DE112019000207T5

DE112019000207T5 - Optische Erfassung von Reaktionen von Haut und Gewebe mittels Spektroskopie

Info

Publication number: DE112019000207T5
Application number: DE112019000207.4T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Borremans; Prashant Agrawal
Original assignee: Spectricity
Current assignee: Spectricity
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-08-06
Also published as: US20200383628A1; WO2019141869A1; CN111683588A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen der optischen Reaktion der Haut umfasst eine oder mehrere Beleuchtungsquellen, die eingerichtet sind, Licht direkt auf die Haut oder das Gewebe zu strahlen, wobei jede Beleuchtungsquelle eingerichtet ist, Licht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen zu liefern. Die Vorrichtung weist ferner ein oder mehrere Spektrometer auf, wobei jedes Spektrometer mehrere Interferenzfilter umfasst, die über einem oder mehreren optische Sensoren liegen, wobei jedes der Spektrometer einen Erfassungsbereich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen aufweist und eingerichtet ist, Licht einzufangen, das aus der Haut oder dem Gewebe emittiert wird. Jedes der einen oder mehreren Spektrometer der Vorrichtung ist in einem vorbestimmten Abstand von mindestens einer Beleuchtungsquelle der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen angeordnet.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Spektroskopie und insbesondere auf die Messung physiologischer Parameter in Haut und Gewebe mittels optischer Spektroskopie.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die Spektroskopie umfasst die Messung von Spektren, die entstehen, wenn Materie mit elektromagnetischer Strahlung in Wechselwirkung tritt oder elektromagnetische Strahlung emittiert. Die Transmittanz der diffusen optischen Reflexionsspektroskopie von Gewebe umfasst die Beleuchtung des Gewebes mit einer Beleuchtungsquelle und die Verwendung eines Detektors zur Erfassung des Lichts aus dem beleuchteten Gewebe. Bei der diffusen optischen Reflexionsspektroskopie wird das vom Gewebe reflektierte Licht am Detektor eingefangen, während bei der Transmissionsspektroskopie das durch das Gewebe durchgelassene Licht am Detektor eingefangen wird.
Eine beleuchtende Lichtquelle durchdringt die Haut und das darunter liegende Gewebe abhängig von den Komponenten der Lichtquelle und den Eigenschaften der Haut und des Gewebes, und wird von einem Detektor als eine Kombination von reflektiertem, gestreutem und durchgelassenem Licht erfasst, die Aufschluss über Eigenschaften der Haut, des darunter liegenden Gewebes, der Blutgefäße und mehr geben kann. Lichtquellen und/oder Detektoren können unter die Haut implantiert, in Kontakt mit der Haut gebracht oder in unmittelbarer Umgebung der Haut platziert werden. Zum Beispiel kann ein kleiner, integrierter Detektor in einer bestimmten Umgebung einer Beleuchtungsquelle platziert werden. In einem anderen Beispiel können ein kleiner, integrierter Detektor und eine Beleuchtungsquelle in eine tragbare Vorrichtung, wie beispielsweise ein Pflaster, ein Armband oder eine Armbanduhr, integriert werden. In einem weiteren Beispiel können ein kleiner integrierter Detektor und eine Beleuchtungsquelle in eine implantierte medizinische Vorrichtung wie einen Herzschrittmacher oder eine In-situ-Glukose-Testvorrichtung eingebaut werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Die Messung verschiedener physiologischer Parameter in Haut und Gewebe erfordert in der Regel mehrere Vorrichtungen, die auf unterschiedlichen Technologien basieren. Zum Beispiel kann die Herzfrequenz optisch oder mittels EKG gemessen werden, die Sauerstoffversorgung des Blutes wird optisch gemessen, der Blutdruck wird mittels Manschettendruckmessung gemessen, Hydratation und Körperfett werden mittels Bioimpedanzanalyse oder Urinstreifen gemessen. Tragbare Vorrichtungen für die Gesundheit, die heute erhältlich sind, lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen, mitunter beispielsweise in solche, die auf optischer Messung basieren, und solche, die auf elektrischer Impedanzmessung basieren. Diese erste Kategorie von tragbaren Vorrichtungen verwendet typischerweise 1 bis 8 diskrete Wellenlängen zur Messung von Parametern wie Pulsfrequenz, Pulsfrequenzvariabilität, Oxygenierung, usw. Eine zweite Kategorie von tragbaren Vorrichtungen verwendet typischerweise einige wenige elektrische Kontaktpunkte für die Impedanzmessung für die Messung von EKG, Hydratation, Körperfett, usw. Diese tragbaren Vorrichtungen werden sowohl in klinischem als auch in nicht-klinischem Kontext verwendet und sind in verschiedenen Formfaktoren, wie beispielsweise Smart-Uhren, Armbändern, Patches, Clip-Ons, vorhanden.
Die diffuse optische Reflexions- oder Transmissionsspektroskopie von Hautgewebe umfasst die Beleuchtung der Haut mit einer Lichtquelle und die Verwendung eines geeigneten Detektors zur Erfassung des Lichts, des reflektierten Lichts bei Reflexionsspektroskopie, des durchgelassenen Lichts bei Transmissionsspektroskopie oder einer Kombination hiervon. Das auf die Hautoberfläche einfallende Licht durchdringt die Haut, dringt gegebenenfalls in das Gewebe unter der Haut ein und wird dann je nach Haut- und/oder Gewebeeigenschaften gestreut. Das Ausmaß der Durchdringung hängt von den Wellenlängenkomponenten in der Lichtquelle und von den Eigenschaften der Haut ab. So ist das von dem Detektor erfasste Licht eine Mischung aus Licht, das von der beleuchteten Haut, dem darunter liegenden Gewebe und ihren Bestandteilen wie Schichten, Gewebe, Blutgefäße, usw. reflektiert, gestreut und durchgelassen wurde. Diese Komponenten können Teil des Gewebes oder künstliche Komponenten sein, die unter die Haut implantiert werden, wie beispielsweise biosensorische Fasern, die ihre optischen Eigenschaften oder ihre Reaktion bei Anwesenheit anderer Substanzen in dem Gewebe verändern. Diese Wechselwirkung von Licht mit verschiedenen Komponenten unter und in der Haut wird durch ihren physiologischen Zustand beeinflusst. Beispielsweise interagiert Licht unterschiedlich mit sauerstoffangereichertem und sauerstoffabbauendem Hämoglobin in Blutgefäßen. Diese Differenz kann zur Messung des Sauerstoffgehalts im Blut verwendet werden, was ein in der Oxymetrie häufig verwendetes Prinzip ist.
Optische Messungen zur Gewinnung von Körperparametern ermöglichen die Entwicklung nicht-invasiver Lösungen. Einige Beispiele für (direkt oder indirekt) messbare Körperparameter sind die Sauerstoffsättigung in Blut und Gewebe, Laktat in den Muskeln, BlutGase wie O2 und CO, der Hydratationsgrad des Gewebes, der Prozentsatz des Körperfettanteils, die Herzfrequenz, der Blutdruck, usw. Die Messung dieser Parameter ist relevant für klinische Verfahren und Überwachung, allgemeine Gesundheits- und Zustandsüberwachung, Datenerhebung zu Forschungs- und Entwicklungszwecken, beispielsweise klinische Studien zur Arzneimittelentwicklung sowie Studien mit großen Populationen. Sie ist relevant nicht nur für Menschen, sondern auch für Tiere, wie beispielsweise Haustiere einschließlich Hunde und Nutztiere einschließlich Kühe. Die derzeit verwendeten Vorrichtungen, die auf optischer Technologie basieren, haben einige Einschränkungen:
Vorhandene optische Messlösungen können auf die Messung nur weniger Parameter wie Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt des Blutes beschränkt werden, und die Genauigkeit kann nicht als den klinischen Anforderungen genügend angesehen werden, da die zur Gewinnung der Merkmale verwendeten Methoden, wie beispielsweise die Verwendung von zwei Wellenlängen zur Extraktion von SpO2, anfällig für Einflüsse anderer Elemente in der gemessenen Probe wie beispielsweise Methämoglobin sind (siehe beispielsweise 7). Außerdem bieten sie keine Flexibilität und sind nicht zukunftssicher. Die Komponenten müssen für spezifische optische Reaktionen ausgewählt werden, die für die zu messenden Parameter spezifisch sind, und diese Vorrichtungen können keine neuen Parameter oder neue Messprinzipien bestehender Parameter unterstützen.
Die diffuse optische Spektroskopie an der Haut ist mittels einer Laborausrüstung möglich, die in verschiedenen Formfaktoren, von handgeführt bis stationär, erhältlich ist. Sie erfordert ein geschultes Personal für ihre Anwendung. Infolgedessen kann die Diagnose oder Überwachung nur in einer speziellen Umgebung wie in Krankenhäusern oder Kliniken durchgeführt werden, wo sie von einem geschulten Personal bedient wird. Dies wiederum schränkt den Umfang, die Häufigkeit und die Dauer des einen oder mehreren messbaren Vitalparameter ein. In der Forschung hat sich gezeigt, dass mehrere Körperparameter wie Hydratation, Oxygenierung und Gesamthämoglobin im Laufe der Zeit variieren können, und es kann wichtig sein, diese Parameter häufig oder kontinuierlich, sowohl für klinische als auch für nicht-klinische Zwecke, zu überwachen. Mit den derzeit verfügbaren Vorrichtungen werden solche Diagnosen sehr teuer und sind auf das Krankenhaus- oder Gesundheitsumfeld beschränkt, da die Vorrichtungen teuer, nicht mobil und nur für den professionellen Einsatz bestimmt sind.
Zumindest teilweise wegen der Nichtverfügbarkeit von miniaturisierten Spektrometern basiert die diffuse optische Spektroskopie des Hautgewebes im Allgemeinen auf einem Labortest, der typischerweise in Krankenhausumgebungen mit stationären (desktop) Vorrichtungen mit Sondensystemen zur Untersuchung des Körpers durchgeführt wird. Den Erfindern sind angesichts der Nichtverfügbarkeit von miniaturisierten Spektrometern keine Lösungen bekannt, bei denen die optische Spektroskopie in tragbaren Vorrichtungen, insbesondere in Patches, integriert wurde. Erwünscht wird daher eine nicht-invasive Messung mindestens eines physiologischen Hautparameters mittels mindestens eines miniaturisierten optischen Spektrometers in Kontakt mit der Haut, um diffuse optische Spektroskopie zu ermöglichen. Messungen, die auf diese Weise erhalten sind, können beispielsweise für die Überwachung der körperlichen Verfassung, die Überwachung der Gesundheit, die Sammlung von Daten für Forschung und klinische Studien, usw. verwendet werden.
Nachstehend offenbart ist eine leichte, tragbare, nicht-invasive und nicht-intrusive Spektroskopie-Vorrichtung, die mindestens ein optisches Spektrometer, vorzugsweise monolithisch integriert, und mindestens eine integrierte Lichtquelle aufweist, die auf einem elektronischen Substrat kombiniert sind. Die Verwendung von einem oder mehreren Spektrometern, die jeweils einen monolithisch auf einem Sensor integrierten hyperspektralen Filter zur Erfassung von Licht, das von einem interessierenden Bereich kommt, und mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des interessierenden Bereichs aufweisen, ermöglicht tragbare, leichte, nicht-invasive und nicht-invasive Vorrichtungen. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung so eingerichtet sein, dass das Spektrometer von Umgebungslicht abgeschirmt ist, während der Filter vorzugsweise monolithisch auf dem Sensor integriert ist, und der Filter kann an dem Sensor angebracht sein.
Ein Aspekt der Erfindung offenbart eine tragbare optische Hautreaktion-Messvorrichtung, wobei die Vorrichtung ein elektronisches Substrat aufweist, das eine Beleuchtungsquelle, die einen vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen aufweist und eingerichtet ist, Licht direkt in die Haut einzustrahlen, wenn sie in Kontakt mit der Haut ist, und ein Spektrometer aufweist, das einen Interferenzfilter auf einem Lichtsensor aufweist, wobei das Spektrometer einen Erfassungsbereich aufweist, der auf den vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen abgestimmt ist, und eingerichtet ist, direkt Licht einzufangen, das aus der Haut emittiert wird, wenn es in Kontakt mit der Haut ist, wobei das Spektrometer in einem vorbestimmten Abstand von der Beleuchtungsquelle positioniert ist, um das bestrahlte Licht einzufangen, wenn es aus der Haut in diesem vorbestimmten Abstand emittiert wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der vorbestimmte Abstand so gewählt, dass er dem Eindringpfad des eingestrahlten Lichts mit einer vorbestimmten Wellenlänge entspricht.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung mehrere Beleuchtungsquellen und/oder mehrere Spektrometer, wobei die Quellen und/oder die Spektrometer auf dem elektronischen Substrat relativ zueinander positioniert sind, um eine räumliche optische Reaktion der Haut auf die Bestrahlung zu bestimmen.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist das Spektrometer eingerichtet, eine spektrale Unterscheidung des eingefangenen Lichts in mindestens 7 Spektralbändern zu ermöglichen.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner eine breitbandige Beleuchtungsquelle, die, wenn im Betrieb, zur Messung der optischen Reaktion eines Hautparameters eingerichtet ist, der von einem breiten Spektralbereich abhängt, und eine schmalbandige Beleuchtungsquelle, die, wenn im Betrieb, zur Messung der optischen Reaktion eines Hautparameters eingerichtet ist, der von einem schmalen Spektralbereich abhängt, wobei der schmale Spektralbereich kleiner als der breite Spektralbereich ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Vorrichtung zwischen einem kontinuierlichen Nachverfolgungsmodus zur Aktivierung der schmalbandigen Beleuchtungsquelle im Betrieb, und einem sporadischen Nachverfolgungsmodus zur Aktivierung der breitbandigen Beleuchtungsquelle im Betrieb umschaltet.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner eine Batterie, die eingerichtet ist, zumindest die Beleuchtungsquelle und das Spektrometer mit Strom zu versorgen, einen Prozessor, der eingerichtet ist, das Ergebnis des Spektrometers zu verarbeiten, und eine Kommunikationsvorrichtung auf, die eingerichtet ist, Informationen mit der Vorrichtung auszutauschen.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner einen Speicher, der eingerichtet ist, das Ergebnis des Spektrometers und/oder das Ergebnis des Prozessors, falls vorhanden, speichert, eine Benutzerschnittstelle, die eingerichtet ist, mit der Vorrichtung zu interagieren, und eine Sensoranordnung zur Messung einer nicht-optischen Reaktion der Haut auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung offenbart ein Verfahren zum Messen der optischen Reaktion einer Haut unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen ersten Satz einer oder mehrerer Beleuchtungsquellen und ein oder mehrere Spektrometer in einem vorbestimmten Abstand voneinander aufweist, wobei das Verfahren das Kontaktieren der Haut mit der Vorrichtung und das Messen einer optischen Reaktion der Haut unter Verwendung des ersten Satzes umfasst.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner einen zweiten Satz von Beleuchtungsquelle und Spektrometer in einem vorbestimmten Abstand voneinander auf, und das Verfahren umfasst ferner das Messen einer anderen optischen Reaktion der Haut unter Verwendung des zweiten Satzes und das Modifizieren der zweiten Messung unter Verwendung der ersten Messung.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren so aufgebaut sein, dass die erste Messung als Konfidenzbild zur Beurteilung, ob eine tatsächliche Haut gemessen wird, verwendet wird und die optische Reaktion der tatsächlichen Haut analysiert wird, nachdem die erste Messung akkreditiert ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren so aufgebaut sein, dass zwei Parameter aus der ersten Messung extrahiert (gewonnen, entnommen, hergeleitet) werden und ein Parameter als Referenz für den anderen Parameter verwendet wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren so aufgebaut sein, dass der erste Satz an einer Referenzstelle auf der Haut platziert wird, und dass der zweite Satz an einer Interessenstelle auf der Haut platziert wird, und die erste Messung als Referenz für die zweite Messung verwendet wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Verfahren so aufgebaut sein, dass die optische Reaktion verwendet wird, um ein oder mehrere physiologische Parameter unter Verwendung von in-vivo-Spektroskopie an der Haut abzuleiten.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird die optische Reaktion verwendet, um die Herzfrequenz, die Herzfrequenzvariabilität, die maximale Rate des Sauerstoffverbrauchs (VO2), die Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO2), die CO-Sättigung des Blutes (SpCO), die Sauerstoffsättigung der Muskeln, die Oxygenierung des Gewebes, den Gesamthämoglobinindex (THI), die Pulsfrequenz (PR), die Pulsfrequenzvariabilität (PRV), die Gewebehydratation, den Körperfettanteil und den Blutdruck zu extrahieren.
