KR20180039630A - 임플란트가능한 분석물 센서들과 함께 사용하기 위한 경피성 판독기 - Google Patents
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Abstract
본원에 기술되는 일부 실시예들은 분산된 방사 소스 및 광검출기를 가지는 판독기에 관한 것이다. 광검출기는 임플란트된 센서에 의해 방출되는 방사(예를 들어, 광)를 감지하도록 동작가능할 수 있다. 분산된 방사 소스는 광검출기를 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 분산된 방사 소스는 피부 내에 여기 방사의 광자 구름을 생성하는데, 이는 일 센티미터 또는 그 미만 정도인 깊이에서 피부 내에 임플란트되는 센서를 실질적으로 둘러쌀 수 있다(envelope).
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
이 출원은 "Sensor Interrogation System"라는 명칭으로 2015년 6월 25일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/184,785호, 및 "Transcutaneous Reader for Use with Implantable Analyte Sensors"라는 명칭으로 2015년 10월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/239,536호의 이익을 주장하며, 이들 각각의 내용들은 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
본원에 기술되는 일부 실시예들은 임플란트가능한 분석물 센서들에 관한 것이다. 더 특별하게는, 본원에 기술되는 일부 실시예들은 경피적 방식으로(transcutaneously) 분석물 레벨들을 결정하기 위해 이러한 센서들과 함께 사용되는 판독기들에 관한 것이다. 본원에 사용되는 바와 같이, 센서는 관심 있는 분석물 또는 파라미터의 농도 또는 수량에 상관될 수 있는 신호를 방출하도록 구성되는 임의의 디바이스, 화학물질, 또는 구조체이다.
인체 내의 다양한 물질들의 레벨을 결정하기 위한 임플란트가능한 센서들이 본 기술분야에 알려져 있다. 예를 들어, 그 전체가 참조로 본원에 포함되는 미국 특허 제6,304,766호는, 하우징 내에 내장되는 광-이미터, 광검출기, 및 송신기를 포함하는 알약-형상 또는 콩-형상의 감지 디바이스를 개시하며, 하우징은 그것이 도파관으로서 기능하게 하는 아크릴 폴리머와 같은 재료로 만들어진다. 하우징은, 피부 아래에, 예를 들어, 피부와 피하 조직층들 사이에 임플란트되도록 구성된다.
미국 특허 제6,304,766호에 기술된 디바이스의 하우징은 내부 광-이미터에 의해 발생되는 방사에 의해 부딪힐 때 형광을 내는 외부 코팅 재료("형광 표시자 분자들")를 가지고, 표시자 분자들에 의해 방출되는 형광 광이 입사하여 하우징 내에서 내부적으로 반사된다. 광검출기는 형광 광에 대해 대해 민감하며, 그것이 검출하는 형광 광의 양에 대응하는 신호를 발생시킨다. 또한, 표시자 분자들이 형광 광을 방출하는 범위, 및 따라서 하우징이 내부적으로 반사되는 형광 광에 의해 내부적으로 조명될 범위는, 관심 있는 특정 분석물, 예를 들어, 포도당, 산소, 독소, 약물 등의, 인체 내의 농도 레벨들에 따라 달라진다. 따라서, 광검출기가 발생시키는 신호는, 적어도 디바이스 근처의 조직들 및/또는 체액들 내의, 분석물들의 레벨을 나타낼 것이다.
외부 전원 및 외부 판독기는 미국 특허 제6,304,766호에 개시된 감지 디바이스와 함께 사용된다. 전원은 인덕터를 통해 경피적으로 감지 디바이스에 전력을 공급하며, 인덕터는 광-이미터, 광검출기, 및 송신기에 전력을 공급하기 위해 감지 디바이스의 회로 내에 전류를 유도한다. 송신기는, 결국, 광검출기가 발생시키는 신호의 강도를 나타내고 따라서 감지되는 분석물의 레벨을 나타내는 신호를 송신한다. 송신기 신호는 예를 들어, 추가적인 인덕턴스, RFID-타입 신호들 등일 수 있고, 판독기는 전송되는 신호를 감지하도록 구성되고 분석물의 레벨이 결정될 수 있게 한다.
또다른 임플란트가능한 센서는 그 내용이 전체적으로 참조로 포함되는, Wisniewski에 대한 미국 공보 제2012/0265034호에 개시된다. 이 참조문헌에 개시되는 센서들(본원에서, "Wisniewski-타입 센서들"이라 지칭됨)은 어떠한 내부 전자기기도 포함하지 않는다. 오히려, 미국 특허 공보 제2012/0265034호에 개시되는 센서들은 센서들 내로의 조직의 통합을 조성하기 위한 다양한 생체에 적합한 비계(scaffold) 구조들, 및 비계 구조들에 의해 그리고 비계 구조들 전반에 걸쳐 분포되는 다양한 "감지 모이어티들(sensing moieties)" 또는 표시자 분자들을 포함한다. 표시자 분자들은 여기 방사에 응답하여 감지가능한 광자 신호(예를 들어, 광), 및 여기 방사가 인가되고 그리고/또는 제거될 때 응답의 진폭(일부 경우들에서) 또는 감쇠 특징들(다른 경우들에서)은 센서가 노출되는 분석물 농도의 함수로서 변경된다.
미국 특허 공보 제2012/0265034호에 따른 센서들을 가지고, 외부 "판독기"는 센서가 임플란트되는 영역 위에 위치되고, 판독기 상의 이산 광원은 센서에 피부를 통해 투과하는 특정 파장의 광을 방출한다. 광의 특정 파장에 의한 여기 시, 각각의 여기된 표시자 분자는, 결국, 더 긴, 더 낮은 에너지 파장의 광을 방사(방출)할 것이며, 그 일부는 피부 밖으로 나갈 것이다. 판독기 광원 뿐만 아니라 임플란트가능한 센서로부터 오프셋되는, 판독기 내의 광검출기는 피부 밖으로 나가는 광에 대해 응답하며, 그 진폭이 임플란트된 센서로부터 나오는 그리고 피부 밖으로 나가는 광의 양에 대응하는, 신호를 발생시킨다. 표시자 분자들에 의해 방출되는 광의 진폭을 관측함으로써, 관심 있는 특정 분석물의 농도가 결정될 수 있다.
