RU2686868C1 - Портативное оптическое устройство для спектроскопии диффузного отражения - Google Patents
Портативное оптическое устройство для спектроскопии диффузного отражения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686868C1 RU2686868C1 RU2018127496A RU2018127496A RU2686868C1 RU 2686868 C1 RU2686868 C1 RU 2686868C1 RU 2018127496 A RU2018127496 A RU 2018127496A RU 2018127496 A RU2018127496 A RU 2018127496A RU 2686868 C1 RU2686868 C1 RU 2686868C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- optical device
- reflected light
- substrate
- optical
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 60
- 238000001055 reflectance spectroscopy Methods 0.000 title description 15
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims abstract description 29
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 6
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract description 3
- -1 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 28
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 28
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 16
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 12
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 206010033675 panniculitis Diseases 0.000 description 7
- 210000004304 subcutaneous tissue Anatomy 0.000 description 7
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- BPYKTIZUTYGOLE-IFADSCNNSA-N Bilirubin Chemical compound N1C(=O)C(C)=C(C=C)\C1=C\C1=C(C)C(CCC(O)=O)=C(CC2=C(C(C)=C(\C=C/3C(=C(C=C)C(=O)N\3)C)N2)CCC(O)=O)N1 BPYKTIZUTYGOLE-IFADSCNNSA-N 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 1
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 1
- 206010023126 Jaundice Diseases 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 210000003679 cervix uteri Anatomy 0.000 description 1
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 1
- 210000001072 colon Anatomy 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 210000004207 dermis Anatomy 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 210000003238 esophagus Anatomy 0.000 description 1
- 238000009422 external insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 210000002216 heart Anatomy 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000009940 knitting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000001672 ovary Anatomy 0.000 description 1
- 210000000496 pancreas Anatomy 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 210000003932 urinary bladder Anatomy 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
- G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
- A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
- G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
- G01N2021/4742—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres comprising optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
- G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
- G01N2021/4752—Geometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
- G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
- G01N2021/4752—Geometry
- G01N2021/4759—Annular illumination
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Использование: для портативной спектроскопии диффузного отражения. Сущность изобретения заключается в том, что оптическое устройство для получения спектра отражения, содержит: a) средство для вырабатывания надлежащего света; b) средство для передачи и приема указанного света указанной подложкой, причем указанное средство представляет собой оптический зонд, выполненный из материала поли(метилметакрилата) (ПММА), содержащий: точно два компактных коаксиальных стержня из ПММА, вложенные друг в друга, для захвата и для освещения, внутренний стержень (13) длиннее, чем наружный стержень (12), внутренний стержень (13) изолирован от наружного стержня (12) с помощью полузеркального изолятора (14); c) средство для захвата отраженного света, который был отражен из глубины подложки, внутренним стержнем (13); d) средство для отделения указанного диффузно отраженного света от зеркально отраженного света для получения информации о концентрации хромофоров в указанной подложке. Технический результат: обеспечение возможности упрощения изготовления оптического зонда, уменьшения его размеров, а также повышение эффективности и функциональности оптического зонда. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к новому оптическому устройству для портативной спектроскопии диффузного отражения; и более конкретно, оно относится к новому исполнению оптического зонда, который выполнен из материала поли(метилметакрилата) (ПММА), для спектроскопического измерения или анализа биологических показателей ткани.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Получение оптических свойств кожи дает полезную информацию о физиологии, морфологии и составе кожи. Они могут быть получены неинвазивным способом в режиме реального времени с помощью оптического способа анализа. Одним таким оптическим способом является спектроскопия отражения, состоящая из двух компонентов: коэффициента зеркального отражения и коэффициента диффузного отражения. Коэффициент зеркального отражения образца кожи представляет собой свет, который не проходит в кожу, а отражается от лицевой поверхности образца. Этот компонент содержит информацию о биологическом образце на поверхности. Для получения информации из более глубокой секции биологических тканей, может быть применена спектроскопия диффузного отражения.