Figurenliste

1A ist eine Draufsicht eines Blockdiagramms einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
1B ist ein Seitenquerschnitt eines Blockdiagramms einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
1C ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Blockdiagramms einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung in Kontakt mit Haut und Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2B ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2C ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2D ist eine Draufsicht eines Blockdiagramms einer weiteren Ausführungsform eines Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3A ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Blockdiagramms einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung in Kontakt mit Haut und Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine Draufsicht auf ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
4B ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Blockdiagramms einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung in Kontakt mit Haut und Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Draufsicht einer Spektroskopie-Vorrichtung zur Übertragung von Licht durch Hautgewebe gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung für eine Spektroskopie-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine repräsentative Beziehung zwischen Absorption und Lichtwellenlänge für reduziertes Hämoglobin (HbR), Oxyhämoglobin (HbO2), Methämoglobin (HbMeth) und Carboxyhämoglobin (HbCO);
8a-c beschreibt eine Ausführungsform mit a) einer schematischen Draufsicht der Vorrichtung, b) einem schematischen Querschnitt und b) einem Eindruck der Vorrichtung bei Hautkontakt;
9a-d beschreibt verschiedene Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtungen mehr als 1 Spektrometer und/oder Lichtquelle (Beleuchtung) enthalten;
10a-b beschreibt eine Ausführungsform mit a) einer schematischen Draufsicht der Vorrichtung und b) einem Eindruck der Vorrichtung bei Kontakt mit der Haut;
11a-b beschreibt eine Ausführungsform mit a) einer schematischen Draufsicht der Vorrichtung und b) einem Eindruck der Vorrichtung bei Kontakt mit der Haut;
12 beschreibt eine Ausführungsform mit einem Abdruck der Vorrichtung in Kontakt mit der Haut, wobei Spektrometer und Lichtquelle (Beleuchtung) für die Transmissionsspektroskopie positioniert sind, und
13 beschreibt einen schematischen Baustein einer Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die 1A, 1B und 1C veranschaulichen eine beispielhafte Anordnung eines Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einer Beleuchtungsquelle 20 und einem Spektrometer 18. 1A ist eine Draufsicht eines Blockdiagramms einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit Spektrometer 18 und Beleuchtungsquelle 20, wobei Spektrometer 18 und Beleuchtungsquelle 20 in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Die 1B bzw. 1C zeigen einen Seitenquerschnitt einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 und einen Seitenquerschnitt eines Blockdiagramms einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 in Kontakt mit Haut und Gewebe.
1B veranschaulicht, wie die Beleuchtungsquelle 20 und das Spektrometer 18 über die Oberfläche der Spektroskopie-Vorrichtung 16 hinausragen, um den interessierenden Hautbereich im Wesentlichen zu berühren. Wie in 1B dargestellt, sind die Beleuchtungsquelle 20 und das Spektrometer 18 auf einem elektronischen Substrat 22 kombiniert, welches mindestens eines aus dem Folgenden sein kann: eine Leiterplatte, ein Halbleitersubstrat, ein Dünnfilmsubstrat und ein flexibles Substrat. 1C zeigt beispielhaft, wie das elektronische Substrat 22, wenn es in einem Spektroskopie-Vorrichtung 16 vorhanden ist, für einen wesentlichen Kontakt des Spektrometers 18 und der Beleuchtungsquelle 20 mit Haut und/oder Gewebe sorgen kann. Das Licht der Beleuchtungsquelle 20 dringt in die Haut und gegebenenfalls in das darunter liegende Gewebe ein und hinterlässt die Oberfläche an einer Stelle abhängig von ihrer Wellenlänge und den Eigenschaften der Haut, optional einschließlich des darunter liegenden Gewebes. Das Spektrometer 18 kann das Licht einfangen, das an dieser Stelle aus der Haut austritt.
In einem Beispiel umfasst das Spektrometer 18 einen oder mehrere komplementäre optische Metall-Oxid-Halbleiter-Sensoren (CMOS) mit integrierten interferenzbasierten (beispielsweise Fabry-Perrot) Bandpassfiltern, die einen Bereich von 400nm bis 1100nm abdecken, und eine Breitband-Beleuchtungsquelle mit einer oder mehreren Leuchtdioden (LEDs). In einem Beispiel sind die eine oder mehreren LEDs mit Leuchtstoffen beschichtet, um eine Beleuchtung über den gesamten Wellenlängenbereich zu ermöglichen. In einem Beispiel können sowohl der optische CMOS-Sensor als auch die eine oder mehreren LEDs auf einem gemeinsamen elektronischen Substrat 22 montiert sein. In einem anderen Beispiel kann das Spektrometer 18 allein oder in Kombination mit anderen Elementen verwendet werden, um die eine oder mehreren LEDs während des Betriebs der Spektroskopie-Vorrichtung 16 zu steuern. In einem anderen Beispiel ist der Sensor ein InGaAs-Sensor mit Spektralbereich und Spektralfiltern in dem Bereich von 900nm bis 1800nm. Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann in mehrere Vorrichtungen mit unterschiedlichen Formfaktoren integriert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, am Körper tragbarer Vorrichtungen, beispielsweise Uhren, Armbänder, Pflaster, In-Ear-Vorrichtungen, Over-Ear-Vorrichtungen, Headsets, Nasenklammern, Ringe, Fußkettchen, Textilien, Schuhe, handgeführter Vorrichtungen, einnehmbarer Vorrichtungen (wie beispielsweise Smart Pills), Instrumente für die innere Untersuchung wie eine Endoskopiespitze, Kopfbedeckungen wie Stirnbänder, Helme oder Kopfbänder, Patches wie Brustpflaster, Hör-Vorrichtungen wie Ohrhörer oder Ohrkapseln und Armbandmaterial für das Handgelenk wie Smart-Uhren, Armbänder und Tracker.
Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann an einer oder mehreren geeigneten Stellen direkt an der Haut von Menschen oder Tieren angebracht oder in deren Nähe gebracht werden. Darüber hinaus kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 auf verschiedene Weise mit dem zu untersuchenden Hautbereich in Kontakt oder in dessen Nähe gebracht werden. Beispielsweise können Klebstoff oder Riemen verwendet werden, um ein Pflaster oder eine Membran in enger (dichter) Nähe zur Haut zu halten. In einem anderen Beispiel kann das Pflaster oder die Membran auch in Ausrüstung oder Kleidung integriert werden, die selbst in enger Nähe oder in Kontakt mit der Haut ist, wie beispielsweise Socken, T-Shirts, Handschuhe, Strümpfe, Unterwäsche, Bandagen, Schuheinlagen, Kopfbedeckungen, Hör-Vorrichtungen, Handgelenksbekleidung und Fingerbekleidung wie beispielsweise ein Ring. Die Vorrichtung kann auch in Vorrichtungen eingebaut werden, die leicht mit der Haut in Kontakt kommen, wie beispielsweise handgeführte Instrumente oder handgeführte Vorrichtungen, Okulare oder Brillen.
In einem Beispiel kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 sowohl Anwendungen für einen einmaligen Gebrauch als auch Anwendungen für mehrmalige Verwendungen ermöglichen. Aufgrund der relativen Größe und Kosten der Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann es in tragbaren Einweg-Vorrichtungen integriert werden, die für den Einmalgebrauch bestimmt sind. In anderen Beispielen kann dieselbe oder eine ähnliche Spektroskopie-Vorrichtung 16 auch für die Anwendung in Objekte integriert sein, die für wesentlich längere Zeiträume verwendet werden sollen.
Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann die gleichzeitige Messung mehrerer physiologischer Parameter ermöglichen. Das Spektrometer ermöglicht die Erfassung von Daten mit hoher spektraler Auflösung (beispielsweise < 10 nm) in einem breiten Spektralbereich (beispielsweise > 100 nm). In einem Beispiel können gesammelte Daten in Verbindung mit verschiedenen physiologischen Parametern, die das durch das Gewebe hindurchgehende Licht beeinflussen, mit geeigneten Algorithmen abgeleitet werden. Algorithmen zur Ableitung verwandter physiologischer Parameter kann jeder Algorithmus sein, der ausreicht, um Informationen aus den chemischen Systemen zu extrahieren, die mit der Haut und/oder dem Gewebe verbunden sind, einschließlich eines oder mehrerer chemometrischer Algorithmen, multivariater Klassifizierungsalgorithmen und Reaktionsalgorithmen. In einem Beispiel können verschiedene Parameter wie Herzfrequenz, Blutoxygenierung, Körperfett, Körperfeuchtigkeit, Blutdruck, Muskellaktat usw. optisch gemessen werden, indem eine Kombination spezifischer Wellenlängen, die mit der Spektroskopie-Vorrichtung 16 erfasst werden, verwendet wird. Daher kann eine einzelne Spektroskopie-Vorrichtung 16 unter Verwendung eines miniaturisierten Spektrometers 18 zur Messung mehrerer physiologischer Parameter verwendet werden, anstatt einer anderen Vorrichtung mit unterschiedlichen optischen Reaktionen für jeden von mehreren Parametern zu verwenden. In einem Beispiel werden die mehreren Parameter gleichzeitig gemessen; in einem anderen Beispiel werden die mehreren Parameter zeitlich geteilt gemessen. In einem weiteren Beispiel werden einige Parameter gleichzeitig gemessen, während andere zeitlich geteilt gemessen werden.
In einem Beispiel kann die Verwendung des Spektroskopie-Vorrichtung 16 einfach und nahtlos sein, da seine Anwendung nicht auf Krankenhäuser oder Kliniken beschränkt ist, wo es von geschultem Personal verwendet werden soll. In einem Beispiel kann die Vorrichtung auf der Haut platziert und von geschultem Personal leicht bedient werden. In einem anderen Beispiel können einfache und leicht zu befolgende Anweisungen bereitgestellt werden, die es dem Benutzer ermöglichen, die Vorrichtung auf die eigene Haut oder auf die Haut eines Tieres aufzutragen. In einer Ausführungsform erlaubt die Vorrichtung daher die Sammlung von Daten für Diagnose- oder Überwachungszwecke auf kostengünstige Weise, ohne auf spezialisierte Umgebungen beschränkt zu sein.
In einem Beispiel kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 auch eine Aufrüstbarkeit von Software und Hardware bieten. In einem Beispiel können Daten, die über einen vollen oder teilweisen Spektralbereich des für die Spektroskopie-Vorrichtung 16 verfügbaren Wellenlängenbereichs erfasst werden, mit der gleichen Feinauflösung erfasst werden, die in der Vorrichtung verfügbar ist, auch darüber hinaus und unabhängig davon, welche Parameter des zu untersuchenden Bereichs das eingestrahlte Licht beeinflussen. Daher sind die Rohdaten bereits verfügbar in einem Beispiel, wenn neue Parameter von der wissenschaftlichen Gemeinschaft entdeckt werden oder Messungen zusätzlicher Parameter für eine Person oder ein Tier erforderlich sind, oder wenn beobachtet wird, dass andere Wellenlängen genauere oder stabilere Daten liefern, und beispielsweise kann ein relativ einfacher Softwarewechsel/Upgrade implementiert sein. In einer Ausführungsform kann ein Datensatz erneut mit aktualisierten oder verbesserten chemometrischen Algorithmen analysiert werden, wodurch der Overhead vermieden wird, dass die Daten aus dem interessierenden Hautbereich erneut erfasst werden. In einer anderen Ausführung ist das Spektroskopie-Vorrichtung 16 eingerichtet, aktualisierte oder verbesserte chemometrische Algorithmen gleichzeitig mit der Erfassung der Ausgangswellenlängen anzuwenden.
