CN108780041A - 用于漫反射光谱法的便携式光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于便携漫反射光谱法的新的光学设备；并且更具体地，涉及为了组织的生物学特性的光谱测量或分析的由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成的新颖的光学探头结构。
Description
技术领域
本申请涉及用于便携漫反射光谱法的新的光学设备；并且更具体地讲涉及新颖的光学探头设计，其由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成，以便用于组织的生物学属性的光谱测量或分析。
背景技术
获得皮肤的光学特性导致了关于皮肤生理机能、形态、以及成分的有用信息。这些能够利用光学分析方法以非侵入性的方式且实时地被获得。一种这样的光学方法是反射光谱法，包括两个组成部分：镜面反射(正反射)以及漫反射。皮肤试样的镜面反射是光不会传播到试样中，而是从试样的前表面反射。这个组成部分包含有关表面处生物学试样的信息。为了从生物学组织的更深的部分获得信息，漫反射光谱法可以被采用。
漫反射光谱是由在组织内传播的光获得。随着光束进入生物学组织，传播方向由于在下方层中的折射率变化而随机改变。光由于吸收和散射事件而在其路径上衰减。在多次散射事件之后，一些光从表面射出。这种反射的光的强度承载着关于透过媒介的光的吸收和散射的信息，其可以与形态关联以确定组织的病理状态和/或组织中的生化/分析物的浓度。漫反射光谱学已经被广泛用于非侵入性分析以及生物学组织的鉴定。这项技术提供了组织内的色素的快速定量测量。采用反射光谱法的非侵入性测量是期望的，因为它们是无痛的、无需从身体抽取流体、污染或感染的风险小、并且不会产生任何有害的废物且实现快速测量。例如，胆红素的精确、非侵入性测量可以减少与新生儿黄疸有关的多种并发症。类似地，各种病情状态的精确、非侵入性确定可以允许更快、更方便的筛查以及诊断，允许更高效的治疗。反射光谱法的生物医学应用可以包括关于结肠、食道、胃、膀胱、子宫颈、卵巢、乳腺、脑、肝脏、胰腺、心脏、口腔组织、以及皮肤的研究[1]。
用于反射光谱法的典型测量装置包括用于照亮皮肤的光源、用于评价反射光的探测器、以及用于输送和收集反射光的光学探头。光源可以是卤素灯或钨丝灯、发光二极管(LED)等。探测器可以是光探测器或光谱仪。
大体上，光纤光缆被用作为用于光传输的光学探头[2-3-4]。光学探头包括两个单独的光路，一个用于光输送至目标生物学组织，且一个用于收集来自目标生物学组织的光。
发明内容
技术问题
便携式漫反射光谱装置的设计是一项挑战，因为面临小型化装置以及制造光学设备的难度，这会导致高成本。此外，因为反射光的镜面(反射)分量，收集来自组织深处的返回光也是具有挑战的。较长的积分时间(integration time)是反射光谱法的另一个问题。
传统地，用于测量漫反射的配件是积分球(集光球)[5]。由于积分球的几何形状，其具有收集大多数反射光的能力，其可以消除任何方向特异性，并且向探测器发出积分信号(integrated signal)。然而，对于便携式皮肤测量装置而言，漫反射光谱法的应用的首要条件是紧凑、重量轻、尺寸小且用户友好的光学设备。积分球结构不会允许小型化并因此不适合在便携装置中使用。
目前，具有不同直径和光缆结构的光纤光学探头用于光学探头。例如，具有直线对正光纤且将探测光纤布置在不同位置的探头的结构是当前使用的一种设计。替代设计是具有位于所有其它光纤中间的源光纤的圆形光纤结构。此外，还可以使得微加工的光纤光学传感器面对不同数量的源光纤以及多个收集光纤。源光纤以45°的角度倾斜放置。在另一光纤光学探头中，5个光纤被采用，它们成直线地铸在铝探头中。第一光纤被用于照明，并且其它光纤被用于源探测(源探测器距离是0.6mm、1.2mm、1.8mm、和2.4mm)。尽管光纤光学探测器的宽泛使用，但是它们的制造过程是相当复杂的。特别地，在设计定制设计的探头时，可能需要切割光纤，这并非是一个容易的过程。切割光纤需要专门的切割装置，并且在切割过程之后，光纤的端部需要被抛光，这是另一个困难且费时的过程。此外，在制造光纤束时以期望对正的方式布置光纤因小直径而并不是容易的。采用光纤的另一个重要不足是光纤束中的光纤之间的死区域(dead area)。这种死区域因不允许光传输而是不利的。
