用于測量膽紅素水平的非侵入式設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于測量膽紅素水平的經(jīng)皮非侵入式設(shè)備和方法。所述設(shè)備和方法利用與處理裝置連通的光學(xué)、電學(xué)和機械裝置，來計算血清膽紅素濃度。向其厚度經(jīng)過測量的組織施加轉(zhuǎn)白壓力。由所述組織的所述厚度和所檢測和所測量的透射穿過所述活組織的輻射的值，來計算所述膽紅素水平。
【專利說明】用于測量膽紅素水平的非侵入式設(shè)備和方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于測量活組織中膽紅素水平的醫(yī)療設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及用于估測新生受試者的膽紅素水平以診斷黃疸的非侵入式設(shè)備和方法。[0002]發(fā)明背景
[0003]黃疸在新生嬰兒中是相當(dāng)常見的，并且推測是出生后代謝和生理調(diào)節(jié)的結(jié)果。通常，黃疸在相當(dāng)短的時間段內(nèi)消失。在許多情況下，早期檢測到黃疸并且經(jīng)過有效治療，從而在相當(dāng)短的時間段內(nèi)治愈嬰兒。當(dāng)嬰兒患有黃疸時，血清膽紅素通常上升到高水平。在極端情況下，可能會發(fā)生稱為核黃疸的腦損害病狀，從而造成顯著的終身殘疾。在其它極端情況下，黃疸可以嚴(yán)重進展，并且甚至造成死亡。通常通過侵入式血液化驗來診斷黃疸，其中血液樣品通常取自腳后跟。雖然認(rèn)為此血液化驗是安全的，但是血液樣品的獲得對于新生嬰兒而言是一個不舒適的侵入式過程。
[0004]Yamanishi的US4，267，844涉及電光醫(yī)療儀器，提供所述電光醫(yī)療儀器用于非侵入式地測量皮膚組織中膽紅素的存在。此公布中的儀器利用閃光源和光學(xué)裝置，來提供照射皮膚組織的光束。通過光學(xué)裝置將一部分反射光收集并且分成兩個分量:一個分量，其具有455nm的中心波長，已知其為皮膚組織中的膽紅素所高度吸收；以及另一個分量，其具有大于500nm的波長，皮膚組織中的膽紅素對它的吸收很低。通過光電變換器測量這些光學(xué)信號，其中的電輸出被放大，并且接著用于通過對數(shù)轉(zhuǎn)換器計算膽紅素指示。調(diào)用用戶獲得的校準(zhǔn)將膽紅素指示轉(zhuǎn)換成血清膽紅素濃度。
[0005]Aldrich的US6，064，898涉及使用分光光度測定法的非侵入式血液組分分析儀。此公布中的分析儀利用具有根據(jù)目標(biāo)血液組分選擇的多種波長的透射光的測量。用于導(dǎo)出血液組分的參數(shù)各自由相關(guān)測量信號的收縮值與舒張值之間的差給出。提到的可見光波長為420nm、548nm、506nm、521nm、569nm和586nm。建議將前兩個用于皮膚組織中膽紅素濃度的測量。
[0006]另一種非侵入式膽紅素測量儀器在Eppstein的US5, 792, 049中描述,其中在若干可見光和接近紅外線的波長處測量皮膚組織的反射比。利用反射比的測量值來得到血清膽紅素濃度的估測。為校準(zhǔn)儀器，在所述相同波長處測量校準(zhǔn)目標(biāo)的反射比。
[0007]本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種用于應(yīng)用非侵入式測量來檢測受試者的膽紅素水平的方法和裝置。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種用于應(yīng)用非侵入式測量來以快速并且簡單的方式檢測受試者的膽紅素水平的方法和裝置。
[0008]本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點將隨著描述的進行而變得顯而易見。
[0009]附圖簡述:
[0010]在附圖中通過舉例的方法來說明本發(fā)明，其中相同標(biāo)記始終表示相同元件，在附圖中:
[0011]圖1示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的一個一般性實施方案的用于測量膽紅素水平的設(shè)備;
[0012]圖2是圖示用于操作圖1中所示設(shè)備的方法的流程圖；[0013]圖3A至圖3C示意性圖示用于利用同步檢測方法操作本發(fā)明的設(shè)備的本發(fā)明的一個實施方案，其中圖3A示出測量設(shè)置的圖示，圖3B示出輻射源的實施方案的圖示，并且圖3C示出同步檢測器的實施方案的圖示；
[0014]圖4A和圖4B示意性圖示利用閃光管作為光源的本發(fā)明的另一個實施方案，其中圖4A示出可能性測量設(shè)置，并且圖4B示出檢測單元的可能性實施方案；并且
[0015]圖5A和圖5B示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的用于測量膽紅素水平的設(shè)備，其中圖5A示出設(shè)備的透視圖，并且圖5B示出設(shè)備的后視圖。
