KR20100110305A

KR20100110305A - 검사 영역에서 특히 생체 조직으로부터의 물질의 농도와 관련된 지시 신호를 수집하는 방법 및 측정 장치

Info

Publication number: KR20100110305A
Application number: KR1020107013744A
Authority: KR
Inventors: 홀거 정만; 마이클 쉬에트젤
Original assignee: 엠비알 옵티컬 시스템즈 지엠비에치 & 코. 케이지
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-10-12
Also published as: DE102008058294B3; JP2011522214A; DE112008003122A5; EP2283341A2; WO2009065586A2

Abstract

본 발명은 생체 조직 영역 내에서의 물질의 농도에 대한 정보를 제공하는 신호를 확인하기 위한 방법 및 측정 장치에 관한 것으로서, 분광 측정에 의하여, 특정 물질을 검출하는 것 외에 특히 모세관 시스템 등과 같은 조직 영역 내의 물질들의 양 또는 농도에 대하여 보다 설득력 있는 정보를 제공해 주는 검사 결과를 생성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적은, 분광 검사 신호를 생성하는 방법으로서, 검사할 생체 조직 영역 내로 빛이 결합되고, - 검사할 조직 영역으로부터 방출되는 반사광이 분광계 장치로 유도되고, 상기 분광계 장치에 의하여 파장과 연관시켜서 반사광의 강도를 나타내는 측정 신호가 생성되고, 시간 간격에 걸쳐서 측정이 이루어지되, 상기 시간 간격 동안 검사하는 조직 영역의 온도가 냉각 또는 가열에 의하여 능동적으로 변화되고 조직 영역의 다른 온도에 대한 스펙트럼들이 기록되도록 측정이 이루어지고, 다른 조직 온도에 대해 연속적으로 검출된 스펙트럼들로부터 스펙트럼들의 온도-유도 변화가 결정되고, 상호 관계 시스템에 기초한 이러한 변화로부터 조직 영역 내의 선택된 물질의 농도가 계산되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법에 의하여 달성된다.

Description

검사 영역에서 특히 생체 조직으로부터의 물질의 농도와 관련된 지시 신호를 수집하는 방법 및 측정 장치{METHOD AND MEASURING DEVICE FOR COLLECTING INDICATIVE SIGNALS RELATING TO THE CONCENTRATION OF A SUBSTANCE IN AN EXAMINATION AREA, IN PARTICULAR LIVING TISSUE}

본 발명은 특히 생체 조직 영역(living tissue area) 내에서의 물질(substance)의 농도(concentration)에 대한 정보를 제공하는 신호를 확인하기 위한 방법 및 측정 장치에 관한 것이다.

생체 조직을 분석하는 측정 방법으로서, 이동가능형 분광계(mobile spectrometer)를 해당 조직 영역(tissue area)에 적용시키고 이러한 이동가능형 분광계에 의해 조직으로부터 방출되는 반사광의 스펙트럼(spectrum)을 기록함으로써 생체 조직을 분석하는 측정 방법이 알려져 있다. 이러한 방식으로 기록되는 스펙트럼을 이용하여 검사하는 조직 영역에 존재하는 다양한 물질을 검출할 수 있다.

본 발명은 분광 측정(spectrometric measurement)에 의하여, 특정 물질을 검출하는 것 외에 특히 모세관 시스템(capillary system) 등과 같은 조직 영역(tissue area) 내의 물질들의 양(amount) 또는 농도(concentration)에 대하여 보다 설득력 있는 정보를 제공해 주는 검사 결과(test results)를 생성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적은,

- 검사할 생체 조직 영역(living tissue area)으로 빛이 결합(coupled)되고,

- 검사할 조직 영역으로부터 방출되는 반사광(reflected light)이 분광계 장치(spectrometer device)로 유도되고(led),

- 상기 분광계 장치에 의해, 파장(wavelength)과 연관시켜서 반사광의 강도(intensity)를 나타내는 검사 신호(test signals)가 생성되고,

- 이러한 측정은, 시간 간격(lapse, T)에 걸쳐 이루어지되, 상기 시간 간격 동안 검사할 조직 영역의 온도는 냉각 또는 가열에 의해 능동적으로(actively) 변경되고, 각각의 다른 온도에 대한 조직 영역의 스펙트럼들이 기록되도록 이루어지고,

- 각각의 다른 조직 영역의 온도에 대해 연속적으로 검출된 스펙트럼들로부터, 스펙트럼들의 온도-유도 변화(temperature-induced changes)가 결정되고, 이러한 변화로부터 조직 영역 내의 선택된 물질의 농도(concentration)가 계산되는 것

을 특징으로 하는 본 발명에 의한 분광학적 검사 신호(spectrometric test signals)를 생성하는 방법에 의하여 달성된다.

