专利名称：用于使用光测量诸如胆红素的分析物的装置和方法
用于使用光测量诸如胆红素的分析物的装置和方法本发明涉及用于使用光测量诸如像胆红素的组织分析物的装置和方法，以及，在一个特定实施例中，涉及在诸如新生儿的个体中的组织分析物水平的估计，并且，更具体地，涉及确定经皮胆红素(TcB)以及基于其估计总血清胆红素(TSB)的装置和方法。新生儿黄疸是新生婴儿的皮肤和其他组织的变黄。通常，高于5mg/dL的胆红素水平出现新生儿的临床黄胆。对有黄疸的新生儿的护理通常需要总血清胆红素(TSB)的测量和监测，这最通常地是通过分析婴儿的血浆或血清样品来确定的。然而，如将要理解地，从婴儿抽血用于这样的分析引起疼痛和创伤。这一事实己带来数个种用于TSB的估计的无创技术的发展。一种被称为经皮胆红素测定法的用于TSB的估计的特定无创方法，涉及经皮胆红素(TcB)的测量。该方法依赖于TcB和TSB之间的高度相关性。经皮胆红素测定设备通过将光线引导到新生儿的皮肤中并且探测从新生儿的皮下组织反射回的特定波长而工作。 所使用的波长的数量因不同的设备而异。所探测到的光学信号被光电探测器，例如光电二极管，转换为电信号，并且使用控制器分析所述电信号以基于所反射的信号的强度生成TSB值。在很多这样的设备中，将白光源与分光计相组合以进行所需的测量。尽管是有效的，但这一解决方案远比它所需要的要昂贵，因为在确定TSB的分析中不是所有的光谱带都被使用。类似的问题也存在于使用光来测量诸如其他血液或皮肤分析物的其他组织分析物的设备。类似的问题也存在于使用光来测量其他非组织分析物的设备，例如，在例如是油漆或有色表面中检测颜色的设备。因而，在使用光的分析物分析，例如经皮胆红素测定法，的领域中存在改进空间。在一个实施例中，一种用于监测，例如但不限于，组织分析物水平(例如，胆红素水平)的分析物测量设备，其包括数个窄带光源，每个窄带光源被构造为发射覆盖数个波长的光的光谱；以及数个探测器组件，其被配置为接收从受试者(例如，受试者的皮下组织)反射的光。探测器组件中的每个包括滤波器和光电探测器，每个滤波器被构造为透射主透射带以及一个或多个透射边带，其中，对于每个窄带光源，其光谱包括落在所述滤波器中的至少一个的透射带内的一个或多个波长，并且其中，对于每个窄带光源，其光谱不包括落在任何光学滤波器的所述一个或多个透射边带内的任何波长。在另一实施例中，提供一种估计受试者的诸如组织分析物(例如胆红素)的分析物的水平的方法，其包括如下步骤将光线从数个光源引导向所述受试者(例如，引导向所述受试者的皮肤)，每个光源发射覆盖数个波长的光的光谱，其中，响应于所述引导，反射光被所述受试者(例如，所述受试者的经皮组织)反射；使用数个滤波器对所述反射光进行滤波，每个滤波器被构造为透射主透射带以及一个或多个透射边带，其中，对于每个光源，其光谱包括落在所述滤波器中的至少一个的透射带内的一个或多个波长，并且其中，对于每个光源，其光谱不包括落在任何光学滤波器的所述一个或多个透射边带内的任何波长，所述滤波产生与每个滤波器相关联的经滤波的光；以及，基于与每个滤波器相关联的经滤波的光，确定估计的分析物水平，例如胆红素水平。在参考附图考虑以下描述和权利要求书后，本发明的这些和其他目的、特征和特性、以及操作的方法、相关的结构元件的功能、各部分的组合和制造的经济性将会变得显而易见，所有附图构成本说明书的一部分，其中各附图中相同的附图标记代表相应的部分。然而，将要明确理解，附图仅出于图示和描述的目的并且不旨在限定本发明的限度。如在说明书中和权利要求中所使用，单数形式“一”包括复数指代，除非在上下文中明确指出不是。图I是根据本发明的示范性实施例的胆红素测量设备的方框图。图2是针对图I的胆红素测量设备中可能采用的示范性光学滤波器的透射与波长的曲线图。图3是针对图I的胆红素测量设备的特定实施例中可能使用的两个窄带光源的强度与波长的曲线图。图4是针对图I的胆红素测量设备的特定实施例中可能采用的三个光学滤波器的透射与波长的曲线图。·
