CN1240341C - 皮肤胆红素浓度的无损伤测定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于组织具体是皮肤胆红素浓度的无损伤测定的方法和装置。装置的特征在于包括：能向要检验的组织(2)接连地发送不同预定波长的若干闪光及接收与测定返回的反射光的读出头，所述读出头测定带有代表要执行的测定的第一给定波长的第一光反射以及将用作为参照单位值的另一第二预定波长的至少一第二光反射；计算器，能计算各波长的反射光量并使其成为与预定波长相等的参照值成比例计算的值，计算在组织上为一第二波长测定的反射与在标准样品上为该第二波长测定的反射之间的系数k，以及用所述反射测定在前面测定的因子k进行校正以便获得要与表预定值比较的值之后，按照已知为这一相同的第一波长的预定值的表从在该第一波长的反射的测定值推导出要估算的成分的浓度，所述单位值与所述第二波长确定标准化之后的所有曲线都通过的一个点；用于将该计算出的值与参照值表比较的比较器。

Description

皮肤胆红素浓度的无损伤测定
技术领域
本发明涉及诸如皮肤等组织的无损伤分析的过程及装置。
背景技术
许多工作揭示有可能通过发送白色光到诸如皮肤或植物组织等组织上并分析反射的光来获得关于组织的性质特别是其各种成分的浓度的某些信息。一般原理是取决于光所遇到的成分，不同地反射构成白色光的各种波长的成分。从而反射光的精密与连续的分析应能获得受检验的组织的相当精确的无损伤分析。
然而按照这一原理操作的已知装置需要诸如光谱仪等昂贵的光学分析设备及强有力的计算器来分析收集的数据以及各种设备的精确定标。
发明内容
本发明提供克服这些实现上的困难的过程及测定装置。
为此，本发明的测定皮肤成分浓度特别是皮肤中胆红素浓度的过程的特征在于，进行带有代表要进行的测定的第一给定波长的光的反射的第一测定，及至少用作参照值的预定波长的光的第二反射的测定，通过计算对该第二波长在组织上测定的反射与对该相同的第二波长在标准样品上测定的反射之间的比K来为该参照值确定反射参照单位值；及在为了得出要与表预定值比较的值而用前面测定的因子K校正所述反射测定值之后，按照这一第一波长的预定已知值的表测定第一给定波长的反射而推导出要估算的成分的浓度。
按照本发明的装置本身的特征在于它包含：
-能向要检验的组织接连地发送带有各种定义的波长的许多闪光并接收与测定返回的反射光的读出头，所述读出头测定带有代表要执行的测定的第一给定波长的第一光反射以及将用作为参照单位值的另一第二预定波长的至少一第二光反射；
-计算器，能计算各波长的反射光量并使其成为与预定波长相等的参照值成比例计算的值，计算在组织上为一第二波长测定的反射与在标准样品上为该第二波长测定的反射之间的系数k，以及用所述反射测定在前面测定的因子k进行校正以便获得要与表预定值比较的值之后，按照已知为这一相同的第一波长的预定值的表从在该第一波长的反射的测定值推导出要估算的成分的浓度，所述单位值与所述第二波长确定标准化之后的所有曲线都通过的一个点；
-能将这样计算的值与一预定值的表比较的比较器。
有利地，这一装置利用电发光二极管来发送确定波长的顺序闪光。
从下面结合附图的描述中，本发明及其实现将更清晰。
附图说明
附图中：
图1示出皮肤对光的光学反射的基本原理。
图2示出为三个受验者记录的三条LIR曲线，所述曲线已受到数学处理以便将它们对给定的波长阈值进行矫正。
图3为按照本发明的装置的原理图。
图4、5与6示出所述装置的实际使用的基本原理。
图7为按照本发明的测定装置的实现的改型图。
具体实施方式