따라서, 검사가 이루어지는 조직 영역에 대한 복수개의 스펙트럼들을 비교적 빠른 연속성을 가지고 유리한 방식으로 생성할 수 있는데, 여기에서 상기 스펙트럼들은 능동적으로 유도되는 온도 변화에 의하여 검출할 물질의 농도를 결정하기에 충분한 정도의 서로에 대한 차이(difference)("왜곡(distortion)")를 갖는다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 검사하는 조직 영역의 능동적인 온도 변화는 빛의 방사(irradiation)에 의해 이루어진다. 상기 빛은 바람직하게는 방열기(heat radiator), 특히 가열 광원(heating light source)에 의해 생성된다. 이러한 관점에서, 혈액 구성 성분(blood components)을 검출하기 위해서는, 특히 근적외선 영역(near infra-red area)의 빛이 적절하다.

이러한 가열 광(heating light)을 적절하게 형성된 광원(light source), 예컨대 촛점 렌즈 시스템(focusing lens system)을 이용하여 조직과 결합함으로써, 반사광 스펙트럼을 생성하기에 적절한 구역만을 부분적으로 가열하도록 할 수도 있다.

각각의 시간에서 기록되는 스펙트럼들에 속하는 조직 온도 값은 특히, 가열 상태 동안 발생하는 입력 에너지에 의해 계산 또는 측정될 수 있다. 온도 측정은 특히 기록되는 스펙트럼들의 특정한 스펙트럼 범위의 직접적인 평가에 의해 이루어질 수도 있다.

검사할 조직 영역 또는 표본(specimen)의 가열은 바람직하게는 펄스(pulse)에 의해 이루어진다. 연속적인 가열 펄스(heating pulse) 내에서는 검사할 조직 영역의 연속적인 가열이 이루어지도록 펄스 간격(pulse interval)을 결정할 수 있다. 바람직하게는, 모든 가열 펄스 및 EDP-저장(EDP-stored) 직후에 상응하는 스펙트럼이 검출된다.

본 발명에 의하면, 스펙트럼의 물질 농도의 결정에 기여하는 열 왜곡(thermal distortion)을 충분히 크게 하기 위하여, 검사할 조직 영역을 특히 측정 시작 단계에서 능동적으로 냉각시킬 수 있다. 이러한 능동적인 냉각은 예컨대 분광계 장치(spectrometer device)에 직접 통합 형성된 냉각 장치(cooling device)에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명에 의하면, 농도를 결정하기 위하여 이루어지는 대부분의 복수개의 스펙트럼의 기록은 바람직하게는 273~315K의 온도 범위에서 이루어진다.

본 발명은 생체 조직(vital tissue) 내의 물질의 농도를 결정하는 분야에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 의한, 능동적으로 유도되는 열 왜곡에 기초한 물질 농도를 나타내는 값을 결정하기 위한 방법은, 다른 표본을 사용하여 특히 물질 농도의 시험관-분석(vitro-analysis)에도 사용될 수 있다.

본 발명은 분광 측정(spectrometric measurement)에 의하여, 특정 물질을 검출하는 것 외에 특히 모세관 시스템(capillary system) 등과 같은 조직 영역(tissue area) 내의 물질들의 양(amount) 또는 농도(concentration)에 대하여 보다 설득력 있는 정보를 제공해 주는 검사 결과(test results)를 생성할 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한, 각각의 시간에서 검사할 조직 영역을 서서히 가열한 경우의 물질의 스펙트럼의 연속적인 생성을 위한 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 각각의 다른 조직 온도에서의 물질의 흡수 계수의 변화를 나타낸 차트이다.
도 3은 농도를 나타내는 스펙트럼들의 변화를 능동적으로 발생시키는 검사 조직 영역에 대한 연속적인 온도 증가를 나타낸 차트이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특징을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 분광 검사 신호(spectrometric test signals)를 생성하기 위한 측정 장치(measuring assembly)를 단순화된 형태로 나타낸 도면이다. 상기 측정 장치는, 바람직하게는 LED 광원의 형태로 된 광원(light source, 1)과, 설명의 편의를 위하여 예시적으로 프리즘(prism)으로 나타낸 수신기 시스템(receiver system, 2)을 구비하는데, 이들에 의하여 표본(specimen, P)으로부터 방출되는 빛(L1)이 검출될 수 있다. 수신기 시스템(2)은 분광계 장치(spectrometer device)를 구비하는데, 상기 분광계 장치에 의하여 파장(wavelength)와 연관시켜서 반사광(L1)의 강도(intensity)를 나타내는 검사 신호(test signals)가 생성된다. 본 발명에 의한 측정 장치는, 충분히 긴 시간 간격(a sufficiently long lapse)에 걸쳐 표본(P)이 서서히 가열되고 표본(P)이 가열되는 동안 복수개의 스펙트럼들이 기록되도록 동작한다.

서로 다른 조직 온도에 대해 연속적으로 기록된 스펙트럼들로부터 상호연관 접근법(correlation approach)에 의하여 특정한 물질(substance)의 농도(concentration)가 계산될 수 있다.