[0016]應(yīng)注意，附圖中示例的實施方案不意圖按比例繪制，而是呈圖示形式以便于理解和描述。
[0017]發(fā)明概述
[0018]本發(fā)明給出一種用于通過使輻射透射穿過受試者的活組織來非侵入式測量膽紅素水平的系統(tǒng)和設(shè)備。向組織施加轉(zhuǎn)白壓力，并且還對組織的厚度進行測量。
[0019]在本發(fā)明的實施方案中，提供一種用于測量受試者的膽紅素水平的非侵入式設(shè)備。設(shè)備包括用于輻射受試者的活組織的至少一個輻射源，用于檢測透射穿過組織的射線的至少一個檢測器，用于向受試者的活組織的部分施加轉(zhuǎn)白壓力的裝置；用于測量受試者的活組織的部分的厚度的裝置，其中輻射正在透射穿過所述活組織，以及連接到輻射源、檢測器和厚度測量裝置的處理裝置。輻射源被配置來以至少兩個波長發(fā)射輻射。處理裝置被配置使用從檢測器和厚度測量裝置處獲得的數(shù)據(jù)，計算受試者的膽紅素水平。
[0020]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于施加轉(zhuǎn)白壓力的裝置包括其中包括一對可旋轉(zhuǎn)臂、單個移動或旋轉(zhuǎn)臂，以及夾子或鉗子設(shè)備的一組設(shè)備中的一個，其被配置附接到正在測量的組織。
[0021]此外,根據(jù)本發(fā)明的一個實`施方案,波長可包括在520nm±5nm范圍內(nèi)的第一波長(入I)和在470nm土 IOnm范圍內(nèi)的第二波長(λ 2)。
[0022]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，輻射源包括一組中的一個，所述組包括:至少兩個激光二極管、至少兩個發(fā)光二極管(LED)、以及至少一個激光二極管連同至少一個LED。或者，輻射源可包括白光發(fā)射極和用于過濾所發(fā)射白光的兩個濾光器。
[0023]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括光學(xué)裝置，其被配置來將從至少一個輻射源發(fā)射的光束向著受試者的活組織引導(dǎo)。
[0024]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括光導(dǎo)向裝置和光學(xué)耦合裝置，其中光學(xué)耦合裝置被配置來將從光導(dǎo)向裝置接收的光束引導(dǎo)至檢測器。
[0025]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，光束在不同的時間透射穿過組織。
[0026]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，輻射源包括用于發(fā)射同步信號的裝置。同步信號可包括第一振蕩器和第二振蕩器，其分別被配置來生成具有第一頻率的第一電信號和具有第二頻率的第二電信號；第一驅(qū)動單元和第二驅(qū)動單元，其電耦合到第一振蕩器和第二振蕩器；第一光發(fā)射兀件和第二光發(fā)射兀件，其適于生成第一光信號和第二光信號。第一光發(fā)射元件和第二光發(fā)射元件可電耦合到第一驅(qū)動單元和第二驅(qū)動單元。
[0027]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括雙色光束組合器，其可被配置來將第一光信號和第二光信號組合成單個光束。光束可包括分別具有第一調(diào)制頻率(Fl)的第一光波長(λ I)和第二調(diào)制頻率(F2)的第二光波長(λ 2)的分量。[0028]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括參考檢測器，其被配置來接收和測量雙色光束組合器上的光入射的一部分。
[0029]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括檢測-放大器單元，其具有適于產(chǎn)生對應(yīng)于檢測-放大器單元接收到的第一光信號和第二光信號的電信號并且將得到的電信號放大的光感測裝置；第一同步檢測器和第二同步檢測器被配置來接收第一信號和第二信號，并且從得到的電信號中提取分別處于波長λ I和頻率Fl以及波長λ2和頻率F2的透射信號的幅度。
[0030]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于測量厚度的裝置包括其中包括電位計、光學(xué)測量裝置、旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器(RVDT)和線性可變差動變壓器(LVDT)的一組設(shè)備中的一個。
[0031 ] 此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括用于測試設(shè)備的計量裝置。計量裝置可包括由具有已知光學(xué)性質(zhì)和厚度的透射材料構(gòu)成的測試架。
