CN101686821B - 用于近红外光谱学的光强度控制 - Google Patents

用于近红外光谱学的光强度控制 Download PDF

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Abstract

一种用于近红外光谱学的系统，包括控制器，该控制器自动地选择一个或多个光源的光强度。该系统可以逐步地增加或降低驱动光源的电流直到光检测器接收的信号位于期望的范围内。该系统可以在光源强度设置之后对光源强度保持闭环控制。该闭环控制可以基于来自感测该光源的光的第二光检测器的信号。可以对多个光检测器中的每一个建立电流/强度设置。响应于光检测器的选择，可以传送相应的电流以驱动光源。

Description

用于近红外光谱学的光强度控制
相关申请的交叉引用
本申请要求在2007年5月1日提交的申请号为60/915402、名为LIGHTINTENSITY CONTROL FOR NEAR INFRARED SPECTROSCOPY的美国专利申请的优先权。为了美国的目的，本申请要求在2007年5月1日提交的申请号为60/915402、名为LIGHT INTENSITY CONTROL FOR NEAR INFRAREDSPECTROSCOPY的美国专利申请在35U.S.C.119下的权益，此处通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及近红外光谱学(NIRS)。实施例提供用于通过NIRS测量在活的对象的组织中组分(典型的是生物学组分)的浓度的装置和方法。
背景技术
近红外光谱学(“NIRS”)是一种涉及发射近红外(“NIR”)光并在NIR光通过感兴趣的组织或其它媒介之后接收NIR光的技术。NIRS可用于研究和检测体内生物化学组分。发射的NIR光穿透皮肤和其它组织并且其中一些被具有NIR区域中的吸收光谱的生物化学组分吸收。没有被吸收的NIR光被散射。每种生物化学组分具有不同的吸收光谱。通过测量在NIR光穿过组织之后被检测到的NIR光的特征可以估计组织中生物化学组分的浓度。
典型的NIRS装置发射具有多个波长(通常两个或多个波长)的光并且在光穿过活的对象的组织之后检测所述光。由于光检测器仅在给定的区域是敏感的，所以发射的光的强度必须足以被光检测器检测到。此外必要的是，光的强度不能太大以至于检测器饱和。
存在对用于对活的对象进行NIRS的成本低且易于操作的装置的需求。
附图说明
附图示出本发明的非限制性的示例性实施例。
图1是根据本发明的实施例的NIRS装置的框图。
图2是用于操作根据本发明的实施例的NIRS装置的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于进行NIRS的装置10。装置10具有若干光发射器12(分别标记为12A、12B和12C)。光发射器的数量可以取决于想要的应用。典型地，有两个或三个或四个光发射器。光发射器的其它数目也是可以的。一些实施例可以提供五个或更多个光发射器。
在一些实施例中，光发射器12包括固态的激光器(例如激光二极管)或高强度发光二极管，或发射具有合适的波长的光的其它光发射器。来自光发射器12的光由光纤14或者其它光导管传送到可被置于对象皮肤上的探针或胶布18。在胶布18上还具有一个或多个光检测器20。
在操作中，由光源12发射光。每个光发射器12发射具有与其它光发射器12不同光谱特征的光。例如，每个光发射器12可以发射在与其它光发射器12不同的窄波长带中的光。装置10可以制造成对不同组分的或与不同波长的光不同地相互作用的其它物质的浓度的变化敏感。由光发射器12发射的波长典型地位于光谱的近红外部分(尽管此处描述的装置和方法不限于任何特定的波长或波长范围)。
光由光纤传送到胶布18，在胶布18处光进入患者的组织。在患者的组织内光被散射回。散射回的光由光检测器20拾取(picked up)。对在检测器20处在不同波长处检测的散射回的光量的测量允许待监视的各种生物组分(和/或在对象的组织中存在的其它物质)的浓度的变化。
