ES2348503T3 - Medición no invasiva de índice de bilirrubina de la piel. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de medida del índice de un constituyente de un tejido, comprende las etapas según las cuales: a/ se efectúa la medida de una reflexión de la luz de una primera longitud de onda dada y la medida de una reflexión de la luz de otra segunda longitud de onda determinada que sirve de referencia, sobre un patrón estándar; b/ a/ se efectúa la medida de una reflexión de la luz de la primera longitud de onda dada representativa de la medida a efectuar y al menos la medida de una reflexión de la luz de la otra segunda longitud de onda determinada que sirve de referencia, sobre el tejido; c/ se determina un factor de reflexión igual a la relación entre la medida sobre el tejido y la medida sobre el patrón estándar para cada una de la primera y segunda longitudes de onda; d/ se normalizan los valores de dichos factores de reflexión para que el valor del factor de reflexión para la segunda longitud de onda que sirve de referencia sea igual a un valor de referencia elegido, y: calculando la relación k de dicho valor de referencia elegido y del factor de reflexión de esta segunda longitud de onda; multiplicando por la relación k calculada dicho factor de reflexión de la primera longitud de onda, e/ se deduce el índice del constituyente buscado en función de una tabla de valores predeterminados conocidos para esta misma primera longitud de onda y de dicho valor del logaritmo neperiano de la inversa del factor de reflexión normalizado de la primera longitud de onda.
Description
Medición no invasiva del índice de bilirrubina
de la piel.
El presente invento se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo de análisis no invasivo de un
tejido, por ejemplo de la piel.
Numerosos trabajos han mostrado que era posible
enviando luz blanca sobre un tejido, tal como por ejemplo la piel,
o el tejido de una planta, obtener analizando la luz reflejada
informaciones relativas a la naturaleza del tejido y en particular
a la concentración de diferentes elementos que le constituyen. El
principio general es que los componentes de longitudes de onda
diversas que componen la luz blanca son reflejados de manera
diferente según los constituyentes que la luz encuentra. Por un
análisis fino y continuo de la luz reflejada, se concibe que es
posible obtener un análisis no invasivo bastante preciso del tejido
examinado.
Los dispositivos conocidos que funcionan sobre
este principio necesitan sin embargo un equipo costoso de análisis
óptico tal como espectrógrafos y calculadores potentes de análisis
de los datos recogidos así como un calibrado delicado de los
aparatos.
El documento US 5.645.061 describe un
procedimiento de determinación de las variaciones de dimensiones de
partículas de tejidos de manera no traumática. La comparación de
espectros de reflexión permite la medida de la hemoglobina y de su
índice de oxigenación.
El invento propone un procedimiento y un
dispositivo de medida que permiten superar estas dificultades de
puesta en práctica.
A este efecto, el procedimiento de medida del
índice de un constituyente de un tejido, en particular del índice
de bilirrubina en la piel, se caracteriza según el invento tal como
se ha definido en las reivindicaciones 1 a 4.
Un dispositivo conforme al invento está definido
en las reivindicaciones 5 a 11.
El invento y su puesta en práctica aparecerán
más claramente con ayuda de la descripción que va a seguir hecha en
referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
La fig. 1 explica el principio de reflexión
óptica de la luz sobre la piel.
La fig. 2 muestra tres curvas de LIR registradas
para tres sujetos, habiendo sufrido estas curvas un tratamiento
matemático para ponerlas al mismo nivel para un umbral de longitud
de onda determinado.
La fig. 3 muestra de manera esquemática el
principio de un aparato concebido según el invento.
Las figs. 4, 5 y 6 muestran el principio de
utilización práctica del aparato.
La fig. 7 muestra, de manera esquemática, una
variante de realización de un aparato de medida conforme al
invento.
Con referencia en primer lugar a la fig. 1, se
va a recordar el principio de la propagación de la luz y de su
reflexión sobre la piel. Este principio está explicitado en
particular en la publicación de Dawson, Barker y otros: "un
estudio teórico y experimental de la absorción y de la difusión de
la luz por la piel en vivo" (Phys. Med. Biol. 1980, vol 25, nº
4, páginas 695 - 709).
