專利名稱：改進(jìn)的漫反射監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及漫反射光譜測(cè)量，更具體而言，涉及一種用于光譜測(cè)量或分析人體組織中分析物濃度的改進(jìn)裝置，而且還具體地涉及一種包括用于這種測(cè)量系統(tǒng)的鏡面反射控制器的改進(jìn)裝置。
背景技術(shù)：
有許多資料證明需要有一種準(zhǔn)確確定人體組織中分析物濃度的非侵害性方法。例如，Barnes等(美國(guó)專利No.5,379,764)公開了對(duì)糖尿病患者需要頻繁監(jiān)測(cè)其血液中的葡萄糖含量。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到分析越頻繁，葡萄糖含量有大波動(dòng)的可能性就越小。這些大的波動(dòng)和疾病的癥狀及并發(fā)癥有關(guān)，其長(zhǎng)期效應(yīng)可包括心臟病、動(dòng)脈硬化、失明、中風(fēng)、高血壓、腎衰竭和早死。如下所述，有多種系統(tǒng)被提出用于血液中葡萄糖的非侵害性測(cè)量。但是盡管有這些努力，對(duì)所有現(xiàn)有的可買到的家用葡萄糖監(jiān)測(cè)形式來(lái)說(shuō)還是需要對(duì)手指的刺血切口。相信對(duì)糖尿病患者已折衷地認(rèn)為很少能實(shí)現(xiàn)最有效地采用任何形式管理糖尿病患者。
提出用于確定血糖含量的各種非侵害性方法一般采用定量紅外光譜學(xué)作為分析的理論基礎(chǔ)，下面將分別討論。紅外光譜測(cè)量分析0.7～25μm的電磁輻射。一種物質(zhì)在各種波長(zhǎng)都有吸收。原子相互之間并不保持固定的位置關(guān)系，而是在平均間距附近來(lái)回振動(dòng)。吸收適當(dāng)能量的光使原子激發(fā)到更高的振動(dòng)能級(jí)。原子受激到激發(fā)態(tài)只在某些分離的能級(jí)間進(jìn)行，這是特定分子的特征。最基本的振動(dòng)態(tài)產(chǎn)生在中紅外頻譜區(qū)(即2.5～25μm)。不過(guò)就算不是不可能，由于水對(duì)光的吸收也使在這一頻譜區(qū)非侵害地確定血液分析物是有問(wèn)題的。這一問(wèn)題可通過(guò)使用不被水衰減的更短波長(zhǎng)的光而得以克服?；菊駝?dòng)態(tài)的諧波存在于較短波長(zhǎng)，這使得能夠在這些波長(zhǎng)進(jìn)行定量測(cè)定。
已知葡萄糖在中紅外和近紅外區(qū)的多個(gè)頻率處有吸收。不過(guò)血液還有其他紅外活性分析物也在相近頻率有吸收。由于這些吸收帶的重合性，沒有單個(gè)或特定頻率可用于可靠的無(wú)侵害性葡萄糖測(cè)量。這樣用于葡萄糖測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)分析需要在很寬的光譜范圍中計(jì)算很多光譜強(qiáng)度，以獲得定量測(cè)定所需的靈敏度、精度、準(zhǔn)確性和可靠性。除了吸收帶重合以外，葡萄糖測(cè)量還會(huì)進(jìn)一步復(fù)雜化，這是由于葡萄糖在血液中從重量上來(lái)說(shuō)是少數(shù)部分，而且由于被檢測(cè)物質(zhì)的特性和/或光學(xué)測(cè)量?jī)x器中固有的非線性，使所得到的光譜數(shù)據(jù)可能顯示有非線性的響應(yīng)。
Robinson等(美國(guó)專利No.4,975,581)公開了一種方法和裝置，用于通過(guò)使用紅外光譜并結(jié)合多元模型測(cè)量生物樣品中的未知量的特征，該多元模型由一套已知特征值的生物樣品的光譜經(jīng)驗(yàn)地推導(dǎo)而來(lái)。上述特征一般是分析物(比如葡萄糖)的濃度，也可以是樣品的任一化學(xué)或物理特性。Robinson等的方法含有包括校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)步驟的兩步過(guò)程。在校準(zhǔn)步驟中，紅外光耦合到已知特征值的校準(zhǔn)樣品上，從而存在至少幾種紅外輻射波長(zhǎng)的微分衰減隨含有已知特征值的樣品的不同成分和分析物而變化。通過(guò)使光穿過(guò)樣品或者從樣品上反射光，使紅外光耦合到樣品上。樣品對(duì)紅外光的吸收引起和光波長(zhǎng)有關(guān)的光強(qiáng)變化。對(duì)這套已知特征值的校準(zhǔn)樣品測(cè)量出在至少幾種波長(zhǎng)所形成的強(qiáng)度變化。然后原始或變換的強(qiáng)度變化用多元算法與校準(zhǔn)樣品的已知特征經(jīng)驗(yàn)地相關(guān)以得到多元校準(zhǔn)模型。在預(yù)測(cè)步驟中，紅外光耦合到未知特征值的樣品上，再把校準(zhǔn)模型應(yīng)用到從該未知樣品測(cè)得的適當(dāng)光波長(zhǎng)的原始或變換強(qiáng)度變化上。預(yù)測(cè)步驟的結(jié)果是未知樣品的估計(jì)特征值。Robinson等的公開內(nèi)容在此引入作為參考。
