BRPI0816925B1

BRPI0816925B1 - funil de luz de iluminação, funil de captação de luz e aparelho

Info

Publication number: BRPI0816925B1
Application number: BRPI0816925A
Authority: BR
Inventors: Xu Zhi
Original assignee: Univ Missouri
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2020-01-28
Also published as: JP2011512511A; US7961304B2; EP2194846A1; CA2699626A1; BRPI0816925B8; CN103637768A; US20090079964A1; BRPI0816925A2; WO2009035669A1; EP2194846A4; CA2699626C; RU2010114587A; CN101848672A; AU2008299938A1; CN103637768B

Abstract

funil de luz de iluminação, funil de captação de luz e aparelho a presente invenção refere-se a um funil de luz iluminação. o funil inclui uma primeira abertura posicionada para receber uma fonte de luz de entrada, uma segunda abertura posicionada oposta à primeira abertura e com um diâmetro menor do que a primeira abertura, e paredes reflexivas internas, em contacto com a primeira abertura e a segunda abertura. o funil tem um meio ângulo de menos de 25 graus. as modalidades igualmente referem-se a um funil de captação luz e a um aparelho que utiliza um funil de luz iluminação e o funil de captação da luz.

Description

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para FUNIL DE LUZ DE ILUMINAÇÃO, FUNIL DE CAPTAÇÃO DE LUZ E APARELHO.

PRIORIDADE DA INVENÇÃO [001] Este pedido reivindica o benefício de prioridade para o Pedido de Patente Provisório Série N^o 60/972.121, depositado em 13 de setembro de 2007, que está aqui incorporado a título de referência na sua totalidade

ANTECEDENTES [002] Uma propriedade fundamental de uma amostra, se for um gás, líquido ou sólido, é sua tendência para absorver ou difundir luz em comprimentos de onda certas. A caracterização da tendência de uma amostra para absorver, difundir ou transmitir é a base para muitas medições e instrumentações ópticas (por exemplo, espectrofotometria). A precisão e a repetitividade de medições tomadas com dispositivos ópticos se referem a muitos fatores, incluindo a energia do sinal que alcança um ou mais detectores. Os dispositivos ópticos podem ser usados para medir a presença e quantidades de componentes em sangue humano ou animal ou fluido intersticial. Em um exemplo, um aparelho óptico não invasivo pode usar alguma forma de espectroscopia para adquirir o sinal ou espectro de uma área alvo de um corpo de usuário.

[003] A Associação Americana de Diabetes relata que mais de seis por cento (6%) de americanos, mais de 17 milhões de pessoas, tem diabetes. De acordo com cientistas com os Centros para Controle da Moléstia (CDC), uma em três crianças nascidas nos Estados Unidos no ano de 2000 tornar-se-ia diabética a não ser que muito mais pessoas comecem a comer menos e se exercitem mais. Um estudo de CDC revelou que existiam aproximadamente 11 milhões de casos de diabetes diagnosticados em 2000 e que o número de casos poderia

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2/18 subir para 29 milhões até o ano de 2050.

[004] Um elemento vital de administração da diabetes é o automonitoramento da concentração de glicose no sangue, pelos diabéticos em ambiente doméstico. No entanto, técnicas de monitoramento atuais desencorajam o uso regular devido à natureza inconveniente e dolorosa de tirar sangue ou fluido intersticial através da pele antes da análise. Como resultado, nenhuma medição não invasiva de concentração de glicose é um desenvolvimento desejável e benéfico para a manipulação da diabetes.

[005] Existe um número de abordagens não invasivas para determinação de glicose no sangue. Uma técnica não invasiva sensor com materiais químicos no sangue envolve coletar e analisar dados do espectro de luz. Extrair informação acerca de características do sangue tais como concentração de glicose do espectro ou outros dados obtidos de espectroscopia é um problema complexo devido à presença de componentes (por exemplo, pele, gordura, músculo, osso, fluido intersticial) diferentes do sangue na área que está sendo sensibilizada. Tais outros componentes podem influenciar esses sinais de tal maneira de modo alterar a leitura. Em particular, o sinal resultante pode ser muito maior em magnitude do que a porção do sinal que corresponde ao sangue, e, desse modo, limita a habilidade para, com precisão, extrair informação de características do sangue.

SUMÁRIO [006] As modalidades da invenção referem-se a um funil de luz de iluminação. O funil inclui uma primeira abertura posicionada para receber uma fonte de entrada de luz, uma segunda abertura posicionada oposta à primeira abertura e com um diâmetro menor do que a primeira abertura e paredes internas reflexivas, em contato com a primeira abertura e a segunda abertura. O funil tem um meio ângulo de menos de 25 graus.

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3/18 [007] As modalidades se referem a um funil de luz de iluminação, incluindo uma primeira abertura posicionada para receber uma fonte de luz de amostra de entrada, uma segunda abertura posicionada oposta à primeira abertura e com um diâmetro maior do que a primeira abertura, e paredes reflexivas internas, em contacto com a primeira abertura e a segunda abertura.

