(shí)(圖7A),由側(cè)壁19A反 射的射線穿過表面19B進(jìn)入皮膚。(波導(dǎo)/皮膚分界面不會導(dǎo)致那些射線的全 內(nèi)反射)。TIR的使用提供了額外的安全機(jī)制，通過保證只有當(dāng)波導(dǎo)同皮膚相 接觸時(shí)，輻射才會通過波導(dǎo)發(fā)射到外界環(huán)境中，阻止了對耦合到波導(dǎo)的輻射 的意外暴露(例如，用戶眼睛的暴露)。因?yàn)槠鋬纱尾捎肨IR原理，也增加 了接觸傳感器的靈敏度。
設(shè)備16還包括經(jīng)過濾光器8和偏光器7光學(xué)耦合到波導(dǎo)19的探測器10。 探測器IO探測從皮膚向后漫反射(反向散射)的輻射。設(shè)備16還包括具有 光學(xué)耦合到濾光器9的探測器lla的光學(xué)傳感器ll，其可以用于確定波導(dǎo)是 否同皮膚相接觸，所采用的方式也與結(jié)合圖1A所述的探測器11所采用的方 式類似。然而，如結(jié)合圖1A所述，設(shè)備的操作是相反的。換句話說，當(dāng)如 圖1A中所示的設(shè)備1接收到超過特定閾值的等級的光時(shí)，其感測接觸，當(dāng) 設(shè)備16接收到少于特定閾值的等級的光，其感測接觸。與前面所描述的實(shí) 施例類似，探測器lla通過濾光器9光學(xué)耦合到波導(dǎo)19。與前述的實(shí)施例不 同，探測器lla還通過置于濾光器9和波導(dǎo)19之間的偏光器4光學(xué)耦合到 波導(dǎo)19。偏光器4具有偏光軸，該偏光軸同與源偏光器3相關(guān)的偏光軸正交。 因此，設(shè)備16抑制在探測器10和lla上的鏡面反射的探測。此外，濾光器 8和9阻止了環(huán)境輻射到達(dá)探測器。
圖8A示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備20，其還可以 利用從波導(dǎo)的反射側(cè)壁的光反射以耦合光進(jìn)入皮膚并且當(dāng)波導(dǎo)和皮膚沒有 接觸時(shí)抑制其耦合。設(shè)備20沒有采用單一輻射源，而是包括兩個(gè)輻射源22 和24,每個(gè)產(chǎn)生具有不同波長的輻射(例如，在600nm到900nm的范圍內(nèi))。 輻射源22和24通過棱鏡18光學(xué)耦合到波導(dǎo)26。波導(dǎo)26包括兩個(gè)反射側(cè)壁26a和26b,每個(gè)將從一個(gè)輻射源接收的光引導(dǎo)到波導(dǎo)的表面26c，從而使得 在波導(dǎo)同皮膚不接觸的情況下，輻射在該表面內(nèi)部反射，而當(dāng)波導(dǎo)同皮膚接 觸的情況下，其透過該表面到達(dá)皮膚。例如，反射側(cè)壁可以通過在波導(dǎo)18 的表面沉積反射材料(例如，銀)來形成。波導(dǎo)可以由能夠透過源2Z和24 所產(chǎn)生的輻射的材料制成，并且，在本實(shí)施例中為熔融硅石。類似于前述的 實(shí)施例，從皮膚反向散射的輻射可以由探測器(未示出)所探測，探測器的 輸出信號由處理器(未示出)來分析以確定皮膚特性。此外，傳感器11光 學(xué)耦合至側(cè)壁26b中的開口 26D,其通過在開口處不形成反射涂層產(chǎn)生。開 口使得光可以從波導(dǎo)26漏出并被傳感器11所探測。
設(shè)備20還包括偏光器78和79以及棱鏡80。光源22和24通過偏光器 78和79以及棱鏡80光學(xué)耦合至波導(dǎo)26。偏光器78的偏光軸與偏光器79 的相關(guān)偏光軸正交，如上所述，這是為了消除與被測參數(shù)不相關(guān)的表面以及 其它反射。此外，傳感器11還包括探測器lla以及置于探測器lla和開口 26D之間的濾光器9。濾光器用于減少到達(dá)探測器lla的環(huán)境輻射的數(shù)量。
圖8B示意性地描述了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備IOO,設(shè)備100采用兩個(gè) 輻射源102和104,用于通過將輻射經(jīng)棱鏡106耦合至具有兩個(gè)反射側(cè)壁108a 和108b的波導(dǎo)108對皮膚進(jìn)行照射，其中每個(gè)側(cè)壁適于將來自源的其中一 個(gè)的初級輻射引導(dǎo)到皮膚。該設(shè)備100還包括兩個(gè)探測器110a和110b，用 于探測從皮膚反向散射的輻射。在前面的實(shí)施例中，可以利用處理器(未示 出)來分析所探測的反向散射輻射，從而確定所關(guān)注的皮膚特性(例如，MOD )。 與前面的一些實(shí)施例類似，輻射源102和104分別耦合至偏光器112a和 112b，而探測器110a和110b分別耦合至正交的偏光器114a和114b,用于 抑制鏡面反射的探測。此外，探測器110a和110b耦合至可以濾除環(huán)境輻射 噪聲的濾光器116a和116b。
