KR20150081251A - 생물학적 조직에서의 카로티노이드 관련 화합물들의 검출을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

생물학적 조직에서의 카로티노이드 관련 화합물들의 검출을 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법이 설명된다. 샘플의 제 1 측면이 광원으로 조명된다. 샘플의 제 2 측면으로부터 투과된 광이 검출된다. 샘플의 제 2 측면은 샘플의 제 1 측면의 반대편이다. 검출된 광에 기초하여 결과가 획득된다.

Description

생물학적 조직에서의 카로티노이드 관련 화합물들의 검출을 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTION OF CAROTENOID-RELATED COMPOUNDS IN BIOLOGICAL TISSUE}
본 발명은 일반적으로 생물의학적 광학들 및 생물의학적 광학들 관련 기술에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 생물학적 조직에서의 카로티노이드 관련 화합물들의 레벨들의 검출 및 측정을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
살아 있는 사람의 조직에 존재하는 생물학적 화합물들은 대상체와 관련되는 정보를 결정하는데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 환경적 독소들의 존재는 생물학적 화합물들의 식별에 의해 결정될 수도 있다. 생물학적 화합물들은 또한 질병의 존재를 검출하는데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 항체들의 존재는 질병이 대상체의 면역 시스템에 의해 검출되었다는 것을 나타낼 수도 있다. 본 특허 출원에서의 관심 생물학적 화합물들은 카로티노이드 관련 화합물들이다.
카로티노이드들은 과일 및 채소 소비를 통해 매일 일상적으로 섭취되는 중요한 식물 안료들이다. 북미 음식물들에서 먹게 되는 가장 일반적인 카로티노이드들은 알파 카로틴, 베타 카로틴, 리코펜, 루테인, 제아잔틴, 및 베타 크롭토잔틴을 포함한다 ["Dietary reference intakes for vitamin C, vitamin E, selenium, and carotenoids: a report of the panel on Dietary Antioxidants and Related Compounds," Food and Nutrition Board, Institute of Medicine, National Academy of Sciences, National Academy Press, Washington, DC (2000)]. 카로티노이드들은 혈액에서, 피부에서, 사람의 망막의 황반 영역에서, 그리고 다른 조직들에서 측정될 수 있다. 혈액 및 피부 카로티노이드 레벨들은 과일들 및 채소들의 음식물의 섭취와 상관관계가 있다 [Y. M. Peng, Y. S. Peng, Y. Lin, T. Moon, D. J. Roe, and C. Ritenbaugh, "Concentrations and plasma tissue diet relationships of carotenoids, retinoids, and tocopherols in humans," Nutrition and Cancer. 23, 234-246 (1995)]. 따라서, 혈액 및 피부 카로티노이드 레벨들의 측정치들은 과일 및 채소 섭취의 객관적인 생물지표의 역할을 한다. 과일 및 채소 소비는 일반적으로 증가된 에너지 및 전반적인 좋은 건강에 대한 중요한 인자로서 간주된다. 예를 들어, 과일들 및 채소들의 많은 음식물의 소비는 다양한 암들 ["Food, nutrition, physical activity, and the prevention of cancer: a global perspective," World Cancer Research Fund, American Institution for Cancer Research, Washington, DC (2007)], 심혈관계 질병 [S. Liu, J. E. Manson, I. M. Lee, S. R. Cole, C. H. Hennekens, W. C. Willett, and J. E. Buring, "Fruit and vegetable intake and risk of cardiovascular disease: the Women's Health Study," Am. J. Clin. Nutr. 72, 922-928 (2000)], 나이 관련 황반 악화, 및 시기 상조의 피부 노화 [예를 들어, P. S. Bernstein and W. Gellermann, "Noninvasive Assessment of Carotenoids in the Human Eye and Skin," chapter 3 in: "Carotenoids in Health and Disease," N. I. Krinsky, S.T. Mayne, and H. Sies, (eds.), Marcel Dekker, New York, NY (2004) 참조] 를 포함하여, 다수의 질병들에 대한 보호와 연관되어 왔다. 또한, 카로티노이드들 그 자체는 비료들의 항발암성 식물 화학물질들 중 하나인 것으로 추측되어 왔고, 광학 필터링 및/또는 항산화 작용을 통해 조직 세포들을 보호하는 것으로 생각된다. 모든 이러한 이유들로, 살아 있는 사람의 조직에서 직접적으로 카로티노이드들 및 관련된 화합물들에 대한 간편한 검출 방법론들을 개발하게 한다.
카로티노이드들의 측정을 위한 표준 방법은 생화학적 고성능 액체 크로마토그래피 (high-performance liquid chromatography; HPLC) 기법들에 기초한다. 그러나, 이러한 HPLC 기법들은 매우 침습성이다. 그것들은 후속하는 조직 프로세싱 및 분석을 위해 대상체로부터 상대적으로 많은 양의 조직이 제거될 것을 요구하며, 이는 고통스러운 것 외에도, 비용이 많이 들고, 불편하며, 또한 완료하는데 적어도 몇 시간이 걸린다. 이러한 유형의 분석들 중에, 조직은 완전히 파괴되지 않는다면, 손상된다. 대안으로, 카로티노이드 농도들은 플라즈마 또는 혈청의 HPLC 분석을 통해 간접적으로 추정될 수 있다. 다시, 주요한 결점들은 불편함, 비용, 정맥천자의 필요성이며, 이는 대상체들이 혈액을 제공해 주기를 주저할 수도 있기 때문에 참여 편견 (participation bias) 을 야기할 수도 있다. 또한, 혈액에서 카로티노이드 농도들은 최근의 음식물의 섭취에 응답하여 변동하며, 베타 카로틴에 있어서 12 일 미만의 추정된 반감기를 갖는다 [C. L. Rock, M. E. Swendseid, R. A. Jacob, and R. W. McKee, "Plasma carotenoid levels in human subjects fed a low carotenoid diet," J. Nutr. 122, 96-100 (1992)]. 상황은 사람의 망막에서 더 심각한데, 혈액에서 순환하는 대략 6 개의 카로티노이드 종들 중 오직 2 개, 즉, 루테인 및 제아잔틴만이 이러한 조직에서 취해지게 되고 농축된다. 그 결과, 이러한 특정 조직에 대해 플라즈마 레벨들과는 기껏해야 단지 매우 열악한 상관관계만이 있다. 일반적으로, 관심 조직에서 직접적으로 카로티노이드 레벨들의 검출을 위한 신규한, 비침습성의 방법들을 개발할 필요가 있다.
상기 것들 및 본 발명의 다른 특징들을 설명하기 위해, 본 발명의 보다 특정한 설명이 첨부된 도면들에서 도시되는 것들의 특정한 예들을 참조하여 제공될 것이다. 이러한 도면들을 단지 본 발명의 통상적인 예들만을 도시하고 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않는 것으로 이해된다. 본 발명은 첨부 도면들의 이용을 통해 추가적인 특정성 및 세부사항으로 묘사되고 설명될 것이다:
도 1 은, 베타-카로틴, 제아잔틴, 리코펜, 루테인, 및 피토플루엔을 포함하여, 사람의 조직에서 발견되는 주요한 카로티노이드 종들의 흡수 스펙트럼들, 분자 구조, 및 에너지 레벨 체제의 그래프 도면이다;
도 2 는 멜라닌이 없는 사람의 피부 조직에서 주요 흡수하는 발색단들의 모델 흡수 스펙트럼들을 도시한다.
도 3 은 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 흡수 분광법 기반 장치의 일 예를 도시하는 블록도이다;
도 4 는 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 흡수 분광법 기반 장치의 보다 상세한 예를 도시하는 블록도이다;
도 5a 는 사람의 손가락에서의 조직의 다양한 층들을 통한 광 전파를 도시한다;
도 5b 는 귓불과 같이 뼈가 없는 신체 부분의 조직의 다양한 층들 또는 조직 겹 통한 광 전파를 도시한다;
도 6 은 흡수 측정들에 적합한 2 개의 상이한 광원들의 통상적인 방출 스펙트럼들을 도시한다;
도 7 은 메탄올 카로티노이드 용액으로 채워진 1 mm 두께의 석영 큐벳의 흡수 스펙트럼을 도시한다;
도 8 은 350 nm 내지 540 nm 파장 영역에서의 추출된 혈액이 없는 발뒤꿈치 조직 샘플의 투과 도출된 카로티노이드 흡수 스펙트럼들을 도시한다;
도 9a 는 살아 있는 사람의 손가락에 대해 측정된 투과 스펙트럼을 도시한다;
도 9b 는 도 9a 에서의 투과 스펙트럼으로부터 도출된 흡수 스펙트럼을 도시한다;
도 10 은 대상체의 상이한 손가락들 (엄지 손가락, 집게 손가락, 및 새끼 손가락) 의 투과 도출된 흡수 스펙트럼들을 도시한다;
도 11 은 2 개의 상이한 대상체들로부터의 집게 손가락들의 흡수 스펙트럼들을 도시한다;
도 12 는 사람 대상체의 엄지 손기락과 집게 손가락 사이의 무지구 피부 겹의 흡수 스펙트럼을 도시한다;
도 13 은 2 개의 상이한 대상체들의 귓불들의 흡수 스펙트럼들을 도시한다;
도 14a 및 도 14b 는 풀을 먹인 젖소의 추출된 늑골 조직 샘플로부터의 흡수 스펙트럼들을 도시한다.
도 15 는 카로티노이드 흡수 영역에서의 사람의 손가락의 시간 분해 흡수 거동을 도시하며, 심장 리듬으로 인한 카로티노이드 흡수의 변조를 보여준다;
도 16 은 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법의 흐름도를 도시한다;
도 17 은 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법의 보다 상세한 흐름도를 도시한다; 그리고
도 18 은 컴퓨팅 디바이스에서 이용될 수도 있는 다양한 하드웨어 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다.
생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법이 설명된다. 샘플의 제 1 측면이 광원으로 조명된다. 샘플의 제 2 측면으로부터 투과되는 광이 검출된다. 샘플의 제 2 측면은 샘플의 제 1 측면의 반대편이다. 검출된 광에 기초하여 결과가 획득된다.
투과된 광을 검출하는 것은 광학 검출기를 이용하는 것을 포함할 수도 있다. 샘플은 피부, 섬유 조직, 지방, 뼈, 혈액, 연골, 또는 이들의 조합일 수도 있다. 샘플은 손가락, 손, 팔의 조직 겹 (fold), 유방의 조직 겹, 손의 조직 겹, 무지구 (thenar) 조직 겹, 또는 귓불일 수도 있다.
광원은 샘플에서의 생물학적 화합물 레벨들을 실질적으로 변경하지 않는 세기를 가질 수도 있다. 광원은 발광 다이오드, 발광 다이오드 어레이, 텅스텐 할로겐 램프, 또는 임의의 다른 적합한 광대역 광원일 수도 있다.
결과는 샘플에서의 카로티노이드 (carotenoid) 들의 레벨들에 기초할 수도 있다. 광원은 카로티노이드들의 흡수대가 겹치고 인접한 스펙트럼 영역들로 넓히는 파장에서 광을 발생시킬 수도 있다. 결과는 대략 480 nm 에서 집중되는 스펙트럼 영역에서 검출되는 투과된 광에 기초하고 인접한 스펙트럼 영역들에서 투과된 광에 대해 참조될 수도 있다. 결과를 획득하는 것은 검출된 광을 분석하여 결과를 획득하는 것을 포함할 수도 있다. 결과는 디스플레이될 수도 있다. 결과는 샘플의 항산화 상태를 획득하는데 이용될 수도 있다. 결과에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들은 정상적인 생물학적 조직에서의 카로티노이들의 농도 레벨들과 비교되어 악성종양 또는 다른 질병의 위험 또는 존재를 판단할 수도 있다.
결과는 샘플의 시간 분해 흡수에 기초할 수도 있다. 결과를 획득하는 것은 샘플을 분석하여 혈액에서 순환하는 카로티노이드 레벨들 및 샘플에서의 카로티노이드 레벨들을 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 결과를 획득하는 것은 샘플을 분석하여 샘플에서의 레벨들에 대하여 혈액에서 순환하는 다른 발색단들의 레벨을 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 샘플은 샘플의 제 1 측면에서부터 샘플의 제 2 측면까지 측정하여, 대략 일 밀리미터 내지 3 센티미터 두께일 수도 있다.
생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치가 또한 설명된다. 장치는 샘플의 제 1 측면을 조명하는 광원을 포함한다. 장치는 또한 샘플의 제 2 측면으로부터 투과되는 광을 검출하는 광학 검출기를 포함한다. 샘플의 제 2 측면은 샘플의 제 1 측면의 반대편이다.