[008] As modalidades também se referem a um aparelho, incluindo uma fonte de luz configurada para gerar uma pluralidade de feixes de luz, cada pluralidade de feixes de luz tendo uma faixa diferente de comprimento de luz, um funil de luz de iluminação para coletar a pluralidade de feixes de luz através de uma abertura de entrada tendo um primeiro diâmetro e para focalizar e direcionar a pluralidade de feixes de luz para a área alvo através de uma abertura de saída tendo um segundo diâmetro, em que o segundo diâmetro é menor do que o primeiro diâmetro. O aparelho também inclui um funil de coleta de luz para coletar a pluralidade de feixes de luz emitida da área alvo em uma segunda abertura de entrada tendo um terceiro diâmetro e para direcionar a pluralidade de feixes de luz através de uma segunda abertura de saída tendo um quarto diâmetro, em que o terceiro diâmetro é menor do que o quarto diâmetro, um detector que compreende uma pluralidade de dispositivos sensores de luz, cada um configurado para detectar um feixe de luz direcionado através da segunda abertura de saída e para gerar um sinal de saída indicativo da energia de luz detectada e um processador para analisar o sinal de produção e gerar dados de medição.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [009] Nos desenhos, que não estão necessariamente desenhados em escala, os números similares descrevem substancialmente componentes similares por todas as diversas vistas. Os números similares que têm sufixos de letras diferentes representam diferentes

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4/18 exemplos de componentes substancialmente similares. Os desenhos ilustram geralmente, a título de exemplo, mas não a título de limitação, várias modalidades discutidas no presente documento.

[0010] As figuras 1A-B ilustram gráficos de uma onda de pulso correspondente à absorção da luz de sangue arterial, de acordo com algumas modalidades.

[0011] A figura 2 ilustra uma configuração óptica, de acordo com algumas modalidades.

[0012] A figura 3 ilustra uma configuração para executar medições ópticas de uma amostra biológica, de acordo com algumas modalidades.

[0013] A figura 4 ilustra uma configuração óptica para executar medições ópticas de uma amostra biológica, de acordo com algumas modalidades.

[0014] A figura 5 ilustra uma vista em corte transversal de um funil de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0015] A figura 6 ilustra componentes de fonte de luz, de acordo com algumas modalidades.

[0016] A figura 7 ilustra uma vista em corte transversal de um funil de luz com uma matriz de arranjo de diodo emissor de infravermelho (IRED) disposta nele, de acordo com algumas modalidades. DESCRIÇÃO DETALHADA [0017] A seguinte descrição detalhada inclui referências aos desenhos em anexo, que formam uma parte da descrição detalhada. Os desenhos mostram, a título de ilustração, modalidades específicas em que a invenção pode ser praticada. Estas modalidades, que são também referidas aqui como exemplos, são descritas em suficientes detalhes para possibilitar àqueles versados na técnica praticar a invenção. As modalidades podem ser combinadas, outras modalidades podem ser utilizadas, ou estruturais, e mudanças lógicas podem ser fei

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5/18 tas sem se afastar do escopo da presente invenção. A seguinte descrição detalhada não é, desse modo, para ser tomada em um sentido limitante, e o escopo da presente invenção é definido pelas reivindicações em anexo e seus equivalentes.

[0018] Nesse documento, os termos um, uma ou uns, umas são usados para incluir um ou mais um, e o termo ou é usado para referência a um ou não exclusivo a não ser que de outro modo indicado. Além disso, é para ser entendido que a fraseologia ou terminologia empregada aqui, e de outro modo não definida, é para o propósito somente de descrição e não de limitação. Além do mais, todas as publicações, patentes, e documentos de patente referidos nesse documento são aqui incorporados a título de referência na sua totalidade, como se individualmente incorporado a título de referência. No evento usos inconsistentes entre este documento e aqueles documentos assim incorporados a título de referência, o uso na referência incorporada deve ser considerado suplementar àquele desse documento; para inconsistências irreconciliáveis, o uso nesse documento controla.

[0019] As modalidades da presente invenção referem-se a componentes ópticos, tais como funis de luz para iluminação e medição de propriedades ópticas de uma amostra. Embora a amostragem espectroscópica de regiões do corpo humano ou de animais seja exemplificada, as modalidades se referem a todos os tipos de instrumentação óptica, incluindo detectores ópticos, microscópios, espectrômetros, etc. O espectroscópio óptico pode ser usado para determinar a quantidade de luz absorvida por uma amostra biológica tal como um dedo humano. Através de medição da quantidade de luz absorvida pelo dedo é possível determinar os níveis de glicose, colesterol e hemoglobina de uma pessoa, de maneira não-invasiva. As medições na ponta do dedo são usualmente preferidas por causa da grande concentração de capilares na ponta do dedo e por causa da conversão de sangue arterial

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6/18 em sangue venoso, que ocorre na ponta do dedo.

