KR102591540B1 - 재료 분석을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 그 중에서도, 재료(101)를 분석하기 위한 장치(10)에 관한 것으로서, 그러한 장치는, 적어도 하나의 여기 파장을 가지는, 적어도 하나의 전자기 여기 빔(SA), 특히 여기 광 빔을 생성하기 위한 여기 방출 장치(100)를 포함하고, 반응 신호(SR)를 검출하기 위한 검출 장치(106), 및 검출된 반응 신호(SR)를 기초로 재료를 분석하기 위한 장치(107)를 더 포함한다.

Description

재료 분석을 위한 장치 및 방법
본 지적재산권은 재료 분석을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 여기에서 설명된 장치 및 여기에서 설명된 과정은 예를 들어, 글루코스 또는 혈당의 측정을 위한 일 실시예에서, 동물 또는 인간 조직의 분석을 위해서 이용될 수 있다.
재료 분석을 위한, 특히 혈당의 측정을 위한 공지된 방법이 예를 들어 이하의 간행물에 설명되어 있다:
- Guo et al.: "Noninvasive glucose detection in human skin -using wavelength modulated differential laser photothermal radiometry", Biomedical Optics Express, Vol, 3, 2012, No. 11,
- Uemura et al.: "Non-invasive blood glucose measurement by Fourier transform infrared spectroscopic analysis through the mucous membrane of the lip: application of a chalcogenide optical fiber System", Front Med Biol Eng. 1999; 9(2): 137-153,
- Farahi et al.: "Pump probe photothermal spectroscopy using quantum cascade lasers", J. Phys. D. Appl. Phys. 2012 and
- M. Fujinami et al.: "Highly sensitive detection of molecules at the liquid/liquid interface using total internal reflection-optical beam deflection based on photothermal spectroscopy", Rev. Sei. Instrum., Vol. 74, Number 1 (2003).
- (1) von Lilienfeld-Toal, H. Weidenmueller, M. Xhelaj, A. Maentele, W. A Novel Approach to Non-Invasive Glucose Measurement by Mid-Infrared Spectroscopy: The Combination of Quantum Cascade Lasers (QCL) and Photoacoustic Detection Vibrational Spectroscopy, 38:209-215, 2005.
- (2) Pleitez, M. von Lilienfeld-Toal, H. Maentele W. Infrared spectroscopic analysis of human interstitial fluid in vitro and in vivo using FT-IR spectroscopy and pulsed quantum cascade lasers (QCL): Establishing a new approach to non-invasive glucose measurement Spectrochimica acta. Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy, 85:61-65, 2012
- (3) Pleitez, M. et al. In Vivo Noninvasive Monitoring of Glucose Concentration in Human Epidermis by Mid-Infrared Pulsed Photoacoustic Spectroscopy Analytical Chemistry, 85: 1013 -1020, 2013.
- (4) Pleitez, M. Lieblein, T. Bauer, A. Hertzberg, 0. von Lilienfeld-Toal, H. Maentele, W. Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis: Low interference by changes of air pressure, temperature, and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid Review of Scientific Instruments 84, 2013
- (5) M. A. Pleitez Rafael, 0. Hertzberg, A. Bauer, M. Seeger, T. Lieblein, H. von Lilienfeld-Toal, and W. Maentele. Photo-thermal deflectometry enhanced by total internal reflection enables non-invasive glucose monitoring in human epidermis. The Analyst, November 2014.
본 발명의 목적은, 재료, 특히 동물이나 사람의 조직 또는 조직의 구성요소 또는 성분을 특히 단순하고 비용-효과적으로 분석할 수 있게 하는 장치를 특정하는 것이다.
이러한 목적은, 특히, 제1항에서 규정된 바와 같은 특징을 가지는 장치에 의해서 달성된다. 장치의 실시예가 종속항에서 특정된다.
독일 특허 DE 10 2014 108 424 B3을 참조하며, 그러한 특허의 내용이 구체적으로 참조되며, 그 내용은 본원을 확장하며; 여기에서 이루어진 이러한 명백한 참조에 의해서, 독일 특허 DE 10 2014 108 424 B3의 전체 내용은, 그에 따라, 본원의 개시 내용의 일부로서 또한 간주된다(그러한 개시 내용의 모든 상세 내용의 "참조에 의한 포함"). 특히, 이러한 참조는 허여된 특허 청구항에서 주어진 특징 모두와 관련된다. 또한, 참조는, 예를 들어, 인용된 펄스 주파수 및 파장(파장 범위)의 수치 값에 대해서, 그리고 또한 간질 유체(interstitial fluid) 내의 글루코스 함량의 측정과 관련된 상세 내용에 대해서 언급된 여기 광 빔에 관한 상세 내용에 특히 관련된다.
출원시에 직접적으로 그리고 명백하게 언급된 청구항의 청구 대상 예시적인 실시예에 더하여, 본 PCT 재산권 출원은 또한, 본 설명의 말미에 나열된 다른 양태와 관련된다. 이러한 양태들은, 개별적으로 또는 그룹으로, 출원시에 기재된 청구항의 특징과 조합될 수 있다. 이러한 양태는, 단독적으로 취해지든지 또는 서로 또는 청구항의 청구 대상과 조합되어 취해지든지 간에, 독립적인 발명을 나타낸다. 출원인은 이러한 발명을 추후에 청구항의 청구 대상으로 만들 권리를 보유한다. 이는, 본 출원의 문맥에서 또는 후속 분할 출원, 계속 출원(미국 내), 부분-계속 출원(미국 내) 또는 이러한 출원의 우선권을 주장하는 후속 출원의 문맥에서 이루어질 수 있다.
그러나, 이하에서, 출원시에 언급된 청구항의 청구 대상이 먼저 설명될 것이다.
적어도 하나의 전자기 여기 빔, 특히 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 여기 광 빔을 생성하기 위한 여기 전달 장치, 응답 신호를 검출하기 위한 검출 장치, 및 검출된 응답 신호를 기초로 재료를 분석하기 위한 장치를 가지는, 재료 분석을 위한 장치가 제공된다.
이러한 장치의 주요 장점은, 매우 단순하고 신뢰 가능한 방식으로 재료를 분석하기 위해서 그러한 장치가 이용될 수 있다는 사실이다.
체액 내의 주어진 물질의 농도 측정이 또한, ISF(간질 유체) 내의 글루코스의 예를 이용하여, 본 지적재산출원에서 설명된다. 그러나, 본원의 여러 청구 대상이 그러한 것으로 제한되지 않는다.
다른 (신체적 또는 비-신체적) 물질이 측정될 수 있고, 예를 들어, 그러한 것이 DE 10 2014 108 424 B3 및 그 우선권을 주장하는 PCT 출원에서 설명된다.
특히, 방법 및 장치가 또한 약물 레벨 결정("약물 모니터링")을 위해서 이용될 수 있다. 이러한 지적재산 보호 권리의 맥락에서, 이는, 인간 또는 동물 신체의 혈액 또는 다른 유체-함유 공간 내의, 예를 들어 혈청 또는 혈장, 타액 또는 림프액 내의 약물의 농도를, 특히 또한 비침습적으로 그리고 간질 유체 내의 생체내에서, 측정하는 것을 포함하는 것으로 이해된다.
특히, 좁은 치료 범위를 가지는 약물의 투여(dosing)를 개선하기 위해서, 약물 레벨 결정이 또한 이용될 수 있다. 특히, 쉽게 과다 투여 또는 과소 투여될 수 있는, 농도가 다른 약품에 의해서 쉽게 영향을 받을 수 있는 또는 특정 농도 초과에서 독성 효과를 가지는 약품의 경우에, 약물 모니터링은 유용한 기술이다. 충족시키고자 하는 적절한 벤치마크(benchmark)의 예는 특정 유효 레벨에의 도달 또는 유지 그리고 필요한 개별적인 약물 투여량의 결정이다.
이러한 보호 권리 문헌에서 제시된 방법 및/또는 장치를 이용할 때, 예를 들어 파라세타몰, 페니토인, 발프로산, 라모트리진, 페노바르비탈, 플레카이니드, 디지톡신, 디고신, 타크로리무스, 에버롤리무스, 아미오다론, 아미노글리코시드, 테오필린, 반코마이신, 리튬, 카르바마제핀, 시롤리무스, 메토트렉세이트 및 다른 재료의, 의학적으로 중요한 레벨이 신속하게 또는 심지어 실시간으로 결정될 수 있고, 각각의 경우에 상이한 분광학적 "지문(fingerprint)" 즉, 특징적 극단값(characteristic extrema)(특히, 절대적 및 상대적 흡수 최대치 및 최소치)은 각각의 물질의 검출 및 식별을 돕는다.
청구범위에서 제공된 장치는, 각각의 경우에, 제어 루프가 형성될 수 있게 하기 위해서, 언급된 물질 중 하나 이상의 1회분의 투약(dosed administration)을 위한 투여 장치와 연관될 수 있다.
특히 ISF 내의 글루코스의 측정과 관련하여, 특징적인 극단값의 평가에서의 오직 유일한 진정 임상적으로 유용한 결과는 중간 적외선 범위 내에서, 그리고 특히, 이러한 범위 내의 흡수 최대치 및 최소치의 검출이 복수의 비교적 근접하게 이격된 파장들로 실시되는 경우에 얻어 졌다는 것에 주목할 수 있다. 이는, 충분히 정확한 측정 결과가 항상 얻어지도록, (레이저의 온도 민감도, 평가 전자기기 내의 노이즈, 등에 의해서 유발되는) 부정확성을 보상하기 위해서 이용된다. 방출하고자 하는 파장의 수와 관련하여, 특허 청구항을 참조한다. 만약 물질의 3개의 특징적인 인접 극단값들(즉, 상대적 또는 절대적 최소치 및/또는 최대치)이 존재한다면, 예를 들어, 2개의 외부 극단값들 사이의 간격 내에서 적어도 10개, 바람직하게 적어도 20개의 파장이 방출되는 것이 유리할 수 있다.
광이라는 용어는 여기에서 가시광선 범위, 근적외선 및 원적외선 범위 그리고 UV 범위 내의 전자기파 또는 전자기 복사선을 의미하는 것으로 이해된다.
장치의 예시적인 실시예에서, 이하가 제공된다:
여기 전달 장치는 복사선 공급원이고, 일 실시예에서, 단색성, 특히 편광형 복사선 공급원 또는 광원, 보다 특히 레이저 광원이고,
- 장치는, 재료와, 특히 재료의 표면의 제1 영역과 직접 접촉되는 광학 매체를 가지고,
- 여기 전달 장치는 바람직하게, 방출된 여기 빔이 광학 매체를 침투하고 광학 매체의 표면 상의 미리 결정된 지점에서 그러한 광학 매체를 재차 빠져나가는 방식으로, 배열되고, 그리고
- 장치는 측정 빔, 특히 측정 광 빔을 방출하기 위한 시스템을 포함하고, 그러한 시스템은, 방출된 측정 빔이 광학 매체 내로 침투하는 방식으로 배열되며, 동작 중에, 측정 빔 및 여기 빔은 바람직하게, 측정 빔이 반사되는, 광학 매체 및 재료의 표면의 인터페이스(interface)에서 중첩되며, 그리고
- 검출 장치는, 응답 신호를 형성하는 반사된 측정 빔을 수신하기 위한, 및/또는 반사된 측정 빔의 편향을 직접적으로 또는 간접적으로 검출하기 위한 장치이다.
바람직하게, 장치는 재료와, 특히 일 실시예에서 인간의 피부인, 재료의 표면의 제1 영역과 직접 접촉되는 광학 매체를 가지고, 응답 신호의 검출을 위해서, 검출 장치는, 응답 신호의 결과로서의, 특히 제1 영역에 인접한 영역 내의, 광학 매체의 매개변수 변화, 특히 국소적이고 시간-의존적인 가열의 결과로서의 광학 매체의 변형 및/또는 밀도 변화를 검출한다. 광학 매체는, 적외선 또는 자외선, 특히 여기 빔 및 측정 빔에 대해서 광학적으로 투명한 또는 투명한 재료, 예를 들어 유리, 크리스탈, 아연 황화물(ZnS), 아연 셀렌화물(ZnSe), 게르마늄(Ge), 규소(Si) 및 다이아몬드 또는 투명 플라스틱, 일 실시예에서 폴리에틸렌으로 구성될 수 있다. 피분석 재료로부터 또는 재료의 물질(substance of the material)로부터 광학 매체 내로의 열의 전달 또는 이송에 응답한 국소적인 가열은, 검출 가능한, 내부의 변화, 예를 들어 재료 변형 또는 열 응력을 초래하거나 굴절률의 국소적인 변화를 초래한다.
재료는, 일 실시예에서, 특히 인간의, 살아있는 기관의 조직일 수 있고, 재료 표면은 피부일 수 있다. 조직 내의 물질이 이어서 분석되거나 측정될 수 있다.
또한, 검출 장치가, 응력, 변형 및/또는 밀도 변화를 검출하기 위한 검출기로서, 광학 매체에 연결되거나 그 내부에 통합된 피에조-요소(piezo-element)를 가지는 것이 제공될 수 있다.
또한, 검출 장치가, 응답 신호 검출을 위한 검출기로서, 적어도 하나의 온도 센서를 가지는 것이 제공될 수 있다. 이는, 측정 원리에 따라, 직접적으로 광학 매체 상에 또는 그 주위에 배열될 수 있다.
바람직하게, 장치는 여기 광 빔의 세기 변조를 위한 시스템을 갖는다.
검출 장치는, 바람직하게, 여기 광의 파장 및/또는 여기 광의 세기 변조에 따라 시간-의존적 응답 신호를 검출하는데 있어서 적합하다.
또한, 여기 전달 장치가 적어도 하나의 전자기 여기 빔을, 재료의 표면의 제1 영역 아래에 있는, 재료의 부피 내로 복사하는 것이 제공될 수 있다.
특히 바람직하게, 여기 전달 장치는, 특히 1-, 2-, 또는 다-차원적 전달 요소 어레이 형태의, 2개 이상의 전달 요소를 포함한다. 그에 따라, 이는, 전달 요소의 표면 어레이로서 또는 전달 요소 스트립(일 실시예에서, 반도체 레이저 어레이 또는 QCL 어레이, 여기에서 퀀텀 캐스케이드 레이저(quantum cascade laser)를 위한 QCL 스트랜드)으로서 구현될 수 있다.
또한, 둘 이상의 전달 요소의 각각이 그 자신의 전자기 여기 빔을 생성하고 그러한 빔을 제1 영역 아래의 부피 내로 복사하는 것이 제공될 수 있다. 상이한 여기 빔들이 또한 연속적으로 방출될 수 있거나, 적어도 부분적으로 동일한 시간에 방출될 수 있다. 상이한 전달 요소들이 또한 상이한 변조 주파수들과 함께 동시에 동작될 수 있다.
둘 이상의 전달 요소의 전자기 여기 빔들의 파장들이 바람직하게 상이하다. 피분석 재료 내의 피검출 물질이 이러한 파장의 복사선을 특히 양호하게 흡수하는 방식으로, 파장이 바람직하게 선택된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 피분석 물질을 다른 물질과 구별하기 위해서, 피검출 물질이 흡수하지 않는, 그러나 다른 물질(소위 내성 파장(tolerant wavelength))에 의해서 흡수되는, 파장 또는 파장 범위가 또한 선택된다.
일 실시예에서, 여기 전달 장치는, 특히 1- 또는 2-차원적 레이저 어레이 형태의, 둘 이상의 레이저를 포함하고, 레이저 요소의 복수의 행(row)은 공간 절약을 위해서, 일 실시예에서 레이저 스트립 및/또는 둘 이상의 발광 다이오드의 형태로, 특히 2-차원적인 어레이 또는 스트립의 실시예에서, 깊이-엇갈림 방식으로(depth-staggered manner) 그리고 서로에 대해 오프셋되어, 특히 1- 또는 2-차원적 다이오드 어레이의 형태로, 서로 앞뒤로 엇갈리고 오프셋 배열될 수 있다. 어레이의 출력 빔은 각각의 빔 요소에 대해서, 함께 근접하는 또는 평행인, 개별적인 빔 축을 가질 수 있거나, 이미 통합된 광학기기의 세트에 의해서, 동일한 빔 축을 가질 수 있다.
장치의 구조와 관련하여, 여기 전달 장치가 직접적으로 또는 - 바람직하게 조정 장치에 의해서 - 간접적으로 기계적 고정적으로, 재료와 특히 재료의 표면의 제1 영역과 직접 접촉되는 광학 매체에 연결되는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 여기 전달 장치는, 제조 스테이지의 가능한 한 초기에 또는 적어도 전개 전에, 광학 매체에 대해서 정렬되고 고정될 수 있다.
여기 전달 장치 및/또는 검출 장치의 요소의 장착 및/또는 정렬 또는 조정을 위해서, 광학 매체는 적어도 하나의 내장된 상승부(built-in elevation) 및/또는 오목부, 예를 들어 가교부(bridge), 쇼울더, 장착된 반구체, 장착된 블록, 원뿔 또는 드릴 가공된 홀, 홈, 중공형 또는 다른 함몰부를 가질 수 있고, 그러한 오목부 내부에 또는 그 상부에는 전술한 요소(여기 전달 장치 및/또는 검출 장치의 요소)가 배치되고 놓일 수 있거나, 그러한 오목부에 대해서 전술한 요소가 정렬 또는 고정될 수 있다. 또한, 가공에 의해서 또는 주조 프로세스에서, 정렬된 정합 표면들이 광학 매체 상에 형성될 수 있다.