장치는 밀봉체를 포함할 수도 있다. 밀봉체는 광학 검출기가 샘플의 제 2 측면으로부터 투과되지 않은 임의의 광을 검출하는 것을 방지할 수도 있다. 장치는 결과를 획득하기 위해 광학 검출기에서 검출되는 투과된 광을 분석하고 수량화하는 분광기를 포함할 수도 있다.
사람의 조직에 존재하는 생물학적 화합물들은 대상체와 관련되는 정보를 결정하는데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 환경적 독소들의 존재는 생물학적 화합물들을 이용하여 결정될 수도 있다. 생물학적 화합물들은 또한 질병의 존재를 검출하는데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 항체들의 존재는 질병이 대상체의 면역 시스템에 의해 검출되었다는 것을 나타낼 수도 있다.
일부 생물학적 화합물들은 피부 및/또는 신체의 다른 조직들에서 발견될 수도 있다. 생물학적 화합물들의 검출 및 측정은 고가의 장비, 긴 측정 기간들, 및/또는 다른 난제들을 요구할 수도 있다. 예를 들어, 피부에서의 생물학적 물질들의 검출은 조직 샘플을 제거하는 것 및 샘플의 생화학적 분석을 수행하는 것을 요구할 수도 있다. 샘플들을 제거하는 것은 대상체 고통을 야기할 수도 있으며, 한편 분석은 샘플이 실험실로 전송되는 것을 요구할 수도 있다.
그러한 생물학적 화합물들의 일 예는 카로티노이드들 및 관련된 화합물들이다. 카로티노이드들은 사람의 신체의 항산화 방어 시스템에 있어서 중요한 구성요소들이다. 수많은 역학적 및 실험적 연구들은 보다 많은 카로티노이드들의 음식물의 섭취는 암, 노화 관련 황반 변성, 이른 피부 노화, 및 산화 세포 손상과 연관된 다른 병적 측면들로부터 보호할 수도 있음을 보여 준다. 카로티노이드들은 대부분의 과일들 및 채소들에서 발견되고 사람의 신체에 의해 자연저으로 생성되지 않는다. 따라서, 사람의 신체에서의 카로티노이드들의 발견은 과일들 및 채소들의 소비를 나타낸다. 과일들 및 채소들의 소비의 레벨이 증가함에 따라, 신체에서의 카로티노이드들의 레벨도 증가한다.
공명 라만 (Raman) 분광법에 의한 생물학적 조직에서의 카로티노이들 및 관련된 화학적 물질들의 측정을 위한 비침습성 방법이 미국 특허 제 6,205,354 Bl 호에 개시되며, 그 개시물은 본원에 참조로 포함된다. 이러한 기법은 카로티노이드 레벨들의 빠르고, 정확하고, 안전한 결정을 제공하여, 결과적으로 과일 및 채소 소비, 영양 보충제 섭취에 관한 진단 정보를 제공할 수 있거나, 카로티노이드들 또는 다른 황산화 화합물들이 질병 관련 진단 정보를 제공할 수도 있는 조건들에 대한 지표일 수 있다. 이러한 기법에서, 레이저 또는 다른 스펙트럼이 좁은 광이 손의 손바닥과 같은 관심 조직 구역으로 향하게 된다. 산란된 광의 작은 부분이 비탄력적으로 산란되어, 입사 레이저 광과 상이한 주파수 또는 대응하는 파장인 카로티노이드 라만 신호를 생성하고, 라만 신호는 수집되고, 필터링되고, 측정된다. 라만 신호는 배경 형광 신호가 감산되도록 분석될 수 있고 결과는 디스플레이되고 공지의 교정 표준들과 비교된다.
피부 카로티노이드 레벨들의 비침습성 판단을 위한 추가적인 비침습성 광학적 방법은 반사 분광법에 기초한다. 특히 유망한 것은 간섭하는 혈액 발색단들의 일시적 제거 후에 피부 카로티노이드 레벨들을 판단하는 것을 허용하는 반사 분광법의 압력 조정 버전이다. 이러한 방법은 미국 특허 출원 공개 제 2009/0306521 Al 호에 개시되며 ("Noninvasive Measurement of Carotenoids in Biological Tissue"), 그 개시물은 본원에 참조로서 포함된다. 압력 조정 반사 방법은 여기 (excitation) 를 위해 임의의 협대역 광원들을 요구하지 않기 때문에 특히 간단하고 저렴한 방법으로서 유망성을 유지한다. 또한, 스펙트럼이 좁은 라만 라인 특징들의 검출을 위해 필요한 것과 같이 상대적으로 높은 분해능 분광계들을 요구하지 않는다.
카로티노이드들의 광학적 속성들 및 생물학적 조직에서 카로티노이드들의 비침습성 검출을 위한 광학적 방법들
카로티노이드들은 n 개의 전자가 짝을 이룬 탄소 체인 분자들이고 카로티노이드들의 구조 및 광학적 속성들에 관해서는 폴리엔 (polyene) 들과 유사하다. 구별되는 특징들은 짝을 이룬 탄소 이중 결합들 (C=C 결합들) 의 개수 (n), 부착된 메틸 측면 그룹들의 개수, 및 부착된 종단 그룹들의 존재와 구조이다. 대상체에서의 카로티노이드들의 광학적 검출은 영양 보충제 업계에 특히 관심사일 수도 있으며, 여기서 카로티노이드의 "손모 (wear and tear)" 생물지표의 형성은 시간 경과에 따라 모니터링될 수도 있고/있거나 잠재적으로 보충을 통해 증가될 수도 있다. 개시된 시스템들 및 방법들은 또한 안과학, 신생아학, 영양학, 및 역학과 같은 의료 과학들의 관심사일 수도 있으며, 여기서 개시된 시스템들 및 방법들은 큰 대상체 개체군에서 카로티노이드 항산화제들과 질병들 사이의 상관관계를 조사하는데 유용한 연구 도구를 제공할 수도 있다.
도 1 은, 베타-카로틴 (β-carotene), 제아잔틴 (zeaxanthin), 리코펜 (lycopene), 루테인 (lutein), 및 피토플루엔 (phytofluene) 을 포함하여, 사람의 조직에서 발견되는 주요한 카로티노이드 종들의 흡수 스펙트럼들, 분자 구조, 및 에너지 레벨 체제의 그래프 도면이다. 모든 카로티노이드들은 이상 짝수 패리티 여기 상태를 특징으로 한다. 그 결과, 카로티노이드들의 흡수 전이들은 허용된 쌍극자들이고, 따라서 이러한 분자들에서는 강하지만, 자연 방출은 금지된다. 흡수 트랜잭션들은 l1Ag 일중항 기저 상태에서 11Bu 일중항 여기 상태로 분자들의 탈국소 π 궤도들 사이에서 일어나며 (도 1 의 삽화 참조), 청색 및 근접 UV 파장 영역들에서 넓은 흡수대들 (-100 nm 폭) 까지 올라간다. 흡수대들은 각각의 분자의 유효한 결합 길이의 수가 증가함에 따라 보다 긴 파장들로 이동한다. 예를 들어, 상대적으로 짧은 피토플루엔 분자 (5 개의 짝을 이룬 C=C 결합들) 의 흡수는 ~340 nm 에 집중되고, 훨씬 긴 리코펜 분자 (11 개의 C=C 결합들) 은 ~450 nm 에 집중된다. 모든 카로티노이드 분자들은 ~1400 cm-1 의 이격된 주파수를 갖는, 약한 전자-음자 커플링으로 인해 명확하게 분해된 전자 진동의 하위구조를 보인다.
모든 카로티노이드들에서, 모든 카로티노이드들의 흡수대들 내에서의 임의의 광학적 여기는 단지 매우 약한 발광 신호들만을 초래한다. 발광의 연관된 극히 낮은 양자 효율은 제 2 여기된 일중항 상태 (21Ag 상태) 의 존재에 의해 야기되며, 제 2 여기된 일중항 상태는 11Bu 상태 아래에 있다 (도 1 의 삽화 참조). 11Bu 상태로의 여기 다음에, 카로티노이드 분자는 이러한 낮은 21Ag 상태로, 비방사 전이들을 통해 ~200 fs 내지 250 fs 내에 매우 빠르게 이완하며, 이를 위해 기저 상태로의 전자 방출로부터의 보다 낮은 21Ag 상태는 패리티가 금지된다 (도 1 의 삽화에서 대시 기호로 이루어진 아래쪽을 가리키는 화살표들). 낮은 l1Bu→11Ag 발광 효율 (10-5-10-4) 및 분자들의 21Ag→11Ag 형광의 부재는 형광 신호들을 잠재적으로 마스킹하지 않으면서 (도 1 의 삽화에서 실선이며 아래쪽을 가리키는 화살표로 도시된) 분자 진동들의 공명 라만 산란 (resonance Raman scattering; RRS) 응답을 검출하는 것을 허용한다. 구체적으로, RRS 는 메틸 측 그룹들 뿐만 아니라 폴리엔 백본의 늘어나는 진동들을 검출한다. 카로티노이드 분자들의 탄소-탄소 단일 결합 및 이중 결합 스트레치 주파수들은 가시 파장 영역에서 진자 진동의 흡수 전이들 중 임의의 것에서 분자들이 여기되는 경우 스펙트럼이 날카롭고, 공명하여 향상된 라만 신호를 각각 발생시킨다. RRS 라인들은 정확히 진동 스트레치 주파수만큼, 즉, 각각, 1159 cm 및 1525 cm-1 만큼 여기 광 주파수로부터 이동된다. 이러한 주파수들이 상대적으로 크기 때문에, 이러한 오프셋들은 카로티노이드 분자들이 가시영역에서 여기되는 경우 수십 nm 의 큰 파장 이동들로 바뀐다. 다른 발색단들로 인해 큰 피부 형광 배경 상에 겹쳐 놓임으로써, 스펙트럼 면에서 매우 좁은 RRS 라인들은 여기 광 및 배경 형광으로부터 쉽게 분리된다. 중간 분해능 (< 1 nm) 분광기가 충분하고, 그것들의 세기들은 적합한 높은 동적 범위의 선형 검출기 어레이로 쉽게 수량화될 수 있다. 480 nm 의 스펙트럼 부근에서 여기 파장을 채택하여, RRS 는 베타-카로틴, 리코펜, 베타 크립토잔틴, 루테인, 및 제아잔틴을 포함하여, 피부에서의 모든 공명하여 여기된 카로티노이드들의 결합된 농도들을 측정한다. 보다 짧은 접합 길이들 및 UV 에서 대응하는 흡수들을 갖는, 피부에서 발견되 2 개의 카로티노이드들, 피토엔 (Phytoene) 및 피토플루엔은 가시 광 여기 조건들 하에서는 검출되지 않는다.
사람의 망막에서, RRS 는 ~1 mm 직경의 황반 영역에서 루테인과 제아잔틴의 결합된 농도를 측정하는데 이용될 수 있다. 이는 스펙트럼을 통합하여 [I. V. Ermakov, R. W. McClane, P. S. Bernstein, and W. Gellermann, "Resonant Raman detection of macular pigment levels in the living human retina," Optics Letters 26, 202-204 (2001)], 또는 스펙트럼 분해 이미징 구성들로 [M. Sharifzadeh, D.-Y. Zhou, P. S. Bernstein, and W. Gellermann, "Resonance Raman Imaging of Macular Pigment Distributions in the Human Retina," Journal of the Optical Society of America, JOSA A 25, 947-957 (2008)] 달성될 수 있다. 피부 카로티노이드 측정들에 기초한 RRS 를 위한 바람직한 신체 부위들 중 하나의 부위는 손의 손바닥 또는 발의 뒤꿈치인데, 이러한 조직 부위들에서의 진피 멜라닌 안료 레벨들이 개개의 상이한 인종 및 민족 배경들 사이에서 보다 밝고 덜 변하기 때문이다. 또한, 각질층, 외부 진피 조직 층은 손바닥 또는 뒤꿈치에서 상대적으로 두껍다 (적어도 ~400 ㎛). 이는 여기 광이 이러한 강하게 산란하는 층 (광 투과 심도 ~200 ㎛) 을 너머, 보다 깊은 조직 층들 안으로 투과하지 않게 하며, 보다 깊은 조직 층들은 다른, 잠재적으로 교락 (confounding) 발색단들을 여기시킬 수 있다. 휴대용 기기 구성들에서의 현장 응용들에서는, RRS 방법론의 적합성은 큰 대상체 개체군들의 빠른 측정에 대해 입증될 수 있다. 손바닥들의 측정들은 상당한 폭 (중앙 값의 ~50%) 을 갖는 종 형상의 분포를 생성하여, 대상체간 변동성과 같은 카로티노이드 상태의 객관적인 생물지표의 중요한 특성들을 제공하며, 비침습성 방식으로 쉽게 재현될 수 있다 [I. V. Ermakov, M. R. Ermakova, R. W. McClane, and W. Gellermann, "Resonance Raman detection of carotenoid antioxidants in living human tissues," Optics Letters 26, 1179-1181 (2001)].
