KR20150050523A - 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 이용하는 분석물 농도의 비침습적 측정 - Google Patents

파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 이용하는 분석물 농도의 비침습적 측정 Download PDF

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Abstract

파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(20)를 이용하여 샘플 매트릭스(22) 중의 타겟 분석물의 농도를 비침습적으로 측정하는 방법 및 장치가 개시된다. 이러한 방법 및 장치는 상이한 파장의 적어도 2개의 성분으로 이루어지는 전자기 복사선의 빔을 샘플 매트릭스(22)로 지향시키고, 후방 산란된 복사선을 샘플 매트릭스(22)에서 2개의 파장의 차등 흡수율을 나타내는 신호를 출력하는 검출기(18)로 안내하는 것을 포함한다. 트랜스플렉턴스 프로브(20)는 내부 반사면(52)을 갖는 테이퍼진 관형 하우징(50), 외부 반사면(45)을 갖는 광학 로드(40), 및 프로브와 샘플 매트릭스(22)의 표면 사이에서 인터페이스의 역할을 하는 검출 윈도우(46)를 포함한다. 설명된 방법 및 장치는 혈액을 포함하는 조직(22)에서 혈당의 농도를 측정하는 데에 특히 유용하다.

Description

파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 이용하는 분석물 농도의 비침습적 측정{NONINVASIVE MEASUREMENT OF ANALYTE CONCENTRATION USING A FIBERLESS TRANSFLECTANCE PROBE}
본 개시는 전체적으로 생체 의료 테스팅 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 신체 조직 내에서 분석물의 비침습적 농도 측정에 관한 것이다.
혈당 농도의 비침습적 진단 및 측정은 특히 전체적인 비만 인구의 증가와 관련될 때에 유행성으로서 당뇨병의 출현 때문에 과거 20년 동안에 엄청난 관심을 끌었다. 혈당의 비침습적 측정은 테스팅 빈도의 증가 가능성을 제공하고, 이에 따라 수반되는 인슐린 투여량의 조절을 통해 혈당 농도의 보다 타이트한 제어를 가능하게 한다. 비침습적 검출 기법은 또한 인슐린 투여량을 모니터링하고 조절하기 위한 휴대용 폐루프 시스템의 가능성을 제공한다. 이들의 유망한 이점들은 비침습적 혈당 모니터링 디바이스의 상업화에 상당한 흥미를 이끌어 내었다.
현재, 혈당을 측정하기 위한 모든 이용 가능한 최종 유저 디바이스는 혈액 샘플을 채취하기 위하여 손가락 끝에 구멍을 뚫는 것을 필요로 한다. 이어서, 혈액 샘플은 혈당 농도를 가리키는 테스팅 스트립 상에 놓인다. 이들 디바이스는 매우 콤팩트하고 상당히 정밀하지만, 혈액 샘플을 채취하기 위하여 손가락 끝에 구멍을 뚫는 것은 불편하고, 고통스러우며, 감염 우려를 내포하고 있다. 혈당을 측정하는 비침습적 디바이스는 현재 상업적으로 이용 가능하지 않다.
근적외선 에너지 스펙트럼(대략 650 nm 내지 2700 nm)의 광 복사선의 조직 흡수율을 측정함으로써 혈당 농도를 비침습적으로 측정하려는 많은 시도가 이루어졌다. 본 명세서에 전체가 참조로 합체되는 Harjunmaa 등의 미국 특허 제5,099,123호는 혼탁 매트릭스, 즉 체액 및 조직에서 분석물 농도의 측정을 위한 평형 차동[또는 옵티컬 브릿지(Optical Bridge™)] 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 2개의 파장, 즉 타겟 분석물에 고도로 흡수되는 주 파장과, 평형 프로세스를 이용하여 선택되고 타겟 분석물에 흡수되지 않는(또는 훨씬 덜 흡수되는) 기준 파장을 이용한다. 2개의 파장은 백그라운드 매트릭스에서 실질적으로 동일한 흡광 계수(extinction coefficient)를 갖도록 선택된다. 2개의 파장을 교대 연속적으로 포함하는 복사선 빔이 동일한 조직 매트릭스에 인가될 때에, 파장 교대와 동기하는 교대 신호가 매트릭스에 의해 전달되거나 후방 산란되는 복사선을 측정하는 신호 검출기에 등록된다. 교대 신호의 진폭은 샘플 매트릭스에서 타겟 분석물의 농도에 비례한다. 측정 중에, 옵티컬 브릿지 평형 프로세스는 분석물이 없을 때에 검출기 신호가 본질적으로 0이 되도록 2개의 교대 파장과 그 상대적 강도를 변경시키도록 사용된다. 즉, 옵티컬 브릿지는 백그라운드 흡수율을 "무효"로 하도록 2개의 근적외선 파장을 이용하여, 분석물 농도가 훨씬 많이 보이게 된다.