Dahne等(美國(guó)專利No.4,655,225)還公開了一種方法，采用近紅外光譜測(cè)量使近紅外光譜中的光學(xué)能量無(wú)侵害地透過(guò)受驗(yàn)者的手指或耳廓。Dahne還公開了測(cè)量反射光能量來(lái)確定分析物濃度。反射光能量進(jìn)一步確定為包括從樣品表面反射的光和從組織深處反射的光。Dahne公開了是從組織深處漫反射的近紅外能量含有分析物的信息，而表面的反射光能量沒有分析物的信息，并干擾解釋或測(cè)量從組織深處反射的光。本發(fā)明涉及一種用于漫反射光改進(jìn)測(cè)量的裝置，同時(shí)可消除表面反射光的影響。
反射光譜測(cè)量在其他非醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是已知的。一般來(lái)說(shuō)，這種光譜測(cè)量涉及通過(guò)使用反射信息來(lái)區(qū)別樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)。漫反射光譜測(cè)量也是普遍已知的，并被廣泛用在光譜的可見和近紅外區(qū)來(lái)分析比如谷類和其他食品等材料。
概括地說(shuō)，漫反射光譜測(cè)量采用的依據(jù)是樣品材料會(huì)趨于以或多或少隨機(jī)的形式散射光。有一部分光將最終從樣品散射回來(lái)并由探測(cè)器收集到，以提供樣品的定量或定性代表。
在紅外光譜測(cè)量中通常需要采用光譜的中紅外區(qū)。前面描述的基頻振動(dòng)吸收在此處即基頻區(qū)中最強(qiáng)。通常紅外光譜采樣的目的是準(zhǔn)備樣品以可用這種中紅外光進(jìn)行分析。反射光譜測(cè)量是一種非常通用的使樣品和中紅外光兼容的方法。如果樣品太厚以致不能使任何光透射過(guò)，那么通?？捎梅瓷鋪?lái)獲取結(jié)果。不過(guò)反射光譜測(cè)量由于在該模式中不止有一種光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生而復(fù)雜化。樣品的反射光基本上可分成兩類，漫反射和鏡面反射。樣品的鏡面反射光是沒有進(jìn)入樣品，而從樣品的上表面“如同鏡面一樣”反射的光。這一部分包含關(guān)于樣品表面的信息。如果材料是均勻的，該表面反射光可和體材料有關(guān)。盡管鏡面反射部分實(shí)際上看起來(lái)不太象吸收光譜，但它可通過(guò)稱作Kramers-Kronig變換的變換形式和體材料的吸收光譜相關(guān)。不過(guò)大多數(shù)專家仍然同意對(duì)于樣品鑒定和量化來(lái)說(shuō)漫反射部分比鏡面反射部分有用得多。許多申請(qǐng)者和其他人員作出了大量努力來(lái)增強(qiáng)漫反射部分，并削弱鏡面反射部分以基本上使反射譜更近似于透射譜。一般這些嘗試主要分為三類阻止鏡面反射的光學(xué)區(qū)分、機(jī)械區(qū)分以及設(shè)計(jì)用來(lái)使鏡面反射最小的樣品制備輔助方法。第四種非獨(dú)立的方法是從中紅外區(qū)移開以降低樣品制備的要求。通過(guò)移到光譜的近紅外或可見區(qū)，振動(dòng)光譜測(cè)量變得更粗略和更不精確，但這通常可得到補(bǔ)償，這是由于有改進(jìn)的采樣能力、更適當(dāng)?shù)穆窂介L(zhǎng)度以及阻止鏡面反射更好的區(qū)分方法而使所得數(shù)據(jù)的質(zhì)量和信噪比得到改善。當(dāng)需要定量信息時(shí)這種方法特別有用。
大多數(shù)專家會(huì)同意如果樣品材料是分層或不均勻的，那么漫反射部分就是需要的，甚至是相當(dāng)重要的。鏡面反射部分主要是含有關(guān)于樣品表面而不是關(guān)于體內(nèi)的信息。盡管如此，于1991年5月14日授予WalterM.Doyle的美國(guó)專利No.5,015,100描述了一種鏡面反射方法的實(shí)例。光的鏡面反射部分和波長(zhǎng)極為有關(guān)，它包含關(guān)于被測(cè)試材料復(fù)折射率的信息。該復(fù)折射率包含和材料的吸收系數(shù)有關(guān)的虛部。
Doyle指出鏡面反射光譜測(cè)量的潛在應(yīng)用對(duì)那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟知的，并指出可用數(shù)學(xué)公式即Kramers-Kronig關(guān)系把測(cè)得的反射光譜轉(zhuǎn)換成吸收光譜。這些算得的光譜可通過(guò)和已有的吸收光譜庫(kù)比較而鑒別樣品。不過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的工作還未用于定量測(cè)量分析，比如對(duì)諸如患者血液等樣品的成份分析。實(shí)際上，對(duì)這一目的其作用很小。因?yàn)槠つw表面只有很少的血液信息。必須使用漫反射部分。
Doyle和McIntosh在1989年10月的第16屆FACSS年會(huì)上提交的文章No.424得出結(jié)論，Kramers-Kronig關(guān)系不能用于從反射數(shù)據(jù)獲得準(zhǔn)確的吸收譜，除非修改所用的公式以考慮到極化和入射角，或者除非向?qū)嶒?yàn)儀器提供近似垂直入射條件的輻射。