\vskip1.000000\baselineskip
Considerando en el orden que la capa 1 es la
capa córnea, que la capa 2 corresponde a la epidermis, que la capa
3 corresponde a la dermis y que la capa 4 corresponde a la
hipodermis, si se llama respectivamente R1, R2, R3 y R4 el factor
de reflexión de las capas sucesivas y T1, T2, T3 y T4 el factor de
transmisión de las mismas capas, la luz reflejada globalmente es de
la forma:
I =
I_{0}R_{1} + I_{0}T_{1}^{2}R_{2} +
I_{0}T_{1}^{2}T_{2}^{2}R_{3} +
I_{0}T_{1}^{2}T_{2}^{2}T_{3}^{2}R_{4}
...
Si la piel no está demasiado seca, los factores
de reflexión R1, R2, y R3 son netamente inferiores a R4; entonces
su reflexión global se reduce a:
R = (I/I_{0})
#
T_{1}^{2}T_{2}^{2}T_{3}^{2}R_{4}...
Tomando el Logaritmo Neperiano (LN) de la
inversa de la reflexión, que se llama el LIR, se obtiene:
LIR = -
LN(T_{1}^{2}) - LN(T_{2}^{2}) -
LN(T_{3}^{2}) -
LN(R_{4})
\newpage
Este LIR, representado para todas las longitudes
de onda, permite poner en evidencia las características de la piel.
Se pueden así trazar curvas y deducir de ellas las cualidades de la
piel analizando las bandas de absorción concernidas que son
características de los diversos constituyentes de la piel, y deducir
de ellas por ejemplo el contenido en bilirrubina, en hemoglobina,
en melanina, etc.
Como ya ha se ha explicitado, la puesta en
práctica de esta teoría tropieza con enormes dificultades de equipos
y de calibrado, variando las curvas considerablemente de un sujeto
a otro, en particular en función de la pigmentación propia del
sujeto.
Conforme al invento, se ha comprobado sin
embargo que era posible superar dificultades unidas a reacciones
muy diferentes de la piel de un sujeto a otro "colocando" todas
las curvas al nivel de un umbral de referencia para una longitud de
onda determinada precisa, llamada \lambda_{f} de referencia, lo
que permitía efectuar un análisis cualitativo y cuantitativo sin
tener que trazar las curvas, (evitando por tanto tener que utilizar
un espectrógrafo), contentándose con tomar algunos puntos de medida
para longitudes de onda precisas significativas, después de un
cálculo simples de puesta en umbral.
Se hará referencia ahora a la fig. 2 en la que
se han ilustrado tres curvas que dan en ordenadas la absorción
medida en tanto % de LIR en función de la longitud de onda de la luz
recibida sobre la piel de tres sujetos diferentes. Sin embargo
estas curvas han sido tratadas matemáticamente de manera que se las
normalice permitiendo simultáneamente comprender el funcionamiento
del aparato y del procedimiento conformes al invento.
Para obtener las curvas de la fig. 2, se opera
en cuatro etapas sucesivas.
Primera etapa. Se procede a una operación
de calibrado efectuando una medida de la reflexión sobre un
"gris" o "blanco" "estándar" (por ejemplo polvo de
sulfato de bario compactado). Para obtener buenos resultados y
librarse en particular de las derivas posibles de los diodos, en el
tiempo y/o en función de la temperatura ambiente de utilización,
está operación de calibrado/verificación es efectuada antes de cada
medida sobre el "gris" o "blanco" estándar elegido.
En el ejemplo ilustrado se ha supuesto que se
efectuaban seis medidas sucesivas para longitudes de onda
respectivas: 520 nm, 460 nm, 660 nm, 545 nm, 575 nm y 430 nm. En la
práctica, estas longitudes de onda precisas pueden ser emitidas por
diodos electroluminiscentes LED de calidad apropiada.
\vskip1.000000\baselineskip
El aparato de medida ha sido esquematizado en la
fig. 3. Tal como se ha esquematizado, el aparato 1 comprende diodos
electroluminiscentes LED que envían un haz de luz por ejemplo
ligeramente cónico convergente (como se ha esquematizado por las
flechas) sobre la piel 2 del sujeto a examinar. La luz reflejada
sensiblemente de forma perpendicular a la piel del sujeto es
recibida por un detector 3 que analiza la intensidad de la
radiación recibida. La utilización de un haz cónico es ventajosa en
varios aspectos:
- permite librarse en gran parte de la reflexión especular y permite determinar de manera precisa una distancia óptima de posicionamiento d del aparato 1 con relación a la piel, efectuando la medida de la reflexión cuando la intensidad luminosa de iluminación es reducida sensiblemente a un punto sobre la piel 2. El ángulo del cono está ventajosamente comprendido entre 30º y 50º, por ejemplo del orden de 45º.