Спектры диффузного отражения получают из света, который прошел внутрь ткани. По мере проникновения луча в биологическую ткань направление прохождения меняется случайным образом вследствие вариаций коэффициента преломления в нижних слоях. Свет ослабляется на своем пути вследствие событий поглощения и рассеяния. По прошествии множественных событий рассеяния, некоторая часть света выходит из поверхности. Интенсивность этого отраженного света несет в себе информацию в отношении поглощения и рассеяния света через среду, которая может быть связана с морфологией, для определения патологического состояния ткани и/или концентрации биохимического/анализируемого вещества в ткани. Спектроскопия диффузного отражения широко использовалась для неинвазивного анализа и определения характерных признаков биологических тканей. Данная технология обеспечивает быстрые количественные измерения пигментов внутри ткани. Неинвазивные измерения с помощью спектроскопии отражения желательны, поскольку они являются безболезненными, не требуют взятия жидкого компонента организма, имеют малый риск загрязнения или инфицирования, а также не вырабатывают каких-либо вредных отходов и обеспечивают возможность быстрого измерения. В качестве примера, точное, неинвазивное определение билирубина может снизить большое количество сложностей, связанных с желтухой у новорожденных. Подобным образом, точное, неинвазивное определение различных болезненных состояний обеспечивает возможность ускоренного, более удобного скрининга и диагностики, обеспечивая возможность более эффективного лечения. Биомедицинские варианты применения спектроскопии отражения включают исследование толстой кишки, пищевода, желудка, мочевого пузыря, шейки матки, яичников, грудной клетки, головного мозга, печени, поджелудочной железы, сердца, тканей ротовой полости и кожи [1].
Традиционная установка для измерения спектроскопией отражения состоит из источника света для освещения кожи, детектора для оценки отраженного света и оптического зонда для доставки и захвата отраженного света. Источник света может представлять собой галогеновую лампу, вольфрамовую лампу, светоизлучающий диод (СИД) и т.д. Детектор может представлять собой фотодетектор или спектрометр. В целом, в качестве оптического зонда для передачи света используют оптоволоконные кабели [2-3-4]. Оптические зонды состоят из двух отдельных направляющих света, одна для доставки света к целевой биологической ткани, а другая для захвата света, идущего от целевой биологической ткани.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Разработка портативной спектроскопии диффузного отражения проблематична вследствие сложностей, связанных с миниатюризацией устройства и производством оптического устройства, что приводит к высоким затратам. Кроме того, захват возвращающегося света из глубины ткани проблематичен вследствие зеркальной составляющей отраженного света. Более длительное время интеграции является другой проблемой спектроскопии отражения.
Как правило, приспособлением для измерения диффузного отражения является интегрирующая сфера [5]. Ввиду геометрического строения интегрирующей сферы, она способа захватывать большинство отраженного света, она может удалять любые настройки направления и выдавать интегрированный сигнал на детектор. Однако для применения спектроскопии диффузного отражения, портативное устройство для измерения кожи должно быть оптическим устройством, которое является компактным, имеет малый вес, малый размер, а также удобным в использовании. Конструкция интегрирующей сферы не обеспечивает возможность минитюаризации и, следовательно, не пригодно для использования в портативном устройстве.
В настоящее время в качестве оптических зондов используются оптоволоконные зонды с переменными диаметрами и приспособления с оптоволоконными кабелями. Например, в настоящее время используют конструкцию зонда с линейным выравниванием волокон, а также расположением детектирующих волокон в различных местах. Альтернативным исполнением является кольцевое расположение волокон с подводящим волокном в середине всех других волокон. Также представляется возможным снабжение оптоволоконного датчика, выполненного микрообработкой, различным количеством подводящих волокон и многочисленными захватывающими волокнами. Подводящие волокна расположены с наклоном под углом 45°. В другом оптоволоконном зонде используются 5 волокон, которые отлиты на одной линии в алюминиевом зонде. Первое волокно используется для освещения, а другие используются для обнаружения света источника (расстояния источник-детектор составляют 0,6 мм, 1,2 мм, 1,8 мм и 2,4 мм). Несмотря на широкое применение оптоволоконных зондов, процесс их производства является достаточно сложным. В частности, при разработке зонда по индивидуальным требованиям, может понадобиться обрезать волокна, что нелегко. Обрезка волокон требует специальных режущих устройств, а после процесса обрезки концы волокон должны быть отполированы, что представляет собой другой трудный процесс, отнимающий время. Кроме того, расположить волокна в желаемом выравнивании при производстве волоконного жгута нелегко ввиду малых диаметров. Другим существенным недостатком использования волокон является мертвое пространство между волокнами в волоконном жгуте. Это мертвое пространство нежелательно, поскольку оно не обеспечивает возможность прохождения света.