이러한 초기 결과들에 기초하여, RRS 기반 피부 카로티노이드 검출은 영양 보충제 산업계에서 상업 응용들용으로 쉽게 개발될 수 있다. 이러한 산업계에서의 현장 응용들을 위해, 휴대용 RRS 기기는 초기에 저전력 소형 473 nm 솔리드 스테이트 레이저/65 mm 초점 거리 분광기/CCD 검출기 조합에 기초하여 개발되었다 [I. V. Ermakov, M. Sharifzadeh, M. R. Ermakova, and W. Gellermann, "Resonance Raman Detection of carotenoid antioxidants in living human tissue," Journal of Biomedical Optics, 10, 064028, 1-18 (2005)]. 추후의 단계에서, 좀더 튼튼한, 비 레이저 버전이 광전 증배기 검출과 조합하여 스펙트럼이 좁은 LED 여기에 기초하여 개발되었다 [S. D. Bergeson, J. B. Peatross, N. J. Eyring, J. F. Fralick, D. N. Stevenson, and S. B. Ferguson, "Resonance Raman measurements of carotenoids using light emitting diodes," J. Biomed. Optics 13, 044026 (2008)]. 현재, 약 만 대의 휴대용 RRS 기기들이 영양 보충제 산업계에서 이용되고 있으며, 측정된 대상체들의 전체 수는 천만을 초과하는데 이른다. 중요한 것은, 방법이 이러한 현장에서 카로티노이드 함유 영양 보충제들의 효능을 증명한다.
과학적 그리고 의학적 분야에서의 RRS 의 허가는 생화학적으로 (즉, HPCL-) 도출된 카로티노이드 레벨들을 이용하는 이러한 신규한 광학적 개념의 철저한 검증을 기다려야 한다. 초기에, 손의 손바닥 안쪽에서의 RRS 로 측정된 카로티노이드 레벨들은 공복 혈청의 HPLC 도출된 카로티노이드 레벨들과 강하게 그리고 상당히 상관관계가 있으므로, 간접적인 방식으로 방법을 검증한 것으로 밝혀졌다 [W. Gellermann, J. A. Zidichouski, C. R. Smidt, and P. S. Bernstein, "Raman detection of carotenoids in human tissue," in Carotenoids and Retinoids: Molecular Aspects and Health Issues, L. Packer, K. Kraemer, U. Obermueller-Jervic, and H. Sies, Eds., Chapter 6, pp. 86-114, AOCS Press, Champain, Illinois (2005)]. 보다 최근에, 측정된 조직 부피의 생체검사 및 후속하는 HPLC 분석이 뒤따르는 피부 카로티노이드 RRS 측정들을 수반한 직접적인 검증 실험들이 완료되었다 [I. V. Ermakov and W. Gellermann "Validation model for Raman based skin carotenoid detection," Archives of Biochemistry and Biophysics, 504, 40-9 (2010); S. T. Mayne, B. Cartmel, S. Scarmo, H. Lin, D. Leffel, E. Welch, I. V. Ermakov, P. Bohsale, P. S. Bernstein, and W. Gellermann, "Noninvasive assessment of dermal carotenoids as a biomarker of fruit and vegetable intake," Am. J. Clin. Nutr. 92,794-800 (2010)]. 다시, 양 방법들 사이에 높은 상관관계가 발견되었다. 이러한 검증들에 기초하여, RRS 는 이제 영양학에서의 이용이 증가하게 되었으며, 여기서 높은 통계적 의의를 갖는, 음식물들의 건강적 영향들, 흡연과 같은 외부 스트레스 인자들의 해로운 영향들, 및 구별되는 개체군들 사이의 일반적인 영양 차이들에 대한 식견을 제공한다. 또한, 방법은 암 예방 연구 및 신생아학과 같은 의학 분야들에서 조직 항산화 상태에 대한 빠른 객관적인 생물지표로서의 이용이 증가하게 한다.
피부 카로티노이드 레벨들의 비침습성 판단들을 위한 추가적인 비침습성 광학적 방법은 반사 분광법에 기초한다. 특히 유용한 것은 간섭하는 혈액 발색단들의 일시적 제거 후에 피부 카로티노이드 레벨들을 판단하는 것을 허용하는 반사 분광법의 압력 조정 버전이다 [I. V. Ermakov and W. Gellermann "Dermal carotenoid measurements via pressure-mediated reflection spectroscopy" J. Biophotonics 5, 55-570 (2012)]. 이러한 방법은 미국 특허 출원 공개 제 2009/0306521 Al 호에 개시되며, 그 개시물은 본원에 참조로서 포함된다. 이러한 반사 방법은 특히 간단하고 비용이 저렴한 방법이라는 약속을 지키는데, 이는 여기를 위해 임의의 협대역 광원들을 요구하지 않기 때문이고, 상당히 높은 신호 레벨들을 갖기 때문이고, 따라서 보다 덜 복잡한 계기장비를 요구하기 때문이다.
사람의 망막의 황반 영역 ("황반 안료") 에서의 [U. S. 특허 출원 공개 제 2007/0252950 호, Reflectometry Instrument and Method For Measuring Macular Pigment], 그리고 피부에서의 [W. Stahl, U. Heinrich, H. Jungmann, J. von Laar, M. Schietzel, H. Sies, and H. Tronnier, "Increased dermal carotenoid levels assessed by noninvasive reflection spectrophotometry correlate with serum levels in women ingesting betatene," J. Nutr. 128, 903 (1998); W. Stahl, U. Heinrich, H. Jungmann, H. Tronnier, and H. Sies, "Carotenoids in Human Skin: Noninvasive Measurement and Identification of Dermal Carotenoids and Carotenol Esters," Methods in Enzymology 319, 494-502 (2000)] 카로티노이드들의 수량화를 위해 이전에는 기본 반사 분광법이 이용되었다. 망막 반사 분광법에서, (피부와 대조적으로 오직 2 개의 카로티노이드 종들, 즉, 루테인 및 제아잔틴만을 포함하는) 황반 카로티노이드들은 각막에서부터 망막 너머의 반사 공막까지의, 그리고 반대로, 모든 안구의 층들을 통해 백색 광의 이중 경로 전파로부터 도출된다. 카로티노이드들의 수량화는 다층의 순차적 직선 광 경로 투과 모델의 도움으로 가능하며, 여기서 모든 안구의 층들의 개개의 흡수 및/또는 산란 결과들은 각각의 흡수 및/또는 산란 계수들로 설명된다. 황반에 집중되어 있는 망막 카로티노이드 레벨들은 측정된 스펙트럼들에 대한 계산된 반사 스펙트럼들의 다중 파라미터 적합치로부터 도출된다.
사람의 피부에서, 외부 각질층에 의해 야기되는 보다 강한 광 산란은 직사 광 경로들에서의 조직 광 전파의 추정 및 직사 광 경로들의 모델링을 허락하지 않는다. 또한, 반사기로서 이용될 수 있는 효과적인 내부 인터페이스가 없다. 대신에, 이러한 보다 초기의 접근법에서의 살아 있는 조직에서의 발색단 분포들의 불균등성을 고려하고, 피부 발색단들에 대한 다중 구획 모델링을 갖는 복잡한 스펙트럼 디콘볼루션 (de-convolution) 알고리즘을 이용하는 첫번째 원리로부터 카로티노이드 레벨들을 계산하는 것이 시도되었다. 베이스라인 피부와 혈청 카로티노이드 레벨들 사이의 상당한 상관관계는 12 주 β-카로틴 보충 연구에서 입증될 수 있다. 또한, 피부 카로티노이드 레벨들의 명백한 상승은 작은 그룹의 자원자 대상체에서의 보충에 응답하여 입증될 수 있다 [F. Niedorf, H. Jungmann, and M. Kietzmann, "Noninvasive reflection spectra provide quantitative information about the spatial distribution of skin chromophores," Med. Phys. 32, 1297-1307 (2005)]. 그러나, 탁한 매체들에서의 확산 광 운반 모델 내에서의 반사 스펙트럼들의 이해는 상대적으로 약한 흡수 카로티노이드 발색단들의 판단에 문제가 있는 것으로 인식되었고 [F. Niedorf, H. Jungmann, and M. Kietzmann, "Noninvasive reflection spectra provide quantitative information about the spatial distribution of skin chromophores," Med. Phys. 32, 1297-1307 (2005)], 방법론은 널리 응용되지 않게 되었다.
피부 카로티노이드 농도들을 도출하기 위한 다른 시도는 피부 색상 포화 측정치들을 조사한다 [S. Alaluf, U. Heinrich, W. Stahl, H. Tronnier, and S. Wiseman, "Dietary Carotenoids Contribute to Normal Human Skin Color and UV Photosensitivity," J. of Nutrition 132, 399-403 (2002)]. 이러한 방법에서, 3 자극 값들, b* 값 중 하나가 측정되고 백색 반사 표준의 색도도와 비교되었다. b* 값이 황색에서 청색 영역까지 색상 포화도를 측정하기 때문에, 이러한 스펙트럼 범위에서 일어나는 피부 카로티노이드들의 흡수에 의해 영향을 받게 되는 것으로 예상될 수 있다. 그러나, 측정들은 카로티노이드 흡수 뿐만 아니라 첨가된 혈액과 멜라닌의 흡수 및 산란 결과들에 의해 영향을 받으므로, 약간 불특정한 결과들을 야기한다.
압력 조정 반사 분광법은 반사 도출된 카로티노이드 흡수 레벨들을 조직에서의 배경 흡수/산란 레벨들과 비교함으로써 경험적으로 피부 카로티노이드 레벨들을 도출하며, 여기서 교락 혈액 발색단들은 일시적으로 축출되었다. 계기장비는 단순한, 스펙트럼이 넓은, 광 여기를 이용한다. 피부 표면으로부터 반사된 광은 분광기/CCD 검출기 조합으로 스펙트럼이 분해되어 측정되거나, 대안으로, 단지, 각각, 카로티노이드 흡수 범위 내의 그리고 카로티노이드 흡수 범위 외부의 몇몇 적합한 별개의 파장들이 측정된다. 압력 조정 반사 분광법은 카로티노이드가 풍부한 주스들을 마시는 대상체들에서의 피부 카로티노이드 레벨을 신뢰할 수 있게 추적함으로써 이미 입증되었다 [I. V. Ermakov and W. Gellermann, "Dermal carotenoid measurements via pressure mediated reflection spectroscopy," J. Biophotonics 5, 559-570 (2012)].
생물학적 조직에서의 헤모글로빈의 광학적 속성들
헤모글로빈 (적혈구들에서의 철분 함유 산소 운반 단백질) 은 가시 파장 영역에서 강하게 흡수한다. 산소 운송 변종 (산화 헤모글로빈) 은 각각 약 530 nm 및 580 nm 에서 피크들을 갖는 2 개의 부분적으로 분해된 흡수대들을 특징으로 하는 한편, 산소 고갈 변종 (탈산화 헤모글로빈 (de-oxy-hemoglobin)) 은 560 nm 에서 피크를 갖는 단일의 광대역 흡수를 더 많이 갖는다. 흡수를 식별하는 것이 헤모글로빈 발색단들의 흡수대들에 의해 마스킹되지 않는 조직 카로티노이드 측정들에 주의해야 한다. 이는 조직 부위의 신중한 채택, 적합한 광 전파 시나리오, 및/또는 검출 파장의 최적화된 채택에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는 후자는 혈액 발색단들의 파장 범위 외부에 있어야 한다.
흡수 분광법
위에서 설명된 RRS 및 반사 방법론들은, 아래로 일 밀리미터의 몇 분의 일의 상대적으로 얕은 조직 깊이까지, 오직 피상 조직 층들에서의 살아 있는 피부와 같은 생물학적 조직에서 카로티노이드 레벨들을 측정한다. 이러한 제한은 주로 각질층에서의 강한 광 산란에 의해 가해지며, 이는 여기 광, 라만 산란된 광, 또는 반사된 광을 포함하여, 가시 파장 영역에서의 임의의 광에 대한 높은 광학적 손실들을 야기한다. 본 시스템 및 방법들에서, 우리는 이러한 결점을 극복하는 새로운 광학적 방법을 설명한다. 흡수 분광법에 기초하여, 새로운 방법은 살아 있는 신체 말단의 전체 조직 두께 또는 최대 몇 cm 의 부속부에 걸쳐 조직 카로티노이드들 및 관련된 생물학적 화합물들의 레벨들을 측정할 수 있다. 처음으로, 이는 손, 손가락, 귓불, 피부 겹, 또는 유사한 것과 같은 중요한 살아 있는 사람의 신체 부분들에서의 카로티노이드 레벨들을 측정하고, 이러한 방식으로, 단지 표면 농도들보다는 조직 내부 화합물 레벨들을 포함하여 수량적 측정치를 획득하는 것을 가능하게 한다. 조직 화합물 농도의 수량적 측정치로서 우리는 관심 파장 영역에서의 투과되는 광 강도의 대수 비율 (Iout), 및 참조 광 강도 (Iref) 를 채택하고, 다른 스펙트럼이 중첩하는 조직 발색단들로 인한 산란/흡수 배경의 감산 후에 관심사의 카로티노이드 흡수를 결정한다. 구체적으로, 우리는 이러한 측정들로부터 광학 밀도를 결정하며,
O.D.= 1gT-1
여기서 T 는 샘플을 통과하는 입력 광의 투과 백분율인데, 즉, T=Iout/Iref 이다. 시간 경과에 따른 카로티노이드들의 흡수를 측정하여, 음식물의 변화들에서 야기되는 농도에서의 변화들을 추적하는 것이 가능하다.