[0032]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，設(shè)備進一步包括用以消除所測量透射率信號中的外部干擾的裝 置。
[0033]另外，本發(fā)明提供一種用于測量受試者的膽紅素水平的方法。方法包括以下步驟:
[0034]向受試者的活組織施加轉(zhuǎn)白壓力；
[0035]測定受試者的轉(zhuǎn)白組織的厚度；
[0036]使至少兩個不同波長透射穿過受試者的轉(zhuǎn)白組織；
[0037]檢測并記錄透射穿過具有轉(zhuǎn)白壓力施加在其上的組織的信號；以及
[0038]使用從所記錄信號和厚度處獲得的數(shù)據(jù)，計算受試者的膽紅素水平。
[0039]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，方法進一步包括計量被配置來測量膽紅素水平的設(shè)備的步驟。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，方法進一步包括計算第一校準(zhǔn)常數(shù)(A0)和第二校準(zhǔn)常數(shù)(A1)的步驟。
[0040]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，透射的步驟包括配置用于輻射受試者的活組織的至少一個輻射源的步驟。
[0041 ] 此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，方法進一步包括計量步驟，其包括以下步驟:
[0042]使至少兩個不同波長透射穿過具有已知光學(xué)性質(zhì)和厚度的透射材料；
[0043]檢測并記錄透射穿過透射材料的信號和厚度測量裝置的信號；
[0044]根據(jù)以下方程式計算各波長處的組織透射率T ( λ ):
[0045]T(X) =JTW 黑
[0046]其中:
[0047]JT(A)為測試架中的透射材料在波長λ處的已知透射率；
[0048]UT(A)為響應(yīng)于處于波長λ的光透射穿過組織所記錄的檢測器信號；并且
[0049]UJ(A)為響應(yīng)于處于波長λ的光透射穿過透射材料所記錄的檢測器信號；以及
[0050]根據(jù)以下方程式計算組織厚度d:
[0051]d = W
3 Ujd[0052]其中Jd為透射材料的已知厚度；
[0053]Ud為在測量組織時，厚度測量裝置的所記錄信號；并且
[0054]UJd為在測量測試架時，厚度測量裝置的所記錄信號。
[0055]此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，根據(jù)以下方程式計算膽紅素水平:
[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量受試者的膽紅素水平的非侵入式設(shè)備，其包括: 用于輻射受試者的活組織的至少一個輻射源，所述至少一個輻射源被配置來以至少第一波長和至少第二波長發(fā)射福射； 用于檢測透射穿過所述組織的射線的至少一個檢測器； 用于向所述受試者的活組織的部分施加轉(zhuǎn)白壓力的裝置； 用于測量所述受試者的活組織的所述部分的厚度的裝置，其中輻射正在透射穿過所述活組織；以及 與所述至少一個輻射源、所述至少一個檢測器和用于測量厚度的所述裝置連通的處理裝置， 其中所述處理裝置被配置使用從所述至少一個檢測器和所述厚度測量裝置獲得的數(shù)據(jù)，計算所述受試者的所述膽紅素水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于施加轉(zhuǎn)白壓力的所述裝置包括其中包括一對可旋轉(zhuǎn)臂、單個移動或旋轉(zhuǎn)臂，以及夾子或鉗子設(shè)備的一組設(shè)備中的一個，其被配置附接到正在測量的所述組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少第一波長和所述至少第二波長包括在520nm±5nm范圍內(nèi)的第一波長(λ I)和在470nm± IOnm范圍內(nèi)的第二波長(λ 2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個輻射源包括一組中的一個，所述組包括至少兩個激光二極管、至少兩個發(fā)光二極管(或LED)，以及至少一個激光二極管連同至少一個LED。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個輻射源包括白光發(fā)射極和用于過濾所發(fā)射白光的至少兩個濾光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括光學(xué)裝置，其被配置來將從所述至少一個輻射源發(fā)射的光束向著所述受試者的活組織引導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述光束在不同的時間透射穿過所述組織。