Eine solche Vorrichtung kann ein oder mehrere monolithisch integrierte Spektrometer 18 und/oder eine oder eine monolithisch integrierte Beleuchtungsquelle 20 enthalten. In diesen Ausführungsformen ermöglicht ein Mehrkomponenten-Spektroskopie-Vorrichtung 16 die Erfassung einer räumlichen Spektralreaktion von dem interessierenden Hautbereich über mehrere Wellenlängenbereichen. In einem Beispiel sind die Wellenlängenbereiche spezifisch für jedes der einen oder mehreren monolithisch integrierten Spektrometer. In einem anderen Beispiel ist jedes der monolithisch integrierten Spektrometer 18 eingerichtet, Spektralreaktionen für mehrere ausgewählte Wellenlängen zu erfassen.
2A zeigt die Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einer Beleuchtungsquelle 20 und drei Spektrometern 18 in immer größerer Entfernung von der Beleuchtungsquelle 20. In einem Beispiel befindet sich jedes Spektrometer 18 in einem anderen vorbestimmten Abstand von der Beleuchtungsquelle 20. In der Anwendung ermöglicht diese Anordnung die Erfassung von bestrahltem Licht, das von verschiedenen Stellen innerhalb der Haut, und optional von dem darunter liegenden Gewebe, zurückkehrt. 2B zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit 3 Beleuchtungsquellen, jede in einem vorbestimmten Abstand von diesem Spektrometer. In einem Beispiel, wenn mehr als eine Beleuchtungsquelle 20 verwendet wird, kann jede der verschiedenen Beleuchtungsquellen 20 einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich haben (oder auch nicht), um die Eigenschaften verschiedener Wellenlängen mit unterschiedlichen Eindringtiefen in die Haut und in das Gewebe zu nutzen, oder um Parameter in unterschiedlicher Tiefe zu beobachten.
2C zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einer Kombination einer Beleuchtungsquelle 20 mit 4 Spektrometern 18, die um die Beleuchtungsquelle herum in vorbestimmten Abständen von der Beleuchtungsquelle 20 angeordnet sind. 2D zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einer Kombination eines Spektrometers 18 mit 4 Beleuchtungsquellen 20, die um das Spektrometer 18 herum verteilt sind, wobei jede der Beleuchtungsquellen 20 in vorbestimmten Abständen von dem Spektrometer 18 angeordnet ist. In einem Beispiel ermöglicht es diese Anordnung, eine räumliche optische Reaktion von der Haut zu erhalten. Sie kann auch verwendet werden, um stabilere Daten zu liefern, wenn die Vorrichtung nicht genau über einer interessierenden Zone ausgerichtet ist, beispielsweise durch Mittelwertbildung aller Daten oder durch zeitlich geteilte Aktivierung der verschiedenen Beleuchtungsquellen 20, wodurch die Daten auf eine korrekte, gezielte oder erwartete Reaktion geprüft werden können.
3A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einer Beleuchtungsquelle 20 und zwei Spektrometern 18, die sich in unterschiedlichen vorbestimmten Abständen hiervon befinden. 3B zeigt einen Seitenquerschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16, die ein Beispiel einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 in Kontakt mit der Haut zeigt. In dem Beispiel kann das von der Beleuchtungsquelle 20 eingestrahlte Licht in verschiedenen Tiefen reflektiert werden, wobei das reflektierte Licht die Hautoberfläche an verschiedenen Stellen verlässt. Verschiedene Spektrometer 18 an einer bestimmten Position relativ zur Beleuchtungsquelle 18 können reflektiertes Licht aus einer bestimmten Tiefe in dem Gewebe sammeln.
4A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit einem Spektrometer und zwei Beleuchtungsquellen 20, die sich in unterschiedlichen vorbestimmten Abständen hiervon befinden. 4B zeigt einen Seitenquerschnitt einer anderen Ausführungsform einer Spektroskopie-Vorrichtung 16, die ein Beispiel einer Spektroskopie-Vorrichtung 16 in Kontakt mit der Haut zeigt. In dem Beispiel wird das von einer Beleuchtungsquelle 20 eingestrahlte Licht reflektiert und zum Teil vom Spektrometer 18 eingefangen. Da ein von verschiedenen Beleuchtungsquellen 20 stammendes Licht erfasst wird, liefern die gesammelten Daten eine räumliche Reaktion der Haut in den Wellenlängenbereichen der Beleuchtungsquellen 20. In einem Beispiel können die Beleuchtungsquellen 20 eingerichtet sein, Beleuchtung in dem gleichen oder in einem anderen Wellenlängenbereich bereitzustellen.
In jedem der obigen Beispiele kann die Spektroskopie sowohl die Reflexionsspektroskopie als auch die Transmissionsspektroskopie umfassen, wie in 5 dargestellt. In einem Beispiel sind die beschriebenen Anordnungen für die Platzierung des Spektrometers 18 und der Beleuchtungsquellen 20 auch für die Transmissionsspektroskopie anwendbar. In einem Beispiel, bei dem die gewünschte Spektroskopie die Transmissionsspektroskopie ist, sind die Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquellen 20 während des Betriebs nicht notwendigerweise in derselben Ebene angeordnet. Im Falle der Transmissionsspektroskopie dürften sich das (die) Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquelle(n) 20 auf gegenüberliegenden Seiten befinden, so dass sich mindestens ein Teil des Gewebes eines zu messenden Körperteils (beispielsweise Fingerspitze, Ohrläppchen, Nase, usw.) zwischen dem(den) Spektrometer(n) 18 und der(den) Beleuchtungsquelle(n) 20 befindet(befinden). 5 zeigt eine Form der Vorrichtung, die eine monolithisch integrierte Beleuchtungsquelle 20 und ein monolithisch integriertes Spektrometer 18 aufweist. In einem Beispiel ist die Spektroskopie-Vorrichtung 16 in eine ringförmige Apparatur eingebaut, wobei das Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquelle 20 nicht in der gleichen Ebene liegen, sondern beispielsweise einander zugewandt. In einem Beispiel erlaubt diese Anordnung die Messung von eingestrahltem Licht, das durch einen Körperteil oder einen Teil eines Körperteils durchgelassen wird.
Anstatt nur eine einzige Spektroskopie-Vorrichtung 16 zu verwenden, können mehrere Spektroskopie-Vorrichtungen 16 verwendet werden, die an verschiedenen interessierenden Stellen angeordnet sind. Ein solches Netzwerk von Vorrichtungen kann gleichzeitige Messungen an mehreren Stellen an Haut und/oder Gewebe ermöglichen. In einem Beispiel können Mehrfachmessungen verwendet werden, um bereicherte Daten zu erhalten, die sowohl zeitliche als auch räumliche Daten enthalten, sowie um die Robustheit und Genauigkeit der gesammelten Daten zu verbessern, indem Basis- oder Referenzmessungen (- messdaten) von einer oder mehreren Vorrichtungen erhalten werden. Gemessene Parameter, wie Messungen der Sauerstoffsättigung im Blut (SpO2), der CO-Sättigung (SpCO), der Gewebeoxygenierung (StO2), des Gesamthämoglobinindex (THI), der Pulsfrequenz (PR), der Pulsfrequenzvariabilität (PRV), der Gewebehydratation, des Körperfettanteils, usw. können dann auf Messungen basieren, die an verschiedenen Stellen des Körpers erhalten sind. Bei der Anwendung kann die Vorrichtung an den gewünschten Stellen angebracht sein, wie beispielsweise an einem Arm, beispielsweise am Handgelenk, Unter- oder Oberarm, an einem Finger, an der Stirn, an einem Ohrläppchen, im Ohr, am Schädel, an der Brust, am Rücken, an einem Muskel, an einer Wunde, an einem Bein, an einem Fuß, an Tierhaut oder an einem Euter.
In einem Beispiel können Fett- und Wassermessungen (Messdaten) von zwei Standorten aus erhalten werden. Fett von einer Stelle, an der der Körper empfindlich auf Fett reagiert, und Wasser von einer Stelle, an der der Körper empfindlicher auf Wasser reagiert. Diese beiden Messungen können dann kombiniert werden, um zu einer genaueren Messung zu gelangen, die durch empirische oder historische Körperfettmodelle unterstützt wird.
Beispielsweise können zwei Spektroskopie-Vorrichtungen 16 verwendet werden. In einem Beispiel wird eine Spektroskopie-Vorrichtung 16 an einem gesunden Gewebe oder einem Kontrollgewebe und eine weitere Spektroskopie-Vorrichtung 16 an einem interessierenden Gewebe verwendet. Die Daten beider Spektroskopie-Vorrichtungen 16 können kombiniert werden, um die relevanten Parameter der Differenz zwischen den beiden Messungen zu isolieren. Beispielsweise können Standard-Hautparameter, wie beispielsweise der Hautton, entfernt werden, indem sie mit einer Kontroll-Spektroskopie-Vorrichtung 16 gemessen und aus den Daten der anderen Spektroskopie-Vorrichtung 16 herausgenommen werden. In einer anderen Anwendung wird eine Spektroskopie-Vorrichtung 16 an einer gesunden heilenden Wunde verwendet, während eine andere Spektroskopie-Vorrichtung 16 an einer schlecht heilenden Wunde verwendet wird, wodurch ein Vergleich der Heilungsprozesse zwischen der gesunden Wunde und der schlecht heilenden Wunde möglich ist.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung der Spektroskopie-Vorrichtung 16. In einem Beispiel kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 eine oder mehrere der unten aufgeführten Komponenten aufweisen.
Spektrometer 18: Ein oder mehrere miniaturisierte Spektrometer, die auf einer integrierten Vorrichtungs-Herstellungstechnologie und Filtern obenauf basieren. Vorzugsweise sind diese Filter monolithisch mit dem Sensor integriert, wie der vorstehend diskutierte CMOS-Sensor, oder können am Sensor angebracht sein. In einem Beispiel können diese Filter interferenzbasierte Filter sein, wie beispielsweise Fabry-Perrot-Filter. Andere Arten von interferenzbasierten Filtern, wie Dünnfilmfilter oder plasmonische Filter, können verwendet werden. In einem Beispiel ist das Spektrometer 18 sehr klein, beispielsweise 3mm x 3mm × 2mm groß, so dass es ohne Komfortverlust in ein tragbares Vorrichtung integriert werden kann.
Beleuchtungsquelle 20: Eine oder mehrere Beleuchtungsquellen 20 können eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) oder Vertical-Cavity-Surface-Emitting LEDs (VSCELs) aufweisen, die die interessierenden Wellenlängen abdecken. Sie können auch eine oder mehrere LEDs mit Phosphorbeschichtungen aufweisen, um den Spektralbereich der LED zu erweitern. In einem Beispiel können die LEDs eine Kombination von breitbandigen (beispielsweise auf Phosphor basierenden) LEDs und schmalbandigen LEDs aufweisen. Die Beleuchtungsquelle 20 kann auch andere Lichtquellen, wie beispielsweise kleine Halogenlampen, aufweisen.
In einem Beispiel kann die Funktionalität der Benutzerschnittstelle von der Art der Vorrichtung abhängen, in dem die Vorrichtung implementiert ist. Bei einem Patch kann die Benutzerschnittstelle 102 beispielsweise eine Taste, ein haptischer Sensor oder eine andere Vorrichtung sein, über das der Benutzer Eingaben für das Patch machen kann. Die Benutzerschnittstelle 102 kann ein Monitor, ein haptischer Sensor oder eine andere Vorrichtung sein, wodurch der Benutzer eine Eingabe an das Patch tätigen kann. In einem Beispiel kann im Fall eines Smartphones oder einer Smartwatch eine normale Schnittstelle des Smartphones oder der Smartwatch auch als Schnittstelle zur Spektroskopie-Vorrichtung 16 dienen, um sowohl Eingaben an die Spektroskopie-Vorrichtung 16 zu geben und/oder Daten und Rückmeldungen von der Spektroskopie-Vorrichtung 16 zu empfangen.
Speicher 110: Der Speicher 110 kann zur Speicherung gesammelter Daten und/oder Anweisungen einbezogen werden. Je nach Art der Vorrichtung, in dem ein oder mehrere Spektroskopie-Vorrichtungen 16 implementiert sind, kann der Speicher entweder für die Spektroskopie-Vorrichtung 16 dediziert sein oder mit anderen Funktionalitäten der Vorrichtung, beispielsweise eines Smartphones, gemeinsam genutzt werden. In einer Ausführungsform kann der Speicher 110 Anweisungen zur Ausführung eines chemometrischen Algorithmus zur Ableitung eines oder mehrerer physiologischer Parameter enthalten, die das eingestrahlte Licht beeinflussen. In einer anderen Ausführungsform speichert der Speicher spezifische, auf das Spektrometer bezogene Kalibrierungsparameter, wie beispielsweise dessen Beleuchtung oder Optik. In einer weiteren Ausführungsform speichert der Speicher lokal spezifische biometrische Daten des Benutzers. Der Speicher kann von jeder Art sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, flüchtiger Speicher, nichtflüchtiger Speicher usw.
Kommunikationsvorrichtung 100: In einem Beispiel kann die Kommunikationsvorrichtung 100 für den Datenaustausch mit Peripherie-Vorrichtungen verwendet werden. Je nach Peripherie-Vorrichtung kann die Kommunikationsvorrichtung 100 entweder für die Spektroskopie-Vorrichtung 16 dediziert sein oder gemeinsam mit anderen Funktionalitäten einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines Smartphones, verwendet werden.
Batterie 112: In einem Beispiel können eine oder mehrere Batterien 112 enthalten sein, um die Spektroskopie-Vorrichtung 16 mit Strom zu versorgen. Eine Batterie 112 kann, je nach der beabsichtigten Peripherie-Vorrichtung, dediziert oder gemeinsam genutzt sein. Die Batterie 112 kann einmal aufladbar oder wiederholt aufladbar sein. In einem Beispiel, in welchem die Batterie 112 wiederholt aufladbar ist, kann sie entweder drahtlos oder über eine Kabelverbindung aufgeladen werden. In einem Beispiel, in dem die Spektroskopie-Vorrichtung 16 über eine Kabelschnittstelle mit Strom versorgt wird, ist eine integrierte Batterie möglicherweise nicht erforderlich.
Prozessor 106: In einem Beispiel verarbeitet und verwaltet Prozessor 106 die Sammlung der vom Spektrometer 18 erfassten Daten. Je nach End-Peripherie-Vorrichtung kann er dediziert oder gemeinsam genutzt werden.