期望由每个光发射器12输出的光具有如下强度，该强度使得由光发射器12发射的、散射回(或传输)的并且随后在检测器20处被检测的光具有在检测器20的范围的一部分中的强度，使得光检测器20可以检测散射回(或传输)的光的强度的变化并且光检测器20没有饱和。
所检测的光的强度取决于多个因素，包括：
·由光发射器12发射的光的强度；
·光从发送器12通过对象的组织到检测器20的路径的长度；
·检测器20对来自光发射器12的光的敏感度；
·光所传播通过的组织的特性；以及
·将光从光发射器12传输至对象并从对象传输至检测器20的每个光学路径或设备的效率。
装置10包括控制器22，其这样调整每个光发射器12的输出，使得在光检测器20处检测的散射回的光位于操作的该期望的范围内，优选位于光检测器20对其敏感的光强度的范围的中心附近。由于光检测器20可以具有取决于波长的敏感度，期望的强度可以对于每个光发射器12不同。
控制器22控制电流源24A、24B和24C(在示出的实施例中作为电源25的单独可控的输出示出)，其分别调整提供给每个光发射器12A、12B和12C的电流。
控制器22可以包括：
·可编程控制器，诸如数字信号处理器、微处理器等等；
·由现场可编程门阵列(FPGA)提供的逻辑电路、一组离散逻辑电路、特定于应用的集成电路(ASIC)等等；
·以上的组合。
控制器22具有校准模式，其中，控制器响应于在光检测器20处检测的光的测量值来调整光发射器12的输出(例如所发射的光的强度)。在一些实施例中光发射器12的输出在改变驱动每个光发射器12的电流时可以不同。控制器22(例如通过调整驱动电流)改变每个光发射器12的光输出直到在光检测器20处检测的光位于光检测器20的范围的合适部分中。
如果控制器22完成其校准序列而没有能够将驱动光源的电流设置为使得光源具有期望的强度的值，则控制器22可以发送报警状况的信号，例如通过在用户界面上显示故障光、故障消息，发送听得见的报警信号等等。
在典型的实施例中，在运行期间，对每个光发射器12施加脉冲。例如，可以运行每个光发射器以发射几个毫秒或微秒长的光脉冲。光发射器12可以被操作使得在任意给定的时间仅有一个光发射器12运行。这使得可以单独地确定在每个光发射器12的波长处散射回的光的量变。在替换实施例中，可以同时运行两个或多个光发射器12，但是在不同时间按照不同组合，以便允许在待确定的多个波长的每个波长处散射回的光的量变。
在校准模式中，可以在由相应的电流源24在控制器22的控制下设置的电流电平上对每个光发射器12施加脉冲。控制器22在光发射器12被施加脉冲的时刻可以从光检测器20检测的光的强度确定，是否可以检测相应于从光发射器12被散射回的光的信号，以及散射回的光是否具有适合于使得检测的信号具有在期望的范围内的电平的强度。如果散射回的光太亮，则控制器22可以降低驱动光发射器12的电流直到散射回的光具有位于期望的范围内的强度。如果散射回的光太暗，则控制器22可以增加光发射器12的驱动电流直到散射回的光位于期望的范围内。对驱动每个光源12的电流的调整可以在校准期间以逐步的方式进行。
在一些实施例中，根据在检测器20处检测的光强度与期望的光强度相差多大，步幅的大小可以不同。如果在检测器20处检测的光的强度远远大于或小于期望的光强度，则可以按照相对大的步幅改变驱动光发射器12的电流。如果在检测器20处检测的光的强度不是最佳的但是非常接近最佳的光强，则可以按照小的步幅调整驱动相应的光发射器12的电流。
在调整了每个光发射器12使得在光检测器20的范围的一个期望的部分内能够在光检测器20处成功地检测到散射回的光之后，然后可以控制提供给每个光发射器12的电流以保持用于每个光发射器12的电流(并且因此由每个光发射器12发射的光的强度)处于最佳值。
图2示出了按照本发明的示例性实施例的方法40。可以在数据处理器或通过提供由可编程设备执行以执行方法40的指令在其它可编程设备中执行方法40。
