TWI454686B

TWI454686B - 非侵入式人體自體螢光測量裝置之光學探頭

Info

Publication number: TWI454686B
Application number: TW101114598A
Authority: TW
Inventors: Chih Chieh Kang; Chi Jo Wang; Jenq Ruey Horng; Chih Kuo Liang; Jeng Feng Lin; Shoko Nioka; Ching Yuan Chen
Original assignee: Univ Southern Taiwan
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2014-10-01
Also published as: TW201344177A

Description

非侵入式人體自體螢光測量裝置之光學探頭

本發明係有關於一種非侵入式人體自體螢光測量裝置之光學探頭，特別是指透過發光二極體之出光輻射場型的最佳化，能夠提高光學偵測的訊號雜訊比(S/N)與準度之光學探頭。

人體組織在養分利用過程中，會產生NADH及FAD等代謝物質，其中NADH及FAD受短波長之藍光激發後會產生螢光，透過判斷螢光的強弱或螢光之光譜，我們可以得知人體新陳代謝狀況，藉以獲得許多有用的資訊，例如作為早期癌症的檢測、糖尿病患身體養分代謝狀況的檢測觀察、新生兒新陳代謝狀況的觀察等應用領域。

因為NADH及FAD的散射螢光強度很低，不易直接由體外接收，因此一般的螢光檢測大多是侵入式的，但是侵入式的檢測方式通常會使人體產生不舒適感，影響民眾的使用意願；因此有非侵入式的檢測設備，但非侵入式的檢測設備為了接收微弱的螢光訊號，設備機器大多屬於大型化機台，以具有足夠的接收及分析能力，然而大型化的檢測設備除了使用花費較高之外，尚需要使用環境的配合，因此侷限了使用的場所及對象。

在此，本發明之發明團隊曾提出中華民國發明專利申請案第99137808號「非侵入式人體新陳代謝狀態測量裝置及方法」；其係透過人體黏膜組織較皮膚薄的特性，透過小型化電路的開發，配合特殊波長之LED，將光發射器及螢光接收器建立於小型偵測頭上，直接由口腔黏膜或鼻腔黏膜等黏膜組織處接收NADH及FAD等代謝物之散射螢光，達到體外非侵入式螢光接收之目的。

請參閱第五圖所示，在實際使用上，本發明之團隊發現到，將LED(D)與螢光接收器(E)建立在偵測頭(F)之同一平面(F1)上，並使LED(D)之光輻射場型(D1)直接垂直該平面(F1)發射至人體黏膜組織，例如口腔黏膜(G)，則口腔黏膜(G)接收到激發光的面積較小，所產生之螢光量少，並且口腔黏膜(G)接收激發光產生螢光的位置和螢光接收器(E)之距離較長，因此在產生螢光(H)後，螢光接收器(E)在接收螢光(H)同時，也常會接收到許多由環境產生的雜散光(stray light)，此舉常常造成光學偵測訊號雜訊比(S/N)的下降。

為了要提高人體組織產生螢光之面積，增加螢光量，同時並減少螢光接收器接收環境中雜散光的比例，提高光學偵測的訊號雜訊比與準度，本發明在前案的基礎之下，透過改良發光二極體(LED)的出光輻射場型，藉以解決前述問題。

因此，本發明提出一種非侵入式人體自體螢光測量裝置之光學探頭，包括有：一探頭本體，包含有一接收面，該接收面係沿一第一基準線延伸，並有至少一螢光接收器設置在該接收面上，在該探頭本體上另設置有至少一發光二極體，該發光二極體位於一第二基準線上，該第二基準線係垂直於上述第一基準線，而在該螢光接收器所在位置之外圍界定出一光作用區，且上述發光二極體之光輻射場型係傾斜於該第二基準線並通過或位於該光作用區。

進一步，該發光二極體之光輻射場型包含有一個以上之主瓣，且至少一主瓣位於該光作用區。

利用封裝技術或利用光學膜改變前述發光二極體之光輻射場型或主瓣之方向的光學設計，提高人體組織接收激發光用以產生螢光之面積，增加螢光量，並可縮短螢光發光位置和螢光接收器之距離，降低螢光接收器接收到外部環境雜散光之比例，因此可以提高光學偵測的訊號雜訊比(S/N)與準度。

進一步，該發光二極體與該螢光接收器設置在相同的平面，並使該發光二極體凸出於該平面。

進一步，該探頭本體在該第二基準線位置處形成一斜面，並將前述發光二極體設置在該斜面上。

進一步，在前述螢光接收器前端設置有一光學濾波片，用以濾除不必要雜訊；並同樣在前述發光二極體前端設置有一光學濾波片，預先濾除非必要之光輻射波段。

本發明具有下列功效：

1.本發明最佳的改善在於，可以降低螢光接收器接收外部雜散光之比例，提高光學探頭於光學偵測時之訊號雜訊比(S/N)與準度。

2.本發明之光學設計可以降低發光二極體之供給電流，延長發光二極體使用壽命，減少設備維修成本。

3.由於前述光學偵測之訊號雜訊比的提昇，可以更為正確反應人體新陳代謝狀態。用在血糖控制方面，可以更正確判斷血糖控制狀況；用在醫療的疾病判斷方面，可以減少疾病被誤判的情形。

4.前述成本降低可以加速投資者投資生產，以及提高消費者購買意願，同時更可加速新技術的開發。

(1)‧‧‧探頭本體

(11)‧‧‧接收面

(12)‧‧‧斜面

(2)‧‧‧螢光接收器

(3)‧‧‧光學濾波片

(4)‧‧‧發光二極體

(41)‧‧‧光輻射場型

(5)‧‧‧光學濾波片

(6)‧‧‧光學膜

(A)‧‧‧第一基準線

(B)‧‧‧第二基準線

(C)‧‧‧光作用區

(D)‧‧‧LED

(D1)‧‧‧光輻射場型

(E)‧‧‧螢光接收器

(F)‧‧‧偵測頭

(F1)‧‧‧偵測平面

(G)‧‧‧口腔黏膜

(H)‧‧‧螢光

(I)‧‧‧處理單元

第一圖係為本發明第一實施例之使用狀態示意圖(一)。

第二圖係為本發明第一實施例之使用狀態示意圖(二)。

第三圖係為本發明第二實施例之使用狀態示意圖。

第四圖係為本發明第三實施例之使用狀態示意圖。

第五圖係為習知光學探頭之使用狀態示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明非侵入式人體自體螢光測量裝置之光學探頭的主要功效可在下述實施例清楚呈現。

本發明第一實施例請參閱第一圖所示，本實施例之光學探頭包括有：一探頭本體(1)，包含有一接收面(11)，該接收面(11)係沿一第一基準線(A)延伸，並有至少一螢光接收器(2)設置在該接收面(11)上，用以接收口腔黏膜(G)內之NADH或FAD被激發後所發出之螢光(H)，其中螢光(H)在進入該螢光接收器(2)之前，先經過一光學濾波片(3)濾除不必要之雜訊，該螢光接收器(2)再電性連接至後端之一處理單元(I)，由該處理單元(I)根據螢光(H)之強弱或螢光(H)之光譜判斷體內新陳代謝狀況。在該探頭本體(1)上另設置有至少一發光二極體(4)，該發光二極體(4)位於一第二基準線(B)上，該第二基準線(B)係垂直於上述第一基準線(A)，而在該螢光接收器(2)所在位置之外圍界定出一光作用區(C)，上述發光二極體(4)之光輻射場型(41)係傾斜於該第二基準線(B)並通過或位於該光作用區(C)，例如第一圖所示，該發光二極體(4)之光輻射場型(41)為集中式，且該集中式的光輻射場型(41)被傾斜投射位於該光作用區(C)，或者如第二圖所示，該發光二極體(4)之光輻射場型(41)為中央對稱型式，且該中央對稱型式的光輻射場型(41)被投射通過該光作用區(C)，而由於發光二極體在封裝時，光輻射場型(41)有可能會形成兩個對稱主瓣，其中主瓣即是光輻射能量主要集中的區域，此時係使光輻射場型(41)之主瓣被投射通過該光作用區(C)，另外，在本實施例中，前述發光二極體(4)與前述螢光接收器(2)設置在相同平面，該發光二極體(4)並略凸出於該平面。由該發光二極體(4)發出特定範圍藍光波長之激發光用以激發口腔黏膜(G)內之NADH或FAD發出螢光(H)，並在該發光二極體(4)前端設置一光學濾波片(5)，用以預先濾除非必要之光輻射波段。

使用上，將該探頭本體(1)置入口腔中，並使該發光二極體(4)盡量靠近口腔黏膜(G)，在本實施例中，由於該發光二極體(4)略凸出於與該接收面(11)相同之平面，可以使該發光二極體(4)略微貼抵口腔黏膜(G)；藉由前述傾斜的光輻射場型(41)，可以使較大面積之口腔黏膜(G)接收到藍光激發光，因此可以較傳統方式產生更大量的螢光(E)，且因為該發光二極體(4)之光輻射場型(41)朝向於靠近該螢光接收器(2)的光作用區(C)，因此可縮短螢光發光位置和該螢光接收器(2)之距離，利用這樣的光學設計，將使得前述螢光接收器(2)在接收NADH或FAD發出之螢光(H)時，得以吸收較大的螢光量，同時減少外部環境雜散光被前述螢光接收器(2)接收，可以提高光學偵測的訊號雜訊比(S/N)與準度，這樣的方式同時也可以降低前述發光二極體(4)之供給電流，延長發光二極體(4)使用壽命，減少設備維修之成本。

本發明第二實施例請參閱第三圖所示，與第一實施例不同之處在於，前述實施例之發光二極體(4)係利用封裝技術使該發光二極體(4)之光輻射場型(41)得以傾斜於該第二基準線(B)並通過或位於該光作用區(C)，此種方式使得該發光二極體(4)成本較高。而本實施例係在該發光二極體(4)前端設置一光學膜(6)，利用該光學膜(6)的光學特性，使該發光二極體(4)之光輻射場型(41)產生傾斜而通過或位於該光作用區(C)，如此可降低該發光二極體(4)的成本。

本發明第三實施例請參閱第四圖所示，本實施例與第一實施例不同之處在於：該探頭本體(1)在該第二基準線(B)位置處形成一斜面(12)，將前述發光二極體(4)設置在該斜面(12)上，因此我們可以使用一般光輻射場型(41)為垂直投射之發光二極體(4)，使前述發光二極體(4)之光輻射場型(41)垂直該斜面(13)並朝向該光作用區(C)，達到相同於第一實施例之功效。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。