專利名稱：血糖水平測定設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在不進(jìn)行血液取樣的條件下對生物活體內(nèi)的葡萄糖濃度進(jìn)行非入侵式測定的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
Hilson等人曾報道在對糖尿病患者進(jìn)行靜脈葡萄糖注射后會引起其面部及舌下溫度發(fā)生改變(非專利文獻(xiàn)1)。Scott等人也討論過糖尿病及體溫調(diào)節(jié)這樣的問題(非專利文獻(xiàn)2)。根據(jù)這些研究，Cho等人建議了相應(yīng)的方法及設(shè)備，用于僅通過對溫度的測量而不需要收集血液樣品就可以確定血液中葡萄糖濃度(專利文獻(xiàn)1和2)。
此外，對在不進(jìn)行血液取樣的條件下測定葡萄糖濃度進(jìn)行過各種嘗試。例如，有一種方法(專利文獻(xiàn)3)建議用三個波長的近紅外光對測量部位進(jìn)行照射，并且探測透過光的強(qiáng)度以及生物活體的溫度。然后，計算得到吸光率的二次微分值的代表值，并且根據(jù)測得的生物體的溫度以及在先確定的參考溫度之間的差值對上述的代表值進(jìn)行校正。從而可確定與校正后的代表值相對應(yīng)的血糖濃度。同時還提供了相應(yīng)的設(shè)備(專利文獻(xiàn)4)，利用該設(shè)備在監(jiān)視生物體的溫度時升高或降低測量部位的溫度。在溫度發(fā)生改變時測定得到的基于光照射的光衰減程度，從而就可以測得葡萄糖的濃度，其中葡萄糖的濃度導(dǎo)致溫度依賴于光衰減的程度。此外，還報道有這樣一種設(shè)備(專利文獻(xiàn)5)，通過該設(shè)備可得到參照光和被照射樣品的透過光之間的輸出比率，然后可通過輸出比率的對數(shù)和生物體溫度之間的線性關(guān)系計算得到葡萄糖的濃度。
另一種方法建議通過合并校正來準(zhǔn)確確定葡萄糖濃度(專利文獻(xiàn)6)。在該方法中，測定結(jié)果主要是在如紅外吸收、散射和旋光測定這幾個現(xiàn)象，它們被一起用來確定葡萄糖濃度。在另一種方法中，是在光學(xué)測量系統(tǒng)中通過消除葡萄糖以外的其它組分物質(zhì)的影響后，進(jìn)行測定并對結(jié)果進(jìn)行校正(專利文獻(xiàn)7)。去除不相關(guān)組成物質(zhì)的影響不僅用在葡萄糖的測定中，而且也可用于對其它物質(zhì)的測量中。例如，當(dāng)測量人體中的氧氣消耗量或氧氣含量時建議去除不相關(guān)組成物質(zhì)的影響(專利文獻(xiàn)8)。
(非專利文獻(xiàn)1)R.M Hilson和T.D.R Hockaday，“Facial and sublingual temperaturechanges following intravenous glucose injection in diabetics，”Diabete &Metabolisme，8，pp.15-191982(非專利文獻(xiàn)2)A.R Scott，T.Bennett，I.A MacDonald，“Diabetes mellitus andthermoregulation，”Can.J.Physiol.Pharmacol.，65，pp.1365-13761787(專利文獻(xiàn)1)美國專利號5,924,996(專利文獻(xiàn)2)美國專利號5,795,305(專利文獻(xiàn)3)日本專利公開號2000-258343 A(專利文獻(xiàn)4)日本專利公開號10-33512A(1998)(專利文獻(xiàn)5)日本專利公開號10-108857A(1998)(專利文獻(xiàn)6)日本專利公開號2001-524342A(專利文獻(xiàn)7)日本專利公開號10-325794A(1998)(專利文獻(xiàn)8)日本專利公開號2003-517342As血液中的葡萄糖(血糖)用于細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的葡萄糖氧化反應(yīng)來產(chǎn)生維持生物體所必需的能量。尤其在基礎(chǔ)代謝狀態(tài)下，所產(chǎn)生的大部分能量被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡糜诰S持生物體的溫度。因此，可推斷在血液葡萄糖濃度和體溫之間存在某種聯(lián)系。然而，當(dāng)生病引起發(fā)熱時，很明顯體溫也會因除血液葡萄糖濃度以外的其它因素的影響而發(fā)生變化。盡管已有在不進(jìn)行血液取樣時通過溫度測定來確定血糖濃度的方法，但它們?nèi)匀狈ψ銐虻木_性。