Основные составляющие отраженного света включают коэффициент зеркального отражения и коэффициент диффузного отражения. Диффузная составляющая отраженного света желательна и даже существенна, если спектроскопия отражения используется для исследования подкожной ткани, поскольку составляющая зеркального отражения содержит информацию только о поверхности кожи. Информация о наличии или концентрации хромофора в подкожной ткани, такого как гемоглобин и билирубин, содержится в диффузно отраженном свете из ткани человека. В слое эпидермиса содержит очень малое количество крови, или она не содержится вовсе, и, следовательно, соответствующая составляющая диффузно отраженного света из слоя эпидермиса содержит малое количество биологически значимой информации или не содержит ее вовсе. Следовательно, представляется важным захват только диффузно отраженного света, идущего обратно из подкожной ткани.
Спектр диффузного отражения несет информацию о концентрации биологических хромофоров, находящихся глубоко внутри кожи человека. Важно получить достаточное количество интенсивности отраженного света для вычисления концентрации этих хромофоров. Для получения этой достаточной интенсивности может быть увеличено время интеграции или производительность системы. Однако в некоторых вариантах применения, таких как транскутанная билирубинометрия, требуется короткое время интеграции для снижения эффектов шума окружающей среды, таких как размытость ввиду движения. Таким образом, достижение более короткого времени интеграции является одной из важнейших задач в спектроскопии диффузного отражения. Повышение эффективности прохождения света означает сокращение времени интеграции. Для улучшенной эффективности прохождения света, направляющая для доставки света должна быть соединена с источником света эффективным образом, как и направляющая для захвата света с детектором.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
В настоящем изобретении предложено новое исполнение оптического зонда для измерений спектроскопией диффузного отражения; более конкретно, новое исполнение оптического устройства, в котором для передачи и приема света для спектроскопических измерений используется оптический зонд, выполненный из поли(метилметакрилата) (ПММА). Здесь представлено новое оптическое устройство уменьшенного размера, которое является простым в изготовлении и требует меньших затрат. Кроме того, оптическое устройство разработано таким образом, что детектором может быть захвачен только диффузно отраженный свет. Более короткое время интеграции является другим преимуществом этого нового оптического устройства.
При разработке портативного инструмента для спектроскопии диффузного отражения следует принимать во внимание компактное и удобное в использовании исполнение с легким весом и малым размером. Получение такого оптического устройства, используя стержни из ПММА для передачи света, является надежным решением. Помимо использования материала ПММА в разработанном оптическом зонде, настоящее изобретение обладает новизной в части расположения компонентов (детектора, источника и зонда) в оптическом устройстве. В качестве детектора используется микроспектрометр и он расположен сверху на оптическом устройстве в соединении с направляющей захвата света. Ниже спектрометра расположен источник света, который соединен с направляющей доставки света. Такое расположение обеспечивает компактную конструкцию для разработанного оптического устройства. Использование материала ПММА в оптическом зонде обладает несколькими преимуществами. Прежде всего, это обеспечивает возможность простого процесса производства по сравнению с системами на основе оптоволоконного кабеля. Кроме того, оптический зонд из ПММА не требует дополнительных устройств для расщепления, полировочных материалов или процесса вязки, чего требуют оптоволоконные кабеля. Лишь одна часть стержня из ПММА с размером сердцевины, составляющим пару мм, может переносить свет достаточной интенсивности для передачи или захвата света. В конечном итоге, зонд из ПММА гораздо более прост в изготовлении, более компактен и более приемлемый по стоимости, чем традиционные зонды из оптического волокна. Эти особенности дают в результате превосходный оптический зонд для любого спектроскопического анализа.
Другой важный аспект данного нового оптического устройства заключается в том, что оно обеспечивает максимальную эффективность передачи света путем сведения к минимуму мертвого пространства. В настоящем изобретении представлен оптический зонд, состоящий из двух вложенных друг в друга стержней из ПММА с размерами сердцевины 4 мм и 8 мм. Наружный стержень используется для того чтобы подвергать поверхность кожи воздействию белого света, вырабатываемого СИД. При этом, отраженный свет, исходящий от различных слоев ткани, захватывается внутренним стержнем, который соединен со спектрометром. Ввиду конструкции двух цилиндрических стержней из ПММА, плотно вложенных друг в друга, отсутствуют мертвые пространства, которые имеют место в кабельных жгутах из оптических волокон.