圖9示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備27， 其依賴于對透過組織6 (在本情況中為皮膚)傳輸?shù)妮椛涞奶綔y來確定組織 的特性(本情況中為MOD)。示例性的設(shè)備27包括輻射源14,例如，該輻射 源可以產(chǎn)生在大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)的至少兩個(gè)波長的輻射，并且 其光學(xué)耦合至棱鏡28。棱鏡28接收來自于源穿過表面28a的輻射，并且通 過適于同皮膚光學(xué)接觸的另一個(gè)表面28b將該輻射耦合至皮膚。形成棱鏡的 材料的折射率選取為調(diào)整傳輸穿過棱鏡的輻射經(jīng)在棱4竟/皮膚分界面處折射 進(jìn)入皮膚的角度的范圍。這個(gè)過程與上述的與設(shè)備1相關(guān)的過程類似。設(shè)備27還包括耦合至濾光器8的探測器10,其中濾光器可以濾除環(huán)境 輻射。探測器IO放置在與棱鏡有一預(yù)定距離的位置處，用于探測被棱鏡28 耦合進(jìn)入皮膚并透過將棱鏡28同探測器IO相分離的皮膚部分的至少部分輻 射。棱鏡28的精確角度和棱鏡28與探測器10之間的距離選取為最優(yōu)化恃 定的設(shè)計(jì)，而且可以采用多種角度和距離，其中一些可能比另一些更優(yōu)化。 在本實(shí)施例中，輻射引導(dǎo)到組織6的角度大約為45度，而棱鏡28和探測器 10之間的距離約為lcm。在上述的設(shè)備27中，源和探測器之間的距離可以 調(diào)節(jié)以調(diào)整設(shè)備用于測量在皮膚不同深度的所關(guān)注的給定發(fā)色團(tuán)(色素)的 濃度，例如通過選取能夠被較深層組織更好吸收或經(jīng)過較長距離的波長，通 過調(diào)整棱鏡28和探測器IO之間的距離，和/或通過采用額外的波長和/或探 測器，從而區(qū)分在組織6的不同位置或深度的發(fā)色團(tuán)的相對數(shù)量。
進(jìn)入皮膚的光被漫射地(經(jīng)過多重散射和/或反射作用)傳輸?shù)教綔y器。 由于光同發(fā)色團(tuán)之間的相互作用(例如，通過發(fā)色團(tuán)對一些光的吸收)，該 傳輸光還可以攜帶關(guān)于所關(guān)注的發(fā)色團(tuán)濃度的信息。同探測器10和光源14 電連接的處理器29分析響應(yīng)于兩個(gè)或更多輻射波長(例如，在大約600nm 到大約900nm范圍內(nèi)的兩個(gè)波長)對皮膚的照射而產(chǎn)生的探測器輸出信號， 來確定皮膚的特性，例如黑色素光學(xué)密度。.
設(shè)備27在測量所關(guān)注的色素濃度方面具有高靈敏度，因?yàn)槠涫腔诖?過皮膚的長距離上的光子的漫透射。這允許該設(shè)備在多種應(yīng)用中使用。作為 例子，如圖10中所示意地顯示的，設(shè)備27可以用于探測眼中的虹膜30。例 如，當(dāng)設(shè)備27掃描過皮膚時(shí)，其能夠探測由虹膜30引起的穿透所照射皮膚 的輻射的大量吸收(尤其是在大約600nm到大約800腿范圍內(nèi)的波長)，從 而探測到其存在。這種對虹膜的探測例如在對皮膚提供激光或其他輻射處理 時(shí)必須避免對眼睛產(chǎn)生損傷的設(shè)備中是有用的。設(shè)備27可以合并入這種處 理設(shè)備，當(dāng)處理設(shè)備在眼睛上時(shí)，其用于提供信號，并且優(yōu)選的基于這種眼 睛探測信號來抑制處理激光源的激活(或失活)。
在其它實(shí)施例中，本發(fā)明的皮膚病學(xué)的設(shè)備可以采用光纖，用于將輻射 從源耦合進(jìn)入皮膚，和/或?qū)⒈凰丈涞钠つw片段反向散射或透射通過所照 射的皮膚片段的輻射去耦合。作為例子，圖IIA示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明 的這種實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備32 ，其包括光學(xué)耦合至多個(gè)光纖33的源12, 每個(gè)光纖可以在其一端接收源產(chǎn)生的輻射，并在工作時(shí)，通過另一端將輻射 光學(xué)耦合至組織6 (在本情況下為皮膚)。在很多實(shí)施例中，源U能夠產(chǎn)生兩個(gè)或更多波長的輻射，例如，在大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)的兩個(gè)或 更多波長。設(shè)備32還包括另一組光纖34,每個(gè)光纖在一端光學(xué)耦合到位置 與輻射經(jīng)過光纖33a進(jìn)入皮膚的位置相隔選定距離的皮膚。通過這種方式， 光纖34收集漫透射(經(jīng)由多重散射和/或反射作用傳輸?shù)妮椛?穿過置于光 纖33的端33a和光纖34的端34a之間的皮膚部分并例如經(jīng)散射/反射作用 耦合進(jìn)入光纖34的至少一部分輻射。光纖34的每個(gè)在其另一端經(jīng)用于濾除 環(huán)境輻射噪聲的濾光器8光學(xué)耦合至探測器10，該探測器10用于接收光纖 34所收集的輻射。
處理器36處理探測器10的輸出信號，來確定所照射的皮膚片段的特性。 例如，在期望測量皮膚中的黑色素光學(xué)密度的情況中，可以選用能夠提供在 大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)的至少兩種輻射波長的源14。可以在不同的 時(shí)間間隔中激活該源，用于經(jīng)光纖33在這兩個(gè)波長下照射皮膚6。并且可以 利用處理器36來分析探測器10產(chǎn)生的對應(yīng)于兩個(gè)照射波長的輸出探測信 號，以釆用例如上面所討論的數(shù)學(xué)方程來確定黑色素濃度。