Doyle的專利參考描述了鏡面反射系統(tǒng)中裝置的使用，在該系統(tǒng)中由樣品反射的分析輻射近似于垂直入射條件，并且提供一種解決方法以保證極化方向和入射平面平行的光線與極化方向和入射平面垂直的光線的作用基本相等。Doyle講到在這種裝置中使用的半透明分束器可獲得所需要的極化平衡，但會(huì)犧牲輻射效率，因?yàn)樵跇悠非巴干浜蜆悠泛蠓瓷渲杏袚p耗，在分束器中也有吸收損耗。接著Doyle的參考文獻(xiàn)描述了一種采用分場(chǎng)分束器而具有改進(jìn)輻射效率的系統(tǒng)，該分束器的表面區(qū)分成奇數(shù)的多個(gè)反射葉片和透射開放區(qū)。
仍是授予Doyle的美國(guó)專利No.4,852,955描述了一種可解決分束器效率有限問(wèn)題的系統(tǒng)，它采用100％反射的鏡面截取系統(tǒng)孔徑的一半，而使照明和輸出光束使用孔徑的另一半。不過(guò)，該參考文獻(xiàn)使用分場(chǎng)分束器涉及入射光的分布，它相對(duì)于垂直于樣品表面的軸是不對(duì)稱的。結(jié)果就不能保證當(dāng)使用所建議的分束器時(shí)P極化態(tài)和S極化態(tài)會(huì)保持平衡。
Doyle現(xiàn)有技術(shù)的局限是明顯的。鏡面反射只有當(dāng)體材料足以由表面組份代表時(shí)才是有用的。當(dāng)不是這種情況，比如進(jìn)行非侵害性血液分析物測(cè)量時(shí)，這套方法會(huì)給出錯(cuò)誤的結(jié)果。
阻止鏡面反射的機(jī)械區(qū)分的一個(gè)實(shí)例見于于1987年4月28日授予Robert G.Messerschmidt和Donald.W.Sting的美國(guó)專利No.4,661,706。Messerschmidt等表明反射光的鏡面反射部分和漫反射部分可機(jī)械地分離，這得益于鏡面反射部分從樣品表面發(fā)射。葉片狀態(tài)件在鏡面反射光照射到探測(cè)器上之前將它“撇去(skim)”。在精心對(duì)準(zhǔn)后可獲得純的漫反射光。這種器件的一個(gè)缺點(diǎn)是它對(duì)收集漫射光不是十分有效。許多漫反射能量只穿進(jìn)試樣較淺的深度，而阻斷器件就位于這一界限。因此深度淺的漫射光被排除在外。對(duì)于在中紅外區(qū)吸收非常強(qiáng)的樣品，所得測(cè)量結(jié)果的信噪比受到嚴(yán)重?fù)p害。這種器件可成功地用于非侵害性血液分析物測(cè)量，但和本申請(qǐng)?zhí)岢龅姆椒ㄏ啾刃室鸵恍?br> 也有用光學(xué)裝置來(lái)分離漫反射和鏡面反射部分。最近的一個(gè)實(shí)例描述于Ralf Marbach的博士論文中，題目為“MeBverfahren zur IR-spektroskopishen Blutglucose bestimmang”(英文譯作“紅外光譜確定血糖的測(cè)量技術(shù)”)，1993年發(fā)行于Duesseldorf。Marbach采用的光學(xué)區(qū)分系統(tǒng)在原理上十分近似于Harrick Scientific Corp.在1980年首先推出的Praying Mantis漫反射儀器中所用的系統(tǒng)。這里的基本原理是鏡面反射光從樣品上反射的角度相對(duì)于表面垂直方向和入射角大小相等方向相反。因此，只在輸入收集角之外收集光就是很簡(jiǎn)單的事。于是Marbach和Harrick把輸入角限制在很小的范圍，這樣更大的輸出角范圍可用于收集。應(yīng)當(dāng)注意可對(duì)光照射進(jìn)樣品并從樣品上收集光有一有限的空間區(qū)域。從立體角來(lái)看，對(duì)于平面樣品工作空間可定為2π立體角弧度。在Harrick的器件中，輸入和輸出鏡片對(duì)著相等的較小立體角。輸入或者輸出鏡片對(duì)著小于π/2的立體弧度。這導(dǎo)致可用立體角的效率小于50％。收集漫反射光的另一關(guān)鍵因素是被收集光的方向性。許多樣品，包括對(duì)非侵害測(cè)量所需的組織樣品，有著強(qiáng)烈的前向散射。也就是說(shuō)散射光子在發(fā)生散射后其方向只改變很小的角度。Harrick器件要求光子在能被輸出鏡片收集之前偏離較大角度。這種在樣品各向異性情況下的低性能和比較低的效率是Harrick器件的嚴(yán)重問(wèn)題。Marbach器件對(duì)Harrick器件在多個(gè)方面作了改進(jìn)。首先，對(duì)輸入和光收集可用的總空間接近2π立體弧度，這也是理論極限。這通過(guò)對(duì)輸入和輸出光都允許有360°方位角弦邊來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二點(diǎn)，考慮了散射的前向性。角度只偏離幾度的光線可被收集到。這種方法的弱點(diǎn)是輸入和輸出光學(xué)系統(tǒng)在放大倍率上完全不匹配。任何漫反射系統(tǒng)必須和系統(tǒng)的光源與探測(cè)器一致地工作。