세기 변조를 위한 장치와 관련하여, 그러한 장치가, 여기 전달 장치에 전기적으로 연결되는 그리고 특히 여기 전달 장치를 전기적으로 제어하는 전기 또는 전기-기계적 변조 장치를 포함하거나, 그러한 전기 또는 전기-기계적 변조 장치에 의해서 형성되는 것이 제공될 수 있다. 변조 장치는, 또한 예를 들어 직사각형 펄스 형태, 톱니 함수(sawtooth function) 또는 사인-파 함수 또는 다른 주기적 함수 형태로, 여기 빔의 세기 변조를, 일부 실시예에서 주기적 세기 변조를 생성할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 세기 변조를 위한 장치는 빔 경로 내에 배열된 적어도 하나의 제어되는 거울을 포함할 수 있고, 그러한 거울의 제어에 의해서 여기 빔의 세기가 편향에 의해 변조될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 세기 변조를 위한 장치는, 빔 경로 내에 배열되고 그 투명도와 관련하여 제어될 수 있는, 적어도 하나의 층을 포함하거나, 그러한 층에 의해서 형성될 수 있다. 따라서, 변조 요소는, 그 전달과 관련하여 제어되는 전달 요소 형태로 설계될 수 있다. 변조 요소는 하나의 광 빔으로부터 복수의 공간적으로 분리된 광 빔을 생성할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 샘플의 표면이 변조 요소로 스캐닝될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 변조 요소는 광원/레이저 공급원의 어레이와 함께 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 재료의 표면의 제1 영역과 접촉되는 광학 매체의 특별한 지역 내로 측정 빔을 방출하기 위한 측정 빔, 특히 측정 광 빔을 방출하기 위한 장치가 제공된다.
측정 빔을 방출하기 위한 장치 및 검출 장치는, 일 실시예에서, 측정 빔이 재료와, 특히 재료의 표면의 제1 영역과 접촉되는 광학 매체의 인터페이스에서 적어도 한차례 반사된 후에, 검출 장치가 시간-의존적 응답 신호로서 측정 빔을 검출하는 방식으로, 서로 정렬된다.
용이한 조립의 관점에서, 측정 빔을 방출하기 위한 장치 및/또는 검출 장치 및/또는 여기 전달 장치가 광학 매체에 직접적이고 고정적이며 기계적으로 연결되는 것 및/또는 하나 이상의 광섬유 케이블에 의해서 그에 커플링되는 것이 유리하다.
광학 매체가 화상화 광학기기를 직접적으로 지지하는 및/또는 화상화 광학기기가 광학 매체 내로 통합되는 실시예가 또한 가능하다.
또한, 측정 빔, 특히 측정 광 빔이 다수의 횟수로 반사되는, 서로를 향해서 경사진 복수의 부분적인 면을 광학 매체의 표면이 가지는 실시예가 생각될 수 있다.
측정 빔, 특히 측정 광 빔의 반사를 위한 하나 이상의 거울 표면이 광학 매체 내에 또는 광학 매체 상에 제공되는 실시예가 또한 제공될 수 있다.
소형 설계의 관점에서, 여기 전달 장치 및/또는 측정 빔을 방출하기 위한 장치 및/또는 검출 장치가 서로에 대해서 직접적으로 또는 공통 지지부에 부착되는 것을 생각할 수 있다. 일 실시예에서, 다양한 장치가 용접 또는 접착에 의해서 또는 나사 또는 스냅-인 연결(snap-in connection)에 의해서 지지부에 고정될 수 있고, 조정 설비가, 조립 중에 또는 추후의 시간에, 조정 나사 또는 다른 기계적 조정 장치에 의해서 제공될 수 있다. 특히, 측정 빔을 방출하기 위한 장치 및/또는 검출 장치는 서로 용이하게 정렬되어야 하거나 용이하게 정렬될 수 있어야 한다. 그에 따라, 이러한 2개의 장치를 광학 매체에 직접적으로 부착하는 것이 유용할 수 있다. 측정 빔의 적절한 안내를 제공한다면, 측정 빔을 방출하기 위한 장치 및/또는 검출 장치가 또한 광학 매체의 동일 측면 상에 그리고 공통 지지부 상에 서로 나란히 배열될 수 있고, 일 실시예에서 공통 인쇄회로기판 또는 공통 반도체에 부착될 수 있거나, 공통의 집적된 반도체 장치로서, 일 실시예에서 공통의 집적된 반도체 구성요소로서 구현될 수 있다. 이어서, 이러한 지지부는, 특별한 실시예에서, 측정 빔을 전달하기 위한 장치 및/또는 검출 장치 사이의 상대적인 위치를 더 변경하지 않고도, 유닛으로서 광학 매체에 대해서 조정될 수 있다.
지지부는 바람직하게 인쇄회로기판, 금속 판 또는 플라스틱 판 또는 장치의 하우징 또는 하우징의 일부에 의해서 형성된다.
또한, 여기 전달 장치가, 하나 이상의 레이저 요소 및 적어도 하나의 마이크로-광학 구성요소 그리고 바람직하게 부가적인 변조 요소를 가지는, 집적된 반도체 장치를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 전술한 요소는 하나의 반도체 블랭크(blank)로부터 함께 제조될 수 있고, 일 실시예에서 식각될 수 있고, 또는 적어도 공통 하우징 내에 수용될 수 있다.
또한, 변조 요소가, 반도체 장치의 나머지에 대해서 이동 가능하고 그 위치와 관련하여 제어될 수 있는, 적어도 하나의 요소, 특히 거울을 가지는 것이 제공될 수 있다. 이는 MEMS 장치에 의해서 제어될 수 있다.
또한, 변조 요소가, 그 복사선 투과성과 관련하여 제어될 수 있는 층을 가지는 것이 제공될 수 있다.
또한, 변조 요소가 하나 이상의 레이저 요소의 변조를 위한 전자 제어 회로를 가지는 것이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 변조 요소가 간섭, 위상 오프셋/경로 오프셋 또는 편광화 필터 장치 또는 다른 공지된 변조 메커니즘에 의해서 시간-의존적 방식으로 여기 빔을 변화시키는 방식으로, 변조 요소가 구성될 수 있다.
마이크로-광학 구성요소 또는 구성요소들은, 반도체 구성요소 내로 통합되거나 차감 프로세스(subtractive process)에서, 특히 식각에 의해서 그로부터 만들어진, 거울 또는 렌즈일 수 있다.
재료를 분석하기 위한 전술한 장치는 재료 농도, 일 실시예에서 글루코스 농도의 측정 값을 결정할 수 있다. 장치는, 예를 들어 장치의 사용자를 위한 컬러 코드에 의해서, 측정 값 및 그 분석을 디스플레이하기 위한 장치에 대한, 및/또는 재료 내로, 특히 조직 내로, 또는 더 일반적으로 기관의 본체 내로 분배될 수 있는 물질을 위한 투여 장치에 대한 인터페이스를 가질 수 있다. 장치는 또한 그러한 투여 장치를 직접적으로 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 장치는 또한 재료 표면, 일 실시예에서 피부 표면 또는 다른 실시예에서 생명체의 눈 표면 또는 홍채를 검출 또는 분석하기 위한 시스템을 가질 수 있고, 그러한 시스템은, 기준 데이터와의 비교를 기초로 사람 또는 생명체를 식별할 수 있게 하고 그에 따라 적절한 기준 값 및/또는 보정 값이 재료의 분석 및 투여 장치의 제어를 위해서 제공되는 것을 보장하기 위해서 사용될 수 있다. 재료 표면, 일 실시예에서 지문 또는 눈의 홍채의 구조에 관한 결정된 특징적 값은 또한, 예를 들어 데이터베이스에 대해서 사람을 식별 및 인증하는 것에 더하여, 상태 값의 통신을 암호화하는 것 그리고 원칙적으로 데이터베이스로부터 기원할 수 있는, 암호화되거나 암호화되지 않은, 투여 장치를 제어하는 것을 위해서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 투여 장치는, 분배하고자 하는 물질, 예를 들어 일 실시예에서 인슐린 및/또는 글루카곤, 헤파린 또는 마취제의 충진 레벨을 결정하기 위한 센서를 구비할 수 있고, 충진 레벨을 재료 분석을 위한 장치에 및/또는 직접적으로 데이터베이스에 전달하기 위한 장치를 가질 수 있다.
또한, 장치는 인터페이스, 일 실시예에서 데이터베이스에 대한 무선 인터페이스를 가질 수 있고, 측정 값이 그에 전송될 수 있고 이는 데이터를 프로세스할 수 있다. 데이터베이스가 복수의 환자로부터의 데이터 즉, 일 실시예에서 재료 분석을 위한 복수의 유사한 장치로부터의 데이터를 프로세스하고 저장하는 방식으로, 데이터베이스가 생성될 수 있고, 일 실시예에서 이는 또한 물질 분배를 위한 개별적인 투여 장치를 제어할 수 있다. 데이터베이스는 또한 분석된 재료와 관련된 측정된 데이터를 더 프로세스할 수 있고 유도된 분석 결과, 예를 들어 값의 임의의 경향, 제1 및 제2 시간 유도값(derivative), 최소치, 최대치, 재료량의 표준 편차 또는 농도, 혈당값 또는 환자의 다른 생리적 값을 결정하며, 이들을 비교하고 그로부터 신호를 유도하며, 그러한 신호는 일 실시예에서 알림 신호를 포함한다. 일 실시예에서, 충진 레벨의 시간적 정도(extent) 또는 재충진 필요성을 결정하기 위해서 그리고 이러한 것을 환자의 장치에 또는 서비스 설비에 직접적으로 신호전달하기 위해서, 투여 장치의 충진 레벨이 또한 검출되고 데이터베이스에 의해서 프로세스될 수 있다. 이를 위해서, 데이터베이스는 서비스 설비 내의, 일 실시예에서 병원이나 의료 장소 내의 통신 장치에 연결될 수 있다. 데이터베이스로부터 및/또는 데이터베이스로 데이터를 전송하기 위해서, 장치는, 일 실시예에서, 무선 링크에 의해서, 일 실시예에서 블루투스 또는 WLAN 또는 와이파이, 또는 다른 전달 방법에 의해서, 모바일 장치 또는 무선 호출기에 연결될 수 있다. 장치는 또한 WLAN 인터페이스 및 인터넷 클라이언트를 직접적으로 구비할 수 있다.
청구 대상은 또한 재료 분석 방법에 관한 것이고, 그러한 방법에서 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 적어도 하나의 전자기 여기 빔이, 레이저 광원의 복수의 레이저 방출기의 연속적인 동작 또는 적어도 부분적으로 동시적인 동작에 의해서, 여기 전달 장치로 생성되고, 응답 신호가 검출 장치로 검출되며, 검출된 응답 신호를 기초로 재료가 분석된다. 방법에서, 재료 내의 열 확산도 및 응답 신호의 시간적 변화 또는 파형을 이용하여, 재료의 성질 또는 재료 내의 물질의 공간적 분포를 특징화할 수 있거나 여기 빔이 흡수되는 깊이를 특징화할 수 있다.
일 실시예에서, 여기 전달 장치의 상이한 변조 주파수들, 응답 신호들, 특히 시간적 응답 신호 파형들 또는 패턴들의 이용이 연속적으로 결정될 수 있는 것, 그리고 상이한 변조 주파수들에서의 복수의 응답 신호 파형들 또는 패턴들이 서로 조합될 수 있는 것, 그리고, 특히 표면 아래의 깊이 범위에 관한 특정 정보가 이로부터 얻어지는 것이 제공된다.
응답 신호 파형 또는 패턴이 여기 빔의 상이한 파장들에 대한 상이한 변조 주파수들에서 결정되는 것, 그리고 그로부터, 특히 특정 정보가 표면 아래의 각각의 깊이 범위에 대해서 얻어지는 것이 또한 제공될 수 있다. 펌프 빔의 복수의 변조 주파수를 동시에 이용할 때, 예를 들어, 적절한 분석 방법, 예를 들어 푸리에 변환과 같은 적분 변환을 이용하여 검출된 신호를 그 주파수들로 분해할 수 있고; FT는 희망 주파수에 상응하는 신호만을 필터링할 것이다.
광학 매체가 재료와, 특히 재료의 표면의 제1 영역과 직접적으로 접촉되고, 방출된 여기 광이 발생되고, 특히, 광학 매체 내로 침투하고 다시 광학 매체의 표면 상의 미리 결정된 지점에서 빠져 나가는 방식으로 여기 전달 장치로 방출되는 것, 측정 빔, 특히 측정 광 빔은, 이러한 빔이 광학 매체를 침투하는 그리고 특히, 동작 중에, 측정 빔 및 여기 빔이, 측정 빔이 반사되는, 광학 매체와 재료의 표면의 인터페이스에서 중첩되는 방식으로 측정 빔을 방출하기 위한 장치로 발생되는 것, 그리고 응답 신호를 형성하는 반사 측정 빔이 측정되고 및/또는 반사 빔의 편향이 검출 장치로 직접적으로 또는 간접적으로 검출되는 것이 또한 제공될 수 있다.
방법의 일 양태는, 재료 표면 아래(재료 표면으로부터 간격을 가지는 거리)의 선택된 깊이 범위 상에서의 응답 신호의 측정의 포커싱이다. 열 파장(d)은 방법으로 측정되는 깊이 범위에 가장 큰 영향을 미친다. 이는 d = √(D/(π*f))로서 정의되고, 여기에서 D는 샘플(여기에서 예를 들어 피부)의 열 확산도이고 f는 여기 빔의 변조 주파수이다. 피부의 열 확산도에 관한 문헌:
- U. Werner, K. Giese, B. Sennhenn, K. Piamann, and K. Koelmel, "Measurement of the thermal diffusivity of human epidermis by studying thermal wave propagation, "Phys. Med. Biol. 37(1), 21-35 (1992).
- A. M. Stoll, Heat Transfer in Biotechnology, Vol 4 of Ad-vances in Heat Transfer, J. P. Hartnett and T. Irvin, eds. (New York, Academic, 1967), p 117.
일 실시예에서, 재료의 최상단부 층으로부터의 응답 신호를 제거하기 위해서, 상단부 층 내의 측정이 다른, 더 깊은 층에 비해서 다소 느리게 변화되는 경우에, 이전 측정에 대비되는 측정의 변화가 이용될 수 있다.
이는, 인간 피부에 대한 측정의 실시예의 경우 일 수 있고, 여기에서 피부의 최상단부 층은 하부 층과 함께 실질적으로 변화를 겪지 않으며, 그에 따라 생리적인 매개변수가 매우 작게 변화된다. 측정의 시간 유도값이 또한, 응답 신호에 제공되어 피부의 최상단부 층으로부터의 신호를 배제하도록, 적용될 수 있다. 따라서, 측정 또는 적어도 평가가 피부 내의 간질 유체로 제한되거나 그에 포커스된다.
또한, 재료 내에서 식별된 재료 농도에 따라, 물질을, 특히 환자의 신체 내로 분배하기 위한 투여 장치가 제어되고 및/또는 음향 및/또는 시각적 신호가 출력되며 및/또는 신호가 무선 연결을 통해서 프로세싱 장치로 출력되는 것이 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 현재 결정된 측정에 더하여, 측정 값의 시간적 전개 또는 변화, 측정 값의 유도값, 측정의 평균 값, 최대치, 최소치, 표준 편차 및 미리 규정된 측정 값에 대한 문턱값이 고려될 수 있고 현재 측정 값과 조합될 수 있다. 일 실시예에서, 프로세싱 장치는 데이터베이스일 수 있거나 데이터베이스에 연결될 수 있고, 그러한 데이터베이스는 복수의 환자로부터 데이터를 수집하고 프로세스한다. 데이터베이스는 장치의 제어 시스템에 직접적으로 연결될 수 있거나, 제어 시스템으로부터 이격되고 통신 인터페이스를 통해서 그에 연결될 수 있다.
특히 인슐린의 경우에, 투여 장치 동작시에 증가된 안전성을 획득하기 위해서, 특정된 또는 특정될 수 있는 시간에서 미리 선택된 양이 전달되는 미리 설정된 표준 절차의 제어 하에서 국소적으로 또는 데이터베이스로부터 동작되는 것, 그리고 전술한 장치에 의해서, 투여 장치의 교정 및 제어의 개선을 위해서 이용되는, 미리 설정된 전달 값으로부터의 의미 있는 편차가 결정될 수 있다는 것이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 장치의 고장의 경우에도, 적어도 투여 장치의 정상 동작 또는 비상 동작이 보장된다.
본 발명에 따른 방법에서, 하나의 또는 복수의 변조 주파수에서의 또는 전달 펄스 후의 그리고 하나 이상의 파동수에서의 시간-분해 방식의 응답 신호의 검출을 포함하는 측정이 여기 빔의 상이한 진입 각도/입사 각도에서 연속적으로 반복되는 것, 그리고 결과들이 서로 조합되고, 특히 서로로부터 차감되어 피부의 상부 층의 영향을 감소 또는 배제하는 것이 또한 제공될 수 있다. 이러한 입사각 중 적어도 하나가 90도 이거나 그에 근접할 수 있고, 다시 말해서 피부/피분석 재료 내로의 여기 빔의 수직 진입일 수 있다.