反射光的主要成分包括镜面反射以及漫反射。反射光的漫反射成分是期望的，并且甚至是基本的，如果反射光谱法被用于检测皮下组织的话，这是因为镜面反射成分仅仅包含关于皮肤表面的信息。关于皮下组织中的诸如血红蛋白和胆红素的发色团的存在或浓度由来自人体组织的漫反射的光所携带。表皮层具有非常少的血或没有血，并且因此来自表皮层的对应漫反射的光成分具有很少的或没有关于生物学信息的信息。因此，关键的是收集从皮下组织返回的仅仅漫反射的光。
漫反射光谱携带关于人体皮肤内深藏的生物学发色团的浓度的信息。关键的是获取足够反射光强度，以计算这些发光团的浓度。为了获取这种足够的强度，积分时间或者系统的效率可以增加。然而，在一些诸如经皮测胆红素仪的应用中，需要快积分时间以减少环境噪音影响例如动态模糊。因此，实现更短的积分时间是漫反射光谱法中的最重要的方面之一。增加透光率是缩短积分时间的一项措施。为了更好的透光率，光传播路径应当高效地耦接至光源，并且从而光收集路径应当具有探测器。
技术方案
本申请包括用于漫反射光谱法测量的新的光学探头；更具体地讲，新颖的光学设备设计，在其中，由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成的光学探头被用于传播并接收用于光谱测量的光。在此，新颖的装置设有新的光学设备，其提供了小尺寸、易于制造过程以及低成本。另外，光学设备被设计成仅仅漫反射的光可以由探测器收集。更短的积分时间是这种新颖的光学设备的另一个优点。
在设计便携式漫反射光谱法器械时，应当考虑紧凑的、轻质量的、小尺寸的且用户友好的设计。获得这种光学设备，采用针对透光的PMMA棒是一个可靠的方案。除了在设计的光学探头中采用PMMA材料以外，本发明在光学设备组分(探测器、光源、以及探头)放置方面具有新颖性。在光谱仪下方，光源被放置，其耦接至光输送路径。微型光谱仪被用作为探测器，并被放置在光学设备上耦接至光输送路径。这种放置为所设计的光学设备产生了紧凑的结构。
在光学探头中采用PMMA材料有多个优点。首先，这使得与基于光纤光缆的系统相比实现更容易的制造过程。此外，PMMA光学探头无需如光纤光缆所需的先进的砍开装置、抛光材料或者成束过程。仅仅单件的PMMA棒与mm芯尺寸的结合具有携带足够的光强以传输或收集光的能力。最后，PMMA探头与传统光纤探头相比更易于制造，更加紧凑并且更加便宜。这些贡献导致了用于任何光谱分析的先进光学探头。
这种新颖的光学设备的另一重要方面是其通过最小化死区域而提供了最大化透光率。本发明提供了一种光学探头，其包括两个嵌套的PMMA棒，它们具有4mm和8mm的芯尺寸。外棒被用于通过由LED产生的白光而曝光皮肤表面。并且，从组织的各种层射出的反射光由内棒收集，其耦接至光谱仪。因为两个柱形PMMA棒的紧密嵌套的结构，没有在光纤光缆束中看到的死区域。
所提出的光学设备包括压敏探头，其在人体皮肤上受压时被激活。这使得用由LED光源产生的明亮的闪光照亮皮肤。这种闪光透过压敏探头所施加的皮肤传播一短距离，并且照亮位于下方的皮下组织。散射的光然后透过内PMMA棒传播，所述内PMMA棒与外PMMA棒隔离。反射光谱的镜面(反射)分量无法遵循内路径，这是因为两个棒之间的隔离。因此，仅仅漫反射的光到达光谱仪模块。
更短的积分时间是所提出的光学设备的另一优势。更高的透光率是获得更短的积分时间的主要原因。尽管PMMA材料的衰减系数不比光纤光缆小，但是这种损耗因短照明通道而可以忽略不计。另外，因为探头对皮肤表面的更大的接触面积，所以可以允许比光纤光缆接收更高的光强。
采用将由本领域技术人员清楚的这些和其它考虑的技术方案，本发明着手于用于漫反射光谱法的光学设备的新颖的构造、部件的原始放置、以及增加的透光率。更具体地，通过在光学探头设计中采用PMMA材料(使得本发明新颖)提供了新的方案。
有益效果
本发明是有利的因为其紧凑、重量轻、尺寸小且用户友好。
本发明的另一优势在于提供了探测器、源以及光学探头的新颖的布置。
本发明的另一优势在于使用具有在可见范围内的平谱的白光LED。
本发明的另一优势在于在光学探头设计中使用PMMA材料。采用这种材料使得本发明制造过程容易且便宜。
本发明的另一优势在于防止透光的死区域最小化。
本发明的另一优势在于提供最大化透光率。
本发明的另一优势在于提供更短的积分时间。
本发明的另一优势在于提供压敏探头，其在人体皮肤上受压时被唤醒。
本发明的另一优势在于其提供了漫反射的光的收集。
附图说明
附图示出了本发明根据最佳模式的完整实施例，其针对本发明原理的实际应用而被设计，并且在其中：
图1是漫反射测量系统的示意框图；
图2是皮肤组织上的入射光的示意图；