因?yàn)樵诮t外光譜區(qū)的探測(cè)器越大，其噪聲也越大，所以應(yīng)當(dāng)有意使探測(cè)器盡可能小。亮的小型光源也是有利的。在Marbach的系統(tǒng)中，光源的圖像在樣品平面上相對(duì)于探測(cè)器的圖像被放得很大。這意味著可映射到探測(cè)器上的光源能量密度是有限的。另外，從樣品收集到的能量在其傳到探測(cè)器時(shí)被縮小(demagnified)。能量效率再次損失。一種理想的情況會(huì)使輸入和輸出的放大倍率相等。Marbach的設(shè)計(jì)另一個(gè)重要的局限和輸入與輸出角度的選取有關(guān)。實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)善于以大的f/number成像。f/number小的系統(tǒng)，特別是有大的視場(chǎng)光闌直徑，其成像容易很差。Marbach在他的論文中指出了這一事實(shí)。在他的設(shè)計(jì)中，首要的大f/number、近垂直空間都留給輸入光，而非理想的近掠射光用于輸出。很容易想像到如果對(duì)Marbach所用的模式采用“后向”，器件會(huì)工作得更好，這里光源位置和探測(cè)器位置相互交換。本申請(qǐng)描述的器件提供了一種甚至更好的解決方案。
另一種對(duì)漫反射光譜消除鏡面反射影響的方法是改變樣品本身以降低鏡面反射的傾向性。實(shí)現(xiàn)這一目的的一種方法是在具有低折射率的無(wú)吸收基體材料中摻入粉末樣品。低折射率基體會(huì)使鏡面反射部分量少而減輕鏡面反射問(wèn)題。不幸的是，非侵害性分析的目的不允許改變樣品，所以在這里所述的應(yīng)用領(lǐng)域中，這些摻入方法不是可選方案。
發(fā)明概述本發(fā)明的裝置是一種用于對(duì)含有人體組織的分析物的漫反射光進(jìn)行改進(jìn)測(cè)量的器件。該裝置含有鏡面反射控制器，可把鏡面反射光或表面反射光和從組織內(nèi)深處返回的漫反射光分離開。因此，只有含有分析物信息的漫反射光可到達(dá)光譜分析儀。本發(fā)明的改進(jìn)鏡面反射控制器包括一個(gè)用于被光源的分析光束入射的表面，該表面分成偶數(shù)的多個(gè)分區(qū)，這些分區(qū)的一半使光束清晰地穿過(guò)，而這些分區(qū)的另一半包括反射鏡面，用來(lái)把反射光束從樣品引向探測(cè)裝置。
申請(qǐng)者發(fā)現(xiàn)使用基于輸入和輸出鏡片對(duì)稱分布的鏡面反射控制器可降低或消除和人體組織漫反射取樣有關(guān)的鏡面反射光的粘污。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，光源的光線通過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到組織樣品上，該光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選地由透鏡組成。光線穿過(guò)或入射到以下將進(jìn)一步詳細(xì)描述的鏡面反射控制器上。已發(fā)現(xiàn)光束聚焦可使任意光線都進(jìn)入系統(tǒng)中，并使鏡面反射光在聚焦中心的相對(duì)邊退出系統(tǒng)。特別地，經(jīng)過(guò)鏡面反射的光線通過(guò)的路徑關(guān)于中心焦點(diǎn)對(duì)稱。這樣鏡面反射光通過(guò)的路徑是中心對(duì)稱的。鏡面反射控制器，光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱的。例如，從皮膚表面鏡面反射開的光線會(huì)在光束焦點(diǎn)的相對(duì)邊退出光學(xué)系統(tǒng)，這對(duì)應(yīng)于鏡面反射控制器的相對(duì)開放。非鏡面反射光相對(duì)于其對(duì)中心焦點(diǎn)的入射角發(fā)生方向變化，將入射到鏡面反射控制器表面的非窗口區(qū)域，并轉(zhuǎn)換用于后面的光譜分析。這樣，鏡面反射光絕對(duì)到不了分析儀。
在鏡面反射控制器的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，有最少的四個(gè)分區(qū)，其一半是開放的，另一半是反射的。每個(gè)反射分區(qū)位于一對(duì)開放分區(qū)之間，亦相對(duì)于鏡面反射控制器的中心點(diǎn)和另一個(gè)反射分區(qū)相對(duì)。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，鏡面反射控制器反射分區(qū)的總表面積基本上等于開放分區(qū)的總表面積。