图5示出了基于被图3的光源照明的图4的滤波器的所测得的有效滤波器响应。本文中所用的方向性词语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上部、下部、前、后，以及它们的派生，涉及附图中所示元件的取向并且不是限制权利要求的，除非在那里明确记载。如本文中所采用，两个或更多个部分或部件被“耦合”到一起的表述将意味这些部分结合到一起或一起工作，不管是直接地还是通过一个或多个中间部分或部件。如本文中所采用，两个或更多个部分或部件相互“接合”的表述将意味这些部分相互之间施加压力，不管是直接地还是通过一个或多个中间部分或部件。如本文中所采用，术语“数量”将意味一或者大于一的整数(即，复数)。本发明涉及使用光分析的分析物的测量，所述分析物例如但不限于，组织分析物如胆红素，并且特别涉及用于测量这样的分析物的装置和方法。一种这样的组织分析物是胆红素。出于说明的目的，本发明结合一种能够使用经皮胆红素测定法估计胆红素水平的，用于监测胆红素的设备进行了描述。将要理解，其目的是示范，并且本发明可被用于测量其他组织分析物，例如但不限于，血氧饱和度(Sp02)、VO2、黑色素以及血红蛋白和血红蛋白组分如高铁血红蛋白、氧合血红蛋白、去氧血红蛋白、碳氧血红蛋白等，或其他非组织分析物例如彩色颜料。图I是根据本发明的示范性实施例的胆红素测量设备5的方框图。胆红素测量设备5包括数个窄带光源10，其在所图示的实施列中是窄带光源IOA和窄带光源IOB (尽管示出了两个这样的窄带光源10，但其目的仅是示范，并且将要理解，也可使用多于或少于两个窄带光源10)。每个窄带光源10AU0B发射包括选定的、有限范围内的波长的单独透射带区域内的光。因而每个窄带光源10AU0B不是白光源。每个窄带光源10A、10B可以是，例如但不限于，以特定峰值波长为中心的LED。窄带光源10AU0B被构造和配置于胆红素测量设备5内以向诸如新生儿的个体的皮肤发送光。例如，可以使用一条或多条耦合到窄带光源10A、10B的光纤来向受试者的皮肤引导光。胆红素测量设备5还包括数个探测器组件15，其在所图示的实施例中为探测器组件15A、15B、15C(尽管示出了三个这样的探测器组件15，但其目的仅是示范，并且将要理解，也可使用多于或少于三个探测器组件15)。每个探测器组件15A、15B、15C被构造为接收和探测从诸如新生儿的个体的经皮组织反射的光。例如，可以将一条或多条光纤耦合到探测器组件15A、15B、15C的每个以收集反射光并将其引导向探测器组件15A、15B、15C。在示范性实施例中，为每个探测器组件15A、15B、15C屏蔽除来自窄带光源IOAUOB并被反射的光之外的所有的光。每个探测器组件15A、15B、15C包括操作性耦合到相关联的光电探测器25A、25B、25C (例如在其顶部)的光学滤波器20A、20B、20C。每个光电探测器25A、25B、25C是将光转换成电流或电压的设备，例如但不限于，光电二极管。此外，每个光学滤波器20A、20B、20C是带通滤波器，其以光的预定波长为中心并具有预定半高宽(FWHM)。此外，在示范性实施例中，每个光学滤波器20A、20B、20C是透射主透射带和一个或多个透射边带的滤波器，例如但不限于，采用例如四分之一波长镜的全介质干涉滤波器层叠。这样的滤波器的透射特性在图2中示出，其图示了具有以517nm为中心(具有5nm的FWHM)的透射带和至少两个边带的滤波器。全介质干涉滤波器层叠是有利的，因为它们具有高的透射、好的选择性以及在工业规模上相对容易制造。在示范性实施例中，没有任何透射带相互交叠。根据本发明的一方面，每个窄带光源10AU0B发射包括一个或多个所述光学滤波 器20A、20B、20C的中心波长的光的光谱。此外，每个窄带光源10AU0B的发射光谱不包括落在任何光学滤波器20A、20B、20C的透射边带内的任何光。通过避免发射落在光学滤波器20A、20B、20C中的每个的透射边带内的光，能够保持每个光学滤波器20的光谱特异性。在一个特别的非限定的实施例中，窄带光源IOA是以大约485nm为中心的青色LED以及窄带光源IOB是以大约530nm为中心的绿色LED。这些光源的发射特性在图3中示出。此外，在这一实施例中，光学滤波器20A是以484. 22nm为中心且FWHM为5. 60714nm的全介质干涉滤波器层叠，光学滤波器20B是以517. 6Inm为中心且FWHM为6. 74956nm的全介质干涉滤波器层叠，以及光学滤波器20C是以564. 19nm为中心且FWHM为7. 35165nm的全介质干涉滤波器层叠。这些滤波器的每个的透射特性在图4中示出。图5示出了基于由图3的光源照明图4的滤波器的所测量的有效滤波器响应。此外，再次参考

