專利名稱：皮膚膽紅素濃度的無損傷測定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如皮膚等組織的無損傷分析的過程及裝置。
許多工作揭示有可能通過發(fā)送白色光到諸如皮膚或植物組織等組織上并分析反射的光來獲得關(guān)于組織的性質(zhì)特別是其各種成分的濃度的某些信息。一般原理是取決于光所遇到的成分，不同地反射構(gòu)成白色光的各種波長的成分。從而反射光的精密與連續(xù)的分析應(yīng)能獲得受檢驗的組織的相當精確的無損傷分析。
然而按照這一原理操作的已知裝置需要諸如光譜儀等昂貴的光學分析設(shè)備及強有力的計算器來分析收集的數(shù)據(jù)以及各種設(shè)備的精確定標。
本發(fā)明提供克服這些實現(xiàn)上的困難的過程及測定裝置。
為此，本發(fā)明的測定皮膚成分濃度特別是皮膚中膽紅素濃度的過程的特征在于，進行帶有代表要進行的測定的第一給定波長的光的反射的第一測定，及至少用作參照的預(yù)定波長的光的第二反射的測定，通過計算對該第二波長在組織上測定的反射與對該相同的第二波長在標準樣品上測定的反射之間的比K來確定反射參照單位值；及在為了得出要與參照值表比較的值而用前面測定的因子K校正所述反射測定值之后，按照這一第一波長的預(yù)定已知值的表測定第一給定波長的反射而推導出要估算的成分的濃度。
按照本發(fā)明的裝置本身的特征在于它包含-能向要檢驗的組織接連地發(fā)送帶有各種定義的波長的許多閃光并接收與測定返回的反射光的讀出頭，
-諸如微處理器等計算器，能計算各波長的反射光量并使其成為與給定的預(yù)定參照波長相等的參照值成比例計算的值，-能將這樣計算的值與參照值表比較的比較器。
有利地，這一裝置利用電發(fā)光二極管來發(fā)送確定波長的順序閃光。
從下面結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明及其實現(xiàn)將更清晰。
附圖中

圖1示出皮膚對光的光學反射的基本原理。
圖2示出為三個受驗者記錄的三條LIR曲線，所述曲線已受到數(shù)學處理以便將它們對給定的波長閾值進行矯正。
圖3為按照本發(fā)明的裝置的原理圖。
圖4、5與6示出所述裝置的實際使用的基本原理。
圖7為按照本發(fā)明的測定裝置的實現(xiàn)的改型圖。
圖1為關(guān)于光的傳播及其受皮膚的反射的原理的提示。這一原理是明確的，尤其是在Dawson、Barker等人的出版物“自然條件下皮膚對光的吸收與散射的理論與實驗研究”(Phys.Med.Bial.1980，卷25，n°4，695-709頁)。
接連地考察，層1為角質(zhì)層，層2對應(yīng)于表皮，層3對應(yīng)于真皮而層4對應(yīng)于下皮，如果將這些接連的層的反射系數(shù)分別稱作R1、R2、R3及R4，并將相同的層的透射系數(shù)稱作T1、T2、T3及T4，反射光總體上為I＝I0R1+I0T12R2+I0T12T22R3+I0T12T22T32R4…如果皮膚不太干，反射系數(shù)R1、R2及R3明顯地低于R4，而總反射降低到R＝(I/I0)#T12T22T32R4…
取反射的倒數(shù)的自然對數(shù)(LN-Neperian logarithm)LIR，得出LIR＝-LN(T12)-LN(T22)-LN(T32)-LN(R4)……代表所有波長的這一LIR能顯示所有皮膚特征。從而有可能畫出曲線及通過分析刻劃皮膚的各種成分的特征的對應(yīng)吸收帶來從它們推論出皮膚質(zhì)量，及推導出諸如膽紅素、血紅蛋白、黑色素等的濃度。
如上所述，這一理論的實際應(yīng)用遇到相當大的設(shè)備與定標困難，由于這些曲線在受檢驗者之間變化很大，特別是取決于受檢驗者本人的色素形成(pigmentation)。
借助本發(fā)明，便有可能通過將所有曲線“調(diào)諧”到用作參照的特定波長λr的參照閾值的水平上來克服關(guān)于受檢驗者之間非常不同的皮膚反應(yīng)的這些困難，它只須在閾值設(shè)定值的簡單計算之后記錄精確的及相關(guān)波長的少數(shù)測定點便能執(zhí)行定性與定量分析而無須畫出曲線(從而避免對頻譜儀的需求)。
參見圖2，其中示出了三條曲線，其中縱坐標上以LIR％測定的吸收作為三個不同受檢驗者的皮膚所接收的光的波長的函數(shù)。然而，這些曲線是經(jīng)過數(shù)學處理的，以便使它們標準化及展示本發(fā)明的裝置與過程的操作。
為了得出圖2中的曲線，采取了四個接連的步驟。
第一步驟通過在“灰”或“白”“標準樣品”(諸如硫酸鋇的壓實粉末)上測定反射來進行定標。為了好的結(jié)果，特別是為了消除二極管中可能的偏移，隨著時間的進行與/或響應(yīng)室溫，在每一次測定之前在所選擇的“灰”或“白”標準樣品上執(zhí)行所述定標/標準化。
在所示的實例中，假設(shè)分別對波長520nm、460nm、660nm、545nm、575nm、及430nm，執(zhí)行6次接連的測定。這些特定的波長能用適當質(zhì)量的電發(fā)光二極管DEL實際發(fā)射。
圖3示出測定裝置的圖。這里的裝置1包括將例如略成園錐形與會聚的光束(如用箭頭所示)發(fā)送到要受檢驗者的皮膚2上的電發(fā)光二極管DEL?；旧洗怪庇谑軝z驗者的皮膚的反射光被分析接收的輻射強度的檢測器3接收。采用園錐形束在若干方面有利通過在輸出的光在皮膚2上基本上縮小到一點時測定反射，能消除絕大部分鏡面反射并且還能精確確定裝置1的位置與皮膚之間的最佳距離d。該園錐角最好在30°與50°之間，例如45°附近。
測定裝置的檢測器記錄反射系數(shù)的強度二極管D1為IOD1，二極管D2為IOD2，二極管D6為IOD6。
第二步驟執(zhí)行操作來測定要測試的皮膚上的反射。
在兒童“X”的皮膚上的測定過程中，測定裝置的檢測器記錄反射系數(shù)的強度二極管D1為IXD1，二極管D2為IXD2，…二極管D6為IXD6。
第三步驟進行數(shù)學“標準化”處理，使得對于給定的參照波長，在本例中為520mm上的第一二極管D1的波長，所有曲線都通過在縱坐標上測定的同一吸收級點，或反射系數(shù)。
計算器，最好是微處理器，執(zhí)行下述標準化計算。
對于二極管D1，(IXD1/IOD1)＝RX1對于二極管D2，(IXD2/IOD2)＝RX2…對于二極管D6，(IXD6/IOD6)＝RX6。
以后的運算是使得，對于選擇作為相關(guān)的λf1的參照波長，所有反射系數(shù)RXIf都等于參照值Rf。
RX1f＝Rof4 K＝Rof/RX1f然后將各反射系數(shù)RXn乘以對應(yīng)的因子K以獲得標準化的系數(shù)Rxnf。
Rx2f＝KRx2…Rx6f＝KRx6對于這一參照波長，通過將所有反射級引導到相同的閾值級Rf上，便有可能通過簡單地讀取對應(yīng)的標準化LIR，運算受檢驗的濃度的直接讀數(shù)，諸如膽紅素濃度。
第四步驟微處理器從標準化的反射系數(shù)計算出LIRLIRX1＝Log(1/Rx1f)＝Log(1/Rf)＝常量LIRX2＝Log(1/Rx2f)…LIRX6＝Log(1/Rx6f)這樣建立的LIR能與頻譜曲線進行比較，即在所示的實例中對應(yīng)于三個受檢驗者的各種反射系數(shù)的三條曲線。在所示的曲線實例中，整個曲線是頻譜儀從連續(xù)地分析從430nm至750nm范圍內(nèi)的波長實際得出的，以便獲得這些曲線的路徑的更精確的表示，雖然它們對于皮膚的各種成分的分析測定并非真正必要，如下面對照三個給出的測定實例詳細說明的。
回到圖2，對于460nm的波長，分別能在3條曲線C1、C2、C3上找到對應(yīng)的標準化LIR以％測定的大約0.75、0.55及0.5的吸收率。如能注意到的，所述吸收級的簡單測定能推論出曲線C2受檢驗者，膽紅素的濃度是正常的，而對于曲線C1的受檢驗者，其膽紅素濃度是高的，及對于曲線C3的受檢驗者，其膽紅素濃度太低?？蓪⑦@些數(shù)據(jù)(這些LIR百分比)簡單記錄在已經(jīng)測試與已知的參照值的表中。
類似地，有可能從545nm或550nm上的二極管D4或575nm上的D5發(fā)射的光的反射率估算血紅蛋白含量。430nm附近的二極管D6的發(fā)射區(qū)中的反射強度的測定會進一步增加結(jié)果的精度。
通過相對于二極管D3在660nm附近(在從620到780nm的范圍內(nèi))發(fā)射的光的反射率的強度能估算出皮膚色素形成。實際上，已觀察到超過這一點以后的LIR曲線基本上是直線，從而距這一波長足夠遠的兩點(諸如大約620nm與780nm)的這一曲線上的判定能精確地確定非洲人、歐洲人、亞洲人等類型的對應(yīng)膚色特征。
借助本發(fā)明的過程，由于有可能只憑藉對精確與嚴格定義的波長的有限的測定，所以沒有必要跟蹤整條曲線。因為能用上述“標準化”過程克服各種皮膚的特定顏色或膚色及臨時波動。
此外，由于沒有機械壓力作用在受檢驗的組織上，不會使測定失真，好象通過作用在皮膚上的壓力進行皮膚血紅蛋白濃度測定會將血液從測定區(qū)驅(qū)開的情況。
從而，在要求測定安靜的嬰兒的光亮皮膚的膽紅素濃度時，這一膽紅素濃度是通過進行運算LIRX2-LIRX1直接從用二極管D2測定的LIRX2估算的。
如果膽紅素濃度是在有色皮膚[非歐洲人種群]與/或多動(restless)嬰兒[血液在皮膚區(qū)中快速流動]身上測定的，因為減法LIRX2-LIRX1及因為值LIRX1是用上述運算標準化的(與二極管D1相同標準化反射閾值Rf，為各測定值標準化的)LIRX2的指標是以相同方式自動校正的。
參見圖4至6，其中示出如何由于采用了園錐形光束，便立即有可能如圖5中所示確定裝置與受檢驗者的皮膚之間的正確測定距離d。當裝置太靠近時，如圖4中所示，皮膚并不顯示圖5中的針尖，并且如果裝置太遠，如圖6中所示，也不顯示針尖。
從而能將裝置設(shè)計成，當將它指向皮膚時，只在該裝置在正確的距離上時，即在光束在皮膚上基本上會聚成針尖時，才觸發(fā)發(fā)光。
按照圖7中所示的實施例的改型，帶有圖4中所示的讀出頭的電發(fā)光二極管DEL從有利地包含在30°與60°之間的角α，例如45°，照亮圖5中所示的皮膚表面；在皮膚上反射光束6；通過將裝置的讀出頭的傳感器7設(shè)置在垂直于皮膚的照亮區(qū)的表面5的軸8上，傳感器7只檢測到受皮膚散射的來自電發(fā)光二極管4的一部分光，而不是取決于皮膚的亮度的皮膚表面上反射的光。從而有可能得出關(guān)于要測定的特征，膽紅素濃度、血紅蛋白濃度等，更可靠的數(shù)據(jù)。
圖7中，將透鏡9安裝在皮膚散射的光的光束10的光徑中，以便增強傳感器7檢測到的光能。11與12分別表示電發(fā)光二極管4的電源線與來自傳感器7的光輸出。
