用于测量散射介质中的光学参数的设备制造技术

一种分光光度测量设备(1)，所述设备用于基于对通过扩散而传播通过散射介质(4)的光的衰减的测量来确定散射介质(4)中的光学参数。为了消除光被引导于所述介质(4)的表面(23)与所述设备(1)的接触表面(8)之间的中间光学层(25)中的有害影响，可以在接触表面(8)中形成大量的光学屏障(4)，或者可以通过合适的装置(13)限制设备(1)发射或接收光的角度范围。利用这两个替代方法，可以抑制中间层(25)中的光传播，从而提高测量准确度。本发明专利技术对于构建具有改善精确度的血氧计(1)特别有利。本发明专利技术的另外的方面涉及用于改善设备(1)在弯曲表面(23)上的适用性的特征，所述弯曲表面比如为新生儿的强烈弯曲的头骨。

Equipment for measuring optical parameters in scattering media

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量散射介质中的光学参数的设备
本专利技术涉及一种用于测量散射介质中的光学参数的设备，所述设备包括发射至少一个波长的至少一个光源以及用于检测所述波长的至少一个检测器，其中所述至少一个光源和所述至少一个检测器在测量期间通过与所述介质的表面进行接触的接触表面分别发射和接收光。
技术介绍
特别地，本专利技术涉及分光光度测量法和血氧测量法的领域，其目的是测量活组织中的光学性质和推导参数，比如氧饱和度。分光光度测量法容许通过照射样品并且确定光强度随距离的衰减来确定光学性质，比如吸收系数和散射系数。血氧计是利用分光光度测量法来确定组织中的血液(动脉，静脉或混合)的氧合的设备。一种特殊的分光光度测量法为近红外光谱(NIRS)，其确定人体组织中的生色团(例如，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)的浓度，以及从这些浓度得出的组织氧饱和度(StO2)。通过用多光谱源在一个或多个点处照射组织并且在一个或多个远离的点处测量所接收的光强度来实现这一点。为此，现有技术的血氧计使用光电二极管作为检测器，并且使用具有不同的发射波长的各种LED作为光源。在比如人类血液的混浊介质中，散射占主导地位，并且可以通过扩散过程对光传输进行建模。重要的结果是，不仅可以在透射模式而且可以在反射模式中利用NIRS测量人体组织中的血液氧合。在对人体组织的反射式NIRS测量进行建模时，通常假定半无限边界条件。这意味着到达皮肤表面的光子被假定为在测量中丢失。对于弯曲的表面，可以应用适当的校正。如果使用一个或多个光源以及两个或多个光检测器(或两个以上的源以及一个以上的检测器)，则多距离算法可以消除在简单的一个源-一个检测器-设置中需要校准的许多因素。然而，多距离算法需要耦合因子和仪器因子对于多个元件(例如，对于一个源和两个检测器设置中的两个检测器)为相等的。此外，对于两个以上的源以及两个以上的检测器，可以使用自校准算法(例如，如在US6078833，US5661302，或US8055321中所描述的)，从而消除所有仪器因子和光耦合因子。尽管存在这些复杂的测量方法，但是现有技术的血氧计仍然受到精确度和准确度不足的困扰，这对于广泛的临床应用是主要障碍。对于在新生儿的前额上执行的血氧计测量尤其是这样。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种用于测量散射介质中的光学参数的设备，特别是提供一种血氧计，所述设备具有改善的精确度和准确度。本专利技术的另一个目的是提供一种特别适于在新生儿的前额上执行测量的血氧计。本专利技术的又一个目的是改善所述设备对介质的深层的敏感性。根据本专利技术，提供一种根据权利要求1的设备，所述设备解决上述问题。特别地，本专利技术提出一种如在开始时所介绍的设备，其另外的特征在于，在所述接触表面上或在所述接触表面中，布置至少两个光学屏障，以使得对通过所述接触表面与所述介质的表面之间的层的所述波长的传播进行抑制。该设备可以用于准确地确定几乎任何散射介质的光学性质，特别是在介质具有柔软的表面时。如已经说明的那样，特别地，用于在人体皮肤上进行反射式NIRS测量的算法通常假定源所发射的且到达检测器的所有的光已经行进通过人体组织。然而，在典型的测量情况下，在皮肤与血氧计的下部接触表面之间存在层。该层可以由空气和/或汗水和/或油脂组成。在这种情况下，血氧计的源所发射的光的至少一部分可能通过在所述层的边界处通过多次反射传播通过所述层而到达检测器。换句话说，所发射的光的该部分到达所述检测器而完全没有或仅仅部分地行进通过组织。这种效应(其在下文中被称为“光管路传输(lightpiping)”)造成未知数量的测量误差，并且对测量精确度产生负面影响。