图1为关于光的传播及其受皮肤的反射的原理的提示。这一原理是明确的，尤其是在Dawson、Barker等人的出版物：“自然条件下皮肤对光的吸收与散射的理论与实验研究”(Phys.Med.Bial.1980，卷25，n°4，695-709页)。
接连地考察，层1为角质层，层2对应于表皮，层3对应于真皮而层4对应于下皮，如果将这些接连的层的反射系数分别称作R1、R2、R3及R4，并将相同的层的透射系数称作T1、T2、T3及T4，反射光总体上为：
I＝I0R1+I0T1 2R2+I0T1 2T2 2R3+I0T1 2T2 2T3 2R4…
如果皮肤不太干，反射系数R1、R2及R3明显地低于R4，而总反射降低到：
R＝(I/Io)#T1 2T2 2T3 2R4…
取反射的倒数的自然对数(LN-Neperian logarithm)LIR，得出：
LIR＝-LN(T1 2)-LN(T2 2)-LN(T3 2)-LN(R4)……
代表所有波长的这一LIR能显示所有皮肤特征。从而有可能画出曲线及通过分析刻划皮肤的各种成分的特征的对应吸收带来从它们推论出皮肤质量，及推导出诸如胆红素、血红蛋白、黑色素等的浓度。
如上所述，这一理论的实际应用遇到相当大的设备与定标困难，由于这些曲线在受检验者之间变化很大，特别是取决于受检验者本人的色素形成(pigmentation)。
借助本发明，便有可能通过将所有曲线“调谐”到用作参照的特定波长λr的参照阈值的水平上来克服关于受检验者之间非常不同的皮肤反应的这些困难，它只须在阈值设定值的简单计算之后记录精确的及相关波长的少数测定点便能执行定性与定量分析而无须画出曲线(从而避免对频谱仪的需求)。
参见图2，其中示出了三条曲线，其中纵坐标上以LIR％测定的吸收作为三个不同受检验者的皮肤所接收的光的波长的函数。然而，这些曲线是经过数学处理的，以便使它们标准化及展示本发明的装置与过程的操作。
为了得出图2中的曲线，采取了四个接连的步骤。
第一步骤：通过在“灰”或“白”“标准样品”(诸如硫酸钡的压实粉末)上测定反射来进行定标。为了好的结果，特别是为了消除二极管中可能的偏移，随着时间的进行与/或响应室温，在每一次测定之前在所选择的“灰”或“白”标准样品上执行所述定标/标准化。
在所示的实例中，假设分别对波长：520nm、460nm、660nm、545nm、575nm、及430nm，执行6次接连的测定。这些特定的波长能用适当质量的电发光二极管DEL实际发射。
图3示出测定装置的图。这里的装置1包括将例如略成园锥形与会聚的光束(如用箭头所示)发送到要受检验者的皮肤2上的电发光二极管DEL。基本上垂直于受检验者的皮肤的反射光被分析接收的辐射强度的检测器3接收。采用园锥形束在若干方面有利：通过在输出的光在皮肤2上基本上缩小到一点时测定反射，能消除绝大部分镜面反射并且还能精确确定装置1的位置与皮肤之间的最佳距离d。该园锥角最好在30°与50°之间，例如45°附近。
测定装置的检测器记录反射系数的强度：
二极管D1为IOD1，
二极管D2为IOD2，
…
二极管D6为IOD6。
第二步骤：执行操作来测定要测试的皮肤上的反射。
在儿童“X”的皮肤上的测定过程中，测定装置的检测器记录反射系数的强度：
二极管D1为IXD1，
二极管D2为IXD2，
…
二极管D6为IXD6。
第三步骤：进行数学“标准化”处理，使得对于给定的参照波长，在本例中为520mm上的第一二极管D1的波长，所有曲线都通过在纵坐标上测定的同一吸收级点，或反射系数。
计算器，最好是微处理器，执行下述标准化计算。
对于二极管D1，(IXD1/IOD1)＝RX1
对于二极管D2，(IXD2/IOD2)＝RX2
…
对于二极管D6，(IXD6/IOD6)＝RX6。
以后的运算是使得，对于选择作为相关的λf1的参照波长，所有反射系数RXIf都等于参照值Rf。
RX1f＝Rof         4     K＝Rof/RX1f
然后将各反射系数RXn乘以对应的因子K以获得标准化的系数Rxnf。
Rx2f＝KRx2
…
Rx6f＝KRx6
对于这一参照波长，通过将所有反射级引导到相同的阈值级Rf上，便有可能通过简单地读取对应的标准化LIR，运算受检验的浓度的直接读数，诸如胆红素浓度。
第四步骤：微处理器从标准化的反射系数计算出LIR：
LIRX1＝Log(1/Rx1f)＝Log(1/Rf)＝常量
LIRX2＝Log(1/Rx2f)
…
LIRX6＝Log(1/Rx6f)
这样建立的LIR能与频谱曲线进行比较，即在所示的实例中对应于三个受检验者的各种反射系数的三条曲线。在所示的曲线实例中，整个曲线是频谱仪从连续地分析从430nm至750nm范围内的波长实际得出的，以便获得这些曲线的路径的更精确的表示，虽然它们对于皮肤的各种成分的分析测定并非真正必要，如下面对照三个给出的测定实例详细说明的。
回到图2，对于460nm的波长，分别能在3条曲线C1、C2、C3上找到对应的标准化LIR以％测定的大约0.75、0.55及0.5的吸收率。如能注意到的，所述吸收级的简单测定能推论出曲线C2受检验者，胆红素的浓度是正常的，而对于曲线C1的受检验者，其胆红素浓度是高的，及对于曲线C3的受检验者，其胆红素浓度太低。可将这些数据(这些LIR百分比)简单记录在已经测试与已知的参照值的表中。
类似地，有可能从545nm或550nm上的二极管D4或575nm上的D5发射的光的反射率估算血红蛋白含量。430nm附近的二极管D6的发射区中的反射强度的测定会进一步增加结果的精度。
通过相对于二极管D3在660nm附近(在从620到780nm的范围内)发射的光的反射率的强度能估算出皮肤色素形成。实际上，已观察到超过这一点以后的LIR曲线基本上是直线，从而距这一波长足够远的两点(诸如大约620nm与780nm)的这一曲线上的判定能精确地确定非洲人、欧洲人、亚洲人等类型的对应肤色特征。
借助本发明的过程，由于有可能只凭藉对精确与严格定义的波长的有限的测定，所以没有必要跟踪整条曲线。因为能用上述“标准化”过程克服各种皮肤的特定颜色或肤色及临时波动。
此外，由于没有机械压力作用在受检验的组织上，不会使测定失真，好象通过作用在皮肤上的压力进行皮肤血红蛋白浓度测定会将血液从测定区驱开的情况。
从而，在要求测定安静的婴儿的光亮皮肤的胆红素浓度时，这一胆红素浓度是通过进行运算LIRX2-LIRX1直接从用二极管D2测定的LIRX2估算的。
如果胆红素浓度是在有色皮肤[非欧洲人种群]与/或多动(restless)婴儿[血液在皮肤区中快速流动]身上测定的，因为减法LIRX2-LIRX1及因为值LIRX1是用上述运算标准化的(与二极管D1相同标准化反射阈值Rf，为各测定值标准化的)LIRX2的指标是以相同方式自动校正的。
参见图4至6，其中示出如何由于采用了园锥形光束，便立即有可能如图5中所示确定装置与受检验者的皮肤之间的正确测定距离d。当装置太靠近时，如图4中所示，皮肤并不显示图5中的针尖，并且如果装置太远，如图6中所示，也不显示针尖。
从而能将装置设计成，当将它指向皮肤时，只在该装置在正确的距离上时，即在光束在皮肤上基本上会聚成针尖时，才触发发光。
按照图7中所示的实施例的改型，带有图4中所示的读出头的电发光二极管DEL从有利地包含在30°与60°之间的角α，例如45°，照亮图5中所示的皮肤表面；在皮肤上反射光束6；通过将装置的读出头的传感器7设置在垂直于皮肤的照亮区的表面5的轴8上，传感器7只检测到受皮肤散射的来自电发光二极管4的一部分光，而不是取决于皮肤的亮度的皮肤表面上反射的光。从而有可能得出关于要测定的特征，胆红素浓度、血红蛋白浓度等，更可靠的数据。