Предложенное оптическое устройство содержит чувствительный к давлению зонд, который активируется при надавливании на кожу человека. Он освещает кожу ярким стробоскопическим светом, вырабатываемым СИД-источником света. Этот яркий свет проходит на короткое расстояние через кожу, где приложен чувствительный к давлению зонд, и подсвечивает нижележащую подкожную ткань. После этого, рассеянный свет передается через внутренний стержень из ПММА, который изолирован от наружного стержня из ПММА. Зеркальная составляющая спектра отражения не может следовать по внутренней направляющей ввиду данной изоляции между двумя стержнями. Таким образом, только диффузно отраженный свет достигает модуля спектрометра.
Более короткое время интеграции является другим преимуществом предложенного оптического устройства. Повышенная эффективность пропускания света является основной причиной обеспечения более короткого времени интеграции. Несмотря на то, что коэффициент затухания материала ПММА не меньше, чем у оптоволоконного кабеля, рассеяние является ничтожно малым ввиду коротких каналов освещения. Кроме того, ввиду большей области контакта зонда с поверхностью кожи, захватывается свет с интенсивностью, большей, чем может обеспечить оптоволоконный кабель.
Благодаря этим и другим рассматриваемым решениям, которые станут понятными специалисту в данной области техники, настоящее изобретение заключается в новой конструкции, оригинальном расположении компонентов и повышенной эффективности пропускания света в оптическом устройстве для спектроскопии диффузного отражения. Более конкретно, предложен новый подход, в котором при исполнении оптического зонда используется материал ПММА, что обеспечивает новизну настоящему изобретению.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Настоящее изобретение обладает преимуществами, поскольку оно является компактным, имеет легкий вес, малый размер и является удобным в использовании. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении нового расположения детектора, источника и оптического зонда.
Другим преимуществом настоящего изобретения является использование СИД с плоским спектром в видимой области.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в использовании материала ПММА при исполнении оптического зонда. Использование этого материала делает процесс изготовления настоящего изобретения простым и приемлемым по стоимости.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в сведении мертвого пространства к минимуму, что предотвращает пропускание света.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении максимальной эффективности пропускания света.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении более короткого времени интеграции.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении чувствительного к давлению зонда, который активируется при надавливании на кожу человека.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно обеспечивает захват диффузно отраженного света.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На сопроводительных чертежах изображен полный варианты реализации изобретения, в соответствии с вариантом исполнения, являющимся наилучшим с точки зрения практической реализации его принципов, и на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическую блок-схему системы для измерения диффузного отражения.
Фиг. 2 представляет собой схематический вид света, падающего на ткань кожи.
На фиг. 3 показан увеличенный вид оптического устройства.
На фиг. 4 показан вид оптического устройства в поперечном сечении.
На фиг. 5 показан вид сверху оптического устройства.
На фиг. 1 показано, что свет, вырабатываемый белым СИД, направлен на поверхность кожи. Свет проникает в ткань кожи, распространяясь случайным образом. По прошествии множественных событий рассеяния, некоторая часть света выходит из поверхности кожи. Отраженный свет захватывается спектрометром для получения спектра отражения. Из этого спектра представляется возможность определить концентрацию целевого хромофора в подкожной ткани посредством подходящих анализов данных.
На фиг. 2 изображено освещение поверхности 1 кожи падающим светом, идущим от наружного стержня 12 из ПММА. Как изображено на упрощенном виде, кожа содержит три слоя: верхний слой или эпидермис 2, срединный слой или дермис 3, и подкожную ткань 4. Падающий свет 5 освещает поверхность кожи и проникает в подкожную ткань. Часть световой энергии может быть отражена зеркальным образом 6 и не может достигнуть направляющей для захвата света. Вместо этого, образец кожи может поглощать часть световой энергии, давая в результате поглощенную световую энергию 7. Третье явление включает в себя энергию 8, пройденную в более глубокую ткань. Наконец, часть света может быть отражена 9 диффузным образом. Как показано на фиг. 1, луч диффузно отраженной части света несколько раз меняет направление и затем эта часть 10 захватывается внутренним стержнем 13 из ПММА. Для предотвращения прохождения света от одного стержня к другому, стержни изолированы друг от друга с помощью полузеркального изолятора 14. Таким образом, анализу подвергается только диффузно отраженный свет. Также, полузеркальный изолятор увеличивает эффективность пропускания света. Наружная изоляция обеспечивается посредством держателя 11 оптического зонда, который удерживает другие компоненты оптического устройства.