[0020] Quando a luz é transmitida através de uma amostra biológica, tal como um dedo humano, a luz é absorvida e difundida por vários componentes do dedo incluindo, pele, músculo, osso, gordura, fluido intersticial e sangue. Foi observado, no entanto, que a absorção de luz por um dedo humano exibe um pequeno padrão cíclico que corresponde a uma batida do coração. A figura 1A descreve um gráfico 102 de uma onda de pulso que corresponde à absorção de luz do sangue arterial na capilaridade devido à batida do coração do usuário. Embora a magnitude do padrão cíclico seja pequena em comparação com a fotocorrente total gerada pelo detector, uma informação considerável pode ser extraída do padrão cíclico do gráfico 102. Por exemplo, assumindo-se que o batimento cardíaco de uma pessoa é de sessenta batimentos por minuto, o tempo entre o início de qualquer pulsação e o fim desta pulsação é de um segundo. Durante esse período de um segundo, o gráfico terá uma leitura máxima ou de pico 104 e uma leitura mínima ou de vale 106. A leitura do pico 104 do gráfico corresponde a quando existe uma quantidade mínima de sangue nos capilares, e a leitura de vale 106 corresponde a quando existe uma quantidade máxima de sangue nos capilares. Através do uso de informação óptica fornecida pelo pico e vale do gráfico cíclico, a absorção e difusão óptica pelos maiores constituintes do dedo que não estão nos capilares tais como pele, gordura, ossos, músculo e fluidos intersticiais são excluídos. Esses maiores constituintes que não estão nos capilares são excluídos porque eles não são aptos para troca durante o intervalo de um segundo. Em outras palavras, a luz que é absorvida pelo sangue pode ser detectada com base nos picos e vales do gráfico 102.

[0021] Assumindo-se que o pico da fotocorrente cíclica gerada pelo dispositivo sensor de luz é Ip, o vale adjacente da fotocorrente cíclica Iv, e a fotocorrente gerada pelo dispositivo sensor de luz sem um dedo

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7/18 humano é Io, as transmitâncias que correspondem às fotocorrentes de pico e vale podem ser definidas como:

f (1);

e

T, = L (2);

[0022] A absorbância de pico e vale correspondentes são:

Av = - log(Tv) (3);

A_p = - log(Tp) (4);

[0023] A diferença entre A_v e A_p reflete a absorção e difusão da luz somente pelo sangue no dedo:

àÁ- A_y - Ap- log

(5);

[0024] Os algoritmos mostrados na equação (5) exigem somente monitorar a mudança na fotocorrente para determinar uma mudança na força da luz transmitida através do dedo. Como resultado, não há necessidade de determinar fotocorrente gerada pelo dispositivo sensor de luz, sem um dedo humano.

[0025] Infelizmente, porque o padrão cíclico é um sinal muito pequeno, a amplitude do padrão cíclico (ou seja, a diferença entre o pico e o vale) é tipicamente de 1% - 3% da força total da luz transmitida através do dedo. A figura 1A ilustra o padrão cíclico, numa escala ampliada. A figura 1B descreve uma reflexão mais acurada do padrão cíclico em termos de amplitude do sinal. Para obter um sinal de razão de ruído (S/N) de 100:1 na determinação do ΔΑ, o ruído da linha de base do dispositivo a ser utilizado para medir a absorção de luz pelo dedo não deve ser maior que 3,0 x 10^-5 de absorbância (pico a pico), dentro de uma largura de banda de 10 Hz.

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8/18 [0026] No entanto, um nível de ruído de base de absorbância de 3,0 x 10^-5 (pico a pico) dentro de uma largura de banda de 10 Hz é difícil de obter com os baixos níveis de força de luz que são utilizados por alguns dispositivos de medição de produtos químicos no sangue, não-invasivos, equipados com bateria manual. Uma solução envolve o aumento de força de luz de iluminação. No entanto, devido a limitações de tamanho de alguns dispositivos, pode não ser possível ou pode ser ineficaz para aumentar a força de iluminação para atingir um nível básico de ruído desejado (por exemplo, descarregar a bateria). Por conseguinte, há a necessidade por um sistema e método para aumentar a quantidade de luz que pode ser detectada por esses dispositivos, sem aumentar significativamente o tamanho do dispositivo e o consumo de energia da bateria.

[0027] A figura 2 é um diagrama de blocos simplificado que ilustra os componentes de um sistema óptico de medição de corrente 200 que usa o conceito pulsátil para determinar uma quantidade de luz absorvida e difundida exclusivamente pelo sangue em um dedo humano. Uma fonte de alimentação 201, tal como uma bateria, fornece energia para uma fonte de luz 202 que gera uma pluralidade de feixes de luz 204, 206, 208, 210 que são direcionadas para o topo do dedo de um usuário. De acordo com um aspecto do sistema óptico de medição 200, cada um dos feixes de luz 204, 206, 208, 210 tem um comprimento de onda diferente, ou uma faixa de comprimentos de onda diferentes, tipicamente dentro de 800 nm a 1800 funcionar. Por exemplo, o primeiro feixe de luz 204 pode ter uma faixa de comprimentos de onda entre 850-900 nanômetros (nm), o segundo feixe de luz 206 pode ter uma faixa de comprimentos de onda entre 875-940 nm, o terceiro feixe de luz 208 pode ter um comprimento de onda entre 920-980 nm, e o quarto feixe de luz 210 pode ter um comprimento de onda entre 950-1050 nm. Embora o sistema óptico de medição 200 seja des

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9/18 crito como gerador de 4 (quatro) feixes de luz, é contemplado que a fonte de luz 202 pode ser alterada para gerar menos feixes de luz ou feixes de luz adicionais em outras modalidades.