在块42中，对于每个光发射器12设置初始开始电流。该初始值可近似位于用来运行每个光发射器12的阈值电流处。在块44中，设置合适的目标信号电平并选择一个光发射器12用于初始调整。在块45中，利用位于初始值的电流来运行所选择的光发射器并且测量在光检测器20处接收的结果信号。
在块46中，确定检测的信号是否位于期望的范围中。如果在块46中产生“是”，则在块47中设置标志以表示所选择的光发射器12已经被调整。然后块48确定是否所有的光发射器12都被调整了。如果在块48中产生“否”，则在块49中选择下一个光发射器12并且方法40返回到块45，在那里选择下一个光发射器12。
如果在块48中产生“是”，则所有的光发射器12都已经被调整了并且在块99结束方法40。
如果在块46中产生“否”，则块50确定为当前的光发射器12选择的电流是否具有位于允许的电流范围之外的值。如果是，则在块51中，将驱动所选择的光发射器12的电流带回到允许的范围中并且在块52中分析目标信号电平以确定它是否能够被降低。如果存在低于存在的目标信号电平的允许的目标信号电平，则在块54中，将目标信号电平设置为该更低的值并且控制返回到块44。如果没有更低的允许信号，则在块55中，设置标志以表示不可能获得合适的信号电平并且方法40在块99终止。
如果在块50中产生“否”，则块57确定检测的信号是否小于最大允许的检测信号。如果是，则在块58中降低用于当前的光发射器12的驱动电流。如果否，则在块59中增加用于当前的光发射器12的驱动电流。在块60中，方法40选择下一个光发射器12并且返回到块45用于继续处理。
可以理解的是，至少在一些实施例中，本发明的方法和装置是具有优点的，因为它们自动地考虑光检测器对光的不同波长的敏感度的不同。
在一些实施例中，在已经确定了每个光发射器12的期望的强度之后，关于来自(未示出的)单独的光检测器的信号来控制每个光发射器12的光输出，该单独的光检测器在从光发射器12发射的光通过对象的组织之前直接检测光。可以以闭环控制来控制每个光发射器12的光强度。
对于位于不同的位置以检测由已经组织的一部分散射回的和/或已经通过组织部分的光的多个不同光检测器20中的每个可以提供单独的校准。控制器22可以被编程或者被配置以根据哪个光检测器20被监视来施加不同的驱动电流到光源12。例如，在与光从光纤14被发射到对象内的点的不同距离或不同位置处可以有十个不同的光检测器20。对于每个光检测器20可以确定驱动电流(或确定强度的其它值)的不同的组。控制器22可以相应于特定的光检测器20选择一组电流值并且然后利用那些电流值在监视光检测器20期间操作光发射器12，然后对于其它的光检测器20重复该过程。
由于上面已经讨论了一些示例性方面和实施例，本领域技术人员将理解其某些修改、置换、附加和子组合。例如：
·在检测器20处检测的光不一定是散射回的光。可以在光穿过组织的一部分之后在前向方向上检测光。
·光检测器20不一定安装在胶布18上。光检测器20可以位于远离胶布18处。可以在与胶布18分开的探针上或者胶布上提供光检测器20，或者可以通过从胶布18延伸到光检测器20的光纤或其它光导管将光传送到光检测器20。
本发明的一些实施例包括计算机处理器，其执行软件指令，该指令使得处理器执行本发明的方法。例如，在NIRS装置中的一个或多个处理器可以通过执行处理器可访问的程序存储器中的软件指令来执行本发明的方法。还可以程序产品的形式提供本发明。程序产品可以包括载有一组包括指令的计算机可读信号的任意媒介，该指令在由计算机处理器执行时使得数据处理器执行本发明的方法。按照本发明的程序产品可以按照多种形式的任意形式。例如，按照本发明的程序产品可以包括物理媒介，诸如包括软盘、硬盘驱动器的磁数据存储媒介，包括CD ROM、DVD的光学数据存储媒介，包括ROM、闪存RAM的电子数据存储媒介等等。在程序产品上的计算机可读信号可选地可以被编码、压缩或加密。
上面涉及的组件(例如软件模块、处理器、组件、装置、电路等等)，除非另有说明，对该组件的引用应该被解释为包括作为该组件的等价物的、执行描述的组件的功能的任意组件(即功能性等价物)，包括在结构上不等价于执行在例示的本发明的示例性实施例中的功能的公开的结构的组件。