Увеличенный схематический вид оптического устройства показан на фиг. 3. Два цилиндрических стержня 12, 13 из ПММА расположены вложенными друг в друга и изолированными друг от друга посредством изоляционного материала 14. Держатель 11 оптического зонда содержит пружину 16 с держателем 15 пружины, обеспечивая чувствительный к давлению механизм активации. Этот механизм обеспечивает возможность приложения подходящего давления к поверхности кожи и, следовательно, содействует выдаче правильных результатов измерения. Освещение целевой поверхности кожи достигается посредством СИД, расположенных на печатной плате 17 СИД. По прошествии достаточного освещения кожи, диффузно отраженный свет, который, как правило, отражается на различных глубинах в ткани, захватывается внутренним стержнем из ПММА и переносится на спектрометр 18. Этот спектрометр расположен на печатной плате 19.
Ссылаясь теперь на фиг. 4, показан вид оптического устройства в поперечном сечении. На фиг. 4 представлено расположение компонентов оптического устройства. Сверху вниз, печатная плата 19 со спектрометром находится в первом положении, которое зафиксировано с помощью двух винтов 20. Захваченный свет попадает в спектрометр 18 через щель 21 в нем. Захватывающий стержень 13 из ПММА непосредственно соединен с этой щелью. Ниже спектрометра находится печатная плата 17 со СИД, которая зафиксирована с помощью двух винтов 24. На этой плате находятся два белых СИД 23 с широкими плоскими спектрами (например, с длинами волны от 350 нм до 750 нм). Эти СИД расположены смежно с верхней поверхностью стержня 12 из ПММА источника. Свет проходит через эту направляющую и достигает поверхности кожи.
На фиг. 5 показан вид сверху оптического устройства. На нем представлена подвижная часть внутри измерительного устройства. Когда это устройство приложено к поверхности кожи с достаточным давлением, она двигается внутри устройства и подносится к переключателю посредством переключающей точкой 22 контакта. Этот контакт активирует систему и инициирует измерение.
ССЫЛКИ
1. Zonios, G., & Dimou, А. (2006). Modeling diffuse reflectance from semi-infiniteturbidmedia: applicaiton to the study of skin optical properties. Optix Express, 14 (9).
2. Nichols, M.G., Hull, E.L., & Foster, Т.H. (1997). Design and testing of a white-light, steady-state diffuse reflectance spectrometer for determination of optical properties of highly scattering system. Appl. Optics, 36 (1), 93-104.
3. Bosschaart, N., Mentink, R., Kok, J.H., van Leeuwen, T.G., & Aalders, M.C. (2011, September). Optical properties of neonatal skin measured in vivo as a function of age and skin pigmentation, „ Sep. 2011. Journal of Biomedical Optics.
4. Bhadri, P.R. (2007). Spectrometric Quantificaiton of Bilirubin in Hemorrhagic Spinal Fluid using an Innovative Algorith,. Medical Chemistry, 3, 21-27.
5. Saidi, I.S. (1992). Transcutaneous Optical measurements of hyperbilirubinemia in neonates. Rice University
Claims (17)
1. Оптическое устройство для получения спектра отражения, содержащее:
a) средство для вырабатывания надлежащего света,
b) средство для передачи и приема указанного света указанной подложкой, причем указанное средство представляет собой оптический зонд, выполненный из материала поли(метилметакрилата) (ПММА), содержащий:
- точно два компактных коаксиальных стержня из ПММА, вложенные друг в друга, для захвата и для освещения,
- внутренний стержень (13) длиннее, чем наружный стержень (12),
- внутренний стержень (13) изолирован от наружного стержня (12) с помощью полузеркального изолятора (14),
c) средство для захвата отраженного света, который был отражен из глубины подложки, внутренним стержнем (13),
d) средство для отделения указанного диффузно отраженного света от зеркально отраженного света для получения информации о концентрации хромофоров в указанной подложке.
2. Оптическое устройство по п. 1, в котором средство для вырабатывания надлежащего света представляет собой два белых светоизлучающих диода (СИД) (23) с широкими плоскими спектрами, предпочтительно, с длинами волны от 350 нм до 750 нм.
3. Оптическое устройство по п. 1, в котором средство для передачи указанного света на подложку представляет собой наружный стержень.
4. Оптическое устройство по п. 1, в котором средство для приема указанного света от подложки представляет собой внутренний стержень.