在鏡面反射控制器的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案即上述實(shí)施方案的變化方案中，預(yù)定寬度的不透明間隔作為每個(gè)相鄰分區(qū)之間的邊界。不透明間隔可沿表面的中心線分布，以使反射分區(qū)的總表面積等于開放分區(qū)的總表面積；或者不透明間隔也可有選擇地偏離中心分布，使得反射分區(qū)的總表面積不等于開放分區(qū)的總表面積。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)參照以下詳述，并同時(shí)結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他目的和許多附帶優(yōu)點(diǎn)可被更好、更容易地理解。在附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)在全部圖中表示相同的部分，其中

圖1是顯示對(duì)入射到含分析物的組織上的光具有可能響應(yīng)的簡(jiǎn)化示意圖，包括鏡面反射、漫反射、吸收和透射；圖2是采用輸入和輸出光線關(guān)于中心焦點(diǎn)對(duì)稱而對(duì)光譜反射的效果的示意圖；圖3描繪了典型的對(duì)反射采樣的單鏡面光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中光束分成在單一中心線旁邊的輸入和輸出邊；圖4是采用四象限消除鏡面反射光的示意圖；圖5是漫反射光能量要到達(dá)分析儀所需的方向變化的示意圖；圖6是含有八個(gè)象限的鏡面反射控制器的示意圖；圖7是另一個(gè)可選的一般采用矩形對(duì)稱象限的鏡面反射控制器的示意圖；圖8A是顯示鏡面反射控制器的第一實(shí)施方案的平面圖；圖8B是鏡面反射控制器的第二實(shí)施方案的平面圖；以及圖9是顯示在光譜測(cè)量系統(tǒng)中使用本發(fā)明的鏡面反射控制器的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明涉及一種用于攝譜分析或分析物濃度測(cè)量的改進(jìn)裝置。在優(yōu)選實(shí)施方案中，該裝置用于測(cè)量病人組織中的分析物濃度，更具體地說(shuō)，本發(fā)明集中在分析組織中的葡萄糖濃度。測(cè)量的基礎(chǔ)是在用寬帶近紅外光源照明后從組織樣品返回的漫反射光。
首先參照?qǐng)D1，描出了入射到含分析物的組織樣品上的光能的示意圖。如簡(jiǎn)圖所示，組織樣品12包括上層或表皮16，中間層或真皮18以及皮下組織19。入射光10照到組織樣品12上，其中部分光能可能穿透組織樣品，在組織樣品的另一面形成透射光26。另外，組織樣品可能吸收一部分光能，形成吸收光能24而成為熱能。第三種現(xiàn)象包括一部分入射光10的鏡面反射光14。最后一部分光能可被漫反射30。
漫反射光30由于和組織樣品中的不同部分接觸而要經(jīng)過(guò)幾次折射。最終一部分漫反射光能30回到組織樣品12的表面，并經(jīng)過(guò)皮膚表面退回到測(cè)量?jī)x器。這樣鏡面反射光14和漫反射光30混合，并被引回到本發(fā)明的裝置。
在反射光中只有漫反射光30包含分析物或葡萄糖的信息。被鏡面反射的光包含無(wú)血表皮的信息，但不包含葡萄糖的信息。因而本發(fā)明的目的是通過(guò)將漫反射光30與鏡面反射光14分離而只用漫反射光來(lái)分析。鏡面反射光14可視作粘污光、因?yàn)樗⒉话治鏊璧男畔ⅰ?br> 申請(qǐng)者發(fā)現(xiàn)和組織的漫反射采樣有關(guān)的問(wèn)題可通過(guò)使輸入和輸出鏡片基于中心對(duì)稱分布而降到最小程度。在中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，光線10通過(guò)含有透鏡的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到組織樣品12上。已發(fā)現(xiàn)用這一實(shí)施方案時(shí)，從組織12的表面鏡面反射開的光線會(huì)在光束焦點(diǎn)的相對(duì)面逸出光學(xué)系統(tǒng)。任何進(jìn)入系統(tǒng)并經(jīng)過(guò)鏡面反射的光線在中心點(diǎn)的相對(duì)面逸出系統(tǒng)。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，給出的示意圖示出了光線穿過(guò)使光束聚焦的透鏡系統(tǒng)的基本原理和效果。如圖2所示，畫出的光線A、B、C穿過(guò)關(guān)于中心點(diǎn)分成四個(gè)象限的大致圓形的透明盤。這些象限包括第一象限32，第二象限34、第三象限38和第四象限36。如圖所示，輸入光能A42在第一象限入射到盤上并穿過(guò)。由于中心點(diǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因鏡面反射而成的輸出光能A48在第三象限返回穿過(guò)盤。同樣，輸入光能B40也入射到第一象限32。由鏡面反射而得到的輸出光能B46逸出第三象限38。相似地，入射到第二象限34的輸入光能C44，其鏡面反射光部分如輸出光能C50所示從第四象限36逸出。
和中心點(diǎn)對(duì)稱的基本原理相比，用于反射采樣的典型的單鏡面光學(xué)結(jié)構(gòu)包括相對(duì)于單一中心線分成輸入和輸出邊的光束。該結(jié)構(gòu)如圖3所示。再一次畫出了具有輸入邊52和輸出邊54的大致圓形盤。這兩邊由經(jīng)過(guò)圓盤直徑的中心線分開。穿過(guò)盤的輸入光線A42、B40、C50具有鏡面反射部分或輸出光能A48、B46、C44，它們實(shí)際上由輸出鏡片采集并將由任一探測(cè)器檢測(cè)到。