Weitere Sensoren 104: Zusätzlich zu dem optischen Sensornetzwerk, das eine Beleuchtungsquelle und ein Spektrometer aufweist, können weitere Sensoren 104 vorhanden sein. Beispiele für solche anderen Sensoren sind EKG-Sensoren, Trägheitsmesseinheit (IMU), Sensor für elektrische Impedanz oder jeder andere Sensor, der verwendet werden kann, um weitere sensorische Informationen zu erhalten, um gesammelte Spektraldaten zu korrelieren oder zu ergänzen.
Steuereinheit 108: In einem Beispiel steuert die Steuereinheit 108 eine oder mehrere Komponenten der Spektroskopie-Vorrichtung 16. In einem Beispiel kann sie auch künstliche Intelligenz aufweisen, um die Vorrichtung kontinuierlich anzupassen, um die Qualität der erhaltenen Daten zu verbessern, den Betrieb zu verbessern oder den Stromverbrauch zu senken.
Durch Ansteuerung und Anwendung eines Arbeitszyklus für die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann eine tragbare Lösung mit geringem Stromverbrauch realisiert werden, die für eine Langzeit- oder kontinuierliche Überwachung oder Datenerfassung eingesetzt werden kann. In einer Ausführungsform kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 eingerichtet sein, Licht in einem schmalen Band in einem Niedrigleistungsmodus auszustrahlen. In dem Beispiel ist die ausgestrahlte Energie nur in diesem schmalen Wellenlängenbereich vorhanden und kann auf energieeffiziente Weise zur Untersuchung des interessierenden Hautbereichs verwendet werden. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs kann eine solche Messung zur Langzeit- und/oder kontinuierlichen Überwachung von Haut oder Gewebe verwendet werden. In einem Beispiel werden Spektraldaten über die Zeit protokolliert, um ein zeitlich variierendes Ansprechverhalten zu erhalten. In einem anderen Beispiel können ein oder mehrere Schmalbandbereiche für Herzfrequenz- oder SpO2-Messungen verwendet werden. In einem Beispiel kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 eingerichtet sein, Licht in einem breiten Band in einem Hochleistungsmodus auszustrahlen. In dem Beispiel wird die ausgestrahlte Energie somit über einen breiteren Wellenlängenbereich verteilt. Aus Gründen des Energieverbrauchs kann eine solche Messung sporadisch und/oder zeitlich begrenzt sein. In einem Beispiel kann die Spektroskopie-Vorrichtung 16 zwischen einem solchen kontinuierlichen Überwachungsmodus und einem sporadischen Überwachungsmodus umschalten. Ein sporadischer Modus kann beispielsweise verwendet werden, um ein Konfidenzbild der Haut zu erhalten, wie nachstehend diskutiert.
In einem Beispiel werden die Messdaten von der Spektroskopie-Vorrichtung 16 drahtlos übertragen, so dass die Vorrichtung mobil und tragbar ist. In einer anderen Ausführungsform können die von der Vorrichtung gemessenen Daten in Echtzeit übertragen werden. In einer anderen Ausführungsform könnten die Daten auf Anfrage oder basierend auf einem Arbeitszyklus übertragen werden. In einem Beispiel können die Daten lokal in einem Speicher auf der Vorrichtung gespeichert werden.
Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann in tragbare Vorrichtungen mit Datenverarbeitungsfunktionen wie beispielsweise ein Smartphone oder eine Smartwatch integriert sein. Vorrichtungen wie Patches und Tags können drahtlos mit einem dedizierten Empfänger verbunden werden, der darüber hinaus in der Lage ist, gesammelte Daten zu speichern und zu verarbeiten. In einem Beispiel kann eine Vorrichtung eigenständig (standalone) oder an ein öffentliches oder privates Informations- und/oder Datenaustauschnetzwerk angeschlossen sein. In einem Beispiel kann eine Vorrichtung eingerichtet sein, die erforderliche Benutzerschnittstelle für den Betrieb einer oder mehrerer Spektroskopie-Vorrichtungen 16 bereitzustellen.
In einem Beispiel können andere Sensortypen der Spektroskopie-Vorrichtung 16 hinzugefügt werden, um die Qualität der Daten zu verbessern. Beispielsweise kann ein EKG-Sensor hinzugefügt werden, um EKG-Daten mit optischen Daten zu korrelieren. Beispielsweise kann ein Beschleunigungsmesser hinzugefügt werden, um die Bewegung mit den spektroskopischen Daten zu korrelieren und dabei zu unterstützen, ungültige Daten auszusortieren oder die erfassten Daten um Bewegungsartefakte zu korrigieren. Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann ferner Software zur Steuerung des Betriebs des Spektroskopie-Vorrichtung 16 aufweisen, beispielsweise zur Auswahl des Messmodus und/oder zur Auswahl der Parameter, die während eines Bestrahlungsschritts gemessen werden sollen.
In einem Beispiel der Messung und Analyse der spektrophotometrischen Parameter von Wasser, wie beispielsweise der Hydratation, umfasst ein Verfahren das Positionieren der Spektroskopie-Vorrichtung 16 auf der Haut, das Erfassen des eingestrahlten Lichts, das Verwenden der ersten Messung als Konfidenzbild, um zu beurteilen, ob eine tatsächliche Haut gemessen wird, und, nachdem die erste Messung akkreditiert worden ist, das Analysieren der gesammelten optischen Daten. In einem Beispiel kann ein erster Schritt das Interpretieren dieser gesammelten optischen Daten/Spektraldaten sein, um ein Konfidenzbild zu erstellen. In einem Beispiel werden lebende Hautproben gemessen, indem der Melanin-Gehalt interpretiert wird. In einem anderen Beispiel wird die Haut und/oder das Gewebe analysiert, um festzustellen, ob Blutmerkmale vorhanden sind. In einem weiteren Beispiel können Merkmale des Spektrums, wie beispielsweise seine Derivate, in Fällen analysiert werden, in denen ein Spektrum mit ausreichender Auflösung und Qualität zur Verfügung steht. In einem weiteren Beispiel kann bestimmt werden, ob eine Messung ungültig ist, beispielsweise bei schlechtem Kontakt, zu viel Hintergrundlicht, wenn der Sensor nicht an einer Person angebracht ist oder bei einer defekten Vorrichtung. In einem Beispiel können nach einer Konfidenzbeurteilung Merkmale aus den erhaltenen Spektraldaten extrahiert oder eine weitere Messung durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Fettgehalt extrahiert werden. In einem Beispiel wechselwirken Fett- und Wassermerkmale in einem Spektrum zwischen 900 nm und 1000 nm, und der in der Haut abgelesene Wassergehalt wird durch eine Menge subkutanen Fetts moduliert. Auf diese Weise kann ein Indikator für den Fettgehalt aus dem Spektrum extrahiert werden. Durch Verwendung mehrerer Beleuchtungsquellen 20 in verschiedenen Entfernungen können unterschiedliche Eindringtiefen extrahiert werden, was dazu beitragen kann, eine Menge subkutanen Fetts zu extrahieren. In einem Beispiel kann ein Indikator für den Wasseranteil oder die Hydratation aus dem gleichen Spektrum unter Berücksichtigung der Fettmenge extrahiert werden.
In einem anderen Beispiel mit derselben Art von Spektralmessungen können Blutparameter wie der Gesamthämoglobinspiegel extrahiert und die Menge an Sauerstoff oder Wasser im Blut gemessen werden, die ansonsten instabil sind. In einem Beispiel können verwandte Messungen als Referenz zu tatsächlichen Wassermessungen verwendet werden, die möglicherweise empfindlicher auf den Hauttyp oder andere Nicht-Idealitäten reagieren.
Durch Verwendung von mehreren Spektrometern 18 und/oder mehreren Beleuchtungsquellen können 20 können Daten zu unterschiedlichen Tiefen unter der Haut oder im Gewebe gesammelt werden. In einem Beispiel können diese Daten zur Korrektur von Aberrationen, wie beispielsweise Schweiß bei der Messung der Körperfeuchtigkeit, verwendet werden. Beispielsweise kann ein Spektrometer in geringem Abstand von der Beleuchtungsquelle die Hydratation auf der Hautoberfläche erkennen, da es Licht empfängt, das von der Hautoberfläche oder in deren Nähe reflektiert wird. Ein Spektrometer, das weiter von der Beleuchtungsquelle entfernt ist, kann die Hydratation tiefer im Gewebe erkennen. Die Kombination beider Daten kann dazu beitragen, den interessierenden Zielanteil der Hydratation zu isolieren.
In einer anderen Ausführungsform sind eine breitbandige lichtemittierende Vorrichtung (LED) (beispielsweise > 50 nm) und eine schmalbandige lichtemittierende Vorrichtung (LED) (beispielsweise < 50 nm) zusammen mit einem Spektrometer 18 in einer einzigen Vorrichtung angeordnet, um eine hybride Spektralmessung zu ermöglichen. Wenn die breitbandige LED aktiviert ist, kann das gesamte optische Spektrum angeregt werden. Das Spektrometer 18 kann zur Messung bestimmter Körperparameter durch Messung des gesamten Spektrums verwendet werden (beispielsweise Hydratation). In einer anderen Ausführungsform ist die Breitband-LED deaktiviert und die Schmalband-LED aktiviert, beispielsweise eine grüne LED oder eine rote LED (zur Messung beispielsweise der Herzfrequenz). Da diese LED schmalbandig ist, kann sie viel effizienter sein, da im Wesentlichen die gesamte Energie in einem schmalen Wellenlängenbereich konzentriert ist, und beispielsweise keine ineffizienten Leuchtstoffe verwendet werden, was potenziell zu einem geringeren Stromverbrauch führt. Analog können Messparameter, die von einem vollen Spektrum profitieren, die Breitband-LED nutzen. In einem Beispiel können langsam veränderliche Parameter, wie beispielsweise Wassergehalt, Methämoglobin oder Fettgehalt, auf diese Weise gemessen werden. Mit der schmalbandigen LED können Parameter gemessen werden, die eine kontinuierliche Überwachung erfordern, wie beispielsweise die Herzfrequenz. Die Spektroskopie-Vorrichtung 16 kann somit je nach Bedarf zwischen zwei Modi wechseln, um den Stromverbrauch zu optimieren, wie vorstehend diskutiert.
In einem Beispiel werden mehrere Körperparameter miteinander korreliert. Beispielsweise zeigt ein bestimmter prozentualer Körperwasserverlust bekannterweise einen Anstieg der Körpertemperatur und einen bestimmten Anstieg der Herzfrequenz pro Minute an. Unter Verwendung mehrerer Arten von Sensoren und unter Verwendung mehrerer Parameter, die mit einem tragbaren Spektrometer gemessen werden, können die gesammelten Daten kombiniert werden, um einen genaueren oder stabileren Messwert zu erhalten. Zu Diagnosezwecken kann beispielsweise ein Modell mit zusammenhängenden Parametern erstellt werden. Beispielsweise können einfache Schwankungen mit der Ungenauigkeit von Messungen zusammenhängen, wenn sie nicht durch andere Messungen bestätigt werden. In einem weiteren Anwendungsfall kann die Messung von Fluktuationen in Zusammenhang mit einem ersten Parametertyp in Kombination mit Fluktuationen eines anderen Parametertyps auf eine bestimmte Diagnose hinweisen.
Somit umfasst eine leichte, tragbare, nichtinvasive und nichtintrusive Vorrichtung mindestens ein monolithisch integriertes optisches Spektrometer und mindestens eine monolithisch integrierte Lichtquelle. Durch die Integration eines monolithisch integrierten Spektrometers mit einem Filter in einer tragbaren Vorrichtung im Gesundheitsbereich wird die Erfassung von Spektralantworten unter Verwendung einer großen Anzahl von Spektralbändern, typischerweise 7 oder mehr, ermöglicht, anstatt auf wenige Spektralbänder beschränkt zu sein, wie bei modernen tragbaren Vorrichtungen im Gesundheitsbereich, die auf mehreren diskreten schmalbandigen LEDs basieren, oder bei modernen Vorrichtungen, die optische Messungen verwenden.
In einem Beispiel können mehrere Körperparameter gleichzeitig aus den erfassten Spektralantworten extrahiert werden, wodurch die Notwendigkeit verschiedener Vorrichtungen zur Messung verschiedener Parameter entfällt. Zusätzlich können Einweg-Vorrichtungen für den einmaligen Gebrauch, wie beispielsweise Pflaster, sowie teurere wiederverwendbare Vorrichtungen bereitgestellt sein. In einem Beispiel kann die Erfassung von Rohdaten mit hoher spektraler Auflösung (d.h. < 10 nm) und breitem Spektralbereich eine Aufrüstbarkeit bieten, da die erfassten Daten neu analysiert werden können, um Messungen für zukünftig neu entdeckte Parameter oder etwaige bisher nicht gemessene Parameter abzuleiten. Die Erfassung von Rohdaten mit hoher spektraler Auflösung und breitem Spektralbereich ermöglicht auch robustere Messungen, da Daten über mehrere Parameter korreliert werden können.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen sind eine tragbare Vorrichtung, die mindestens ein Spektrometer 18 zusammen mit einer Beleuchtungsquelle 20, mit der Haut gekoppelt, aufweist, mit dem Zusatz eines Bewegungssensors. Das Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquelle 20, die in einem Spektralbereich von 400 nm bis 1100 nm arbeiten, messen SpO2 aus der spektralen Absorption der Haut, während der Bewegungssensor die Aktivität der Person oder des lebenden Subjekts erfasst, die/das die Vorrichtung trägt. In einem Beispiel werden beide Datensätze kombiniert, um den physiologischen Zustand einer Person (beispielsweise ihr pneumologisches System, die Qualität des Gasaustauschs von Sauerstoff in den Lungen) zu beurteilen, die die Vorrichtung während einer Aktivitätsphase oder einer Ruhephase trägt. Sowohl eine gesunde Person als auch eine kranke Person in der Regel in der Lage sind, den Sauerstoff im Körper wieder aufzufüllen, wobei kranke Personen Probleme beispielsweise mit der Oxygenierung während der Aktivitätsphasen haben, während gesunde Personen weniger oder gar keine Probleme haben. In einer anderen Ausführungsform werden die Daten von SpO2 und Aktivität korreliert, um die physiologische oder spezifisch pneumologische Gesundheit zu beurteilen, beispielsweise zur Erkennung oder Überwachung von COPD oder Asthmaerkrankungen. In einer weiteren Ausführungsform können Spektrometerdaten und optional Aktivitätsdaten zur Schlafverfolgung verwendet werden, um Schlafstörungen, wie beispielsweise Schlafapnoe, zu identifizieren oder zu überwachen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält eine tragbare Vorrichtung mindestens ein Spektrometer 18 zusammen mit einer Beleuchtungsquelle 20, gekoppelt mit der Haut. Das Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquelle 20, die in einem Spektralbereich von 400 nm bis 1800 nm arbeiten, messen SpO2 sowie die Gewebehydratation anhand der spektralen Absorption der Haut. In einem Beispiel können die Hydratationsmessdaten zur Erkennung von Ödemen verwendet werden, während der SpO2 zur Messung des physiologischen Zustands der Person, die die Vorrichtung trägt, verwendet werden kann. In einer anderen Ausführungsform werden diese Daten korreliert, um den Behandlungsstatus der Herzinsuffizienz (CHF) oder anderer Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu erkennen oder zu überwachen.
