BRPI0818177B1

BRPI0818177B1 - Aparelho

Info

Publication number: BRPI0818177B1
Application number: BRPI0818177-2A
Authority: BR
Inventors: Zhi Xu
Original assignee: The Curators Of The University Of Missouri
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2022-09-27
Also published as: CA2700996C; EP2198268A1; CA2700996A1; AU2008307505A1; HK1151351A1; CN101903757A; US7809418B2; WO2009045492A1; EP2198268A4; BRPI0818177A2; EP2198268B1; JP2010540964A; RU2478197C2; AU2008307505B2; US20090105565A1; CN101903757B; RU2010117396A

Abstract

COMPONENTES PARA DISPOSITIVO ÓPTICO. As modalidades da invenção referem-se a um aparelho incluindo uma fonte de luz para gerar uma pluralidade de feixes de luz com cada da pluralidade de feixes de luz tendo uma diferente faixa de comprimento de onda. O aparelho também inclui um funil de luz para direcionar a pluralidade de feixes de luz para a área-alvo, uma abertura para direcionar a pluralidade de emissões de feixes de luz da área-alvo para uma lente, a lente configurada para coletar as emissões de feixes de luz da área-alvo. Adicionalmente, o aparelho inclui um detector que tem uma pluralidade de dispositivos sensores de luz, cada um configurado para detectar um feixe de luz e configurado para gerar um sinal de saída indicativo de uma intensidade de luz detectada e um processador para determinar as características do sangue como uma função de cada sinal de saída gerado.

Description

PRIORIDADE DA INVENÇÃO

[0001] Este pedido reivindica o benefício de prioridade para o Pedido de Patente Provisório Série No 60/977.461, depositado em 04 de outubro de 2007, que está aqui incorporado a título de referência na sua totalidade.

ANTECEDENTES

[0002] 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.

[0003] A diabetes é uma doença crônica que, quando não controlada, ao longo do tempo leva a sérios danos a vários sistemas do corpo, incluindo os nervos, vasos sanguíneos, olhos, rins e coração. O Instituto Nacional de Diabetes e Doenças Digestivas e do Rim (NIDDK) estima que 23,6 milhões de pessoas, ou 7,8 por cento da população dos Estados Unidos têm o diabetes desde 2007. Globalmente, a Or-ganização Mundial da Saúde (OMS) estima que mais de 180 milhões de pessoas têm diabetes, um número que espera aumentar para 366 milhões até 2030, com 30,3 milhões nos Estados Unidos. Segundo a OMS, cerca de 1,1 milhão de pessoas morreram de diabetes em 2005. Eles projetam que as mortes por diabetes aumentarão em mais de 50% entre 2006 e 2015, globais e por mais de 80% em países de renda média-alta.

[0004] O impacto econômico do diabetes para os indivíduos e a sociedade como um todo é substancial. Segundo a Associação Americana de Diabetes, o custo total anual econômico do diabetes foi estimado em $174 bilhões de dólares nos Estados Unidos em 2007. Isto representa um aumento de US $ 42 bilhões desde 2002. Isso significa aumento de 32% a quantidade do dólar subiu mais de US$8 bilhões a mais a cada ano.

[0005] Um elemento vital da administração da diabetes é a auto- monitoramento concentração da glicose no sangue (SMBG) de diabéticos no ambiente doméstico. Ao testar os níveis de glicose no sangue, muitas vezes, os diabéticos podem administrar melhor a medicação, dieta e exercício para manter o controle e prevenção a longo prazo, resultados negativos de saúde. Na verdade, o Controle da Diabetes e o Ensaio de Complicações (DCCT), que acompanharam 1.441 diabéticos durante vários anos, mostraram que aqueles que seguem um programa de controle intensivo do açúcar com múltiplos testes de sangue a cada dia, em comparação com o grupo de tratamento-padrão tinha apenas 1/4 como muitas pessoas que desenvolvem a doença diabética dos olhos, 1/2 como muitos que desenvolvem doença renal, 1/3 como muitos que desenvolvem doença de nervos, e bem menos pessoas que já tiveram formas dessas três complicações piorou.

[0006] No entanto, as técnicas de monitoramento atuais desencorajam o uso regular devido à natureza inconveniente e dolorosa da retirada de sangue através da pele antes da análise, que faz com que muitos diabéticos não sejam tão diligentes como eles devem ser para um bom controle da glicemia. Como resultado, a medição não invasiva da concentração de glicose é um desenvolvimento desejável e benéfi- co para a administração da diabetes. Um monitor não invasivo fará testes várias vezes por dia sem dor e mais palatável para as crianças com diabetes. De acordo com um estudo publicado em 2005 (J, Wag-ner, C. Malchoff e G. Abbott Diabetes Technology & Therapeutics, 7 (4) 2005, 612-619), pessoas com diabetes SMBG iriam realizar com mais frequência e melhorariam a qualidade de vida com um aparelho não-invasivo de monitoramento da glicemia.