이러한 개념은, 더 편평하고 더 작은 입사각에서, 여기 신호가, 더 가파르고, 더 큰 입사각의 경우에서 보다, 피부의 상부 및 최상부 층 내에서 더 먼 거리를 이동한다는 생각을 기초로 한다. 이는, 더 작은 입사각에서, 더 큰 비율의 여기 복사선이 또한, 더 큰 입사각의 경우보다, 피부의 상부 층 내에서 흡수되고, 그에 따라 피부의 상부 층의 영향이 적어도 일부 범위까지 격리되고, 상이한 입사각들에서의 측정 결과들을 조합함으로써 제거될 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 프로세스의 장점은, 여기 복사선이 흡수되는 영역이, 입사각의 변화로 인해서, 표면에, 특히 피부 표면에 평행하게 현저하게 변이(shift)되지 않는다는 사실이다. 각도 변화는 적어도 5도, 특히 적어도 10도, 보다 특히 적어도 20도 또는 적어도 30도의 상이한 진입 각도/입사각들 사이에서 이루어질 수 있다. 각도 변화는, 예를 들어 전기-광학 효과에 따라 크리스탈에 전압을 인가하는 것에 의한, 예를 들어 굴절률의 선택적인 변경에 의한 매체 내의, 광학 매체 외측 또는 내측의 여기 빔의 굴절 또는 반사에 의해서 달성될 수 있다.
전술한 맥락에서, 측정이, 변조 주파수에 따르는 결과적인 열 확산 길이가 샘플을 충분히 깊게 스캐닝할 수 있도록 선택된, 적어도 하나의 변조 주파수에서의 응답 신호의 검출을 포함하는, 방법이 또한 제공될 수 있다. 또한, 깊이 프로파일링의 일부로서, 추가적인 변조 주파수가, 피검사 재료의 표면 또는 표면-근접 층, 예를 들어 피부의 경우에 피부의 상부 층을 특징화하기 위해서, 그리고 그에 따라 그러한 상부 층의 무관한 영향(예를 들어, 관련 재료의 오염, 흡수)을 제거하기 위해서 이용될 수 있다.
또한, 복수의 변조 주파수에서 또는 그 중 적어도 하나에서 응답 신호를 측정할 때, 응답 신호의 위상 각도가 또한 평가 프로세스에서 고려될 수 있다. 그에 따라, 예를 들어 위상-의존적 신호 응답의 계산 및/또는 진폭의 차감에 의해서, 하나 이상의 주파수의 진폭 및 위상 각도가 조합될 수 있다.
설명된 방법에서, 측정 중에, 스캐닝 빔이 5000/cm 내지 16000/cm의 파동수 범위 내의 시간의 적어도 일부, 특히 15000/cm 내지 16000/cm의 시간의 일부, 특히 15500/cm 내지 16000/cm의 시간의 일부, 보다 특히 15700/cm 내지 16000/cm의 시간의 일부에 동작되는 것이 또한 제공될 수 있다.
여기 빔이 상이한 파동수 및/또는 파동수 범위로 연속적으로 조정되는 측정의 경우에, 파동수 범위 또는 파장 범위의 적어도 5%, 특히 적어도 10%, 보다 특히 적어도 30%, 보다 특히 적어도 50% 또는 커버되는 파동수 범위가 피식별 재료, 특히 글루코스에 민감하지 않은 스펙트럼의 지역 내에 위치되는 것이 또한 제공될 수 있다.
본원의 맥락에서, 스펙트럼의 해당 영역 내의 또는 지점에서의 샘플의 흡수 세기가 샘플 내의 재료의 양 및/또는 농도와 독립적인 경우에, 스펙트럼의 영역 또는 지점이 샘플 내에 포함된 피식별 재료에 대해서 민감하지 않은 것으로 지칭된다. 이는 일반적으로, 재료가 스펙트럼의 이러한 영역 내에서 규정 가능한 흡수 밴드를 가지지 않는다는 것을 의미한다.
또한, 글루코스 농도와 독립적인 샘플 또는 조직의 흡수 특징을 고려하기 위해서, 흡수 측정에서, 글루코스에 의한 상당한 흡수가 없는 적어도 하나 또는 2개의 파동수 범위 또는 파장 범위가 제공되는, 최대로 왜곡되지 않고 정확한 측정이 또한 제공될 수 있다.
파동수 범위 중 적어도 하나가 1610 내지 1695 cm-1(아미드 1)인 것이 제공될 수 있다.
또한, 파동수 범위 중 적어도 하나가 1480 내지 1575 cm-1(아미드 2)인 것이 제공될 수 있다.
측정 실시를 위해서, 샘플 내에서 조사하고자 하는 깊이 범위가 먼저 선택되는 것, 그리고 그 후에 여기 빔이 방출되는 시간 간격들(여기 펄스들) 사이에서, 샘플 내의 조사하고자 하는 깊이 범위와 샘플 표면 사이의 거리를 열 파동이 횡단하는데 필요한 확산 시간에 상응하는 적어도 하나의 기간이 항상 존재하게 하는 방식으로, 여기 빔이 그 이후에 제어되는 것이 또한 제공될 수 있다.
이는, 샘플의 표면 아래의 특정 깊이 또는 깊이 범위에서 특정의 특정된 재료뿐만 아니라 농도 프로파일이 깊이에 따라 검출될 수 있게 한다. 그에 따라, 화장품 또는 의약 분야에서, 예를 들어 피부 표면을 통과하는 재료의 피부 내로의 침투 깊이 또는 침투 속도를 결정할 수 있다.
또한, 흡수의 시간적 세기 응답이, 여기 빔이 방출되는 각각의 시간 간격의 종료 이후에, 측정되는 것이 제공될 수 있다. 흡수 세기에 대안적으로 또는 부가적으로, 응답 신호의 위상 위치가 그에 따라 분석에서 고려될 수 있다.
또한, 여기 빔을 생성하기 위한 레이저를 제어하기 위해서, 일련의 저장된 등거리 또는 비-등거리 설정 값이 연속적으로 조정될 수 있고, 그 각각은 레이저의 파동수/파장을 결정하고, 그 사이에는, 피식별 재료의 흡수 최대치의 적어도 3개, 보다 특히 적어도 5개의 파동수/파장이 포함되는(참조표) 것이 제공될 수 있다.
또한, 측정 전 및/또는 도중 및/또는 후에, 단위 면적당 기계적 압력 및/또는 힘이 검출되고, 스캐닝 빔이 반사되는 광학 매체가 이에 의해서 샘플에 대해서 가압되는 것이 제공될 수 있다. 이는, 샘플 또는 광학 매체 상의 압력의 영향이 측정 결과로부터 제거될 수 있게 하거나 분석 중에 고려될 수 있게 한다.
또한, 측정 전 및/또는 도중 및/또는 후에, 주변 공기의 습도 및/또는 샘플의 수분 함량 또는 샘플의 상부 층 또는 표면의 습도가 결정되는 것이 제공될 수 있다. 이는, 샘플 내의 또는 측정 장치 내의 수분의 영향이 측정 결과로부터 제거될 수 있게 하거나 분석 중에 고려될 수 있게 한다.
본 발명은 또한 재료 분석 방법에 관한 것이고, 그러한 방법에서 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 적어도 하나의 전자기 여기 빔(SA)이, 레이저 광원의 복수의 레이저 방출기의 하나 이상의 연속적인 동작 또는 적어도 부분적으로 동시적인 동작에 의해서, 여기 전달 장치로 생성되고, 응답 신호(SR)가 검출 장치로 검출되며, 검출된 응답 신호(SR)를 기초로 재료가 분석된다.
복수의 레이저 방출기의 하나 이상의 연속적인 동작, 또는 적어도 부분적으로 동시적인 동작을 이용하여, 재료 내의 피식별 재료의 특징적인 파장에, 예를 들어 흡수 최대치에 또는 그 부근에 위치될 수 있는, 상이한 파장들을 생성할 수 있다.
본 발명은 또한 방법에 관한 것이고, 그러한 방법에서 여기 전달 장치의 레이저 방출기(들)의 온도 및/또는 검출 장치, 특히 광학 매체 및/또는 검출 복사선 공급원 및/또는 광학 센서의 온도가 분석 중에 일정하게 유지되고, 특히 특정 온도에서, 보다 특히 신체의 온도 보다 높은 특정 온도에서, 보다 바람직하게 37 ℃ 초과, 보다 바람직하게 38 ℃ 초과 또는 40 ℃의 특정 온도에서 일정하게 유지된다.
이러한 측정에 의해서, 측정에 미치는 온도의 영향이 최소로 유지될 수 있다. 또한, 적어도 측정 중에, 측정 장치가 체온 이상에서 유지되는 경우에, 신체 접촉의 결과로서의 임의의 가열이 방지될 수 있다. 이는 가열 요소 및 하나 이상의 센서를 가지는 온도 제어 시스템에 의해서 실시될 수 있다.
본 발명은 방법에 관한 것이고, 그러한 방법에서, 분석 중에, 여기 전달 장치의 레이저 방출기(들)의 온도 및/또는 검출 장치, 특히 광학 매체 및/또는 검출 복사선 공급원 및/또는 광학 센서의 온도가 검출되고, 측정 결과를 온도 교정 값과 조합 또는 연관시키는 것에 의해서, 분석의 평가에서 고려된다.
이러한 방법으로, 온도 효과가 연산에서 고려된다.
본 발명의 추가적인 실시예는, 재료 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체에 대해서 가압되는 것, 가압된 신체 부분에 의해서 매체 상에 가해지는 압력이 검출되는 것, 그리고 여기 전달 장치가 매체 상의 검출된 압력에 따라 턴 온되고, 및/또는 여기 전달 장치가, 특히 특정 문턱값 미만의, 압력 감소에 따라 턴 오프되는 것이 제공될 수 있다.
이러한 방식으로, 압력 센서는, 측정 장치가 현재 이용되는지의 여부 및/또는 측정이 이루어지는 광학 매체가 현재 물체에 의해서 커버되었는지의 여부를 결정하기 위해서 이용된다. 이러한 경우에만 여기 전달 장치가 인에이블링된다(enabled). 이는, 측정/분석이 이루어지지 않는 경우에, 큰 비율의 여기 빔이 광학 매체를 통해서 또는 임의의 다른 방식으로 외부 환경으로 빠져 나가는 것을 방지한다.
또한, 재료, 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체에 대해서 가압되는 것, 가압된 신체 부분의 지역 내의 매체의 암흑화가 검출되는 것, 그리고 여기 전달 장치가 매체의 암흑화에 의해서 턴 온되고 및/또는, 특히 특정 문턱값 초과의, 매체 내의 광도 증가에 의해서 턴 오프되는 것이 제공될 수 있다.
그에 따라, 광도 센서/포토검출기를 이용하여, 측정 장치가 현재 이용되는지의 여부 및/또는 측정이 이루어지는 광학 매체가 현재 물체에 의해서 커버되었는지의 여부를 결정할 수 있다. 이러한 경우에만 여기 전달 장치가 인에이블링된다.
또한, 재료, 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체에 대해서 가압되는 것, 가압된 신체 부분의 지역 내의 매체의 수분 레벨이 검출되는 것, 그리고 여기 전달 장치가, 매체 상의 특정 수분 레벨에 도달할 때 턴 온되고 및/또는 특히 특정 문턱값 미만의 수분 레벨 감소에 의해서 턴 오프되는 것이 제공될 수 있다.
따라서, 이러한 구성에서, 수분 센서는, 측정 장치가 현재 이용되는지의 여부 및/또는 측정이 이루어지는 광학 매체가 현재 물체에 의해서 커버되었는지의 여부를 결정하기 위해서 이용된다. 이러한 경우에만 여기 전달 장치가 인에이블링된다.
본 발명의 추가적인 실시예는, 방법의 실시 중에, 광학 매체 상으로 가압되는 신체 부분이 매체에 부착되는 것, 특히 신체 부분을 매체에 클램핑하는 것, 신체 부분을 매체에 접착시키는 것, 신체 부분을 매체에 부착시키는 것 또는 매체에 대한 신체 부분의 진공 흡입에 의해서 고정되는 것을 제공할 수 있다.
따라서, 더 안정적인 측정 조건이 생성되고, 그에 따라 특정의 최소 시간이 측정을 위해서 이용될 수 있다. 측정 정확도 및 신뢰성이 그에 따라 높아진다.
여기 빔(SA)이 적어도 2개 이상의 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹으로 방출되는 것으로서, 제1 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 재료 내의 피식별 물질의 식별을 가능하게 하는 한편, 적어도 하나의 부가적인 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 피식별 물질과 상이한 기준 물질의 식별을 가능하게 하는 것, 그리고 적어도 2개의 상이한 물질 프로파일이 재료의 깊이에 걸친 그들의 밀도 분포와 관련하여 결정되고 서로 조합되는 것으로서, 특히 재료 내의 기준 물질의 깊이 프로파일 또는 깊이 프로파일의 적어도 하나 이상의 매개변수가 알려진 것이 또한 제공될 수 있다.
이러한 방법은, 복수의 물질의 깊이 프로파일이 여기 파장의 적절한 선택에 의해서 서로 독립적으로 결정될 수 있다는 사실을 이용한다. 만약 피부 내로 도입되는 또는 생리적인 규칙성에 따른 프로파일로 어떠한 방식으로든 그곳에 존재하는 물질의 깊이 프로파일을 안다면, 상이한 피측정 물질의 깊이 치수가 그로부터 보정될 수 있다.
여기 빔(SA)이 변조되는 것, 바람직하게 상이한 변조 주파수들로 연속적으로 변조되는 것이 또한 제공될 수 있고, 상이한 변조 주파수들에 대한 응답 신호가 검출되거나, 여기 빔의 세기 변화의 경우에 특징적인 신호의 시간 응답, 특히 그 주기적 활성화 및/또는 비활성화가 분석된다.
이러한 측정 방법은, 상이한 변조 주파수들을 이용하지 않고 또는 적은 수의 변조 주파수만을 이용하여, 여기 빔에 대한 응답 신호가 발생되는 깊이 치수를 결정할 수 있게 한다. 상이한 깊이들에서 기원하는 응답 신호는, 한편으로, 변조 주파수에 대한 그들의 세기의 의존성으로부터, 그러나 또한, (예를 들어, 여기 빔이 턴 오프되었을 때) 여기 빔의 세기 변화에 대한 응답 신호의 시간적인 특징으로부터 결정될 수 있다. 응답 신호의 이러한 특징은, 여기 신호의 주기적인 세기 변화(예를 들어, 펄싱, 턴 온 및 턴 오프) 중에 위상-감지적으로 측정된다.
더 낮은 깊이로부터의 신호는, 더 깊은 깊이로부터의 신호보다, 여기 빔의 세기 변화를 더 신속하게 따른다.
여기 빔(SA)이, 여기 광 빔을 생성하는 레이저 장치(100)를 제어하는 것에 의해서 변조되는 것이 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 설계는, 여기 빔이 0 내지 10개의 변조 주파수로, 바람직하게 0 내지 5개의 변조 주파수로, 바람직하게 1 내지 3개의 변조 주파수로, 더 바람직하게 단지 하나의 변조 주파수로 변조되고, 그리고 응답 신호의 시간 특징, 특히 응답 신호의 위상-감응형 특징이 분석되는 것을 제공할 수 있다.
또한, 여기 빔의 듀티 사이클이 3% 내지 60%, 바람직하게 3% 내지 50%, 더 바람직하게 3% 내지 7%인 것이 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 구성은, 분석물의 표면에서 여기 빔(SA)의 파워 밀도가 5 mW/mm2 미만, 특히 2 mW/mm2 미만, 보다 특히 l mW/mm2 미만인 것이 제공될 수 있다.
이는 피분석 재료의 임의의 가열을 방지하고, 레이저 광원이 보호된다.
또한, 검출 장치의 광학 매체가 신체 부분과, 특히 손가락과 및/또는 투석액을 운반하는 용기와 및/또는 혈액을 운반하는 투석 유닛의 용기와 접촉되는 것, 그리고, 특히, 우레아, 콜레스테롤, 알부민, 단백질, 크레아티닌, 젖산염 또는 인산염의 검출을 가능하게 하는 하나 이상의 여기 파장이 선택되는 것이 제공될 수 있다.
이는, 투석 프로세스가 모니터링될 수 있는 것 및 투석 환자가 본 발명에 따른 측정 장치로 연속적으로 모니터링될 수 있는 것 모두를 의미한다.
도 1 내지 도 24는, 일부 경우에 상이한 실시예들에서, 장치 및 그 요소의 다른 요소를, 그리고 본 발명 및 그 적용예의 개념을 개략적으로 도시한다.
도 1은 재료(101)를 분석하기 위한 장치(10)의 예시적인 실시예를 도시한다. 재료(101)는 바람직하게, 광학적으로 투명한 크리스탈 또는 유리 본체 또는 플라스틱 본체 또는 플라스틱 크리스탈로 설계될 수 있는, 광학 매체(108) 상에 직접적으로 배치된다. 재료(101)를 분석하기 위한 장치는 유체 내의, 예를 들어 일 실시예에서 혈액 내의 글루코스 또는 혈당 함량을 측정하기 위해서, 그리고 글루코스 또는 혈당 레벨 표시(BZA)를 생성하기 위해서 예를 들어 이용될 수 있다.