In einer anderen Ausführungsform weist eine tragbare Vorrichtung mindestens ein Spektrometer 18 zusammen mit einer Beleuchtungsquelle 20 auf, die gekoppelt mit der Haut ist. Das Spektrometer 18 und die Beleuchtungsquelle 20, die in einem Spektralbereich von 400 nm bis 1100 nm arbeiten, messen SpCO aus den Spektralantworten und können auch SpO2 messen. In einem Beispiel können die SpCO-Daten über die Zeit gemessen und verwendet werden, um die Rauchmuster einer Person zu verfolgen, die die Vorrichtung trägt. In einem Beispiel können diese Daten verwendet werden, um Personen in Raucherentwöhnungsprogrammen zu helfen. In einem anderen Beispiel werden die Rauchmuster eines Rauchers als Metrik für eine Versicherungs- oder persönliche Gesundheitsbeurteilung verwendet. In einem anderen Beispiel können SpCO-Daten für die Verfolgung der Sportgesundheit und der physiologischen Kapazität der Lungen oder während eines Intensivtrainings verwendet werden. In einem anderen Beispiel werden SpCO und SpO2 kombiniert und korreliert, um genauere Daten zur Blutoxygenierung zu erhalten. In einem anderen Beispiel werden SpCO-Daten von vielen Probanden, die die Vorrichtung tragen, gesammelt, um die Verschmutzungsmuster in einem bestimmten Gebiet und die Auswirkungen dieser Verschmutzungen auf das HbCO (Carboxyhämoglobin) im Blut einer Person zu beurteilen, indem beispielsweise Daten, die mit großen Gruppen von Probanden verbunden sind, in Bezug auf die geologische Lage korreliert werden. Dies kann durch Korrelation, Data Mining oder Techniken des maschinellen Lernens erfolgen. Diese Daten können auch mit anderen Daten aus dem Gebiet kombiniert werden, wie beispielsweise Wetterbedingungen (beispielsweise Wind, Bewölkung, Temperatur), Verkehr (beispielsweise Anzahl der Autos, Staus), Stromverbrauch (beispielsweise als Proxy für industrielle Tätigkeit), geologische Bedingungen (beispielsweise Berge oder Meer), usw.
7 veranschaulicht die Beziehung zwischen Absorption und Lichtwellenlänge für Oxyhämoglobin (HbO2), reduziertes Hämoglobin (HbR), Methämoglobin (HbMeth) und Carboxyhämoglobin. Wie in 7 veranschaulicht, haben die verschiedenen Oxyhämoglobin-Formen eine unterschiedliche spektrale Signatur der jeweiligen Absorption bei verschiedenen Wellenlängen. Ähnlich unterschiedliche Signaturen können für verschiedene andere Haut- und Gewebeparameter gezeigt werden. Wasser hat beispielsweise unterschiedliche „Absorptionsbänder“, die eine Unterscheidung von Hämoglobin ermöglichen können. Als weiteres Beispiel wurde gezeigt, dass die differentielle Absorption bei den drei Wellenlängen 1720, 1750 und 1770 nm den Lipid-Schwingungsbändern entspricht, die „zwischen“ prominenten Wasserabsorptionsbändern liegen.
8 a, b und c veranschaulichen die Anordnung mit einer Beleuchtungsquelle, beispielsweise monolithisch integriert, und einem Spektrometer. 8a zeigt eine schematische Draufsicht einer solchen Vorrichtung, wobei die Beleuchtungsquelle und das Spektrometer in einem vordefinierten Abstand voneinander angeordnet sind. 8b zeigt eine schematische Querschnittsansicht dieser Vorrichtung, die veranschaulicht, wie sich die Beleuchtungsquelle und das Spektrometer über die Oberfläche der Vorrichtung hinaus erstrecken, um in Betrieb die interessierende Hautpartie zu berühren. Wie in 8b gezeigt, sind die Beleuchtungsquelle und das Spektrometer auf einem elektronischen Substrat, beispielsweise einer Leiterplatte, einem Halbleitersubstrat oder einem Dünnfilmsubstrat kombiniert. 8c zeigt beispielhaft, wie das Modul, wenn es in einem Patch vorhanden ist, mit der Haut in Kontakt kommt. Das von der Beleuchtungsquelle in die Haut eingestrahlte Licht breitet sich in die Haut, gegebenenfalls in das darunter liegende Gewebe, aus und verlässt die Oberfläche an einer Stelle, die von ihrer Wellenlänge und den Parametern der Haut, gegebenenfalls des darunter liegenden Gewebes, abhängt. Das Spektrometer fängt dann das Licht ein, das die Haut an dieser Stelle verlässt.
Ein Beispiel für eine Ausführungsform kann ein Spektrometer sein, das unter Verwendung eines optischen CMOS-Sensors mit integrierten interferenzbasierten Bandpassfiltern besteht, die einen Bereich von 500 nm - 1000 nm abdecken, und einer Breitbandbeleuchtung, die eine mit Leuchtstoffen (Phosphors) beschichteten LED aufweist, um eine Beleuchtung über den gesamten Wellenlängenbereich zu ermöglichen. Beide Komponenten können auf einem gemeinsamen Substrat montiert sein. Das Spektrometer kann die LED entsprechend steuern, um die Messung durchzuführen. Die Vorrichtung, das für eine solche diffuse optische Spektroskopie verwendet wird, kann in mehrere Apparate mit unterschiedlichen Formfaktoren integriert werden, wie beispielsweise Uhren, Armbänder, Pflaster, In-Ear-, Over-Ear-, Headset-, Nasenklammer-, Ring-, Fußkettchen-, Textil-, Schuh- oder handgeführte Vorrichtungen, einnehmbare Vorrichtungen wie beispielsweise Smart Pills, Instrumente für die innere Untersuchung wie beispielsweise eine Endoskopiespitze, Kopfbedeckungen wie beispielsweise ein Stirnband, Helm oder Kopfband, Hör-Vorrichtungen wie Ohrhörer oder Ohrmuscheln, Armbandmaterial wie eine Smartwatch, ein Armband oder ein Tracker.
Eine solche Vorrichtung kann an einer oder mehreren geeigneten Stellen direkt an der Haut von Menschen oder Tieren befestigt oder mit dieser in engen Kontakt gebracht werden. Die Vorrichtung kann auf verschiedene Weise mit dem betreffenden Hautbereich in Kontakt gebracht werden. Klebstoff oder Riemen können vorhanden sein, um ein Pflaster fest auf der Haut zu halten. Das Pflaster kann auch in tragbare Ausrüstung oder Kleidungsstücke integriert werden, die mit der Haut in Kontakt kommen, wie beispielsweise Socken, T-Shirts, Handschuhe, Unterwäsche, Bandagen, Schuheinlagen, Kopfbedeckungen, Hör-Vorrichtungen, am Handgelenk tragbare Vorrichtungen, am Finger tragbare Vorrichtungen wie beispielsweise ein Ring. Die Vorrichtung kann auch in Vorrichtungen eingebaut werden, die leicht mit der Haut in Kontakt kommen, wie beispielsweise Handinstrumente oder - Vorrichtungen, Okulare oder Brillen.
Die Vorrichtung kann sowohl Einmal- als auch Mehrfachverwendungsfälle ermöglichen. Die extrem geringe Größe und die niedrigen Kosten einer solchen Vorrichtung ermöglichen die Integration in tragbare Einwegartikel, die für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. Andererseits können die gleichen Vorrichtungen auch in Vorrichtungen integriert werden, die über einen wesentlich längeren Zeitraum verwendet werden.
Eine solche Vorrichtung kann vorzugsweise die gleichzeitige Messung mehrerer physiologischer Parameter ermöglichen. Das Spektrometer wird die Erfassung von Daten mit hoher spektraler Auflösung (beispielsweise < 10 nm) in einem breiten Spektralbereich (beispielsweise > 100 nm) ermöglichen. Aus diesen Daten lassen sich mit Hilfe geeigneter chemometrischer Algorithmen Merkmale verschiedener physiologischer Parameter ableiten, die das durch das Gewebe hindurchtretende Licht beeinflussen. Es ist wohlbekannt aus der Literatur, dass verschiedene Parameter wie Herzfrequenz, Sauerstoffgehalt des Blutes, Körperfett, Körperfeuchtigkeit, Blutdruck, Muskellaktat, usw. mit einer Kombination spezifischer Wellenlängen, die von einem Spektrometer erfasst werden, optisch gemessen werden können. Anstatt also verschiedene Vorrichtungen mit unterschiedlichen optischen Reaktionen für verschiedene Parameter zu verwenden, kann eine einzige Vorrichtung, die auf einem miniaturisierten Spektrometer basiert, mehrere Parameter messen, vorzugsweise gleichzeitig.
Die Verwendung einer solchen Vorrichtung ist einfach und nahtlos, da ihre Anwendung nicht auf Krankenhäuser oder Kliniken beschränkt ist, wo sie von geschultem Personal bedient werden sollte. Die Vorrichtung kann auf der Haut platziert und leicht von geschultem Personal bedient werden. Allerdings kann sie auch, aufgrund einfacher und leicht zu befolgender Anweisungen, von einer (ungeschulten) Person auf die eigene Haut oder auf die Haut eines Tieres aufgebracht werden. Somit ermöglicht die Vorrichtung die Erfassung von Daten von der Haut zu Diagnose- oder Überwachungszwecken auf kostengünstige Weise, ohne auf spezialisierte Umgebungen beschränkt zu sein.
Eine solche Vorrichtung ist auch zukunftssicher. Daten über den gesamten Spektralbereich des vom Vorrichtung verfügbaren Wellenlängenbereichs werden mit der in der Vorrichtung verfügbaren Feinauflösung erfasst, darüber hinaus und unabhängig davon, welche Parameter des zu untersuchenden Bereichs das eingestrahlte Licht beeinflussen. Wenn also zu einem späteren Zeitpunkt neue Parameter von der wissenschaftlichen Gemeinschaft entdeckt werden oder Messungen zusätzlicher Parameter für eine Person oder ein Tier erforderlich sind, oder wenn beobachtet wird, dass andere Wellenlängen genauere oder stabilere Daten liefern, sind die Rohdaten bereits verfügbar. Der Datensatz kann mit geeigneten chemometrischen Algorithmen erneut analysiert werden, wodurch der Overhead einer erneuten Erfassung der Daten aus dem interessierenden Hautbereich vermieden wird.
Eine solche Vorrichtung kann ein oder mehrere monolithisch integrierte Spektrometer und/oder eine oder mehrere monolithisch integrierte Beleuchtungsquellen aufweisen. Eine solche Mehrkomponenten-Vorrichtung ermöglicht es, eine räumliche Reaktion von dem interessierenden Hautbereich über einen ausgewählten Wellenlängenbereich zu erhalten.
9a, b, c und d, 10a und b, 11a und b veranschaulichen Anordnungen von mehreren Beleuchtungsquellen und/oder Spektrometern.
9a zeigt eine Reihenanordnung einer Beleuchtungsquelle mit 3 Spektrometern, jedes in einem vorbestimmten Abstand von dieser Beleuchtungsquelle. In der Anwendung erlaubt eine solche Anordnung die Erfassung von einstrahltem Licht, das von verschiedenen Stellen in der Haut, optional auch im darunter liegenden Gewebe, zurückkehrt. 9b zeigt eine Reihenanordnung eines Spektrometers mit 3 Beleuchtungsquellen, jede in einem vorbestimmten Abstand von diesem Spektrometer. Wenn mehr als eine Beleuchtungsquelle verwendet wird, können die verschiedenen Beleuchtungsquellen einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich haben oder auch nicht, da unterschiedliche Wellenlängen eine unterschiedliche Eindringtiefe in die Haut haben, um Merkmale in unterschiedlicher Tiefe zu beobachten.
9c zeigt eine Anordnung mit einer Kombination aus einer Beleuchtungsquelle mit 4 Spektrometern, die um die Beleuchtungsquelle herum in vorgegebenen Abständen von der Quelle verteilt sind. 9d zeigt eine Anordnung mit einer Kombination aus einem Spektrometer mit 4 Beleuchtungsquellen, die um das Spektrometer herum in vorbestimmten Abständen von dem Spektrometer verteilt sind. Eine solche Anordnung ermöglicht es, eine räumliche optische Reaktion von der Haut zu erhalten. Sie kann auch verwendet werden, um stabilere Daten zu liefern, wenn die Vorrichtung nicht genau über der interessierenden Zone ausgerichtet ist, beispielsweise durch Mittelwertbildung aller Daten, oder indem eine nach der anderen die verschiedenen Beleuchtungsquellen aktiviert und die Daten auf die richtige, angestrebte oder erwartete Reaktion geprüft werden.