[0028] A primeira abertura de 212 garante que os feixes de luz 204, 206, 208, 210 golpeiem uma área-alvo do dedo. A segunda abertura 214 garante que a porção de feixes de luz que são transmitidos através do dedo golpeie uma lente 216. Os feixes de luz 204, 206, 208, 210 são atenuados pelo dedo e componentes do sistema óptico de medição 200, e, por conseguinte, os feixes de luz atenuados 218, 220, 222, 224 são emitidos a partir do dedo. O feixe de luz atenuado 218, 220, 222, 224 golpeia a lente 216, e a lente 216 coleta os feixes de luz atenuados 218, 220, 222, 224, de modo que impinjam de forma mais eficiente em um bloco detector 226.

[0029] O bloco detector 226 é posicionado diretamente sob a lente de 216 e compreende uma pluralidade de dispositivos sensores de luz (LSD) 228, 230, 232, 234, tais como um arranjo de fotodiodos. De acordo com um aspecto do sistema óptico de medição 200, cada um dos dispositivos sensores de luz 228, 230, 232, 234 detecta um comprimento de luz específico como definido por meio de filtros de interferência correspondente 236, 238, 240, 242, respectivamente. O filtro de interferência transmite uma ou mais bandas espectrais ou linhas de luz e outros blocos.

[0030] Cada um dos dispositivos sensores de luz 228, 230, 232, 234 gera um sinal de corrente correspondente que é proporcional à força da luz recebida pelo dispositivo sensor de luz particular. O sinal de corrente gerado pelo fotodiodo pode ser convertido em uma outra forma de sinal, como um sinal de voltagem analógico ou um sinal digital.

[0031] Um processador 243 é acoplado ao bloco detector 226 e é configurado para calcular a mudança de sinais fotocorrentes 244, 246,

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248, 250.

[0032] De acordo com um aspecto, o processador de 243 executa um algoritmo, como mostrado na equação (5) para calcular a mudança na absorção de luz (ΔΑ) causada somente pelo sangue no dedo. Posteriormente, este cálculo quantitativo da absorção da luz do sangue pode ser usado para determinar uma característica do sangue. Por exemplo, comparando o valor calculado de absorção de luz para valores predeterminados correspondentes a diferentes níveis de glicose armazenados em uma memória (não mostrada), um nível de glicose do usuário pode ser determinado.

[0033] Com referência agora à figura 3, a configuração de um aparelho convencional para medir a quantidade de luz absorvida por um dedo humano. Um bloco de Diodo Emissor de Infravermelho (IRED) 302 inclui uma pluralidade de IREDs que gera radiação de infravermelho próximo (NIR) ou feixes de luz de 850 nm a 1100 nm. Os feixes de luz NIR gerados entram em uma abertura de entrada 304 e passam através do dedo. Os feixes de luz NIR transmitidos através do dedo passam através de uma abertura de saída 306 sobre uma lente 308. A lente 308 colima os feixes de luz e projeta-os no arranjo de filtro 310 e, em seguida, o arranjo de detector 312. O aparelho também inclui um alojamento de parede 314 para impedir que a luz alcance os detectores de luz.

[0034] Nesta configuração óptica, os feixes de luz que passam através da abertura de saída 306 são completamente misturados em comprimento de onda. Mais especificamente, toda a distribuição de força de luz de 850 nm a 1100 nm é transmitida para cada detector no arranjo do detector 312.

[0035] Conforme descrito abaixo, há questões com a configuração do dispositivo descrito na figura 3, que prejudicam a eficácia do dispositivo e que resultam no elevado potencial de ruído da linha de base.

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Luz de Iluminação de Baixa Força [0036] Para acomodar o tamanho do pequeno dedo de crianças, a luz deve entrar no dedo através de uma abertura de entrada 304 que tem um diâmetro de aproximadamente 6,35 mm (0,25 (1/4) de polegada) ou menos, e que a luz transmitida através do dedo deve ser coletada através de uma abertura de saída 306 tendo um diâmetro de aproximadamente 6,35 mm (0,25 (1/4) de polegada) ou menos. No entanto, o número de IRED que pode ser colocado em uma área de 6,35 mm (0,25 (1/4) de polegada) de diâmetro é limitado. Por exemplo, apenas por 3 milímetros (mm) de diâmetro IREDs pode ser efetivamente colocado na área de 6,35 mm (0,25 (1/4)de polegada) de diâmetro da abertura de entrada 304. Como a força média de cada IREDs é cerca de 2,5 miliwatts (mW) com 15 (quinze) a 20 (vinte) graus de meio ângulo de emissão de energia, a energia total utilizável que entra no dedo de cada IRED é de cerca de cinquenta por cento (50%), ou

1,25 mW. Por conseguinte, por 4 (quatro) IRED, a força total útil é de aproximadamente cinco (5) mW (por exemplo, 4 x 2,5 mW x ,50) para toda a faixa de comprimento de onda coberta pelos quatro IREDs, tipicamente 850 nm a 1100 nm.