중요하게는, 각각의 방출점(표시자 엘리먼트)은 모든 방향들로, 즉, 방출 광의 점원으로서 광을 방사할 수 있다. 따라서, 임플란트(또는 그 일부분)의 여기시, 임플란트의 발광은 모든 방향들로 방사한다. 그러나, 발광이 통과하는 조직은 발광 광을 산란시키는 경향이 있다. 또한, 검출기에 의해 캡처되어 전류 또는 전압으로 전환될 수 있는 방출 광만이 유용한 신호 정보를 발생시킬 시에 생산적이며; 밖으로 방사하여 광검출기에 의해 캡처되지 않는 전체 방출 광의 임의의 부분은 "비생산적"이며, 관심 있는 분석물의 농도에 대한 강하고, 명백한(즉, 정확한) 표시를 제공하는 것의 견지에서 실제로 낭비된다. 그 결과, 신호-대-잡음 비는 차선적이다.
본원에 기술되는 일부 실시예들은 분산된 방사 소스 및 광검출기를 가지는 판독기에 관한 것이다. 광검출기는 임플란트된 센서에 의해 방출되는 방사(예를 들어, 광)를 감지하도록 동작가능할 수 있다. 분산된 방사 소스는 광검출기를 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 분산된 방사 소스는 피부 내의 여기 방사의 광자 구름을 발생시킬 수 있는데, 이는 일 센티미터 또는 그 미만 정도인 깊이에서 피부 내에 임플란트되는 센서를 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 그 결과, 실질적으로 전체 센서가 분석물 농도를 표시할 시 이용된다. 예를 들어, 광자 구름은 센서의 전체 길이를 여기시킬 수 있고, 센서 여기의 듀레이션은 단축될 수 있으며, 이는 (예를 들어, 개별 표시자 분자들의 광퇴색(photobleaching)의 레이트를 감소시킴으로써) 센서의 유용한 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 센서에 의해 발생되는 광 신호의 신호-대-잡음 비를 개선시킨다. 그것은 또한, 방출되는 시뮬레이팅 방사의 더 낮은 전력 레벨들을 사용하고, 이에 의해 판독기의 배터리들 또는 배터리-재충전 간격의 유용한 수명 또는 배터리-재충전 간격을 연장하여 판독기가 적절하게 작용하도록 한다.
특정 실시예들에서, 판독기는, 예를 들어, 센서로부터의 광이 광검출기에 도달하게 하는 동시에 분산된 방사 소스로부터의 광을 배제시키도록, 광검출기 위에 배치되는 광학적 필터를 가질 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술되는 일부 실시예들은, 그 개시내용이 전체적으로 참조로 본원에 포함되는, 미국 특허 출원 공보 제2014/0275869호에 기술되는 실시예들의 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있다. 분산된 방사 소스는 복수의 개별 광원들 또는 이미터들, 예를 들어, LED들에 의해 제공될 수 있으며, 이들은 광검출기에 대해 실질적으로 균일하게(각 위치의 견지에서) 이격될 수 있다. 본원에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 소스-내 이격은 각각의 소스에 의해 몸 안에 생성되는 광구들(orbs of light)이 병합하거나 오버랩하기에, 즉, 하기에 다루어지는 바와 같이, 센서-포위 광자 구름을 형성하기에 충분할 수 있다. 몸의 밖에서(예를 들어, 산란의 부재 시) 광구들은 오버랩하지 않을 수 있고 그리고/또는 완전히 오버랩하지 않을 수 있다. 적절히, 판독기는 체온을 결정하기 위한 온도 센서를 포함하고, 그것은 바람직하게는 무선으로 데이터를 전송하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 광검출기는, 하우징, 백플레이트, 인쇄 회로 보드 등과 같은, 판독기 기판의 중심 부분에 커플링될 수 있다. 두개 이상의 이미터들은 판독기 기판의 둘레 부분에 커플링될 수 있다. 기판, 광검출기, 및 이미터들은 집합적으로 "판독기"라 지칭될 수 있다. 각각의 이미터는 미리 정의된 패턴으로 이미터로부터 방사하는 신호(예를 들어, 광)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미터는, 이미터로부터의 거리가 증가함에 따라 각각의 이미터가 증가하는 단면적들을 조명하도록, 광 구, 광 로브, 또는 광 원뿔을 생성할 수 있다. 기판 상의 이미터들의 조명 패턴들 및 이격은 센서가 특정 임플란테이션 깊이에 배치될 때 센서와 상호작용하도록 선택되고, 조정되거나, 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이미터들은, 조직-유도 산란의 부재 시, 이미터들로부터의 조명 필드들이 임플란테이션 깊이에서 오버랩하지 않도록 집합적으로 구성될 수 있다. 유사하게 언급하자면, 임플란테이션 깊이에서의 이미터들의 그룹의 파-필드 조명 패턴은, 광이 조직에 의해 산란되거나 반사되지 않을 때 중심의 어두운 영역을 가지는 환형을 형성할 수 있다. 판독기가 임플란트된 센서와 함께 사용될 때, 조직은 이미터들에 의해 전송되는 광이 산란하여 센서의 전체 길이를 조명할 수 있는 광자 구름을 생성하도록 할 수 있다.