그 뒤에, 본 명세서에 참조로 합체되는 미국 특허 제5,178,142호에서, Harjunmaa 등은 조직 상의 기계적 압력을 변경시키고, 분석물의 최소 레벨이 샘플에 존재할 때에 전달된/반사된 신호를 0으로 함으로써(평형) 조직 매트릭스의 세포 외 대 세포 내 유체 비율을 변화시키는 방법을 개시하고 있다.
본 명세서에 참조로 합체되는 미국 특허 제7,003,337호는 다른 복사선(헤모글로빈에 의해 흡수되는 녹색광 등)을 이용하고, 분석물 농도를 계산하도록 샘플 검출기의 출력값을 유체 용적 추산값과 결합하여 샘플 내에 타겟 분석물을 함유하는 유체의 양의 연속적인 추산을 개시하고 있다. 또한, 본 명세서에 참조로 합체되는 미국 출원 제11/526,564호에서, Harjunmaa 등은 사용 중에 레이저 파장을 조율하는 대신에 3개의 고정 파장 레이저 다이오드를 이용하여 복사선 빔을 생성하는 방법을 개시하고 있다.
다른 관련된 특허로는 본 명세서에 전체가 참조로 각각 합체되는 미국 특허 제5,112,124호, 제5,137,023호, 제5,183,042호, 제5,277,181호, 및 제5,372,135호를 포함한다.
본 개시는 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 이용하여 샘플 중의 타겟 분석물의 농도를 비침습적으로 측정하는 방법 및 장치를 설명한다. 본 개시의 제1 양태는 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는(noninvasively interrogating) 예시적인 장치로서, 장치는 상이한 파장을 갖는 적어도 2개의 반복적인 주기의 복사선을 포함하는 전자기 복사선의 결합된 빔을 발생시키는 소스로서, 파장들 중 적어도 2개는 타겟 분석물에 대해 상이한 흡수 계수를 갖는, 소스를 포함한다. 장치는, 타겟 구역에 의해 후방 산란되는 복사선의 일부를 검출하도록 배치되는 검출기로서, 2개의 반복적인 주기의 복사선 각각에서 결합된 빔의 검출된 강도에 비례하는 출력 신호를 발생시키는, 검출기와, 전자기 복사선의 빔을 타겟 구역으로 지향시키고 후방 산란된 광을 검출기로 안내하는 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(fiberless transflectance probe)를 더 포함하고, 상기 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브는 내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징, 외부 반사면을 갖는 원통형 광학 로드, 및 복사선 빔이 이를 통과하여 타겟 구역으로 전달되는 검출 윈도우를 포함한다.
본 개시의 다른 양태는 샘플의 특성을 측정하는 예시적인 트랜스플렉턴스 프로브로서, 트랜스플렉턴스 프로브는, 샘플이 조사되는 검출 윈도우, 검출 윈도우에 대해 수직으로 위치결정되는 외부 반사면을 갖는 광학 로드, 광학 로드 주위에 위치결정되는 내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징, 샘플을 조사하는 적어도 하나의 광 소스, 및 샘플에 의해 후방 산란되는 광을 검출하기 위해 광학 로드의 기단부에 위치결정되는 검출기를 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태는 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 예시적인 방법으로서, 방법은, 내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징, 검출 윈도우, 및 검출 윈도우에 대해 수직으로 위치결정되는 외부 반사면을 갖는 광학 로드를 포함하는 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 적어도 2개의 시간 다중화 성분으로 이루어지는 복사선 빔을 발생시키도록 2개의 상이한 파장으로 작동하는 적어도 2개의 광 소스를 마련하는 단계, 관형 하우징의 내표면과 광학 로드의 외표면에서 반사함으로써 타겟 구역으로 복사선 빔을 전달하는 단계, 광학 로드의 내표면에서 반사함으로써 타겟 구역으로부터 후방 산란된 빔을 검출기로 안내하는 단계, 및 후방 산란된 빔을 검출하고 타겟 구역에 의해 2개의 파장의 상이한 흡수율을 나타내는 출력 신호를 생성하는 검출기를 마련하는 단계를 더 포함한다.
전술한 대략적인 설명 및 이하의 상세한 설명은 모두 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 이해된다.
본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고 그 설명과 함께 본 발명의 다양한 양태의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 분석물 테스팅 디바이스의 개략도이다;
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 실시예에 따른 옵티컬 브릿지의 작동을 예시한다;
도 3a는 예시적인 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브 실시예의 개략도이다.
도 3b는 도 3a에 예시된 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브 실시예의 말단부의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른, 측정 장소에서 입사 복사선 빔의 분포를 예시한다.
이하, 본 개시에서 일관된 실시예를 상세하게 참조하고, 그 예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 가능하다면, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 또는 같은 부품을 가리키도록 동일한 참조 부호가 사용될 것이다.
예시적인 실시예에서, 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(fiberless transflectance probe)를 구비하는 광학 시스템이 샘플 매트릭스 내에서 유체의 타겟 분석물의 농도를 측정하도록 사용된다. 분석물 농도는 옵티컬 브릿지(Optical Bridge™) 기법을 이용하여 개발된 휴대용 디바이스를 이용하여 측정 및 분석된다. 본 개시의 실시예 및 옵티컬 브릿지 기법에 따르면, 분석물 농도의 비침습적 광학 측정은 "주" 파장(λ0), "기준" 파장(λ1) 및 보조 파장(λ2) 간에 특정 주파수로 교대하는 전자기 복사선의 빔을 이용하여 수행된다. λ0은 높은 분석물 흡수율을 달성하도록 선택되고, λ1은 최소의 분석물 흡수율을 갖도록 선택된다. 옵티컬 브릿지 평형 단계 중에, λ1은 혈액 없는 조직에서 λ0와 동일한 흡수율을 갖도록 조절된다. 보조 파장(λ2)은 유체의 성분에서 높은 흡수율을 갖도록 선택되고, 샘플 매트릭스의 유체 함량의 추산값을 제공하도록 사용된다. 본 개시의 예시적인 실시예에서, 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브는 혈액(즉, 유체)의 혈당(즉, 타겟 분석물)의 농도를 측정하도록 사용된다. 실시예 등에서, λ0는 약 1620 nm이 되도록 선택되고 λ1은 약 1380 nm이 되도록 선택되며, 이들은 근적외선 에너지 스펙트럼 내에 있다. 보조 파장(λ2)은 헤모글로빈을 위한 등흡광 파장(isosbestic wavelength)인 약 525 nm이 되도록 선택되고, 혈액에 대해 우수한 민감도를 제공한다. 그러한 한가지 실시예에서, 3개의 파장(λ0, λ1 및 λ2)은 각각 1620±20 nm, 1380±20 nm, 및 525±20 nm이다. 전자기 복사선의 빔은 100 Hz의 주파수로 교대하는 3개의 상이한 파장(λ0, λ1 및 λ2)의 시간 다중화 성분으로 이루어진다. 다른 실시예에서, 일부의 또는 모든 파장이 항시 온 상태이고, 즉 파장들이 교대하지 않는다. 특정한 실시예에서, 신호의 그 파장 성분으로의 분리는 검출기 또는 프로세서에 의해 수행된다.
도 1은 샘플 매트릭스(예컨대, 조직 매트릭스) 내에서 유체(예컨대, 혈액)의 타겟 분석물(예컨대, 혈당)의 농도를 비침습적으로 측정하기 위해 옵티컬 브릿지 기법을 이용하는 분석물 테스팅 디바이스(10)의 개념도를 도시한다. 분석물 테스팅 디바이스(10)는 파장(λ0과 λ1)으로 각각 작동하는 적어도 2개의 레이저 다이오드(12, 14), 신호 검출기(18), 및 레이저 다이오드를 측정 장소(22)에 접속시키는 광학 트랜스플렉턴스 프로브(20)를 포함한다. 일 실시예에서, 분석물 테스팅 디바이스(10)는 파장(λ2)으로 작동하는 적어도 하나의 LED(16)를 더 포함한다. 광학 프로브(20)를 통과하는 빔은 미리 선택된 주파수로 λ0, λ1 및 λ2 간에 교대된다. 파장 교대는 레이저 제어기 모듈(24)에 의해 강제된다. 측정 장소(22)는, 1)쉽게 엑세스 가능하고, 2)타겟 분석물을 함유한 유체가 양호하게 살포되며, 3)휴대용 기구의 샘플 포트에 끼워지도록 충분히 작고, 4)쉽게 압축/압축해제(압축 해제)될 수 있도록 선택된다. 본 개시의 일 실시예에서, 측정 장소(22)로서 피험자의 귓불이 사용된다. 다른 실시예에서, 측정 장소(22)로서 피험자의 손가락이 사용된다.
예시적인 실시예에서, 측정 장소(22)의 세포 외 대 세포 내 유체 비율은 측정 장소 상 기계적 압력의 변경을 가함으로써 측정 중에 변화된다. 그러한 실시에에서, 측정 장소(22)에서의 유체의 양은 도 1에 예시된 바와 같이 선형 액츄에이터(26)에 의해 조절된다. 선형 액츄에이터는 (타겟 분석물을 갖는) 유체를 측정 장소(22)로부터 변위시키기에 충분한 압력으로 측정 장소(22)를 압축시킨다. 그러한 한가지 실시예에서, 선형 액츄에이터는 수축기 혈압의 3배의 압력으로 측정 장소(22)를 압축시킨다. 압축력이 해제됨에 따라, 변위된 유체가 측정 장소로 복귀하게 된다. 일 실시예에서, 선형 액츄에이터(26)는 측정 장소(22)를 광학 프로브(20)에 대해 압축시킨다. 다른 실시예에서, 선형 액츄에이터(26)는 광학 프로브(20)를 측정 장소(22)에 대해 압축시킨다.
옵티컬 브릿지 기법은 압축된 조직이 압축되지 않은 조직보다 타겟 분석물에서 비교적 낮은 비율의 유체를 갖는다는 원리를 이용하지만, 압축 중에 측정 장소(22)에는 분석물의 일부 잔류량이 남게 된다. 다른 실시예에서, 세포 외 대 세포 내 유체 비율은 심장 박동으로 인한 자연적인 맥박의 결과로서 변하게 되고, 측정 사이클은 그러한 맥박과 동기화된다. 측정 장소에서 세포 외 유체 용적이 기계적 압축이나 자연적인 맥박으로 인해 감소되는 경우, 복사선 빔의 광 경로는 최소의 유체 및 타겟 분석물을 포함한다. 옵티컬 브릿지 평형은 최대 백그라운드 거절을 달성하도록 각 측정의 시작시에 이 위치에서 수행된다. 평형은 2개의 파장(λ0, λ1)에서 광 강도를 조절함으로써, 또한 기준 파장(λ1)을 변경함으로써 수행된다. 백그라운드 매트릭스 구조의 변동은 이 평형 프로세스에서 보상된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 광 강도 및 파장(λ1)은 (옵티컬 브릿지 신호(28)에 의해 지시된) 기준선 흡수율이 광 경로에 최소의 유체 및 분석물이 존재할 때에 본질적으로 0이 되고, (검출기 출력 전압(30)에서의 변동에 의해 지시된) 파장들(λ0과 λ1)의 차등 흡수율이 최소가 되도록 조절된다. 옵티컬 브릿지 신호(28)는 사실상 정류한 검출기 출력 전압(30)이다.
압축 메카니즘을 이용하는 예시적인 실시예에서, 측정 장소(22) 상의 압력은 유체가 측정 장소로 복귀하게 하도록 옵티컬 브릿지가 평형된 후에 이완된다. 2개의 파장들(λ0과 λ1)의 감쇠는 도 2b에서 검출기 출력 전압(30)에서의 큰 변동에 의해 지시되는 바와 같이 압축되지 않은 위치에서 상이하다. 압축되지 않은 위치에서, 옵티컬 브릿지 신호(28)는 도 2b에 지시된 바와 같이 더 높다(즉, 측정 장소(22)에서 더 많은 백그라운드 흡수율이 존재한다). 검출기 출력 전압(30)에서의 변동은 유체 내의 타겟 분석물(예컨대, 혈당)의 양의 변화에 비례한다. 유체 내의 분석물의 농도를 정확하게 계산하기 위하여, 측정 장소에서 유체의 양의 변동이 또한 측정되어야 한다. 유체의 성분에 의해 고도로 흡수되고, 파장들(λ0과 λ1)과 동일한 광 경로를 따라가는 파장(λ2)은 측정 장소에서 유체 용적의 변화를 보상하도록 사용된다. 검출된 λ2 신호로부터 취출된 특징은 유체 용적의 추산값을 생성하도록 처리되고, 상기 추산값은 검출된 λ0과 λ1 신호 출력값과 결합되어 혈액의 분석물의 농도의 추산값을 생성한다.
일 실시예에서, 도 1에 예시된 바와 같이, 보조 복사선 소스(34)는 펄스를 검출하고 측정값을 측정 장소(22)로의 혈액의 유입과 동기화시키도록 사용된다. 일 실시예에서, 보조 복사선 소스(34)는 535 nm(헤모글로빈을 위한 등흡광 파장)에서 작동하는 LED이다. 보조 복사선 소스(34)는 항시 양호한 순환을 유지하는 샘플 매트릭스의 일부로 지향된다. 예컨대, 복사선 소스(34)는 선형 액츄에이터(26)에 의해 압축되지 않는 측정 장소(22) 밖의 샘플 매트릭스의 부분으로 지향될 수 있다. 복사선 소스(34)는 조직에 의해 산란되는 펄스 검출 빔을 발생시키고, 원래 빔의 일부가 신호 검출기(18)에 의해 검출된다. 보조 복사선 소스(34)는 측정 프로세스의 시작을 혈압의 변동과 동기화시키도록 측정 단계 전에 작동된다.
한가지 예시적인 실시예에서, 광학 프로브(20)는 트랜스플렉턴스 측정을 위해 구성되고, 복사선 빔은 측정 장소(22)로 삽입되며 후방 산란된 빔은 신호 검출기(18)에 의해 검출된다. 이어서, 검출기는 타겟 분석물의 차등 흡수율을 나타내는 신호를 발생시킨다. 그러한 실시예의 중요한 고려 사항은 측정 장소(22)의 표면으로부터 반사된 광이 후방 산란된 광을 압도할 때에 검출기에 도달하지 못한다는 것이다.
그러한 한가지 실시예에서, 트랜스플렉턴스 측정은 광섬유의 이등분된 번들을 이용하여 수행되는데, 번들의 제1 부분은 파장(λ0과 λ1)에서 작동하는 레이저 다이오드로부터 광을 수신하도록 되어 있고, 번들의 제2 부분은 후방 산란된 광을 신호 검출기로 안내하도록 되어 있다. 섬유 번들은 광학 프로브(20)를 통과하고, 섬유 번들의 공통 단부는 트랜스플렉턴스 측정을 위해 측정 장소(22)에 대해 압박된다.
다른 실시예에서, 트랜스플렉턴스 측정은 도 3a에 예시된 바와 같이 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(20)를 이용하여 수행된다. 트랜스플렉턴스 프로브(20)는 레이저 다이오드(12, 14), 적어도 하나의 LED(16) 및 샘플 검출기(18)를 측정 장소(22)와 접속시킨다. 트랜스플렉턴스 프로브(20)는 폴리싱된 외표면(45)을 갖는 원통형 광학 로드(40)를 포함한다. 일 실시예에서, 광학 로드(40)는 용융 석영으로 제조되고 외표면(45)은 알루미늄이 코팅되어 표면의 반사도를 증가시킨다. 다른 실시예에서, 광학 로드(40)는 외표면(45) 상에 알루미늄 코팅을 갖는 유리 로드이다. 광학 로드(40)는 둥근 검출 윈도우(46)에 직교하게 위치결정된다. 광학 로드(40)의 말단부(42)는 검출 윈도우(46) 내의 원형 개구(44)로 삽입되어, 광학 로드의 최말단부가 검출 윈도우의 말단 표면(49)과 축방향으로 정렬되며, 측정 장소(22)의 표면과 직접 접촉한다. 입사광과 후방 산란된 광 간에 상호 작용을 제한하기 위하여, 광학 로드(40)에는 검출 윈도우(46)로 삽입되는 말단부(42)를 비롯하여 그 길이에 걸쳐서 알루미늄이 코팅된다. 게다가, 광학 로드(40)와 검출 윈도우(46)는 측정 장소(22)로부터 후방 산란된 복사선의 실질적인 부분이 광학 로드(40)에 진입하는 것을 보장하도록 타이트하게 결합된다.
전자기 복사선 빔은 측정 중에 검출 윈도우(46)를 통해 측정 장소(22)로 전달된다. 따라서, 검출 윈도우(46)는 샘플 매트릭스와 디바이스 하드웨어 간에 인터페이스로서 작용한다. 검출 윈도우(46)는 또한 앞서 설명한 바와 같이, 압축/압축해제 절차 중에 측정 장소(22)에 기계적인 압력을 인가하도록 사용된다. 본 개시에서 일관된 일 실시예에서, 검출 윈도우(46)는 유리 또는 석영으로 구성된다. 다른 실시예에서, 검출 윈도우(46)는 λ0, λ1 및 λ2로 이루어지는 파장 범위에서 높은 투과도를 갖고, 낮은 습기 흡수율을 가지며, 사출 몰딩에 적절한 열가소성 폴리머로 구성된다. 그러한 열가소성 폴리머의 예는, 제한하지 않지만, 환형 폴리올레핀(COP; cyclic polyolefin), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA; polymethylmethacrylate), 및 폴리스티렌(PS; polystyrene)을 포함한다.
광학 로드(40)는 또한 내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징(50)에 의해 둘러싸인다. 일 실시예에서, 내표면(52)은 표면의 반사율을 증가시키도록 알루미늄으로 처리된다. 테이퍼진 관형 하우징(50)의 말단부(54)는 도 3b에 도시된 바와 같이 검출 윈도우(46)에 연결된다. 본 개시에서 일관된 일 실시예에서, 테이퍼진 관형 하우징(50)은 석영 또는 유리로 제조된다. 다른 실시예에서, 테이퍼진 관형 하우징(50)은 사출 몰딩을 이용하여 열가소성 폴리머로 제조되고, 내표면(52)은 표면의 반사율을 증가시키도록 알루미늄으로 코팅된다. 또 다른 실시예에서, 검출 윈도우(48) 및 테이퍼진 관형 하우징(50)은 동일한 열가소성 폴리머를 이용하여 함께 사출 몰딩된다.
테이퍼진 관형 하우징(50)은 또한 레이저 다이오드 및 LED에 의해 방출되는 복사선 빔의 형성을 용이하게 한다. 내표면의 형상 및 관형 하우징의 테이퍼 각도는 측정 장소(22)에 방출되는 빔의 분배를 안내한다. 본 개시에서 일관된 한가지 바람직한 실시예에서, 관형 하우징(50)은 7.5°의 원뿔 각도(종방향 각도와 벽 사이의 각도)를 갖는 절두 원추형 쉘로서 구성된다. 다른 실시예에서, 테이퍼진 관형 하우징(50)의 내표면은 입사광을 측정 장소(22)에 균등하게 분배하기 위하여 면으로 이루어진다(faceted). 관형 하우징의 면의 수는 광학 프로브(20)에 사용되는 레이저 다이오드와 LED의 수에 대응한다. 일 실시예에서, 광학 프로브(20)는 4개의 레이저 다이오드(파장 λ0과 λ1에 대해 각각 2개씩)와, 파장(λ2)에서 작동하는 2개의 LED를 포함한다. 그러한 실시예에서, 테이퍼진 관형 하우징(50)의 내표면(52)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 면으로 이루어진 육각형 형상을 갖는다. 내표면(52) 상의 면은 볼록한 원통형의 형태이고, 각 면의 곡률 반경은 측정 장소(22)에 대해 상이한 소스로부터의 광의 균일한 분배를 제공하도록 대응하는 광 소스에 대해 최적화된다. 본 개시의 예시적인 실시예에서, 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(20)는 혈당의 농도를 측정하도록 광학 검출 시스템에 사용된다. 그러한 실시예에서, λ0은 1620 nm이 되도록 선택되고 λ1은 1380 nm이 되도록 선택되며, λ0과 λ1에서 작동하는 레이저와 관련된 원통형 면의 곡률 반경은 각각 7.2 mm와 6.1 mm이다. 게다가, 관형 하우징의 중앙 종축으로부터 레이저 다이오드(12, 14)의 거리는 측정 장소(22) 상에 방출되는 빔의 분배를 안내한다. 전술한 바와 같이, 혈당의 농도를 측정하는 실시예에서, 중앙축으로부터 레이저 다이오드의 거리는 5.3 mm이다.
레이저 다이오드(12, 14)는 온도 안정성을 위해 테이퍼진 관형 하우징(50)의 기단부(56)에서 히트 싱크(60) 상에 장착된다. 일 실시예에서, LED(16)는 또한 레이저 다이오드에 인접한 히트 싱크 상에 장착된다. 다른 실시예에서, LED는 도 3a에 도시된 바와 같이 히트 싱크(60) 아래의 위치결정판(62) 상에 장착되어 레이저 다이오드를 위해 안정화된 작동 상태를 유지한다.
파장(λ0, λ1 및 λ2)을 포함하는 복사선 빔은 광학 로드(40)의 외표면(45) 및 테이퍼진 관형 하우징(50)의 내표면(52) 상에서 반사함으로써 측정 장소(22)로 전달된다. 도 4는 측정 장소(22)에서 레이저 다이오드로부터의 광의 분배를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 다중 소스로부터의 광은 측정 장소에서 소정 각도로 균일하게 분포되는데, 광학 로드(40)를 둘러싸는 영역은 관형 하우징(50)의 에지 둘레의 영역보다 많은 복사선을 수신한다. 측정 장소(22)에 입사하는 광의 일부는 샘플에 의해 후방 산란되고, 후방 산란된 광의 일부는 광학 로드(40)의 내부에 도달하여 광학 로드의 내표면 상에서 반사함으로써 신호 검출기(18)로 안내된다. 샘플 검출기(18)(도 3a에 도시되지 않음)는 광학 로드(40)의 기단부에 위치결정된다. 후방 산란된 광이 검출기(18)에 도달할 때에, 샘플 매트릭스에서 유체에 의해 파장(λ0과 λ1)의 차등 흡수율에 비례하는 교대 신호가 발생된다. 이어서, 타겟 분석물의 농도가 신호 처리 알고리즘을 이용하여 출력 신호로부터 계산된다.
본 개시에서 일관된 한가지 예시적인 실시예 및 옵티컬 브릿지 기법에서, 분석물 테스팅 디바이스(10)는 핸드헬드 유닛이다. 도 1을 다시 참조하면, 핸드헬드 유닛은 측정 결과의 그래픽 디스플레이를 위한 스크린(27)을 포함하고, 내장형 전자 기기는 디바이스를 작동시키고 타겟 분석물 농도를 계산하기 위한 프로세서(23)와, 레이저 다이오드(12, 14)와 LED(16)를 구동하기 위한 제어 모듈(24)로 이루어진다. 핸드헬드 유닛은 외부 전력 공급원, 재충전형 배터리로부터 전력을 받거나 USB 포트를 통해 전력을 받을 수 있다. 게다가, 핸드헬드 분석물 테스팅 디바이스(10)는 측정 결과를 저장하는 메모리(25)로 이루어진다. 메모리(25)는 또한 스크린(27) 상에 디스플레이되도록 디바이스를 이용하고 작동시키기 위한 대화식 명령(instructions)을 포함할 수 있다. 명령은 디바이스를 작동시키도록 오디오/비디오 명령을 제공하는 멀티미디어 레코딩을 포함하는 대화식 다기능 프레젠테이션, 또는 대안적으로 스크린에 디스플레이되어 디바이스를 작동 및 이용하기 위한 순차적 명령을 나타내는 간단한 텍스트를 포함할 수 있다. 디바이스에 대화식 명령을 포함하는 것은 사용을 위한 광범위한 훈련에 대한 필요성을 제거하여, 의료 전문인 외의 사람에 의해 환자 셀프테스팅을 허용한다. 예시적인 실시예에서, 메모리(25)는 또한 디바이스의 통계적 교정을 위한 기준 데이터베이스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기준 데이터베이스는 무선 또는 유선 접속을 통해 원격 저장 디바이스로부터 엑세스될 수 있다. 유사하게, 분석 테스팅 디바이스(10)에 의해 피험자로부터 수집된 데이터는 나중의 기준을 위해 데이터베이스에 기록될 수 있다.