조직들에서 개시된 방법을 이용한 투과 도출 생물학적 카로티노이드 레벨들을, 예를 들어, 각각, 내부 뼈를 함유하거나 함유하지 않는 조직에서의 상이한 성분들과 비교하여, 특정 내부 조직 요소들에서의 카로티노이드 농도들의 선택적 정보를 획득하는 것이 가능할 수도 있다. 예를 들어, 개시된 방법으로 내부 지방 층들에서, 연골에서, 또는 뼈에서 선택적으로 카로티노이드 레벨들을 결정하는 것이 가능할 수도 있다.
도 2 는 멜라닌이 없는 사람의 피부 조직에서 주요 흡수 발색단들의 모델 흡수 스펙트럼들을 도시한다. 구체적으로, 도 2 는 과산화 헤모글로빈 (Hb02, 얇은 실선), 탈산소 (deoxygenated) 헤모글로빈 (Hb, 얇은 대시 점선), 및 카로티노이드들 (CAR, 두꺼운 실선) 을 도시한다. 도시된 카로티노이드 흡수는 베타-카로틴의 용액에 대해 보여준다. 또한 도 2 에 도시된 것은 작은 농도들로 피부에 존재하는 플라보노이드들 (flavonoid; FLAV, 얇은 점선) 의 흡수 테일 (tail) 이다. 도 2 는 다른 발색단들의 흡수 결과들이 이러한 영역에서 상대적으로 아주 적기 때문에 카로티노이드 검출에 가장 유용한 스펙트럼 윈도우는 (음영으로 도시된) 460 nm 내지 500 nm 의 스펙트럼 범위에 집중되어야 할 것을 제안한다.
도 3 은 조직에서 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 흡수 분광법 기반 장치의 일 예를 도시하는 블록도이다. 생물학적 화합물들은 카로티노이드들, 혈액, 수분 등을 포함할 수도 있다. 생물학적 화합물들은 살아 있는 조직 샘플들 및/또는 추출된 조직 샘플로부터 측정되고 수량화될 수도 있다. 장치는 광원 (312), 광학 검출기 (336), 및 데이터 습득, 프로세싱, 수량화, 및 디스플레이 모듈 (346) 을 포함할 수도 있다. 장치는 샘플 (322) 에서 발견된 생물학적 화합물들을 수량화할 수도 있다.
광원 (312) 은 샘플 (322) 상에 광 (316) 을 조명할 수도 있다. 광 (316) 은 발광 다이오드 (light emitting diode; LED) 광원, LED 어레이, 종래의 광원, 및 임의의 다른 적합한 광대역 광원으로부터 비롯될 수도 있다. 예를 들어, 저비용 LED 광원이 이용될 수도 있다. 하나의 광원 (312) 또는 다수의 광원들이 이용될 수도 있다. 일부 구성들에서는, 광원 (312) 에 의해 발생된 광 (316) 을 보내는데 광 섬유가 이용될 수도 있다.
광원 (312) 은 480 nm 를 포함하는, 예를 들어, 400 nm 에서부터 600 nm 까지의 파장들에서 발생된 광 (316) 의 스펙트럼을 발산할 수도 있다. 다시 말해, 광은 카로티노이드들의 흡수대에 실질적으로 중첩할 수도 있는 파장들에서 발생될 수도 있다. 또한 또는 대안으로, 광원 (312) 은 970 nm 를 포함하는, 예를 들어, 800 nm 에서 1050 nm 까지의 파장들에서 발생된 광 (316) 을 발산할 수도 있다. 일반적으로, 광원 (312) 은 다양한 스펙트럼들에 걸치는 백색 광 (316) 의 풀 (full) 스펙트럼을 발산할 수도 있다.
샘플 (322) 은 사람으로부터의 살아 있는 조직 샘플, 예컨대, 손가락, 피부 겹, 귓불 등일 수도 있다. 샘플 (322) 은 다른 살아 있는 유기체로부터의 살아 있는 조직 샘플일 수도 있다. 대안으로, 샘플 (322) 은 사람으로부터 추출된 조직 샘플, 예컨대, 피부 조직 혹은 뼈 샘플의 추출된 조각, 또는 예전에 살아 있던 사람이 아닌 유기체로부터 추출된 샘플일 수도 있다. 샘플은 조직 카로티노이드들의 흡수 기반 측정들을 위해 가능할 것으로 이전에 생각된 것보다 훨씬 더 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 샘플 (322) 은 두께가 최대 3 cm 에 이를 수 있다. 그러나, 샘플 (322) 은 더 두껍거나 덜 두꺼울 수도 있다. 예를 들어, 샘플 (322) 은 단지 몇 mm 두께의 추출된 피부 조직의 얇은 조각일 수도 있거나, 엄지 손가락과 집게 손가락 사이의 겹과 같은 조직 겹 또는 귓불일 수도 있다. 역으로, 샘플 (322) 은 몇 cm 두께의 동물 뼈일 수도 있다. 샘플 (422) 은 흡수 레벨들의 빠른 프로세싱 및 계산을 위해 충분히 높은 투과된 광 레벨들을 가지며, 광원 (312) 으로부터의 광 (316) 이 샘플 (322) 을 통과하는 것을 허용하기에 충분할만큼 얇아야 한다. 일부 구성들에서, 보다 두꺼운 샘플들 (322) 로부터 생물학적 화합물들을 수량화하고 측정하기 위해 보다 강한 광원 (312) 이 이용될 수도 있다.
광학 검출기 (336) 는 스펙트럼 분해 검출 구성들에서 또는 전략적으로 택한 별개의 파장들에서 샘플 (322) 로부터 투과된 광 (330) 을 검출할 수도 있다. 예를 들어, 광학 검출기 (336) 는 샘플 (322) 로부터 방출되는 광의 세기를 측정할 수도 있다. 광학 검출기 (336) 는 분광기/전하 결합 (charge coupled; CCD) 혹은 CMOS 검출기 구성, 광전 증배기 튜브, 광전 다이오드 검출기, 및/또는 다른 광학 검출기들을 포함할 수도 있다. 일부 구성들에서, 광학 검출기 (336) 는 공간적으로 통합시키는 광학 검출기를 포함할 수도 있다.
샘플 (322) 이 사람의 손가락인 경우, 광원 (312) 은 손가락 상에 광 (316) 을 조명할 수도 있다. 광 (316) 은 손가락의 일 측면으로 진입할 수도 있다. 광 (316) 은 손가락을 통과할 수도 있다. 투과된 광 (330) 은 손가락의 반대 측면으로부터 빠져 나갈 수도 있다. 투과된 힘 (330) 은 광학 검출기 (336) 에서 검출될 수도 있다.
광학 검출기 (336) 는 검출된 광을 전자적 신호로 변환시킬 수도 있다. 광학 검출기는 전자적 신호 (344) 를 습득, 수량화, 및 디스플레이 모듈 (346) 에 전송할 수도 있다.
습득, 수량화, 및 디스플레이 모듈 (346) 은, 적합한 데이터 습득 및 프로세싱 루틴들을 이용하여, 전자적 신호 (344) 를 분석하고 수량화하고 결과를 디스플레이할 수도 있다. 결과는 생물학적 화합물 농도 레벨들을 포함할 수도 있다.
샘플 (322) 에서 의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하는 것은 광학 검출기 (366) 로부터의 전자적 신호 (344) 를 프로세싱하는 것을 포함할 수도 있다. 전자적 신호 (344) 를 프로세싱하는 것은 모니터 (미도시) 및/또는 다른 디스플레이 상에 신호를 분석하고/하거나 시각적으로 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다. 광학 검출기 (336) 로부터의 전자적 신호를 프로세싱하는 것은 광 신호를 다른 디지털 및/또는 수치적 포맷들로 변환시키는 것을 더 포함할 수도 있다. 샘플 (322) 에서의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하기 위해 습득 및 디스플레이 모듈 (346) 에 의해 데이터 습득 소프트웨어가 이용될 수도 있다.
예를 들어, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 샘플 (322) 에서의 카로티노이드들, 헤모글로빈, 및/또는 수분의 레벨들을 분석하고, 수량화하고, 디스플레이할 수도 있다. 또한, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 결과에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들을 정상적인 생물학적 조직에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들과 비교하여, 악성종양 또는 다른 질병의 위험 또는 존재를 판단하거나, 식이 보충에 응답한 레벨 변화들을 추적할 수도 있다.
또한, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 살아 있는 조직 또는 샘플 (322) 의 결합된 카로티노이드 및 플라보노이드 항산화 상태를 판단할 수도 있다. 이러한 방식으로, 샘플 (322) 의 연관된 항산화 상태는 샘플 (322) 이 채취되거나 살아 있는 조직이 측정되는 사용자에 의해 소비되는 과일들 또는 채소들의 레벨의 일부 표시를 제공할 수도 있다. 일 예로서, 사용자가 그의 또는 그녀의 과일들 및 채소들의 소비를 증가시킴에 따라, 그의 또는 그녀의 연관된 항산화 상태는 시간 경과에 따라 긍정적으로 변할 수도 있다.
일부 구성들에서, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 컴퓨팅 디바이스일 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스는 개인용 컴퓨터일 수도 있거나 다른 컴퓨팅 디바이스들일 수도 있다.
일부 구성들에서, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 광원 (312) 과 전자적 통신 상태일 수도 있다. 예를 들어, 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 은 투과된 광 (330) 을 광원 (312) 에서 발산된 광 (316) 에 대해 비교할 수도 있다. 또한, 광원 (312) 은 입력을 제공하고 습득 및 디스플레이 모듈 (346) 로부터 피드백을 수신할 수 있다.
도 4 는 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 흡수 분광법 기반 장치의 보다 상세한 예를 도시하는 블록도이다. 생물학적 화합물들은 카로티노이드들 레벨들, 혈액 레벨들, 수분 레벨들 등을 포함할 수도 있다. 이러한 생물학적 화합물들은 손가락, 귓불, 피부 겹들 등과 같은 살아 있는 조직에서 발견될 수도 있다. 또한, 생물학적 화합물들은 적합한 두께의 추출된 조직에서 발견될 수도 있다.
장치는 광원 (412), 밀봉체 (418), 광학 검출기 (436), 및 습득, 수량화, 및 디스플레이 모듈 (446) 을 포함할 수도 있다. 일부 구성들에서, 컴포넌트들은 단일 장치로 결합될 수도 있다. 다른 구성들에서, 장치에서의 컴포넌트들은 서로 독립적일 수도 있다. 다시 말해, 컴포넌트들은 시스템을 형성할 수도 있다.
광원 (412) 은 빔 확장기들, 필터들, 조리개들, 셔터들 등과 같은 광 전달 옵션들 (414) 을 포함할 수도 있다. 일 구성에서, 빔 확장기 및 필터는 샘플 (422) 상에 미리 결정된 사이즈 및/또는 형상으로 광을 확대하고/하거나 감소시키기 위해 사용될 수도 있다. 다른 구성들에서, 빔 확장기 및 필터는 다른 미리 결정된 형상들 및/또는 구역들로 샘플 (422) 에 대한 광을 확장하고/하거나 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 빔 확장기 및 필터는 미리 결정된 형상들, 예컨대, 타원형, 환형, 다각형, 다수의 타원형들, 및/또는 다른 미리 결정된 형상들로 광을 확장하고/하거나 감소시킬 수도 있다. 다른 예에서, 빔 확장기 및 필터는 미리 결정된 다른 여기 및 검출기 구역들로 광을 확장하고/하거나 감소시킬 수도 있다.
광원 (412) 은 샘플 (422) 상에 광 (416) 을 조명할 수도 있다. 광 (416) 은 발광 다이오드 (LED) 광원, LED 어레이, 종래의 텅스텐 광원, 및/또는 다른 광원들일 수도 있다. 예를 들어, 저비용 LED 광원이 이용될 수도 있다. 하나의 광원 (412) 또는 다수의 광원들이 이용될 수도 있다. 일부 구성들에서는, 광원 (412) 에 의해 발생된 광 (316) 을 보내는데 광 섬유가 이용될 수도 있다.