본원에 기술되는 일부 실시예들에서, 하나 이상의 광학적 격리 부재들은 판독기 기판에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 주변 광학적 격리 부재는 하나 이상의 이미터들로부터 방출되는 광의 적어도 일부분을 판독기의 중심 영역 쪽으로 다시 반사시키도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 본원에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 판독기는, 광검출기가 임플란트된 센서 및 이미터들 바로 위에 배치되도록 구성될 수 있는데, 이는 이미터들이 일부 측방 거리를 두고 떨어져 이격되는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 이미터들은 센서를 포함하지 않는 조직의 영역에 이들의 광의 일부분을 전송하여, 광의 그 부분을 실제로 낭비할 수 있다. 주변 광학적 격리 부재는 그렇지 않은 경우 센서 쪽으로 낭비될 광의 일부분을 반사시키도록 동작가능할 수 있다. 다른 경우들에서, 렌즈, 도파관, 또는 임의의 다른 적절한 광학적 엘리먼트는 이미터들로부터의 광을 센서쪽으로 포커싱하도록 동작가능할 수 있다.
본원에 기술되는 일부 실시예들은 유기체 신체의 조직 내에 임플란트되는 분석물 센서(또한, 단순히 "센서"라 지칭됨)로부터 정보를 얻는(interrogating) 방법에 관한 것이다. 방법은 센서 상의 표시자 분자들이 광-반응을 보이도록 하기에 충분한 유기체 몸 내의 여기 방사의 광자 구름으로 센서를 실질적으로 둘러싸는 것을 수반할 수 있다. 유사하게 언급하자면, 전체 길이 및/또는 전체 표면적 또는 그 상당 부분은 판독기에 의해 방출되는 방사에 노출될 수 있다. 예를 들어, 판독기는 두개 이상의 이미터들을 가질 수 있다. 각각의 이미터는 광을 방출할 수 있다. 각각의 이미터는 임플란테이션 깊이(예를 들어, 임플란트가 조직 내에 임플란트되는 깊이)에서 미리-정의된 단면적을 가지는 파-필드 조명 패턴을 가지는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 각각의 이미터로부터의 조명 패턴의 단면적 및/또는 직경은, 산란 및/또는 반사의 부재 시, 센서의 표면적 및/또는 길이(또는 다른 특성 디멘젼)보다 더 적을 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 각각의 이미터로부터의 조명 패턴은, 산란 및/또는 반사의 부재 시, 적어도 중심 영역에서, 임의의 다른 이미터에 대한 조명 패턴에 오버랩하지 않을 수 있다. 판독기가 피부에 적용될 때, 이미터들로부터 방출되는 광은 그 내부에 센서가 임플란트되는 조직에 의해 산란될 수 있다. 이러한 방식으로, 그렇지 않은 경우 오버랩하지 않을 그리고/또는 그렇지 않을 경우 센서를 조명하기에 충분한 표면적을 가지지 않을 광이 센서 전체를 조명하는 광자 구름 내로 확산할 수 있다. 이미터들로부터 오는 광에 의해 조명되는 것에 응답하여, 센서는 분석물 종속적일 수 있는 방출 신호를 발생시킬 수 있다. 이미터들 사이에 중심에 위치되고 임플란트 위에 배치될 수 있는(예를 들어, 이미터들이 임플란테이션 현장으로부터 측방 거리로 이격되도록) 판독기의 광검출기는 방출 신호를 검출할 수 있다. 방출 신호는 이미터들로부터 산란되는 광에 의해 조명되는 전체 표면적 및/또는 길이와 연관되는 세기를 가질 수 있다. 스마트 폰과 같은 판독기 및/또는 컴퓨팅 디바이스는 광검출기에 의해 검출되는 신호를 프로세싱하고 관심 있는 분석물의 농도를 결정할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른, 임플란트된 센서와 함께 사용되는 판독기를 예시하는 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른, 경피성 판독기의 방사-방출(예를 들어, 광-방출) 및 방사-검출 부분의 평면도이고, 도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 취해지고, 판독기의 추가적인 전기적 컴포넌트들을 또한 도시하는, 그것의 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시되는 경피성 판독기의 방사-방출(즉, 광-방출) 및 방사-검출 부분의 개략적 단면도이며, 이에 의해 방출되는 방사가 어떻게 임플란트된 분석물 센서를 겨냥하는지 또는 임플란트된 분석물 센서쪽으로 집중되는지를 예시한다.
도 5는 도 1-4에 도시된 경피성 판독기의 전기적 컴포넌트들의 배열 및 상호접속을 예시하는 도면이다.
도 6은 경피성 판독기가 임플란트된 분석물 센서와 상호작용하는 유리한 방식을 예시하는 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른, 경피성 판독기의 방사-방출(예를 들어, 광-방출) 및 방사-검출 부분의 평면도이고, 도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 취해지고, 판독기의 추가적인 전기적 컴포넌트들을 또한 도시하는, 그것의 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시되는 경피성 판독기의 방사-방출(즉, 광-방출) 및 방사-검출 부분의 개략적 단면도이며, 이에 의해 방출되는 방사가 어떻게 임플란트된 분석물 센서를 겨냥하는지 또는 임플란트된 분석물 센서쪽으로 집중되는지를 예시한다.
도 5는 도 1-4에 도시된 경피성 판독기의 전기적 컴포넌트들의 배열 및 상호접속을 예시하는 도면이다.