5. Оптическое устройство по п. 1, в котором средство для обнаружения спектра диффузного отражения представляет собой микроспектрометр.
6. Оптическое устройство по п. 1, в котором средство для отделения указанного диффузно отраженного света от зеркально отраженного света получает информацию о наличии или концентрации хромофора.
7. Оптическое устройство для получения спектра отражения, в котором для обеспечения компактной конструкции расположение компонентов оптического устройства выполнено следующим образом:
a) микроспектрометр оптического устройства расположен в самом верхнем положении,
b) источник света в виде СИД расположен ниже микроспектрометра и направлен на оптический зонд,
c) оптический зонд соединен с СИД и микроспектрометром.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/IB2016/050375 WO2017130020A1 (en) | 2016-01-26 | 2016-01-26 | Portable optical apparatus for diffuse reflectance spectroscopy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686868C1 true RU2686868C1 (ru) | 2019-05-06 |
Family
ID=55409871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018127496A RU2686868C1 (ru) | 2016-01-26 | 2016-01-26 | Портативное оптическое устройство для спектроскопии диффузного отражения |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10393652B2 (ru) |
| EP (1) | EP3408650B1 (ru) |
| CN (1) | CN108780041B (ru) |
| RU (1) | RU2686868C1 (ru) |
| WO (1) | WO2017130020A1 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10761015B1 (en) * | 2019-09-18 | 2020-09-01 | Taiwan Redeye Biomedical Inc. | Handheld hemoglobin detecting device |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6571118B1 (en) * | 1998-05-04 | 2003-05-27 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Combined fluorescence and reflectance spectroscopy |
| US20050256383A1 (en) * | 2000-10-06 | 2005-11-17 | Government Of The U. S., Represented By The Secretary, Dept. Of Health & Human Services | Probe using diffuse-reflectance spectroscopy |
| US20070265513A1 (en) * | 2006-05-11 | 2007-11-15 | Schenkman Kenneth A | Optical measurement of mitochondrial function in blood perfused tissue |
| US20090022463A1 (en) * | 2004-07-02 | 2009-01-22 | The General Hospital Corporation | Imaging system and related techniques |
| RU131184U1 (ru) * | 2012-09-10 | 2013-08-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Система для оптической диагностики опухолевой ткани |
| RU2510506C2 (ru) * | 2012-04-24 | 2014-03-27 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ определения оптических и биофизических параметров биоткани |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4281645A (en) * | 1977-06-28 | 1981-08-04 | Duke University, Inc. | Method and apparatus for monitoring metabolism in body organs |
| GB2115175A (en) | 1982-01-05 | 1983-09-01 | Eastman Kodak Co | Fibre optics head featuring core spacing to block specular reflection |
| FR2650890B1 (fr) * | 1989-08-09 | 1993-02-19 | Oreal | Appareil destine a permettre l'evaluation de la brillance d'une surface, en particulier de la peau |
| US5636633A (en) * | 1995-08-09 | 1997-06-10 | Rio Grande Medical Technologies, Inc. | Diffuse reflectance monitoring apparatus |
| US6353226B1 (en) * | 1998-11-23 | 2002-03-05 | Abbott Laboratories | Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers |
| CA2481981C (en) * | 2002-03-25 | 2012-02-07 | Ken-Ichi Yamakoshi | A non-invasive blood constituent measuring instrument and measuring method |
| CN101137322B (zh) * | 2005-01-21 | 2014-05-28 | 维利桑特技术公司 | 用于根据内窥镜成像期间获得的反射光谱测量测量癌变的方法和装置 |
| JP5114024B2 (ja) * | 2005-08-31 | 2013-01-09 | オリンパス株式会社 | 光イメージング装置 |
| US20080062429A1 (en) * | 2006-09-12 | 2008-03-13 | Rongguang Liang | Low coherence dental oct imaging |
| WO2008038223A2 (en) * | 2006-09-26 | 2008-04-03 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Apparatus for optical body analysis |
| CN100506150C (zh) * | 2007-04-28 | 2009-07-01 | 马剑文 | 活体组织光学检测装置及其工作方法 |
| US8498460B2 (en) * | 2010-02-22 | 2013-07-30 | Canfield Scientific, Incorporated | Reflectance imaging and analysis for evaluating tissue pigmentation |