图7中，将透镜9安装在皮肤散射的光的光束10的光径中，以便增强传感器7检测到的光能。11与12分别表示电发光二极管4的电源线与来自传感器7的光输出。
有利地，如果采用发射诸如前面定义的适当波长的五或六个电发光二极管DEL，则最好接连地供电这些二极管以便传感器能接连地执行分析这些结果所需的反射强度测定。在要分析的组织上执行每一次测定之前，如上所述，在“灰”或“标准白色”上定标该装置，这便能够计算前面所述的系数K。
虽然已为分析皮肤中所包含的胆红素浓度，或诸如色素、血红蛋白等其它皮肤成分较精确地描述了本发明，本发明的原理能延伸到分析任何组织，假定必须为之记录反射强度来得出相关测定值而确定精确的波长，并用其上面的波长来调谐所有曲线以便得出所述曲线的标准化。

Claims (11)

1、测定组织成分的浓度的方法，其特征在于测定带有代表要执行的测定的第一给定波长的第一光反射以及为用作参照值的另一第二预定波长的光反射的至少第二测定，通过计算在组织上为这一第二波长测定的反射与在标准样品上为这一相同的第二波长测定的反射之间的系数k来为该参照值确定一反射参照单位值，以及在于用所述反射测定在前面测定的因子k校正以便获得要与表预定值比较的值之后，按照已知为这一相同的第一波长的预定值的表从第一波长的反射的测定值推导出要估算的成分的浓度，所述单位值与所述第二波长确定标准化之后的所有曲线都通过的一个点。
2、按照权利要求1的方法，其特征在于对于个体的皮肤，所选择的第二波长为λ＝520nm。
3、按照权利要求2的方法，其特征在于对于皮肤胆红素浓度的测定，所选择的波长为λ＝460nm。
4、用于测定组织成分的浓度，实现按照前面的权利要求中任何一项的过程的装置，其特征在于它包括：
—能向要检验的组织接连地发送不同预定波长的若干闪光及接收与测定返回的反射光的读出头，所述读出头测定带有代表要执行的测定的第一给定波长的第一光反射以及将用作为参照单位值的另一第二预定波长的至少一第二光反射；
—计算器，能计算各波长的反射光量并使其成为与预定波长相等的参照值成比例计算的值，计算在组织上为一第二波长测定的反射与在标准样品上为该第二波长测定的反射之间的系数k，以及用所述反射测定在前面测定的因子k进行校正以便获得要与表预定值比较的值之后，按照已知为这一相同的第一波长的预定值的表从在该第一波长的反射的测定值推导出要估算的成分的浓度，所述单位值与所述第二波长确定标准化之后的所有曲线都通过的一个点；
—用于将该计算出的值与一预定值的表比较的比较器。
5、按照权利要求4的装置，其特征在于它包括电发光二极管作为元件来发送各种特定波长的接连的闪光。
6、按照权利要求4或5的装置，其特征在于它用包含在30与50度之间的角发送光。
7、按照权利要求6的装置，其特征在于它用45度的角发送光。
8、按照权利要求4至7中任何一项的装置，其特征在于，对于受检验者的皮肤，用来测定参照点的光波长为520nm。
9、按照权利要求4至8中任何一项的装置，其特征在于用于测定胆红素浓度的光波长为460nm。
10、按照权利要求4至9中任何一项的装置，其特征在于用于测定皮肤色素形成的光波长包括在620与780nm之间。
11、按照权利要求4至10中任何一项的装置，其特征在于用于测定皮肤血红蛋白的光波长为大约545与575nm的两个波长与/或大约550nm或430nm之一的波长。
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