장치는, 바람직하게 하나 이상의 여기 파장을 가지는 여기 광 빔의 형태로, 재료의 표면의 제1 영역(102) 아래에서 재료(101) 내에 위치되는 부피(103) 내로, 하나 이상의 전자기 여기 빔(SA)을 방출하기 위한 여기 전달 장치(100)를 포함한다. 여기 전달 장치(100)는 또한 이하에서 간단히 "여기 광원"(100)으로 지칭된다. 여기 광원(100)은 그 파장과 관련하여 튜닝될 수 있는 레이저, 특히 튜닝 가능 퀀텀 캐스케이드 레이저일 수 있고; 이하에서 설명되는 바와 같이, 특정된 개별적인 파장을 각각 방출하는, 적어도 2개의 단일 방출기, 특히 반도체 레이저를 가지는 광원 스트립 또는 광원 어레이를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 여기 광 빔 또는 빔들(SA)의 세기 변조를 위한 장치(104)가 제공되고, 그러한 장치는 바람직하게 여기 광원을 위한, 특히 그 제어를 위한 변조 장치에 의해서, 및/또는 광 경로 내에 배열된 적어도 하나의 제어된 거울에 의해서, 및/또는 빔 경로 내에 배열되고 그 투명도와 관련하여 제어될 수 있는 층에 의해서 형성된다.
또한, 장치는, 재료(101)와 광학 매체(108) 사이의 인터페이스(GF)에서, 반사되는, 바람직하게 전반사되는, 전자기 측정 빔(112), 특히 측정 광 빔을 방출하기 위한 시스템(105)을 갖는다.
검출 장치(106)는, 시간-의존적 응답 신호(SR)를 형성하는, 반사된 측정 빔(112)의 검출을 위해서 이용되고; 예에 의해서 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 응답 신호(SR)의 진폭은 여기 광(SA)의 파장 및 여기 광(SA)의 세기 변조에 의해서 영향을 받는다.
측정 신호의 진폭은 여기 빔의 파장, 샘플의 흡수 성질 및 열적 성질, 특히 샘플의 그리고 광학 요소의 열 확산도 및 열 전도도에 따라 달라진다. 또한, 샘플로부터의 열 신호를 광학 요소에 커플링시키는 것이 또한 역할을 한다.
재료 분석용 장치(107)는 검출된 응답 신호(SR)를 평가하고, 일 실시예에서, 글루코스 또는 혈당 레벨 표시(BZA)를 생성한다.
이하에서, 도 1에 따른 장치(10)의 동작 및, 이와 관련하여, 재료(101)를 분석하기 위한 방법의 예를, 피분석 재료(101)가 인간 또는 동물 조직인 경우에 대해서 더 구체적으로 설명할 것이고, 재료의 분석의 일부로서, 글루코스 또는 혈당 레벨 표시(BZA)이 결정될 수 있다.
장치(105)로, 바람직하게 가시광선 파장 범위 내의 광 빔 또는 적외선 광 빔인 전자기 측정 빔(112)이 광학 매체(108) 내로 조명되고(irradiate); 이러한 측정 빔(112)은 조직의 표면의 제1 영역(102) 아래의 인터페이스(GF) 상에 충돌한다. 인터페이스(GF)에서, 측정 빔(112)은 반사되고 검출 장치(106)에 도달하며, 검출 장치(106)는 반사된 측정 빔(112)을 측정한다.
동시에, 바람직하게 적외선 빔인 하나 이상의 여기 빔(SA)이 여기 광원(100)으로 생성된다. 적외선 빔의 파장은 바람직하게 3 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위이고, 특히 바람직하게 8 ㎛ 내지 11 ㎛ 범위이다.
여기 빔(SA)은 세기 변조를 위한 장치(104)로 세기-변조 또는 진폭-변조된다. 일 실시예에서, 짧은 광 펄스가 세기 변조를 위한 장치(104)에 의해서, 바람직하게 1 kHz 내지 10 MHz의 펄스 주파수로, 더 바람직하게 1 kHz 내지 3 MHz, 또는 바람직하게 l Hz 내지 10 kHz의 엔벨로프 주파수(envelope frequency)를 가지는, 펄스 패킷(pulse packets)(이중 또는 다중 변조)으로 생성된다.
변조된 여기 빔(SA)은 광학 매체(108) 내로 커플링되고, 인터페이스(GF)를 통과한 후에, 조직 내의 부피(103)에 도달한다.
여기에서 설명된 혈액 글루코스 측정의 예의 경우에 - 여기 빔(SA)이 글루코스 또는 혈당에 의해서 상당히 흡수되도록, 여기 빔(SA)의 파장이 바람직하게 선택된다. 글루코스 또는 혈당 측정의 경우에, 이하의 적외선 파장이 특히 적합하다(진공 파장): 8.1 ㎛, 8.3 ㎛, 8.5 ㎛, 8.8 ㎛, 9.2 ㎛, 9.4 ㎛ 및 9.7 ㎛. 또한, 존재하는 다른 물질을 식별하기 위해서 그리고 측정에서 그 영향을 배제할 수 있게 하기 위해서, 글루코스에 의해서 흡수되지 않는 글루코스-내성 파장이 이용될 수 있다.
부피(103)의 영역 내의 조직의 여기 빔(SA)의 흡수로 인해서, 국소적인 온도 증가가 유도되고, 이는 인터페이스(GF)의 방향을 따른 열 전달 및 열 파동 그리고 그에 의한 압력 파동을 또한 촉발하고; 인터페이스(GF)에서의 결과적인 온도 및 압력 요동으로 인해서, 굴절률 및/또는 변형, 미세구조 및 반사 거동이 영역(102) 내에서 및/또는 인터페이스(GF)의 반사 영역 내에서 변조되고, 측정 빔(112)의 빔 경로가 영향을 받는다.
예를 들어, 여기 빔(SA)이 없는 상태에서, 시스템(105)과 검출 장치(106) 사이의 정렬이 최적화되고 최대의 수용된 파워가 검출 장치(106)에 의해서 검출된 것으로 가정하면, 부피(103)의 영역 내의 여기 빔(SA)의 흡수로 인해서 그리고 열 전달 및 압력 파동으로 인해서, 진폭의 (적어도 일시적인) 변화 또는, 주기적인 변조의 경우에, 반사된 측정 빔(112)의 위상이 유도될 수 있거나, 반사된 측정 빔(112)의 세기 변조가 발생될 수 있다. 세기 변조의 범위는 (조직 내의 필수 흡수로 인한) 여기 빔(SA)의 파장에 그리고 (인터페이스(GF)의 방향을 따른 조직 내측부로부터의 온도 전달 및 압력 파동으로 인한) 여기 빔(SA)의 펄스 주파수에 그리고 샘플 및 매체의 열적 성질에 따라 달라진다.
측정 빔(112)의 반사의 변화 및/또는 응답 신호(SR)의 시간-의존적 변화가 검출 장치(106)에 의해서 정량적으로 획득되고, 검출 결과(D)가 장치(107)에 도달된다.
일 실시예에서, 비교표 또는 비교 곡선의 형태로 장치(107)의 메모리(107a) 내에 저장된 앞서서 실행된 보정 또는 비교 측정을 기초로, 조직 내의 또는 부피(103) 내의 글루코스 또는 혈당의 현재 농도가 추정될 수 있고 상응하는 글루코스 또는 혈당 표시(BZA)가 생성될 수 있다. 예를 들어 혈액 샘플을 기초로 결정된 글루코스 또는 혈당 레벨을 기초로, 비교표 또는 비교 곡선이 생성되었을 수 있다.
재료(101)를 분석하기 위한 장치(10)의 특히 바람직한 실시예 및 변형예가 도 2 내지 도 10을 참조하여 이하에서 설명된다.
여기 광 빔 또는 빔들을 방출하기 위한 여기 전달 장치(100)가 도 2에 도시된 바와 같이 어레이로서 설계될 수 있다. 어레이는, 피분석 재료의 흡수 스펙트럼 내의 단색 광을 위한 적어도 5개, 유리하게는 적어도 10개, 더 유리하게 적어도 15개 또는 적어도 50개 또는 100개의 개별적으로 제어 가능한 방출기(100a)를 갖는다.
어레이는 바람직하게 이하의 파장(진공 파장) 중 하나 이상, 특히 바람직하게 전부를 갖는 단색 광을 갖는 빔을 생성한다: 8.1 ㎛, 8.3 ㎛, 8.5 ㎛, 8.8 ㎛, 9.2 ㎛, 9.4 ㎛ 및 9.7 ㎛ 그리고, 희망하는 경우에, 또한 글루코스-내성 파장.
측정 광 빔(112)의 방출을 위한 장치(105) 및 검출 장치(106)가, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 매체(108)로부터 분리되어 배열될 수 있다. 최소 공간 요건 및 최소 설치 노력의 관점에서, 측정 광 빔(112)의 방출을 위한 장치(105) 및 검출 장치(106)(108)가, 도 3에 도시된 바와 같이, 광학 매체 상에, 바람직하게 광학 매체(108)의 대향 표면 섹션들(108a 및 108b) 상에 직접적으로 장착되는 것이 유리한 것으로 간주된다.
여기 장치/여기 광원(100)이 직접적으로 또는 조정 장치(109)에 의해서 광학 매체(108)에 영구적으로 그리고 기계적으로 연결되는 것이 제공될 수 있다. 조정 장치(109)는 바람직하게 광학 매체(108)로부터의 여기 광원(100)의 거리의 조정, 및/또는 빔 길이방향을 따른 조정 및/또는 그에 수직인 평면 내의 조정(도 4 참조)을 허용한다.
도 3, 도 4, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 재료 표면의 제1 영역(102)과 접촉되는 광학 매체(108)의 영역 내로의 측정 광 빔(112)의 방출을 위해서 장치(105)가 제공될 수 있다. 그러한 배열은, 측정 광 빔(112)이 편평한 각도(flat angle)로 조명될 수 있게 하고 재료(101)와 광학 매체(108)의 인터페이스에서 내부 전반사가 유도될 수 있게 한다.
복사선을 (샘플 표면에 대해서) 편평한(작은) 각도에서 주입함으로써, 알려진 광열 '바운싱 방법'(photothermal 'Bouncing Method')과 유사한 신기루 편향(mirage deflection)이 보다 효과적으로 이루어질 수 있고 동시에 측정 빔의 변형-유도 편향이 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 효과를 활용하기 위해서, 샘플 표면과 측정 빔 사이의 각도가 20도 미만, 10도 미만, 특히 5도 미만, 보다 특히 2도 미만 또는 1도가 되도록 선택될 수 있다.
역으로, (재료 표면에 대해서) 더 가파른 (더 큰) 각도로 조명을 제공함으로써, 알려진 광열 '바운싱 방법'과 유사하게, 편향이 보다 효과적으로 이루어질 수 있고 동시에 측정 빔의 신기루-효과 관련 편향이 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 효과를 활용하기 위해서, 재료 표면과 측정 빔 사이의 각도가 20도 초과, 30도 초과, 특히 45도 초과, 보다 특히 60도 초과 또는 70도가 되도록 선택될 수 있다.
관련 문헌 참조:
- M. Bertolotti, G.L. Liakhou, R. Li Voti, S. Paolino, and C. Sibilia. Analysis of the photothermal deflection technique in the surface refection theme: Theory and Experiment. Journal of Applied Physics 83, 966 (1998)
측정 광 빔(112)을 방출하기 위한 장치(105) 및/또는 측정 광 빔(112) 및/또는 응답 신호(SR)를 검출하기 위한 검출 장치(106)가 직접적으로 또는 조정 장치에 의해서 지원 방식으로 광학 매체(108)에 기계적으로 연결될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 광섬유 케이블(120)에 의해서 그에 커플링될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광학 매체(108)가 렌즈 또는 다른 반사 또는 굴절 수단 형태의 (각각의 경우에) 화상화 광학기기(128) 및/또는 화상화 광학기기(129)를 직접적으로 지지하는 것, 및/또는 화상화 광학기기가 광학 매체(108) 내로 통합되는 것이 또한 제공될 수 있다. 그러나, 화상화 광학기기가 또한, 예를 들어, 렌즈 또는 다른 반사 또는 굴절 요소 형태의, 여기 전달 장치 또는 측정 빔 발생 장치 내로 통합될 수 있고, 이는 이들이 통합형 구성요소로서 및/또는 반도체 구성요소로서 설계되는 경우에 그러하다. 화상화 광학기기는, 일 실시예에서, 여기 또는 측정 빔을 위한 복사선 공급원을 가지는, 각각의 통합된 회로로서 식각하는 것에 의해서 동일한 반도체 요소로부터 차감적으로(subtractively) 형성될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 측정 광 빔(112)이 다수의 횟수로 반사되거나 굴절되는, 서로를 향해서 경사진 복수의 부분적인 면(110, 111)을 광학 매체(108)의 표면이 가지는 것이 제공될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 광학 매체(108) 내에 또는 광학 매체(108) 상에, 하나 이상의 거울 표면(113, 114)이 측정 광 빔(112)(그리고 그에 따른 응답 신호(SR))의 반사를 위해서 제공되는 것이 제공될 수 있다. 이러한 거울 표면은 광학 매체(108) 내의 불균질성에 의해서 또는 그 외부 표면에 의해서 또는, 예를 들어, 통합된/피팅된(fitted)/내부-주조된 또는 광학 매체 상에 장착된 금속 요소 또는 금속 코팅된 거울 요소에 의해서 형성될 수 있다. 이는, 검출 장치(106) 내로의 진입까지, 광학 매체(108) 내의 측정 광 빔(112)의 광학 경로를 연장시키고, 그에 따라, 재료 표면의 제1 영역(102)과 접촉되는 매체(108) 표면의 영역에서의 반사의 경우에, 광학 매체(108) 내의 측정 광 빔(112)의 응답 신호-의존적 편향이 증가된다. 이어서, 편향은 검출 장치(106) 내에서 절대 편향으로서 검출될 수 있다.
검출 장치(106)는, 측정 광 빔(112)의 광이 그 편향에 따라 내부로 커플링되는, 개별적인 광섬유 케이블(120)이 종료되는(도 4) 곳인, 연결기 본체(119)(도 5) 내에서 광학 감응형 반도체 다이오드와 같은 복수의 광학 감응형 표면, 또는 복수의 엇갈린(staggered) 개구부(116, 117, 118)를 가질 수 있다. 이어서, 광섬유 케이블(120)은, 광학 매체(108)에 고정될 수 있는 연결기 본체(119)에 연결되고, 그리고 광섬유 케이블(120)의 종료부에 배열되는(도 4) 검출 장치(106)의 부분에 광을 지향시킨다. 그에 따라, 연결기 본체(119)는, 광섬유 케이블(120)과 같은 방식으로, 측정 광 빔을 검출하기 위한 검출 장치(106)의 일부이다.
완전함을 위해서, 여기 전달 장치가 또한 그러한 여기를, 하나 이상의 광섬유 케이블에 의해서, 전체적으로 또는 섹션별로, 재료 표면에 전송할 수 있고, 그리고 일 실시예에서, 여기 전달 장치가, 광학 매체에 커플링된 하나 이상의 광섬유 케이블에 직접 커플링될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 여기 전달 장치(100), 측정 광 빔(112)을 방출하기 위한 장치(105), 및 검출 장치(106)가 서로에 또는 공통 지지부(121)에 직접 부착되는 것이 제공될 수 있다. 지지부는, 하우징(122) 내에 장착된 플라스틱 부분, 인쇄회로기판 또는 금속 시트에 의해서 형성될 수 있다. 도 8에서 U-형상의 횡단면으로 형성된 지지부는 이어서 일 실시예에서 광학 매체(108)를 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 광학 매체는 지지부에 부착될 수 있고 그에 대해서 조정될 수 있다.
지지부는 또한 하우징(122) 자체에 의해서 또는 하우징 부분에 의해서 형성될 수 있다.
또한, 하우징(122)을 가지는 장치가 사람의 신체(123)에 체결되는 것이 제공될 수 있고, 하나 이상의 여기 광 빔(SA)을 방출하기 위한 여기 전달 장치(100), 측정 광 빔(112)을 방출하기 위한 장치(105) 및 시간-의존적 응답 신호(SR)를 검출하기 위한 검출 장치(106)는, (여기 복사선에 투명한 측정 창으로) 장치의 측정을 실시하기에 적합한 측면이 신체로부터 먼 쪽으로 대면되는 장치의 측면 상에 위치되고, 그에 따라 피분석 재료가 신체(123)으로부터 먼 쪽으로 대면되는 하우징(122)의 측면(124) 상에서 측정될 수 있는 방식으로, 배열되고 구성된다. 이와 관련하여, 도 8은, 하우징(122)이, 일 실시예에서 손목 상의 띠(bracelet) 형태인, 하우징(123)에 속하는 벨트(125)에 의해서 사람의 신체(123)에 부착되는 것을 도시한다. 손목에 대향되는 측면(124) 상에서, 이어서, 하우징은 여기 광 빔(SA)에 투명한 창을 가지거나, 광학 매체(108)가 하우징의 외향 대면 측면(124) 내로 직접 피팅되고 그 자체가 하우징의 일부 섹션의 표면을 형성한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 점선으로 개략적으로 도시된 손가락 끝(126)이 이어서 광학 매체(108) 상에 배치될 수 있고 측정될 수 있다.
광학 매체(108)는 지지부(121)와 동일한 방식으로 하우징(122) 내에 부착될 수 있거나, 하우징(122)에 직접적으로 부착될 수 있다. 광학 매체(108)는 또한 지지부(121)에 직접 연결될 수 있고, 광학 매체에 대한 지지부(121)의 상대적인 배치를 위해서 조정 장치(127)가 제공되어야 한다.