도 6은 경피성 판독기가 임플란트된 분석물 센서와 상호작용하는 유리한 방식을 예시하는 개략도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 판독기(100)는, 관심 있는 특정 분석물 및/또는 조직 현장에 따라, 사용자의 전박(104)(도시됨), 복부, 상박, 다리, 허벅지, 목, 발 등의 피부 표면 아래 약 일 센티미터 내에(예를 들어, 수 밀리미터, 2-5mm, 1-10mm, 또는 임의의 다른 적절한 깊이) 임플란트되는 분석물 센서(102)에 질의하도록 사용될 수 있다. 예시된 바와 같이, 판독기(100)는 패치, 완드(wand), 밴드, 또는 다수의 다른 폼 팩터들 중 임의의 것으로서 구성될 수 있는데, 이는 사용자의 피부 표면과의 밀접한 접촉을 가져올 수 있다. 그것의 구성과는 무관하게, 판독기(100)는 적절한 파장의 피부 여기 방사(예를 들어, 광)(106) 내로 방출하여 센서(102)의 표시자 분자들에 의해 광-반응을 유도하고, 그 응답으로 센서(102)에 의해 방출되는 광(108)의 일부분은 피부로부터 나갈 것이다. 판독기(100) 내의 광검출기(도 1에 예시되지 않음)는 방출되는 광(108)을 감지하고 이에 응답하며, 무선 신호와 같은 신호(110)를 앱을 실행하는 태블릿 컴퓨터 또는 스마트폰(112), 또는 전체 프로그램을 실행하는 데스크톱 컴퓨터(114)와 같은 계산 디바이스(compute device)에 송신한다. 계산 디바이스는 판독기(100)에 질의하고, 분석물의 농도를 나타내는 신호들을 판독기로부터 수신하고, 그리고/또는 광검출기에 의해 검출되는 방사를 나타내는 신호들을 수신하도록 동작가능할 수 있다. 계산 디바이스는 광검출기에 의해 수신되는 신호에 기초하여 분석물의 농도를 계산하고 그리고/또는 특정 분석물을 추적할 수 있다. 광검출기에 의해 감지되는 방출된 광(108)의 양, 세기, 및/또는 감쇠 특징들은, 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 관심있는 분석물의 농도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 응답 신호의 프로세싱은 판독기(100) 상에서(onboard) 또는 외부 디바이스(112 또는 114)에 의해 수행될 수 있다.
도 2-5에 예시되는 바와 같이, 판독기(100)는 광검출기(116) 및 분산된 여기 방사(예를 들어, 광) 소스(118)를 포함하는데, 이들은 인쇄 회로 보드(120) 또는 임의의 다른 적절한 기판 상에 장착될 수 있다. 분산된 여기 방사 소스(118)는 광검출기(116)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 광검출기(116)는 분산된 여기 방사 소스(118) 내에 본질적으로 중심이 된다. 분산된 방사 소스(118)는 두개 이상의 LED들을 포함할 수 있으며, 이는 센서(102)가 임플란트되는 깊이로 피부를 통해 광이 투과할 수 있게 하는 파장에서 광을 방출할 수 있다. 센서(102)가 조명될 때, 그것은 센서(102) 상의 또는 센서(102) 내의 표시자 분자들에 의한 광반응 또는 여기/방출 조건을 야기할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 가장 잘 예시되는 바와 같이, 분산된 방사 소스(118)는 4개의 "수퍼 레드(Super Red)" LED들을 가지고 임플란트될 수 있는데, 이는 Vishay Intertechnology로부터 이용가능하고, 630 nm에서 광을 방출하며, 서로 균일하게 이격되고, 광검출기(116) 주위에 균일하게, 즉, 광검출기(116) 상에 중심을 두는 것으로서 90°만큼 떨어져 서로 분산된다. 광검출기(116)에 대해서와 같이, 그것은 적절하게는, 3 제곱 밀리미터의 활성 영역을 가지는, SensL로부터 이용가능한 종류의 실리콘 광전자증배관(photomultiplier)(SiPM)일 수 있다. 임의의 다른 적절한 방사 및/또는 검출기 소스가 또한 사용될 수 있다.
적절하게는, 판독기(100)는 광검출기(116)의 활성의, 광-수신 표면 위에 배치되는 광학적 밴드-패스 필터(122)를 더 포함하고, 상기 밴드-패스 필터(122)는 센서(102)에 의해 방출되는 광이 광검출기(116)로 통과하도록 하는 반면 분산된 방사 소스(118)에 의해 방출되는 "미광"(stray light)을 차단하도록 한다. 밴드-패스 필터(122)는 Schott RG715 콜로이드형 유색 유리(대략 715 nm 및 그 이상의 통과 파장) 및 Epotek 301-2 광학적 에폭시와 함께 연결되는 Lee HT090 색 필터 필름(대략 450 nm와 575 nm 사이의 통과 파장들)을 사용하여 적층으로서 구성될 수 있다.
광검출기(116), 분산된 방사 소스들(118), 및 광학적 밴드-패스 필터(122)는 적절하게, 실질적으로 반사성 광학적 격리 링(124)에 의해 둘러싸이는데, 이는 도 4에 예시된 바와 같이, 분산된 방사 소스(118)에 의해 방출되는 광을 포함하며 그것을 센서 임플란트(102)쪽으로 더 양호하게 집중시키는 역할을 한다. (도 4는 광이 피부 내로/피부를 통과하여 지나감에 따라 광의 어떠한 산란도 도시하지 않으며, 이는 하기에 다루어진다.) 광학적 격리 링(124)은 어두운 그레이 또는 블랙 PVC(또는 다른 재료)로 적절하게 형성되며, 그것의 내부 표면을 매끄럽게 하거나 또는 반사성 재료로 코팅되도록 하여 격리 링(124)의 반사/광-집중 이점을 향상시킬 수 있다. 인쇄 회로 보드(120)에 장착되고 광학적 격리 링(124)이 그 주위에 설치되도록 한 이후, 광검출기(116) 및 분산된 방사 소스(118)는 블랙 포팅 컴파운드(potting compound)와 함께 또는, 예를 들어, MC Electronics로부터 이용가능한 것으로서 부분적으로 캡슐화될 수 있지만, 캡슐화는 각자, 방사(광)를 방출하고 수신하기 위해 노출되는 분산된 방사 소스(118)의 광-방출점들 및 광검출기(116)의 광-수신, 활성 표면을 남겨둔다. 포팅 컴파운드(또는 다른 적절한 재료)는 광검출기(116)로부터 분산된 방사 소스(118)를 광학적으로 격리시키도록, 예를 들어, 광이 조직을 먼저 통과하지 않고 광이 분산된 방사 소스(118)로부터 광검출기(116)로 누설되는 것을 방지하도록 동작가능할 수 있다.