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括光導(dǎo)向裝置和光學(xué)耦合裝置，所述光學(xué)耦合裝置被配置來將從所述光導(dǎo)向裝置接收的光束引導(dǎo)至所述至少一個檢測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個輻射源包括用于發(fā)射同步信號的裝置，所述同步信號包括: 第一振蕩器和第二振蕩器，其分別被配置來生成具有第一頻率的第一電信號和具有第二頻率的第二電信號； 第一驅(qū)動單元和第二驅(qū)動單元，其電耦合到所述第一振蕩器和所述第二振蕩器； 第一光發(fā)射兀件和第二光發(fā)射兀件，其適于生成第一光信號和第二光信號，所述第一光發(fā)射元件和所述第二光發(fā)射元件電耦合到所述第一驅(qū)動單元和所述第二驅(qū)動單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括: 雙色光束組合器，其被配置來將所述第一光信號和所述第二光信號組合成單個光束，所述光束包括分別具有第一調(diào)制頻率(Fl)的第一光波長(λ I)和第二調(diào)制頻率(F2)的第二光波長(λ 2)的分量。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括:參考檢測器，其被配置來接收和測量所述雙色光束組合器上的光入射的一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進一步包括: 檢測-放大器單元，其包括適于產(chǎn)生對應(yīng)于所述檢測-放大器單元接收到的所述第一光信號和所述第二光信號的電信號并且將得到的電信號放大的光感測裝置； 第一同步檢測器和第二同步檢測器，其被配置來接收所述第一信號和所述第二信號，并且從所得到的電信號中提取分別處于波長λ?和頻率Fl以及波長λ2和頻率F2的透射信號的幅度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于測量所述組織厚度的所述裝置包括其中包括電位計、光學(xué)測量裝置、旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器(RVDT)和線性可變差動變壓器(LVDT)的一組設(shè)備中的一個。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進一步包括用于測試所述設(shè)備的計量裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述計量裝置包括由具有已知光學(xué)性質(zhì)和厚度的透射材料構(gòu)成的測試架。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進一步包括用以消除所測量透射信號中的外部干擾的裝置。
17.一種用于測量受試者的膽紅素水平的方法，其包括以下步驟: 向所述受試者的活組織施加轉(zhuǎn)白壓力； 測定所述受試者的轉(zhuǎn)白組織的厚度； 使至少兩個不同波長透射穿過受試者的轉(zhuǎn)白組織； 檢測并記錄透射穿過具有轉(zhuǎn)白壓力施加在其上的所述組織的信號；以及 使用從所述所記錄信號和所述厚度處獲得的數(shù)據(jù)，計算所述受試者的所述膽紅素水平。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括以下步驟: 計量被配置來測量所述膽紅素水平的設(shè)備；以及 計算第一校準(zhǔn)常數(shù)(AO)和第二校準(zhǔn)常數(shù)(Al)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述透射的步驟包括以下步驟: 配置用于輻射所述受試者的活組織的至少一個輻射源。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進一步包括計量步驟，所述計量步驟包括以下步驟: 使至少兩個不同波長透射穿過具有已知光學(xué)性質(zhì)和厚度的透射材料； 檢測并記錄透射穿過所述透射材料的所述信號和厚度測量裝置的所述信號； 根據(jù)以下方程式計算各波長處的組織透射率Τ( λ):
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中計算所述膽紅素水平的所述步驟根據(jù)以下方程式:
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述檢測步驟包括以下步驟 去除環(huán)境噪聲和來自所接收的信號的干擾以及來自環(huán)境光的干擾。
【文檔編號】A61B5/1455GK103747732SQ201280039213
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月20日
【發(fā)明者】J·莫爾肖, E·茲摩拉 申請人:內(nèi)蓋夫本·古里安大學(xué)研究與發(fā)展機構(gòu), 莫爾研究應(yīng)用有限公司