또한, 여기 광원(100), 장치(105) 및 검출 장치(106), 또는 심지어 이러한 요소 중 단지 하나 또는 둘을 광학 매체(108)에 직접적으로 부착하고 다른 요소 또는 요소들을 지지부(121)에 부착하는 것을 생각할 수 있다.
하우징(122) 내의 광학 창을 통해서 및/또는 광학 매체(108)를 통해서, 재료 표면 또는 배치된 손가락 끝(126)의 다른 매개변수가, 예를 들어 일 실시예에서 지문이 측정될 수 있다. 이를 위해서, 하우징 내에서, 예를 들어, 광학 매체(108)를 통해서 재료 표면의 디지털 화상을 기록하는, 카메라 형태의 광학 검출기(130)가 지지부(121)에 체결될 수 있다. 이러한 화상은, 검출 장치에 그리고 또한 여기 전달 장치에 직접 연결될 수 있는 프로세싱 유닛(107) 내에서, 검출 장치(106)에 의한 측정 정보와 같은 방식으로, 프로세스된다. 프로세싱 장치는 또한 측정을 위한 제어 과제를 실시할 수 있다. 프로세싱 장치는 장치의 나머지 부분으로부터 적어도 부분적으로 분리되고 이격될 수 있고 무선 연결에 의해서 이들과 통신할 수 있다.
그에 따라, 카메라(130)로부터의 화상 데이터는 하우징 내에서, 또는 심지어 하우징 외부의 무선 링크를 통해서 더 프로세스될 수 있고, 식별된 사람에 관한 보정 데이터를 검색하기 위해서 개인 신원 데이터베이스와 비교될 수 있다.
이러한 유형의 보정 데이터는 또한 원격 검색을 위해서 데이터베이스 내에, 일 실시예에서 클라우드 내에 저장될 수 있다. 검출 장치(106)로부터의 측정 데이터가 또한 하우징의 내부 및 외부 모두에서 더 프로세스될 수 있다.
데이터가 하우징의 외측에서 프로세스된다면, 바람직하게, 결과적인 데이터는, 하우징 내의 장치에서 디스플레이되도록, 무선에 의해서 하우징 내의 장치로 다시 전송되어야 한다.
어느 경우에도, 유리하게 광학 창을 통해서 그리고 일 실시예에서 또한 어느 정도 광학 매체를 통해서 판독될 수 있는 디스플레이가 하우징(122) 상에 제공될 수 있다. 디스플레이는 또한 광학 창을 통해서 디스플레이 표면 상으로 광학 표시자(indicator)를 투사할 수 있고 이를 위한 투사 장치를 가질 수 있다. 디스플레이는, 일 실시예에서, 측정 또는 분석 결과, 특히 글루코스 농도를 디스플레이하기 위해서 이용될 수 있다. 정보는 일 실시예에서 기호 코드 또는 컬러 코드를 통해서 출력될 수 있다. 디스플레이 또는 그와 병렬인 신호전달 장치에 의해서, 일 실시예에서, 다른 환자 매개변수(예를 들어, 인슐린 교정 계수)에 따라, 인슐린 투여를 위한 제안이 제공될 수 있거나, 신호가 인슐린 펌프 형태의 투여 장치에 자동적으로 전달될 수 있다.
외부 데이터 프로세싱 장치(131)로의 그리고 그로부터의 장치의 연결은, 광섬유 케이블, 케이블, 무선(예를 들어, 블루투스, 와이파이), 또는 초음파 또는 적외선 신호와 같은, 모든 일반적인 표준을 이용하여 실시될 수 있다.
도 9는, 변조 방식으로 여기 전달 장치를 활성화시키는 제어기(132)를 가지는 변조 장치를 도시한다. 측정 광 빔을 위한 검출 장치(106) 및 제어기(132) 모두가 평가 장치(107)에 연결된다.
도 10은 여기 광원(100)을 도시하고, 그 전방에는, 거울 장치, 특히, 편향 방향(136)을 따른 여기 광 빔의 경우에 따른 편향을 위한, 광학 화상 프로젝터 기술로부터 공지된 것과 같은, 하나 이상의 마이크로-거울(133, 134)을 가지는, MEMS(마이크로-전기기계적 시스템)(135)에 의해서 구동되는 거울 장치가 배열된다.
도 11은 여기 광원(100)을 도시하며, 그 전방에서, 일 실시예에서 LCD 셀을 가지는, 제어 장치(137)에 의해서 제어될 수 있는 전달부를 가지는 광학 층(138)이 여기 광 빔 내에 배열된다.
요약하면, 특히 환자에 대한 글루코스 측정의 적용예에서의, 본 경우에 설명된 장치 및 설명된 측정 방법은, 고통스럽고 불편한 침습식 측정을 환자에게 가하지 않는다는 것, 그리고 그에 의해서 규칙적이고 보다 빈번한 측정을 돕는다는 것을 주목하여야 한다. 또한, 측정 결과가 용이하게 프로세스되고 게속적으로 발생되는 비용이 최소화된다. 측정은 분석 물질의 소비가 없이 실행될 수 있다.
측정 방법의 감도는 30 내지 300 mg/dl에 용이하게 도달된다. 혈액 내의 알코올 또는 약물과 같은 글루코스 이외의 재료에 대한 측정 결과의 의존성이 최소화되거나 존재하지 않는다. 측정 장치는 학습이나 훈련 비용이 없이도 동작될 수 있고, 측정은 보정이 없이 지속적인 기간에 걸쳐 실행될 수 있다.
이하의 인자는, 본 장치 및 측정 방법이 글루코스 측정에서의 이용을 위해서 실시될 때, 별개로 또는 조합되어 이용될 수 있다:
글루코스가 특징적인 흡수 스펙트럼을 가지는, 중-적외선에서의 분광 기술이 이용된다(도 14 참조). 여기에서, 예를 들어, 글루코스의 전체 스펙트럼 "지문"이 커버될 수 있다. 많은 수의 특징적인 파장을 커버할 수 있는, 펄스형 퀀텀 캐스케이드 레이저 또는 대안적인 레이저 광원이 이용된다.
전술한 광열 검출 방법이 이용된다(도 15, 도 16).
흡수가 피부의 간질 유체 내에서 측정되는 방식으로, 여기 및 검출이 조정된다. 레이저 빔(여기 빔)은 피부 내로 100 미크론까지 침투하고 피부의 간질 유체 내의 글루코스 분자에 도달한다. 광의 흡수 및 연관된 에너지 전달의 결과로서, 열 파동이 생성되고, 그러한 열 파동은, 부분적으로, 피부 표면으로 이동하고, 그 곳에서 전술한 광열 검출 요소로 검출될 수 있다. 이는, 검출 또는 반응측정(interrogation) 레이저 빔의 이용을 가능하게 하고, 광학적 매체 내의 그러한 레이저 빔의 편향은 광학 매체 내의 열 파동의 가열 작용에 따라 달라진다. 편향은 글루코스에 의한 여기 빔의 흡수에 대한 표시자로서 검출된다.
피부에 인가될 때, 여기 레이저 빔은, 현재의 글루코스 레벨을 포함하지 않는 각질층, 다시 말해서 표면 상의 피부의 죽은 세포에 침투한다. 여기 빔은 관련 글루코스 성분을 가지는 과립층(stratum granulosum) 및 유극층(stratum spinosum)에 도달한다. 이러한 층 내의 글루코스 레벨은 혈액 글루코스 레벨을 직접적으로 따르고; 간질 유체의 혈액 글루코스 레벨은 혈액 글루코스 레벨의 약 85 내지 90%를 나타낸다. 이는 특히, 손가락 끝, 엄지, 귓불 및 입술과 같은, 혈액이 잘 공급되는 신체의 부분에 적용된다. 간질 유체 내의 재료 조성은 혈액 내의 조성보다 전체적으로 더 단순하고, 그에 따라 간질 유체 내의 측정의 경우에 간섭 또는 왜곡 인자가 더 작다.
최외부 피부 층 내의 진동으로 인한 특정 측정 왜곡이 또한 대상 별로 발생될 수 있고 또한 시간에 따라 변동된다.
그러한 왜곡을 제거 또는 최소화하기 위해서, 측정 값이 상이한 피부 깊이들(피부 표면까지의 거리 범위들)로부터 획득된다. 이를 위해서, 여기 빔의 복수의 변조 주파수를 위한 적외선 스펙트럼(도 17, 도 18)이 결정되고, 스펙트럼의 조합에 의해서, 피부의 상부 층의 영향을 제거하기 위해서 이용된다.
결과적으로, 글루코스 레벨을 측정하기 위한 설명된 측정 방법은, 정확도 및 신뢰성과 관련하여, 현재의 표준 침습적 방법에 필적할 수 있다(도 19 참조).
도 20은 도 8에 도시된 것과 유사한 측정 장치를 도시하고, 동일한 참조 번호는 동일한 기능적 요소를 나타낸다. 이는 도 21, 도 22 및 도 23에도 적용된다.
도 20에서, 하나의 측정 장치에서 개별적으로 또는 그룹으로 또는 전부가 이용될 수 있는, 여러 가지 온도 센서(150, 151 및 152)가 도시되어 있고, 센서(150)는 여기 전달 장치(100)의, 그에 따라 예를 들어 레이저 또는 레이저 어레이 상의 온도를 측정하고, 온도 센서(151)는 광학 매체(108)의 온도를 측정하며, 그리고 온도 센서(152)는 검출 장치, 예를 들어 광센서의 온도를 측정한다. 하나 이상의 측정된 온도 값은, 여기 전달 장치의 복사선 세기에 대한 교정 계수를, 또는 광센서 또는 평가 내의 검출 장치의 다른 부분의 검출 감도를 고려하는 것에 의해서, 재료의 분석에서 고려될 수 있다. 교정 계수는 계산식의 형태로 주어질 수 있거나 표로 전자적으로 저장될 수 있다. 그러나, 외부 영향 하의 가열로 인한 단기간의 온도 변화가 염려를 유발하지 않도록, 여기 전달 장치(100) 상에, 광센서 상에 또는, 예를 들어 광학 매체 상에 배열될 수 있는 가열 요소(153)에 의해서, 측정 장치를, 전체적으로 또는 부분적으로, 주변 온도보다 및/또는 환자의 체온보다 높은 온도에서 유지하기 위해서 온도 조절을 이용하는 것이 또한 제공될 수 있다.
도 21은 우레아 농도를 측정하기 위한 측정 장치의 이용을 도시하고, 여기 광 파장이 우레아의 검출을 가능하게 하도록 여기 광 파장이 선택되고, 그에 따라 예를 들어, 우레아의 흡수 파장이 선택된다. 측정은 신체의 부분 상에서 실시될 수 있으나, 또한 투석 기계의 투석 라인(15) 또는 혈액 라인 상에서 실시될 수 있다. 따라서, 상응하는 라인은 광학 매체에 대해서 확실하게 클램핑되어야 한다.
도 22는, 물체가 광학 매체(108) 상에 배치되었는지의 여부를 결정하기 위해서 이용되는 수분 센서(155)를 가지는 측정 장치를 도시한다. 습도가 증가되거나 수분 값이 특정된 값의 윈도우(window) 내에서 검출되는 경우에만, 여기 전달 장치가 동작을 위해서 인에이블링되거나 턴 온된다. 이는, 비록 본질적으로 무해하지만, 여기 복사선이 필요한 것 보다 더 많이 환경에 진입하는 것을 방지하기 위한 것이다. 센서(155)에 의해서 작동되는 스위치가 156의 라벨(label)을 갖는다.
동시에, 도 22는 공기의 흡입을 위한 장치(161, 162, 163)를 도시하고, 161 및 162는, 광학 매체의 전방부 상에서 종료되고 흡입 채널에 연결되는 개구부를 지정한다. 이러한 흡입 채널은 예를 들어, 측정 실시를 위해서 신체 부분이 가압되는, 광학 매체의 영역 주위에서 원으로 연장될 수 있다. 흡입 개구부는 또한 원으로 분포될 수 있다. 흡입 채널에 의해서, 흡입 개구부는, 동작 중에 광학 매체 상으로 가압된 물체를 제 위치에서 유지하거나 그곳에서 고정하는, 예를 들어 흡입 펌프 형태의, 진공 흡입 장치(163)에 연결된다.
도 23은, 예를 들어 손가락이 내부로 삽입될 수 있는 광학 매체의 지역 내의 중공부를 생성하는 고정 장치를 도시한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 테스트 물체를 제 위치에서 클램핑하는, 록킹 걸쇠(165)가 또한 제공될 수 있다.
도 23에 도시된 바와 같이, 중공부는, 탄성 재료 또는 완충부, 특히 팽창 가능 완충부로 이루어질 수 있는, 원주방향 상승 연부(164)에 의해서 생성된다. 테스트 물체, 특히 손가락의 배치 이후에 팽창될 수 있고, 팽창될 때, 물체/손가락을 제 위치에서 확실하게 클램핑할 수 있는, 팽창 가능 완충부가 또한 제공될 수 있다. 측정 장치는 완충부 내의 압력을 제어하기 위한 장치에 연결될 수 있다.
도 23은 또한, 예를 들어, 피측정 물체가 가압되는 전방 측면에 대향되는, 광학 매체의 후방 측면 상에 배열될 수 있는, 압력 센서(158)를 도시한다. 센서(158)는, 예를 들어, 작용하는 압력에 따라 신호를 생성하고 및/또는 여기 전달 장치의 턴 온 및/또는 턴 오프를 위한 스위치(160)를 활성화시키는, 근접 스위치/거리 센서 및/또는 압전 센서를 구비한 스프링을 가질 수 있다. 이와 병행하여, 광도 센서(157)가 또한 도 23에 도시되어 있고, 그러한 광도 센서는 광센서로서 설계될 수 있고 광학 매체의 전방부가 물체로 커버되었는지의 여부를 검출한다. 이러한 경우에, 여기 전달 장치는 스위치(159)에 의해서 턴 온 또는 인에이블링될 수 있고, 그렇지 않은 경우에 이는 디스에이블링될 수 있다.
도 24는, 피검사 재료/신체 부분 내에 위치되는 2개의 물질의 밀도의, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치로 기록되거나 결정된 2개의 깊이 프로파일을 도시한다. 2개의 물질은 상이한 파장/파장의 그룹을 가지는 여기 빔에 의해서 식별되고, 예를 들어 파장을 위해서, 하나 이상의 파장이 선택될 수 있고, 그러한 파장에 또는 파장의 주변에 피식별 물질의 흡수 최대치가 위치된다. 본 발명에 따른 측정 방법은, 표면에 수직으로 측정된, 깊이(T)에 따라 2개의 물질의 밀도 분포(166, 167)(I(T))를 결정하기 위해서 이용될 수 있다. 물질은 전형적으로 동일한 또는 상이한 밀도 분포를 가질 것이다. 기준 물질의 밀도 분포(166)를 알거나, 분포(166)의 최대치(166a) 또는 다른 특징적 지점이 표면 아래에 위치되는 깊이(T1)만을 아는 경우에, 다른 물질의 밀도 분포(167) 또는 그 분포의 최대 밀도의 위치(T2)가 이러한 기준 값으로 보정될 수 있다.
(이미 언급한 바와 같은) 본 재산권 출원은, 청구범위의 청구 대상 및 전술한 예시적인 실시예에 더하여, 이하의 양태와 또한 관련된다. 이러한 양태는 개별적으로, 또는, 각각의 경우에 청구범위의 특징과 함께 그룹으로 조합될 수 있다. 또한, 이러한 양태는, 단독적으로 취해지든지 또는 서로 또는 청구항의 청구 대상과 조합되어 취해지든지 간에, 독립적인 발명을 나타낸다. 출원인은 이러한 발명을 추후에 청구항의 청구 대상으로 만들 권리를 보유한다. 이는 본원의 문맥에 따라 또는 본원의 우선권을 주장하는 후속 분할 출원 또는 계속 출원의 문맥에 따라 이루어질 수 있다.
1) 신체 내의 재료를 분석하기 위한 방법으로서:
- 신체의 표면의 제1 영역을 통해서 하나의 또는 복수의 특정 여기 파장을 가지는 여기 광 빔을 방출하는 단계,
- 기계적 초퍼(chopper)와 상이한 구성요소에 의해서, 특히 여기 광원의 전자적 활성화, 여기 광원으로서 이용되는 여기 레이저의 공진기를 위한 조정 장치, 또는 가동형 거울 장치, 제어 가능한 회절 장치, 스텝퍼 모터 또는 MEMS와 같은 모터에 커플링된 셔터(shutter) 또는 거울 장치, 또는 전달과 관련하여 제어될 수 있는 빔 경로 내의 층에 의해서, 특히 연속적으로, 하나의 또는 복수의 주파수로 여기 광 빔을 세기 변조하는 단계,
- 신체 외측에 배치된 검출기에 의해서, 신체 내의 여기 광 빔의 파장-의존적 흡수 효과에 기여할 수 있는 응답 신호를 시간-분해 방식으로 검출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 변조는, 간섭에 의해서 또는, 특히 여기 전달 장치가 레이저 광 장치를 포함하는 경우에, 여기 전달 장치의 복사선의 위상 또는 편광화에 영향을 미치는 것에 의해서 실시될 수 있다.
2) 양태 1에 따른 방법에 있어서, 여기 광 빔은, 상이한 파장을 가지는 광을 동시에 또는 순차적으로, 또는 임의의 펄스 패턴으로 방출하는, 특히 레이저 어레이 형태의, 복수의 방출기 또는 다수-방출기에 의해서 발생되는 것을 특징으로 한다.