| CN102058393B (zh) * | 2010-10-30 | 2012-10-31 | 华中科技大学 | 基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数的测量方法 |
| RU2014102498A (ru) * | 2011-06-28 | 2015-08-10 | Конинклейке Филипс Н.В. | Игла с оптическим волокном, встроенным в удлиненную вставку |
| US9766126B2 (en) * | 2013-07-12 | 2017-09-19 | Zyomed Corp. | Dynamic radially controlled light input to a noninvasive analyzer apparatus and method of use thereof |
-
2016
- 2016-01-01 US US16/073,331 patent/US10393652B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2016-01-26 EP EP16705993.0A patent/EP3408650B1/en active Active
- 2016-01-26 WO PCT/IB2016/050375 patent/WO2017130020A1/en active Application Filing
- 2016-01-26 RU RU2018127496A patent/RU2686868C1/ru active
- 2016-01-26 CN CN201680080257.XA patent/CN108780041B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6571118B1 (en) * | 1998-05-04 | 2003-05-27 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Combined fluorescence and reflectance spectroscopy |
| US20050256383A1 (en) * | 2000-10-06 | 2005-11-17 | Government Of The U. S., Represented By The Secretary, Dept. Of Health & Human Services | Probe using diffuse-reflectance spectroscopy |
| US20090022463A1 (en) * | 2004-07-02 | 2009-01-22 | The General Hospital Corporation | Imaging system and related techniques |
| US20070265513A1 (en) * | 2006-05-11 | 2007-11-15 | Schenkman Kenneth A | Optical measurement of mitochondrial function in blood perfused tissue |
| RU2510506C2 (ru) * | 2012-04-24 | 2014-03-27 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ определения оптических и биофизических параметров биоткани |
| RU131184U1 (ru) * | 2012-09-10 | 2013-08-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Система для оптической диагностики опухолевой ткани |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2017130020A1 (en) | 2017-08-03 |
| CN108780041B (zh) | 2020-10-09 |
| US10393652B2 (en) | 2019-08-27 |
| EP3408650A1 (en) | 2018-12-05 |
| US20190041328A1 (en) | 2019-02-07 |
| EP3408650B1 (en) | 2019-11-27 |
| CN108780041A (zh) | 2018-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6353226B1 (en) | Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers | |
| Mourant et al. | Elastic scattering spectroscopy as a diagnostic tool for differentiating pathologies in the gastrointestinal tract: preliminary testing | |
| US6564088B1 (en) | Probe for localized tissue spectroscopy | |
| JP5982364B2 (ja) | 測定媒体の成分または特性、特に生理的血液値を特定およびモニタするための装置ならびに方法 | |
| US7304724B2 (en) | Method and apparatus for quantification of optical properties of superficial volumes | |
| US10362983B2 (en) | Near infrared photonic prostatoscopy analyzer | |
| US6088087A (en) | Transcutaneous measurement of substance in body tissues or fluid | |
| JP2003315259A (ja) | 組織発色団測定システム | |
| JP2013195433A (ja) | 反射光検出型皮膚蛍光測定装置 | |
| JP2007083028A (ja) | 非侵襲性検査装置 | |
| Kurakina et al. | Probing depth in diffuse reflectance spectroscopy of biotissues: a Monte Carlo study | |
| JP2013138720A (ja) | 測定装置および測定方法 | |
| KR101919229B1 (ko) | 생체 정보 측정 및 방법 | |
| RU2686868C1 (ru) | Портативное оптическое устройство для спектроскопии диффузного отражения | |
| CN113288015A (zh) | 一种血流及内源信号多模态内窥成像系统 | |
| RU2526929C2 (ru) | Оптическое исследовательское устройство, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду | |
| KR102348195B1 (ko) | 광학적 피분석물 모니터링 시스템 및 방법 | |
| US20090076396A1 (en) | Optical wavelength range for high contrast imaging of cancer | |
| EP2259048A1 (en) | Measuring reflectance using waveguide for coupling light to larger volume of sample | |
| Yable et al. | Optical Characterization of Buruli Ulcer by Diffuse Reflectance using LEDs illumination | |
| Prince et al. | Functional optical imaging of a tissue based on diffuse reflectance with fibre spectrometer | |
| KR20180014533A (ko) | 광학 분석 기기 | |
| Mordi et al. | Design and Validation of a Multimodal Spatially Offset System Comprising Diffuse Reflectance Spectroscopy and Raman Spectroscopy | |
| Sanapala et al. | Optical Sensor in Optoelectronic Applications | |
| Belkov et al. | Optical biopsy system for breast cancer diagnostics |