圖11B中示意性地顯示了另一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的皮膚病學(xué) 的設(shè)備37包括多個(gè)光纖38，用于將源14所產(chǎn)生的輻射傳輸至組織6。波導(dǎo) 39將輻射從組織6引導(dǎo)至探測器10。如圖11C中所示，波導(dǎo)39大體上呈圓 柱空心結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)39用于收集從照射處透過皮膚到達(dá)波導(dǎo)的輻射的至少一 部分。探測器10經(jīng)濾光器8光學(xué)耦合至波導(dǎo)，用于接收被波導(dǎo)所收集的輻 射。類似于前述的實(shí)施例，處理器36處理由探測器產(chǎn)生的輸出信號，用于
確定皮膚的期望的特性。
如圖11D中所示，在一些實(shí)施例中，圓柱狀波導(dǎo)是通過將多個(gè)光纖39a 置于諸如柔性封套的環(huán)形外罩39b中形成。在一些可選的實(shí)施例中，波導(dǎo)可 以是由諸如熔融硅石的適當(dāng)材料制成的環(huán)形物。為了進(jìn)一步說明，圖11E示 意性地描述了由設(shè)備37所觀察到的區(qū)域40 (感測區(qū)域)的頂視圖。感測區(qū) 域的周長是通過圖11C和圖11D中所示的圓柱狀波導(dǎo)39的近端所限定的。 輻射能量經(jīng)光纖38的近端耦合進(jìn)入?yún)^(qū)域40(區(qū)域38b示出了由光纖38所照 射的皮膚區(qū)域的頂視圖)。在本實(shí)施例中，波導(dǎo)選取為使得感測區(qū)域大，以 便降低對于局部不規(guī)則性的測量靈敏度。然而，其它實(shí)施例可以定尺寸為提 供相對較大感測區(qū)域或相對較小感測區(qū)域。此外，可選的實(shí)施例可以包括其 他結(jié)構(gòu)，例如放置在波導(dǎo)39內(nèi)的內(nèi)部波導(dǎo)來代替光纖38。類似的，光可以 穿過波導(dǎo)39中的空心空間提供給感測區(qū)域，而不需要采用光纖38或另一個(gè)波導(dǎo)。
作為另一個(gè)例子，圖12示意性地描述了包括光纖43的皮膚病學(xué)的設(shè)備
42。光纖43包括被包層43b所包圍的芯43a。光纖43在其近端光學(xué)耦合到 輻射源44，用于接收從源發(fā)出的、穿過分束器45后的輻射，并且在其遠(yuǎn)端 耦合至皮膚區(qū)域6，用于將所接收到的輻射傳輸至皮膚。從所照射的皮膚區(qū) 域反向散射進(jìn)入光纖的輻射沿著相同的路徑通過光纖傳輸回，并且從近端朝 向分束器45出射，分束器又將反向散射輻射引導(dǎo)到耦合至濾光器47的探測 器46。處理器48基于探測器所產(chǎn)生的輸出信號，確定皮膚的一個(gè)或多個(gè)特 性。作為例子，在一些實(shí)施例中，輻射源44提供兩個(gè)或更多輻射波長，例 如，在大約600腿到大約900nm范圍內(nèi)的兩個(gè)或更多波長，并且處理器對應(yīng) 于在這些波長的反向散射輻射來分析探測器46的輸出信號，確定皮膚特性 (例如，黑色素濃度)，例如，采用上面所討論的方式。
在本實(shí)施例中，設(shè)備42還包括具有耦合至濾光器49b的探測器49a的 光學(xué)傳感器49，其在已經(jīng)移除了包層的光纖部分A處光學(xué)耦合至光纖43。 包層的移除使得部分反向散射輻射從芯漏出并進(jìn)入傳感器的探測器。由傳感 器的探測器所產(chǎn)生的探測信號隨后可以用于確定光纖的遠(yuǎn)端是否同皮膚相 接觸。例如，傳感器所探測到的強(qiáng)度低于選定閾值的輻射可以指示在光纖的 遠(yuǎn)端和皮膚之間沒有接觸，而所探測到的輻射高于閾值則指示兩者接觸。
圖13示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的皮膚病學(xué)的設(shè)備 50，其也是采用光纖51,用于將輻射耦合進(jìn)入皮膚并從所照射皮膚收集反向 散射的輻射。更具體的，光纖51具有分叉52,其提供光學(xué)耦合至輻射源53 的輸入端口 52a用于接收來自源的輻射，以及用于將反向散射進(jìn)入光纖的輻 射經(jīng)濾光器55耦合到探測器54的輸出端口 52b。類似于前面的一些實(shí)施例， 源可以提供兩個(gè)或更多所需波長，并且對應(yīng)于這些波長的反向散射輻射的探 測器54的輸出可以由處理器(未示出)來分析，用于確定皮膚特性(例如， 皮膚的黑色素指數(shù))。
雖然這里描述的大部分實(shí)施例通過將輻射施加在皮膚的表面來對皮膚 的M0D進(jìn)4亍測量。其他實(shí)施例也可以用于測量其它特性和其他組織。例如， 假設(shè)對于在圖11A-圖13中描述的實(shí)施例的可能的小尺寸，采用這些構(gòu)思的 設(shè)備的可選的實(shí)施例可以用于測量內(nèi)部組織的物理特性，例如，經(jīng)過內(nèi)窺鏡 和/或切口。
如以上所述，根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于診斷的皮膚病學(xué)的設(shè)備可以耦合至皮膚病學(xué)的處理設(shè)備，用于提供與待處理皮膚的一個(gè)或多個(gè)特性相關(guān)的信