이러한 물질 농도 계산은, 검사하는 전체 시스템 내의 특정 물질의 광학 농도(optic density) 변화의 온도 의존성(temperature dependence)은 그 전체 시스템의 물질의 농도에도 의존한다는 사실에 기초한 현상을 이용하여 이루어진다.

전체 시스템에 포함된 물질이 가열 또는 냉각되는 경우, 온도에 따라 흡수 진폭(amplitude of the absorption)이 변화하는데, 특히 근적외선 및 적외선 중간 영역(near and mid infra-red area)에서 변화한다. 본 발명에 의하면, 이러한 효과가 물질의 정량화(quantification)에 사용된다. 본 발명에 의하면, 검출할 조직을 포함하는 검사 조직이 가열되고 이와 동시에 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이 측정된다.

흡수 계수(absorption coefficient) A는 다음과 같이 주어진다.

여기에서,

= S의 밀도(density of S),

= S의 특정 열(specific heat of S),

= 물질의 단면(cross-section of the substance),

= 온도(temperature),

= 표본의 열의 양(amount of heat in the specimen),

= 냉각 상수(cooling constant).

인가되는 열이 주기적으로 스위치 온 및 오프되는 경우 다음과 같이 된다.

이제 온도에 따른 물질(S)의 진폭의 변화(change of amplitude)가 알려졌다고 가정한다. 이러한 경우 알려진 열의 양이 인가될 때 진폭의 변화는 물질의 농도를 직접 나타낸다.

물질이 혼합물(mixture)에 존재하는 경우,

를 변화시킴으로써, 즉, 주파수와 T를 변화시킴으로써, S의 농도가 결정될 수 있다.

1...광원,
2...수신기 시스템,
P...표본,
L1...빛.

Claims

분광 검사 신호(spectrometric test signals)를 생성하는 방법으로서,
- 검사할 생체 조직 영역 내로 빛이 결합되고,
- 검사할 조직 영역으로부터 방출되는 반사광이 분광계 장치(spectrometer device)로 유도되고,
- 상기 분광계 장치에 의하여 파장과 연관시켜서 반사광의 강도(intensity)를 나타내는 측정 신호가 생성되고,
- 시간 간격(lapse, t)에 걸쳐서 측정이 이루어지되, 상기 시간 간격 동안 검사하는 조직 영역의 온도가 냉각 또는 가열에 의하여 능동적으로 변화되고 조직 영역의 다른 온도에 대한 스펙트럼들이 기록되도록 측정이 이루어지고,
- 다른 조직 온도에 대해 연속적으로 검출된 스펙트럼들로부터 스펙트럼들의 온도-유도 변화(temperature-induced changes)가 결정되고, 상호 관계 시스템(correlation system)에 기초한 이러한 변화로부터 조직 영역 내의 선택된 물질의 농도가 계산되는 것
을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 조직 영역은 빛의 방사(irradiation)에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 빛은 가열 광원(heating light source)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제3항에 있어서,
상기 가열 광원은 조직 영역의 제한된 영역(delimited section)을 가열하도록 조직 영역과 결합(coupled)되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
반사광 스펙트럼으로부터 조직 온도에 의미 있는 분광 범위(spectral ranges)가 추출되고, 이러한 분광 범위에 기초하여 온도값이 계산되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조직 영역은 펄스(pulse)에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
조직 영역의 가열은 복수 단계(several steps)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 가열 단계에 대해 반사광의 스펙트럼이 기록되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조직 영역은 쿨링 헤드(cooling head)를 인가함으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조직 영역은 먼저 냉각되고 그 다음에 이어서 가열되는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
연속적으로 결정되는 스펙트럼들을 기록하기 위한 데이터 필드(data field)가 설정되고, 상기 데이터 필드는 모든 분해 파장 값(dissolved wavelength value)에 대한 데이터를 포함하고, 상기 데이터는 강도(intensity) 또는 광학 밀도(optical density) 및 조직 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 검사 신호 생성 방법.
저장 장치(storage device)와 평가 회로(evaluation circuit)를 갖는 이동가능형 분광계(mobile spectrometer)로서,
상기 분광계는,
- 검사할 생체 조직 영역으로 빛이 결합되고,
- 검사할 조직 영역으로부터 방사되는 반사광이 분광계 장치로 유도되고,
- 상기 분광계 장치에 의하여 파장과 연관시켜서 반사광의 강도를 나타내는 측정 신호가 생성
되도록 함으로써 측정이 이루어지도록 구성되고,
- 검사할 조직 영역을 가열하기 위한 가열 구조(heating arrangement)가 제공되고,
- 상기 분광계는 서로 다른 조직 가열 온도에서 기록되는 복수개의 스펙트럼들을 기록하도록 형성
된 것을 특징으로 하는 이동가능형 분광계.