광원 (412) 은 480 nm 를 포함하는, 예를 들어, 400 nm 에서부터 600 nm 까지의 파장들에서 발생된 광 (416) 의 스펙트럼을 발산할 수도 있다. 다시 말해, 광은 살아 있는 조직 또는 다른 유기 샘플들에서의 카로티노이드들의 흡수대가 실질적으로 중첩할 수도 있는 파장들에서 발생될 수도 있다. 또한 또는 대안으로, 광원 (412) 은 970 nm 를 포함하는, 예를 들어, 800 nm 에서 1050 nm 까지의 파장들에서 발생된 광 (416) 을 발산할 수도 있다. 다시 말해, 광은 조직 수화의 흡수대가 실질적으로 중첩할 수도 있는 파장들에서 발생될 수도 있다. 일반적으로, 광원 (412) 은 다양한 생물학적 화합물 흡수 스펙트럼들에 걸치는 백색 광 (416) 의 풀 스펙트럼을 발산할 수도 있다.
밀봉체 (418) 는 샘플 (422) 을 둘러쌀 수도 있다. 광원 (412) 은 광 (416) 을 밀봉체 (418) 내부로 비출 수도 있다. 밀봉체 (418) 는 샘플 (422) 이 삽입될 수도 있는 개구부를 포함할 수도 있다.
밀봉체 (418) 는 제 1 윈도우 (420a) 및 제 2 윈도우 (420b) 를 가질 수도 있다. 제 1 윈도우 (420a) 는 광 (416) 이 광원 (412) 으로부터 밀봉체 (418) 내부로 진입하는 것을 허용할 수도 있다. 제 2 윈도우 (420b) 는 샘플로부터 투과된 광 (430) 이 밀봉체 (418) 를 빠져 나가는 것을 허용할 수도 있다. 밀봉체 (418) 는 그렇지 않으면 투과된 광 (430) 이외의 광 (416) 및/또는 다른 미광이 밀봉체 (418) 를 빠져 나가는 것을 방지할 수도 있다. 예를 들어, 밀봉체 (418) 는 미광이 밀봉체 (418) 를 빠져 나가는 것을 방지하도록 조정가능할 (448) 수도 있다. 투과된 광 (430) 이외의 광이 밀봉체 (418) 에 존재하는 경우, 부정확한 결과가 생길 수도 있다.
밀봉체 윈도우들과 조직 샘플 사이의 공간을 채우기 위해 접촉 젤 (428a, 428b) 이 사용될 수도 있다. 접촉 젤 (428a, 428b) 은 중간 광학 표면들로부터의 광 반사를 감소시킬 수도 있다. 다시 말해, 접촉 젤 (428a, 428b) 은 제 1 윈도우 (420a) 와 샘플 (422), 뿐만 아니라 제 2 윈도우 (420b) 와 샘플 (422) 사이의 공기층을 방지할 수도 있다.
샘플 (422) 은 사람으로부터의 살아 있는 조직 샘플, 예컨대, 손, 손가락, 피부 겹, 귓불, 코의 일부분 등일 수도 있다. 사람의 손가락 샘플 (422) 은 피부, 뼈, 및 지방을 포함할 수도 있다. 사람의 손의 엄지 손가락과 집게 손가락 (index/pointer finger) 사이의 구역은 2 개 층의 피부를 포함할 수도 있다. 사람의 귓불은 연골을 포함할 수도 있고 뼈는 없다.
샘플 (422) 은, 예를 들어, 살아 있는 유방 조직일 수도 있다. 이는 카로티노이드들이 유방암에 영향을 줄 수도 있기 때문에 이로울 수도 있다. 생물학적 화합물들을 측정하기 위한 현재의 접근법들은 바늘들을 유방에 찌르고, 광 섬유들을 통해 광을 유방으로 전송하고, 섬유들 사이의 광 전파를 측정하는 것을 요구한다. 사람의 유방 조직에서 생물학적 화합물들을 측정하기 위해 침습성 접근법들을 이용하는 대신에, 본원에서 설명된 본 시스템들 및 방법들은 비침습성 접근법을 이용하여 생물학적 화합물들이 측정되는 것을 허용한다.
또한, 샘플 (422) 은 추출된 사람의 조직 샘플, 예컨대, 피부 조직 혹은 뼈 샘플의 추출된 조각, 또는 이전에 살아 있던 유기체로부터 추출된 샘플일 수도 있다. 예를 들어, 당근 슬라이스 또는 다른 채소가 샘플 (422) 로서 이용될 수도 있다.
샘플 (422) 은 광원 (412) 으로부터의 광 (416) 이 샘플 (422) 을 통과하는 것을 허용하도록 충분히 얇아야 한다. 일부 구성들에서, 보다 두꺼운 샘플들 (422) 로부터 생물학적 화합물들을 수량화하고 측정하기 위해 보다 강한 광원 (412) 이 이용될 수도 있다.
샘플 (422) 은 제 1 측면 (424) 및 제 2 측면 (426) 을 가질 수도 있다. 광원 (412) 으로부터의 광 (416) 은 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 을 조명할 수도 있다. 광 (416) 의 일부는 샘플 (422) 에 의해 흡수될 수도 있고, 광 (416) 의 일부는 투과된 광 (430) 으로서 샘플 (422) 에 의해 투과될 수도 있다. 투과된 광 (430) 은 샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 으로부터 나올 수도 있다. 샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 으로부터 투과된 광 (430) 은 밀봉체 (418) 의 제 2 윈도우 (420b) 를 통과하여 광학 검출기 (436) 에 의해 캡쳐될 수도 있다.
일부 구성들에서, 광원 (412) 과 밀봉체 (418) 의 제 1 윈도우 (420a) 사이에 갭이 없을 수도 있다. 또한 또는 대안으로, 밀봉체 (418) 의 제 2 윈도우 (426b) 와 광학 검출기 (436) 사이에 갭이 없을 수도 있다. 이러한 방식으로, 어떠한 미광도 획득된 결과들에 지장을 주지 않을 수도 있다.
다른 구성에서, 광원 (412) 및/또는 광학 검출기 (436) 는 밀봉체 (418) 의 일부분일 수도 있다. 예를 들어, 광원 (412) 은 제 1 윈도우 (420a) 를 대신해서 포함될 수도 있다. 또한 또는 대안으로, 광학 검출기 (436) 는 제 2 윈도우 (420b) 를 대신해서 포함될 수도 있다. 광원 (412) 및/또는 광학 검출기 (436) 를 밀봉체 (418) 에 부가하는 것은 미광이 임의의 획득된 결과들에 지장을 주는 것을 방지하는데 도움이 될 수도 있다.
광학 검출기 (436) 는 샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 으로부터 투과된 광 (430) 을 검출할 수도 있다. 광학 검출기 (336) 는 수집 모듈 (438), 스펙트럼 선택 모듈 (440), 및 광 검출 모듈 (442) 을 포함할 수도 있다. 수집 모듈 (438) 은 투과된 광 (430) 을 수집할 수도 있다. 수집 모듈 (438) 은 전하 결합 소자 (CCD) 카메라, CMOS 검출기, 광전 증배기 튜브, 광전 다이오드 검출기, 및/또는 다른 광학 검출기들을 포함할 수도 있다. CCD 어레이는 픽셀들에 대응하는 광 세기들 및 파장들을 검출하는 픽셀들의 어레이이다. 일부 구성들에서, 수집 모듈 (438) 은 공간적으로 통합시키는 광학 검출기를 포함할 수도 있다.
스펙트럼 선택 모듈 (440) 은 수집된 광의 원하지 않는 주파수들을 필터링해 낼 수도 있다. 예를 들어, 스펙트럼 선택 모듈 (440) 은 400 nm 내지 600 nm 파장의 외부의 수집된 광을 필터링해 낼 수도 있다. 다른 예로서, 스펙트럼 선택 모듈 (440) 은 수화된 조직들의 대역 외부의 수집된 광을 필터링해 낼 수도 있다. 다시 말해, 스펙트럼 선택 모듈 (440) 은 상관없는 또는 원하지 않는 파장들로부터 신호들을 필터링해 낼 수도 있다.
또한 또는 대안으로, 스펙트럼 선택 모듈 (440) 은 옵션으로 분광계 또는 분광기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 분광기는 샘플 (422) 에서의 카로티노이드, 수화, 및/또는 헤모글로빈 레벨들을 측정할 것이 요구될 수도 있다. 분광기는 상업용 분광기 시스템들, 예컨대, 소형의 전하 결합 실리콘 검출기 어레이를 갖는 높은 광 처리량 및 대응하는 빠른 검출을 사용하는 중간 분해능 그레이팅 (grating) 분광기로부터 선택될 수도 있다. 예를 들어, 분광기/CCD 어레이 광 검출 시스템은 1200 lines/mm 를 갖는 분산 회절격자, 및 14 x 200 ㎛ 의 개개의 픽셀 구역을 갖는 1 차원 (1 x 2048) 실리콘 CCD 검출기 어레이를 사용하는 것에 이용될 수도 있다.
광 검출 모듈 (442) 은 수집된 광을 검출할 수도 있다. 더불어 또는 대안으로, 광 검출 모듈 (442) 은 검출된 광을 전자적 신호로 변환시킬 수도 있다. 광학 검출기는 전자적 신호 (444) 를 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 에 전송할 수도 있다. 일부 구성들에서, 광 검출 모듈 (442) 은 분광계의 일부분일 수도 있다.
습득, 수량화, 및 디스플레이 모듈 (446) 은 전자적 신호 (444) 를 분석하고 수량화하여 결과를 디스플레이할 수도 있다. 결과는 생물학적 화합물 농도 레벨들을 포함할 수도 있다. 더불어 또는 대안으로, 결과는 샘플 (422) 에서의 측정된 생물학적 화합물들에 기초한 종합 지수일 수도 있다.
샘플 (422) 에서 의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하는 것은 광학 검출기 (436) 로부터의 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것을 포함할 수도 있다. 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것은 모니터 (미도시) 및/또는 다른 디스플레이 상에 신호를 분석하고/하거나 시각적으로 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다. 광학 검출기 (436) 로부터의 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것은 광 신호를 다른 디지털 및/또는 수치적 포맷들로 변환시키는 것을 더 포함할 수도 있다. 샘플 (422) 에서의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하기 위해 습득 및 디스플레이 모듈 (446) 에 의해 데이터 습득 소프트웨어가 이용될 수도 있다. 예를 들어, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 샘플 (422) 에서의 카로티노이드들, 수분, 및/또는 다른 생물학적 화합물들의 레벨들을 분석하고, 수량화하고, 디스플레이할 수도 있다.
수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 결과에서의 카로티노이드들 및 다른 생물학적 화합물들의 농도 레벨들을 정상적인 생물학적 조직에서의 카로티노이드들 및 다른 화합물들의 농도 레벨들과 비교하여 악성종양 또는 다른 질병의 위험 또는 존재를 판단할 수도 있다. 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 샘플 (422) 의 결합된 카로티노이드 및 플라보노이드 항산화 상태를 판단할 수도 있다. 이러한 방식으로, 샘플 (422) 의 연관된 항산화 상태는 샘플 (422) 이 채취된 사용자에 의해 소비된 과일들 또는 채소들의 레벨의 표시를 제공할 수도 있다. 일 예로서, 사용자가 그의 또는 그녀의 과일들 및 채소들의 소비를 증가시킴에 따라, 그의 또는 그녀의 항산화 상태는 시간 경과에 따라 긍정적으로 변할 수도 있다.
일부 구성들에서, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 컴퓨팅 디바이스일 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스는 개인용 컴퓨터일 수도 있거나 다른 컴퓨팅 디바이스들을 포함할 수도 있다. 일부 구성들에서, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은, 부분적으로, 모바일 디바이스 (미도시) 상에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 모바일 디바이스에 위치된 애플리케이션의 일부분일 수도 있다.
일부 구성들에서, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 광원 (412) 과 전자적 통신 상태일 수도 있다. 예를 들어, 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 은 투과된 광 (430) 을 광원 (412) 에서 발산된 광 (416) 에 대해 비교할 수도 있다. 또한, 광원 (412) 은 입력을 제공하고 수량화 및 디스플레이 모듈 (446) 로부터 피드백을 수신할 수도 있다.
도 5a 는 사람의 손가락에서의 조직의 다양한 층들을 통한 광 전파를 도시한다. 샘플 (522a) 는 피부, 혈액, 지방, 및 뼈를 포함할 수도 있다. 피부 층은 피하지방 층들, 표피들, 및 진피들을 포함할 수도 있다. 일 예로서, 샘플 (522a) 은 사람의 손가락일 수도 있다. 손가락으로부터 카로티노이드들의 종합 지수를 획득하는 것은 신체의 다른 부분들에서의 카로티노이드들 레벨들의 표현을 제공할 수도 있다. 또한, 광 흡수로부터 획득된 종합 카로티노이드 저수는 피부의 표층으로부터 반사된 광의 측정으로부터 획득된 종합 지수보다 정확한 결과들을 제공한다.