Absorção e Difusão pelo Dedo Humano [0037] Em geral, como descrito acima, a luz que entra no dedo será atenuada pela pele, gordura, músculo, sangue e ossos. Por exemplo, foi observado que a absorção e a difusão da luz pelo dedo humano podem reduzir a força da luz transmitida na região NIR de 850 nm a 1100 nm por um fator de aproximadamente 200. Como resultado, a força de IR total transmitida através do dedo é de cerca de apenas 25 microwatts (pW) (por exemplo, 5mW/200) em toda a região de comprimento de onda coberta por quatro IREDs, tipicamente 850 nm a 1100 nm.

Ângulo Sólido de Coleta Pequena por Ótica de Acoplamento

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12/18 [0038] A luz é emitida a partir da abertura de saída 306 em todas as direções no ângulo sólido de 2π abaixo do dedo. Em projetos convencionais ópticos é difícil coletar energia mais força de luz transmitida através do dedo porque a abertura de saída 306 não pode ser tratada como uma fonte pontual. Tipicamente, a força total da luz coletada por meio de layout óptico mostrado na figura 3 é apenas cerca de 10%, ou uma redução da força por um fator de 10 a 2,5 pW em toda a região de comprimento de onda coberta por quatro IREDs, tipicamente 850 nm a 1100 nm. Note que esta é a força óptica enviada a todos os detectores na figura 3.

Número de Detectores [0039] Além disso, os sistemas ópticos como mostrados na figura 3 podem exigir, tanto quanto vinte (20) a trinta (30) detectores de diodo para obter informações precisas com respeito aos componentes químicos no sangue. Desse modo, a força de luz que vai para cada detector será de cerca de 125 nW ou menos.

Filtro de Passa-banda Estreito [0040] O filtro de interferência colocado no topo de cada detector tipicamente tem uma largura total em meia largura de banda máxima (FWHM) de 10 nm, o que reduz a força da luz por um fator de 25 a 5 nW, assumindo uma distribuição uniforme de força em toda a região de comprimento de onda 850 nm a 1100 nm. Além disso, a transmitância de pico de cada filtro de interferência é de cerca de 50% ou menos. Dessa maneira, a força da luz recebida por cada detector é reduzida a cerca de 2,5 nW ou menos.

Eficiência de Conversão Fotoelétrica [0041] A eficiência de conversão fotoelétrica para detectores de Diodo de Silício varia de 0,1 ampères/watts (A/W) em 1100 nm a cerca de 0,5 A/W em 900 nm. Como resultado, dependendo do comprimento de onda central do filtro de interferência correspondente, a fotocorrente

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13/18 produzida por cada detector é entre 0,25 nano ampères ou menos (nA) a 1,25 nA ou menos para cada detector. O ruído de disparo correspondente final, dentro da largura de banda de 10 Hz, é cerca de 2,0 x 10^-4 Absorbância (p-p) ou maior, que é além de um fator de 6 do que é exigido para a determinação acurada do valor de ΔΑ, como definido pela equação (5), com uma razão S/N de 100. Em outras palavras, para alcançar a desejável razão S/N de 100:1 para ΔΑ, a força da luz recebida pelos detectores deve ser aumentada além de 40 vezes.

[0042] A figura 4 ilustra uma configuração óptica para executar a detecção óptica de uma amostra biológica de acordo com um aspecto do sistema óptico de medição presente 400. Uma fonte de luz 402 gera uma pluralidade de feixes de luz 404, 406, 408, 410. A fonte de luz 402 pode ser fonte de luz incandescente ou diodos emissores de infravermelho, por exemplo. De acordo com um aspecto do sistema óptico de medição 400, cada um dos feixes de luz 404, 406, 408, 410 tem um comprimento de onda diferente ou uma faixa de comprimentos de onda diferente. Por exemplo, o primeiro feixe de luz 404 pode ter uma faixa de comprimentos de onda entre 850-920 nanômetros (nm), o segundo feixe de luz 406 pode ter uma faixa de comprimentos de onda entre 900-980 nm, o terceiro feixe de luz 408 pode ter um comprimento de onda entre 970-1050 nm, e o quarto feixe de luz 410 pode ter um comprimento de onda entre 1030-1100 nm. A faixa total de comprimento de onda pode incluir de cerca de 800 nm a cerca de 1200nm, por exemplo. Embora o sistema óptico de medição 400 seja descrito como gerador de 4 (quatro) feixes de luz, é contemplado que a fonte de luz pode ser alterada para gerar menos feixes de luz ou feixes de luz adicionais em outras modalidades.