Claims (27)

1.一种用于近红外光谱学NIRS的装置，包括：
光源；
至少一个第一光检测器，可定位以在来自所述光源的光通过对象的组织之后检测该光；
控制器，连接用来接收来自该第一光检测器的输出信号，并且配置用来至少部分地基于来自该第一光检测器的输出信号来调整驱动所述光源的电流以设置由所述光源发射的光的强度，以使该第一光检测器的输出信号位于预定的范围中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源包括固态光源。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述固态光源包括激光二极管。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器配置用来响应于对所述第一光检测器的输出信号低于下阈值的确定，逐步地增加驱动所述光源的电流。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器配置用来响应于对所述第一光检测器的输出信号高于上阈值的确定，逐步地降低驱动所述光源的电流。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器被配置用来至少部分地基于所述第一光检测器的输出信号和期望的输出信号值之间的差来设置用于逐步增加电流的步幅大小。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制器被配置用来至少部分地基于所述第一光检测器的输出信号和期望的输出信号值之间的差来设置用于逐步降低电流的步幅大小。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源组成多个光源中的第一个光源，并且所述控制器被配置用来独立地为多个光源的每个光源设置强度。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述多个光源中的每个光源都能够发射具有与多个光源中的至少另一个光源的光谱特征不同的光谱特征的光，所述第一光检测器对不同光源发射的光具有不同的敏感度。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器被配置用来对多个光源的每个光源顺序地设置输出信号。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器被配置用来：以多种不同的组合来运行所述多个光源的光源；确定与所述不同组合的每个组合相对应的所述第一光检测器的输出信号的值；以及，基于对应于多个组合的输出信号的值来设置所述多个光源中第一个光源的强度。
12.根据权利要求8所述的装置，包括控制，被配置用来调整驱动所述多个光源的每个光源的电流以具有对应于由所述控制器为光源设置的强度的值。
13.根据权利要求12的所述装置，其中，所述控制包括闭环控制。
14.根据权利要求13所述的装置，包括一个或多个第二光检测器，其被定位用来接收由所述多个光源的光源发射的光，其中，所述闭环控制响应于来自所述第二光检测器的信号来控制驱动多个光源的每个光源的电流。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述控制器被配置用来在所述控制器在预定数目的尝试之后不能使所述第一光检测器的输出信号位于预定范围中时，产生报警指示。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，包括第二光检测器，设置用于检测由所述光源发射的光。
17.根据权利要求16所述的装置，包括闭环控制，该闭环控制被设置用来控制光源的光输出以具有由控制器响应于来自所述第二光检测器的信号而设置的强度。
18.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述控制器包括可编程数据处理器。
19.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，包括多个第一光检测器，其中，所述控制器被配置用来确定和存储为所述光源指定与多个第一光检测器中的每个光检测器相对应的一组光强度的信息。
20.一种用于设置用于近红外光谱学NIRS的装置的自动化方法，该用于近红外光谱学的装置包括固态光源和第一光检测器，该第一光检测器被定位用来在来自光源的光通过对象的组织之后检测所述光，该方法包括：
设置驱动所述固态光源的电流为初始值；
比较所述第一光检测器的输出信号与期望的范围；
响应于所述输出信号位于期望的范围之外而逐步地增加或降低电流以使所述输出信号接近所述期望的范围；以及，
重复所述比较以及所述逐步地增加或降低电流，直到所述输出信号位于期望的范围之内或者满足终止条件。
21.根据权利要求20所述的方法，包括对多个不同的固态光源中的每一个重复该方法。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述逐步地增加或降低电流包括：至少部分地基于所述输出信号和对所述输出信号的期望值之间的差来设置用于所述逐步地增加或降低电流的步幅大小。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一光检测器构成多个第一光检测器中的一个，其中，所述方法包括对于所述多个第一光检测器中的每一个重复该方法。
24.根据权利要求23所述的方法，包括，对于所述多个第一光检测器中的至少一个存储指定所述光源的所述电流的信息。
25.根据权利要求24所述的方法，包括，根据对所述多个第一光检测器中一个的选择，检索指定所述光源的所述电流的信息并且根据该指定的电流控制到所述光源的所述电流。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，包括，在保持对到所述光源的电流的闭环控制的同时运行所述光源。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，保持对到所述光源的电流的闭环控制包括，通过第二光检测器来监视该固态光源光输出的强度以及通过基于来自第二光检测器的输出控制到固态光源的电流。
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