在最坏的情况下，光管路传输可能使所测量的StO2完全无效，特别是在所述层较厚的情况下。作为本专利技术的主要优点，可以使到达检测器并且未完全地或至少部分地在散射介质(例如组织)中行进而是在所述层中行进的光子的比例最小化。由于这样的光子造成错误的测量(其无法通过利用已知的边界条件或使用自动校准算法而被消除)，因此与现有技术相比，可以显著地改善测量的准确度。现有技术中已知的血氧计通常具有平面的、即完全平坦的接触表面。光源和检测器通常通过嵌入接触表面中的透光窗口来发送和接收光。通常仅被使用一次的这样的传感器被压靠在皮肤上或者使用粘性膜附着，以便实现至组织中的良好的光耦合。然而，这些类型的传感器通常仅显示出不令人满意的精确度和准确度。主要原因是在血氧计的接触表面与皮肤之间的不可避免的层中发生的光管路传输。根据本专利技术，所述光学屏障可以限制由所述层构成的光通道，或者在最佳的情况下，所述光学屏障可以完全地阻挡所述层中的光传播。因此，有效地抑制了通过所述层的所述波长的传播。根据本专利技术的光学屏障可以由阻挡和/或重新定向和/或阻碍通过所述层的所述波长的传播的任何结构来制成。为此目的，所述光学屏障可以阻挡、反射、重新定向、捕捉或吸收所述波长，特别是在所述层内部的传播之后。换句话说，根据本专利技术，光学屏障可以被形成为壁或脊、凹穴、光学陷阱(例如，光捕获材料或开口)或者被形成为镜或重新定向光的任何其它光学结构。例如，当在高度散射的人体组织中测量时，源所发射的光子扩散远离该源。这意味着在所述源与检测器之间一直存在到达皮肤表面(有可能离开皮肤表面)的光子。实际上，对于由点光源照射的均匀的半无限且浑浊的介质，在任何时候，最高的光子密度都直接处于表面处。由于并非所有的这些光子在离开组织之后都被所述接触表面吸收，因此这些光子中的某些可能在组织外部通过到检测器的剩余距离的全部或部分距离，从而违反测量算法所基于的半无限边界条件。结果，观察到差的测量精确度。本专利技术通过优选地在所述至少一个光源与所述至少一个检测器之间、在所述接触表面中或在所述接触表面上布置大量的光学屏障来解决该问题。因此，即使所述源所发射的光通过首先传播通过组织并且随后离开所述表面以重新进入所述层从而绕过第一光学屏障，这样的光也可以通过所述大量的光学屏障中的第二光学屏障被有效地阻截。因此，根据本专利技术，需要最少两个光学屏障来实现对光管路传输的有效抑制。例如，在血氧计的大多数测量情况下，布置于检测器周围的单个光学屏障将不足以改善测量准确度。这是因为到达所述检测器的前面的最终光学屏障的光可能已经通过多次反射在所述层中行进了很长一段路。因此，已经在所述层中被光管路传输一定距离且到达所述光学屏障的正前面的皮肤表面的光子可能进入过组织，并且在扩散通过组织之后最终到达所述检测器。尽管这样的光子已经在组织内行进一定距离，但是它们与根本假设相矛盾，即到达所述检测器的所有光子唯一地行进通过组织。因此，这样的光子将造成错误的测量。根据本专利技术，可以通过使用大量的光学屏障来有效地阻挡行进通过血氧计与皮肤之间的层的光子从而防止这样的错误的测量。由所述介质的表面发射的且重新进入所述介质的表面与所述设备的接触表面之间的光引导层的光子的另一个不期望的影响是，更多的主要通过介质的表面层的光子到达所述检测器(从而违反假设：到达所述表面的每个光子都被吸收)。因此，所述设备对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量散射介质(24)中的光学参数的设备(1)，所述设备包括发射至少一个波长的至少一个光源(2)以及用于检测所述波长的至少一个检测器(3)，其中所述至少一个光源(2)和所述至少一个检测器(3)在测量期间通过与所述介质(24)的表面(23)接触的接触表面(8)分别发射和接收光，其特征在于，在所述接触表面(8)上或在所述接触表面中，布置至少两个光学屏障(4)，以使得抑制通过所述接触表面(8)与所述介质(24)的表面(23)之间的层(25)的所述波长的传播。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171020 EP 17001733.91.一种用于测量散射介质(24)中的光学参数的设备(1)，所述设备包括发射至少一个波长的至少一个光源(2)以及用于检测所述波长的至少一个检测器(3)，其中所述至少一个光源(2)和所述至少一个检测器(3)在测量期间通过与所述介质(24)的表面(23)接触的接触表面(8)分别发射和接收光，其特征在于，在所述接触表面(8)上或在所述接触表面中，布置至少两个光学屏障(4)，以使得抑制通过所述接触表面(8)与所述介质(24)的表面(23)之间的层(25)的所述波长的传播。


