基於光的膠原測量系統和皮膚處理系統的製作方法
2023-08-09 15:35:46
本發明涉及用於皮膚內部膠原的基於光的測量的測量系統。
本發明還涉及包括根據本發明的測量系統的皮膚處理系統。
背景技術：
通過減少皮膚中的皺紋來維持年輕外貌的期望是人類社會的重要問題。已經設計許多技術來實現該目標。一種技術例如是嫩膚，具體是涉及膠原變性(諸如膠原的熱變性)的方法。雖然一些治療應用是可能的，但主要關注領域在美容或非治療領域。這種方法在皮膚中的功效取決於若干因素，諸如組織上的熱負荷和機械負荷、經受處理的人的年齡、皮膚內部膠原的解剖分布、皮膚的疾病、環境暴露、皮膚類型等。目前，基於變性的嫩膚處理的參數經常基於反覆試驗。
越來越多的這些皮膚處理和皮膚處理系統旨在由消費者而不是醫學專業人員使用。這些處理系統是非侵入性的——它們在不必物理穿透表皮的情況下在皮膚表面下方產生作用。然而，這種家庭使用系統提出新的擔憂，諸如與安全性和處理功效有關的擔憂。這在用於執行處理的光源是雷射器時特別重要，並且這種雷射器的錯誤操作可能導致雷射穿過皮膚層的位置處的皮膚的傷疤或燒傷。
例如，對表皮的損傷是高度不期望的，因為這可能導致被處理人的併發症和健康風險以及社交停工時間。如果在真皮上方產生外表傷害，則瘀點(微出血)可能由於毛細血管的微破裂而發生，這導致功效降低且副作用增大。如果膠原變性，則為了嫩膚目的的新膠原形成將發生。用於膠原變性的熱處理以及隨後的膠原重塑的功效僅在真皮內部溫度超過臨界溫度65攝氏度時是高的。因此，提供如下處理：其引導大量能量以將皮膚溫度上升到高於變性所需的閾值。
沒有膠原存在的皮膚區域的處理可能導致過度處理。假定膠原存在，則膠原纖維的長度變化在變性期間繼續，直到纖維已經收縮至最小長度——超過該階段的熱處理是過度處理，因為膠原結構被完全破壞。過度處理可能導致對周圍組織的不必要損傷以及其他副作用，而未促進任何恢復和緊緻效果。
因為膠原變性和產生的嫩膚的效力和安全性取決於若干因素(如上文中指示的)，所以需要測量膠原的存在，並且需要測量處理過程期間皮膚內部膠原的變性。
已知通過追蹤在皮膚經受偏振光時在反射光中看到的變化，使用膠原的雙折射來確定膠原的存在，並且重複這種測量來監控變性的進展。這是WO2011/112248中所述的測量系統中的一個。這種監控系統可以與許多不同的處理方法結合使用，諸如基於R.F.(射頻)的處理方法、基於U.S.(超聲)的處理方法或基於雷射的處理方法。這樣的已知測量方法的缺點在於它們較複雜且耗時。例如，「Quantitative measurements of linear birefringence during heating of native collagen」(Lasers in Surgery and Medicine，Vol.20,Issue 3,1997,Pages:310-318，Duncan J.Maitland和Joseph T.Walsh Jr)中詳細描述了光學測量。使用補償晶體和偏振透射顯微鏡，通過從60個測量導出平均標準偏差，在若干時間點處測量雙折射。
WO1995/28135描述了另一技術，其中涉及在使用偏振透射顯微鏡時觀察到的強度的逐漸變化和顏色變化。然而，顏色變化和強度變化的感知可能在不同的觀察者之間不同，這使得值變得主觀。因為由於膠原而產生的顏色變化和減少依賴於許多因素(包括年齡、皮膚光學和熱特性等)，所以測量不是處理的進展的準確且定量測量。
發明的目的
本發明的目的是提供一種用於皮膚內部膠原的基於光的測量的測量系統，該測量系統不那麼複雜，並且提供了不那麼主觀的測量結果。
技術實現要素：
本發明的第一方面提供了一種用於皮膚內部膠原的基於光的測量的測量系統，該測量系統使用第一光強度和第二光強度。本發明的第二方面提供了一種皮膚處理系統。
根據本發明的測量系統包括光學系統，該光學系統具有光源，光源被配置且布置為發出具有源波長範圍的光束，光學系統被配置且布置為：
使源波長範圍內的光偏振，從而生成偏振光束；並且
將偏振光束引導並聚焦於皮膚外表面下方預定聚焦深度處的、皮膚內部的目標位置；
測量系統還包括：
第一檢測器，該第一檢測器被配置且布置為檢測從目標位置反射的光的第一檢測波長範圍內的第一光強度；
第二檢測器，該第二檢測器被配置且布置為檢測從目標位置反射的光的第二檢測波長範圍內的第二光強度；以及
比較器，該比較器耦合到第一檢測器和第二檢測器，並且被配置且布置為確定第一光強度與第二光強度之間的差；
其中，參照在天然膠原存在於目標位置處時由該天然膠原反射的偏振光束的光的反射光譜，所述反射光譜包括多個相鄰的第一和第二波長區域，其中，在所述第一波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在(prevail)相長幹涉，並且其中，在所述第二波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在相消幹涉：
第一檢測波長範圍被預定和/或控制為限於所述第一波長區域中的一個或多個；並且
第二檢測波長範圍被預定和/或控制為限於所述第二波長區域中的一個或多個。
由天然膠原反射的偏振光的光譜包括多個相鄰的第一和第二波長區域，其中，在所述第一波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在相長幹涉，並且其中，在所述第二波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在相消幹涉。這是由於天然膠原的雙折射特性而引起，並且可以被稱為由於目標位置處天然膠原的存在而產生的偏振入射光的光譜調製。在其中發生或主要存在偏振入射光與天然膠原之間的相消幹涉的所述第二波長區域中，由於光波恰好180度反相，在反射波長光譜中觀察到暗帶。在其中發生或主要存在偏振入射光與天然膠原之間的相長幹涉的所述第一波長區域中，由於光波同相，在反射波長光譜中觀察到亮帶。
本發明基於以下洞悉：對於所選的皮膚中的聚焦深度，由於所述相長幹涉而引起的亮帶在反射波長光譜中出現的波長相對恆定。從目標位置反射的光的第一檢測波長範圍限於亮帶的這些波長中的一個或多個。類似地，對於所選的皮膚中的聚焦深度，由於所述相消幹涉而引起的暗帶在反射波長光譜中出現的波長也相對恆定。從目標位置反射的光的第二檢測波長範圍限於暗帶的這些波長中的一個或多個。
換言之，本發明提供了如下測量系統：該測量系統實現所選聚焦深度處的膠原檢測，且在處理不同對象或身體的不同區域時令人滿意地操作。通過測量其中發生或主要存在入射光與膠原之間的相長幹涉的波長帶內的光強度，並通過將該光強度和其中發生或主要存在入射光與膠原之間的相消幹涉的波長帶內的光強度測量進行比較，可以確定膠原的存在。如果沒有膠原存在於目標位置中或存在的膠原已經充分變性至低於臨界檢測點，則反射光的第一光強度和第二光強度將大致相同。如果天然膠原存在於目標位置中，則因為它尚未被處理(即，變性)或它僅被部分處理(即，變性)，所以反射光的第一光強度和第二光強度將顯著不同(即，第一光強度將顯著高於第二光強度)。
可以有利的是將第一檢測波長範圍預定和/或控制為限於其中在偏振光束與天然膠原之間主要存在第二階或更高階的相長幹涉的、所述多個第一波長區域中的一個或多個，並且預定和/或控制第二檢測波長範圍以便限於其中在偏振光束與天然膠原之間主要存在第二階或更高階的相消幹涉的、所述多個第二波長區域中的一個或多個。
當使用其中發生或主要存在(代替第一階幹涉)第二階或更高階幹涉的波長範圍時，第一檢測波長範圍與第二檢測波長範圍的中心波長之間的間隔將顯著減小。這將減小由於檢測波長範圍的較大間隔而產生的反射光的任何強度變化。如果對應於發生相長和相消幹涉的兩個檢測波長範圍彼此足夠靠近，則將降低依賴于波長的散射效應的影響。在一些情況下，影響甚至可以變得可忽略。
對於寬隔開的檢測波長範圍，反向散射的光量取決於(除其他事物之外)處理前後的波長。這可能消極地影響測量結果，並且可能部分或完全掩蔽由測量系統測量的依賴于波長的雙折射效應。
光學系統還可以被配置且布置為將偏振光束聚焦於皮膚外表面下方100微米至1000微米之間的目標位置處。在聚焦深度的這一範圍內，由於天然膠原的雙折射而產生的光譜調製將大致恆定。換言之，第一和第二檢測波長範圍可以被預定和/或控制為在身體上並且甚至在不同對象上的不同位置處的所選聚焦深度處執行膠原測量，而無任何顯著再校準。因為第一和第二檢測波長範圍可以被認為是固定的，所以可以大大簡化根據本發明的測量系統，但在實踐中，由於其他方面(諸如檢測器的光譜敏感性以及光源的發射光譜)而可能需要某一程度的再校準。
在所選的聚焦深度處，第二檢測波長範圍還可以被預定和/或控制為在小於100nm(優選地小於50nm，更優選地小於30nm，甚至更優選地小於20nm)的帶上延伸。在這種實施例中，可以應用包括強度檢測器和適當設定尺寸的帶通濾波器的合適檢測器。在實踐中，這些檢測波長範圍可以在所選聚焦深度的變化為50微米或更小時令人滿意地操作。
在所選的聚焦深度處，第一檢測波長範圍的中心波長與第二檢測波長範圍的中心波長之間的差可以小於300nm，優選地小於100nm，更優選地小於50nm，甚至更優選地小於30nm。當在更低階的幹涉下執行測量時，檢測波長範圍的中心波長通常可以具有在300nm至400nm之間的間隔。在更高階的幹涉下且在小聚焦深度處，檢測波長範圍的中心波長之間的間隔可以顯著更小。
在根據本發明的測量系統的優選實施例中，第一檢測波長範圍被預定和/或控制為限於所述多個第一波長區域中的單個第一波長區域，並且第二檢測波長範圍被預定和/或控制為限於所述多個第二波長區域中的單個第二波長區域，其中，所述多個第一波長區域中的所述單個第一波長區域與所述多個第二波長區域中的所述單個第二波長區域相鄰。在該優選實施例中，測量系統的第一檢測器可以包括用以測量第一光強度的單個光電二極體，並且測量系統的第二檢測器可以包括用以測量第二光強度的單個光電二極體。通過僅將兩個光電二極體用於檢測，提供了一種緊湊且廉價的測量系統。
測量系統還可以被配置且布置為使得第一檢測器包括：
至少兩個檢測器通道，每個檢測器通道被配置且布置為檢測所述多個第一波長區域中的不同的一個第一波長區域內的光強度；和
處理器，該處理器耦合到每個檢測器通道，並且被配置且布置為從由所述至少兩個檢測器通道檢測的光強度確定第一光強度。
可以有利的是在多個亮波長帶內執行測量，以提高測量的準確度和可靠性。這可以與單個暗波長帶中或多個暗波長帶中的測量結合進行。
類似地，可以有利的是測量系統還被配置且布置為使得第二檢測器包括：
至少兩個檢測器通道，每個檢測器通道被配置且布置為檢測所述多個第二波長區域的不同的一個第二波長區域內的光強度；和
處理器，該處理器耦合到每個檢測器通道，並且被配置且布置為從由所述至少兩個檢測器通道檢測的光強度確定第二光強度。
可以有利的是在多個暗波長帶內執行測量，以提高測量的準確度和可靠性。這可以與單個亮波長帶中或多個亮波長帶中的測量結合進行。
根據本發明的另外方面的皮膚處理系統包括根據本發明的測量系統。
膠原的變性例如可以使用聚焦處理能量源(例如，射頻(RF)能量源或超聲能量源或例如提供處理光的光或雷射源)來進行。測量系統例如可以在提供處理的RF能量源或雷射源的操作期間實時測量變性過程。在處理期間，膠原纖維的長度變化，直到纖維已經收縮至臨界長度，並且超過該階段的變性處理看起來對於另外的皮膚處理(例如，嫩膚)不再有效(因為該處理位置處的膠原結構完全被破壞)。處理期間由測量系統測量的第一光強度與第二光強度之間的差將逐漸減小，並且例如可以穩定在大致為零的差，該大致為零的差指示另外的處理看起來無效且優選地應停止，以避免諸如皮膚損傷的不利副作用。
本發明的這些和其他方面將從下文中所述的實施例顯而易見且將參照下文中所述的實施例來闡明。
附圖說明
在附圖中：
圖1示意性示出了根據本發明的測量系統；
圖2A是示出了在天然膠原存在於目標位置中時，從目標位置反射的光的多個波長下的光強度的變化的圖；以及
圖2B是示出了在沒有膠原存在於目標位置中時或在膠原已經變性或幾乎完全變性時，從目標位置反射的光的多個波長下的光強度的變化的圖。
具體實施方式
圖1示意性示出了根據本發明的皮膚測量系統110。測量系統110被配置且布置用於皮膚160內部膠原的基於光的測量。測量系統110包括光學系統130，該光學系統包括光源120，光源120用於發出預定和/或受控源波長範圍上的光。
光源120優選地為發出較寬波長光譜的多色源。換言之，光源不應為單色的。或再換言之，光源應為多色或寬帶或「白色的」。技術人員可以使用本領域中已知的技術來確定最佳源波長範圍或帶寬(同時使用多個光源，或將寬帶光源與一個或多個合適帶通濾波器結合使用)。
多色或寬帶光源的示例為：
具有300-1000nm範圍內的發射光譜的鎢燈；
通常發出10-100nm範圍(Δλ)內的光的超輻射雷射二極體(SLD)、或通常發出50-200nm範圍(Δλ)內光的發光二極體(LED)。
另選地，多色或寬帶源可以包括同時操作的兩個或更多個單色(或窄帶)源。例如，可以使用第一和第二單色光源，每個單色光源具有200-500nm範圍內的光譜發射和10-50nm的光譜帶寬。更優選地，每個單色光源可以具有300-400nm範圍內的光譜發射和10-20nm的光譜帶寬。
光學系統130還包括光學元件，使得大致在整個源波長範圍內偏振來自光源120的光束，從而生成偏振光束140，並且使得偏振光束140被引導並聚焦於皮膚外表面下方預定聚焦深度處的、皮膚160內部的目標位置。技術人員可以選擇本領域中已知的光源與光學元件的任何組合來實現這一點。例如，可以結合偏振元件來提供非偏振光源130，或者可以提供偏振光源130。類似地，可以提供偏振元件的組合，其中，所述偏振元件中的一個或多個被包括在光源120中，並且一個或多個偏振元件130被包括在光學系統130中。
在另一個示例中，透射偏振元件可以被放置為使得它和光源120與皮膚160內部的目標位置之間的光束相交。測量系統110將以用於光波長的寬光譜的相同偏振方向或定向在目標位置中提供入射光。例如，可以使用線柵偏振器。
如技術人員將意識到的，目標區域處的偏振光束可以通過使用反射偏振元件130(諸如LCOS(矽上液晶)元件)來提供。在一些實施例中，光學系統130中的透射和反射光學元件的組合也可以是有利的。
光學系統130提供優選地被線性偏振的偏振光束140。
偏振光束140在使用期間在皮膚的外層上入射。大致貫穿整個源波長範圍，光學系統130被預定和/或控制為使得偏振的方向(或定向)大致相同。
測量系統110被配置且布置為使得所發出的光可以穿過皮膚的外層，到達皮膚外表面下方預定聚焦深度處的、皮膚內部的目標位置。聚焦深度被選擇為對應於預期發現膠原的深度。
測量系統110還包括檢測單元50，該檢測單元50包括第一檢測器150和第二檢測器250。檢測單元50還被配置為向第一檢測器150和第二檢測器250兩者引導從皮膚160中的目標位置反射的光145。檢測單元50還包括本領域中已知的一個或多個光學構件來實現這一結果，諸如圖1中描繪的50/50分束器和摺疊式反射鏡。因為膠原測量與由第一檢測器150和第二檢測器250測量的、並且在第一檢測器150與第二檢測器250之間的光強度差有關，所以可以有利的是將到檢測器的光束路徑配置為儘可能相等。
第一檢測器150被配置且布置為檢測從目標位置反射的光145的第一檢測波長範圍內的第一光強度。第二檢測器250被配置且布置為檢測從目標位置反射的光145的第二檢測波長範圍內的第二光強度。為此目的，例如，每個檢測器150、250前面可以是合適設定尺寸的帶通濾波器。
圖1中未示出的比較器耦合到第一檢測器150和第二檢測器250兩者，並且被配置且布置為確定第一光強度與第二光強度之間的差。
測量系統110被配置為測量皮膚中預定聚焦深度處的膠原。這包括預定和/或控制第一檢測波長範圍和第二檢測波長範圍。這些波長範圍可以通過對寬範圍的對象和皮膚區域的測量來實驗地預定，或者通過用於所選聚焦深度的計算機模擬來預定。除了其他事物之外，檢測波長範圍依賴於膠原的雙折射特性(這是眾所周知的)，並且依賴於光學路徑長度，該光學路徑長度依賴於皮膚外表面下方的聚焦深度。
例如，基於300-1000nm源波長範圍內的模擬數據，可以使用以下波長範圍。在該示例中，第二檢測波長範圍在反射光譜內的暗帶的預期邊界之間延伸，並且第一檢測波長範圍對應於兩個相鄰暗帶之間具有最高強度(亮帶)的波長區域。
1、聚焦深度：250微米±50微米
A、第一階幹涉波長帶
B、第二階幹涉波長帶
C、第三階幹涉波長帶
D、第四階幹涉波長帶
A、第一階幹涉波長帶
B、第二階幹涉波長帶
C、第三階幹涉波長帶
雖然可以使用其中任何階的幹涉發生的波長區域，但因為預期對於更高階幹涉波長區域發生的、檢測波長範圍之間的更小間隔減少影響所測量光強度值的波長依賴散射，所以優選其中更高階幹涉發生的波長區域。技術人員可以使用試錯實驗來確定最適當的波長範圍。
還可以有利的是測量系統110還包括處理器，該處理器連接到比較器，並且被配置為基於所測量的第一光強度與第二光強度之間的差來確定膠原變性的程度。雖然不同差的檢測可以給出指示膠原存在與否的合適信號，但其中每個差測量與更早差測量進行比較的更複雜系統可以用於確定處理過程中變性程度和/或變性點。
可選地，處理器可以被提供有附加的數據，諸如關於被處理的人或身體區域、或處理的細節。附加數據的示例包括：年齡、皮膚顏色、處理的階段、目標位置的定位和身體上的強度測量位置。在最簡單的實施例中，可以僅對於更詳細的報告而記錄該數據。雖然對本發明不是必要的，但如果處理器被提供有適當的計算算法或查找表，則數據還可以用於提高膠原測量的準確度。
在使用期間，偏振光束140聚焦於皮膚外表面下方預定聚焦深度處(優選地在100-1000微米範圍內)的目標位置處。檢測器單元從目標位置接收反射光145，並且藉助第一帶通濾波器將反射光引導到測量第一光強度的第一檢測器，並且還藉助第二帶通濾波器將反射光引導到測量第二光強度的第二檢測器。比較器確定第一光強度與第二光強度之間的差。
眾所周知，天然膠原是雙折射組織構成，並且雙折射(Δn)被估算為2.8x10-3-3.0x10-3。當線性偏振光與雙折射天然膠原結構互相作用時，所檢測的反射光的強度依賴於入射偏振方向相對於膠原纖維的定向。在一些現有技術系統中，由於因身體或區域吸收一些光引起的光強度測量的非預期波動，這有時可以給出錯誤的膠原存在估計。在本發明中，目標位置用寬帶或多色光來照射，使得測量更可靠(因為由於皮膚中的吸收區域或身體而產生的波動對膠原存在的整體測量具有更小的影響)。這種吸收區域或身體通常僅在窄的波長範圍內吸收。
如果天然膠原以未處理膠原或部分處理膠原或初始狀態膠原的形式存在於目標位置處，則入射寬帶偏振光140與雙折射膠原結構互相作用，這取決於(除了其他事物之外)雙折射膠原纖維的光學路徑長度差、入射光的源波長範圍、雙折射膠原的特性(包括兩個光束的折射率和雙折射之間的差，該差具有取決於樣本且取決於光的行進方向的最大值)，而導致反射光的所測量光強度中的特定波長處的最大值和最小值的交替模式。換言之，由目標位置中的天然膠原反射的偏振光束140的光的反射光譜包括多個相鄰的第一和第二波長區域，其中，在所述第一波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在相長幹涉，並且其中，在所述第二波長區域中，在偏振光束與天然膠原之間主要存在相消幹涉。反射光譜中的最小值由於相消幹涉而可以被觀察為特定頻率處的暗帶。
第二檢測波長範圍被預定和/或控制為限於其中發生或主要存在相消幹涉的波長區域。相消幹涉形成其中所檢測光強度較低並且甚至可能近似為零的反射光譜中的暗帶。第二檢測波長範圍包括反射光譜中的暗帶中的一個的至少一部分。通常，第二檢測波長範圍可以具有與對於測量所選的暗帶的邊界近似相等的邊界，在這種情況下，第二檢測波長範圍將包括大致整個帶。在一些情況下，第二檢測波長範圍可以包括暗帶和暗帶外圍處的相鄰亮帶的一小部分。在這些情況下，第二檢測波長範圍的大小應使得在所檢測的第二波長區域內，主要存在相消幹涉，從而在天然膠原存在於目標位置中時，在第二檢測波長範圍內測量的光強度或平均光強度小於在相鄰第一檢測波長範圍內測量的光強度。
第一檢測波長範圍被預定和/或控制為限於其中發生或主要存在相長幹涉的波長區域。第一檢測波長範圍大致可以避免暗帶，換言之，它可以被限於兩個相鄰暗帶之間的波長區域，在該處所測量光強度較高。第二檢測波長範圍包括反射光譜中的亮帶中的一個的至少一部分。優選地，第二檢測波長範圍包括其中所測量光強度處於最高水平(即，處於最亮水平)的波長區域，並且優選地它包括其中相長幹涉發生的波長帶的近似中心部分。這在膠原存在於目標位置處時提供所測量的第一光強度與第二光強度之間的最大可能差。在一些情況下，第一檢測波長範圍可以包括亮帶和亮帶外圍處的相鄰暗帶的一小部分。在這些情況下，第一檢測波長範圍的大小應使得在所檢測的第一波長區域內，主要存在相長幹涉，從而在天然膠原存在於目標位置中時，在第一檢測波長範圍內測量的光強度或平均光強度高於在相鄰第二檢測波長範圍內測量的光強度。
與已知方法相比，測量系統提供較簡單且穩定的測量膠原的方式。所測量的第一與第二光強度之間的差與未處理或未變性膠原的數量有關，從而還可以提供定量測量。這使得將測量系統集成到皮膚處理設備中更簡單，並且與當前可用的測量系統相比，重複測量可以提供對膠原變性過程的更準確的監控。
檢測單元50可以為其可以確定暗帶與亮帶之間的反射光的強度差的任何合適布置。
第一檢測器150和第二檢測器250可以為較簡單的光電二極體、或能夠檢測反射光的強度的任何其他檢測器，前面是合適選擇的窄帶通濾波器，以選擇用於檢測的相應波長。
第一檢測器150可以包括兩個或更多個檢測器通道，每個檢測器通道被配置且布置為檢測其中發生或主要存在相長幹涉的、反射光的第一波長區域中的不同的一個波長區域內的光強度。在該實施例中，測量系統包括處理器，該處理器耦合到每個檢測器通道，並且被配置且布置為從由所述兩個或更多個檢測器通道檢測的光強度來確定第一光強度。
另選和/或另外地，第二檢測器150可以包括兩個或更多個檢測器通道，每個檢測器通道被配置且布置為檢測其中發生或主要存在相消幹涉的、反射光的第二波長區域中的不同的一個波長區域內的光強度。在該實施例中，測量系統包括處理器，該處理器耦合到每個檢測器通道，並且被配置且布置為從由所述兩個或更多個檢測器通道檢測的光強度來確定第二光強度。
通過在相長幹涉的兩個或更多個不同波長區域和/或相消幹涉的兩個或更多個不同波長區域中進行測量，可以提高整體測量的可靠性。每個檢測器通道可以包括單個光電二極體。
檢測單元50可以類似地為領域中已知的任何合適布置，諸如分光儀、分光光度計、光譜儀、分光儀或光譜分析儀。在又一示例中，檢測單元50例如可以包括檢測器陣列(諸如CCD陣列)，前面是被適當設定尺寸的光柵，以在CCD陣列上的多個位置上分布多個波長。CCD陣列可以具有範圍在幾毫米與一釐米或多釐米之間的尺寸，並且可以被提供有具有數十微米節距的衍射光柵。技術人員將能夠使用簡單的試錯實驗來提供對反射光譜中的暗帶和亮帶的合適散布和檢測。處理器可以被配置用於比較陣列的區域，以確定暗帶與亮帶的光強度之間的差。
在測量系統的實施例中，由光源發出的光束的源波長範圍的中心波長在從可見光至紅外光的範圍內。光源可以提供例如在300nm至1000nm範圍內的多色或寬帶光。優選寬範圍來提高測量的可靠性，使得可以避免諸如由於發色團吸收特定波長而引起的錯誤最小值。技術人員可以基於諸如可用光源、要測量的皮膚的預期吸收波長以及製作寬帶線性偏振器的難度的因素來選擇源波長範圍。
源波長範圍的中心波長可以在300納米與2000納米之間。較高強度光源可用的合適紅外波長為1064nm波長，該波長廣泛用於玻璃纖維通信網絡中。發出1064納米光的高強度光電二極體是用於根據本發明的測量系統中的較好光源(因為這些光電二極體具有較高的強度，仍然較小，且具有所發出的光到皮膚內部目標位置中的較好穿透深度)。可以同時使用多個這種雷射二極體來提供多色或寬帶源。
還可以在光學系統130中提供本領域中已知的附加光學元件，以進一步引導並修改入射光束140和反射光束145。
測量系統110還可以被配置為排除特定波長。在皮膚上入射的光波長140的範圍可以與由光源產生的波長範圍相同，或者通過提供另外的合適選擇的帶通濾波器，範圍可以與光源120的波長範圍相比減小。另選或另外地，帶通濾波器可以被置於反射光145的路徑中，以進一步改善檢測。
在實踐中，還可以有必要校正皮膚中的依賴波長的吸收和散射損耗。這可以通過合適地修改測量系統110和/或配置處理器來進行。
偏振入射光束140與雙折射膠原纖維的互相作用依賴於入射偏振光束140的偏振方向相對於膠原纖維軸線的定向，使得還可以有利的是提供在使用期間控制偏振方向的裝置，使得用戶可以確定最佳配置。
圖2A和圖2B描繪了在天然膠原存在於目標位置中時，反射光的所測量光強度225(沿著縱軸210)相對於反射光的波長(沿著橫軸220)的圖。
圖2B示出了在目標位置中的膠原已經變性且不再可檢測時，在處理之後的光強度測量275。對於光譜的最低波長，檢測最小或零光強度水平。對於光譜的更高波長，反射光強度急劇提高。隨著波長進一步增大，反射光強度輕微地增大至整體最大值，其後是光譜的最高波長的逐漸降低。接近橫軸220，圖2B還描繪了對應於橫軸220的波長的可見色譜285(範圍從紫色到紅色)。光強度輪廓275未示出與天然膠原的存在關聯的特定最小值，並且可見色譜285未示出暗帶。該光強度輪廓275還可以被描述為在目標位置中沒有膠原(或具有完全變性的膠原)的、在用寬帶偏振源照射時的皮膚的反射光譜響應。
圖2A示出了強度測量225和可見光譜235如何被天然膠原的存在而修改。在圖2A中，光強度輪廓225具有與圖2B中所描繪的光強度輪廓275的上光強度水平近似相同的上光強度水平。圖2A的光強度輪廓225包括交替的最大值和最小值，其中，最大值達到所述上光強度水平，並且最小值達到最小或零光強度水平。光強度輪廓225近似正弦，其中最小值彼此分離。可見光譜235包括強度最小值225出現的波長處的暗帶。