图1，胆红素测量设备5也包括控制器30，该控制器被操作性耦合到窄带光源10AU0B和探测器组件15A、15B、15C。控制器30包括处理部分，其可能是，例如，微处理器、微控制器或者某些其他合适的处理设备；以及存储器部分，其可能在所述处理器部分的内部或者操作性耦合到所述处理器部分，并且存储器部分提供了针对能够被所述处理器部分运行以控制胆红素测量设备5的操作的软件和数据的存储介质，所述胆红素测量设备5的操作包括基于由探测器组件15A、15B、15C所探测到的光的强度水平估计TSB和/或计算TcB。在操作中，将胆红素测量设备5对着受试者例如新生儿的皮肤放置。然后控制器30令窄带光源10AU0B发射光并将其导向所述受试者的皮肤。从皮下组织反射的光被光学滤波器20A、20B、20C滤波并且被光电探测器25A、25B、25C探测，每个光电探测器将所探测到的光转换成电信号(电压或电流)。然后那些电信号被提供给控制器30。控制器30将随后使用若干种己知方法中的任意一种基于那些信号计算TcB和/或估计TSB。合适的方法例如在以下中的一个或多个中描述，其公开通过引用并入本文美国专利号5，353，790 ;6，847，835 ;6，882，873 ;S. L. Jacques 等人的 “Developing an Optical FiberrefIectanceSpectrometer to Monitor Bilirubinemia in Neonates，，，SPIE Proceedings2975:115-124，Laser-Tissue Interactions, San Jose, CA Feb. 1997 ;和6· J. Newman,在 InVitro Diagnostic Instrumentation 中的“Bilirubin Measurementsin Neonates,，，SPIEVol. 3913(2000)。在一个示范性实施例中，胆红素测量设备5是完全集成的系统，其中窄带光源10A、IOB和探测器组件15A、15B、15C两者被定位于同一测量板上，与皮肤或测量表面稍微分开地定位，以允许从窄带光源10AU0B发射的光从该表面反射回来并且反向反射到探测器组件15A、15B、15C。应当小心地防止来自窄带光源10A、10B的直射光撞击探测器组件15A、15B、15C。而是，只有反射光才被允许这么做。尽管出于图示的目的基于目前认为是最实用和优选的实施例详细描述了本发明，但是应该理解，这样的细节仅出于这样的目的并且本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，旨在涵盖所附权利要求的精神和范围之内的修改和等效方案。例如，应该理解，本发明预期，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个 或多个特征相组合。
权利要求
1.一种分析物测量设备(5)，包括 数个窄带光源(10)，每个窄带光源被构造为发射覆盖数个波长的光的光谱；以及 数个探测器组件(15)，其被配置为接收从受试者反射的光，所述探测器组件中的每个包括滤波器(20)和光电探测器(25)，每个滤波器被构造为透射主透射带和一个或多个透射边带，其中，对于每个窄带光源，其光谱包括落在所述滤波器中的至少一个的所述透射带内的一个或多个波长，并且其中，对于每个窄带光源，其光谱不包括落在任何所述滤波器的所述一个或多个透射边带内的任何波长。
2.根据权利要求I所述的测量设备，其中，所述数个探测器组件是多个探测器组件。
3.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述受试者是人，并且其中，所述分析物是组织分析物。
4.根据权利要求3所述的测量设备，其中，所述组织分析物是胆红素，其中，所述数个探测器组件被配置为接收从所述受试者的经皮组织反射的光，并且其中，所述多个探测器组件的所述滤波器的所述主透射带包括用于确定所述受试者的TCB水平和TSB水平中的一个或两者所需的多个预定波长。
5.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述数个窄带光源是多个窄带光源。
6.根据权利要求5所述的测量设备，其中，每个滤波器以光的预定波长为中心并且具有预定半高宽。
7.根据权利要求6所述的测量设备，其中，所述多个窄带光源包括包含青色LED的第一窄带光源和包含绿色LED的第二窄带光源，并且其中，所述探测器组件的所述滤波器包括以484. 22nm为中心且FWHM为5. 60714nm的第一滤波器，以517. 61nm为中心且FWHM为6.74956nm的第二滤波器，以及以564. 19nm为中心且FWHM为7. 35165nm的第三滤波器。
8.根据权利要求6所述的测量设备，其中，每个滤波器为全介质干涉滤波器层叠。
9.根据权利要求4所述的测量设备，还包括控制器(30)，所述控制器被操作性耦合到所述数个窄带光源和所述数个探测器组件，其中，每个光电探测器被构造为将通过其接收的光转换为电信号，并且其中，所述控制器适于基于从每个光电探测器接收的所述电信号，确定所述受试者的TCB水平和TSB水平中的一个或两者。
10.根据权利要求I所述的测量设备，其中，每个光电探测器是光电二极管。
11.根据权利要求4所述的测量设备，其中，为所述数个探测器组件屏蔽除从所述受试者的所述经皮组织反射的光之外的所有光。
12.一种测量受试者的分析物的方法，包括 将来自数个光源(10)的光引导向所述受试者，每个光源发射覆盖数个波长的光的光谱，其中，响应于所述引导，反射光被所述受试者反射； 使用数个滤波器(20 )对所述反射光进行滤波，每个滤波器被构造为透射主透射带和一个或多个透射边带，其中，对于每个光源，其光谱包括落在所述滤波器中的至少一个的所述透射带内的一个或多个波长，并且其中，对于每个光源，其光谱不包括落在任何所述滤波器的所述一个或多个透射边带内的任何波长，所述滤波产生与每个滤波器相关联的经滤波的光；以及 基于与每个滤波器相关联的所述经滤波的光，确定与所述分析物相关的测量结果。
13.根据权利要求11述的方法，其中，所述分析物是所述受试者的组织分析物，其中，所述引导包括将从所述数个光源的光引导向所述受试者的皮肤，并且其中，响应于所述引导，所述反射光被所述受试者的经皮组织反射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述组织分析物是胆红素并且所述方法是估计所述受试者的胆红素水平的方法，其中，确定与所述分析物相关的测量结果包括基于与每个滤波器相关联的经滤波的光确定估计的胆红素水平。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述数个滤波器是多个滤波器。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述数个滤波器是多个滤波器，并且其中，所述滤波器的所述主透射带包括针对确定所述受试者的TCB水平和TSB水平中的一个或两者所需的多个预定波长。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述数个光源是多个光源。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，每个滤波器以光的预定波长为中心并且具有预定半高宽。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个光源包括发射青色光的第一光源和发射绿光的第二光源，并且其中，所述滤波器包括以484. 22nm为中心且FWHM为5.60714nm的第一滤波器，以517. 6Inm为中心且FWHM为6. 74956nm的第二滤波器，以及以564. 19nm为中心且FWHM为7. 35165nm的第三滤波器。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，每个滤波器为全介质干涉滤波器层叠。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括将每个经滤波的光转换为电信号，其中，确定估计的胆红素水平包括基于与每个经滤波的光相关联的所述电信号，确定所述受试者的TCB水平和TSB水平中的一个或两者。
22.根据权利要求12所述的方法，还包括为所述数个滤波器屏蔽除所述反射光之外的所有光。
全文摘要
一种分析物测量设备(5)，其用于监测例如组织分析物(例如，胆红素)的水平，所述测量设备包括数个窄带光源(10)，每个窄带光源被构造为发射覆盖数个波长的光的光谱；以及数个探测器组件(15)，其被配置为接收从受试者的经皮组织反射的光。探测器组件中的每个包括滤波器(20)和光电探测器(25)，每个滤波器被构造为透射主透射带以及一个或多个透射边带，其中，对于每个窄带光源，其光谱包括落在至少一个所述滤波器的透射带内的一个或多个波长，并且其中，对于每个窄带光源，其光谱不包括落在任何光学滤波器的所述一个或多个透射边带内的任何波长。
文档编号G01J3/36GK102906559SQ201180025983
公开日2013年1月30日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年5月27日
发明者E·J·迈耶, S·R·库达维利 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司