[0007] Existe um número de abordagens não invasivas para determinação de glicose no sangue. Uma técnica não invasiva de 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 a 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

[0008] Modalidades da invenção se referem a um aparelho que inclui uma fonte de luz para gerar uma pluralidade de feixes de luz com cada uma da pluralidade de feixes de luz tendo diferentes faixas de comprimento de onda. O aparelho também inclui um funil de luz para direcionar os feixes de luz para a área-alvo, uma abertura para direcionar a pluralidade de feixes de luz emissores da área-alvo para uma lente, a lente configurada para coletar os feixes de luz emissores da área-alvo. Adicionalmente, o aparelho inclui um detector incluindo uma pluralidade de dispositivos sensores de luz cada um configurado para detectar um feixe de luz e configurado para gerar um sinal de saída indicativo de uma intensidade de luz detectada e um processador para determinar as características do sangue como uma função de cada sinal de saída gerado.

[0009] As modalidades se referem a um sistema de coleta de luz, incluindo uma lente posicionada adjacente a uma área-alvo, uma abertura posicionada entre a lente e a área-alvo e configurada para direcionar uma pluralidade de feixes de luz emissores da área-alvo; e um ou mais filtros.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00010] Nos desenhos, que não estão necessariamente desenhados em escala, os números similares descrevem substancialmente componentes similares por todas as diversas vistas. Os números simi-lares que têm sufixos de letras diferentes representam diferentes 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.

[00011] As Figuras 1A-B ilustram gráficos de uma onda de pulso correspondente à absorção da luz de sangue arterial, de acordo com algumas modalidades.

[00012] A Figura 2 ilustra uma configuração óptica, de acordo com algumas modalidades.

[00013] A Figura 3 ilustra uma configuração para executar medições ópticas de uma amostra biológica, de acordo com algumas modalidades.

[00014] As Figuras 4A-B ilustram uma configurações ópticas para executar medições ópticas de uma amostra biológica, de acordo com algumas modalidades.

[00015] A Figura 5 ilustra uma vista em corte transversal de um funil de luz, de acordo com algumas modalidades.

[00016] A Figura 6 ilustra componentes de fonte de luz, de acordo com algumas modalidades.

[00017] 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

[00018] 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 feitas 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.

[00019] 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 do-cumento 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.

[00020] As modalidades da presente invenção se referem a componentes ópticos, tais como funis de luz para iluminação e medição de propriedades ópticas de uma amostra. Embora a amostragem espec- troscópica 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 em sangue venoso, que ocorre na ponta do dedo.

[00021] 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, as-sumindo-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 se-gundo, 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 ex-cluídos. 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.

[00022] 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 humano é I0, as transmitâncias que correspondem às fotocorrentes de pico e vale podem ser definidas como:

e

A absorbância de pico e vale correspondentes são:

e

A diferença entre Av e Ap reflete a absorção e difusão da luz somente pelo sangue no dedo:

[00023] 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.

[00024] 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 DA, 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.

[00025] 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 limita-ções 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.

[00026] 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 huma- no. 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 1600 funcionar. Por exemplo, o primeiro feixe de luz 204 pode ter uma faixa de comprimentos de onda entre 850-900 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 descrito 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.

[00027] 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.

[00028] 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 (IF) 236, 238, 240, 242, respectivamente. O filtro de interferência transmite uma ou mais bandas espectrais ou linhas de luz e outros blocos.

[00029] 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.

[00030] Um processador 243 é acoplado ao bloco detector 226 e é configurado para calcular a mudança de sinais fotocorrentes 244, 246, 248, 250.

[00031] 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 (DA) causada somente pelo sangue no dedo. Pos-teriormente, 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.

[00032] 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.

[00033] 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.

[00034] 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.

Luz de Iluminação de Baixa Força

[00035] 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 diâ-metro 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

[00036] 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 (μW) (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

[00037] A luz é emitida a partir da abertura de saída 306 em todas as direções no ângulo sólido de 2p 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 μW 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

[00038] 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 quí-micos 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

[00039] 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 a5 nW, assumindo uma distribuição uniforme de força em toda a região de comprimento de onda 850 nm a 1100 nm. Além disso, a transmi- tância 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

[00040] 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 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 DA, 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 DA, a força da luz recebida pelos detectores deve ser aumentada além de 40 vezes.