\vskip1.000000\baselineskip
El detector del aparato de medida registra una
intensidad del factor de reflexión:
- I_{0D1} para el diodo D1,
- I_{0D2} para el diodo D2,
- ...
- I_{0D6} para el diodo D6.
Segunda etapa. Se procede a una operación
de medida de reflexión sobre la piel que se quiere ensayar.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante una medida sobre la piel del niño
"x", el detector del aparato de medida registra una intensidad
del factor de reflexión:
- I_{xD1} para el diodo D1,
- I_{xD2} para el diodo D2,
- ...
- I_{xD6} para el diodo D6.
Tercera etapa. Se procede ahora al
tratamiento matemático de "normalización" de manera que, para
una longitud de onda dada de referencia, en este caso aquí la del
primer diodo D1 a 520 nm, todas las curvas pasan por el mismo punto
de índice de absorción o factor de reflexión medido en
ordenadas.
El calculador, que es ventajosamente un
microprocesador, efectua los cálculos de normalización
siguientes:
- (I_{xD1}/I_{0D1})=R_{x1} para el diodo D1,
- (I_{xD2}/I_{0D2})=R_{x2} para el diodo D2,
- ...
- (I_{xD6}/I_{0D6})=R_{x6} para el diodo D6.
A continuación, se procede de tal manera que,
para la longitud de onda de referencia significativa elegida:
\lambda_{f}, todos los factores de reflexión R_{x1f} sean
iguales a un valor de referencia Rf.
R_{x1f} = Rf
\rightarrow k =
Rf/R_{x1}
luego se multiplican por el factor
k correspondiente los diferentes factores de reflexión
R_{xn} para obtener los factores normalizados
R_{xnf}.
- R_{x2f} = kR_{x2}
- ...
- R_{x6f} = kR_{x6}
El hecho de llevar para esta longitud de onda de
referencia todos los índices de reflexión al mismo nivel de umbral
Rf permite entonces una lectura directa del índice buscado, por
ejemplo de bilirrubina, por simple lectura del LIR normalizado
correspondiente.
Cuarta etapa. A partir de los factores de
reflexión normalizados, el microprocesador calcula los LIR:
- LIR_{x1} = Log(1/R_{x1f}) = Log(1/R_{f}) = Constante
- LIR_{x2} = Log(1/R_{x2f})
- ...
- LIR_{x6} = Log(1/R_{x6f})
Los LIR establecidos permiten comparar con
curvas espectrales, en el ejemplo ilustrado, 3 curvas
correspondientes a factores de reflexión diferentes de tres sujetos
examinados. Se observa igualmente que en el ejemplo de las curvas
ilustradas, las curvas enteras han sido de hecho obtenidas a partir
de un espectrógrafo que analiza de manera continua las longitudes
de onda en la zona que va de 430 nm a 750 nm, y esto para tener una
representación más exacta del trazado de estas curvas, pero que de
hecho no son necesarias para las medidas de análisis de los
diferentes constituyentes de la piel como se va explicar con más
detalle a continuación con referencia a los tres ejemplos dados de
medida.
Volviendo a la fig. 2, se observa que para la
longitud de onda de 460 nm, se pueden tomar sobre las tres curvas
respectivamente C1, C2 y C3 índices de absorción respectivos de
aproximadamente 0,75, 0,55 y 0,5 medidos en % de LIR normalizado.
La simple medida de este índice de absorción permite de manera
sorprendente, como se ha podido comprobar, deducir que para el
sujeto de la curva C2 el índice de bilirrubina es normal, mientras
que para el sujeto de la curva C1, el índice de bilirrubina es
elevado, mientras que para el sujeto de la curva C3, el índice de
bilis rutinas es demasiado débil. Estos datos (estos porcentajes de
LIR) pueden ser simplemente registrados en una tabla de valores de
referencia previamente experimentados y conocidos.
De la misma manera, es posible apreciar el
contenido en hemoglobina por el nivel de los índices de reflexión
para la luz emitida por los diodos D4 a 545 nm o 550 nm y D5 a 575
nm. Medidas del índice de reflexión en la región de emisión del
diodo D6 hacia 430 nm permitirían afinar los resultados.