3) 양태 1 또는 양태 2에 따른 방법에 있어서, 신체의 표면의 제1 영역 상에서, 음향 응답 신호가 음향 센서에 의해서 검출되는 것을 특징으로 한다.
4) 양태 1 내지 양태 3 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 응답 신호가, 적외선 센서, 특히 열전쌍, 볼로미터(bolometer) 또는 반도체 검출기, 예를 들어 퀀텀 캐스케이드 검출기에 의해서, 신체의 표면의 제1 영역 상에서 검출되는 것을 특징으로 한다.
5) 양태 1 내지 양태 4 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서,
- 광학 매체의 표면의 적어도 하나의 영역이 신체의 표면의 제1 영역과 접촉되도록, 재료 표면과 접촉되는 광학 매체의 접촉부를 생성하는 단계;
- 특히 재료 표면의 제1 영역과 접촉되는 광학 매체의 표면의 영역을 통해서, 표면의 제1 영역 아래에 위치된 재료 내의 부피 내로 여기 파장을 가지는 여기 광 빔을 방출하는 단계,
- 광학 고온 측정 방법(optical pyrometric method)을 이용하여 광학 매체의 표면의 제1 영역 내에서 온도를 측정하는 단계,
- 여기 광 빔의 파장에 따라, 검출된 온도 증가를 기초로 재료를 분석하는 단계를 포함한다.
6) 양태 5에 따른 방법에 있어서, 측정 광 빔 및 여기 광 빔이, 측정 광 빔이 반사되는, 광학 매체(10)와 재료 표면의 인터페이스에서 중첩되는 방식으로, 재료 표면과 직접 접촉되는 광학 매체(10)의 표면(12)의 영역 상으로 광학 매체(10)를 통해서 측정 광 빔을 방출하는 단계;
여기 광 빔의 파장에 따라, 반사된 측정 광 빔의 편향을 직접적으로 또는 간접적으로 검출하는 단계; 및
여기 광 빔의 파장에 따라, 측정 광 빔의 검출된 편향을 기초로 재료를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
7) 양태 5 또는 양태 6 중 한 양태에 따른 방법에 있어서, 측정 빔이, 여기 광 빔을 생성하는 동일한 광원에 의해서 생성되는 것을 특징으로 한다.
8) 양태 5 내지 양태 7 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 편향 이후에 그리고 광학 매체 내의 검출 이전에, 측정 빔이 광학 매체의 외측에서, 또는 부분적으로 광학 매체의 내측에서 그리고 부분적으로 광학 매체의 외측에서 한 차례 이상 반사되는 것을 특징으로 한다.
9) 양태 1에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 측정 광 빔은, 특히 적외선 스펙트럼 범위 내의, 세기-변조된, 특히 펄스화된 여기 광 빔이고, 특히 변조율은 1 Hz 내지 10 kHz, 바람직하게 10 Hz 내지 3000 Hz인 것을 특징으로 한다.
10) 양태 1에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 여기 광 빔/빔들의 광이 복수의 개별적인 레이저, 특히 레이저 어레이를 가지는 통합된 배열체(arrangement)에 의해서, 동시에 또는 연속적으로 또는 부분적으로 동시적으로 그리고 부분적으로 연속적으로 생성되는 것을 특징으로 한다.
11) 양태 1에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 여기 광 빔의 상이한 변조 주파수들에서 획득된 응답 신호들로부터, 응답 신호의 세기 분포가, 응답 신호가 내부에서 생성되는 표면 아래의 깊이에 따라, 결정되는 것을 특징으로 한다.
12) 양태 1에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 여기 광 빔의 하나의 또는 상이한 변조 주파수들에서의 변조된 여기 광 빔과 관련된 응답 신호의 위상 위치로부터, 응답 신호의 세기 분포가, 응답 신호가 내부에서 생성되는 표면 아래의 깊이에 따라, 결정되는 것을 특징으로 한다.
13) 양태 11 또는 양태 12에 따른 방법에 있어서, 표면 아래의 깊이에 따라 응답 신호의 세기 분포를 결정하기 위해서, 상이한 변조 주파수들에서의 측정 결과가 가중되고 서로 조합되는 것을 특징으로 한다.
14) 양태 11 내지 양태 13 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 신체의 표면 아래의 깊이에 걸쳐 획득된 세기 분포로부터, 특정 깊이 또는 깊이 범위 내에서 특정 파장 범위 내의 여기 광 빔을 흡수하는 재료의 재료 밀도가 결정되는 것을 특징으로 한다.
15) 양태 1에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 방법에 있어서, 응답 신호/신호들의 검출 바로 전 또는 후 또는 도중에, 적어도 하나의 생체 측정, 특히 지문의 측정이 표면의 제1 영역 내의 또는 그에 바로 인접한 신체 상에서 실행되고, 신체, 특히 사람이 식별되며, 그리고 특히 기준 값(보정 값)이 응답 신호의 검출에 할당될 수 있는 것을 특징으로 한다.
16) 재료 분석용 장치는,
복사선 공급원의 변조 장치, 특히 그 제어기, 간섭 장치, 위상- 또는 편광화-변조 장치 및/또는 빔 경로 내에 배열된 적어도 하나의 제어되는 거울, 및/또는 투명도와 관련하여 제어 가능하고 빔 경로 내에 배열되는 층에 의해서 형성된, 여기 광 빔을 변조하기 위한 장치를 가지는, 각각이 하나의 여기 파장을 가지는 하나 이상의 여기 광 빔을 재료의 표면의 제1 영역 아래에서 재료 내에 위치되는 부피 내로 방출하기 위한 장치, 및 여기 광의 파장 및 여기 광의 세기 변조에 따라 시간-의존적 응답 신호를 검출하기 위한 장치로서, 검출된 응답 신호를 기초로 재료를 분석하기 위한 장치를 가지는, 시간-의존적 응답 신호를 검출하기 위한 검출 장치를 갖는다.
17) 양태 16에 따른 장치에 있어서, 상이한 세기 변조 주파수에 따라 별개로 응답 신호를 결정하기 위한 장치 및/또는 여기 광 빔의 변조의 위상에 대한 각각의 응답 신호의 위상 위치에 따라, 특히 여기 광 빔의 변조 주파수에 따라, 응답 신호를 결정하기 위한 장치를 갖는다.
18) 양태 16 또는 양태 17에 따른 재료 분석용 장치에 있어서, 광학 매체의 표면과 재료 표면의 제1 영역의 접촉을 형성하기 위한 광학 매체, 그리고
특히 재료 표면과 접촉되는 광학 매체의 표면의 영역을 통해서, 표면의 제1 영역 아래에서 재료 내에 위치된 부피 내로 하나 이상의 여기 파장을 가지는 여기 광 빔을 방출하기 위한 장치로서, 광학적 방법을 이용하여 재료 표면과 접촉되는 광학 매체의 표면의 영역 내의 온도를 측정하기 위한 장치, 및 여기 광 빔의 파장 및 여기 광 빔의 세기 변조에 따라, 검출된 온도 증가를 기초로 재료를 분석하기 위한 장치를 가지는, 여기 광 빔을 방출하기 위한 장치를 갖는다.
19) 양태 18에 따른 장치에 있어서, 여기 광원이 광학 매체에 직접적이고 고정적으로 그리고 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
20) 양태 18에 따른 장치에 있어서, 재료 표면의 제1 영역과 접촉되는 광학 매체의 영역 내로 측정 광 빔을 방출하기 위한 장치가 제공되고, 측정 광 빔을 검출하기 위해서, 이러한 장치 및/또는 검출 장치가 광학 매체에 직접적이고 고정적으로 그리고 기계적으로 연결되고 및/또는 광섬유 케이블에 의해서 그에 커플링되는 것을 특징으로 한다.
21) 양태 18 내지 양태 20 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 광학 매체가 화상화 광학기기를 직접적으로 지지하는 및/또는 화상화 광학기기가 광학 매체 내로 통합되는 것을 특징으로 한다.
22) 양태 18에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 광학 매체의 표면이 서로를 향해서 경사진 복수의 부분적인 면을 가지고, 그러한 면에서 측정 광 빔이 다수 횟수로 반사되는 것을 특징으로 한다.
23) 양태 18에 따른 또는 다른 선행하는 또는 후술되는 양태 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 측정 광 빔의 반사를 위해서 하나 이상의 거울 표면이 광학 매체 내에 또는 광학 매체 상에 제공되는 것을 특징으로 한다.
24) 양태 16 또는 양태 17에 따른 장치에 있어서, 시간-의존적 응답 신호를 검출하기 위해서, 검출 장치는, 특히 공진기, 보다 특히 헬름홀츠(Helmholtz) 공진기로, 재료 표면 상의 음향 파동을 검출하기 위한 음향 검출기를 가지는 것을 특징으로 한다. 음향 공급원의 검출기로서, 바람직하게 공진기와 동일한 공진 주파수를 가지는, 석영 포크(quartz fork)가 이용된다. 공진기는 또한 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 석영 포크는 바람직하게 공진기의 목부(neck) 내에 또는 그 위에(오프-빔) 또는 공진기의 내측 또는 외측에(인-빔(in-beam)) 위치된다.
25) 양태 16 내지 양태 18 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 시간-의존적 응답 신호를 검출하기 위해서, 검출 장치는, 재료 표면에서 열 복사선을 검출하기 위한 열 복사선 검출기, 특히 적외선 검출기, 보다 특히 열전쌍, 볼로미터, 또는 반도체 검출기를 가지는 것을 특징으로 한다.
26) 양태 16 내지 양태 25 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 여기 광원 및 검출 장치가 서로 직접적으로 부착되거나, 특히 장치의 하우징 또는 하우징 부분에 의해서 형성된 공통 지지부에 부착되는 것을 특징으로 한다.
27) 양태 16 내지 양태 26 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치가, 사람의 신체에 체결될 수 있는 웨어러블 하우징(wearable housing)을 가지며, 하나 이상의 여기 광 빔을 방출하기 위한 장치 및 시간-의존적 응답 신호를 검출하기 위한 검출 장치는, 피분석 재료가 신체로부터 먼 쪽으로 대면되는 하우징의 측면 상에서 측정되는 방식으로, 배열되고 구성되는 것을 특징으로 한다.
28) 양태 16 내지 양태 26 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는, 사람의 신체에 체결될 수 있는 웨어러블 하우징을 가지고, 장치의 하우징은, 의도된 착용 위치에서 신체로부터 먼 쪽으로 대면되는 그 측면 상에서 여기 광 빔에 투명한 창을 가지는 것을 특징으로 한다.
29. 적어도 하나의 전자기 여기 빔, 특히 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 여기 광 빔을 생성하기 위한 여기 전달 장치, 응답 신호를 검출하기 위한 검출 장치, 및 검출된 응답 신호를 기초로 재료를 분석하기 위한 장치로 재료를 분석하기 위한 장치가 제공된다.
30. 양태 16 내지 양태 29 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 검출 장치가 크리스탈의 변형을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
변형은, 샘플 표면에 대한 더 가파른(더 큰) 측정 빔의 입사각의 선택에 의해서 광열 '바운싱 방법'과 유사하게, 보다 효과적으로 측정될 수 있고, 측정 빔의 신기루 효과-관련 편향의 영향이 최소화될 수 있다.
문헌:
M. Bertolotti, G.L. Liakhou, R. Li Voti, S. Paolino, and C. Sibilia. Analysis of the photothermal deflection technique win the surface refection theme: Theory and Experiment. Journal of Applied Physics 83, 966 (1998)
31. 선행하는 양태 16 내지 양태 30 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 여기 전달 장치는 반응측정 레이저 또는 LED, 예를 들어 NIR(근적외선) LED를 포함하는 것을 특징으로 한다.
32. 선행하는 양태 16 내지 양태 31 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 여기 전달 장치는, 부가적인 펌프 레이저보다 작은 직경을 가지는 탐침 레이저를 포함하는 것을 특징으로 한다.
33. 선행하는 양태 16 내지 양태 32 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 보다 바람직한 신호-대-잡음비를 성취하기 위해서, 열이 보다 양호하게 소산되도록(예를 들어, "열 전도 페이스트"), 특히 광학 방출기의, 특별한 코팅, 예를 들어 IRE가 제공되는 것을 특징으로 한다.
광학 요소는, 광학 매체 내로의 열 신호의 개선된 전달이 제공될 수 있게 하는 방식으로, 접촉 표면 상에 코팅될 수 있다. 또한, 코팅은 긁힘에 대한 보호부로서의 역할을 할 수 있고, 그리고 재료의 지능적인 선택에 의해서, 측정 빔에 대한 반사 표면을 또한 구현할 수 있다. 이러한 경우에, 여기 광의 투명도가 유지되어야 한다.
34. 선행하는 양태 16 내지 양태 33 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는,
i. 펄스 트레인(pulse train)/이중 변조
ii. 발진 거울(oscillating mirror)
iii. MEMS 간섭계를 위한 시스템 갖는 것을 특징으로 한다.
35. 선행하는 양태 16 내지 양태 34 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는, 일 실시예에서, 하우징에 연결된 보유 장치, 예를 들어 벨트, 밴드 또는 체인 또는 걸쇠에 의해서, 신체 상에서 인간이 영구적으로 차용할 수 있도록 설계되고, 및/또는 검출 장치는, 측정 값, 클록 시간 및/또는 문자 정보와 같은 정보를 위한 디스플레이 표면으로서 또한 이용될 수 있는 검출 표면을 가지는 것을 특징으로 한다.
36. 선행하는 양태 35에 따른 장치에 있어서, 장치는, 재료 표면의 전처리를 위한 그리고 청정 표면을 보장하기 위한, 및/또는 글루코스 측정의 경우에 일 실시예에서, 피부 세정을 위해서 특히 제공되는, 당김-제거 막을 검출 표면의 지역 내에, 바람직하게 검출 표면 옆에 가지는 것을 특징으로 한다.
37. 선행하는 양태 16 내지 양태 36 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 검출 장치가, 사람의 특정 값/보정을 검색하기 위해서 및/또는 손가락의 위치를 검출하기 위해서, 바람직하게 측정 중에 의도하지 않은 이동을 검출하고 결정하기 위해서, 지문을 판독 및 인식하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
38. 선행하는 양태 16 내지 양태 37 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 검출 장치는 결과 디스플레이를 가지며, 해당 디스플레이는 장치의 정확도가 허용하는 것보다 더 큰 단계에서의 측정의 결과 디스플레이로 및/또는 음향적으로, 오류 표시(예를 들어: "100 mg/dl 플러스/마이너스 5 mg/dl")를 포함하는 일 실시예에서, 아날로그 디스플레이로서, 바람직하게는 칼라 코딩으로 구현된다. 이는, 예를 들어, 사용자를 혼란스럽게 할 수 있는 작은 요동이 통신되지 않는다는 것을 의미한다.
39. 선행하는 양태 16 내지 양태 38 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는, 측정된 데이터를 전달하기 위한 그리고 다른 장치 또는 클라우드 시스템으로부터 보정 데이터 또는 다른 데이터를 검색하기 위한 데이터 인터페이스를 포함하고,
장치는 바람직하게, 데이터가 암호화된 형태로 전달될 수 있게 하고, 특히 조작자의 지문 또는 다른 생체 데이터에 의해서 암호화될 수 있는 방식으로, 구성되는 것을 특징으로 한다.
40. 선행하는 양태 16 내지 양태 39 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치가, 사람에게 주어지는 제시된 인슐린 투여가 다른 데이터(예를 들어, 인슐린 교정 계수) 및/또는 체중과 함께 장치에 의해서 결정될 수 있고, 신체 지방이 측정될 수 있고 및/또는 동시에 수동적으로 특정될 수 있고 또는 다른 장치로부터 그러한 장치로 전송될 수 있는 방식으로, 구성되는 것을 특징으로 한다.
41. 선행하는 양태 16 내지 양태 40 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 측정 정확도를 높이기 위해서, 장치는, 광의 편광화 (손가락 표면 상의 물/땀의 분비) 또는 기타를 측정하기 위해서, 일 실시예에서 피부의 피부 온도, 확산도, 전도도/수분 레벨을 결정하기 위한 센서를 이용하여, 추가적인 매개변수를 식별하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
글루코스 측정에 영향을 미칠 수 있는 사람의 피부 표면 상의 물 및 땀은, 1640 cm-1(6.1 ㎛) 및 690 cm-1(15 ㎛)의 물-특정 밴드를 가지는 여기 전달 장치를 이용한 여기 복사선에 의한 테스트 자극에 의해서 검출될 수 있다. 만약 흡수가 특정 값을 초과한다면, 측정 장소/재료 표면/피부 표면이 너무 젖어서 신뢰 가능한 측정을 할 수 없다. 대안적으로, 수분 레벨을 결정하기 위해서, 직접적으로 측정 장소에서 또는 그 근접부에서 물질의 전도도가 측정될 수 있다. 오류 메시지 및 표면을 건조시키라는 명령이 이어서 출력될 수 있다.
42. 선행하는 양태 16 내지 양태 41 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치가, 펌핑 및/또는 측정 빔 레이저의 빔 경로 내에 커버를 가지는 것을 특징으로 한다. 이는, 의무적인 인간의 눈 안전이 제공되게 보장한다.
43. 양태 16 내지 양태 42 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는 교체 가능 검출 표면을 갖는다.