[0043] Os feixes de luz 404, 406, 408, 410 da fonte de luz 402 entram em um funil de luz de iluminação 412 através de uma abertura de entrada 414 e saem do funil de luz de iluminação 412 através de uma

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14/18 abertura de saída 416. O diâmetro da abertura de saída 416 do funil de luz de iluminação 412 é menor ou igual ao diâmetro da abertura da entrada 414. Por exemplo, de acordo com uma modalidade o diâmetro da abertura de entrada 414 é de aproximadamente 1,58 cm (0,625 (5/8) de polegada) e o diâmetro da abertura de saída 416 é de aproximadamente 6,35 mm (0,25 (1/4)de polegada). Dessa maneira, ao contrário da configuração descrita na figura 3, o funil de luz de iluminação 412 concentra os feixes de luz 404, 406, 408, 410 na mesma direção geral para o topo do dedo de um usuário. O funil de luz de iluminação pode aumentar significativamente a força total da luz recebida pela área alvo, em comparação com a configuração da figura 3, e, desse modo, aumentar substancialmente a Razão de Sinal-Ruído.

[0044] A figura 5 descreve uma vista em seção transversal do componente ou funil de luz de iluminação 412. De acordo com um aspecto, o funil de luz de iluminação 412 tem uma parede externa substancialmente cilíndrica 502 com o diâmetro D1, e uma primeira abertura 504 definida por uma parede interna 506 que é de uma conformação troncocônica e duas aberturas de entrada/saída de luz 508 e 504. A abertura 508 (segunda abertura) tem um diâmetro menor, D3, e a abertura 504 (primeira abertura) tem um diâmetro maior, D2. A distância de separação entre as duas aberturas de luz é L, e o Meio Ângulo da conformação troncocônica da superfície interna é α. De acordo com uma modalidade da invenção o valor de Meio Ângulo α varia de 10 a 15 graus. Os Meios Ângulos podem ser de menos que cerca de 25 graus, por exemplo. O funil de luz de iluminação 412 pode ser formado a partir de plástico, metal ou outro material adequado ou composto/camadas de material, com qualquer índice(s) de refração desejado(s). De acordo com um aspecto, o funil de luz de iluminação 412 é formado de metal e a superfície da parede interna 506 é feita altamente reflexiva. Quando configurada corretamente, a intensidade da luz na

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15/18 saída 508 pode ser aumentada por um fator de 50 a 100 sobre a intensidade da luz na entrada 510.

[0045] A figura 6 descreve os componentes da fonte de luz 402 de acordo com um aspecto do sistema óptico de medição 400. Uma placa de circuito pode ser posicionada próxima ou em contato com a primeira abertura do funil e podem incluir fontes de luz montadas sobre ou em contato com a placa. Em um exemplo, uma pluralidade de IREDs 602, 604, 606, e 608 é montada a uma placa de circuito impresso (PCB) 610. A PCB 610 recebe força elétrica através de uma linha de força 612 que é conectada a uma fonte de força (por exemplo, fonte de alimentação 201) tal como uma bateria. Quando a força elétrica é fornecida através de uma linha de transmissão de força 612, cada um dos IREDs 602, 604, 606, e 608 recebe força e gera uma pluralidade de feixes de luz (por exemplo, feixes de luz 404, 406, 408, 410). Notavelmente, IREDs com corrente operacional similar podem ser conectados em série para aumentar a vida útil da bateria. A fonte de luz pode ser montada dentro do funil ou acima do funil, tal como sendo cercada por um alojamento, por exemplo.

[0046] De acordo com um aspecto, o funil de luz de iluminação 412 pode ser montado no PCB 610 via parafusos, postes ou outros meios de conexão. A conformação troncocônica da superfície interna do funil de luz de iluminação 412 serve para concentrar e focalizar os raios de luz 404, 406, 408, 410 de IREDs 602, 604, 606, 608 em um feixe geralmente cônico em direção ao dedo.

[0047] A figura 7 descreve uma vista em seção transversal de uma outra modalidade do funil de luz de iluminação 412 com uma matriz de arranjo tridimensional (3-D) IRED 702 disposta nele. Múltiplas fontes de luz, como IREDs, podem ser posicionadas em camadas tridimensionais e dispostas para otimizar a intensidade da luz. As fontes de luz podem ser posicionadas em camadas horizontais e verticais, por