10a zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung mit einer Beleuchtungsquelle und zwei Spektrometern in unterschiedlichem, vorgegebenem Abstand von derselben. 10b zeigt beispielhaft, wie das Modul, wenn es in einem Patch vorhanden ist, mit der Haut in Kontakt kommt. Das von der Beleuchtungsquelle eingestrahlte Licht wird in verschiedenen Tiefen reflektiert, wobei das reflektierte Licht die Hautoberfläche an verschiedenen Stellen verlässt. Die verschiedenen Spektrometer, die in einer bestimmten Position relativ zur Beleuchtungsquelle angeordnet sind, nehmen das reflektierte Licht aus einer bestimmten Tiefe in dem Gewebe auf.
11a zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung mit einem Spektrometer und zwei Beleuchtungsquellen in unterschiedlichem, vorgegebenem Abstand von demselben. 11b zeigt beispielhaft, wie das Modul, wenn es in einem Patch vorhanden ist, mit der Haut in Kontakt kommt. Das von einer Beleuchtungsquelle eingestrahlte Licht wird reflektiert und teilweise von dem Spektrometer erfasst. Da das eingefangene Licht von verschiedenen Beleuchtungsquellen stammt, liefert diese Messung eine räumliche Reaktion der Haut in den Wellenlängenbereichen der Beleuchtungsquellen. Auch hier können die Beleuchtungsquellen den gleichen Wellenlängenbereich oder unterschiedliche Wellenlängenbereiche haben.
Bei der Spektroskopie kann es sich um Reflexionsspektroskopie handeln, wie durch die obigen Zeichnungen veranschaulicht. Sie kann auch Transmissionsspektroskopie sein, wie in 12 veranschaulicht. Die oben beschriebenen Anordnungen für die Platzierung von Spektrometer und Beleuchtungsquellen sind ebenfalls anwendbar. Anders als bei der Reflexionsspektroskopie sind Spektrometer und Beleuchtungsquellen während des Betriebs nicht notwendigerweise in der gleichen Ebene angeordnet. Im Falle der Transmissionsspektroskopie sollten sich Spektrometer und Beleuchtungsquelle(n) auf gegenüberliegenden Seiten befinden, so dass der zu messende Körperteil (beispielsweise Fingerspitze, Ohrläppchen, Nase, usw.) zwischen Spektrometer und Beleuchtungsquelle(n) liegt. 12 zeigt beispielhaft die Vorrichtung, die eine monolithisch integrierte Beleuchtungsquelle und ein monolithisch integriertes Spektrometer aufweist. Die Vorrichtung ist in eine ringförmige Apparatur eingebaut, wobei Spektrometer und Beleuchtungsquelle nicht in der gleichen Ebene liegen, sondern sich vorzugsweise gegenüberliegen. Dies ermöglicht auch die Messung des durch den Körper durchgelassenen eingestrahlten Lichts in Betrieb.
Anstatt nur eine einzige Vorrichtung zu verwenden, können auch mehrere Vorrichtungen verwendet werden, jede an einer anderen interessierenden Stelle. Ein solches Netzwerk von Vorrichtungen ermöglicht gleichzeitige Messungen an mehreren Stellen auf der Haut. Diese Mehrfachmessungen können verwendet werden, um sowohl zeitlich als auch räumlich bereicherte Daten zu erhalten und um die Robustheit und Genauigkeit der Daten zu verbessern, indem Basis- oder Referenzmessungen mit einer oder mehreren Vorrichtungen durchgeführt werden. Die gemessenen Parameter, wie Messungen (Messwerte) der Blutsauerstoffsättigung (SpO2), der CO-Sättigung (SpCO), der Gewebesauerstoffsättigung (SmO2), des Gesamthämoglobinindex (THI), der Pulsfrequenz (PR), der Pulsfrequenzvariabilität (PRV), der Gewebehydratation, des Körperfettanteils, usw. können dann auf Messungen basieren, die an verschiedenen Stellen des Körpers vorgenommen wurden. Bei der Anwendung kann die Vorrichtung an den gewünschten Stellen angebracht werden, wie beispielsweise an einem Arm, beispielsweise am Handgelenk, Unter- oder Oberarm, an einem Finger, an der Stirn, an einem Ohrläppchen, im Ohr, am Schädel, an der Brust, am Rücken, an einem Muskel, an einer Wunde, an einem Bein, an einem Fuß, an Tierhaut, an einem Euter.
Beispielsweise können Fett- und Wassermessungen (-messwerte) von zweierlei Stellen erhalten werden. Fett von einer Stelle, an der der Körper empfindlich auf Fett reagiert, und Wasser von einer Stelle, an der der Körper empfindlicher auf Wasser reagiert. Diese beiden Messungen können dann kombiniert werden, um zu einer genaueren Messung zu gelangen, die durch empirische oder historische Körperfettmodelle unterstützt wird.
Beispielsweise können zwei Vorrichtungen verwendet werden. Eine Vorrichtung wird auf einem gesunden Gewebe oder einem Kontrollgewebe verwendet, und eine weitere wird auf einem interessierenden Gewebe verwendet. Die Daten von beiden Vorrichtungen können kombiniert werden, um die relevanten Parameter der Differenz zwischen den beiden Messungen (Messwerte) zu isolieren. So können beispielsweise Standard-Hautparameter wie der Hautton entfernt werden, indem sie an der Kontrollvorrichtung gemessen und aus den Daten der anderen Vorrichtung herausgenommen wird. Bei einer anderen Anwendung wird eine Vorrichtung auf einer gesund heilenden Wunde verwendet, während eine andere Vorrichtung auf einer schlecht heilenden Wunde verwendet wird, was einen Vergleich der Heilungsprozesse ermöglicht. 13 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Vorrichtungsanordnung. Diese Vorrichtung kann eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen:

- Spektrometer: ein oder mehrere miniaturisierte Spektrometer, die auf einer integrierten Vorrichtung-Herstellungstechnologie und Filtern obenauf basieren. Vorzugsweise sind diese Filter monolithisch mit dem Sensor integriert oder können an dem Sensor angebracht werden. Bei diesen Filtern handelt es sich um Interferenzfilter wie beispielsweise Fabry-Perrot-Filter. Andere Arten von interferenzbasierten Filtern, wie beispielsweise Dünnfilmfilter oder plasmonische Filter, können verwendet werden. Das Spektrometer ist sehr klein, beispielsweise in der Größe von 3 mm × 3 mm × 2 mm, so dass es ohne Komfortverlust in eine tragbare Vorrichtung integriert werden kann.
- Beleuchtung: Eine oder mehrere Beleuchtungsquellen. Diese können mehrere Leuchtdioden (LEDs) oder Vertical Cavity Surface Emitting Led (VSCEL) aufweisen, die die interessierenden Wellenlängen abdecken. Sie können auch eine LED mit Leuchtstoffbeschichtungen (Phosphorbeschichtungen) aufweisen, um den Spektralbereich der LED zu erweitern. Sie kann auch eine Kombination von Breitband-LED (auf Phosphorbasis) und Schmalband-LED aufweisen. Sie kann auch andere Lichtquellen aufweisen, wie beispielsweise kleine Halogenlampen.

- Benutzerschnittstelle: Ihre Funktionalität hängt weitgehend von der Art der Apparatur ab, in welcher die Vorrichtung implementiert ist. Im Falle eines Patches kann die Schnittstelle beispielsweise ein Knopf, ein haptischer Sensor oder eine andere Vorrichtung sein, wodurch der Benutzer Eingaben an das Patch tätigen kann. Sie kann auch ein Monitor, ein haptischer Sensor oder ein anderes Vorrichtung sein, wodurch der Benutzer eine Rückmeldung von dem Patch erhalten kann. Im Falle beispielsweise eines Smartphones oder eines Smartwatches kann die reguläre Schnittstelle des Telefons oder der Uhr auch als Schnittstelle mit der Vorrichtung wirken, um Eingaben an die Vorrichtung zu geben und/oder Daten und Rückmeldungen von der Vorrichtung zu erhalten.
- Speicher: Speicher kann vorhanden sein, um gesammelte Daten und/oder Anweisungen zu speichern. Je nach Art der Apparatur, in welcher die Vorrichtung implementiert ist, kann der Speicher entweder für die Vorrichtung dediziert sein oder gemeinsam mit anderen Funktionalitäten der Vorrichtung, beispielsweise einem Smartphone, genutzt werden. Der Speicher kann somit Anweisungen zur Ausführung eines chemometrischen Algorithmus zur Ableitung eines oder mehrerer physiologischer Parameter enthalten, die das eingestrahlte Licht beeinflussen.
- Kommunikationsvorrichtung: Diese Vorrichtung dient dem Datenaustausch mit der Außenwelt. Je nach Endvorrichtung kann die Kommunikationseinheit entweder für die Vorrichtung dediziert sein oder mit anderen Funktionalitäten der Vorrichtung, beispielsweise einem Smartphone, geteilt werden.
- Batterie: Wenn die Vorrichtung über das Netz betrieben wird, ist mindestens eine Batterie vorhanden, um die Vorrichtung mit Strom zu versorgen. Sie kann je nach Endvorrichtung dediziert sein oder gemeinsam genutzt werden. Der Akku kann einmal aufladbar oder wiederholt aufladbar sein. Wenn die Batterie wiederholt aufladbar ist, kann er entweder drahtlos oder über eine Kabelverbindung aufgeladen werden. Falls die Vorrichtung über eine Kabelschnittstelle mit Strom versorgt wird, ist eine integrierte Batterie möglicherweise nicht erforderlich.
- Prozessor: Der Prozessor verarbeitet die von der Vorrichtung erfassten Messdaten. Je nach Endvorrichtung kann er dediziert sein oder gemeinsam genutzt werden. Andere Sensoren: Zusätzlich zu dem optischen Sensornetzwerk, das eine Beleuchtungsquelle und ein Spektrometer enthält, können weitere Sensoren vorhanden sein. Beispiele für solche anderen Sensoren sind EKG-Sensoren, Trägheitsmesseinheit (IMU), elektrische Impedanzsensoren oder andere Sensoren, die dazu verwendet werden können, andere sensorische Informationen zu erhalten, um die erhaltenen Spektraldaten zu korrelieren oder zu ergänzen.
- Steuereinheit: Diese Einheit steuert die Komponenten der Vorrichtung. Sie kann auch künstliche Intelligenz aufweisen, um die Vorrichtung kontinuierlich anzupassen, um die Qualität der gewonnenen Daten zu verbessern, den Betrieb zu verbessern oder den Stromverbrauch zu senken.

Durch die Ansteuerung und die Anwendung eines Arbeitszyklus auf die Vorrichtung kann eine tragbare Lösung mit geringem Stromverbrauch realisiert werden, die für eine langfristige oder kontinuierliche Überwachung oder Datenerfassung eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in einem Niedrigleistungsmodus Licht nur in einem schmalen Band auszustrahlen. Die ausgestrahlte Energie ist nur in diesem schmalen Wellenlängenbereich vorhanden und kann auf energieeffiziente Weise zur Untersuchung des interessierenden Hautbereichs verwendet werden. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs kann eine solche Messung zur Langzeit- und/oder kontinuierlichen Überwachung der Haut verwendet werden. In diesem Fall werden die Spektraldaten über die Zeit protokolliert, um das zeitveränderliche Ansprechverhalten zu erhalten. In einem schmalbandigen Bereich kann dies beispielsweise die Herzfrequenz oder SpO2 sein. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in einem Hochleistungsmodus Licht breitbandig auszustrahlen. Die ausgestrahlte Energie wird so über einen breiteren Wellenlängenbereich verteilt. Aus Gründen des Stromverbrauchs sollte eine solche Messung sporadisch und/oder zeitlich begrenzt erfolgen. Die Vorrichtung kann zwischen einem solchen kontinuierlichen Überwachungsmodus und einem solchen sporadischen Überwachungsmodus umschalten. Ein solcher sporadischer Modus kann verwendet werden, wenn ein Konfidenzbild der Haut gewonnen werden soll, wie nachstehend diskutiert.
Die Messdaten werden von der Vorrichtung übertragen, vorzugsweise drahtlos, da die Vorrichtung tragbar sein sollte. Die von der Vorrichtung gemessenen Daten können in Echtzeit übertragen werden. Wenn sie auf Anfrage übertragen werden sollen, können die Daten lokal in einem Speicher auf der Vorrichtung gespeichert werden.
Die Vorrichtung kann in tragbare Vorrichtungen mit Datenverarbeitungsfunktionen integriert werden, wie beispielsweise in ein Smartphone, eine Smartwatch. Vorrichtungen wie Patches und Tags sind in der Regel drahtlos mit einem dedizierten Empfänger verbunden, der die Daten weiter speichert und verarbeitet. Diese Vorrichtungen können eigenständig (standalone) oder an ein öffentliches oder privates Netzwerk zur gemeinsamen Nutzung von Informationen und Daten angeschlossen sein. Diese Vorrichtungen stellen die notwendige Benutzerschnittstelle zum Betrieb eines oder mehrerer Vorrichtungen zur Verfügung.
Andere Arten von Sensoren können der Vorrichtung hinzugefügt werden, um die Qualität der Daten zu verbessern. Zum Beispiel kann ein EKG-Sensor hinzugefügt werden, um EKG-Daten mit optischen Daten zu korrelieren. Zum Beispiel kann ein Beschleunigungsmesser hinzugefügt werden, um die Bewegung mit den spektroskopischen Daten zu korrelieren und ungültige Daten auszuschließen.
Die Vorrichtung kann Software zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung aufweisen, beispielsweise zur Auswahl des Messmodus, aber auch zur Auswahl der Parameter, die während eines Bestrahlungsschritts gemessen werden sollen.
Zur Veranschaulichung der Verwendung der Vorrichtung werden mehrere Anwendungsfälle angeführt.
Messung von Wasser und Fett
In einem Anwendungsfall wird das tragbare Spektrometer zur Messung von Wasserstand verwendet.