2.一种用于测量散射介质(24)中的光学参数的设备(1)，所述设备包括发射至少一个波长的至少一个光源(2)以及用于检测所述波长的至少一个检测器(3)，其中特别地根据权利要求1，所述至少一个光源(2)和所述至少一个检测器(3)在测量期间通过与所述介质(24)的表面(23)接触的接触表面(8)分别发射和接收光，其特征在于，所述设备(1)包括用于限制由所述至少一个光源(2)发射的光线离开所述接触表面(8)的角度和/或由所述至少一个检测器(3)接收的光线重新进入所述接触表面(8)的角度的装置，以使得抑制通过所述接触表面(8)与所述介质(24)的表面(23)之间的层(25)的所述波长的传播，所述装置特别是孔(13)和/或透镜。


3.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述设备(1)为用于测量组织氧合的血氧计，特别是用于测量新生儿的脑组织中的组织氧合的血氧计，和/或其中所述介质(24)的表面(23)为组织表面(23)，所述组织表面特别是皮肤，和/或其中所述至少一个光源(2)发射至少两个不同的波长，并且其中所述光学屏障(4)或所述装置被布置成使得抑制通过所述层(25)的所述至少两个不同的波长的传播。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述光学屏障(4)布置于所述至少一个光源(2)与所述至少一个检测器(3)之间，优选地以使得所述光学屏障(4)在所述至少一个光源(2)与所述至少一个检测器(3)之间将沿着所述接触表面(8)的瞄准线(15)中断至少两次、优选地中断至少四次。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述设备(1)包括至少两个光源(2)和/或至少两个检测器(3)，以使得所述设备(1)具有能够在测量期间被使用的至少两个不同的瞄准线(15)，优选地其中所述至少两个光源(2)和/或所述至少两个检测器(3)分别定位成彼此分开，和/或其中所述光学屏障(4)将至少两个瞄准线(15)中的每个瞄准线中断至少一次、优选地中断至少两次，优选地所述光学屏障将所有瞄准线中断至少一次、优选地中断至少两次。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述光学屏障(4)被形成为从所述接触表面(4)突出的壁或脊(10)，特别地其中所述光学屏障(5)的在所述接触表面(4)上方的高度小于5000微米、优选地小于1000微米、最优选地小于500微米并且/或者大于10微米、特别地大于100微米，和/或其中所述光学屏障(4)被唯一地成形为具有大于90°的角度，优选地被唯一地形成为具有圆形边缘，和/或其中，在光学屏障(4)与瞄准线(15)之间的相交点(14)处，所述光学屏障(4)相对于相应的相交的瞄准线(15)以大于45°的相交角度被定向。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述光学屏障(4)沿对应的瞄准线(15)的方向显示出的宽度大于100微米、优选地大于200微米、最优选地大于300微米并且/或者小于2.5毫米、优选地小于1.5毫米，和/或其中所述光学屏障(4)被形成为波纹部...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·克莱泽，M·沃尔夫，D·奥斯托吉奇，N·纳赛里，
申请(专利权)人：苏黎世大学，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH