用于辐射样本传递和生物特性分析的装置和方法

具体实施方式

以下描述被提供用于使本领域普通技术人员都能够制造和使用本发明，并且在具体应用及其需求的上下文中提供描述。本领域普通技术人员将容易地发觉对实施例的各种修改，并且这里所限定的原理可应用于其他实施例和应用，而不脱离本发明精神和范围。因此，本发明并不局限于所示实施例，而是符合与这里所述的原理、特征和教导相一致的最广阔的范围。

图1描绘了眼睛100。眼睛100大约宽2.5cm，深2.5cm，高2.3cm。眼睛的外层120被称为巩膜，并且约1/6清澈且暴露在外的巩膜被称为角膜。眼外肌肉结合到巩膜，并转动眼睛100。有色区110是眼睛100的瞳孔，并且位于在巩膜120之下的眼睛100的第二层(即脉络膜)。脉络膜和巩膜120包括多个血管，例如血管130，其将血液提供到眼睛的不同区域。一般，在巩膜120中的血管是人体中最直接暴露于辐射的血管。因此，使用眼睛的血管，能够最容易并且最准确地执行经由血液谱分析的无创性分析物检测。在巩膜120中的血管一般沿着巩膜内的非直线路径，并且具有变化的厚度。

图2示出了能够检测眼睛100上的样本，并且然后将辐射传递到与该样本相符的眼睛100的设备200的图。例如，设备200可以检测出血管130，并且传递与眼睛100的血管130相符的辐射。在本发明的一个实施例中，设备200可以检测关于任意物体的样本，然后将样本辐射传递到该物体，不管该物体具有生物来源还是非生物来源。例如，设备200可以检测一块木材的样本，然后传递样本辐射，使得辐射与这块木材相符。在可替换示例中，设备200可以检测铝制机翼的压力破裂样本，并且将样本辐射传递到机翼的铝制外壳，使得其与压力破裂样本相符。在本发明的另一实施例中，设备200可以传递与样本周围或附近区域相符的辐射。

在本发明的一个实施例中，如果物体具有多种样本，那么设备200还可以根据预设参数来选择一个样本或者一组样本。例如，设备200可以基于厚度、长度和/或颜色(例如红色)来选择眼睛100中的血管130。

在本发明的另一实施例中，设备200通过对由样本所反射的辐射执行光谱分析，使用来自入射到样本上的辐射的被反射辐射的反射光谱，和/或使用来自样本周围或附近区域上的漫辐射(diffuse radiation)的透射光谱(transmissive spectroscopy)，确定(例如检测和/或测量)物体的特性。(在下文中，术语“被反射的辐射”将指代反射辐射、漫辐射和/或其他辐射)。例如，设备200可以检测葡萄糖的存在，和/或测量血管130中的葡萄糖浓度。应该意识到，设备200可以收集被反射的辐射，例如吸收光谱、干涉图或与激发源相关联的任何特性，例如拉曼散射、荧光性、散射等等，它们将依赖于希望的分析物而被修改。也可以使用用于收集被反射的辐射的其他技术。还应当意识到，使用设备200，也可以检测和/或测量除葡萄糖之外的其他化学物(也被称为分析物)。

设备200包括电子部分200a和盖子200b。如将结合图3到图5进一步论述的，电子部分200a中安装了电子装置，这些电子装置用于检测关于物体上的(一个或多个)样本；如果物体包括多于一个的样本，则选择物体上的样本；将辐射传递与所检测并选择的样本相符(和/或与物体周围或附近的区域相符)的物体；以及基于被反射的辐射来检测和/或测量该物体或者物体上的样本的至少一个特性。电子部分200a还可以包括用于凝固(coagulate)或切除(ablate)所检测的物体上的样本的电子装置。

盖子200b覆盖将对其应用辐射的物体。例如，盖子200b可以覆盖眼睛100。盖子200b可以由塑料或其他合适的不透光材料制成。由于盖子200b不透光，因此可以防止不必要的光辐射干扰设备200的样本检测以及辐射应用功能。盖子200b可以具有刚性结构或者非刚性结构。使用非刚性结构的优点在于，它能够应用于具有不同尺寸的大量物体。在本发明的实施例中，盖子200b可以根据个人的面部特征来定做，使得盖子200b可以确保地覆盖眼睛100，并且防止光辐射干扰设备200的样本检测、辐射传递和特性检测/测量功能。

图3是设备200的框图。电子部分200a包括控制电子装置300；辐射发射器310；数字微镜器件320或其他辐射导向器件；低阶成像照明器330；聚焦光学器件360；CCD成像检测器370；分束器380；以及诸如像素化检测器(pixilated detector)之类的返回辐射检测组件390。如以下将结合图4和图5来进一步描述的，控制电子装置300可通信地耦合到辐射发射器310；数字微镜器件320(或其他辐射导向器件)；低阶成像照明器330；聚焦光学器件360；CCD成像检测器370；以及返回辐射检测组件390。此外，控制电子装置300控制辐射发射器310；数字微镜器件320(或其他辐射导向器件)；低阶成像照明器330；以及聚焦光学器件360。在本发明的实施例中，控制电子装置300基于由返回辐射检测组件390接收到的被反射的辐射，来检测和/或分析将对其应用辐射的物体的至少一个特性(例如葡萄糖浓度)。

辐射发射器310发射与在物体上所检测的样本(例如眼睛100上的血管130)相符的结构化辐射340。在本发明的一个实施例中，辐射发射器310发射与样本周围或附近区域相符的辐射，从而能够使用样本周围的漫辐射的透射光谱。在本发明的一个实施例中，被发射的辐射处于例如大约700纳米到3微米的近红外光谱中，并被用于光谱分析。在本发明的另一实施例中，辐射具有不同波长，例如大约800纳米，并被用于切除或凝固。应当意识到，可以根据应用而使用具有其他波长的辐射。该辐射被控制电子装置300控制下的数字微镜器件320(该器件可以由铝和/或金和/或其他材料制成或涂覆)反射到分束器380上，该分束器380再将辐射通过聚焦光学器件360反射到在物体上所检测的样本(和/或在样本周围或附近的区域)上。本领域的普通技术人员将会意识到，可以使用其他技术来引导由辐射发射器310所发射的辐射。在本发明的另一实施例中，可以使用不同的辐射导向器件来代替数字微镜器件320。例如，可以使用LCD面板来选择性地阻拦由辐射发射器310所发射的辐射。在本发明的另一实施例中，由于辐射发射器310可以被旋转安装到电子部分200a中，因此其自身可以是辐射导向器件，从而使辐射发射器310无需微镜320或其他器件就能够将辐射引导到物体上。

低阶成像照明器330发射低阶辐射，该低阶辐射的波长可以不同于辐射发射器310所发射的辐射的波长。具体而言，在一个实施例中，所发射的辐射超出了返回辐射检测组件390的苛刻检测范围，但是在可由CCD成像检测器370检测到的范围以内。例如，照明器330可以包括低阶绿或蓝发光二极管(LED)。由低阶成像照明器330所发射的合适辐射的一个示例是波长500纳米的可见光辐射。由照明器330所发射的低阶辐射照亮在其上具有样本的物体。

控制电子装置300与CCD成像检测器370一起使用从物体反射的低阶辐射来检测物体上的样本。如果在物体上存在多于一个的样本，那么控制电子装置300还可以基于预设的参数来选择样本。基于检测和选择，控制电子装置300控制数字微镜器件320或其他辐射导向器件的运动，从而使由辐射发射器310发射的辐射跟踪在物体上所检测的被选样本。在本发明的另一实施例中，控制电子装置引导辐射导向器件，从而使由辐射发射器310发射的辐射围绕样本，或者在样本附近，但是基本上不入射到样本自身上。

分束器380将被反射的辐射350分成两个分离的光束。第一光束施加到返回辐射检测组件390，第二光束施加到CCD成像检测器370。如上所述，控制电子装置300与CCD成像检测器370一起使用被反射的辐射来确定样本的位置，并且控制数字微镜器件320，从而使由辐射发射器310发射的辐射跟踪所检测的样本和/或在样本周围或附近的区域。如以下将结合图6来进一步论述的，控制电子装置300使用由返回辐射检测组件390接收到的辐射，通过使用光谱分析技术来检测物体或物体上的样本的特性和/或分析物特性，例如分析物浓度。在本发明的一个实施例中，返回辐射检测组件390包括像素化检测器，从而能够在空间上确定被反射的辐射来自何处(例如血管的哪个部分反射出辐射350)。

图4示出了在本发明一个实施例中的控制电子装置300的框图。虽然可以利用其他的专用替代物，但是为了清楚，除非另外指示，假设含有控制电子装置300的元件由与其相一致的一个或多个处理系统，以硬件、软件或其某种组合的形式来实现。

控制电子装置包括中央处理单元(CPU)405；工作存储器410；永久存储器420；输入/输出(I/O)接口430；显示器440和输入设备450，所有这些都经由系统总线460彼此可通信地耦合。CPU 405可以包括Intel的PENTIUM微处理器、Motorola的POWER PC微处理器，或者任何其他能够执行永久存储器420中所存储的软件的处理器。工作存储器410可以包括随机访问存储器(RAM)，或者任何其他类型的读/写存储器设备或者存储器设备的组合。永久存储器420可以包括硬盘驱动器、只读存储器(ROM)或者在控制电子装置300关闭之后能够保持数据的任何其他类型的存储器设备或者存储器设备的组合。I/O接口430经由有线或无线技术可通信地耦合到辐射发射器310；数字微镜器件320；低阶成像照明器330；聚焦光学器件360；CCD成像检测器370；以及返回辐射检测组件390。显示器440可以包括液晶显示器(LCD)或其他显示设备。输入设备450可以包括键盘或其他用于输入数据的设备，或用于输入数据的设备的组合。在本发明的一个实施例中，控制电子装置300还包括能够发出听觉数据的扬声器。扬声器可以替代或附加于显示器440。

本领域技术人员将会意识到，控制电子装置300还可以包括附加设备，例如网络连接、附加存储器、附加处理器、LAN、用于通过硬件通道来传送信息的输入/输出线路、因特网或内联网等等。本领域技术人员还将意识到，在控制电子装置300中，可以以可替换的方式来接收和存储程序和数据。

图5是示出了永久存储器420的框图。永久存储器420包括辐射发射器引擎500；辐射导向引擎510；照明器引擎520；光学器件引擎530；样本选择引擎540；样本选择参数文件550；反馈引擎560；以及分析引擎570。辐射发射器引擎500控制辐射发射器310，包括控制在辐射发射器310可以发射可变波长的辐射的实施例中所发射的辐射波长，以及辐射发射的持续时间。辐射导向引擎510与反馈引擎560一起控制数字微镜器件320或其他辐射导向器件的定位，从而使由辐射发射器310发射的辐射跟踪在物体(例如眼睛100)上所检测的样本，和/或在所检测的样本周围或附近的区域，例如血管130。

照明器引擎520控制低阶成像照明器330的功能，包括控制在低阶成像照明器330可以发射可变波长辐射的实施例中的发射波长，以及发射的持续时间。光学器件引擎530控制聚焦光学器件360，从而使由辐射发射器310所发射的结构化辐射340被聚焦在诸如眼睛100的物体上。样本选择引擎540选择由低阶成像照明器330照亮并成像在CCD成像检测器370上的样本。该选择是基于样本选择参数文件550种所存储的参数的。参数的示例可以包括在厚度范围和长度范围内的样本。应该意识到，这些参数可以包括在预定范围内，或者不具有最大值或最小值的任意数量的规范。

反馈引擎560确定被选样本的位置，并且将坐标信息发送到辐射导向引擎510，以便使辐射导向引擎510能够将由辐射发射器310所发射的辐射引导到样本上，和/或在样本周围或附近的区域上。反馈引擎可以基于适当的频率(例如在一个实施例中，200次/秒)来执行该确定和发送，使得即使物体在移动，数字微镜器件320或其他辐射导向器件也依然可以跟踪样本，从而由辐射发射器310所发射的辐射保持与样本和/或样本周围或附近的区域相符，而不论如何运动。