息。例如，如圖14示意性地所示，皮趺病學(xué)的設(shè)備56可以包括處理模塊57 以及同處理模塊相連的診斷模塊58。作為例子，處理模塊可以包括提供處理 輻射的輻射源59。處理輻射可以經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)光學(xué)器件(未示出)耦合穿 過輻射透射窗口 60 (例如藍(lán)寶石窗口 )到達(dá)皮膚?？蛇x的，處理模塊可以接 收來自外部源的處理輻射，例如，經(jīng)過光纖。作為例子，在這里通過引入?yún)?考題為"用于光美容設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，，("Cooling System for a Photocosmetic Device")的美國專利申請No. 10/154756,其提供了關(guān)于可 以用在構(gòu)建處理模塊57中的皮膚病學(xué)的處理設(shè)備的教導(dǎo)。在該實(shí)施例中， 處理模塊包括與處理源59和診斷模塊58相連的反饋機(jī)構(gòu)62。反饋機(jī)構(gòu)62 可以接收來自診斷模塊的指示諸如黑色素光學(xué)密度的一個(gè)或多個(gè)皮膚特性 的信號。
在本示例性實(shí)施例中，反饋機(jī)構(gòu)62響應(yīng)從診斷模塊所接收到的關(guān)于皮 膚特性的信息，向輻射源施加控制信號，用于調(diào)整源產(chǎn)生的處理輻射的一個(gè) 或多個(gè)參數(shù)，例如處理輻射的功率、處理輻射的波長、當(dāng)采用脈沖輻射時(shí)的 脈寬和/或脈沖重復(fù)頻率、或者任何其他所關(guān)注的參^L在一些情況下，可 以利用診斷模塊以允許只有在處理一定皮膚類型時(shí)才激活處理源。例如，激 活處理輻射源以僅處理這樣的人，其皮膚的色素等級(例如，M0D)將導(dǎo)致 診斷波長信號，在不同波長下診斷信號，以及背景信號的比率落入到預(yù)定范 圍內(nèi)(例如，高于或低于一定的閾值)。作為例子，該參數(shù)可以這樣設(shè)置， 即除了皮膚以外的大部分材料都將會使診斷信號在激活處理源的可接受范 圍之外。例如，當(dāng)皮膚特性對應(yīng)于M0D時(shí)，反饋模塊可以控制處理源來調(diào)整 其輸出功率，例如，當(dāng)測得的黑色素光學(xué)密度高時(shí)減少功率，而當(dāng)光學(xué)密度 低時(shí)增加功率。此外，在一些皮膚黑色素濃度高于預(yù)定閾值的情況下，反饋 機(jī)構(gòu)可以抑制處理源的激活。這可以用作例如安全措施，用來保證只有在合 適的時(shí)候(例如，只對具有預(yù)定范圍內(nèi)的色素等級的皮膚)才施加處理輻射。
在一些實(shí)施例中，響應(yīng)于診斷模塊所提供的信息，可以實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)這種 處理輻射的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的調(diào)整。例如，當(dāng)設(shè)備56在皮膚上移動(dòng)時(shí)，處 理模塊57在診斷模塊58后延遲，從而使得診斷模塊確定待處理的皮膚片段 的期望特性先于處理模塊在該片段施加處理輻射。在這種方式中，處理^t塊 可以利用診斷模塊所提供的信息，實(shí)時(shí)地調(diào)整處理參數(shù)(例如，處理輻射的 功率等級)。例如，被處理的皮膚塊的不同部分可以顯示出不同的色素等級(例如，不同的黑色素濃度)。在這樣的情況中，當(dāng)處理輻射施加到那些皮 膚部分時(shí)，處理模塊可以調(diào)整處理輻射的功率等級。
在處理源位于處理^^莫塊外部的實(shí)施例中，例如通過向源和/或置于處理 模塊中且與源光學(xué)耦合的一個(gè)或多個(gè)元件施加控制信號來實(shí)現(xiàn)響應(yīng)由診斷 模塊所提供的信息的處理輻射的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的調(diào)整。例如，基于由診斷 模塊確定的一個(gè)或多個(gè)皮膚特性，可以控制置于處理^f莫塊中的光閘，從而允 許或抑制處理輻射施加到達(dá)皮膚。此外，可以采用一個(gè)或多個(gè)中性密度濾光 器來調(diào)節(jié)處理輻射的功率等級。
繼續(xù)參照圖14,示例性設(shè)備56還包括速度傳感器64，用于掃描皮膚時(shí)
測量設(shè)備的掃描速度?？梢耘渲迷撍俣葌鞲衅魇蛊溆糜诜较蛐話呙?雖然其 他實(shí)施例可以包括雙向和多向，不過在本情況中為單向的)，使得診斷模塊
58引導(dǎo)處理模塊?？梢栽?005年4月1日提交的題為"用于在組織中產(chǎn)生 電石茲輻射處理的胰島的格子的方法和產(chǎn)品，.以及其應(yīng)用"("Methods and products for producing lattices of EMR_treated islets in tissues, and uses therefore")的美國專利申請No. 11/098， 015中找到適于用在設(shè)備56 中的速度傳感器的例子，通過引用該申請被包括在本申請中。在一些實(shí)施例 中，反饋機(jī)構(gòu)可以合并在速度傳感器中。
在一些實(shí)施例中，處理模塊和診斷模塊可以集成在單一的封套中從而得 到緊湊的設(shè)備，在一些情況中還可以將速度傳感器也集成在其中。此外，在 很多這種實(shí)施例中，i貪斷和處理源可以共享^厶共光路徑，從而可以在測量其 一個(gè)或多個(gè)特性(例如黑色素光學(xué)密度)時(shí)，對組織區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。當(dāng) 處理是在沖壓模式(stamping mode)下實(shí)施時(shí)，這種設(shè)備尤其有用。
