CN102933137A - 用于使用布儒斯特角来测量诸如胆红素的组织分析物的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种组织分析物测量设备（2）包括：光源（4），其被构造为朝着受试者的皮肤表面发射非偏振光；以及探测器组件（8），其被配置为接收从所述受试者的所述皮肤表面和所述受试者的经皮组织反射的光，所述探测器组件包括偏振滤波器（12）和若干光探测器子组件（14）。所述偏振滤波器被构造为滤除s-偏振光并且仅使p-偏振光通过至光探测器子组件。所述光源被构造和定位成以所述非偏振光将以相对于所述测量设备的光发射平面的法线的预定角度离开所述测量设备的方式来发射所述非偏振光，其中所述预定角度是当所述非偏振光入射到所述皮肤表面上时仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度（布儒斯特角）。

Description

用于使用布儒斯特角来测量诸如胆红素的组织分析物的装置和方法
本发明涉及测量诸如婴儿的个体中的组织分析物，例如胆红素，并且更具体地涉及使用布儒斯特角来测量组织分析物的装置和方法。在一个具体实施例中，本发明涉及使用布儒斯特角来确定经皮胆红素（TcB）并基于其来估计总血清胆红素（TSB）的装置和方法。
新生儿黄疸是新生婴儿的皮肤和其他组织的变黄。通常，高于5mg/dL的胆红素水平出现新生儿的临床黄胆。对有黄疸的新生儿的护理通常需要总血清胆红素（TSB）的测量和监测，这最通常地是通过分析婴儿的血浆或血清样品来确定的。然而，如将要理解地，从婴儿抽血用于这样的分析引起疼痛和创伤。这一事实己带来若干种用于TSB的估计的无创技术的发展。
一种被称为经皮胆红素测定法的用于估计TSB的特定无创方法，涉及经皮胆红素（TcB）的测量。该方法依赖于TcB和TSB之间的高度相关性。经皮胆红素测定设备通过将光线引导到新生儿的皮肤中并且探测从新生儿的皮下组织反射回的特定波长而工作。所使用的波长的数量因不同的装置而异。所探测到的光学信号被光电探测器，例如光电二极管，转换为电信号，并且通过控制器分析所述电信号以基于所反射的信号的强度生成TSB值。
当前经皮胆红素测定装置所具有的一个问题在于这一事实：它们没有机构来消除从皮肤表面发出的反射的影响。更具体地，如上所述，在胆红素经皮估计期间，装置需要捕获和分析穿透皮肤并且被受试者的经皮组织反射回来的光。然而，入射光在皮肤表面也经历一定程度的反射（而不穿透皮肤）。那一反射光是成问题的，因为它常常使得探测设备饱和和/或给强度测量带来偏差。对于使用光来测量其他组织分析物，例如其他血液或皮肤分析物的设备而言也存在类似的问题。
因而，在诸如经皮胆红素测定法的使用光进行组织分析物分析的领域中，尚具有改进的空间。具体而言，需要一种克服从皮肤表面发出的光反射的不利影响的方法和设备。
在一个实施例中，提供一种组织分析物（例如胆红素）测量设备，包括：光源，其被构造和定位成当所述测量设备被邻近皮肤表面定位时朝着受试者的所述皮肤表面发射非偏振光；以及探测器组件，其被配置为接收从所述受试者反射的光，包括被所述受试者的所述皮肤表面以及被所述受试者的经皮组织反射的光，所述探测器组件包括偏振滤波器和若干光探测器子组件，所述偏振滤波器被构造为滤除s-偏振光并且仅使p-偏振光通过至所述若干光探测器子组件。在示例性实施例中，所述光源被构造和定位成以所述非偏振光将以相对于所述测量设备的光发射平面的法线的预定角度离开所述测量设备的方式来发射所述非偏振光，所述光发射平面被构造为邻近受试者的皮肤表面定位，其中所述预定角度是当所述非偏振光入射到所述皮肤表面上时仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度（布儒斯特角）。
在另一实施例中，提供一种测量受试者的诸如胆红素的组织分析物的方法，包括以相对于皮肤表面的法线的预定角度来将非偏振光引导至受试者的所述皮肤表面，其中响应于所述非偏振光入射到所述皮肤表面，反射光被所述皮肤表面和所述受试者的经皮组织反射，从所述反射光滤除s-偏振光，并且仅使来自所述反射的p-偏振光通过，以及基于所述p-偏振光来确定与所述分析物相关的测量结果。在示例性实施例中，所述预定角度是仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度（布儒斯特角）。
参考附图（所有附图构成本说明书的一部分，其中各附图中相同的附图标记代表相应的部分），通过考虑以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他目的、特征和特性、以及操作的方法、相关的结构元件的功能、各部分的组合和制造的经济性将会变得显而易见。然而，将要明确理解，附图仅出于图示和描述的目的并且不旨在限定本发明的限度。如在说明书中和权利要求中所使用，单数形式“一”包括复数指代，除非在上下文中明确指出不是。