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16/18 exemplo. De acordo com esta modalidade, há um total de vinte e seis (26) IREDs incluídos na matriz de arranjo 3-D. Os IREDs são dispostos em quatro (4) camadas. A primeira linha, conforme indicada por 704, inclui quatro (4) IREDs (dois IREDs não mostrados), uma segunda camada, como indicado por 706, inclui cinco (5) IREDs (dois IREDs não mostrados), uma terceira camada, como indicado por 708, inclui sete (7) IREDs (quatro IREDs não mostrados), e uma quarta camada, como indicado por 710, incluindo dez (10) IREDs (seis IREDs não mostrados). A linha de transmissão de força 712 fornece força para todos os IREDs. De acordo com outras modalidades, outros padrões IRED também podem ser utilizados. Qualquer número de fontes ou camadas de luz pode ser utilizado para otimizar a intensidade da luz. [0048] Pelo fato dos IREDs serem opticamente transparentes para luzes infravermelhas, a perda de luz devido ao efeito de bloqueio no interior da cavidade do funil deve ser baixa e a estrutura mostrada na figura 7 é esperada para coletar mais de 85% de força de luz emitida a partir do arranjo de IREDs 3-D na cavidade do funil de luz. Como um resultado, a força total da luz transmitida através do diâmetro de 6,35 mm (0,25 de polegada) da abertura de saída 416 do funil de luz de iluminação 412 deve ser de aproximadamente 55 mW (por exemplo, 26 x 2,5 mW x 0,85). Assim, a força total da luz transmitida através da abertura de 6,35 mm (0,25 de polegada) acima do dedo no sistema óptico de medição presente 400 é aproximadamente onze (11) vezes a força correspondente alcançada na abertura 306 (por exemplo, 5mW), da configuração descrita em referência à figura 3. Além disso, a aumentada força de luz recebida no dedo vai aumentar a quantidade de força de luz que pode ser transmitida através do dedo e, por conseguinte, aumenta a força de luz que pode ser detectada no bloco detector 432.

[0049] Voltando à figura 4, os feixes de luz 404, 406, 408, 410 são

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17/18 atenuados pelo dedo e componentes do sistema óptico de medição 400, e, portanto, os feixes de luz atenuados 418, 420, 422, 424 são emitidos do dedo. Os feixes de luz atenuados 418, 420, 422, 424 que são emitidos do dedo entram em um funil de coleta de luz 426 através de uma abertura de entrada 428 (primeira abertura) e saem do funil de coleta de luz 426 através de uma abertura de saída 430 (segunda abertura). O diâmetro da abertura de entrada 428 do funil de coleta de luz 426 é menor ou igual ao diâmetro da abertura de saída 430. Por exemplo, de acordo com uma modalidade, o diâmetro da abertura de saída 430 é de aproximadamente 1,58 cm (0,625 (5/8) de polegada) e o diâmetro da abertura de entrada 428 é de aproximadamente 6,35 mm (0,25 de polegada). Como um resultado, o funil de coleta de luz 426 coleta feixes de luz atenuados 418, 420, 422, 424 de forma mais eficiente e os distribui através de um bloco detector 432.

[0050] A estrutura do funil de coleta de luz 426 pode ser substancialmente semelhante à estrutura do funil de luz de iluminação 412 descrita na figura 5. Por exemplo, o funil de coleta de luz 426 tem uma parede externa substancialmente cilíndrica 502 e uma abertura central 504 definida por uma parede interna de 506 que é de uma conformação troncocônica. O coletor do funil de luz 426 também pode ser formado a partir de plástico, metal ou outro material adequado ou composto/camadas de material com qualquer índice(s) de refração desejado(s). De acordo com um aspecto, o funil de coleta de luz 426 é formado de metal e a superfície da parede interna de conformação troncocônica é feita altamente reflexiva. Foi observado que a eficiência total de coleta do funil de coleta de luz é mais de 80%, que é 8 vezes daquela obtida usando-se a estrutura tradicional de coleta ótica mostrada na figura 3. A combinação de utilizar um funil de iluminação de luz 412 e o funil de coleta de luz 426 pode aumentar a força de luz recebida pelo dedo por cerca de 40 a cerca de 80 vezes em comparação

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18/18 com a configuração óptica na figura 3.

[0051] O bloco detector 432 está posicionado abaixo da abertura de saída 430 do funil de coleta de luz 426 e compreende uma pluralidade de dispositivos sensores de luz (por exemplo, dispositivos sensores de luz 228, 230, 232, 234) como um arranjo de fotodiodos. De acordo com um aspecto do sistema óptico de medição 400, cada um dos dispositivos sensores de luz detecta um comprimento de onda de luz específico como definido por um filtro de interferência correspondente colocado no topo do detector.

[0052] Um processador (por exemplo, processador 243) pode ser acoplado ao bloco detector 432 e configurado para calcular a mudança de sinais de corrente gerados pelos dispositivos sensores de luz. Por exemplo, como descrito acima, em referência à figura 2, o processador de 232 executa um algoritmo, como mostrado na equação (5), para calcular a mudança na absorção de luz (ΔΑ) somente causada pelo sangue no dedo. Posteriormente, este cálculo quantitativo da absorção da luz do sangue pode ser usado para determinar uma característica do sangue.

[0053] As modalidades da invenção podem também incluir métodos de usar um funil de luz de iluminação, funil de coleta de luz ou aparelho aqui descrito. Uma fonte de luz pode contatar um alvo através de um funil de iluminação, suficiente para gerar luz transmitida, transfletida ou refletida. A luz transmitida, transfletida ou refletida pode entrar em um funil de coleta de luz e ser direcionada para um ou mais detectores, por exemplo.