作為例子，圖15示意性地描述了具有封套66的皮膚病學(xué)的設(shè)備65，在 該封套中放置有用于產(chǎn)生處理輻射的處理輻射源67以及輻射源68，輻射源 68可以是例如產(chǎn)生兩個(gè)或更多波長的源。來自處理源的輻射經(jīng)透鏡69在穿 過分束器70后耦合進(jìn)入諸如藍(lán)寶石塊的波導(dǎo)71。來自于源68的輻射穿過分 束器72以被分束器70反射進(jìn)入波導(dǎo)。波導(dǎo)71將處理和輻射都引入與其接 觸的皮膚區(qū)域。從所照射的皮膚區(qū)域反向散射的部分輻射被分束器72和70 反射經(jīng)濾光器74進(jìn)入探測器73。例如采用前面實(shí)施例中所討論的方式，探 測器73產(chǎn)生可以由處理器75分析的輸出信號，用于確定組織6的特性(例 如，皮膚的黑色素濃度)。設(shè)備65還可以包括如上所述的光學(xué)傳感器76，其 光學(xué)耦合至波導(dǎo)71的側(cè)壁，用于確定波導(dǎo)和皮膚之間的接觸。處理器可以處理由傳感器產(chǎn)生的輸出信號，用于控制處理輻射源(例如，當(dāng)在波導(dǎo)和皮 膚之間不存在接觸時(shí)，抑制其激活和/或?qū)⑵涫Щ?。此外，處理器還可以響 應(yīng)于光學(xué)傳感器76的輸出信號來調(diào)整處理輻射的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(例如， 功率等級，脈寬或重復(fù)頻率)。與上述某些實(shí)施例類似，可以采用多個(gè)偏光 器和濾光器用于抑制對于多個(gè)分界面處鏡面反射的輻射和/或環(huán)境輻射的探
測。此外，在一些實(shí)施例中，設(shè)備65可以包括速度傳感器77,當(dāng)其掃過皮 膚時(shí)，用于測量設(shè)備65的速度，而在一些情況中施加控制信號到處理源(例 如，響應(yīng)于掃描速度調(diào)節(jié)源的功率)。
在其它實(shí)施例中，可以采用多于兩個(gè)波長用于#:測皮膚的物理特性。例
如，通過采用三個(gè)波長，可以確定皮膚的表觀年齡。來自皮膚區(qū)域的反向散 射輻射可以使用三個(gè)或更多波長進(jìn)行測量。雖然可以是多種波長，不過優(yōu)選 的，波長選在大約600nm到大約900腿范圍內(nèi)，例如645、 700和900腿。對 于測量MOD的情況，在這個(gè)波長范圍內(nèi)選取波長可以利用皮膚在該波長范圍 內(nèi)吸收特性。皮膚的年齡可以相應(yīng)于其實(shí)足年齡或者其表觀年齡。例如，在 一些情況中，例如由于過多的日曬和/或吸煙， 一個(gè)年輕人(例如，在她二 十幾歲的人)的皮膚卻可能顯示出更老的表觀年齡。通過例如選取用于提供 所必需的輻射波長的合適的輻射源(或多個(gè)源)，上面所討論的設(shè)備可以用 于實(shí)踐本發(fā)明的這方面?？梢苑治鲞@三個(gè)波長的反射系數(shù)值用于確定MOD和 皮膚漫射性質(zhì)，并且可以將皮膚年齡同皮膚漫射性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。
類似的，通過采用三個(gè)或多個(gè)波長，可以減少測量中所產(chǎn)生的誤差。例 如，可以選取兩個(gè)值接近的波長(例如，大約分開1 Onm),而第三波長間隔 較大，例如640、 650和700nm。采用附加的波長可以幫助減少由組織的其它 物理特性在測量中所導(dǎo)致的不一致而產(chǎn)生的誤差。
在一些實(shí)施例中，由所采用的用于提供輻射的輻射源產(chǎn)生的輻射的波長 一定程度上可以依賴源的溫度。在該實(shí)施例中，輻射源的波長相對于溫度的 數(shù)據(jù)可以儲存在諸如存儲器模塊上，以由處理器利用來標(biāo)定輻射的波長(用 于從名義波長計(jì)算實(shí)際波長)。
雖然上面的實(shí)施例一般地描述了采用在大約6OOnm到大約900nm范圍內(nèi) 的波長來測量例如皮膚的MOD，但是上面所討i侖的多個(gè)實(shí)施例都可以一般地 使用產(chǎn)生在其它范圍內(nèi)的波長的輻射的輻射源，來測量其他發(fā)色團(tuán)(例如， 血色素)的濃度，其中該其它范圍包括大約300nm到大約1200nm范圍內(nèi)的 波長。例如，兩種形式的血色素具有在405nm到430nm (索瑞帶)光譜范圍內(nèi)的初級吸收帶和在540nm到580nm范圍內(nèi)的次級帶。在一些實(shí)施例中，可 以通過探測在這些帶中的兩個(gè)或更多波長的反向散射輻射來測量血色素的 濃度。為了其他目的或采用其他類型的輻射源，還可以采用甚至更寬或不同 的波長范圍。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的前提下 可以對上述實(shí)施例進(jìn)4亍多種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于確定組織的部分的物理特性的皮膚病學(xué)的設(shè)備，包括，輻射源組件，其被配置用于產(chǎn)生具有至少第一波長的輻射；波導(dǎo)，其耦合到所述源組件用于將來自源的輻射引導(dǎo)到所述組織的所述部分，并且具有被配置用于利用所述輻射照射所述部分的表面；探測器，其耦合到所述波導(dǎo)，并且被配置用于探測來自所述源的輻射，所述探測器產(chǎn)生指示所探測的輻射等級的信號；以及處理器，其同所述探測器相連，用于處理所述信號并且計(jì)算所述皮膚區(qū)域的物理特性；其中，所述探測器被配置用于在所述組織的所述部分被來自所述源的所述輻射照射后，探測來自所述源的所述輻射。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件包括兩個(gè)或更多輻 射源。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中第一輻射源產(chǎn)生具有所述第一波長 的輻射，且其中第二輻射源產(chǎn)生具有第二波長的輻射。