图1是根据本发明示例性实施例的胆红素测量设备的示意图。
本文中所用的方向性词语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上部、下部、前、后，以及它们的派生，涉及附图中所示元件的取向并且不是限制权利要求的，除非在那里明确记载。
如本文中所采用，两个或更多个部分或部件被“耦合”到一起的表述将意味这些部分结合到一起或一起工作，不管是直接地还是通过一个或多个中间部分或部件。
如本文中所采用，两个或更多个部分或部件相互“接合”的表述将意味这些部分相互之间施加压力，不管是直接地还是通过一个或多个中间部分或部件。
如本文中所采用，词语“数量”将意味一或者大于一的整数（即，复数）。
本发明涉及使用光分析的组织分析物测量，并且具体涉及用于测量这种组织分析物的装置和方法。一种这种组织分析物是胆红素。出于举例说明目的，结合用于测量（例如，估计）胆红素水平的设备来描述本发明，该设备能够使用经皮胆红素测定法来估计胆红素水平。将理解的是那意味着是示例性的，并且本发明可用于测量其他组织分析物，例如非限制性的，氧饱和度（SpO2）、VO2、黑色素、以及血红蛋白和血红蛋白组分如高铁血红蛋白、氧合血红蛋白、去氧血红蛋白、碳氧血红蛋白等。
当光在不同折射率的两个介质之间运动时，通常一些光在边界处被反射并且一些光通过该边界透射。在一个被称为布儒斯特角（θB）的特定入射角处，下文所确定的具有特定偏振的光在该边界处不会被反射，而替代为通过该边界完全透射。布儒斯特角（θB）也被称为偏振角。当从具有折射率n1的第一介质横穿至具有折射率n2的第二介质时（n2＞n1），给出该布儒斯特角为：θB=arctan(n2/n1)。
在布儒斯特角处不能被反射的特定光偏振是这样的偏振，即光波的电场位于与入射光线和表面法线同一平面上（也即，入射平面）。这一偏振被称为p-偏振，因为其与该平面平行。另一方面，具有垂直偏振的光被称为s-偏振光。在布儒斯特角处，一些s-偏振光将透射通过该边界并且一些将被反射。因而，对于在两个介质（其中n2＞n1）之间的边界上以布儒斯特角入射的光，被反射的任何光将只是s-偏振光。
如以下更加详细描述地，本发明采用布儒斯特角的特性来提供用于在胆红素水平的经皮估计期间克服从皮肤表面发出的反射的不利影响的机构。
图1是根据本发明示例性实施例的胆红素测量设备2的示意图。胆红素测量设备2包括被构造为发射非偏振光的光源4。光源4可是单一的光发射设备或者是多个光发射设备。光源4可是，例如但非限制性的，发射非偏振光的LED（或者多个LED），该非偏振光例如是非偏振白光或者一个或多个特定波长的非偏振光，或者发射非偏振光的白炽光源（或者多个白炽光源），该非偏振光例如是非偏振白光或者一个或多个特定波长的非偏振光。此外，如图1所图示地，光源4被构造为将所发射的非偏振光通过由胆红素测量设备2的光发射部分9所定义的光发射平面7而朝着受试者的皮肤表面6引导，从而其以布儒斯特角（θB）入射到皮肤表面6。该非偏振光因而将透射至/通过第一介质和第二介质之间的边界，具有折射率n1的该第一介质由该非偏振光最初透射通过，其例如是空气[正确吗？]，并且具有折射率n2的该第二介质包括皮肤表面6。如上所述，可使用方程θB=arctan(n2/n1)（皮肤的折射率从文献可知）来确定布儒斯特角（θB）。可选地，可通过调整光源4的角位置并且找出p-偏振光从反射光中消失的角度来经验性地确定布儒斯特角（θB）。光源4可被构造为引导所发射的非偏振光从而该非偏振光通过多种方式以布儒斯特角（θB）入射至皮肤表面6上，例如通过将以那一角度引导光的传输光纤或者各光纤耦合至光源4（也可将准直透镜系统与该光纤或者各光纤耦合），或者通过准直透镜系统引导该光以将该光以那一角度导向。此外，光发射部分9可是胆红素测量设备2的壳体的被构造为允许光透出的部分，并且可例如是该壳体中允许光透出的孔或者窗（例如，玻璃的或者塑料的）。
胆红素测量设备2还包括探测器组件8，探测器组件被构造和配置为接收从诸如婴儿的受试者的皮下组织10中反射的光。例如，可将一个或多个光纤耦合至探测器组件8以收集并且引导朝着探测器组件8的反射光。在示例性实施例中，为探测器组件8屏蔽除了被反射的光之外的所有光。
探测器组件8包括偏振滤波器12。偏振滤波器12是仅使p-偏振光通过而滤除（也即，排斥）s-偏振光的滤波器。探测器组件8也包括若干探测器子组件14，其在图示的实施例中是探测器子组件14A、14B、14C（虽然示出了三个这种探测器子组件14，但是那意味着仅是示例性的，并且将意识到的是也可使用多于或者少于三个的探测器子组件14）。探测器子组件14A、14B、14C各自被构造为接收和探测从偏振滤波器12通过的光（也即，仅p-偏振光）。