La pigmentación de la piel podrá apreciarse por
el nivel de los índices de reflexión con relación a la luz emitida
por el diodo D3 hacia 660 nm (en una región comprendida entre 620 y
780 nm). De hecho, se observa que más allá, la curva del LIR es
prácticamente una recta, de manera que la determinación de dos
puntos de esta curva suficientemente distantes a partir de esta
longitud de onda, por ejemplo hacia 620 nm y 780 nm permitirán
determinar con precisión la característica de pigmentación
correspondiente: tipo africano, europeo, asiático, etc.
El hecho de que con el procedimiento del invento
no es necesario trazar las curvas enteras sino que se puede
contentar con medidas limitadas para longitudes de onda precisas
bien definidas se explica por el hecho de que se libra de las
fluctuaciones pasajeras y colores o pigmentaciones propios de
diversas pieles por el proceso de "normalización"
precedentemente explicado.
Además, como no se ejerce ninguna presión
mecánica sobre el tejido examinado, la medida no es falseada, en
particular si se quiere medir el índice de hemoglobina de la piel de
un individuo por una presión ejercida sobre la piel que expulsaría
la sangre de la zona de medida.
Así, si se quiere medir el índice de bilirrubina
de la piel clara de un bebé tranquilo, el índice de bilirrubina es
apreciado directamente a partir del LIR_{x2} medido con el diodo
D2, efectuando la operación LIR_{x2} - LIR_{x1}.
Si se quiere medir el índice de bilirrubina
sobre una piel mate o coloreada (etnia no europea) y/o de un bebé
agitado (afluencia de sangre al nivel de la piel), las indicaciones
de LIR_{x2} son corregidas automáticamente de la misma manera por
el hecho de la operación de sustracción LIR_{x2} - LIR_{x1}, y
por el hecho de que el valor LIR_{x1} ha sido normalizado por la
operación precedentemente descrita (mismo umbral Rf de reflexión
normalizado para el diodo D1, y calibrado a cada medida).
Con referencia a las figs. 4 a 6, se ha indicado
cómo por el hecho de la utilización de un haz cónico de iluminación,
era inmediatamente posible, como se ha ilustrado en la fig. 5,
determinar la buena distancia de medida d entre el aparato y la
piel del sujeto. Cuando el aparato está demasiado cerca, como se ha
ilustrado en la fig. 4, no se forma al nivel de la piel una mancha
puntual como en la fig. 5, y lo mismo sucede si el aparato está
demasiado lejos, como se ha ilustrado en la fig. 6.
El aparato puede así estar concebido de modo que
cuando está dirigido hacia la piel, la iluminación no se dispara
más que cuando el aparato está a buena distancia, es decir cuando el
haz luminoso converge prácticamente de forma puntual sobre la
piel.
Según una variante de realización ilustrada en
la fig. 7, los diodos electroluminiscentes LED que incluyen la
cabeza de lectura, y que están esquematizados en 4, iluminan la
superficie de la piel, esquematizada en 5, bajo un cierto ángulo
alfa (\alpha), ventajosamente comprendido entre 30º y 60º, por
ejemplo 45º; el haz luminoso referenciado 6 es reflejado sobre la
piel; colocando el captador 7 de la cabeza de lectura del
dispositivo en el eje 8 perpendicular a la superficie 5 de la zona
iluminada de la piel, sólo la parte de la luz que proviene del
diodo electroluminiscente 4 que es difundida por la piel es
detectada por el captador 7, y no la luz reflejada en la superficie
de la piel y que depende del brillo de la piel. Es así posible
obtener una información más fiable relativamente a la
característica que se quiere medir: índice de bilirrubina, índice
de hemoglobina; etc..
En el esquema de la fig. 7, una lente 9 ha sido
interpuesta sobre el trayecto del haz 10 de luz difundida por la
piel de manera que aumente la potencia luminosa detectada por el
captador 7. En 11 y 12 se han esquematizado respectivamente los
hilos de alimentación de los diodos electroluminiscentes 4 y de
salida de señales provenientes del captador 7.
De manera preferente, si se utilizan cinco o
seis diodos electroluminiscentes LED que emiten longitudes de onda
apropiadas, tales como se han definido precedentemente, se preverá
ventajosamente que los diodos son alimentados sucesivamente de
manera que el detector puede efectuar de manera sucesiva las medidas
de los índices de reflexión necesarios para el análisis de los
resultados. Previamente a cada medida realizada sobre un tejido a
analizar, el aparato habrá sido calibrado, como se ha mencionado
precedentemente, sobre un "gris" o "blanco estándar" como
se ha indicado precedentemente, y que permitirá calcular el
coeficiente k explicitado anteriormente.