[00041] A Figura 4A 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 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 1600nm, 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.

[00042] 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 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.

[00043] 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 conforma- ção tronocônica 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 troncônica 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 compos- to/camadas de material, com qualquer índice(s) de refração deseja- do(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 saída 508 pode ser aumentada por um fator de 50 a 100 sobre a intensidade da luz na entrada 504.

[00044] 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 próximo 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.

[00045] 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 troncônica 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.

[00046] 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 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.

[00047] 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 428.

[00048] Voltando à Figura 4A, os feixes de luz 404, 406, 408, 410 são atenuados pelo dedo e componentes do sistema óptico de medição 400. Os feixes de luz atenuados passam então por uma abertura de saída 418, coletados por uma lente esférica 430. Os feixes 432 que saem da lente 430 podem então passar através dos filtros 426 para os detectores 428.

[00049] A maior vantagem de usar uma lente esférica 430 para coleta de luz é seu ângulo sólido muito maior para coleta de luz. Quando configurada apropriadamente, a força de luz total recebida por cada detector pode ser aumentada por um fator 3 a 4 quando uma lente esférica 430 é usada para coletar a luz emitida da área-alvo em comparação com a configuração de coleta de luz mostrada na Figura 3. A combinação de utilizar um funil de luz de iluminação 412 e uma lente esférica 430 como coletor de luz pode aumentar a força da luz recebida por cada detector por cerca de 20 a cerca de 40 vezes em comparação com a configuração mostrada na Figura 3.

[00050] O bloco detector 428 é posicionado abaixo da lente esférica 430 e pode incluir uma pluralidade de dispositivos sensores de luz, tal 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 específico de luz como definido por um filtro de interferência 426, correspondente, colocado no topo do detector.

[00051] Um processador (por exemplo, processador 243) pode ser acoplado ao bloco detector 428 e configurado para calcular uma mudança de sinais corrente gerada por dispositivos sensores de luz. Por exemplo, como descrito acima em referência à Figura 2, o processador 243 executa um algoritmo tal como mostrado na equação (5) para calcular a mudança da absorção de luz (DA) causada somente pelo sangue no dedo. Depois disso, esse cálculo quantitativo de absorção de luz do sangue pode ser usado para determinar uma característica do sangue.

[00052] A Figura 4B ilustra uma outra configuração óptica para executar detecção óptica de uma amostra biológica de acordo com um aspecto do presente sistema óptico de medição 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 comprimento de luz diferente. Por exemplo, o primeiro feixe de luz 404 pode ter uma faixa de comprimento de onda entre 850 - 920 nm, o segundo feixe de luz 406 pode ter uma faixa de comprimento de luz 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 de comprimento de onda total pode incluir de cerca de 800 nm a cerca de 1200 nm, por exemplo. Embora o sistema óptico de medição 400 seja descrito aqui como geran- do quatro (4) feixes de luz, é contemplado que a fonte de luz pode ser alterada para gerar feixes de luz menores ou feixes de luz adicionais em outras modalidades.

[00053] 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 da abertura de saída 416. O diâmetro da abertura de saída 416 do funil de luz de iluminação 412 é menor do que ou igual ao diâmetro da abertura de entrada 414. Por exemplo, de acordo com uma modalidade, o diâmetro da abertura de entrada 414 é aproximadamente de 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 de polegada). Dessa maneira, ao contrário da configuração descrita na Figura 3, o funil de luz de iluminação 412 focaliza 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 significantemente aumentar a força total de luz recebida pela área-alvo em comparação com a configuração da Figura 3, e, desse modo, substancialmente aumentar a Razão Sinal-Ruído.

[00054] Como mostrado pela Figura 4B, os feixes de luz 404, 406, 408, 410 são alternados pelo dedo e componentes do sistema óptico de medição 400. Os feixes NIR de luz atenuada então passam em uma abertura de saída 418, coletados por uma lente de condensação 420, e projetados para um dispositivo de rede de transmissão 422.

[00055] Como mostrado na Figura 4B, a rede de difração de transmissão 422 angularmente determina os vários componentes de comprimento de onda dos feixes de luz NIR misturados em um espectro com o comprimento de luz aumentando monotonicamente na direção descrita pela seta. Em outras palavras, porque o ângulo de difração de um feixe de luz particular depende do comprimento de onda do feixe de luz, cada um dos feixes de luz pode ser separado pelo comprimen- to de onda. O espectro óptico 424 que sai da rede de difração de transmissão 422 é então estreitado para baixo por interferência do arranjo de filtro 426 e detectado pelo arranjo de diodo 428. O comprimento de onda central de cada filtro de interferência no arranjo de filtro 426 é disposto para aumentar monotonicamente para coincidir com o componente de comprimento de onda correspondente do espectro que vem da rede de difração de transmissão 422.