Claims

1. Funil de luz de iluminação (412), caracterizado pelo fato de compreender:

uma primeira abertura (414), posicionada para receber uma fonte luminosa entrante;

uma segunda abertura (416), posicionada oposta à primeira abertura e com um diâmetro menor do que a primeira abertura;

paredes reflexivas internas, em contato com a primeira abertura (414) e a segunda abertura (416);

em que o funil (412) é de conformação tronco-crônica e tem um meio ângulo de menos de 25 graus; e uma passagem para receber uma amostra biológica localizada diretamente abaixo da segunda abertura (416).

2. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o funil tem um meio ângulo de 10 a 15 graus.

3. Funil de luz de iluminação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma placa de circuito impresso posicionada próximo ou em contato com a primeira abertura.

4. Funil de luz de iluminação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma pluralidade de fontes de luz posicionada próxima da primeira abertura.

5. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de fontes de luz está em contato com uma placa de circuito impresso, posicionada próxima ou em contato com a primeira abertura.

6. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação

4, caracterizado pelo fato de que as fontes de luz compreendem dio-

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2/4 dos emissores de infravermelho.

7. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as fontes de luz são posicionadas em um arranjo tridimensional.

8. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação

7, caracterizado pelo fato de que o arranjo tridimensional compreende as fontes de luz posicionadas em camadas horizontais e verticais.

9. Funil de luz de iluminação de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as fontes de luz compreendem fontes de luz incandescente.

10. Funil de captação de luz (426), caracterizado pelo fato de compreender:

uma primeira abertura (428), posicionada para receber uma fonte de luz de amostra que chega;

uma segunda abertura (430), posicionada oposta à primeira abertura (428) e com um diâmetro maior do que a primeira abertura (428);

paredes reflexivas internas, em contato com a primeira abertura (428) e a segunda abertura (430);

em que o funil (426) é de conformação tronco-crônica;

uma passagem para receber uma amostra biológica localizada diretamente abaixo da primeira abertura (428); e pelo menos um detector de luz abaixo da segunda abertura (430).

11. Funil de captação de luz de acordo com a reivindicação

10, caracterizado por adicionalmente compreender um ou mais detectores posicionados próximos ou em contato com da segunda abertura.

12. Funil de captação de luz de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um detector de luz compreende uma série do detector.

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13. Funil de captação de luz de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender adicionalmente um ou mais filtros, grades ou lentes posicionados entre o funil e pelo menos um detector de luz.

14. Aparelho, caracterizado pelo fato de compreender:

uma fonte de luz configurada para gerar uma pluralidade de feixes de luz (404) (406) (408) (410);

um funil de luz de iluminação (412), de conformação troncocrônica, para coletar a pluralidade de feixes luminosos (404) (406) (408) (410) através de uma abertura de entrada (414) que tem um primeiro diâmetro e para focalizar e dirigir a pluralidade de feixes luminosos à área alvo com uma abertura de saída (416) que tem um segundo diâmetro, em que o segundo diâmetro é menor do que o primeiro diâmetro;

um funil de captação de luz (426), de conformação troncocrônica, para coletar a pluralidade de feixes de luz (418) (420) (422) (424) emitida da área alvo em uma segunda abertura de entrada que tem um terceiro diâmetro e para dirigir a pluralidade de feixes de luz através de uma segunda abertura de saída que tem um quarto diâmetro, em que o terceiro diâmetro é menor do que o quarto diâmetro;

uma passagem para receber uma amostra biológica localizada na área alvo entre o funil de luz de iluminação e o funil de captação de luz;

um detector (432) que compreende uma pluralidade de dispositivos de detecção cada um configurado para detectar um feixe de luz dirigido através da segunda abertura de saída e gerar um sinal de saída indicativo da potência de luz detectada; e um processador para analisar o sinal de saída e gerar dados da medida.

15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracteri

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4/4 zada pelo fato de que a fonte de luz compreende um ou mais diodos emissores de luz.

16. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que a faixa de comprimento de onda compreende faixas de comprimento de onda divergentes entre e 800 nm e 1200 nm.

17. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é posicionada na abertura de entrada do funil de luz de iluminação.

18. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a fonte de luz compreende uma ou mais fontes de luz incandescente.

19. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que um ou mais filtros, grades ou lentes posicionados entre o funil captação de luz e o detector.

20. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma pluraridade de filtros de interferência cada um configurado para passar uma diferente pluralidade de feixes de luz direcionados através da segunda abertura de saída como uma função de faixa de comprimento de onda, em que a pluralidade de filtros de interferência está posicionada entre o funil captação de luz e o detector.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que cada um da pluralidade de dispositivos sensores de luz são configurados para detectar um feixe de luz de um comprimento de onda específico ou comprimento de onda conforme definido pelo correspondente filtro de interferência a partir de uma pluralidade de filtros de interferência através dos quais passa o feixe de luz.