일부 경우들에서, 분산된 방사 소스(118) 각각은 특정 파-필드 방출 패턴을 가지는 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 분산된 방사 소스들(118) 각각은, 각각의 분산된 방사 소스(118)가 특정 깊이에서 특정 단면적을 조명하도록 구성되도록 광 구, 광 로브 또는 광 원뿔을 생성할 수 있다. 산란 및/또는 반사의 부재시, 일부 실시예들에서, 각각의 분산된 방사 소스(118)는 임플란트보다 더 작은, 임플란트가 임플란트되는 깊이(예를 들어, 대략 2-5 mm일 수 있는 임플란테이션 깊이)에서 파-필드 방출 패턴을 가질 수 있다. 유사하게 언급하자면, 일부 실시예들에서, 산란 또는 반사의 부재시, 어떠한 단일 방출 소스도 임플란트 전체를 조명하기에 충분한 임플란테이션 깊이에서의 단면적 및/또는 특성 깊이를 가지지 않을 수 있다. 또한, 본원에 기술되는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 분산된 방사 소스들(118)은 센서 바로 위에 배치되지 않을 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 산란 또는 반사의 부재 시, 각각의 방출 소스로부터의 파-필드 방출 패턴은 임플란트 상에 중심을 둘 필요는 없다. 예를 들어, 조직에 의해 유도되는 산란 및/또는 예를 들어, 광학적 격리 링(124)으로부터의 반사의 존재 시, 분산된 방사 소스들(118)로부터의 파-필드 방출 패턴들은 예를 들어, 도 6에 관해 도시되고 기술되는 바와 같이, 임플란트를 실질적으로 둘러싸는 광자 구름으로 병합할 수 있다. 산란 및/또는 반사의 부재 시, 센서 전체를 조명하기에 충분히 크지 않은, 서로 오버랩하지 않고 그리고/또는 적어도 중심 영역에서 오버랩하지 않는, 임플란테이션 깊이에서의 파-필드 방출 패턴들을 생성하는 이미터들의 사용은 판독기의 전력 소모를 감소시키고 그리고/또는 광-퇴색 효과들을 감소시킬 수 있다. 유사하게 언급하자면, 분산된 방사 소스들(118)은, 산란의 부재 시, 어두운 중심을 가지는 임플란테이션 깊이에서 환형 조명 패턴을 생성할 수 있다(예를 들어, 조명 패턴의 중심은, 산란의 부재 시, 적어도 10%, 25%, 75% 및/또는 조명 패턴의 피크 밝기보다 더 어두운 임의의 다른 적절한 비율일 수 있다). 이러한 실시예들은, 임플란트를 전체적으로 조명하도록 조직에 의해 유도되는 산란에 의존할 수 있는데, 이는 조명 전력을 증가시킴으로써 보상되는 장애로서 통상적으로 산란을 보이는, 공지된 판독기들에 대한 대비를 제시한다.
판독기(100)는 센서(102) 근처의 체온을 측정하기 위한 온도 센서(126)를 적절하게 포함한다. 체온은 발광 센서(102)로부터의 양자 수율에 대한 계산들을 정정하도록 사용된다. 적절하게는, 온도 센서는 Texas Instruments로부터 이용가능한 비-접촉 적외선 디지털 온도 센서인, TMP006로서 제공된다.
다양한 전자 컴포넌트들의 동작은, 인쇄 회로보드(120)에 또한 장착되는 마이크로프로세서(128)에 의해 제어된다. 이상적으로, 마이크로프로세서(128)는 판독기(100)와 모니터링 디바이스, 즉, 스마트폰 또는 태블릿 컴퓨터(112) 또는 데스크톱 컴퓨터(114) 사이의 데이터/동작 코맨드들의 무선 전송 및 수신을 가능하게 하는 빌트-인 또는 통합된 무선 능력을 포함한다. 따라서, 빌트-인 ARM Cortex M0 마이크로컨트롤러를 가지는 블루투스 저 에너지-인에이블형 모듈인 SimbleeTM RFD77101가 마이크로프로세서(128)로서 사용하기 위한 현재 선호되는 디바이스이다.
다양한 전기적 컴포넌트들의 전체 배열 및 상호접속이 도 5에 개략적으로 예시된다. 위에서 식별되는 컴포넌트들 뿐만 아니라, 판독기 회로는 분산된 방사 소스(118)의 출력을 제어하는 드라이버들(130)을 포함한다. 예를 들어, 출력은 분산된 방사 소스(118)를 포함하는 4개의 LED들로부터의 전체 출력 1밀리와트 내지 1.5 밀리와트로부터 2밀리와트 내지 2.5밀리와트까지, 단계적으로 레귤레이트될 수 있다. 바이어스-전압 제어 회로(132)는 디바이스 전원 회로(134)로부터의 전원 전압을, 광검출기(116)(이는 위에서 주지된 바와 같이, 적절하게는 광전자증배관임)가 광자-표시 신호들을 생성하기에 사용하기 위한 27볼트로 높인다. 전원 회로(134)는 DC 전압원, 예를 들어, 3-볼트 코인-셀(또는 다른) 배터리와 함께 동작하도록 구성된다. 아날로그-대-디지털 컨버터(136)는 마이크로프로세서(128)에 의해 프로세싱하기 위한 광검출기(116)로부터의 출력 신호를 디지털화하고, 실시간 클록(138)은 날짜- 및 시간-추적 기능성을 제공한다. EEPROM(140)는 코드, 데이터의 추적 등을 위한 저장소를 제공하고, 단순한 LED일 수 있는 상태 표시자(142)는 디바이스의 동작 상태를 사용자에게 통지하도록 구성된다.
일부 경우들에서, 판독기는 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같은 임플란트된 분석물 센서와 상호작용할 수 있다. 일반적으로, 피부에 입사되는 광이 신속하게(즉, 표면으로부터 짧은 거리 내에) 산란되고, 피부 내에서 확산될 것임이 알려져 있다. 그 결과, 일부 공지된 판독기들은 이산 여기 방사 소스를 사용하여 피부 내의 작은, 매우 국부화된 방사 "구"를 발생시키고, 그 방사 "구"는 내장된 센서의 작은 부분만을 자극할 것이다. 따라서, 센서 상의 표시자 분자들의 일부(percentage)만이 임의의 주어진 시점에 방사에 의해 자극될 것이기 때문에, 이러한 공지된 판독기들을 이용하여 더 긴 시간 기간 동안 방사를 방출하거나 또는 분석기 농도의 유의미한 측정을 획득하기 위한 판독들의 큰 다중-샘플 평균화를 통해 충분히 정확한 판독을 획득하기 위해 센서가 더 많은 펄스-판독 사이클들을 거치도록 하는 것이 필요해진다. 그러나, 표시자 분자 모집단(population)은 방사(광-퇴색)에 대한 지속적인 노출을 통해 자극 방사에 응답하기 위한 이들의 능력을 점진적으로 그리고 결국 상실할 것이며; 충분한 표시자 분자들이 이들의 응답 능력을 상실하여 센서가 판독기 내의 광검출기에 의해 구별되기에 충분히 강한 충분한 신호-대-잡음 비의 광-신호를 더 이상 방출할 수 없을 때, 분석물 센서는 이들의 유용한 수명을 유실할 것이다. 따라서, 일부 공지된 판독기들과 연관된 더 긴 시간 기간 동안 자극 방사를 방출하기 위한 필요성 ― 따라서, 표시자 분자들에 대한 광 노출의 더 긴 기간들을 야기하는 것 ― 은 이들이 "판독"하도록 구성되는 분석물 센서들의 긴 수명(longevity)에 대해 결정적이다.
또한, 일부 공지된 판독기들을 이용하여, 이산 방사 소스와 광검출기가 이들의 지지 회로 보드 상에 또는 전체 광학적 어셈블리 내에 나란히 위치되기 때문에 분석물 센서의 일부분만이 판독될 수 있다. 이러한 구성의 결과, 이러한 2개의 컴포넌트들은 임플란트된 분석물 센서에 대해 이들의 각자의 최적의 위치들에 동시에 올 수 없고, 센서의 일부분만이 여기 방사에 의해 자극될 것이며 방출된 응답 방사의일부분만이 검출될 것이다. 따라서, 이러한 상황을 해소하기 위해(이는, 판독기에 의해 감지/검출되는 광에서의 차선의 신호-대-잡음비들을 초래함), 공지된 판독기들 내의 방사 소스는 상당히 과전력공급되는 경향이 있는데, 예를 들어, 200 밀리와트의 조명 전력을 내보낸다. 그리고, 그것은, 결국, 판독기의 배터리들의 유용한 수명 및/또는 충전 간격들을 실질적으로 감소시킬 수 있다(추가로, 위에서 주지된 바와 같이, 센서의 긴 수명을 감소시킨다).
반면, 판독기(100)는 광검출기(116)를 적어도 부분적으로 둘러싸고 광검출기(116)에 대해 중심이 되는, 분산된 방사 소스(118)를 가진다. 그 결과, 심지어 분산된 방사 소스(118)가 다수의 각자의 방사 소스들(예를 들어, LED들)로 형성되는 개시된 실시예와 같은 실시예들에서조차, 각각의 개별 소스 근처의 피부 내에 생성되는 광 "구"(144)는, 피부 내의 광의 산란으로 인해, 도 6에 예시된 바와 같이, 센서(102)를 실질적으로 둘러싸는 광자 "구름"(146)으로 병합한다. 그리고 이는, 결국, 다수의 이유들로 유리하다.
먼저, 센서(102)가 광자 구름(146)에 의해 실질적으로 둘러싸이기 때문에, 센서(102) 전체 위의 표시자 분자들은 분석물-농도-표시 프로세스에 참여할 것이다. 이는 검출된 광 신호의 신호-대-잡음비를 개선시킨다. 또한, 더 많은 표시자 분자들이 임의의 주어진 시점에 프로세스에 참여하기 때문에, 센서는 공지된 판독기들을 이용하는 경우와 같이 더 긴 시간 기간 동안 자극될 필요가 없으며; 그 결과, 표시자 분자들은 공지된 판독기들에 대한 경우와 같이 신속하게 거의 광퇴색되지는 않을 것이다. 또한, 더 많은 표시자 분자들이 프로세스에 참여하기 때문에, 그리고 방사 소스가 센서(102)에 대해 분산되기 때문에, 개별 소스들(즉, LED들)은 공지된 판독기들에 대한 경우와 같이 높은 전력 레벨에서 광을 내도록 구동될 필요가 없다.
또한, 분산된 방식으로의 방사 소스를 제공하는 것은 센서 바로 위의 광검출기를 중심으로 두는 것을 용이하게 하며, 여기서 광검출기는 가능한 최대로 방출된 응답 광을 감지할 수 있다. 따라서, 또한 이러한 방식으로, 본원에 기술되는 판독기들의 구성은 판독기의 감도 및 그것을 이용하여 취해지는 판독들의 정확성을 최적화할 수 있다.
이전 개시내용은 단지 예시에 의한 것으로 의도된다. 개시된 실시예에 대한 다양한 수정들 및 이들로부터의 이탈들은 본원에 개시되는 발명적 개념들로부터 벗어나지 않고 본 기술분야의 통상의 기술자들에 대해 발생할 수 있다.
일 예에서, 판독기는 그에 따라, Wisniewski-타입 임플란트로부터 조직 산소를 판독하도록 구성될 수 있고, 이는 표시자의 발광 수명이 주변 조직 산소 레벨들에 의해 변조되는 산소-감지형 표시자 엘리먼트를 이용하여 제조된다. 동작 시, 여기 어레이(즉, 분산된 방사 소스)를 동기적으로 펄스화시키는 것은, 표시자의 발광 수명에 의해 수량적으로 영향을 받는 펄스의 트레일링 에지 상에서의 신호-진폭 감쇠를 가지고, 임플란트로부터 대응하는 발광 방출 리턴 펄스를 초래한다. 이 출원에 적합한 신호 프로세싱의 한 방법은 시간 도메인(Time Domain)으로서 공통적으로 알려져 있으며, 그 정의는 펄스와 같은 계단 응답이 그것의 초기 값(Io)의 1/e (~36.8%)로 값이 감소하는데 걸리는 시간이다. 비율측정 신호-프로세싱이 또한 사용될 수 있는데, 여기서 2개의 채널들이 비로서 취해지며, 하나는 분석물-감지형이고, 다른 하나는 세기-타입(즉, 매우-짧은-감쇠-시간) 표시자 분자들에 대해 분석물-감지형이 아니다.
또한, 일부 실시예들에서, 판독기는 조직-통합 임플란트들 또는 비-조직-통합 광-발광 임플란트들과 일관되는 상이한 응용예들에 대해 다양한 방식들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 디바이스는 다수의 여기 및/또는 방출 파장들에서 동작하도록 구성될 수 있다. 더 많은 LED들은 주변 어레이 내에 포함될 수 있고, 각각의 파장은 시스템 전자 제어기로부터 개별적으로 또는 조합으로 선택될 수 있다. LED들은 단일- 또는 멀티-컬러 타입 구성들; SMT 타입; 다이; 멀티-다이; 또는 조합들일 수 있다. LED들은 어레이 내에서 이산적일 수 있거나, 또는 이들은 투과성 도파관의 사용을 통해 끊김 없는 분산을 위한 검출기를 둘러싸는 링 타입 구조로 구성될 수 있다. 유사하게, 검출기는 단일-채널 디바이스일 수 있거나, 또는 그것은 각각의 검출기 세그먼트 상에 설치되는 개별 통과 필터들을 가지는 멀티-채널 검출기 쌍 또는 쿼드로 분할될 수 있다. 광검출기는 실리콘 광전자증배관 칩(선호됨) 또는 광다이오드, PIN 다이오드, 애벌런치 광다이오드, 또는 임의의 광학적 칩-기반 구성일 수 있다. 광학적 필터들은 하이-패스, 밴드-패스, 후막 또는 박막, 무기적, 유기적 구성들, 또는 이들의 조합들일 수 있고, 접착제들, 스퍼터링, 진공 퇴적, 또는 이들의 조합들의 사용에 의해 제조되고 설치될 수 있다. 본원에 기술되는 판독기들이, 훨씬 더 많은 분석물들이 동시에 판독되도록 하기 위한 추가적인 생성들을 생성하도록, 쌍들 또는 그 이상으로 추가로 구성될 수 있다는 것이 또한 참작된다.
Claims (22)
- 장치로서,
판독기 기판;
조직 내의 임플란테이션 깊이에 임플란트된 센서에 의해 방출되는 광을 수신하도록 구성되는 광검출기 ― 상기 광검출기는 상기 판독기 기판의 중심 부분에 커플링됨 ― ;
복수의 이미터들 ― 상기 복수의 이미터 중의 각각의 이미터는 상기 판독기 기판의 둘레 부분에 커플링되고, 각각의 이미터는 상기 임플란테이션 깊이에서 파-필드 조명 패턴을 생성하도록 구성되고, 각각의 이미터는, 상기 조직에 의해 유도되는 광학적 산란의 부재 시, 상기 복수의 이미터들의 집합적 파-필드 조명 패턴이 상기 임플란테이션 깊이에서 중심의 어두운 영역을 가지도록, 각각의 다른 이미터로부터 떨어져 이격됨 ―
을 포함하는 장치. - 제1항에 있어서,
각각의 이미터는, 상기 조직에 의해 유도되는 광학적 산란의 부재 시, 그 이미터의 파-필드 조명 패턴이 상기 임플란테이션 깊이에서의 임의의 다른 이미터의 파-필드 조명 패턴과 오버랩하지 않도록, 각각의 다른 이미터로부터 떨어져 이격되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 이미터들 중의 각각의 이미터에 의해 생성되는 파-필드 조명 패턴은 상기 조직에 의해 유도되는 광학적 산란의 부재 시 상기 센서의 길이보다 더 작은 상기 임플란테이션 깊이에서의 직경을 가지는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 판독기 기판은 상기 복수의 이미터들에 대해 주변에 있는 상기 판독기 기판의 둘레 부분 상에 배치되는 격리 부분을 포함하고, 상기 격리 부분은 상기 복수의 이미터들로부터 상기 광검출기 쪽으로 광을 반사시키도록 구성되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 판독기 기판은 상기 광검출기와 상기 복수의 이미터들 사이에 배치되는 격리 부분을 더 포함하고, 상기 격리 부분은 상기 복수의 이미터들로부터 방출되고, 상기 센서에 도달하기 이전에 조직에 의해 산란되는 광이 상기 광 검출기에 도달하는 것을 감소시키도록 구성되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 이미터들은 상기 센서가 조직 내에 임플란트될 때 상기 센서의 전체 길이를 조명하도록 집합적으로 구성되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 이미터들은 상기 복수의 이미터들 중 적어도 두개의 이미터들의 파-필드 조명 패턴들이 상기 조직 내의 임플란테이션 깊이에서 오버랩하도록 집합적으로 구성되는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 임플란테이션 깊이는 2 mm와 5 mm 사이인 장치. - 제1항에 있어서,
상기 임플란테이션 깊이는 1 mm와 10 mm 사이인 장치. - 장치로서,
판독기 기판;
조직 내에 임플란트되는 센서에 의해 방출되는 광을 수신하도록 구성되는 광검출기 ― 상기 광검출기는 상기 판독기 기판의 중심 부분에 커플링됨 ― ;
복수의 이미터들 ― 상기 복수의 이미터들 중의 각각의 이미터는 상기 판독기 기판의 중심 부분에 대해 방사상의 위치에서 상기 판독기 기판에 커플링됨 ― ; 및
상기 복수의 이미터들에 대해 방사상의 위치에서 상기 판독기 기판에 커플링되는 광학적 격리 부재 ― 상기 광학적 격리 부재는 상기 복수의 이미터들 각각으로부터 상기 판독기 기판의 중심 부분 쪽으로 방출되는 광을 반사시키도록 구성됨 ―
를 포함하는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 이미터들 중의 각각의 이미터는 상기 임플란테이션 깊이에서 파-필드 조명 패턴을 생성하도록 구성되고, 각각의 이미터는, 그 이미터의 파-필드 조명 패턴이 상기 조직에 의해 유도되는 광학적 산란의 부재 시 상기 임플란테이션 깊이에서 임의의 다른 이미터의 파-필드 조명 패턴과 오버랩하지 않도록 각각의 다른 이미터로부터 떨어져 이격되는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 이미터들은 상기 임플란테이션 깊이에서 파-필드 방출 패턴을 가지는 광을 방출하도록 집합적으로 구성되고, 상기 파-필드 방출 패턴은, 산란의 부재 시, 중심의 어두운 영역을 가지는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 이미터들은 상기 임플란테이션 깊이에서 파-필드 방출 패턴을 가지는 광을 방출하도록 집합적으로 구성되고, 상기 파-필드 방출 패턴은, 산란의 부재 시, 중심의 어두운 영역을 가지고, 상기 복수의 이미터들은 상기 조직에 의해 유도되는 산란의 존재시 상기 중심의 어두운 영역을 가지지 않는 파-필드 방출 패턴을 가지는 광을 방출하도록 집합적으로 구성되는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 이미터들은 상기 임플란테이션 깊이에서 파-필드 방출 패턴을 가지는 광을 방출하도록 집합적으로 구성되고, 상기 파-필드 방출 패턴은, 산란의 부재 시, 중심의 어두운 영역을 가지고;
상기 광검출기는 상기 센서가 상기 파-필드 방출 패턴에 의해 조명되는 것에 응답하여 상기 센서에 의해 방출되는 광을 수신하도록 구성되고, 상기 광검출기에 의해 수신되는 광은 조명되는 센서의 전체 길이와 연관된 세기를 가지는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 광학적 격리 부재는 제1 광학적 격리 부재이고, 상기 장치는:
상기 복수의 이미터들과 상기 광검출기 사이에서 상기 판독기 기판에 커플링되는 제2 광학적 격리 부재
를 더 포함하는 장치. - 방법으로서,
제1 광 원뿔(cone of light)이 조직 내에 임플란테이션 깊이에 배치되는 센서의 제1 부분을 조명하도록 제1 이미터로부터 상기 제1 광 원뿔을 방출하는 단계 ― 상기 제1 광 원뿔은, 산란 또는 반사의 부재 시, 상기 제1 광 원뿔이 상기 센서의 길이보다 더 작은 상기 임플란테이션 깊이에서의 직경을 가지도록 상기 제1 이미터로부터 방출됨 ― ;
제2 광 원뿔이 상기 센서의 제2 부분을 조명하도록 제2 이미터로부터 상기 제2 광 원뿔을 방출하는 단계 ― 상기 제2 광 원뿔은, 산란 또는 반사의 부재 시, 상기 제2 광 원뿔이 상기 센서의 길이보다 더 작은 상기 임플란테이션 깊이에서의 직경을 가지도록 상기 제2 이미터로부터 방출되고, 상기 제2 이미터는, 상기 제1 광 원뿔 및 제2 광 원뿔이, 산란 또는 반사의 부재 시, 상기 임플란테이션 깊이에서 오버랩하지 않도록 상기 제1 이미터로부터 떨어져 이격됨 ― ;
광검출기에서, 상기 센서로부터의 방출 신호를 수신하는 단계 ― 상기 방출 신호는 상기 센서가 상기 제1 광 원뿔 및 상기 제2 광 원뿔에 의해 조명되는 것에 응답하여 상기 센서에 의해 생성되고, 상기 방출 신호는 집합적으로, 상기 제1 광 원뿔 및 상기 제2 광 원뿔에 의해 조명되는 상기 센서의 전체 길이와 연관되는 세기를 가짐 ―
를 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 광 원뿔 및 상기 제2 광 원뿔은 산란 또는 반사 중 적어도 하나의 존재 시 상기 센서의 전체 길이를 집합적으로 조명하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 광 원뿔 및 상기 제2 광 원뿔은 상기 조직에 의해 유도되는 산란의 존재 시 상기 임플란테이션 깊이에서 오버랩하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 이미터 및 상기 제2 이미터는 복수의 이미터들 중의 것들이고, 상기 방법은:
상기 복수의 이미터들로부터 복수의 광 원뿔들을 방출하는 단계 ― 상기 복수의 이미터들 중의 각각의 이미터는 상기 복수의 광 원뿔들로부터의 각각의 광 원뿔이 산란 또는 반사의 부재 시 상기 임플란테이션 깊이에서 임의의 다른 광 원뿔과 오버랩하지 않도록 각각의 다른 이미터로부터 이격됨 ―
를 더 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 이미터, 상기 제2 이미터, 및 상기 광검출기에 커플링되는 기판의 둘레로부터 상기 제1 광 원뿔의 일부분을 상기 광검출기 쪽으로 반사시키는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 광검출기는 판독기 기판의 중심 부분에 커플링되고;
상기 제1 이미터 및 상기 제2 이미터는 상기 광검출기의 반대 측들의 판독기 기판에 커플링되고;
상기 제1 이미터 및 상기 제2 이미터는, 산란 또는 반사의 부재 시, 상기 제1 광 원뿔 및 상기 제2 광 원뿔이 상기 임플란테이션 깊이에서 오버랩하는 것을 방지하는 거리로 이격되는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 이미터 및 상기 제2 이미터는 복수의 이미터들 중의 것들이고, 상기 방법은:
상기 복수의 이미터들로부터 복수의 광 원뿔들을 방출하는 단계
를 더 포함하고, 상기 복수의 광 원뿔들은 산란의 부재시 상기 임플란테이션 깊이에서 중심의 어두운 영역을 가지는 상기 임플란테이션 깊이에서의 집합적 파-필드 조명 패턴을 가지는 방법.
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