每个探测器子组件14A、14B、14C包括与相关联的光电探测器18A、18B、18C操作性耦合的光学滤波器16A、16B、16C。每个光电探测器18A、18B、18C是一种将光转换为电流或者电压的设备，例如但非限制性的，光电二极管。此外，在图示的实施例中，每个光学滤波器16A、16B、16C是带通滤波器，其以光的预定波长为中心并具有预定的半高宽（FWHM）。在示例性实施例中，选择光学滤波器16A、16B、16C以使多个预定波长通过，该多个预定波长是确定受试者的TCB水平和TSB水平之一或者两者所需的（例如，484nm、517nm和563nm）。
胆红素测量设备2也包括控制器20，其操作性耦合至光源4和探测器子组件14A、14B、14C。控制器20包括：处理部分，其例如可是微处理器、微控制器或者一些其他适当的处理设备；以及存储器部分，其可在该处理部分内部或者与该处理部分操作性耦合，该存储器部分提供用于数据和软件的存储介质，该数据和软件能够由处理部分执行以用于控制胆红素测量设备2的操作，包括基于由探测器组件14A、14B、14C探测到的光强度水平来计算TcB和/或估计TSB。
在操作中，胆红素测量设备2被抵靠诸如婴儿的受试者的皮肤表面6放置。然后控制器20令光源4朝着皮肤表面6发射并引导非偏振光。如在本文中其他部分所描述并且如图1所示，那一光将以布儒斯特角（θB）入射到皮肤表面6上。这将导致来自被透射的非偏振光的p-偏振光完全通过皮肤表面6处的边界透射，并且皮肤表面6不反射p-偏振光。此外，来自被透射的非偏振光的一些s-偏振光将通过皮肤表面6处的边界透射，并且一些将被皮肤表面6反射。因而，将被皮肤表面6反射的光仅是s-偏振光。那一光将被偏振滤波器12滤除，并且因而不能到达探测器子组件14A、14B、14C。因此，探测器子组件14A、14B、14C将不会探测到被皮肤表面6反射的光，并且因而不会引起在本文中其他部分所论述的不利影响（例如，饱和）。反而是，只有已经穿透皮肤表面6并且已经被反射回来的光将到达探测器子组件14A、14B、14C。更具体地，完全通过皮肤表面6处的边界透射的p-偏振光（以及也被透射的任何s-偏振光）将经历多次散射，并且其中的一些将被皮下组织10反射并且朝着探测器组件8被引导。从皮下组织10反射的p-偏振光将通过偏振滤波器12（从皮下组织10反射的任何s-偏振光将被滤除），并且将被光学滤波器16A、16B、16C滤波并被光电探测器18A、18B、18C探测，该光电探测器18A、18B、18C各自将所探测到的光转换为电信号（电压或者电流）。然后将那些电信号提供给控制器20。在示例性实施例中，在将电信号提供给控制器20之前，使用例如运算放大器来将该电信号放大。然后控制器20将基于那些信号使用若干种已知方法来计算TcB和/或估计TSB。适当的方法在例如一个或多个下列各项中得到描述，其公开内容通过引用并入本文中：美国专利号5,353,790;6,847,835;6,882,873;S.L.Jacques等人,“Developing an Optical Fiber reflectanceSpectrometer to Monitor Bilirubinemia in Neonates",SPIE Proceedings 2975:115-124,Laser-Tissue Interactions，San Jose,CA Feb.1997；和G.J.Newman,“Bilirubin Measurements in Neonates,"SPIE Vol.3913(2000),in In VitroDiagnostic Instrumentation。
在一个示例性实施例中，胆红素测量设备2是完全一体的系统，其中光源4和探测器组件8两者都定位在同一个测量板上，与皮肤或者测量表面稍微分开的定位，以允许光源4发射的光如本文中所描述的被反射以及探测。需要小心的是要防止引导来自光源4的光撞击探测器组件8。而是，只允许被反射的光如此。
此外，可基于两个参数来估计/预测探测器子组件14A、14B、14C（以及偏振滤波器12）的最佳布置，该两个参数是s-偏振反射光的角度（其如图1所示与入射光的布儒斯特角（θB）相同）和入射光在皮肤之内的穿透深度。穿透皮肤表面6的光取决于可以穿透直至表皮（在皮肤表面6之下，其中沉积着胆红素）末端的入射光的强度。已经穿透皮肤表面6的光经历了多次散射并且也经历了全内反射。如果散射光入射角小于θ临界（临界角），那么该光将被反射回来。因此，在示例性实施例中，探测器子组件14A、14B、14C不应当被放置超出θ临界（临界角），因为将不会获得来自皮肤的反射光。在另一可选实施例中，根据角度来扫描探测器信号以估计从皮肤透射返回的光的角度范围，从而可以建立被确定为没有光透射回来的外部边界。