Das Verfahren umfasst das Anbringen der Vorrichtung an der Haut, das Erfassen des eingestrahlten Lichts, das aus der Haut austritt, das Verwenden der ersten Messung als Konfidenzbild, um zu beurteilen, ob eine tatsächliche Haut gemessen wird, und, nachdem die erste Messung akkreditiert wurde, das Analysieren der optischen Reaktion der tatsächlichen Haut. Ein erster Schritt kann daher sein, diese Spektraldaten zu interpretieren, um ein Konfidenzbild zu erstellen. Man kann durch die Interpretation des Melanin-Gehalts extrahieren (Kenntnis erlangen, gewinnen, herausfinden), ob eine lebende Hautprobe gemessen wurde. Man kann feststellen, ob Blutmerkmale vorhanden sind. Man kann sich mit anderen Merkmalen des Spektrums, wie beispielsweise seinen Ableitungen, befassen, für die ein Spektrum mit ausreichender Auflösung und Qualität erforderlich ist. Es kann auch vorkommen, dass die Messung ungültig ist, beispielsweise bei einem schlechten Kontakt, zu viel Hintergrundlicht, wenn der Sensor nicht mit einer Person verbunden ist oder bei einer defekten Vorrichtung. Nach der Konfidenzbeurteilung können aus den gewonnenen Spektraldaten Merkmale extrahiert werden oder es wird eine weitere Messung durchgeführt. Zum Beispiel kann der Fettgehalt extrahiert werden. Es ist bekannt, dass Fett- und Wassermerkmale in dem Spektrum zwischen 900 nm und 1000 nm interferieren. Es ist bekannt, dass der in der Haut abgelesene Wassergehalt durch die Menge an subkutanem Fett moduliert wird. Der Fettgehalt kann aus dem Spektrum extrahiert werden. Durch die Verwendung mehrerer Beleuchtungsquellen in verschiedenen Entfernungen können unterschiedliche Eindringtiefen extrahiert werden, was dazu beitragen kann, die Menge an subkutanem Fett zu extrahieren. Eine Wassermessung kann aus dem gleichen Spektrum extrahiert werden, indem die Fettmenge berücksichtigt wird.
Darüber hinaus können mit derselben Art von Spektralmessungen Blutparameter wie der Gesamthämoglobinspiegel und die Menge an Sauerstoff oder Wasser im Blut (die sehr stabil ist) extrahiert werden. Diese Messungen können als Referenz für Wassermessungen verwendet werden, die je nach Hauttyp oder anderen Nicht-Idealitäten empfindlicher sein können.
Selektive Messtiefe
Bei Verwendung mehrerer Spektrometer und/oder mehrerer Beleuchtungsquellen können Daten aus unterschiedlichen Tiefen unter der Haut oder im Gewebe gewonnen werden. Dadurch können Aberrationen wie beispielsweise Schweiß in Kontrast zur Körperfeuchtigkeit korrigiert werden. Beispielsweise kann ein Spektrometer, das sich in geringem Abstand zur Beleuchtungsquelle befindet, Hydratation auf der Hautoberfläche erkennen, da es Licht empfängt, das von der Hautoberfläche oder in deren Nähe reflektiert wird. Ein Spektrometer, das weiter von der Beleuchtungsquelle entfernt ist, kann die Hydratation tiefer im Gewebe erkennen. Die Kombination beider Daten kann dazu beitragen, den interessierenden Zielabschnitt der Hydratation zu isolieren.
Hybride Spektralmessung
In einem anderen Anwendungsfall sind eine breitbandige lichtemittierende Vorrichtung (LED) (beispielsweise > 50 nm) und eine schmalbandige lichtemittierende Vorrichtung (LED) (beispielsweise < 50 nm) zusammen mit einem Spektrometer in einer einzelnen Vorrichtung angeordnet. Wenn die breitbandige LED aktiviert ist, wird das gesamte optische Spektrum angeregt. Das Spektrometer kann durch Messung des gesamten Spektrums bestimmte Körperparameter messen (beispielsweise Hydratation). In einem anderen Modus wird die Breitband-LED deaktiviert und die Schmalband-LED aktiviert, beispielsweise eine grüne LED oder eine rote LED (zur Messung beispielsweise der Herzfrequenz). Da diese LED schmalbandig ist, ist sie bekanntermaßen viel effizienter: Die gesamte Energie wird in einem schmalen Wellenlängenbereich konzentriert, und es werden beispielsweise keine ineffizienten Leuchtstoffe verwendet. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch. Daher können Parameter, die das volle Spektrum benötigen, die Breitband-LED nutzen. Typischerweise können auf diese Weise langsam veränderliche Parameter gemessen werden, wie beispielsweise Wassergehalt, Methämoglobin, Fettgehalt. Mit der schmalbandigen LED können Parameter gemessen werden, die eine kontinuierliche Überwachung erfordern, wie beispielsweise die Herzfrequenz. Die Vorrichtung kann somit je nach Bedarf zwischen zwei Modi wechseln, um den Stromverbrauch zu optimieren, wie vorstehend diskutiert.
Konsolidierung von Daten
Es ist bekannt, dass viele Körperparameter miteinander korreliert sind. So ist beispielsweise bekannt, dass ein bestimmter Prozentsatz des Körperwasserverlusts sich in einer bekannten Erhöhung der Körpertemperatur und einer gegebenen Erhöhung der Herzfrequenz pro Minute widerspiegelt. Unter Verwendung mehrerer Arten von Sensoren und unter Verwendung mehrerer Parameter, die mit dem Spektrometer gemessen werden, können diese Daten kombiniert werden, um einen genaueren oder stabileren Messwert zu erhalten. Man kann auch ein Modell mit zusammenhängenden Parametern zu Diagnosezwecken erstellen. Zum Beispiel könnte man sehen, dass einfache Fluktuationen mit der Ungenauigkeit der Messungen zusammenhängen können, wenn sie nicht durch andere Messungen bestätigt werden. In einem anderen Anwendungsfall kann die Messung von Fluktuationen bei einer ersten Art von Parametern in Kombination mit Fluktuationen bei einer anderen Art von Parametern auf eine bestimmte Diagnose hindeuten.
Eine leichte, tragbare, nichtinvasive und nichtintrusive Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst somit mindestens ein monolithisch integriertes optisches Spektrometer und mindestens eine monolithisch integrierte Lichtquelle. Durch die Integration eines monolithisch integrierten Spektrometers mit einem Filter in einem im Gesundheitsbereich tragbaren Vorrichtung wird die Erfassung von Spektralreaktionen unter Verwendung einer großen Anzahl von Spektralbändern, typischerweise 7 oder mehr, ermöglicht, anstatt auf wenige Spektralbänder beschränkt zu sein, wie dies bei modernen, im Gesundheitsbereich tragbaren Vorrichtungen der Fall ist, die auf mehreren diskreten, schmalbandigen LEDs basieren, oder bei modernen Vorrichtungen, die optische Messungen verwenden. Mehrere Körperparameter können gleichzeitig aus den erfassten Spektralantworten extrahiert werden, wodurch die Notwendigkeit verschiedener Vorrichtungen zur Messung verschiedener Parameter, wie es derzeit der Fall ist, entfällt. Es können sowohl preiswerte Einweg-Vorrichtungen für den einmaligen Gebrauch, wie beispielsweise Patches, als auch teurere wiederverwendbare Vorrichtungen hergestellt werden. Die Sammlung von Rohdaten mit hoher spektraler Auflösung (d.h. < 10 nm) und breitem Spektralbereich bietet Zukunftssicherheit, da die gesammelten Daten erneut analysiert werden können, um Messungen für in Zukunft neu entdeckte Parameter oder andere, bisher nicht gemessene Parameter abzuleiten. Die Erfassung von Rohdaten mit hoher spektraler Auflösung und breitem Spektralbereich ermöglicht auch robustere Messungen, da Daten über mehrere Parameter korreliert werden können.
Es wird darauf hingewiesen, dass hier verwendete Terminologien wie Bitstrom, Strom, Signalfolge usw. (oder deren Äquivalente) austauschbar verwendet wurden, um digitale Informationen zu beschreiben, deren Inhalt einer beliebigen Anzahl von gewünschten Typen entspricht (beispielsweise Daten, Video, Sprache, Text, Grafik, Audio usw., von denen jeder allgemein als „Daten“ bezeichnet werden kann).
Wie hierin möglicherweise verwendet, bieten die Begriffe „wesentlich“ und „annähernd“ eine von der Industrie akzeptierte Toleranz für den entsprechenden Begriff und/oder die Relativität zwischen Artikeln. Für einige Industriezweige beträgt die von der Industrie akzeptierte Toleranz weniger als ein Prozent und für andere Industriezweige beträgt die von der Industrie akzeptierte Toleranz 10 Prozent oder mehr. Andere Beispiele für von der Industrie akzeptierte Toleranzen reichen von weniger als einem Prozent bis zu fünfzig Prozent. Die von der Industrie akzeptierten Toleranzen entsprechen, sind aber nicht beschränkt auf, Komponentenwerte, Prozessschwankungen bei integrierten Schaltungen, Temperaturschwankungen, Anstiegs- und Abfallzeiten, thermisches Rauschen, Abmessungen, Signalisierungsfehler, heruntergefallene Pakete, Temperaturen, Drücke, Materialzusammensetzungen und/oder Leistungskennzahlen. Innerhalb einer Industriebranche können die Toleranzabweichungen der akzeptierten Toleranzen mehr oder weniger als ein prozentuales Niveau betragen (beispielsweise Maßtoleranz von weniger als +/- 1%). Eine gewisse Relativität zwischen Artikeln kann von einer Differenz von weniger als einem Prozentniveau bis zu einigen Prozent reichen. Andere Relativitätstheorie zwischen Items kann von einer Differenz von einigen Prozent bis zur Größe der Unterschiede reichen.
Wie hierin möglicherweise verwendet, schließen die Begriffe „eingerichtet“, „wirkverbunden“, „gekoppelt“ und/oder „Kopplung“ die direkte Kopplung zwischen Elementen und/oder die indirekte Kopplung zwischen Elementen über ein dazwischen liegendes Element ein (beispielsweise umfasst ein Element eine Komponente, ein Element, einen Schaltkreis und/oder ein Modul, ist aber nicht darauf beschränkt), wobei bei einem Beispiel der indirekten Kopplung das dazwischen liegende Element die Information eines Signals nicht verändert, aber dessen Strompegel, Spannungspegel und/oder Leistungspegel anpassen kann. Wie hierin möglicherweise verwendet, schließt die abgeleitete Kopplung (d.h., wenn ein Element mit einem anderen Element durch Rückschluss gekoppelt ist) direkte und indirekte Kopplung zwischen zwei Elementen in der gleichen Weise ein, wie bei „gekoppelt“.
Wie hierin möglicherweise verwendet, zeigen die Ausdrücke wie „eingerichtet“, „wirkverbunden“, „gekoppelt“ oder „Kopplung“ an, dass ein Element eine oder mehrere Stromverbindungen, Eingänge, Ausgänge, usw. aufweist, um bei Aktivierung eine oder mehrere seiner entsprechenden Funktionen auszuführen, und kann darüber hinaus eine abgeleitete Kopplung mit einem oder mehreren anderen Elementen einschließen. Wie hierin möglicherweise verwendet, schließt der Begriff „verbunden mit“ die direkte und/oder indirekte Kopplung separater Elemente und/oder eines Elements, das in ein anderes Element eingebettet ist, ein.
Wie hierin möglicherweise verwendet, zeigt der Ausdruck „günstig vergleichen“ an, dass ein Vergleich zwischen zwei oder mehr Gegenständen, Signalen, usw. eine gewünschte Beziehung ergibt. Wenn die gewünschte Beziehung beispielsweise darin besteht, dass Signal 1 eine grössere Grösse als Signal 2 hat, kann ein günstiger Vergleich erreicht werden, wenn die Grösse von Signal 1 grösser als die von Signal 2 ist oder wenn die Grösse von Signal 2 kleiner als die von Signal 1 ist. Wie hier verwendet werden kann, zeigt der Begriff „ungünstig vergleichen“ an, dass ein Vergleich zwischen zwei oder mehr Elementen, Signalen, usw. nicht die gewünschte Beziehung ergibt.
Wie hierin möglicherweise verwendet, können ein oder mehrere Ansprüche, in einer bestimmten Form dieser allgemeinen Form, den Ausdruck „mindestens eines von a, b und c“ oder dieser allgemeinen Form „mindestens eines von a, b oder c“ mit mehr oder weniger Elementen als „a“, „b“ und „c“ enthalten. In beiden Formulierungen sind die Phrasen identisch auszulegen. Insbesondere ist „mindestens eines von a, b und c“ gleichbedeutend mit „mindestens eines von a, b oder c“ und bedeutet a, b und/oder c. Als Beispiel bedeutet es nur „a“, nur „b“, nur „c“, nur „a“ und „b“, „a“ und „c“, „b“ und „c“ und/oder „a“, „b“ und „c“.
Wie hierin möglicherweise verwendet, können die Begriffe „Verarbeitungsmodul“, „Verarbeitungsschaltung“, „Prozessor“, „Verarbeitungsschaltkreis“ und/oder „Verarbeitungseinheit“ eine einzelne Verarbeitungsvorrichtung oder eine Vielzahl von Verarbeitungsvorrichtungen sein. Eine solche Verarbeitungseinrichtung kann ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, ein digitaler Signalprozessor, ein Mikrocomputer, eine Zentraleinheit, ein feldprogrammierbares Gate-Array, ein programmierbares Logikbauelement, eine Zustandsmaschine, eine Logikschaltung, eine Analogschaltung, eine Digitalschaltung und/oder eine beliebige Vorrichtung sein, die Signale (analog und/oder digital) auf der Grundlage einer harten Kodierung der Schaltung und/oder von Betriebsanweisungen manipuliert. Das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung, der Verarbeitungsschaltkreis und/oder die Verarbeitungseinheit kann ein Speicher und/oder ein integriertes Speicherelement sein oder darüber hinaus ein Speicher und/oder ein integriertes Speicherelement aufweisen, die eine einzelne Speichervorrichtung, mehrere Speichervorrichtungen und/oder eine eingebettete Schaltung eines anderen Verarbeitungsmoduls, Moduls, einer Verarbeitungsschaltung, eines Verarbeitungsschaltkreises und/oder einer Verarbeitungseinheit handeln kann. Eine solche Speichervorrichtung kann ein Nur-Lese-Speicher, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, ein flüchtiger Speicher, ein nichtflüchtiger Speicher, ein statischer Speicher, ein dynamischer Speicher, ein Flash-Speicher, ein Cache-Speicher und/oder eine beliebige Vorrichtung, die digitale Informationen speichert, sein. Es ist zu beachten, dass, wenn das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung, der Verarbeitungsschaltkreis und/oder die Verarbeitungseinheit mehr als eine Verarbeitungsvorrichtung aufweist, die Verarbeitungsvorrichtungen zentral (beispielsweise direkt miteinander über eine verdrahtete und/oder drahtlose Busstruktur gekoppelt) oder verteilt angeordnet sein können (beispielsweise Cloud Computing über indirekte Kopplung über ein lokales Netz und/oder ein Weitverkehrsnetz). Es ist ferner zu beachten, dass, wenn das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung, der Verarbeitungsschaltkreis und/oder die Verarbeitungseinheit eine oder mehrere ihrer Funktionen über eine Zustandsmaschine, eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung und/oder eine logische Schaltung implementiert, der Speicher und/oder das Speicherelement, der/das die entsprechenden Betriebsbefehle speichert, in die Schaltung, die die Zustandsmaschine, die analoge Schaltung, die digitale Schaltung und/oder die logische Schaltung umfasst, eingebettet oder von dieser extern sein kann. Es ist weiterhin zu beachten, dass das Speicherelement hartkodierte und/oder Betriebsbefehle, die mindestens einigen der in einer oder mehreren der Zeichnungen dargestellten Schritte und/oder Funktionen entsprechen, speichern kann und das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung, der Verarbeitungsschaltkreis und/oder die Verarbeitungseinheit diese Befehle ausführt. Eine solche Speichervorrichtung oder ein solches Speicherelement kann in einen Herstellungsgegenstand aufgenommen werden.