손가락 또는 피부, 혈액, 지방, 및 뼈를 포함하는 다른 샘플 (522a) 의 경우에, 광원 (312) 으로부터의 광 (516a) 은 2 개층의 피부, 혈액, 및 지방을 통과해야 할 수도 있다. 광 (516a) 은 샘플 (522a) 을 통해 이동함에 따라 산란되고 흡수될 수도 있다. 이러한 산란 및 흡수는 파선으로서 도시된다. 입사 광의 일부분은 수량화되고 디스플레이되도록 투과된 광 (530a) 으로서 빠져 나갈 수도 있다.
피부 색상은 일반적으로 멜라닌, 혈액, 카로티노이드들, 및 광 산란의 결합 광학적 결과들에 의해 정의된다. 카로티노이드들은 사실 황색이고 따라서 카로티노이드들은 청색 광을 흡수한다. 피부에서의 혈액은, 반면, 청색 광을 강하게 흡수하지 않는다. 따라서, 혈액은 청색 파장 영역에서 카로티노이드 농도를 측정할 시에 감소된 흡수 결과를 갖는다.
도 5b 는 귓불과 같이 뼈가 없는 신체 부분에서의 조직의 다양한 층들 또는 조직 겹을 통한 광 전파를 도시한다. 뼈가 없는 샘플 (552b) 은 피부, 섬유 조직, 지방, 및 혈액을 표현할 수도 있다. 예를 들어, 샘플 (522b) 은 사람의 귓불일 수도 있다. 이러한 예에서, 샘플 (522b) 은 다수의 층의 피부, 섬유 조직, 혈액, 및 지방을 포함할 수도 있다. 광 (516b) 은 샘플 (522b) 을 통해 이동하면서 내부로 산란되고, 반사되고, 흡수되어, 조직 내부의 직선 광 경로 전파에서 심하게 벗어나는 경로를 야기할 수도 있다. 조직 내부에서 파선으로서 도시된, 투과 광 (530b) 은 그 다음에 수량화되고 디스플레이되도록 샘플 (522b) 을 빠져 나갈 수도 있다.
도 6 은 흡수 측정들에 적합한 2 개의 상이한 광원들의 통상적인 방출 스펙트럼들을 도시한다. 예를 들어, 백색 광 발광 다이오드 (LED, 실선 (a)), 또는 텅스텐-할로겐 램프 광 (점선 (b)) 으로부터의 광이 샘플들 (322) 에서의 생물학적 화합물들의 흡수 레벨들을 측정하는데 이용될 수도 있다. 광원들 양자 모두는 근자외선 (UV) 에서부터 근적외선 (IR) 스펙트럼 범위까지의 넓은 스펙트럼 범위를 커버할 수도 있다. 텅스텐-할로겐 광원 (b) 이 근 IR 범위에 대해 측정되는 생물학적 화합물들에 더 좋을 수도 있다. 예를 들어, 광원으로서 텅스텐-할로겐 소스를 이용하는 것은 백색 LED 를 이용하는 것보다 샘플에서의 수분 레벨들을 측정하는데 더 효과적일 수도 있다. 이는 수분 레벨들이 일반적으로 970 nm 의 파장에서 측정되기 때문이다.
도 7 은 샘플 (322) 로서 이용되는 메탄올 카로티노이드 용액으로 채워진 1 mm 두께의 석영 큐벳 (cuvette) 의 흡수 스펙트럼을 도시한다. 이 경우에, 텅스텐 할로겐 램프가 광원 (312) 으로서 이용되었다. 카로티노이드 용액은 450 nm 및 480 nm 에 있는 카로티노이드 흡수 레벨들에서의 특성 진자 진동 피크들을 보여준다.
도 8 은 350 nm 내지 540 nm 파장 범위에서의 추출된 혈액이 없는 뒤꿈치 피부 조직 샘플 (322) 의 투과 도출 카로티노이드 흡수 스펙트럼들을 도시한다 (트레이스 (a), 실선). 점선은 스펙트럼에 대한 베이스라인을 표현한다. 베이스라인의 감산 후에, 카로티노이드 흡수 스펙트럼이 도출될 수도 있다. 이는 삽입으로서 확장된 스케일로 보여진다 (트레이스 (b)). 중요한 것으로는, 조직 샘플 내의 카로티노이드 흡수의 각각의 특성 전자 진동 하위구조 특징이 구별될 수 있으므로, 카로티노이드들의 존재를 명확하게 보여주며, 따라서 흡수의 강도에 기초하여 카로티노이드들의 레벨들을 수량화하는 것을 허용한다는 것이다. 이러한 투과 기반 조직 카로티노이드 측정들에서의 중요한 양상은 입력 광 세기의 신중한 채택이다. 반대편 조직 측면 상에서 검출기에 오직 확산되어 산란되는 광만이 투과되도록 충분히 낮게 유지될 필요가 있다. 이러한 방식으로, 내부 조직 발색단들은 그것들의 전체 흡수를 들어오는 광의 스펙트럼 특성들 상에 전할 수 있다. 그렇지 않고, 광 세기가 너무 높은 경우, 검출기는 오직 탄도 투과 광자들만을 볼 수도 있고, 투과된 광 스펙트럼은 입력 스펙트럼에 대해 변화되지 않을 것이다.
베이스라인 추정에 이용될 수도 있는 가능한 방법은 Schulze 등에 의해 설명된 바와 같은 "신호 제거 방법들 (Signal Removal Methods; SRM)" 이라고 지칭되는 알고리즘의 수정된 버전이다 [G. Schulze, A. Jirasek, M. M. L. Yu, A. Lim, R. F. B. Turner, and M. W. Blades, "Investigation of selected baseline removal techniques as candidates for automated implementation," Appl. Spectrosc. 59, 545-574 (2005)].
SRM 은 전체 측정된 스펙트럼에 대한 평활 루틴 또는 저차 다항 적합을 이용하여 베이스라인을 추정한다. 베이스라인의 초기 추정 후에, 베이스라인보다 높은 세기들을 갖는 스펙트럼에서의 그러한 지점들은 추정된 베이스라인의 값으로 대체함으로써 스펙트럼으로부터 없어질 것이다. 없앤 후에, 새로운 베이스라인 추정치가 발생되고, 이러한 절차는 새로운 베이스라인 추정치가 더 이상이 변하지 않거나 2 개의 연속적인 반복들 사이에서 단지 조금만 변할 때가지 반복된다. 보통, 이러한 절차는 자동화에 있어서 빠르고 이상적이다.
수정된 알고리즘은 다음의 단계들을 사용할 수도 있다. 첫째, 분광기로 실제 스펙트럼을 습득한다. 둘째, 제 1 추정 베이스라인을 발생시키기 위해 원래의 데이터 지점들에 걸쳐 평활화 루틴 (예를 들어, Savitsky-Golay 필터링) 또는 저차 다항 적합을 이용한다. 셋째, 신호를 베이스라인에서 분리하기 위해 초기 추정치를 이용하여 임계치를 확립한다. 신호는 임계치 위의 데이터이고, 베이스라인은 임계치 아래의 데이터이다. 넷째, 임계보다 높은 임의의 지점의 값을 그 지점에서의 임계의 값으로 대체함으로써 (다시 말해, 신호를 제거한다) 원래의 데이터를 수정한다. 다섯째, 베이스라인의 제 2 추정치를 제공하기 위해 수정된 데이터 세트에 Savitsky-Golay 필터링 또는 유사한 것을 적용한다. 여섯째, Savitsky-Golay 필터 루틴으로 획득된 새로운 임계치를 이용하여 신호 제거 단계를 되풀이하고 수정된 데이터 세트에 다시 Savitsky-Golay 필터링을 적용한다. 일곱째, 반복 기준에 도달함으로 인해 또는 고정된 횟수의 반복 단계들에 도달함으로 인해 반복이 중단될 수 있을 때까지 프로세스를 되풀이한다. 마지막, 베이스라인이 감산된 스펙트럼을 생성하기 위해 원래의 스펙트럼으로부터 최상 추정 베이스라인을 감산한다.
도 9a 는 샘플 (322) 로서 살아 있는 사람의 손가락에 대해 측정된 투과 스펙트럼을 도시한다. 광 (316) 은 백색 광원 (312) 으로부터 나오고, 분광기/CCD 어레이 기기 구성으로부터 측정된다. 광 (316) 이 샘플 (322) 을 관통하기 때문에, 오직 흡수되지 않거나 내부적으로 반사된 광 (316) 만이 투과된 광 (330) 으로서 샘플을 빠져 나간다. 임의의 파장에서의 샘플 흡수는 여기 광 세기 및 투과된 세기 사이의 대수 비율을 구함으로써 대응하는 파장에서 측정된 투과로부터 추정될 수 있다. 또한, 강한 신호가 샘플 (322) 로부터 방출될 수도 있기 때문에, 투과 측정치들을 획득하는데 저비용 광원 (312) 이 이용될 수도 있다.
도 9b 는 도 9a 에서의 투과 스펙트럼으로부터 도출된 흡수 스펙트럼을 도시한다. 도 9b 는 400 nm 내지 600 nm 파장 범위에서의 특성 카로티노이드 및 혈액 흡수 특징들을 보여준다. 예를 들어, 카로티노이드들 (CAR) 은 약 480 nm 의 그것들의 특성 흡수 피크, 및 530 nm 와 580 nm 에 있는 그것들의 피크들에 걸쳐 헤모글로빈 (Hb02) 과 같은 혈액 발색단 특징들을 통해 식별된다.
도 10 은 대상체의 상이한 손가락들 (엄지 손가락, 집게 손가락, 및 새끼 손가락) 의 투과 도출된 흡수 스펙트럼들을 도시한다. 각각의 실선은 동일한 손 상의 상이한 손가락 (322) 을 표현한다. 도 10 은 동일한 대상체에 대한 상이한 손가락들에서의 카로티노이드들 (CAR) 의 상이한 총량들을 보여준다. 배경 흡수 레벨들은 카로티노이드들의 흡수 영역 외부에서와 유사하다는 것에 유의한다.
도 11 은 2 개의 상이한 대상체들과 비슷한 두께의 집게 손가락들의 흡수 스펙트럼들을 도시한다. 실선은 샘플 (322) 로서 이용되는, 제 1 대상체로부터의 집게 손가락을 표현한다. 파선은 제 2 대상체로부터의 집게 손가락을 표현한다. 양자 모두의 경우들에서, 광원 (312) 으로서 발광 다이오드 (LED) 가 이용되었다. 도 11 은 (실선 스펙트럼과 비교하여 파선 스펙트럼에 있어 보다 높은) 2 개의 대상체들 사이의 조직 카로티노이드 레벨들에서의 차이를 도시한다.
도 12 는 사람 대상체의 엄지 손기락과 집게 손가락 사이의 무지구 피부 겹의 흡수 스펙트럼을 도시한다. 무지구 피부 겹을 측정하는 것은 생물학적 피부 카로티노이드 레벨들을 수량화할 시에 측정 정확도를 증가시킬 수도 있다. 이는 무지구 피부 겹이 2 개의 피부 표면들로 인해 피부 카로티노이드 농도를 2 번 측정하는 것을 허용하기 때문이다. 다시 말해, 무지구 피부 겹이 피부 층을 두 번 보이기 때문에, 그리고 또한 혈액 및 지방의 상대적으로 낮은 양을 특징으로 하기 때문에, 카로티노이드들과 같은 생물학적 화합물들의 특성 흡수 특징들은 피부와 같은 관심 조직에 대해 2 번 발견된다. 이는 표면 측정치들로부터 피부 레벨들을 추정하는 광학적 방법들과 비교하여 피부에서의 생물학적 화합물들의 보다 정확한 측정치를 야기할 수도 있다.
도 13 은 2 개의 상이한 대상체들의 비슷한 두께의 귓불들의 흡수 스펙트럼들을 도시한다. 상이한 카로티노이드 흡수 강도들은 각각의 대상체들에서의 상이한 조직 카로티노이드 레벨들을 나타낸다. 귓불을 측정하는 것은 귓불이 오직 상대적으로 얇은 외부 피부 층들만을 가지고 있기 때문에 결합 조직과 같은 내부 조직 층들에서의 카로티노이드들의 정확한 측정치를 제공할 수도 있다.