分析引擎570基于在返回辐射检测组件390处接收到的被反射的辐射350来检测和/或计算被选样本或物体的至少一种特性。在本发明的一个实施例中，分析引擎570使用光谱分析来确定被选样本内的分析物的浓度。例如，分析引擎570可以使用光谱分析来确定眼睛100的血管130内的葡萄糖浓度。分析引擎570可以使用用于对葡萄糖或其他分析物进行光谱分析的技术，在美国专利No.6,061,582中描述了这样的技术，其通过引用结合于此。公开了与分析引擎570可以使用的光学检测相关的技术的其他专利包括美国专利No.6,025,597；No.6,026,314；No.6,028,311；No.6,151,522；No.6,181,957；No.6,188,477；No.6,246,893以及No.6,276,798，它们通过引用结合于此。在本领域普通技术人员所公知的各种杂志文章中公开了分析引擎570可以使用的其他技术。例如，以下文章公开了分析引擎570可以使用的技术：由Omar S.Khalil所著的“Spectroscopic and Clinical Aspect of Noninvasive Glucose Measurements”(Clinical Chemistry 45：2，1999)；由Gilwon Yoon等所著的“OpticalMeasurement of Glucose Levels in Scattering Media”(Proceedings of the20^th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine andBiology Society，Vol.20，No.4，1998)；以及由Fredric M.Ham等所著的“Multivariate Determination of Glucose Using NIR Spectra of Human BloodSerum”(IEEE 1994)，它们通过引用结合于此。

图6是示出了基于被反射的辐射而进行辐射样本传递和分析的方法600的流程图。首先，第一类型的低阶辐射被发射(610)。该辐射可以在苛刻的检测范围以外，例如在返回辐射检测组件390的检测范围以外，但是在CCD成像检测器370的检测范围以内。例如，如果返回辐射检测组件390检测到NIR辐射，那么低阶辐射可以包括由低阶绿或蓝LED所发射的光。接下来，用户被建议(615)将设备盖子200b放置在物体(例如他或她的眼睛)上。应当意识到，设备盖子200b可以被放置在具有样本的任何物体上。此外，应当意识到，该建议步骤(615)不一定被包括在方法600中。还应当意识到，该建议步骤(615)可以经由听觉、视觉技术和/或其他技术(例如触觉反馈)来完成。

在建议步骤(615)之后，检查(620)所需位置。例如，可以检查眼睛100的巩膜或脉络膜，寻找一根或多根血管。接下来，识别(625)所需结构或样本。如果存在多个样本，则可以基于预定参数，例如样本的厚度、颜色(例如红色)和/或长度，来识别(625)所需样本。如果样本没有(630)被识别出(625)，则重复建议步骤(615)和检查步骤(620)，直到识别出(625)合适的样本。

在识别出(625)合适的样本之后，发射(635)第二类型的辐射，并且将该辐射引导(640)朝着识别(625)出的样本或结构。该辐射可以包括用于测试(例如光谱分析)和/或切除和/或凝固和/或其他目的的辐射。如果该辐射是用于测试应用，那么该辐射可以包括NIR辐射。如果辐射是用于切除或凝固，那么该辐射应该包括较高能量的辐射，例如具有约800纳米的波长的辐射。检查步骤(620)、识别步骤(625)和发射步骤(635)的过程以一个频率(例如200次/秒)被重复，从而使辐射跟踪所识别的样本的任何运动。例如，如果眼睛100正在运动，则检查步骤(620)、识别步骤(625)和发射步骤(635)将跟踪血管130，并且继续将辐射施加到血管130和/或血管130周围或附近的区域上，而不论如何运动。

如果(640)这是凝固或切除过程，那么根据应用，继续发射(645)一段合适的时间量。在发射(645)完成之后，设备200被关闭(650)，并且方法600结束。

如果(640)这是测试应用，那么来自发射步骤(635)的被反射的辐射被收集(655)，然后被过滤(660)，以区分出具体分析物的光谱特征。在过滤步骤(660)之后，将算术模型应用于(665)经过滤的数据，以确定分析物的浓度。然后，结果被完成(670)，并例如经由显示器440，听觉或视觉地输出。在美国专利No.6,061,582中描述了经由光谱分析来确定分析物浓度，例如葡萄糖浓度的步骤，其通过引用结合于此。然后，方法600结束。

以上仅仅以示例的方式描述了本发明的所示实施例，并且根据以上教导，可以对上述实施例和方法进行其他改变和修改。例如，本发明的实施例可以应用于除葡萄糖监控之外的其他目的。此外，可以使用经编程的通用数字计算机、使用专用集成电路，或者使用被互连的传统部件和电路的网络来实现本发明的部件。连接可以是有线的、无线的、调制解调器等等。这里所述的实施例并不是穷尽的或限制性的。本发明只由所附权利要求来限定。