Неинвазивное измерение уровня билирубина в коже

Изобретение касается способа и устройства для неинвазивного измерения составных элементов ткани, в частности уровня билирубина кожи. Устройство содержит считывающую головку, выполненную с возможностью последовательного излучения нескольких вспышек с различными определенными длинами волн в направлении анализируемой ткани и измерения отраженного света, вычислительное устройство, такое как микропроцессор, выполненное с возможностью вычисления для каждой длины волны количества отраженного света и его приведения к значению, рассчитанному пропорционально идентичному контрольному значению для определенной контрольной длины волны, и компаратор, позволяющий сравнить рассчитанное таким образом значение с таблицей контрольных значений. Изобретение обеспечивает качественный и количественный анализ уровня билирубина в коже без использования сложной аппаратуры. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение касается способа и устройства для неинвазивного анализа ткани, например кожи.

Предшествующий уровень техники

Многочисленные исследования показали, что направляя белый свет на ткань, такую, например, как ткань кожи или ткань растения, и анализируя отраженный свет, можно получить информацию о природе ткани и, в частности, о концентрации различных составляющих ее элементов. Основной принцип заключается в том, что различные составляющие длин волн, образующих белый свет, отражаются по-разному в зависимости от составных элементов, которые свет встречает на своем пути. После тщательного и длительного анализа отраженного света было установлено, что можно получить достаточно точный неинвазивный анализ рассматриваемой ткани.

Известные устройства, работающие на этом принципе, требуют использования дорогостоящих приборов для оптического анализа, таких как спектрографы и мощные вычислительные машины для анализа собранных данных, а также очень точную калибровку приборов.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков путем создания способа и устройства для измерения уровня составляющего элемента ткани.

Поставленная задача решается путем создания способа измерения уровня составляющих элементов ткани, в частности уровня билирубина в коже, в котором в соответствии с настоящим изобретением измеряют величину сигнала первого отраженного света с первой заданной длиной волны, характеризующей проводимое измерение, измеряют по меньшей мере одну величину сигнала второго отраженного света со второй определенной длиной волны, определяют контрольную величину, для которой определяют относительную величину контрольного отраженного света, рассчитывая отношение k величины сигнала отраженного света, измеренного на коже, для второй длины волны к величине сигнала отраженного света, измеренного на контрольном эталоне, для этой же второй длины волны, а уровень составляющих элементов определяют путем сравнения величины сигнала отраженного света первой заданной длины волны с таблицей заранее определенных известных значений для первой длины волны после корректировки указанного измерения величины сигнала отраженного света при помощи предварительно определенного коэффициента k, чтобы получить сравниваемое с таблицей значение.

Поставленная задача решается также путем создания устройства для измерения уровня составляющих элементов ткани, которое характеризуется тем, что содержит

считывающую головку, выполненную с возможностью последовательного излучения нескольких вспышек с различными определенными длинами волн в направлении анализируемой ткани и измерения величины сигнала отраженного света,

вычислительное устройство, такое как микропроцессор, выполненное с возможностью вычисления для каждой длины волны величины сигнала количества отраженного света и его приведения к значению, рассчитанному пропорционально идентичному контрольному значению для определенной контрольной длины волны,

компаратор для сравнения рассчитанного значения с таблицей контрольных значений.

Предпочтительно в качестве элементов для последовательного излучения вспышек с определенными длинами волн в устройстве используют электролюминесцентные диоды.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 - изображает иллюстрацию принципа оптического отражения света кожей;

Фиг.2 - диаграммы трех кривых LIR, записанных для трех вариантов, причем кривые были подвергнуты математической обработке для их приведения к одному уровню для определенного порога длины волны согласно изобретению;

Фиг.3 - схему измерительного устройства разработанного в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4, 5 и 6 - принцип практического использования прибора согласно изобретению;

Фиг.7 - вариант выполнения измерительного прибора в соответствии с настоящим изобретением.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Принцип распространения света и его отражения кожей подробно описан в публикации Доусона, Баркера и др. «Теоретическое и экспериментальное исследование поглощения и рассеяния света кожей in vivo» (Phys. Med. Biol., 1980, том 25, № 4, стр. 695-709).

Считая по порядку, что слой 1 (фиг.1) - это роговой слой, слой 2 соответствует эпидермису, слой 3 соответствует дерме и слой 4 соответствует гиподерме, если обозначить соответственно R1, R2, R3 и R4 коэффициент отражения последовательных слоев, а Т1, Т2, Т3 и Т4 - коэффициент пропускания этих же слоев, общий отраженный свет может быть выражен в виде:

I = I₀R₁ + I₀T₁ ²R₂ + I₀T₁ ²T₂ ²R₃ + I₀T₁ ²T₂ ²T₃R₄...

Если кожа не является сухой, то коэффициенты R1, R2 и R3 значительно ниже R4; в этом случае общее отражение сводится к:

R = (I/I₀) # Т₁ ²Т₂ ²Т₃ ²R₄...

Применив неперов логарифм (LN) обратного отражения, которое называют LIR, получаем:

LIR = - LN(T₁ ²) - LN(T₂ ²) - LN(Т₃ ²) - LN(R₄)

Этот LIR, представленный для всех длин волны, позволяет выявить все характеристики кожи. Таким образом, можно изобразить кривые и вывести на их основании качественные характеристики кожи, анализируя рассматриваемые диапазоны поглощения, характерные для различных составляющих компонентов кожи, и вывести из них, например, содержание билирубина, гемоглобина, меланина и т.д.

Как указано выше, применение этой теории на практике сталкивается с большими проблемами, связанными с использованием приборов и их калибровкой, при этом кривые изменяются от одного варианта к другому, в частности, в зависимости от пигментации, свойственной конкретному типу кожи.

В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что можно преодолеть трудности, связанные со значительно отличающимися реакциями кожи от одного варианта к другому, путем «установки» всех кривых на уровне контрольного порога для точной определенной длины волны, называемой контрольной λ_f, что позволяет осуществить качественный и количественный анализ, не прибегая к построению кривых (и, следовательно, избегая использования спектрографов), а лишь снимая несколько точек измерения для значительных точных длин волн после простого расчета приведения к порогу.

На фиг.2 показаны диаграммы трех кривых, которые по оси ординат дают поглощение, измеренное в % LIR, в зависимости от длины волны света, направленного на кожу трех разных объектов. Однако эти кривые были обработаны математически для их нормализации, чтобы одновременно понять работу прибора и сущность способа в соответствии с настоящим изобретением.

Для получения кривых, показанных на фиг.2, осуществляют четыре последовательных этапа.

Первый этап. Осуществляют операцию калибровки путем измерения отражения на «сером» или «белом» «эталоне» (например, спрессованный порошок сернокислого бария). Чтобы получить хорошие результаты и избежать, в частности, возможных погрешностей диодов во времени и/или в зависимости от окружающей температуры использования, такую операцию калибровки/градуирования осуществляют перед каждым измерением на «сером» или «белом» выбранном эталоне.

В описанном варианте осуществили шесть последовательных измерений для соответствующих длин волн: 520 нм, 460 нм, 660 нм, 545 нм, 575 нм и 430 нм. На практике эти точные длины волн могут излучаться электролюминесцентными диодами DEL.

Схема измерительного прибора показана на фиг.3. Прибор 1 содержит люминесцентные диоды DEL, излучающие пучок света, например, слегка конический сходящийся (показано стрелками), на кожу 2 исследуемого объекта. Свет, отраженный практически перпендикулярно к коже объекта, принимается датчиком 3, анализирующим интенсивность принимаемого излучения. Использование конического пучка имеет несколько преимуществ: оно позволяет избежать зеркального отражения и точно определить оптимальное расстояние d расположения прибора по отношению к коже, осуществляя измерение величины сигнала отраженного света, когда световая интенсивность освещения практически сведена к точке на коже 2. Угол конуса предпочтительно составляет от 30° до 50°, например порядка 45°.

Датчик измерительного прибора регистрирует интенсивность коэффициента излучения:

I_OD1 для диода D1,

I_OD2 для диода D2,

...

I_OD6 для диода D6.

Второй этап. Осуществляют измерение величины сигнала отраженного света на тестируемой коже.

Во время измерения на коже ребенка "х" датчик измерительного прибора регистрирует интенсивность коэффициента отражения:

I_xD1 для диода D1,

I_xD2 для диода D2,

...

I_xD6 для диода D6.

Третий этап. Осуществляют "нормализационную" математическую обработку, чтобы для заданной контрольной длины волны, в данном случае длины волны первого диода D1, равной 520 нм, все кривые проходили через одну и ту же точку уровня поглощения или коэффициента отражения, измеренного на оси ординат.

Вычислительное устройство, в качестве которого предпочтительно используют микропроцессор, производит следующие расчеты по нормализации:

(I_xD1/ I_OD1) = R_x1 для диода D1

(I_xD2/I_0D2) = R_x2 для диода D2

...

(I_xD6/I_OD6) = R_x6 для диода D6

Затем для выбранной значительной контрольной длины волны λ_f все коэффициенты отражения R_xlf устанавливают равными контрольному значению Rf.

R_xlf = R_0f → k = R_0f/_Rxlf

Затем различные коэффициенты отражения R_xn умножают на соответствующий коэффициент k для получения нормализованных коэффициентов R_xnf.

R_x2f = k R_x2

...

R_x6f = k R_x6

Приведение для этой контрольной длины волны всех коэффициентов отражения к одному пороговому уровню Rf позволяет непосредственно считывать искомый уровень, например билирубина, путем простого считывания соответствующего нормализованного LIR.

Четвертый этап. На основе нормализованных коэффициентов отражения микропроцессор рассчитывает LIR:

LIR_x1 = Log(1/R_xlf) = Log(1/R_f) = константа

LIR_x2 = Log(1/R_x2f)

...

LIR_x6 = Log(1/R_x6f)

Установленные таким образом LIR позволяют сравнить три исследуемых объекта с тремя спектральными кривыми. В представленном примере три кривые соответствуют различным коэффициентам отражения трех исследуемых объектов. В указанном примере полные кривые в действительности были получены при помощи спектрографа, непрерывно анализирующего длины волн в диапазоне от 430 нм до 750 нм только для того, чтобы получить более точное изображение диаграммы этих кривых, которые на самом деле не являются необходимыми для аналитического измерения различных составляющих элементов кожи, что будет объяснено ниже со ссылкой на приведенные три примера измерения.

На фиг.2 показано, что для длины волны 460 мм на трех кривых, соответственно C1, C2, С3, можно снять соответствующие уровни поглощения порядка 0,75, 0,55 и 0,5, измеренные в % нормализованного LIR. Как оказалось, простым измерением уровня поглощения можно определить, что для объекта кривой C2 уровень билирубина является нормальным, тогда как для объекта кривой С1 уровень билирубина является повышенным, а для объекта кривой СЗ - пониженным. Эти данные (% LIR) можно просто занести в таблицу контрольных значений, известных, т.е. предварительно определенных экспериментальным путем.

Точно также можно определить содержание гемоглобина по уровню коэффициентов отражения для света, излучаемого диодами D4 на 545 нм или 550 нм и диодами D5 на 575 нм. Измерения коэффициента отражения в зоне излучения диода D6 около 430 нм позволят уточнить результаты.

Пигментацию кожи можно определить по уровню коэффициентов отражения для света, излучаемого диодом D3 около 660 нм (в диапазоне от 620 до 780 нм). На самом деле отмечается, что за этими пределами кривая LIR практически является прямой, поэтому определение двух достаточно удаленных друг от друга точек на этой кривой для этой длины волны, например около 620 нм и 780 нм, позволит точно определить соответствующую характеристику пигментации: африканского типа, европейского, азиатского и т.д.

То что при применении способа в соответствии с настоящим изобретением необязательно строить полные кривые, а достаточно ограничиться ограниченными измерениями для точных определенных длин волн. Это объясняется тем, что благодаря описанному выше процессу «нормализации» становится возможным избежать побочных отклонений и цветов пигментации, свойственных различным типам кожи.

Кроме того, поскольку на исследуемую ткань не производится никакого механического давления, то измерение осуществляется без ошибок. В частности, при измерении уровня гемоглобина в коже объекта приходится оказывать на кожу давление, которое заставляет кровь отхлынуть от места измерения.

Если требуется измерить уровень билирубина в светлой коже младенца в спокойном состоянии, то этот уровень определяют непосредственно на основе LIR_x2, измеренного при помощи диода D2, путем операции LIR_x2 - LIR_x1.

Если измеряют уровень билирубина на матовой или цветной коже (не европейского происхождения) и/или у взволнованного младенца, показания LIR_x2 точно также автоматически корректируются благодаря операции вычитания LIR_x2 - LIR_x1 и благодаря тому, что значение LIR_x1 было нормализовано ранее описанной операцией (тот же нормализованный порог Rf для диода D1, откалиброванный при каждом измерении).

На фиг.4-6 показано, как благодаря использованию конического осветительного пучка моментально становится возможным, как показано на фиг.5, определить нужное расстояние d между прибором и кожей объекта. Когда (фиг.4) прибор находится слишком близко, на уровне кожи не образуется точечного пятна, как на фиг.5, точно также, если прибор расположен слишком далеко, как показано на фиг.6.

Прибор может быть сконструирован таким образом, что, когда он направлен в сторону кожи, освещение включается только тогда, когда он находится на нужном расстоянии, то есть, когда световой пучок сходится на коже практически в одной точке.

В соответствии с вариантом выполнения, показанным на фиг.7, электролюминесцентные диоды DEL 4, находящиеся в считывающей головке, освещают поверхность 5 кожи, под некоторым углом альфа (α), предпочтительно составляющим от 30° до 60°, например 45°. Световой пучок 6 отражается от кожи при размещении датчика 7 считывающей головки устройства на оси 8, перпендикулярной поверхности 5 освещенной зоны кожи, датчиком 7 улавливается только часть света, излучаемая электролюминесцентным диодом 4 и рассеиваемая кожей, а не свет, отраженный поверхностью кожи и зависящий от блеска кожи. Таким образом, становится возможным получать более надежную информацию об измеряемой характеристике: уровень билирубина, уровень гемоглобина и т.д.

На пути пучка 10 (фиг.7) рассеиваемого кожей света устанавливают линзу 9 для увеличения мощности света, улавливаемого датчиком 7. Питание на электролюминесцентные диоды 4 и выходные проводники сигналов, поступающих от датчика 7, подается по проводам 11 и 12 соответственно.

В предпочтительном варианте выполнения, если используют пять или шесть люминесцентных диодов DEL, излучающих соответствующие длины волн, описанные ранее, необходимо предусмотреть, чтобы питание подавалось на диоды последовательно, чтобы датчик мог последовательно осуществлять измерения коэффициентов отражения, необходимых для анализа результатов. Предварительно перед каждым измерением, проводимым на анализируемой коже, прибор необходимо калибровать, на «сером» или «белом» «эталоне», как указано выше, что позволит рассчитать указанный выше коэффициент k.

1. Способ измерения составляющих компонентов кожи, заключающийся в том, что осуществляют измерение величины сигнала первого отраженного света для первой заданной длины волны света, характеризующей проводимое измерение, осуществляют измерение по меньшей мере одной величины сигнала второго отраженного света для второй заданной длины волны света, используемой в качестве контрольной, отличающийся тем, что для второго отраженного света определяют относительное значение Rf контрольного отраженного света, для чего рассчитывают коэффициент k как отношение величины сигнала отраженного света, измеренного на коже, для указанной второй длины волны света, к величине сигнала отраженного света, измеренного на контрольном эталоне, для этой же второй длины волны света, а уровень составляющих компонентов кожи определяют путем сравнения величины сигнала первого отраженного света для первой заданной длины волны света с таблицей заранее определенных известных значений для этой первой длины волны после корректировки указанной величины сигнала первого отраженного света при помощи предварительно определенного коэффициента k, чтобы получить значение, сравниваемое с указанной таблицей, при этом указанное относительное значение Rf и указанная вторая длина волны света определяют точку координат, через которую пройдут все кривые LIR после нормализации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для кожи в качестве второй длины волны выбирают λ_f=520 нм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для определения уровня содержащегося в коже билирубина в качестве длины волны выбирают λ=460 нм.

4. Устройство для измерения составляющих компонентов кожи, в частности, уровня билирубина, содержащегося в коже, отличающееся тем, что содержит считывающую головку, выполненную с возможностью последовательного излучения нескольких импульсов с различными определенными длинами волн света в направлении анализируемой кожи и измерения величины сигнала отраженного света путем измерения величины сигнала первого отраженного света для первой заданной длины волны, характеризующей проводимое измерение, и по меньшей мере одной величины сигнала второго отраженного света для второй определенной длины волны света, используемой в качестве контрольной, вычислительное устройство, выполненное с возможностью вычисления для каждой длины волны величины сигнала количества отраженного света и его приведения к значению, рассчитанному пропорционально идентичному контрольному значению для определенной контрольной длины волны света, и предназначенное также для определения относительного значения Rf контрольного отраженного света, путем расчета коэффициента k как отношения величины сигнала отраженного света, измеренного на коже, для второй длины волны света к величине сигнала отраженного света, измеренного на контрольном эталоне, для этой же второй длины волны света, а также для корректирования при помощи коэффициента k величины сигнала первого отражения, чтобы получить рассчитанное значение для сравнения, компаратор для сравнения рассчитанного значения с таблицей контрольных значений для определения составляющих компонентов кожи.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит электролюминесцентные диоды в качестве элементов для последовательного излучения импульсов с определенными длинами волн.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что считывающая головка выполнена с возможностью излучения света предпочтительно под углом 30°-60°, в частности 45°.

7. Устройство по любому из пп.4-6, отличающееся тем, что для кожи человека в качестве длины волны света для измерения контрольного значения используют длину волны около 520 нм.

8. Устройство по любому из пп.4-7, отличающееся тем, что в качестве длины волны света для измерения уровня билирубина используют длину волны около 460 нм.

9. Устройство по любому из пп.4-8, отличающееся тем, что в качестве длины волны света для измерения пигментации кожи используют длину волны в пределах 620-780 нм.

10. Устройство по любому из пп.4-9, отличающееся тем, что в качестве длины волны света для измерения гемоглобина используют две длины волны около 545 нм и 575 нм, и/или длину волны около 550 нм, или длину волны около 430 нм.