44. 선행하는 양태 16 내지 양태 43 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는, 일부 지역 내에서, 샘플(예를 들어, 손가락)의 보다 양호한 조정을 허용하는, 홈형 또는 조질형(roughened) 크리스탈을 광학 매체로서 구비하는 것을 특징으로 한다. 피분석 재료의 표면이 배치되는 측정 지점은 바람직하게 홈을 가지지 않고 매끄럽게 설계된다.
45. 선행하는 양태 16 내지 양태 44 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 빔을 측정하기 위해서, 원통형 TEMpl TEM00 모드가 이용될 수 있고, 또는, 원통형 TEMpl TEM00 모드 대신에 다른 모드, 예를 들어 TEM01(Doughnut), TEM02 또는 TEM03가 이용될 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히 후자의 모드는, 그들의 세기가, 편향된 측정 빔을 위한 검출기를 형성하는(도면 참조), 쿼드런트 다이오드(quadrant diode)의 감도 프로파일에 정합될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, TEM30 또는 TEM03 이상과 같은, 직사각형 모드 TEMmn이 이용될 수 있다. 이는, 수평 또는 수직 방향으로 덜 간섭하는 경향이 있는 샘플링/측정 빔이 이용될 수 있게 한다.
46. 선행하는 양태 16 내지 양태 45 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 장치는 점에서뿐만 아니라 그리드(grid)로 측정하는 것을 특징으로 한다. 이는, 펌핑형 또는 탐침 레이저 또는 검출 유닛을 변위시키는 것에 의해서 이루어질 수 있다. 변위 대신에, 펌핑 또는 탐침 레이저의 하나 이상의 어레이가 가능하다.
또한, 자체적으로 하나 이상의 발명을 또한 나타낼 수 있는 본 발명의 이하의 양태가 인용된다.
47. 재료(101)를 분석하도록 구성된 장치는, 레이저 광원의 복수의 레이저 방출기의 하나 이상의 연속적인 동작에 의해서, 또는 적어도 부분적으로 동시적인 동작에 의해서, 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 적어도 하나의 전자기 여기 빔(SA)을 생성하는, 여기 전달 장치(100)를 가지고, 그리고
응답 신호(SR)를 검출하는 검출 장치(106) 및 검출된 응답 신호(SR)를 기초로 재료를 분석하는 분석 장치를 갖는다.
48. 양태 47에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 온도-조절 장치에 의해서, 여기 전달 장치(100)의 레이저 방출기(들)의 온도 및/또는 검출 장치(106)의 온도, 특히 광학 매체(108) 및/또는 검출 복사선 공급원(105) 및/또는 광학 센서의 온도가 분석 중에 일정하게 유지되고, 특히 특정 온도에서, 보다 특히 신체의 온도 초과, 보다 바람직하게 37 ℃ 초과, 더 바람직하게 38 ℃ 초과 또는 40 ℃에서, 일정하게 유지되는 방식으로, 구성된다.
49. 양태 47 또는 양태 48에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 분석 중에, 여기 전달 장치(100)의 레이저 방출기/방출기들의 온도 및/또는 검출 장치(106), 특히 광학 매체(108) 및/또는 검출 복사선 공급원(105) 및/또는 광학 센서의 온도가 온도 센서를 이용하여 검출되고, 측정 결과를 온도 교정 값과 조합시키는 것에 의해서, 분석의 평가에서 고려되는 방식으로, 구성된다.
50. 양태 47 내지 양태 49 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 재료, 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체(108)에 대해서 가압될 수 있고, 가압된 신체 부분에 의해서 매체(108) 상에 가해지는 압력이 검출되고, 그리고 매체(108) 상의 검출된 압력에 따라, 여기 전달 장치(100)가 스위치에 의해서 턴 온되고, 및/또는 특히 특정 문턱값 미만의, 압력 감소에 따라 턴 오프되는 방식으로, 구성된다.
51. 양태 47 내지 양태 50 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 재료, 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체(108)에 대해서 가압될 수 있고, 가압된 신체 부분의 영역 내의 매체의 암흑화가 광도 센서에 의해서 검출되며, 그리고 여기 전달 장치(100)가 매체의 암흑화에 의해서 스위치에 의해서 턴 온되고 및/또는, 특히 특정 문턱값 초과의, 매체 내의 광도 증가에 의해서 턴 오프되는 방식으로, 구성된다.
52. 양태 47 내지 양태 51 중 어느 한 양태에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 재료, 특히 신체 부분, 특히 손가락이, 검출 장치의 일부인 광학 매체(108)에 대해서 가압될 수 있고, 가압된 신체 부분의 지역 내의 매체(108)의 수분 레벨이 검출되며, 그리고 여기 전달 장치(100)가 매체 상에서 특정 수분 레벨에 도달할 때 스위치에 의해서 턴 온되고 및/또는, 특히 특정 문턱값 미만의 수분 레벨의 감소에 의해서, 또는 특정 문턱값 초과의 수분 레벨의 증가에 의해서 턴 오프되는 방식으로, 구성된다.
53. 양태 47 또는 이하의 양태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 방법의 실시 중에, 특히 신체 부분을 클램핑 장치로 매체에 클램핑하는 것에 의해서, 접착 층을 이용하여 신체 부분을 매체에 접착시키는 것에 의해서, 신체 부분을 매체에 부착시키는 것에 의해서 또는 흡입 장치를 이용하여 신체 부분을 진공 흡입하는 것에 의해서, 광학 매체(108) 상으로 가압될 수 있는 신체 부분이 매체(108)에 부착되게 하는 방식으로, 구성된다.
54. 양태 47에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 여기 빔(SA)이 적어도 2개의 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹으로 방출되는 방식으로서, 제1 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 재료 내의 피식별 물질의 식별을 가능하게 하는 한편, 적어도 하나의 부가적인 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 피식별 물질과 상이한 기준 물질의 식별을 가능하게 하는 방식으로, 그리고 적어도 2개의 상이한 물질 프로파일이 재료의 깊이에 걸친 그들의 밀도 분포와 관련하여 결정되고 서로 조합되는 방식으로서, 특히 재료 내의 기준 물질의 깊이 프로파일 또는 깊이 프로파일의 적어도 하나 이상의 매개변수가 알려진 방식으로, 구성된다.
55. 양태 47 또는 이하의 양태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 여기 빔(SA)이 변조되는, 바람직하게 상이한 변조 주파수들로 연속적으로 변조되고, 검출 장치를 이용하여 상이한 변조 주파수들에 대한 응답 신호가 검출되거나, 여기 빔의 세기 변화의 경우에 응답 신호의 시간 특징, 특히 그 주기적 활성화 및/또는 비활성화가 분석되게 하는 방식으로, 구성된다.
56. 양태 55에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 여기 빔(SA)이, 여기 광 빔을 생성하는 레이저 장치(100)의 제어 장치에 의해서 변조되는 방식으로 구성된다.
57. 양태 47 또는 이하의 양태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 여기 빔이 0 내지 10개의 변조 주파수로, 바람직하게 0 내지 5개의 변조 주파수로, 더 바람직하게 1 내지 3개의 변조 주파수로, 더 바람직하게 단지 하나의 변조 주파수로 변조되고, 그리고 응답 신호의 시간 특징, 특히 응답 신호의 위상-감응형 특징이 분석되는 방식으로, 구성된다.
58. 양태 47 또는 이하의 얀태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 여기 빔(SA)의 듀티 사이클이 3 내지 10%, 바람직하게 3 내지 7%가 되는 방식으로, 구성된다.
59. 양태 47 또는 이하의 양태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 분석물의 표면에서 여기 빔(SA)의 파워 밀도가 5 mW/mm2 미만, 특히 2 mW/mm2 미만, 보다 특히 l mW/mm2 미만이 되게 하는 방식으로 구성된다.
60. 양태 47 또는 이하의 양태 중 임의의 하나에 따른 장치에 있어서, 그러한 장치는, 검출 장치의 광학 매체(108)가 신체 부분과, 특히 손가락과, 및/또는 분석물을 운송하는 용기와 및/또는 혈액을 운송하는 투석 유닛의 용기와 접촉될 수 있게 하는, 그리고, 특히, 우레아의 검출을 가능하게 하는 하나 이상의 여기 파장이 여기 빔을 위해서 선택되는 방식으로, 구성된다.
여기 빔의 방출 이후에 응답 신호를 검출하기 위한 다른 검출 방법이:
- 광-음향 검출 - 튜닝 포크 또는 다른 진동 요소를 이용한 광-음향 검출 또는: 개방형 QePAS 셀(석영-강화 광-음향 분광(Quartz-enhanced Photo-Acoustic Spectroscopy))을 가지는 약간 변형된 광-음향의 형태를 포함할 수 있다. 이러한 방법은 표면 상에서의 압력 요동/진동을 검출하기 위해서 그리고 측정된 빔 편향을 위해서 전술한 방식으로 그 검출을 평가하기 위해서 이용될 수 있다.
원칙적으로, 여기 빔의 주기적 변조에 대한 응답 신호의 위상 변이의 측정된 값이 깊이 프로파일링을 위해서 이용될 수 있다. (이를 위해서, 재료 표면의 가열/냉각 위상은 그 파형 또는 패턴과 관련하여 더 정확하게 평가되어야 한다.)
설명된 장치는, 신체 상의 최대의 왜곡되지 않은 측정을 허용하기 위해서, 죽은 피부 층을 제거하기 위한 접착 스트립뿐만 아니라, 규칙적으로 광학 매체에 도포될 수 있는 열 전도 페이스트를 가지는 플라스터의 공급과 연관될 수 있다. 나머지 부분이 적절히 체결 및 조정된다면, 광학 매체는 교체 가능할 수 있다.
측정을 실시하기 위해서, 장치는 인간의 손가락뿐만 아니라 입술 또는 귓불 상에서 제공 및 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 측정은, 손가락 또는 신체의 다른 부분의 직접적인 접촉 및 배치가 없이도 (거리를 두고) 이루어질 수 있고, 결과적으로 무접촉 측정을 초래할 수 있다.
측정은, 오류에 대한 유사한 민감도를 가지는, 설명되고 기술된 복수의 측정 시스템의 조합에 의해서 그 정확도 및 신뢰성과 관련하여 개선될 수 있다.
평가에서 DAQ 및 록-인 진폭기(lock-in amplifier)가 하나의 장치 내에 조합될 수 있고, 전체적인 평가가 디지털화될 수 있다.
측정 장치는 또한 이동 표면 상에서 실시될 수 있고, 그에 따라 그리드 측정의 경로를 따라 실시될 수 있으며: 여기 광원 및/또는 측정 광원이 측정 중에 그리드 패턴을 따라 피부 위에서 이동되고, 이는 피부 불균일성이 보상되거나 심지어 제거될 수 있게 한다.
검출 장치/편향 유닛의 감도는, 탐침 빔/측정 광원의 파장의 조정/변경에 의해서, 최적화될 수 있다. 이를 위해서, 측정 광원은 파장과 관련하여 변경될 수 있거나, 선택 또는 조합을 위한 상이한 파장들의 복수의 레이저 광원을 포함할 수 있다.
펌프/탐침 레이저의 편향을 위해서, 이상적인 횡방향 모드(TEM)가 선택될 수 있다.
여기 전달 장치, 측정 광원 및 검출기가 공통 어레이로서 구성될 수 있고, 빔이 광학 매체 내로 적절히 편향되어 모든 빔의 방출 및 수용을 하나의 점에 집중할 수 있다.
광학 매체의 크리스탈 상의 또는 그 내부의 렌즈는 응답 신호에 따라 측정 광 빔을 더 강력하게 편향시키는데 기여할 수 있다.
또한, 검출을 위해서 무-간극 포토다이오드를 이용하는 것을 생각할 수 있고, 이어서 렌즈가 측정 광 빔의 진출 이후에 측정 광 빔을 포커스할 수 있고, 그에 따라 더 정확한 측정을 가능하게 할 수 있다.
특허 청구항에 따른 본 발명의 부가적인 변형예를 이하의 개념으로 설명한다. 이러한 개념은, 단독으로 취해지든지 또는 전술한 양태 또는 청구범위의 청구 대상과 조합하여 취해지든지 간에, 적어도 하나의 독립적인 발명을 또한 구성한다. 출원인은 본 발명 또는 이들 발명을 추후에 청구항의 대상으로 만들 권리를 보유한다. 이는 본원의 문맥에 따라 또는 본원의 우선권을 주장하는 후속 분할 출원 또는 계속 출원의 문맥에 따라 이루어질 수 있다:
퀀텀-캐스케이드 레이저를 이용한 여기에 의한 피부 내의 글루코스의 결정 및 복사 열에 의한 열 파동의 측정에 의한 비침습적 혈당 측정의 개념. 도 12 및 도 13을 기초로, 피부 내의 간질 유체(ISF) 내의 글루코스 또는 다른 재료의 농도를 결정할 수 있는 방법이 설명된다. ISF 내의 글루코스는 혈액 글루코스를 나타내고, 변화의 경우에 혈당을 신속하게 따른다. 방법은 이하의 단계의 또는 전체 시퀀스의 적어도 개별적인 단계 또는 그룹으로 이루어진다.
1. 피부(102) 상의 지점(이러한 경우에, 재료 표면의 제1 영역)이, 포커스되고 가능하게는 거울 또는 포물선형 거울(140)에서 반사되는 그리고, 글루코스가 특별하게 흡수하는, 특정 적외선 범위에 걸쳐 점진적으로 또는 연속적으로 튜닝되는, 퀀텀 캐스케이드 레이저의 빔으로 조명된다. 퀀텀 캐스케이드 레이저(100) 대신에, 단일 파장을 복사하는 복수의 레이저를 가지는 레이저 어레이가 또한 이용될 수 있다. 스펙트럼 범위(또는 개별적인 파장, 전형적으로 5개 이상의 파장)는, 글루코스가 흡수 지문을 가지는, 즉 전형적이고 대표적인 흡수 라인을 가지는, 특히 약 900 내지 약 1300 cm-1일 수 있고, 또는 약 900 내지 약 1650 cm-1일 수 있다.
2. SA로 지정된 여기 빔은 연속적으로(CW 레이저), 또는 큰 펄스의 반복률을 가지는 펄스형 모드로 또는 변조된 방식으로 이용된다. 또한, 여기 빔은, 특히 10 내지 1000 Hz의 주파수 범위 내에서, 저주파 변조된다. 저주파 변조는, 다양한 주기적 함수로, 여러 실시예에서 사인-파로, 방형파 또는 톱니파, 또는 기타로 실시될 수 있다.
3. 피부의 조명으로 인해서, IR-복사선이 - 파장에 따라 - 약 50 내지 100 ㎛의 깊이까지 피부에 침투하고 글루코스 분자 내에서 특정 진동을 여기한다. 진동 레벨(v0 내지 v1)로부터의 이러한 여기는 매우 짧은 시간 내에 초기 상태로 복귀되고; 이러한 단계에서 열이 방출된다.
4. (3)에 따라 생성된 열의 결과로서, 흡수 장소로부터 등방적으로 전파되는 열 파동이 형성된다. (2)에서 전술한 저주파 변조에 의해서 규정되는, 열 확산 길이에 따라, 열 파동은 변조 주파수에서 주기적으로 피부의 표면에 도달된다.
5. 표면에서의 열 파동의 주기적인 출현은 피부(샘플의 재료 표면)의 열 복사 성질의 주기적인 변조에 상응한다. 피부는 여기에서, 스테판-볼츠만 법칙에 따른 전체 방출이 표면 온도의 4제곱(fourth power)에 비례하는, 대략적으로 흑체 복사체로서 설명될 수 있다.
6. 조명 하의 피부의 지점에 지향된, 열 복사선을 위한 검출기(139) 즉, 적외선 검출기, 즉 열전쌍, 볼로미터, 반도체 검출기 또는 유사 장치로, (5) 하에서 설명된 주기적인 온도 증가가 기록된다. 이는 (1) 및 (2) 하에서 설명된 적외선 광의 조명에, 그리고 (3) 하에서 설명된 흡수에 의존하고, 그에 따라 글루코스의 농도에 의존한다. 열 복사선(SR)(이러한 경우에, 응답 신호)이 광학 요소에 의해서, 일 실시예에서 적외선 렌즈 또는 거울, 특히 오목한 포물선형 거울(141)에 의해서 수집되고, 일 실시예에서, 볼록 거울(141a)을 통해서 검출기(139) 상으로 지향된다. 이를 위해서, 일 실시예에서 사용되는 수집 거울은 개구부(142)를 가질 수 있고, 그러한 수집된 빔은 개구부를 통해서 지향된다. 필터(143)가 또한 빔 경로 내에 제공되고, 그러한 필터는 특정 파장 범위의 적외선만이 통과할 수 있게 한다.
7. 응답 신호 프로세싱에서, 변조 주파수가 특히 고려될 수 있고, 록-인 증폭기(144) 내에서 그러한 변조 주파수에 대해서 응답 신호가 프로세스될 수 있다. 제어 및 프로세싱 유닛(147)을 이용한 여기 신호와 열 복사 신호(응답 신호) 사이의 위상 각도의 분석에 의해서, 응답 신호가 대부분 얻어지는 표면 아래의 깊이와 관련된 깊이 정보가 얻어질 수 있다.