도 14a 및 도 14b 는 샘플 (322) 로서 풀을 먹인 젖소의 추출된 늑골 조직 샘플로부터의 흡수 스펙트럼들을 도시한다. 추출된 갈비뼈는 모든 살 및 지방이 제거되어 오직 뼈만이 남아 있게 된다. 구체적으로, 도 14a 는 원시 데이터 (실선 곡선) 및 배경이 정정된 데이터 (파선 곡선) 양자 모두를 도시한다. 이러한 흡수 결과들은, 흡수 스펙트럼들에서의 그것들의 각각의 특성 파장 포지션들이 증거가 되는 바와 같이, 풀을 먹인 젖소 갈비에서의 카로티노이드들 (CAR), 헤모글로빈 (Hb02), 및 메트헤모글로빈 (MHb) 의 존재를 입증한다. 도 14b 는 동일한 뼈 조직 샘플 (322) 에서의 수분 함유량 도시하며, 뼈 재료에서의 적은 수분 함유량의 존재를 보여준다. 유사한 결과들이 풀을 먹인 젖소들의 지방 샘플들로부터 획득되었다. 풀을 먹이지 않은 젖소들은 임의의 측정가능한 카로티노이드 흡수를 포함하지 않는다. 이러한 방식으로, 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들은 "유기농" 고기 대 "비유기농" 고기의 검사를 위한 빠른 비침습성 접근법을 제공할 수도 있다. 다시 말해, 풀을 먹인 젖소들로부터의 유기농 고기는 카로티노이드들을 포함하는 반면, 비유기농 고기는 그렇지 않다.
사람의 뼈 샘플들이 또한 본원에 설명된 시스템들 및 방법들을 이용하여 측정될 수도 있다. 사람들의 피부와 뼈 사이에 카로티노이드 레벨들의 높은 상관관계가 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 피부에서 측정된 카로티노이드 레벨들에 기초하여 뼈 건강을 측정하고 예상할 수도 있다.
도 15 는 카로티노이드 흡수 영역에서의 사람의 손가락의 시간 분해 흡수 거동을 도시하며, 심장 리듬으로 인한 카로티노이드 흡수의 변조를 보여준다. 도 15 는 건강한 사람의 손가락에 대한 480 nm 영역에서의 카로티노이드 흡수의 시간 분해 측정치를 도시한다. 되풀이되는, 교번하는, 카로티노이드 흡수 요소가 분명하며, 이는 큰, 일정한, 카로티노이드 흡수 배경 (후자는 도 15 에 도시되지 않는다) 상에 첨가된다. 교번하는 카로티노이드 흡수는 표준 펄스 산소측정법 기법들로 측정되는 경우의 혈액의 흡수와 동일한 공지의 시간 거동을 갖는다 [S. Palreddy, "Signal Processing Algorithms," in: Design of Pulse Oximeters, J. G. Webster (ed.), Institute of Physics Publishing, Bristol, UK, and Philadelphia, USA (1997), chapter 9, pp. 124-158; P. D. Mannheimer, "The light interaction of pulse oximetry." Anesth. Analg. 105 (6) S10-7 (2007)]. 결과는 사람의 심장박동에 따라 리듬이 확장하고 수축하는 조직 내부 혈관들로 인한 광에 대한 흡수 경로 변화들에 의해 야기된다. 카로티노이드 흡수가 동일한 리듬에 따라 변화하기 때문에, 교번하는 카로티노이드 흡수는 혈류에서 순환하는 카로티노이드들에 의해 야기되어야 한다. 따라서, 살아 있는 조직에서의 카로티노이드 레벨들의 시간 분해 흡수 거동 뿐만 아니라 그것들의 고정적인 조직 흡수를 측정하고 프로세싱하여, 혈액에서 순환하는 카로티노이드 레벨들 및 조직에서의 카로티노이드 레벨들을 별도로 결정하는 것이 가능할 것이다.
도 16 은 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법 (1600) 의 흐름도를 도시한다. 방법 (1600) 은 광원 (412) 으로 샘플 (422) (예를 들어, 조직) 의 제 1 측면 (424) 을 조명하는 단계 (1602) 를 포함한다. 광원 (412) 으로부터의 광 (416) 은 발광 다이오드 (LED) 광원, LED 어레이, 종래의 광원, 및/또는 다른 광원들일 수도 있다. 광원 (412) 은 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 관통하게 될 수도 있다.
샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 을 통해 투과된 광 (430) 이 검출될 수도 있다 (1604). 샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 은 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 의 반대편일 수도 있다.
광 (416) 은 샘플 (422) 을 통해 이동함에 따라 산란되고, 반사되고, 흡수될 수도 있다. 광 (416) 의 일부분은 투과된 광 (430) 으로서 샘플 (422) 에 의해 투과될 수도 있다.
투과된 광 (430) 을 검출하는 것 (1604) 은 샘플 (422) 로부터 나오는 광의 스펙트럼 분해 세기를 측정하는 것 또는 전략적으로 채택된 이산 파장들에서의 광의 검출을 포함할 수도 있다. 투과된 광 (430) 은 CCD 카메라, CMOS 어레이, 광전 증배기 튜브와 같은 광학 검출기 (436), 광전 다이오드 검출기, 및/또는 다른 광학 검출기에 의해 검출될 수도 있다 (1604). 투과된 광 (430) 을 검출하는 것 (1604) 은 검출된 광을 전자적 신호 (444) 로 변환시키는 것을 포함할 수도 있다.
검출된 광에 기초하여 결과가 획득될 수도 있다 (1606). 결과를 획득하는 것 (1606) 은 광학 검출기 (436) 로부터의 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것을 포함할 수도 있다. 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것은 모니터 (미도시) 및/또는 다른 디스플레이 상에 신호를 분석하고/하거나 시각적으로 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다. 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것은 광 신호를 다른 디지털 및/또는 수치적 포맷들로 변환시키는 것을 더 포함할 수도 있다. 데이터 습득 소프트웨어는 샘플 (422) 에서의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 이용될 수도 있다.
생물학적 화합물 레벨들은 하나 이상의 병적 측면들 또는 징후들을 나타내는 데이터를 상관시키기 위해 비교될 수도 있다. 비교에 기초하여, 하나 이상의 병적 측면들 또는 징후들의 존재, 부재, 또는 정도가 결정될 수도 있다.
도 17 은 조직에서의 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법 (1700) 의 보다 상세한 흐름도를 도시한다. 방법 (1700) 은 광원 (412) 을 제공하는 단계 (1702) 를 포함할 수도 있다. 광 (416) 은 조직에서의 카로티노이드들의 흡수대에 실질적으로 중첩하는 파장에서 발생될 수도 있다.
일부 구성들에서, 광원 (412) 은 광원의 소정의 파장들이 샘플 (422) 에 도달하는 것을 허용/방지하도록 필터링될 수도 있다. 광원 (412) 에 의해 발생된 광 (416) 을 필터링하는 것은 협대역 통과 필터, 레이저 라인 필터, 및/또는 다른 광학 필터들을 제공하는 것을 포함할 수도 있다. 광원 (412) 에 의해 발생되는 광 (416) 을 필터링하는 것은 원하는 대역 외부의 파장들을 갖는 광을 전반적으로 제외하도록 광을 필터링하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광 (416) 은 조직 발색단들에 의해 통상적으로 흡수되는 파장들만을 포함하도록 필터링될 수도 있다.
광원 (412) 은 광원 (412) 으로 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 을 조명할 수도 있다 (1704). 광원 (412) 으로부터의 광 (416) 은 발광 다이오드 (LED) 광원, LED 어레이, 종래의 광원, 및/또는 다른 광원들일 수도 있다. 광원 (412) 은 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 관통하게 될 수도 있다. 광원 (412) 은 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 쪽으로 향하게 될 수도 있다. 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 으로 광원 (412) 을 향하게 하는 것은 다양한 광학 엘리먼트들을 이용하여 달성될 수도 있고 타겟을 생성하도록 광을 조절하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 약 1 cm 의 디스크 형상의 타겟을 생성하도록 광을 확장하는데 렌즈가 이용될 수도 있다. 다른 구성들에서, 광원 (412) 은 다른 미리 결정된 형상들 및/또는 구역들을 갖는 타겟으로 확장되고/되거나 감소될 수도 있다.
샘플 (422) 을 통해 투과된 광 (416) 은 필터링될 수도 있다 (1706). 투과된 광 (430) 을 필터링하는 것 (1706) 은 광의 모든 원하지 않는 스펙트럼들을 필터링해 내는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 필터링하는 것 (1706) 은 480 nm, 530 nm, 970 nm, 및/또는 다른 파장들에 있는 광을 필터링하는 장파 통과 필터를 이용하는 것을 포함할 수도 있다.
샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 을 통해 투과된 광 (430) 이 검출될 수도 있다 (1708). 샘플 (422) 의 제 2 측면 (426) 은 샘플 (422) 의 제 1 측면 (424) 의 반대편일 수도 있다. 투과된 광 (430) 은 광전 다이오드 검출기, 광전 증배기 튜브, CCD 카메라, CMOS 어레이, 및/또는 다른 광학 검출기들에 의해 검출될 수도 있다 (1708). 투과된 광 (430) 을 검출하는 것 (1708) 은 검출된 광을 전자적 신호 (444) 로 변환시키는 것을 포함할 수도 있다.
검출된 광은 결과를 획득하기 위해 분광기/검출기 조합으로 분석될 수도 있다 (1710). 전자적 신호 (444) 를 분석하는 것 (1710) 은 광학 검출기 (436) 로부터의 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것을 포함할 수도 있다. 전자적 신호 (444) 를 프로세싱하는 것은 광 신호를 다른 디지털 및/또는 수치적 포맷들로 변환시키는 것을 더 포함할 수도 있다. 데이터 습득 소프트웨어는 샘플 (422) 에서의 생물학적 화합물들의 레벨들을 결정하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 이용될 수도 있다.
일 구성에서, 샘플 (422) 에서의 생물학적 화합물 레벨들의 일 측정이 이루어질 수도 있다. 다른 구성들에서, 다수의 측정들이 취해질 수도 있다. 생물학적 화합물 레벨들의 다수의 측정들이 취해질 수도 있는 구성들에서, 다수의 측정치들은 대상체에 대한 평균 생물학적 화합물 레벨을 결정하기 위해 평균내어질 수도 있다. 생물학적 화합물 레벨들이 평균내어질 수도 있는 일부 구성들에서, 측정들은 사용자 상의 동일한 위치로부터 취해질 수도 있다. 예를 들어, 각각의 측정에 대해 이용되는 광은 귓불과 같은 동일한 샘플 (422) 위치로 향하게 될 수도 있다. 다른 구성들에서, 측정들은 사용자의 신체 상의 상이한 위치들로부터 취해질 수도 있다. 예를 들어, 샘플들 (422) 은 손가락, 무지구 피부 겹, 및 귓불로부터 채취될 수도 있다. 다른 구성들에서, 동일한 및/또는 상이한 위치들로부터의 측정치들의 조합이 사용자에서의 평균 생물학적 화합물 레벨들을 결정하는데 이용될 수도 있다. 평균 생물학적 화합물 레벨들은 종합 지수/결과를 형성할 수도 있다.
결과는 디스플레이될 수도 있다 (1712). 결과를 디스플레이하는 것 (1712) 은 모니터 및/또는 다른 디스플레이 상에 신호를 시각적으로 디스플레이하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 디스플레이는 태블릿 컴퓨터 또는 스마트폰과 같은 모바일 디바이스일 수도 있다.
도 18 은 컴퓨팅 디바이스 (1846) 에서 이용될 수도 있는 다양한 하드웨어 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 컴퓨팅 디바이스 (1846) 는 수량화 및 디스플레이 모듈 (346) 의 일 예일 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스 (1846) 는 통상적으로 입력 컴포넌트들 또는 디바이스들 (1805) 및/또는 출력 컴포넌트들 또는 디바이스들 (1807) 과 전자적 통신 상태에 있는 프로세서 (1803) 를 포함한다. 프로세서 (1803) 는 프로세서 (1803) 와 전자적 통신을 할 수 있는 입력 디바이스들 (1805) 및/또는 출력 디바이스들 (1807), 또는, 다시 말해, 전자적 신호의 형태로 입력 및/또는 출력할 수 있는 디바이스들에 동작가능하게 접속될 수도 있다. 디바이스들 (1846) 의 예는 동일한 물리적 구조 내에 또는 별도의 하우징들이나 구조들에 입력 디바이스들 (1805), 출력 디바이스들 (1807), 및 프로세서 (1803) 를 포함할 수도 있다.
컴퓨팅 디바이스 (1846) 는 또한 메모리 (1809) 를 포함할 수도 있다. 메모리 (1809) 는 프로세서 (1803) 와 별개의 컴포넌트일 수도 있거나, 프로세서 (1803) 와 동일한 부분에 포함된 탑재 메모리 (1809) 일 수도 있다. 예를 들어, 마이크로제어기들은 종종 소정의 양의 탑재 메모리를 포함한다. 메모리 (1809) 는 리포푸신 (lipofuscin) 레벨들과 같은 정보, 및/또는 본 시스템들 및 방법들로 이용될 수도 있는 다른 정보를 저장할 수도 있다.