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件包括單一輻射源。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述第一輻射源產(chǎn)生具有所述第一 波長的輻射，并且還產(chǎn)生具有第二波長的輻射。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件包括發(fā)光二極管(LED)、雙色LED、可調(diào)輻射源和激光輻射源中的至少一個(gè)。
7. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件被配置用于產(chǎn)生具 有第二波長的輻射。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述第一和第二波長從大約350nm 到大約1200nm的范圍內(nèi)選取。
9. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述第一和第二波長從大約600nm 到大約900nm的范圍內(nèi)選取。
10. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一波長從大約350nm到大約 1200nm的范圍內(nèi)選耳又。
11. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一波長從大約600nm到大約 900nm的范圍內(nèi)選取。
12. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中還包括接觸傳感器，用于指示所述光學(xué)波導(dǎo)的表面是否與所述皮膚接觸。
13. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器被配置用于探測 所述第一波長的所述輻射的等級。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器被配置用于發(fā)送信號到所述處理器，當(dāng)所述接觸傳感器探測到所述等級低于閾值時(shí)， 所述信號指示所述波導(dǎo)的所述表面同所述組織不接觸。
15. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器被配置用于發(fā)送信 號到所述處理器，當(dāng)所述接觸傳感器探測到所述等級高于閾值時(shí)， 所述信號指示所述波導(dǎo)的所述表面同所述組織接觸。
16. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器被配置用于發(fā)送信 號到所述處理器，當(dāng)所述接觸傳感器探測到所述等級高于閾值時(shí)， 所述信號指示所述波導(dǎo)的所述表面同所述組織不接觸。
17. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器被配置用于發(fā)送信 號到所述處理器，當(dāng)所述接觸傳感器探測到所述等級低于閾值時(shí)， 所述信號指示所述波導(dǎo)的所述表面同所述組織接觸。
18. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器沿著邊界光學(xué)耦合 至所述波導(dǎo)，并且其中所述波導(dǎo)配置為使得當(dāng)所述表面與所述組織 不接觸時(shí)，所述波導(dǎo)沿著所述邊界全內(nèi)反射所述輻射。
19. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器沿著邊界光學(xué)耦合 至所述波導(dǎo)，并且其中所述波導(dǎo)配置為使得當(dāng)所述表面與所述組織 接觸時(shí)，所述波導(dǎo)沿著所述邊界不全內(nèi)反射所述輻射。
20. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器沿著邊界光學(xué)耦合 至所述波導(dǎo)，并且其中所述波導(dǎo)配置為使得當(dāng)所述表面與所述組織 接觸時(shí)，所述波導(dǎo)沿著所述邊界全內(nèi)反射所述輻射。
21. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述接觸傳感器沿著邊界光學(xué)耦合 至所述波導(dǎo)，并且其中所述波導(dǎo)配置為使得當(dāng)所述表面與所述組織 不接觸時(shí)，所述波導(dǎo)沿著所述邊界不全內(nèi)反射所述輻射。
22. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件被配置用于產(chǎn)生具有第二波長的輻射，并且所述接觸傳感器被配置用于^:測所述第一波長和所述第二波長的所述輻射的等級。
23. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括第一偏光器，其被配置用于過濾來自所述輻射源組件的第一偏光性的輻射；以及第二偏光器，其被配置用于過濾進(jìn)入所述接觸傳感器的第二偏光性 的輻射。
24. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括置于所述接觸傳感器和所述波導(dǎo)之間的濾光器。
25. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件被配置用于產(chǎn)生具 有三個(gè)或更多波長的輻射。
26. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述皮膚特性從包括黑色素指數(shù)、 膠原質(zhì)含量、漫射以及紅斑測量的集合中選擇。
27. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)是由折射率在大約1. 4到 大約2. 5范圍內(nèi)的材料形成的。
28. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括第一偏光器，其被配置用于過濾來自所述輻射源組件的第 一偏光性 的輻射；以及第二偏光器，其^fe配置用于過濾進(jìn)入所述探測器的第二偏光性的輻 射。
29. 如權(quán)利要求.l所述的設(shè)備，還包括置于所述波導(dǎo)和所述探測器之間 的濾光器。
30. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括耦合至所述輻射源組件的控制器， 所述控制器被配置用于激活所述輻射源組件，用于在不同時(shí)間產(chǎn)生 具有不同波長的輻射。
31. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)是光纖。
32. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)耦合至所述源組件的附 加的波導(dǎo)。
33. 如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)附加的波導(dǎo)是光纖。
34. —種用于確定組織的部分的物理特性的皮膚病學(xué)的設(shè)備，包括 輻射源組件，-陂配置用于產(chǎn)生具有第一和第二波長的輻射；波導(dǎo)，耦合到所述源組件用于將來自源的輻射引導(dǎo)到所述組織的所 述部分，并且具有被配置用于利用所述輻射照射所述部分的表面； 探測器，其耦合到所述波導(dǎo)，并且被配置用于探測來自所述源的輻 射，所述探測器產(chǎn)生指示所探測的輻射等級的信號； 處理器，其同所述探測器相連，用于處理所述信號并且計(jì)算所述皮膚區(qū)域的物理特性；以及接觸傳感器，其沿著邊界光學(xué)耦合到所述波導(dǎo)，并被配置用于探測所述輻射的等級；其中，所述探測器被配置用于在所述組織的所述部分^t來自所述源 的所述輻射照射后，探測來自所述源的所述輻射。
35. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一和第二波長在大約300nm 到大約1200nm范圍內(nèi)。
36. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一和第二波長在大約600nm 到大約900nm范圍內(nèi)。
37. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一和第二波長在大約630nm 到大約730nm范圍內(nèi)。
38. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一波長大約為645nm。
39. 如;f又利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一波長大約為700nm
40. 如;K利要求34所述的設(shè)備，其中所述第一波長大約為645nm，而所 述第二波長大約700腿。
41. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中適于同組織接觸的所述波導(dǎo)表面在 其不同皮膚接觸時(shí)，通過由側(cè)壁對輻射的全內(nèi)反射來抑制輻射的透 射。
42. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，還包括同所述傳感器和所述源相連的反 饋機(jī)構(gòu)，其中當(dāng)所述傳感器指示在所述波導(dǎo)和所述源之間沒有光學(xué) 接觸時(shí)，所述反饋機(jī)構(gòu)能夠抑制源的激活，而當(dāng)傳感器指示存在光 學(xué)接觸時(shí)，其能夠激活源。
43. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，還包括與探測器相連的處理器，所述處 理器基于所述探測器的輸出確定皮膚特性。
44. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述波導(dǎo)是光纖。
45. 如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)附加的波導(dǎo)。
46. —種皮膚病學(xué)的設(shè)備，包括 至少一個(gè)輻射源；波導(dǎo)，其光學(xué)耦合到所述輻射源，用于將來自源的輻射傳輸至所述探測器，其耦合到所述波導(dǎo)，用于探測來自被源輻射照射的皮膚區(qū) 域的反向散射的至少一部分輻射；以及光學(xué)接觸傳感器，其光學(xué)耦合至所述側(cè)壁，所述傳感器基于漏出所 述側(cè)壁的反向散射輻射的探測，確定所述波導(dǎo)是否同所述皮膚相接 觸。