图3示出了光学设备的放大图；
图4示出了光学设备的剖视图；
图5示出了光学设备的俯视图。
具体实施方式
在图1中，示出了由白光LED所产生的光被指向到皮肤表面。光通过随机传播的方式进入到皮肤组织中。在多次散射事件之后，一些光从皮肤表面射出。这种反射的光由光谱仪收集，以获得反射光谱。由所述光谱，通过合适的数据分析可以确定皮下组织中目标发色团的浓度。
图2示出了皮肤表面1由源自外PMMA棒12的入射光照亮。如简图所示，皮肤包括三层，上层或表皮2、中间层或真皮3、以及皮下组织4。入射光5照亮皮肤表面并且进入皮下组织。光能量的一部分可以被镜面地反射6，其无法到达光收集路径。实际上，组织试样可以吸收一部分光能量，导致了吸收的光能量7。第三现象包括进入到更深组织的透射能量8。最后，一部分光可以被漫反射9。如图1所示，光的漫反射的部分可以多次改变方向并且然后这部分10由内PMMA棒13收集。为了防止光从一个棒透至另一个棒，各棒彼此通过半镜像的隔离体14而被隔离。这样，仅仅漫反射的光被分析。另外，半镜像的隔离体增加了透光率。外隔离由光学探头保持器11提供，其保持光学设备的其它部件。
在图3中示出了光学设备的放大示意图。两个柱形PMMA棒12、13以嵌套的结构被放置，并且利用隔离体材料14被彼此隔离。光学探头保持器11包含具有弹簧保持件15的弹簧16，允许压敏致动机制。这种机制允许在皮肤表面上的合适的压力，并因而帮助提供正确的测量结果。目标皮肤表面的照明通过LED来实现，其被放置在LED电路卡17上。在皮肤的足够照明之后，大体上在组织内不同深度反射的漫反射的光由内PMMA棒收集，并且传输至光谱仪18。该光谱仪被放置在电路卡19上。
现在参看图4，示出了光学设备的剖视图。在图4中，可以看出光学设备部件的放置。从上向下，光谱仪电路卡19处于由两个螺钉20固定的第一位置。收集的光通过光谱仪的狭缝21进入光谱仪18。收集PMMA棒13与该狭缝直接耦接。在光谱仪下方，LED电路卡17被放置并通过两个螺钉24被固定。在该卡上，设有具有宽平谱(例如从350nm至750nm波长)的两个白光LED 23。这些LED被定位靠近源PMMA棒12的顶表面。光穿过该路径传播并到达皮肤表面。
图5示出了光学设备的俯视图。这是在测量装置内的移动部件。在该设备用足够的压力施加至皮肤表面上时，它在装置内移动并且通过开关接触点22接触开关。这种接触激活了系统并且初始化测量。
参考文件
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Claims (8)
1.一种用于获得反射光谱的光学设备，包括：
a)用于产生合适的光的器具；
b)用于传输并接收所述光至所述基体(组织、塑料等)的器具；
c)用于收集从所述基体内深度反射的反射光的器具；
d)用于将所述漫反射的光与镜面反射的光分离以获得关于所述基体内发色团浓度的信息的器具。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，用于产生合适的光的器具是两个白光LED(23)，所述白光LED具有优选从350nm至750nm波长的宽平谱。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括用于将所述光通过外棒传输至所述基体的器具。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括用于通过内棒从所述基体接收所述光的器具。
5.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括用于通过微光谱仪检测漫反射光谱的器具。
6.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，还包括这样的器具，其将所述漫反射的光与镜面反射的光隔离，其承载关于发色团的存在或浓度的信息。
7.一种用于获得反射光谱的光学设备，其中，光学设备的部件的放置被相应地完成以提供紧凑的结构，
a)微光谱仪被放置在光学设备的最高处；
b)LED光源被放置在微光谱仪下方指向光学探头；
c)光学探头被耦接至LED以及微光谱仪。
8.一种为了光输送采用PMMA材料的光学探头结构，包括：
a)为了收集和为了照明的嵌套的PMMA棒；
b)内棒比外棒长；
c)内棒利用光学隔离体与外棒隔离。
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