Aunque el invento haya sido descrito de modo más
preciso en relación con el análisis del índice de bilirrubina
contenida en la piel, o de otros constituyentes de la piel tales
como la pigmentación, la hemoglobina, etc, el principio del invento
puede ser extendido al análisis de cualquier tejido, a partir del
momento en que se determinarán cuál o cuáles son las longitudes de
onda precisas para la cual o las cuales es preciso tomar el índice
de reflexión para tener una medida significativa, y cuál es la
longitud de onda sobre la que se colocarán todas las curvas para
obtener la normalización de dichas curvas.
Claims (11)
1. Un procedimiento de medida del índice de un
constituyente de un tejido, comprende las etapas según las cuales:
a/ se efectúa la medida de una reflexión de la luz de una primera
longitud de onda dada y la medida de una reflexión de la luz de
otra segunda longitud de onda determinada que sirve de referencia,
sobre un patrón estándar; b/ a/ se efectúa la medida de una
reflexión de la luz de la primera longitud de onda dada
representativa de la medida a efectuar y al menos la medida de una
reflexión de la luz de la otra segunda longitud de onda determinada
que sirve de referencia, sobre el tejido; c/ se determina un factor
de reflexión igual a la relación entre la medida sobre el tejido y
la medida sobre el patrón estándar para cada una de la primera y
segunda longitudes de onda; d/ se normalizan los valores de dichos
factores de reflexión para que el valor del factor de reflexión
para la segunda longitud de onda que sirve de referencia sea igual a
un valor de referencia elegido, y: calculando la relación k de
dicho valor de referencia elegido y del factor de reflexión de esta
segunda longitud de onda; multiplicando por la relación k calculada
dicho factor de reflexión de la primera longitud de onda, e/ se
deduce el índice del constituyente buscado en función de una tabla
de valores predeterminados conocidos para esta misma primera
longitud de onda y de dicho valor del logaritmo neperiano de la
inversa del factor de reflexión normalizado de la primera longitud
de onda.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
según el cual se efectúan las etapas a/ a e/ sobre un tejido de un
primer sujeto para deducir el índice del constituyente buscado para
el primer sujeto y se efectúan las etapas a/ a e/ sobre un tejido
de un segundo sujeto para deducir el índice del constituyente
buscado para el segundo sujeto, según el cual se utiliza para el
primer y segundo tejidos la misma primera longitud de onda de dada,
sirviendo la misma segunda longitud de onda determinada de
referencia, y la misma reflexión medida sobre un patrón estándar
para la segunda longitud de onda, según el cual la normalización
efectuada permite determinar un mismo valor del factor de reflexión
normalizado para la segunda longitud de onda para el primer sujeto
y para el segundo sujeto.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o
2, caracterizado porque tratándose de la piel de un
individuo, se elige como segunda longitud de onda: \lambda_{f}
= 520 nm.
4. Un procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque tratándose de medir la bilirrubina
contenida en la piel, se elige como longitud de onda: \lambda =
460 nm.
5. Un dispositivo para la medida del índice de
un constituyente de un tejido, en particular del índice de
bilirrubina en la piel, que comprende: una cabeza de lectura
susceptible de enviar sucesivamente varias destellos de longitudes
de onda diversas definidos en dirección del tejido a examinar y de
recibir y medir a su retorno la luz reflejada, un calculador, que
comprende medios adaptados para poner en práctica el procedimiento
según una de las reivindicaciones 1 a 4.
6. Un dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque comprende como elementos para enviar
secuencialmente destellos de longitudes de onda determinada de los
diodos electroluminiscentes.
7. Un dispositivo según la reivindicación 5 o la
reivindicación 6, caracterizado porque envía la luz,
ventajosamente bajo un ángulo de 30 grados a 60 grados y por
ejemplo sensiblemente igual a 45 grados.
8. Un dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque tratándose de la
piel del individuo, utiliza como longitud de onda de la luz para
medir el punto de referencia una longitud de onda próxima a 520
nm.
9. Un dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque utiliza como
longitud de onda de la luz para medir el índice de bilirrubina una
longitud de onda próxima a 460 nm.
10. Un dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque utiliza como
longitud de onda de la luz para medir la pigmentación de la piel
una longitud de onda comprendida entre 620 y 780 nm.
11. Un dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque utiliza como
longitud de onda de la luz para medir la hemoglobina dos longitudes
de onda próximas a 545 y 575 nm, y/o una longitud de onda próxima a
550 nm o una longitud de onda próxima a 430 nm.
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