Eine oder mehrere Ausführungsformen sind oben mit Hilfe von Verfahrensschritten beschrieben worden, die die Ausführung bestimmter Funktionen und deren Beziehungen veranschaulichen. Die Grenzen und die Reihenfolge dieser Funktionsbausteine und Methodenschritte wurden hier aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung willkürlich festgelegt. Alternative Grenzen und Sequenzen können definiert werden, solange die spezifizierten Funktionen und Beziehungen angemessen ausgeführt werden. Alle derartigen alternativen Grenzen oder Sequenzen liegen somit innerhalb des Geltungsbereichs und des Geistes der Ansprüche. Darüber hinaus wurden die Grenzen dieser Funktionsbausteine aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung willkürlich festgelegt. Alternative Grenzen könnten so lange definiert werden, wie die bestimmten wichtigen Funktionen angemessen ausgeführt werden. In ähnlicher Weise können hier auch Flussdiagramm-Blöcke willkürlich definiert worden sein, um bestimmte signifikante Funktionen zu veranschaulichen.
In dem verwendeten Umfang hätten die Blockgrenzen und die Blockreihenfolge des Flussdiagramms anders definiert werden können und immer noch die bestimmte signifikante Funktionalität erfüllen können. Solche alternativen Definitionen sowohl von Funktionsbausteinen als auch von Flussdiagramm-Blöcken und -Folgen liegen somit im Rahmen und im Geist der Ansprüche. Ein Durchschnittsfachmann wird auch erkennen, dass die funktionalen Bausteine und andere veranschaulichende Blöcke, Module und Komponenten hierin wie dargestellt oder durch diskrete Komponenten, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, Prozessoren, die entsprechende Software ausführen, und dergleichen oder eine beliebige Kombination hiervon implementiert werden können.
Darüber hinaus kann ein Flussdiagramm eine „Start“- und/oder „Weiter“ Angabe enthalten. Die „Start“ und „Weiter“ Angaben spiegeln wider, dass die dargestellten Schritte wahlweise in eine oder mehrere andere Routinen integriert oder anderweitig in Verbindung mit einer oder mehreren anderen Routinen verwendet werden können. Darüber hinaus kann ein Flussdiagramm eine „Ende“ und/oder „Weiter“ Angabe enthalten. Die „Ende“ und/oder „Weiter“ Angaben zeigen an, dass die dargestellten Schritte wie beschrieben und gezeigt enden können oder wahlweise in eine oder mehrere andere Routinen integriert oder anderweitig in Verbindung mit einer oder mehreren anderen Routinen verwendet werden können. In diesem Zusammenhang bezeichnet „Start“ den Beginn des ersten vorgestellten Schrittes und kann anderen, nicht speziell dargestellten Aktivitäten vorangehen. Der Hinweis „Weiter“ zeigt ferner an, dass die vorgestellten Schritte mehrfach ausgeführt werden können und/oder dass ihnen andere, nicht speziell dargestellte Aktivitäten folgen können. Während ein Flussdiagramm eine bestimmte Reihenfolge der Schritte anzeigt, sind andere Anordnungen ebenfalls möglich, vorausgesetzt, dass die Kausalitätsprinzipien eingehalten werden.
Die eine oder mehrere Ausführungsformen werden hier verwendet, um einen oder mehrere Aspekte, ein oder mehrere Merkmale, ein oder mehrere Konzepte und/oder ein oder mehrere Beispiele zu veranschaulichen. Eine physische Ausführungsform eines Apparates, eines Fabrikationsartikels, einer Maschine und/oder eines Verfahrens kann einen oder mehrere der Aspekte, Merkmale, Konzepte, Beispiele usw. enthalten, die unter Bezugnahme auf eine oder mehrere der hierin besprochenen Ausführungsformen beschrieben werden. Darüber hinaus können die Ausführungsformen von Zeichnung zu Zeichnung die gleichen oder ähnlich benannten Funktionen, Schritte, Module, usw. enthalten, die die gleichen oder verschiedene Referenznummern verwenden können, und als solche können die Funktionen, Schritte, Module, usw. die gleichen oder ähnliche Funktionen, Schritte, Module, usw. oder verschiedene sein.
Während die Transistoren in der/den oben beschriebenen Zeichnunge(-en) als Feldeffekttransistoren (FETs) dargestellt ist/sind, können die Transistoren, wie ein gewöhnlicher Fachmann schätzen wird, unter Verwendung jeder Art von Transistorstruktur implementiert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Bipolartransistoren, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), N-Well-Transistoren, P-Well-Transistoren, Anreicherungs-, Verarmungsmodus- und Nullspannungsschwellentransistoren (VT).
Wenn nicht ausdrücklich auf den Kontrapunkt hingewiesen wird, können Signale an, von und/oder zwischen Elementen in einer Figur einer der hier dargestellten Figuren analog oder digital, zeitkontinuierlich oder zeitdiskret und unsymmetrisch oder differentiell sein. Wenn beispielsweise ein Signalpfad als unsymmetrischer Pfad dargestellt wird, stellt er auch einen differentiellen Signalpfad dar. In ähnlicher Weise stellt ein Signalpfad, der als differentieller Pfad dargestellt ist, ebenfalls einen unsymmetrischen Signalpfad dar. Während hier eine oder mehrere bestimmte Architekturen beschrieben werden, können auch andere Architekturen implementiert werden, die einen oder mehrere nicht ausdrücklich gezeigte Datenbusse, direkte Konnektivität zwischen Elementen und/oder indirekte Kopplung zwischen anderen Elementen verwenden, wie sie von einem mit durchschnittlichem Fachwissen erkannt werden.
Der Begriff „Modul“ wird bei der Beschreibung einer oder mehrerer der Ausführungsformen verwendet. Ein Modul implementiert eine oder mehrere Funktionen über ein Vorrichtung wie beispielsweise einen Prozessor oder ein anderes Verarbeitungsvorrichtung oder eine andere Hardware, die einen Speicher zur Speicherung von Betriebsanweisungen enthalten oder in Verbindung mit diesem arbeiten kann. Ein Modul kann unabhängig und/oder in Verbindung mit Software und/oder Firmware arbeiten. Wie hier ebenfalls verwendet, kann ein Modul ein oder mehrere Untermodule enthalten, von denen jedes ein oder mehrere Module sein kann.
Wie hier weiter verwendet werden kann, enthält ein computerlesbarer Speicher ein oder mehrere Speicherelemente. Ein Speicherelement kann ein separates Speichervorrichtung, mehrere Speichervorrichtungen oder ein Satz von Speicherplätzen innerhalb eines Speichervorrichtung sein. Eine solche Speichervorrichtung kann ein Nur-Lese-Speicher, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, ein flüchtiger Speicher, ein nichtflüchtiger Speicher, ein statischer Speicher, ein dynamischer Speicher, ein Flash-Speicher, ein Cache-Speicher und/oder eine beliebige Vorrichtung, die digitale Informationen speichert, sein. Die Speichervorrichtung kann in Form eines Festkörperspeichers, eines Festplattenspeichers, eines Wolkenspeichers, eines Daumenlaufwerks, eines Server-Speichers, eines Rechnervorrichtungsspeichers und/oder eines anderen physikalischen Mediums zum Speichern digitaler Informationen vorliegen.
Während bestimmte Kombinationen verschiedener Funktionen und Merkmale der einen oder mehreren Ausführungsformen hier ausdrücklich beschrieben sind, sind andere Kombinationen dieser Merkmale und Funktionen ebenfalls möglich. Die vorliegende Offenlegung wird durch die hierin offengelegten besonderen Beispiele nicht eingeschränkt und bezieht diese anderen Kombinationen ausdrücklich mit ein.

Claims

Vorrichtung zur Messung von optischen Reaktion an Haut, aufweisend: eine oder mehrere Beleuchtungsquellen, wobei jede der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen eingerichtet ist, Licht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen bereitzustellen, wobei die eine oder mehreren Beleuchtungsquellen ferner eingerichtet ist/sind, Licht direkt auf die Haut zu strahlen; und ein oder mehrere Spektrometer, wobei jedes der einen oder der mehreren Spektrometer mehrere Interferenzfilter aufweist, die über einem oder mehreren optische Sensoren liegen, wobei jedes des einen oder der mehreren Spektrometer einen Erfassungsbereich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen aufweist und eingerichtet ist, aus der Haut emittiertes Licht einzufangen, wobei jedes des einen oder der mehreren Spektrometer in einem vorbestimmten Abstand von mindestens einer Beleuchtungsquelle der einen oder der mehreren Beleuchtungsquellen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Abstand auf einem erwarteten Eindringpfad von mindestens einer der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mehrere Spektrometer aufweist, wobei jedes der mehreren Spektrometer eingerichtet ist, Licht von einer oder mehreren Beleuchtungsquellen einzufangen, das ein Indikator für eine bestimmte räumliche optische Reaktion ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mehrere Beleuchtungsquellen aufweist, wobei jede der mehreren Beleuchtungsquellen eingerichtet ist, Licht zu dem einen oder den mehreren Spektrometern zu liefern, das ein Indikator für eine unterschiedliche räumliche optische Reaktion ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine erste der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen auf einem ersten vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen basiert und eine zweite der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen auf einem zweiten vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen basiert, wobei der erste vorbestimmte Bereich und der zweite vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängen unterschiedlich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen kleiner als der zweite vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängen und der zweite vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängen einander nicht überlappen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Beleuchtungsquellen und das eine oder die mehreren Spektrometer auf einem elektronischen Substrat montiert sind, wobei das elektronische Substrat mindestens eine aus dem Folgenden ist: eine starre Leiterplatte, eine flexible Leiterplatte, ein Bandkabel und eine starre flexible Leiterplatte.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen und des einen oder der mehreren Spektrometer aus einer Oberfläche der Vorrichtung hervorsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend mindestens eines der Folgenden: eine Benutzerschnittstelle; ein Kommunikationsmodul; eine Steuereinheit; einen Speicher; eine Batterie; und einen Prozessor.
Verfahren zum Messen spektrophotometrischer Parameter von Haut mittels einer Spektroskopie-Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: durch die Spektroskopie-Vorrichtung, Bestrahlen der Haut mit Licht, wobei das Licht von einer oder mehreren Beleuchtungsquellen bereitgestellt wird, wobei jede der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen eingerichtet ist, Licht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen bereitzustellen, wobei die eine oder mehreren Beleuchtungsquellen ferner eingerichtet ist/sind, Licht direkt auf die Haut zu strahlen; und durch die Spektroskopie-Vorrichtung, Einfangen von Licht, das aus der Haut austritt, wobei das Einfangen durch ein oder mehrere Spektrometer erfolgt, wobei jedes des einen oder der mehreren Spektrometer mehrere Interferenzfilter umfasst, die über einem oder mehreren optische Sensoren liegen, wobei jedes des einen oder der mehreren Spektrometer einen Erfassungsbereich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs optischer Wellenlängen aufweist und eingerichtet ist, aus der Haut emittiertes Licht einzufangen, wobei jedes des einen oder der mehreren Spektrometer in einem vorbestimmten Abstand von mindestens einer Beleuchtungsquelle der einen oder der mehreren Beleuchtungsquellen angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Abstand auf einem erwarteten Eindringpfad von mindestens einer der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen basiert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Spektroskopie-Vorrichtung mehrere Spektrometern umfasst, wobei jedes der mehreren Spektrometern eingerichtet ist, Licht von einer oder mehreren Beleuchtungsquellen einzufangen, das ein Indikator für eine bestimmte räumliche optische Reaktion ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Spektroskopie-Vorrichtung mehrere Beleuchtungsquellen aufweist, wobei jede der mehreren Beleuchtungsquellen eingerichtet ist, Licht zu dem einen oder den mehreren Spektrometern zu liefern, das ein Indikator für eine unterschiedliche räumliche optische Reaktion ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine erste der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen auf einem ersten vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen basiert und eine zweite der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen auf einem ersten vorbestimmten Bereich optischer Wellenlängen basiert, wobei der erste vorbestimmte Bereich und der zweite vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängens unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen kleiner als der zweite vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen kleiner als der zweite vorbestimmte Bereich der optischen Wellenlängen ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängen und der zweite vorbestimmte Bereich optischer Wellenlängen auf der Grundlage vorbestimmter Absorptionseigenschaften eines bestimmten physiologischen Parameters der Haut ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die eine oder mehrere Beleuchtungsquellen und das eine oder die mehreren Spektrometer auf einem elektronischen Substrat montiert sind, wobei das elektronische Substrat mindestens eines von Folgenden ist: eine starre Leiterplatte, eine flexible Leiterplatte, ein Bandkabel und eine starre flexible Leiterplatte.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Teil der einen oder mehreren Beleuchtungsquellen und des einen oder der mehreren Spektrometer aus einer Oberfläche der Vorrichtung hervorsteht.