[00056] Em comparação com a estrutura óptica de coleta na Figura 3 onde toda a distribuição de força de luz de 850 nm para 1100 nm é enviada para todo detector, a abordagem utilizando rede de difração de transmissão enviará a cada detector somente componentes de comprimento de onda próximos do comprimento de onda do filtro correspondente. Como resultado, a quantidade de luz gasta é dramaticamente reduzida e a força de luz recebida pelos fotodiodos é aumentada por um fator de 10 a 20 sobre a configuração de coleta de luz descrita com referência à Figura 3. Desse modo, a combinação de utilizar um funil de luz de iluminação 412, uma lente esférica 420 como coletor de luz, e uma rede de difração de transmissão 422 como dispositivo de separação de comprimento de onda pode aumentar a força da luz recebida pelos fotodiodos por cerca de 100 a cerca de 200 vezes em comparação com a configuração óptica mostrada na Figura 3.

[00057] As modalidades da invenção podem também incluir métodos de usar o aparelho como descrito acima ou um sistema de coleta de luz. A fonte de luz pode contatar um alvo através de um funil de luz, suficiente para gerar luz transmitida, "transflected" ou refletida. A luz transmitida, "transflected" ou refletida pode entrar em um sistema de coleta de luz e ser direcionada para um ou mais detectores, por exemplo.

Claims

1. Aparelho caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de luz (402) para gerar uma pluralidade de feixes de luz (404, 406, 408, 410), cada da pluralidade de feixes de luz (404, 406, 408, 410) tendo uma diferente faixa de comprimento de onda; um funil de luz (412), de conformação troncônica, para coletar a pluralidade de feixes de luz através da abertura de entrada (414) tendo um primeiro diâmetro e para direcionar a pluralidade de feixes de luz para uma área-alvo para posicionar um dedo humano através de uma abertura de saída (416) tendo um segundo diâmetro, em que o segundo diâmetro é menor do que o primeiro diâmetro; uma abertura (418) para direcionar a pluralidade de emissões de feixes de luz (404, 406, 408, 410) da área-alvo; uma lente (430) configurada para coletar a pluralidade de feixes de luz (404, 406, 408, 410) direcionada da abertura (418); um detector (428) compreendendo uma pluralidade de dispositivos sensores de luz (426) cada um configurado para detectar um feixe de luz que passa através da lente (430) e configurado para gerar um sinal de saída indicativo de uma intensidade de luz detectada; e um processador (243) configurado para uma característica do sangue como uma função de cada sinal de saída gerado, e em que o sinal de saída contém informação de uma absorção de luz pelo dedo humano exibindo um padrão cíclico que corresponde a um batimento cardíaco.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma pluralidade de filtros de interferência (426) cada um configurado para passar uma diferente dentre a pluralidade de emissões de feixes de luz da área-alvo como uma função da faixa de comprimento de onda, em que a pluralidade de filtros de interferência (426) é posicionada entre a lente (430) e o detector (428).

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma rede de transmissão (422), posicionada entre a lente (430) e o detector (428).

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz (402) compreende um ou mais diodos emissores de luz.

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz (402) compreende uma ou mais fontes de luz incandescente.

6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma faixa de comprimento de luz compreende diferentes faixas de comprimento de luz entre cerca de 800 nm e cerca de 1600 nm.

7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz (402) é posicionada na abertura de entrada do funil de luz (412).

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende: um ou mais filtros (426) posicionados entre a lente e o detector.

9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma rede de transmissão (422), posicionada entre a lente e um ou mais filtros.

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que um ou mais filtros são filtros de interferência.

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o um ou mais filtros de interferência (426) são, cada um, configurados para passar uma diferente dentre a pluralidade de emissões de feixes de luz da área-alvo como uma função de faixa de comprimento de onda.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o um ou mais detectores (428) são posicionados próximo ou em contato com um ou mais filtros (426).

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o um ou mais detectores (428) compreende um arranjo detector.

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de feixes de luz (404, 406, 408, 410) é gerada de fontes de luz incandescentes.

15. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de feixes de luz (404, 406, 408, 410) é gerada de diodos de emissão de infravermelho.