申請(qǐng)者發(fā)現(xiàn)，和鏡面反射有關(guān)的問(wèn)題可通過(guò)設(shè)計(jì)含有如圖1所示中心點(diǎn)對(duì)稱原理的鏡面反射控制器而消除，從而克服用于反射采樣的標(biāo)準(zhǔn)的單一鏡面光學(xué)結(jié)構(gòu)具有的問(wèn)題?，F(xiàn)參照?qǐng)D4，畫出了分成四個(gè)象限的大致圓形盤。對(duì)圖4的結(jié)構(gòu)，第一象限32和第三象限38定義為輸入象限。第二象限34和第四象限36定義為輸出象限。在該實(shí)施方案中，光源入射到圓盤上。不過(guò)輸入象限允許光能穿過(guò)，而輸出象限是不透明的。這樣只有入射到輸入象限的光才穿過(guò)鏡面反射控制器而接觸到組織樣品。
從組織樣品反射回的光，既包括鏡面反射光又包括漫反射光，都入射到鏡面反射控制器的另一面上。不過(guò)正如對(duì)圖1所解釋的，所有從組織樣品返回的鏡面反射光將入射到第一或第三象限32，38上，并穿過(guò)這些開放。相反的是，大量漫反射光將入射到第二象限34和第四象限36，而沒有任何鏡面反射的干擾。然后漫反射光可從第二和第四象限34、36的表面反射并引向分析儀。這樣只有漫反射光被分析。
如圖5所示，光線56的漫反射部分在它能被輸出鏡片收集到之前必須經(jīng)過(guò)至少45度的方向變化。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到能夠成功完成這一方向變化而沒被吸收的光子數(shù)會(huì)少于那些可成功經(jīng)過(guò)更小的方向變化的光子數(shù)。申請(qǐng)者認(rèn)識(shí)到光學(xué)系統(tǒng)的效率可通過(guò)把光束進(jìn)一步分成多個(gè)對(duì)稱分布的輸入和輸出區(qū)而得到提高。一個(gè)這樣的可選實(shí)施方案如圖6所示。在圖6中，光束關(guān)于中心點(diǎn)分成八個(gè)分離的楔形象限。在八象限結(jié)構(gòu)中，位于輸入象限中心的光線只需經(jīng)過(guò)22.5度的方向變化。申請(qǐng)者認(rèn)識(shí)到象限數(shù)還可增加。另外，如圖7所示，光束可分成16個(gè)大致方形的象限，它們也關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱。
圖8A公開了一種大致如110所示的鏡面反射控制器。鏡面反射控制器110的表面分成偶數(shù)的多個(gè)分區(qū)，這里示為開放分區(qū)116和118以及反射分區(qū)112和114。開放分區(qū)116和118用于使入射到鏡面反射控制器110表面的任何光束穿過(guò)或透射過(guò)。
相反的是，反射分區(qū)112和114用于阻斷入射光束并使其一部分反射到預(yù)定位置。
在圖8A的實(shí)施方案中，每個(gè)分區(qū)112、114、116和118的大小相等，這樣開放分區(qū)116和118的總表面積等于反射分區(qū)112和114的總表面積。還有，每個(gè)反射分區(qū)112和114位于一對(duì)開放分區(qū)116和118之間；同樣地，每個(gè)開放分區(qū)116和118位于一對(duì)反射分區(qū)112和114之間。最后，每個(gè)反射分區(qū)比如112和另一個(gè)反射分區(qū)比如114相對(duì)；而每個(gè)開放分區(qū)比如116和另一個(gè)開放分區(qū)比如118相對(duì)。
現(xiàn)參照?qǐng)D8B，顯示了圖8A的裝置的另一個(gè)實(shí)施方案。在圖8B中，鏡面反射控制器110再次分成多個(gè)反射分區(qū)112和114以及開放分區(qū)116和118。每個(gè)反射分區(qū)比如112和114位于一對(duì)開放分區(qū)116和118之間，同樣，每個(gè)開放分區(qū)116和118位于一對(duì)反射分區(qū)比如112和114之間，每個(gè)反射分區(qū)和另一個(gè)反射分區(qū)相對(duì)，而每個(gè)開放分區(qū)和另一個(gè)開放分區(qū)相對(duì)。
在圖8B中，還示出了一套沿每個(gè)分區(qū)112、116、114和118之間的邊界分布的不透明間隔區(qū)113和111。間隔區(qū)111和113的作用是在送去照明樣品的分析光束和從樣品反射回的數(shù)據(jù)光束之間得到更準(zhǔn)確的分辨力。在反射分區(qū)和開放分區(qū)之間的不透明間隔區(qū)可實(shí)現(xiàn)這種所需的改進(jìn)，例如通過(guò)防止透射和反射光束在各個(gè)相鄰分區(qū)中的串?dāng)_來(lái)完成。