분석물 시험 디바이스(10)는 자립형 시스템일 수 있거나, 데이터의 디스플레이나 저장을 용이하게 하도록, 그리고 디바이스가 질병 상태와 관련된 진단 파라미터의 연속적인 모니터링을 위해 사용되면, 치료 행동이 요구될 때에 건강 관리인에게 신호를 보내도록 모바일 또는 고정 디바이스와 함께 작동할 수 이다. 모바일 디바이스는 제한하지 않지만 핸드헬드 디바이스 및 분석물 테스팅 디바이스(10)로부터 멀리 있고 통신하는 무선 디바이스를 포함할 수 있다. 고정식 디바이스는 제한하지 않지만 데스크탑 컴퓨터, 프린터 및 테스팅 결과를 디스플레이하거나 저장하는 기타 주변 기기를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 분석물 테스팅 디바이스(10)는 콤팩트 플래시(CF; compact flash) 카드 등의 제거 가능한 메모리 카드(21)에, 세션 및 테스팅 결과의 요약을 포함하는 각각의 환자 파일을 저장한다. 이어서, 사용자는 환자 정보와 절차 데이터를 컴퓨터에 전달하도록, 또는 데이터와 세션 요약의 인쇄를 행하도록 메모리 카드(21)를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(23)로부터의 결과는 데이터의 디스플레이 또는 저장을 용이하게 하도록 외부 모바일 또는 고정식 디바이스에 직접 전달된다. 예컨대, 프로세서(23)로부터의 결과는 디스플레이되거나 USB 포트, IRDA 포트, BLUETOOTH® 또는 다른 무선 링크 등의 PC 인터페이스를 이용하여 PC(29)에 저장될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 결과는 의료인이 주의를 기울여 사용될 결과를 인쇄하는 인쇄기(31)로 무선으로 또는 케이블을 통해 전달될 수 있다. 또한, 분석물 테스팅 디바이스(10)는 보다 복잡한 데이터 처리 또는 분석을 용이하게 하도록 다른 모바일 또는 고정식 디바이스에 데이터를 전달할 수 있다. 예컨대, PC(29)와 함께 작동하는 디바이스가 컴퓨터에 의해 추가 처리되도록 데이터를 전송할 수 있다.
여기서는 혈당의 농도를 측정하는 것에 초점을 두고 옵티컬 브릿지 방법과 분석물 테스팅 디바이스(10)를 설명하였지만, 본 개시에 제공되는 방법 및 디바이스는 또한 혈액 또는 다른 유체에서 요소(urea), 콜레스테롤, 니코틴, 약물 등의 다른 분석물의 농도를 검출하는 데에 채용될 수 있다. 게다가, 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(20) 및 그 사용 방법은 적외선, 가시 광선, 또는 자외선 파장 범위에서 작동하는 임의의 광학 검출 시스템에서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 본 명세서에 개시된 본 발명의 상세 및 실시의 숙고로부터 당업자에게 명백할 것이다. 상세 및 예는 단지 예시적인 것으로서 고려되고, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 아래의 청구범위에 의해 명시된다.

Claims (38)

  1. 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로(noninvasively) 검사하는 장치에 있어서,
    상이한 파장들 - 상기 파장들 중 적어도 2개는 상기 타겟 분석물에 대해 상이한 흡수 계수를 갖음 - 을 갖는 적어도 2개의 반복적인 주기의 복사선을 포함하는 전자기 복사선의 결합된 빔을 발생시키는 소스;
    상기 타겟 구역에 의해 후방 산란되는 상기 복사선의 일부를 검출하도록 배치되고, 상기 2개의 반복적인 주기의 복사선 각각에서 상기 결합된 빔의 검출된 강도에 비례하는 출력 신호를 발생시키는 검출기; 및
    상기 전자기 복사선의 빔을 상기 타겟 구역으로 지향시키고, 상기 후방 산란된 복사선을 상기 검출기로 안내하는 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브(fiberless transflectance probe)
    를 포함하고,
    상기 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브는 내부 반사면을 갖는 테이퍼진(tapered) 관형 하우징, 외부 반사면을 갖는 원통형 광학 로드, 및 상기 전자기 복사선의 빔이 이를 통과하여 상기 타겟 구역으로 전달되는 것인 검출 윈도우를 포함하는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 구역은 유체를 포함하는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타겟 구역 내의 유체의 양을 제어하도록 타겟 구역을 압축 및 압축해제(decompressing)하는 수단을 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 타겟 구역을 압축 및 압축해제하는 수단은 제어 가능한 기계적 디바이스인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    측정 중에 샘플 매트릭스 내에 상기 유체의 양의 추산값을 얻는 수단을 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유체의 양의 추산값을 얻는 수단은, 복사선을 상기 타겟 구역으로 지향시키는 소스를 포함하고, 상기 복사선은 상기 유체의 성분에 의해 우선적으로 흡수되는 파장을 갖는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복사선은 녹색광인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 타겟 구역 내에서 상기 유체의 맥박 페이즈를 측정하는 수단을 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타겟 구역 내에서 상기 유체의 맥박 페이즈를 측정하는 수단은, 복사선을 상기 타겟 구역으로 지향시키는 소스를 포함하고, 상기 복사선은 상기 유체의 성분에 의해 우선적으로 흡수되는 파장을 갖는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 타겟 분석물의 농도를 계산하기 위한 내장형(on-board) 프로세서를 포함하는 핸드헬드 유닛인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    그랙픽 디스플레이 스크린을 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    재충전 가능한 배터리를 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    유저 명령(instructions) 및 측정 결과를 저장하는 메모리를 더 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 메모리는 기준 데이터베이스를 포함하는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 핸드헬드 유닛은 무선 통신 링크를 이용하여 외부 디바이스와 통신할 수 있는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 관형 하우징의 내표면은 상기 타겟 구역 상에 복사선 빔을 균등하게 확산시키기 위해 면으로 이루어지는(faceted) 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 광학 로드는 상기 검출 윈도우의 중심에서 수직으로 위치결정되는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 관형 하우징은 상기 원통형 광학 로드 주위에 위치결정되는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 유체는 혈액이고, 측정되는 상기 타겟 분석물은 혈당인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 장치.