在圖2A中，在膠原的處理(變性)之前，最小值中的每一個與緊鄰的最大值之間的光強度的差是顯著的。例如，每個最小值處的光強度近似為緊鄰最大值的光強度的0％至20％，並且在許多情況下將達到零水平。
該近似正弦圖案的幅值的檢測提供了一種測量膠原纖維的雙折射的方法。當膠原完全變性(或不存在)時，強度輪廓275和可見光譜285根本不示出最小值或暗帶。反射光譜中的相鄰最大值與最小值之間的光強度的差提供膠原變性程度的指示。
在膠原的熱變性期間，膠原的雙折射特性取決於溫度的升高而損失。通常，膠原從近似40攝氏度加熱到至少65攝氏度，這導致雙折射損失為十分之一。隨著膠原變性，變性的程度可以通過將當前情況與處理開始時的情況進行比較或通過將當前情況與參照值進行比較來確定。
例如在「Skin responses to fractional photothermolysis」(Laubach、Tannous等人，Lasers Surg.Med.，38:142-149(2006))中描述了由熱處理進行的膠原變性和膠原纖維收縮。例如在「Collagen denaturation can be quantified in burned human skin using polarization-sensitive optical coherence tomography」(Pierce、Sheridan等人，Burns，30(6)，(2004))中公開了測量對膠原收縮的偏振依賴。
測量系統110還可以被包括在包括處理源的皮膚處理系統中。這種處理源例如可以為RF輻射源或例如用於提供處理光(通常為脈衝式雷射束)的雷射源。處理源例如可以是在1064nm處具有發射的Nd:YAG雷射器。
處理源光束路徑可以與測量系統的光束路徑完全分離或部分集成到該光束路徑中。例如，如果處理源是雷射器，則所述雷射器還可以用作光源120。如果處理束是R.F束，則測量系統110將在功能上與處理功能完全分離。在這種實施例中，測量系統110可以用作用於測量由處理源進行的膠原纖維的變性處理的功效的反饋系統。在這種情況下，比較器還可以連接到處理源以控制處理源，例如來控制處理持續時間或處理強度。
測量系統110可以在變性處理期間連續執行實時測量，或者可以在變性處理期間執行若干測量，該若干測量一起提供關於變性過程和變性處理的當前狀態的反饋。
另外或另選地，測量系統可以被配置且布置為使得入射光束140和反射光束145的路徑部分一致。這可以減小測量系統的尺寸，並且允許入射光束140和反射光束145兩者與皮膚外層近似垂直。
雖然本發明特別適於膠原測量，但技術人員還將能夠將本發明配置為用於檢測其他皮膚雙折射結構(諸如腱、彈性蛋白、毛髮)，並且用於監控由於對應的處理(諸如光脫毛)而引起的測量的變化。
還可以有利的是將測量系統配置並布置為確定多個類型的皮膚雙折射結構的存在。
應注意，上述實施例說明而不是限制本發明，並且本領域技術人員將能夠在不脫離所附權利要求範圍的情況下設計許多另選實施例。在權利要求中，置於括號之間的任何附圖標記不應被解釋為限制權利要求。動詞「包括」及其變形的使用不排除除了權利要求中敘述的那些元件或步驟之外的元件或步驟的存在。元件之前的冠詞「一」或「一個」不排除多個這種元件的存在。本發明可以藉助於包括若干不同元件的硬體且藉助於合適編程的計算機來實現。在列舉了若干裝置的系統權利要求中，這些裝置中的若干可以由同一硬體項來具體實施。在彼此不同的從屬權利要求中記載特定措施的簡單事實，不指示不可以有利地使用這些措施的組合。