8. 깊이 정보는 또한, 여기 빔에 대해서 (2)에서 설명된 바와 같은 다양한 저주파 변조 주파수의 선택 및 분석 그리고 상이한 변조 주파수에 대한 결과의 조합(결과는 또한 상이한 변조 주파수들에 대해서 상이하게 가중될 수 있다)에 의해서 얻어질 수 있다. 최상부 피부 층의 흡수를 보상하기 위해서, 다른 방법들 또는 다른 계산 방법이 이를 위해 이용될 수 있다.
9. 지점 (6)에 따른 열 복사선의 검출에서 감도를 최대화하기 위해서, 이는 전체 가용 적외선 범위를 위한 광역 스펙트럼 밴드에 걸쳐 이용된다. 가능한 한 프랭크 복사 곡선의 많은 영역이 이용되어야 한다. 검출이 집중적인 여기 복사선에 둔감해지게 하기 위해서, 열 복사선의 검출이 이러한 여기 파장에 대한 차단 필터(노치 필터)(143)를 구비한다. 차단 필터(143)를 통해서 전달되는 파장 범위(148)가 또한 도 13의 도면으로부터 명확하다. 여기에서, 응답 신호의 세기는, 여기 빔이 없는 또는 피식별 재료를 위한 비-특정 파장의 여기 복사선만을 가지는(즉, 재료의 특정 흡수 밴드가 존재하는 파장이 없는) 제1 (실선) 곡선(145), 및 이어서 유사한 곡선이 도시된 제2 (점선) 곡선(146) 모두로, 파장에 따라 도시되어 있고, 피식별 재료의 특정 흡수 파장을 포함하는 여기 빔이 조명된다.
10. 여기 파장에 따르는, (6) 내지 (9)에 따라 측정된 열 신호로부터, 글루코스가 식별되는 경우에, 일 실시예에서, 여기 빔의 비-글루코스-관련 파장(또는 이를 배제)(곡선 145)으로 배경이 먼저 결정되고, 이어서, 글루코스-관련 파장(또는 포함)으로, 배경 신호와의 차이가 결정된다. 이는, (7)에 따른 선택된 위상 위치 또는 (8)에 따른 상이한 변조 주파수들 또는 그 조합에 의해서 규정되는, 피부 층 또는 피부 층들 내의 글루코스 농도를 초래한다.
본 발명이 바람직한 예시적 실시예에 의해서 더 구체적으로 설명되고 예시되었지만, 본 발명은 개시된 예에 의해서 제한되지 않으며, 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 변경이 당업자에 의해서 그로부터 안출될 수 있을 것이다.
10 장치
100 여기 전달 장치/여기 광원
100a 방출기/전달 요소
101 재료
102 제1 영역
103 부피
104 장치
105 장치
106 검출 장치
107 프로세싱 장치/평가 장치
107a 메모리
108 광학 매체
108a 표면 섹션
108b 표면 섹션
109 조정 장치
110 부분적인 표면
111 부분적인 표면
112 측정 빔/측정 광 빔
113 거울 표면
114 거울 표면
116 개구부
117 개구부
118 개구부
119 연결기 본체
120 광섬유 케이블
121 지지부
122 하우징
123 본체
124 측면
125 벨트
126 손가락 끝
127 조정 장치
128 화상화 광학기기
129 화상화 광학기기
130 광학 검출기/카메라
131 데이터 프로세싱 장치
132 제어기
133 마이크로-거울
134 마이크로-거울
135 마이크로-전기-기계적 시스템
136 편향 장치
137 제어 장치
138 층
139 적외선 검출기
140 거울
141 포물선형 거울
142 141 내의 개구부
143 파장 필터
144 록-인 증폭기
145 응답 신호의 신호 곡선(실선)
146 응답 신호의 신호 곡선(점선)
147 제어 및 프로세싱 장치
148 파장 범위
BZA 혈당 레벨 표시
D 검출 결과
GF 인터페이스
SA 여기 빔
SR 응답 신호

Claims (76)

  1. 재료(101) 분석용 분석 장치(10)이며,
    - 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 적어도 하나의 여기 광 빔(SA)을 생성하고, 적어도 하나의 여기 광 빔(SA)을 재료(101)의 표면의 제1 영역(102) 아래에 위치되는 재료 부피(103) 내로 복사(radiating)하기 위한 여기 전달 장치(100),
    - 동작 중에, 재료의 표면의 상기 제1 영역(102)과 직접 접촉되는 광학 매체(108),
    - 측정 빔(112)이 광학 매체(108)에 침투하는 측정 빔(112)을 방출하기 위한 장치(105),
    - 응답 신호(SR)를 검출하기 위한 검출 장치(106, 139)로서, 상기 응답 신호를 검출하는 것은, 해당 측정 빔이 재료(101)의 표면의 제1 영역(102)과 접촉되는 광학 매체(108)의 인터페이스(GF)에서 적어도 한차례 반사된 후에, 측정 빔을 검출하는 것을 포함하는 검출 장치, 및
    - 검출된 응답 신호(SR)를 기초로 재료를 분석하기 위한 평가 장치(107, 147)를 가지고,
    분석 장치는 주변 공기의 습도 또는 재료(101)의 수분 함량을 측정하기 위한 수분 센서(155)를 포함하는, 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    동작 중에, 측정 빔(112) 및 여기 빔(SA)은, 측정 빔(112)이 반사되는, 광학 매체(108) 및 재료(101)의 표면의 인터페이스(GF)에서 중첩되고,
    - 검출 장치(106)는 응답 신호(SR)를 형성하는 반사된 측정 빔(112)을 수신하기 위한, 그리고 반사된 측정 빔(112)의 편향을 직접적으로 또는 간접적으로 검출하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 장치가 여기 광 빔(SA)의 세기 변조를 위한 장치(104)를 포함하고,
    - 검출 장치(106)는, 여기 광의 파장 및 여기 광의 세기 변조에 따라 시간-의존적 응답 신호(SR)를 검출하는데 있어서 적합한 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치는, 1-, 2-, 또는 다-차원적 레이저 어레이 형태의 둘 이상의 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치가 직접적으로 - 또는 조정 장치(109)에 의해서 간접적으로 - 상기 광학 매체(108)에 기계적으로 고정 연결되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측정 빔을 방출하기 위한 장치, 검출 장치 및 여기 전달 장치 중 적어도 하나가 광학 매체에 직접적이고 기계적으로 고정 연결 그리고 광섬유 케이블(120)에 의해서 그에 커플링 중 어느 하나 또는 모두가 되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    광학 매체가 화상화 광학기기(128, 129)를 직접적으로 지지하거나 또는 화상화 광학기기(128, 129)가 광학 매체 내로 통합되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측정 빔이 다수의 횟수로 반사되는, 서로를 향해서 경사진 복수의 부분적인 면(110, 111)을 광학 매체(108)의 표면이 가지는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측정 빔(112)을 반사하기 위해서, 하나 이상의 반사 표면(113, 114)이 광학 매체(108) 내에 또는 상에 제공되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치(100), 측정 빔의 방출을 위한 장치(105) 및 검출 장치(106) 중 적어도 하나가 직접적으로 서로 부착되거나 공동 지지부(121)에 부착되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    변조 요소는, 하나의 또는 복수의 레이저 요소의 변조를 위한 전자 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치(100)는, 900/cm 내지 1650/cm의 중적외선 파동수 범위에서, 80%를 초과하는 전달파워를 복사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치(100)가 20 내지 100개의 파장을 개별적으로, 동시에 또는 순차적으로 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 여기 전달 장치(100)는, 50%를 초과하는 복수의 여기 파장이 글루코스 분자의 기본적인 발진의 영역 내의 흡수 최대치에 위치되는 광 빔을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    여기 전달 장치가 10 내지 1000 헤르쯔의 주파수로 여기 광 빔을 변조하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    분석 장치가 응답 신호의 시간적 파형을 검출하도록 그리고 이를 푸리에 변환시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    장치의 적어도 일부가 환자의 신체와 직접적 또는 간접적으로, 일정하게 또는 일시적으로 접촉된다는 사실에 의해서 생명체의 체온으로 보정되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 재료의 3개의 특징적인 인접 극단값의 존재에서, 적어도 10개의 여기 파장이 상기 3개의 극단값들의 외측 사이의 간격 내에서 방출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 분석 장치.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    재료는 피부이고, 분석 장치는
    광학 매체(108)가 피부(101)에 대해서 가압되는 기계적 압력을 측정하기 위한 압력 센서(158)를 포함하고,
    압력 센서는 물체가 광학 매체 상에 배치되었는지 여부를 결정하는 것을 허용하는, 분석 장치.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수분 센서는 피부 내 글루코스의 분석 중에 측정 결과로부터 수분 함량의 효과를 제거하거나 수분 함량의 효과를 고려하는 것을 허용하는, 분석 장치.
  21. 재료(101) 분석 방법이며,
    - 광학 매체(108)가 재료(101)의 표면의 제1 영역(102)과 직접 접촉되고,
    - 여기 전달 장치(100)로, 적어도 하나의 여기 파장을 가지는 적어도 하나의 여기 광 빔(SA)이, 레이저 광원의 복수의 레이저 방출기의 적어도 부분적으로 동시적인 또는 연속적인 동작에 의해서 생성되고, 적어도 하나의 여기 광 빔(SA)은 재료(101)의 표면의 상기 제1 영역(102) 아래에 위치되는 재료 부피(103) 내로 복사되고,
    - 측정 빔(112)을 방출하기 위한 장치(105)로, 광학 매체(108)에 침투하는 측정 빔(112)이 방출되고,
    - 검출 장치(106)로, 응답 신호(SR)가 검출되고, 상기 응답 신호(SR)를 검출하는 것은, 해당 측정 빔이 재료(101)의 표면의 제1 영역(102)과 접촉되는 광학 매체(108)의 인터페이스(GF)에서 적어도 한차례 반사된 후에, 상기 측정 빔을 시간-의존적 응답 신호로서 검출하는 것을 포함하고, 그리고
    - 측정 전, 도중 및 후 중 적어도 하나에, 주변 공기의 습도 또는 재료의 수분 함량이 검출되고, 검출된 응답 신호(SR)를 기초로 재료가 분석되는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    여기 전달 장치의 상이한 변조 주파수들을 이용하여, 응답 신호들이 연속적으로 결정되고, 상이한 변조 주파수들에서의 복수의 응답 신호 파형들 또는 패턴들이 서로 조합되고 표면 아래의 깊이 범위에 관한 특정 정보가 이로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상이한 변조 주파수에서의 응답 신호 파형 또는 패턴이 여기 빔의 상이한 파장들에 대해서 결정되고, 이로부터, 특정 정보가 표면 아래의 각각의 깊이 범위에 대해서 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  24. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    - 방출된 여기 광 빔(SA)이 광학 매체(108)에 침투하고 광학 매체(108)의 표면 상의 미리 결정된 지점에서 그러한 광학 매체를 빠져나가는 방식으로 복사되고,
    - 그리고 반사된 측정 빔(112)의 편향이 직접적 또는 간접적으로 검출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  25. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 재료는 환자의 신체 부분으로 형성되고, 신체 부분 내에서 식별된 재료 농도의 함수로서,
    물질을 환자의 신체 내로 전달하기 위해서 투여 장치가 활성화되는 것,
    음향 또는 시각적 신호가 출력되는 것, 또는
    신호가 무선 연결을 통해서 프로세싱 장치로 전달되는 것 중 하나 이상이 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  26. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    80%를 초과하는 여기 광 파워에 상응하는 여기가 900/cm 내지 1650/cm 범위의 중적외선 파동수 범위 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  27. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    50%를 초과하는 여기 파장이 글루코스 분자의 기본적인 발진의 흡수 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  28. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    여기가 10 내지 1000 헤르쯔의 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  29. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    측정 중에, 검출 장치의 측정 빔이 15000/cm 내지 16000/cm의 파동수 범위 내의 시간의 적어도 일부에 동작되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  30. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    여기 빔이 상이한 파동수 또는 파동수 범위로 순차적으로 튜닝되고, 커버되는 파동수 범위 또는 파장 범위의 적어도 5%가 글루코스에 민감하지 않은 스펙트럼의 지역 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  31. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 재료는 조직으로 형성되고, 글루코스 농도와 독립적인 조직의 흡수 거동을 고려하기 위해서, 글루코스에 의한 상당한 흡수가 없는 여기 파장에 대한 적어도 하나 또는 2개의, 흡수가 측정되는, 파동수 범위 또는 파장 범위가 제공되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    파동수 범위 중 적어도 하나가 1610 내지 1695 cm-1인 것을 특징으로 하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    파동수 범위 중 적어도 하나가 1480 내지 1575 cm-1인 것을 특징으로 하는, 방법.
  34. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    재료 내에서 조사하고자 하는 깊이 범위가 먼저 선택되고, 그리고 그 후에 여기 광 빔이 방출되는 시간 간격들 사이에서, 재료 내의 조사하고자 하는 깊이 범위와 재료 표면 사이의 거리를 열 파동이 횡단하는데 필요한 확산 시간에 상응하는 적어도 하나의 기간이 제공되는 방식으로, 여기 광 빔이 그 이후에 제어되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  35. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    여기 광 빔을 생성하기 위한 상기 레이저 광원을 제어하기 위해서, 일련의 저장된 등거리 또는 비-등거리 설정이 연속적으로 조정될 수 있고, 그 각각은 레이저 광원의 여기 파장을 결정하고, 그 사이에는, 재료 내에서 식별하고자 하는 물질의 흡수 최대치의 적어도 3개의 파장이 포함되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  36. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    측정 전, 측정 도중 및 측정 후 중 적어도 하나에, 광학 매체가 재료에 대해서 가압되는 기계적 압력이 검출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  37. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    측정 전, 측정 도중 및 측정 후 중 적어도 하나에, 주변 공기의 습도 또는 재료의 수분 함량이 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  38. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 재료는 신체 부분으로 형성되고, 상기 광학 매체(108)에 대해서 가압되고, 가압된 신체 부분에 의해서 광학 매체(108) 상에 가해지는 압력이 검출되고, 그리고 여기 전달 장치(100)는 광학 매체(108) 상의 검출된 압력에 따라 턴 온되거나 또는, 특정 문턱값 미만의 압력 감소에 따라 턴 오프되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  39. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    재료는 신체 부분으로 형성되고, 상기 광학 매체(108)에 대해서 가압되고, 가압된 신체 부분의 지역 내의 광학 매체(108)의 수분 레벨이 검출되고, 그리고 여기 전달 장치(100)는 광학 매체(108) 상의 특정 수분 레벨에 도달할 때 턴 온되거나 또는 특정 문턱값 미만의 수분 레벨 감소에 의해서, 또는 특정 문턱값 초과의 수분 레벨의 증가에 의해서 턴 오프되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  40. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    방법의 실시 중에, 상기 재료를 형성하는 신체 부분이 광학 매체(108) 상으로 가압되고, 신체 부분을 광학 매체(108)에 클램핑하거나, 신체 부분을 광학 매체(108)에 접착시키거나, 신체 부분을 광학 매체(108)에 부착시키거나, 또는 신체 부분의 진공 흡입에 의해서 광학 매체(108)에 부착되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  41. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    여기 광 빔(SA)이 적어도 2개의 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹으로 방출되고, 제1 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 재료 내의 피식별 물질의 식별을 가능하게 하는 한편, 적어도 하나의 부가적인 여기 파장 또는 여기 파장의 그룹은 피식별 물질과 상이한 기준 물질의 식별을 가능하게 하며, 그리고 적어도 2개의 상이한 물질 프로파일이 재료의 깊이에 걸친 그들의 밀도 분포와 관련하여 결정되고 서로 조합되며, 재료 내의 기준 물질의 깊이 프로파일 또는 깊이 프로파일의 적어도 하나 이상의 매개변수가 알려진 것을 특징으로 하는, 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    여기 광 빔(SA)이 상이한 변조 주파수들로 연속적으로 변조되고, 상이한 변조 주파수들에 대한 응답 신호가 검출되거나, 여기 광 빔의 세기 변화의 경우에 응답 신호의 시간 특징이 분석되는, 방법.
  43. 제42항에 있어서,
    여기 빔을 생성하는 상기 레이저 광원(100)을 제어하는 것에 의해서 여기 빔(SA)이 변조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  44. 제42항에 있어서,
    여기 빔이 1 내지 3개의 변조 주파수로 변조되고, 그리고 응답 신호의 시간 특징이 분석되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  45. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    재료는 신체 부분, 투석액을 운반하는 용기 또는 혈액을 운반하는 투석 유닛의 용기로 형성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  46. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 측정 전, 도중 및 후 중 어느 하나에, 재료의 수분 함량 또는 재료의 상부 층 또는 표면의 습도가 결정되고, 재료 내 수분의 효과가 분석 중에 측정 결과로부터 제거되거나 고려되는, 방법.
  47. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 측정 전, 도중 및 후 중 어느 하나에, 광학 매체(108)가 재료(101)에 대해서 가압되는 기계적 압력이 검출되고, 재료 또는 광학 매체 상의 압력의 효과가 분석 중에 측정 결과로부터 제거되거나 고려되는, 방법.
  48. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 재료는 피부이고, 방법은
    물-특이적 파장을 가지는 여기 전달 장치(100)를 이용한 여기 복사선에 의한 테스트 자극에 의해서 피부 표면 상의 물 또는 땀을 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 물-특이적 파장은 1640 cm-1 및 690 cm-1의 물-특이적 밴드로부터 선택되고,
    측정 전, 측정 도중 및 측정 후 중 적어도 하나에, 주변 공기의 습도 또는 재료의 수분 함량이 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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