프로세서 (1803) 는 또한 통신 인터페이스 (1811) 와 전자적 통신 상태에 있을 수도 있다. 통신 인터페이스 (1811) 는 다른 디바이스들 (1846) 과의 통신들에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스 (1811) 는 광원 (312) 및/또는 광학 검출기들 (336) 과 통신하는데 이용될 수도 있다. 따라서, 다양한 디바이스들 (1846) 의 통신 인터페이스들 (1811) 은 컴퓨팅 디바이스들 (1846) 사이에서 신호들 또는 메시지들을 전송하기 위해 서로 통신하도록 설계될 수도 있다.
컴퓨팅 디바이스 (1846) 는 또한 다른 통신 포트들 (1813) 을 포함할 수도 있다. 또한, 다른 컴포넌트들 (1815) 이 또한 컴퓨팅 디바이스 (1846) 에 포함될 수도 있다.
많은 종류의 상이한 디바이스들이 본원의 예들과 이용될 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스 (1846) 는 마이크로제어기와 같은 단일 칩 컴퓨터, 제어기와 같은 단일 보드 유형의 컴퓨터, IBM-PC 호환가능 컴퓨터와 같은 통상적인 데스크톱 컴퓨터, 개인용 휴대정보 단말기 (PDA), 유닉스 기반 워크스테이션, 스마트 폰 등일 수도 있다. 이에 따라, 도 18 의 블록도는 단지 컴퓨팅 디바이스 (1846) 의 통상적인 컴포넌트들을 예시하고자 할 뿐이고, 본원에 개시된 예들의 범주를 제한하고자 하지는 않는다.
정보 및 신호들은 다양한 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 이용하여 표현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 설명에 걸쳐 참조될 수도 있는 데이터, 명령들, 커맨드들, 정보, 신호들, 비트들, 심볼들, 및 칩들은 전압들, 전류들, 전자기파들, 자기 장들 혹은 자기 입자들, 광학 장들 혹은 광학 입자들, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수도 있다.
본원에 개시된 예들과 연계하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양자 모두의 조합들로서 구현될 수도 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호교환가능성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들은 그것들의 기능성의 면에서 일반적으로 상술되었다. 그러한 기능성이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 특정 애플리케이션 및 전체 시스템에 부과되는 설계 제약들에 따라 달라진다. 당업자들은 각각의 특정 애플리케이션에 대해 다양한 방식들로 설명된 기능성을 구현할 수도 있으나, 그러한 구현 결정들은 본 발명의 범주로부터 벗어나게 하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본원에 개시된 예들과 연계하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (digital signal processor; DSP), 주문형 반도체 (application specific integrated circuit; ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이 신호 (field programmable gate array; FPGA) 또는 다른 프로그래머블 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 본원에서 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 것들의 임의의 조합에 의해 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안에서, 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 연계한 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로 구현될 수도 있다.
본원에서 개시된 예들과 연계하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어에서, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈에서, 또는 이들 양자의 조합에서 직접적으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터들, 하드 디스크, 이동식 디스크, CD-ROM, 또는 공지된 임의의 다른 형태의 저장 매체 내에 있을 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되어, 프로세가 저장 매체로부터 정보를 판독하거나 저장 매체에 정보를 기록할 수 있다. 대안에서, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수도 있다. 프로세서와 저장 매체는 ASIC 내에 있을 수도 있다. ASIC 는 사용자 단말기에 있을 수도 있다. 대안에서, 프로세서와 저장 매체는 사용자 단말기에 개별 컴포넌트들로서 있을 수도 있다.
단어 "예시적인" 은 본원에서 오직 "예, 예시, 또는 예증으로서 기능하는" 것을 의미하기 위해 이용된다. 본원에서 "예시적인" 으로서 설명된 임의의 예는 다른 예들에 비해 더 선호되거나 더 유익한 것으로 해석될 필요는 없다.
본원에 개시된 예들의 일부 특징들은 컴퓨터 소프트웨어, 전자 하드웨어, 또는 양자 모두의 조합들로 구현될 수도 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 상호교환가능성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 컴포넌트들은 그것들의 기능성의 면에서 일반적으로 설명될 수도 있다. 그러한 기능성이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 특정 애플리케이션 및 전체 시스템에 부과되는 설계 제약들에 따라 달라진다. 당업자라면, 상기 상술한 기능성을 각각의 특정 어플리케이션에 대해 다양한 방식들로 구현할 수도 있지만, 이러한 구현 결정들은 본 발명의 범주를 벗어나게 하는 것으로 이해되어서는 안된다.
설명된 기능성이 컴퓨터 소프트웨어로 구현되는 경우, 그러한 소프트웨어는 메모리 디바이스 내에 위치된 및/또는 시스템 버스나 네트워크를 통해 전자적 신호들로서 송신되는 임의의 유형의 컴퓨터 명령 또는 컴퓨터 실행가능 코드를 포함할 수도 있다. 본원에서 설명된 컴포넌트들과 연관된 기능성을 구현하는 소프트웨어는 단일 명령 또는 많은 명령들을 포함할 수도 있고, 여러 상이한 코드 세그먼트들을 통해, 상이한 프로그램들 사이에서, 그리고 여러 메모리 디바이스들에 걸쳐 분배될 수도 있다.
용어 "결정하기" (및 그것의 문법적 변형들) 는 아주 넓은 의미로 이용된다. 용어 "결정하기" 는 매우 다양한 작동들을 망라하므로, "결정하기" 는 산출하기, 계산하기, 프로세싱하기, 도출하기, 조사하기, 검색하기 (예를 들어, 테이블, 데이터베이스, 또는 다른 데이터 구조 내 검색하기), 확인하기 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하기" 는 수신하기 (예를 들어, 정보 수신하기), 액세스하기 (예를 들어, 메모리 내의 데이터에 액세스하기) 등을 포함할 수 있다. 또한, "결정하기" 는 해결하기, 선택하기, 채택하기, 확립하기 등을 포함할 수 있다.
구절 "~에 기초하는" 은 달리 명백히 명시되지 않는 한 "오직 ~에만 기초하는" 을 의미하지 않는다. 다시 말해, 구절 "~에 기초하는" 은 "오직 ~에만 기초하는" 및 "적어도 ~에 기초하는" 양자 모두를 말한다.
본원에 개시된 방법들은 설명된 방법을 달성하기 위한 하나 이상의 단계들 또는 작동들을 포함한다. 방법 단계들 및/또는 작동들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 서로 상호교환될 수도 있다. 다시 말해, 단계들 또는 액션들의 특정 순서가 예의 적절한 동작에 대해 요구되지 않는 한, 특정 단계들 및/또는 액션들의 순서 및/또는 이용은 본원에 설명된 본 시스템 및 방법들의 범주로부터 벗어나지 않으면서 수정될 수도 있다.
본원에 설명된 본 시스템 및 방법들의 특정 예들 및 응용들이 예시되고 설명되었으나, 본 발명은 본원에 개시된 정확한 구성 및 컴포넌트들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 당업자들에게 명백할 다양한 수정들, 변화들, 및 변형들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 본원에 개시된 본 발명의 방법들 및 시스템들의 배열, 동작, 및 세부사항들에 이루어질 수도 있다.

Claims (35)

  1. 광원으로 샘플의 제 1 측면을 조명하는 단계;
    상기 샘플의 제 2 측면으로부터 투과된 광을 검출하는 단계로서, 상기 샘플의 상기 제 2 측면은 상기 샘플의 상기 제 1 측면의 반대편인, 상기 샘플의 제 2 측면으로부터 투과된 광을 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 광에 기초하여 결과를 획득하는 단계를 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과된 광을 검출하는 단계는 광학 검출기를 이용하는 단계를 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플은,
    피부;
    섬유 조직;
    지방;
    뼈;
    혈액; 및
    연골
    중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플은,
    손가락;
    손;
    팔 상의 조직 겹 (fold);
    유방의 조직 겹;
    손의 조직 겹;
    무지구 조직 겹; 및
    귓불
    중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 샘플에서의 생물학적 화합물 레벨들을 실질적으로 변경하지 않는 세기를 갖는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드, 발광 다이오드 어레이, 텅스텐-할로겐 램프, 및 다른 적합한 광대역 광원 중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 결과는 상기 샘플에서의 카로티노이드들의 레벨들에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원은 카로티노이드들의 흡수대에 중첩하는 파장에서 광을 발생시키는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 결과는 대략 480 nm 에 집중된 스펙트럼 영역에서 검출되는 투과된 광에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    결과를 획득하는 단계는 결과를 획득하기 위해 상기 검출된 광을 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 결과를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 샘플의 항산화 상태를 획득하기 위해 상기 결과를 이용하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 결과에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들을 정상적인 생물학적 조직에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들과 비교하여 악성종양 또는 다른 질병의 위험 또는 존재를 판단하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 결과는 상기 샘플의 시간 분해 (time-resolved) 흡수에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 샘플의 상기 시간 분해 흡수의 결과는 사람의 심장박동에 따라 리듬이 확장하고 수축하는 상기 샘플에서의 혈관들에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 결과를 획득하는 단계는 상기 샘플을 분석하여 혈액에서 순환하는 카로티노이드 레벨들 및 상기 샘플에서의 카로티노이드 레벨들을 결정하는 단계를 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 결과를 획득하는 단계는 상기 샘플을 분석하여 상기 샘플에서의 발색단들의 레벨들에 대해 혈액에서 순환하는 다른 발색단들의 레벨을 결정하는 단계를 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플은, 상기 샘플의 상기 제 1 측면에서부터 상기 샘플의 상기 제 2 측면까지 측정하여, 대략 1 밀리미터 내지 3 센티미터 두께인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하는 방법.
  18. 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치로서,
    샘플의 제 1 측면을 조명하는 광원; 및
    상기 샘플의 제 2 측면으로부터 투과된 광을 검출하는 광학 검출기를 포함하고,
    상기 샘플의 상기 제 2 측면은 상기 샘플의 상기 제 1 측면의 반대편인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    밀봉체를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는 상기 광학 검출기가 상기 샘플의 상기 제 2 측면으로부터 투과되지 않은 임의의 광을 검출하는 것을 방지하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 샘플은,
    피부;
    섬유 조직;
    지방;
    뼈;
    혈액; 및
    연골
    중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 샘플은,
    손가락;
    손;
    팔의 조직 겹 (fold);
    유방의 조직 겹;
    손의 조직 겹;
    무지구 조직 겹; 및
    귓불
    중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 샘플에서의 생물학적 화합물 레벨들을 실질적으로 변경하지 않는 세기를 갖는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드, 발광 다이오드 어레이, 텅스텐-할로겐 램프, 및 다른 적합한 광대역 광원 중 하나인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  24. 제 18 항에 있어서,
    결과를 획득하기 위해 상기 광학 검출기에서 검출되는 상기 투과된 광을 분석하고 수량화하는 분광기/검출기 조합을 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 결과를 디스플레이하기 위한 디스플레이를 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 결과는 상기 샘플에서의 카로티노이드들의 레벨에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 광원은 카로티노이드들의 흡수대에 중첩하는 파장에서 광을 발생시키는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 결과는 대략 480 nm 에서 검출되는 투과된 광에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 샘플의 항산화 상태를 획득하기 위해 상기 결과를 이용하는 것을 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 결과에서의 카로티노이드들의 농도 레벨들을 정상적인 생물학적 조직의 카로티노이드들의 농도 레벨들과 비교하여 악성종양 또는 다른 질병의 위험 또는 존재를 판단하는 것을 더 포함하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  31. 제 18 항에 있어서,
    상기 결과는 상기 샘플에서의 시간 분해 흡수에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 샘플의 상기 시간 분해 흡수의 결과는 사람의 심장박동에 따라 리듬이 확장하고 수축하는 상기 샘플에서의 혈관들에 기초하는, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 결과를 획득하는 것은 상기 샘플을 분석하여 혈액에서 순환하는 카로티노이드 레벨들 및 상기 샘플에서의 카로티노이드 레벨들을 결정하는 것을 포함하는, 방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 결과를 획득하는 것은 상기 샘플을 분석하여 상기 샘플에서의 발색단들의 레벨들에 대해 혈액에서 순환하는 다른 발색단들의 레벨을 결정하는 것을 포함하는, 방법.
  35. 제 18 항에 있어서,
    상기 샘플은, 상기 샘플의 상기 제 1 측면에서부터 상기 샘플의 상기 제 2 측면까지 측정하여, 대략 1 밀리미터 내지 3 센티미터 두께인, 생물학적 화합물들을 측정하고 수량화하기 위한 장치.
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