當(dāng)沿圓形鏡面反射控制器的表面比如110的直徑使用不透明間隔區(qū)111和113時(shí)，這在反射分區(qū)112、114和開放分區(qū)116、118之間形成剩余表面積的相等分割。由于對(duì)某些樣品的分析可能需要使反射分區(qū)的表面積不等于開放分區(qū)的表面積，可通過(guò)增加不透明間隔區(qū)115和117來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖8B所示。為說(shuō)明方便，不透明區(qū)115顯示為加在不透明間隔區(qū)113上以減小開放分區(qū)116的表面積；同樣，不透明區(qū)117加在不透明間隔區(qū)113上以減小開放分區(qū)118的表面積。
在如圖8B所示的實(shí)施方案中，在系統(tǒng)中光源的分析光束透射過(guò)開放分區(qū)116和118，而樣品的漫反射光由分區(qū)112和114反射到探測(cè)器，很明顯增加不透明區(qū)115和117會(huì)減小源光束照射樣品的百分比。
現(xiàn)參照?qǐng)D9，示出了使用本發(fā)明裝置的漫反射光譜測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。顯示的鏡面反射控制器110具有開放區(qū)118和反射區(qū)114。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到鏡面反射控制器110不必是如圖8A和8B所示的圓形結(jié)構(gòu)，而可以是，例如橢圓形或矩形的。
顯示的光源或能量源130可提供如132、134和136所示的分析源光束。源光束132、134和136照到鏡面反射控制器110的第一表面上。如136所示的那部分源光束入射到鏡面反射控制器110的反射區(qū)114，并如箭頭所示被反射開。如132和134所示的那部分源光束穿過(guò)鏡面反射控制器110的開放區(qū)118，并接著被橢圓鏡面140反射到樣品150上的目的焦點(diǎn)上。
漫反射光束152從樣品150反射到鏡面140，并由此到反射表面114，如箭頭所示。漫反射光束152反射到橢圓鏡面60上，光束由該鏡面聚焦到探測(cè)器170，并進(jìn)行分析。
為和漫反射光束152比較，鏡面反射光束154在圖9中示出。如圖9所示，鏡面反射光束154由樣品150反射到鏡面140。然后該鏡面反射光束穿過(guò)開放區(qū)116，該開放區(qū)的開放象限和光束進(jìn)入穿過(guò)的輸入象限118相對(duì)。因而鏡面反射光154不象如上所述對(duì)漫反射光束152那樣被反射到分析儀170。
在圖9中，鏡面反射控制器110可以是通常已知的單一元件類型，具有如圖8A和8B所示的反射和開放分區(qū)。或者，根據(jù)制作目的的需要，鏡面反射控制器110可以是具有第一和第二表面的所需厚度的組件，每個(gè)表面以如圖8A和8B所示的相同方式處理。第一表面上的反射和開放分區(qū)可和第二表面上的反射和開放分區(qū)直接相對(duì)以得到所需結(jié)果。
如此描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案后，那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)輕易地理解其他有用的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于血液分析物非侵害測(cè)量而從人體組織獲得漫反射光譜的裝置，包括(a)產(chǎn)生紅外能量的裝置；(b)把所述紅外能量引向所述組織的裝置；(c)收集由所述組織反射的紅外能量的裝置，以及(d)分離所述反射光以獲得從組織漫反射的紅外能量的裝置，該分離由關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱的光學(xué)結(jié)構(gòu)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中分離反射光的裝置的具有中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，由偶數(shù)個(gè)的至少四個(gè)分區(qū)形成，一半所述分區(qū)包括用于收集漫反射光的光學(xué)元件。
3.一種測(cè)量從照明樣品上漫反射的光的裝置，包括提供照明光束的光源，引導(dǎo)光束照明測(cè)試樣品的裝置，反射光束探測(cè)器，以及把反射光從樣品引到探測(cè)器的裝置，其中的改進(jìn)包括(a)一種鏡面反射控制器，至少具有第一光束入射表面；(b)該第一表面分成偶數(shù)個(gè)的至少四個(gè)分區(qū)，一半所述分區(qū)包括開放的光束穿過(guò)分區(qū)，而另一半分區(qū)包括不透明的光束反射分區(qū)；以及(c)每個(gè)開放分區(qū)位于一對(duì)反射分區(qū)之間，并和一個(gè)開放分區(qū)相對(duì)，每個(gè)反射分區(qū)位于一對(duì)開放分區(qū)之間，并和一個(gè)反射分區(qū)相對(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的改進(jìn)，其中開放分區(qū)的總表面積等