  20. 샘플의 특성을 측정하는 트랜스플렉턴스 프로브에 있어서,
    상기 샘플이 이를 통과하여 조사되는 것인 검출 윈도우;
    상기 검출 윈도우에 대해 수직으로 위치결정된 외부 반사면을 갖는 광학 로드;
    상기 광학 로드 주위에 위치결정되는 내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징;
    상기 샘플을 조사하는 적어도 하나의 광 소스; 및
    상기 샘플에 의해 후방 산란되는 광을 검출하기 위해 상기 광학 로드의 기단부(proximal end)에 위치결정되는 검출기
    를 포함하는, 트랜스플렉턴스 프로브.
  21. 제20항에 있어서,
    원통형 광학 로드, 상기 관형 하우징 및 상기 검출 윈도우는 석영(quartz)으로 구성되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 관형 하우징 및 상기 검출 윈도우는 열가소성 폴리머로 구성되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 관형 하우징 및 상기 검출 윈도우는 사출 몰딩되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 광학 로드의 외표면은 반사 코팅으로 코팅되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 관형 하우징의 내표면은 반사 코팅으로 코팅되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 관형 하우징의 내표면은 면으로 이루어진 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 내표면의 면은 볼록한 원통형의 형태인 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 면의 수는 광 소스의 수에 대응하는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 소스로부터의 광은 상기 광학 로드의 외표면 및 상기 관형 하우징의 내표면에서의 반사에 의해 상기 샘플로 전달되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 샘플에 의해 후방 산란되는 광은 상기 광학 로드를 통해 상기 검출기로 안내되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  31. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 광 소스는 레이저 다이오드를 포함하는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 상기 관형 하우징의 기단부에서 히트 싱크 상에 장착되는 것인, 트랜스플렉턴스 프로브.
  33. 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법에 있어서,
    내부 반사면을 갖는 테이퍼진 관형 하우징, 검출 윈도우, 및 상기 검출 윈도우에 대해 수직으로 위치결정되는 외부 반사면을 갖는 광학 로드를 포함하는 파이버리스 트랜스플렉턴스 프로브를 마련하는 단계;
    적어도 2개의 시간 다중화 성분(time multiplexed components)으로 이루어지는 복사선 빔을 발생하기 위해 2개의 상이한 파장으로 작동하는 적어도 2개의 광 소스를 마련하는 단계;
    상기 관형 하우징의 내표면과 상기 광학 로드의 외표면에서 반사함으로써 상기 타겟 구역으로 상기 복사선 빔을 전달하는 단계;
    상기 타겟 구역으로부터 후방 산란된 빔을, 상기 광학 로드의 내표면 상에 반사함으로써 상기 검출기로 안내하는 단계; 및
    상기 후방 산란된 빔을 검출하고, 상기 타겟 구역에 의해 상기 2개의 파장의 상이한 흡수율을 나타내는 출력 신호를 생성하는 검출기를 마련하는 단계
    를 포함하는, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 테이퍼진 관형 하우징은 상기 타겟 구역 상에 복사선 빔을 균등하게 확산시키기 위해 면으로 이루어진 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
  35. 제33항에 있어서,
    차등 흡수율 신호가 사용되어 상기 타겟 분석물의 농도를 계산하는 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
  36. 제33항에 있어서,
    측정되는 상기 분석물은 혈당인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 2개의 파장은 약 1380 nm 및 약 1620 nm인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 2개의 파장은 1385±20 nm 및 1630±20 nm인 것인, 타겟 분석물의 양을 측정하기 위해 타겟 구역을 비침습적으로 검사하는 방법.
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