虽然已经出于举例说明目的基于当前被认为是最实用和优选的实施例来详细描述了本发明，但是将理解的是细节仅出于那一目的并且本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖处于所附权利要求的精神和范围之内的修改和等效布置。例如，将理解的是，本发明预期任何实施例的一个或多个特征可以尽可能地与任何其他实施例的一个或多个特征相组合。

Claims (17)

1.一种组织分析物测量设备（2），包括：
光源（4），其被构造和定位成当所述测量设备被邻近受试者的皮肤表面（6）定位时朝着所述皮肤表面发射非偏振光，以及
探测器组件（8），其被配置为接收从所述受试者反射的光，包括被所述受试者的所述皮肤表面以及被所述受试者的经皮组织反射的光，所述探测器组件包括偏振滤波器（12）和若干光探测器子组件（14），所述偏振滤波器被构造为滤除s-偏振光并且仅使p-偏振光通过至所述若干光探测器子组件。
2.如权利要求1所述的测量设备，其中，所述光源被构造和定位成以所述非偏振光将以相对于所述测量设备的光发射平面（7）的法线的预定角度离开所述测量设备的方式来发射所述非偏振光，所述光发射平面被构造为邻近受试者的皮肤表面定位，其中，所述预定角度是当所述非偏振光入射到所述皮肤表面上时仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度。
3.如权利要求2所述的测量设备，其中，所述预定角度是使用人类皮肤的折射率确定的布儒斯特角。
4.如权利要求2所述的测量设备，其中，所述光源被构造和定位成当所述测量设备抵靠所述皮肤表面放置时，以所述非偏振光将离开所述测量设备并且以相对于所述皮肤表面的法线的预定角度入射到所述皮肤表面上的方式来发射所述非偏振光，其中，所述预定角度是当所述非偏振光入射到所述皮肤表面上时仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度。
5.如权利要求4所述的测量设备，其中，所述预定角度是使用人类皮肤的折射率确定的布儒斯特角。
6.如权利要求1所述的测量设备，其中，所述若干光探测器组件是多个光探测器组件。
7.如权利要求6所述的测量设备，其中，所述光探测器子组件中的每个包括滤波器（16）和光电探测器（18）。
8.如权利要求7所述的测量设备，其中，每个滤波器以预定波长为中心。
9.如权利要求8所述的测量设备，其中，所述组织分析物是胆红素，其中，所述滤波器被构造为使多个预定波长通过，该多个预定波长为确定所述受试者的TCB水平和TSB水平之一或者两者所需的。
10.如权利要求9所述的测量设备，还包括控制器（20），该控制器操作性耦合至所述光源和所述若干光探测器子组件，其中，每个光电探测器被构造为将通过其接收的光转换为电信号，并且其中，所述控制器适于基于从每个光电探测器接收的所述电信号来确定所述受试者的TCB水平和TSB水平之一或者两者。
11.如权利要求7所述的测量设备，其中，每个光电探测器是光电二极管。
12.一种测量受试者的组织分析物的方法，包括：
以相对于受试者的皮肤表面的法线的预定角度来将非偏振光引导至所述皮肤表面，其中，响应于所述非偏振光入射到所述皮肤表面上，反射光被所述皮肤表面和所述受试者的经皮组织反射；
从所述反射光滤除s-偏振光，并且仅使来自所反射的p-偏振光通过；以及
基于所述p-偏振光来确定与所述分析物相关的测量结果。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定角度是仅有s-偏振光将被所述皮肤表面反射的角度。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定角度是使用人类皮肤的折射率确定的布儒斯特角。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述确定包括对所述p-偏振光滤波以产生一个或多个经滤波的光，探测所述一个或多个经滤波的光并且使用所述所探测的一个或多个经滤波的光来确定所述测量结果。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述一个或多个经滤波的光是每个均包括预定波长的多个经滤波的光。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述组织分析物是胆红素，并且其中，每个预定波长是确定所述受试者的TCB水平和TSB水平之一或者两者所必需的。
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