于反射分區(qū)的總表面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的改進(jìn)，其中開放分區(qū)的總表面積不等于反射分區(qū)的總表面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5的改進(jìn)，包括一個(gè)位于多個(gè)分區(qū)的相鄰對(duì)之間的不透明邊界間隔區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的改進(jìn)，包括(a)所述鏡面反射控制器具有和第一光束入射表面相對(duì)的第二光束入射表面；(b)該第二表面分成偶數(shù)個(gè)的至少四個(gè)分區(qū)，一半該分區(qū)包括開放的光束穿過(guò)分區(qū)，而另一半分區(qū)包括不透明的光束反射分區(qū)；以及(c)第二表面的開放分區(qū)位置和第一表面的開放分區(qū)直接相對(duì)，第二表面的反射分區(qū)位置和第一表面的反射分區(qū)直接相對(duì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的改進(jìn)，其中第二表面的開放分區(qū)的總表面積等于第二表面的反射分區(qū)的總表面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的改進(jìn)，其中第二表面的開放分區(qū)的總表面積不等于第二表面的反射分區(qū)的總表面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9的改進(jìn)，包括一個(gè)位于第二表面多個(gè)分區(qū)的相鄰對(duì)之間的不透明邊界間隔區(qū)。
11.一種測(cè)量從照明樣品上漫反射的光的裝置，包括提供照明光束的光源、引導(dǎo)光束照明測(cè)試樣品的裝置以及反射光束探測(cè)器，其中的改進(jìn)包括(a)一種鏡面反射控制器，至少具有第一光束入射表面；(b)該第一表面分成多個(gè)分區(qū)，一半所述分區(qū)包括開放的光束穿過(guò)分區(qū)，而另一半分區(qū)包括不透明的光束反射分區(qū)；以及(c)不透明的邊界間隔區(qū)位于相鄰分區(qū)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的改進(jìn)，其中開放分區(qū)的總表面積等于反射分區(qū)的總表面積。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的改進(jìn)，其中開放分區(qū)的總表面積不等于反射分區(qū)的總表面積。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12和13的改進(jìn)，其中(a)所述多個(gè)分區(qū)包括兩個(gè)以上分區(qū)，一半分區(qū)是開放分區(qū)，而另一半分區(qū)是反射分區(qū)；(b)每個(gè)開放分區(qū)位于一對(duì)反射分區(qū)之間，并和一個(gè)開放分區(qū)相對(duì)；以及(c)每個(gè)反射分區(qū)位于一對(duì)開放分區(qū)之間，并和一個(gè)反射分區(qū)相對(duì)。
全文摘要
一種用于漫反射光譜測(cè)量的改進(jìn)裝置具有鏡面反射控制器。該鏡面反射控制器至少具有第一表面,而第一表面分成偶數(shù)的多個(gè)反射分區(qū)(112、114)和開放或透射分區(qū)(116、118)。反射分區(qū)數(shù)等于開放分區(qū)數(shù)。每個(gè)反射分區(qū)位于一對(duì)開放分區(qū)之間并和另一個(gè)反射分區(qū)相對(duì)。同樣,每個(gè)開放分區(qū)位于一對(duì)反射分區(qū)之間并和另一個(gè)開放分區(qū)相對(duì)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中,反射分區(qū)的總表面積等于開放分區(qū)的總表面積。在另一個(gè)實(shí)施方案中,反射分區(qū)的總表面積不等于開放分區(qū)的總表面積。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中,不透明的間隔區(qū)(111,113)加在相鄰分區(qū)之間的邊界上以提高源光束和反射光束之間的分辨力,以及有選擇地加上(115,117)以減小一個(gè)或多個(gè)所選分區(qū)的表面積。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1198814SQ96197337
公開日1998年11月11日 申請(qǐng)日期1996年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月9日
發(fā)明者R·G·梅瑟施米特, M·R·羅賓森 申請(qǐng)人:里奧格蘭德醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司