有利地，如果采用發(fā)射諸如前面定義的適當波長的五或六個電發(fā)光二極管DEL，則最好接連地供電這些二極管以便傳感器能接連地執(zhí)行分析這些結(jié)果所需的反射強度測定。在要分析的組織上執(zhí)行每一次測定之前，如上所述，在“灰”或“標準白色”上定標該裝置，這便能夠計算前面所述的系數(shù)K。
雖然已為分析皮膚中所包含的膽紅素濃度，或諸如色素、血紅蛋白等其它皮膚成分較精確地描述了本發(fā)明，本發(fā)明的原理能延伸到分析任何組織，假定必須為之記錄反射強度來得出相關(guān)測定值而確定精確的波長，并用其上面的波長來調(diào)諧所有曲線以便得出所述曲線的標準化。
權(quán)利要求
1.測定組織成分的濃度的過程，其特征在于測定帶有代表要執(zhí)行的測定的第一給定波長的第一光反射以及為用作參照Rf的另一第二預(yù)定波長的光反射的至少第二測定，計算在組織上為這一第二波長測定的反射與在標準樣品上為這一相同的第二波長測定的反射之間的系數(shù)k，以及在于用所述反射測定在前面測定的因子k校正以便獲得要與表參照值比較的值之后，按照已知為這一相同的第一波長的預(yù)定值的表從第一波長的反射的測定值推導出要估算的成分的濃度，所述單位值與所述第二波長確定標準化之后的所有LIR曲線都通過的一個點Rf。
2.按照權(quán)利要求1的過程，其特征在于對于個體的皮膚，所選擇的第二波長為λ＝520nm。
3.按照權(quán)利要求2的過程，其特征在于對于皮膚膽紅素濃度的測定，所選擇的波長為λ＝460nm。
4.用于測定組織成分的濃度，特別是用于皮膚膽紅素濃度及特別是用于實現(xiàn)按照前面的權(quán)利要求中任何一項的過程的裝置，其特征在于它包括-能向要檢驗的組織接連地發(fā)送不同預(yù)定波長的若干閃光及接收與測定返回的反射光的讀出頭，-諸如微處理器等計算器，能計算各波長的反射光量并使其成為與預(yù)定波長相等的參照值成比例計算的值，-用于將該計算出的值與參照值表比較的比較器。
5.按照權(quán)利要求4的裝置，其特征在于它包括電發(fā)光二極管作為元件來發(fā)送各種特定波長的接連的閃光。
6.按照權(quán)利要求4或5的裝置，其特征在于它用包含在30與50度之間的角，諸如基本上等于45度的角，有利地發(fā)送光。
7.按照權(quán)利要求4至6中任何一項的裝置，其特征在于，對于受檢驗者的皮膚，用來測定參照點的光波長為大約520nm。
8.按照權(quán)利要求4至7中任何一項的裝置，其特征在于用于測定膽紅素濃度的光波長為大約460nm。
9.按照權(quán)利要求4至8中任何一項的裝置，其特征在于用于測定皮膚色素形成的光波長包括在620與780nm之間。
10.按照權(quán)利要求4至9中任何一項的裝置，其特征在于用于測定皮膚血紅蛋白的光波長為大約545與575nm的兩個波長與/或大約550nm或大約430nm之一的波長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于組織具體是皮膚膽紅素濃度的無損傷測定的方法和裝置。本發(fā)明的裝置的特征在于包括能向要檢驗的組織(2)接連地發(fā)送不同預(yù)定波長的若干閃光及接收與測定返回的反射光的讀出頭(1)；諸如微處理器等計算器，能計算各波長的反射光量并使其成為與預(yù)定波長相等的參照值成比例計算的值；用于將該計算出的值與參照值表比較的比較器。
文檔編號H04N5/44GK1419430SQ01807148
公開日2003年5月21日 申請日期2001年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者讓·米歇爾·迪克 申請人:麥迪克公司