47. —種皮膚病學(xué)的設(shè)備，包括 輻射源組件；第一波導(dǎo)，其具有適于接收來自輻射源組件的輻射的近端和適于將 輻射傳輸至組織的遠(yuǎn)端；第二波導(dǎo)，其具有適于接收來自所述第一波導(dǎo)的反向散射輻射的遠(yuǎn) 端和適于傳輸所述反向散射輻射的近端；探測器，光學(xué)耦合至所述第二波導(dǎo)，并且被配置用于測量所述組織 的物理特性；以及處理器，電耦合至所述探測器，并且被配置用于接收來自所述探測 器的、相應(yīng)于所述反向散射輻射的信號；其中所述處理器被配置用于基于探測到的反向散射輻射確定所述組 織的物理特性。
48. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括用于將從所述近端 出射的所述反向散射輻射耦合到探測器的裝置。
49. 如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其中所述裝置包括分束器。
50. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件能夠產(chǎn)生在大約 350nm到大約1200nm范圍內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)波長的輻射。
51. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述輻射源組件能夠產(chǎn)生在大約 6 0Onm到大約9 0Onm范圍內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)波長的輻射。
52. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述第一波導(dǎo)是光纖。
53. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述第二波導(dǎo)是光纖。
54. 如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，還包括附加的波導(dǎo)。
55. 如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其中所述附加的波導(dǎo)是光纖。
56. —種皮膚病學(xué)的設(shè)備，包括 至少一個(gè)輻射源；光纖，其在近端接收來自所述源的輻射，而在遠(yuǎn)端將該輻射施加到 皮膚區(qū)域；另 一個(gè)光纖，其在遠(yuǎn)端在與照射區(qū)域被皮膚片段所分離的另 一個(gè)區(qū) 域與皮膚耦合，用于接收所施加的輻射在透射穿過該片段后的至少一部分；探測器，光學(xué)耦合至所述另一個(gè)光纖的近端，用于探測被該光纖所 接收到的所述透射的輻射的至少 一部分，所述探測器產(chǎn)生信號來指 示所述接收到的輻射的強(qiáng)度，以及處理器，其處理所述探測器信號，用于確定皮膚特性。
57. —種確定組織特性的方法，包括將來自波導(dǎo)的第一和第二波長的輻射施加到所述組織；探測來自所述組織的反向散射的所述第 一 和第二波長的輻射的至少一部分產(chǎn)生至少一個(gè)指示反向散射輻射強(qiáng)度的信號，以及 處理所述至少一個(gè)信號來計(jì)算皮膚區(qū)域的特性。
58. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中所述施加輻射的步驟還包括將從 大約350nm到大約1200nm范圍內(nèi)選取的多個(gè)波長的輻射施加到皮 膚。
59. 如權(quán)利要求57所述的方法，其中施加輻射的步驟還包括施加從大 約600nm到大約900nm范圍內(nèi)選取的多個(gè)波長的輻射。
60. 如權(quán)利要求57所述的方法，還包括探測所述波導(dǎo)和所述皮膚區(qū)域之 間的光學(xué)接觸。
61. 如權(quán)利要求57所述的方法，還包括通過探測所述反向散射輻射的等 級，感測所述波導(dǎo)和所述組織的接觸。
62. 如權(quán)利要求57所述的方法，還包括減少環(huán)境輻射以阻止其被探測器 所探測。
63. 如權(quán)利要求64所述的方法，還包括 在探測之前減少具有第一偏光性的輻射；以及 探測具有第二偏光性的輻射。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及皮膚病學(xué)的設(shè)備以及方法，其中通過被照射的皮膚區(qū)域反向散射的輻射的分析，確定一個(gè)或多個(gè)諸如黑色素指數(shù)的皮膚特性，其中照射皮膚采用在例如大約600nm到大約900nm范圍內(nèi)的至少一個(gè)，優(yōu)選為兩個(gè)或更多波長的輻射。在多個(gè)實(shí)施例中，輻射經(jīng)波導(dǎo)耦合至皮膚，并且光學(xué)傳感器用于確定波導(dǎo)(例如，適于同皮膚接觸的波導(dǎo)表面)和皮膚之間的接觸。
文檔編號A61B5/00GK101309631SQ200680042661
公開日2008年11月19日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者G·阿特休勒, H·澤恩齊, 王光明 申請人:帕洛瑪醫(yī)療技術(shù)公司