已經(jīng)發(fā)明出根據(jù)發(fā)射光，如近紅外光的強(qiáng)度來確定葡萄糖濃度的方法。然而，由于近紅外光的吸收峰的特征不是很明顯，所以很難使用這些方法進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。為了解決這個問題，提出了使用校正技術(shù)來消除光測量系統(tǒng)中的干擾物質(zhì)，但是它們中沒有一種能夠足夠準(zhǔn)確到用于實(shí)際的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種方法和設(shè)備，使得在不進(jìn)行血液取樣的條件下根據(jù)受檢者的溫度數(shù)據(jù)非常精確地確定其血糖濃度。
血糖通過血管系統(tǒng)，尤其是毛細(xì)血管被輸送到整個人體中的細(xì)胞中。在人體中，存在復(fù)雜的代謝途徑。葡萄糖氧化是一種反應(yīng)，在該反應(yīng)中，首先是血糖與氧反應(yīng)產(chǎn)生水、二氧化碳和能量。這里的氧是指通過血液輸送到細(xì)胞中的氧。氧供應(yīng)的體積通過血紅蛋白濃度、血紅蛋白氧飽和度以及血液流動的體積來確定。在另一方面，體內(nèi)由葡萄糖氧化產(chǎn)生熱量通過對流、熱輻射、傳導(dǎo)等方式從體內(nèi)耗散。假設(shè)體溫由體內(nèi)葡萄糖燃燒產(chǎn)生的能量，即熱產(chǎn)出和上面所述的熱耗散之間的平衡來確定，發(fā)明者們建立了下面的模型(1)熱產(chǎn)出的量和熱耗散的量被認(rèn)為是相等的。
(2)熱產(chǎn)出的量是血糖濃度和氧供給體積的函數(shù)。
(3)氧供給體積是由血紅蛋白濃度、血紅蛋白氧飽和度以及毛細(xì)血管中流動的血液體積來確定。
(4)熱耗散的量主要通過熱對流和熱輻射來確定。
根據(jù)該模型，在通過測定身體表面溫度、測定與血氧濃度相關(guān)的參數(shù)和測定與血液流動體積相關(guān)的參數(shù)的結(jié)果的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地確定血糖濃度后，我們完成了本發(fā)明。這些參數(shù)可以從人體的某一部位測得，例如指尖。與對流和輻射相關(guān)的參數(shù)可通過對指尖的熱測量確定。與血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度相關(guān)的參數(shù)可通過光譜法測得血紅蛋白并且找出攜氧的血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白之間的比例后確定。然而，光譜測量受到干擾物質(zhì)的影響，因此有必要對這些干擾物質(zhì)進(jìn)行校正?？赏ㄟ^測量血液中的膽紅素和濁物、表皮中的黑色素以及皮膚的厚度和粗糙度來達(dá)到該目的，因為這些物質(zhì)是在通過光譜法測量人體某一部分過程中的主要的干擾物質(zhì)。與血液流動體積相關(guān)的參數(shù)可通過測定從皮膚傳遞的熱量來確定。
在一方面，本發(fā)明提供的一種血糖水平測量設(shè)備包括(1)一熱量測量裝置，用于測量多個體表溫度。獲得的信息用于計算構(gòu)成體表耗散熱量的對流熱傳遞的熱量和輻射熱傳遞的熱量。該設(shè)備還包括(2)一血液流動體積測量裝置，用于獲得血液流動體積的信息。還包括(3)一光學(xué)測量裝置，用于獲得血液中的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度。該裝置包括能夠生成至少三種不同波長光的光源、通過光源發(fā)出的光來照射體表的一光學(xué)系統(tǒng)以及至少三種不同的光探測器，用于探測照射在體表上的光。該設(shè)備還進(jìn)一步包括(4)一存儲裝置，用于存儲血糖濃度和與多個溫度、血液流動體積、血液中血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度以及血糖水平相對應(yīng)的個體參數(shù)之間關(guān)系。還包括(5)一計算裝置，用于將熱量測量裝置、血液流動體積測量裝置和光學(xué)測量裝置提供的測量值轉(zhuǎn)換為參數(shù)。該計算裝置也將這些參數(shù)用到存儲裝置所存儲的關(guān)系中而計算出血糖濃度。該設(shè)備還進(jìn)一步包括(6)一顯示裝置，用于顯示由計算設(shè)備計算得到的血糖濃度。優(yōu)選地，光探測器包括用于探測體表反射光的第一光探測器；探測體表散射光的第二光探測器；以及探測通過體表進(jìn)入皮膚并從體表中穿出的光的第三光探測器。優(yōu)選地，光測量單元使用三種或更多種，優(yōu)選為五種波長的光通過消除掉血液中的膽紅素和濁物、表皮中的黑色素以及皮膚的厚度和粗糙度的影響來測量血液的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度。
在另一方面，本發(fā)明提供一種血糖水平測量設(shè)備，包括一周圍環(huán)境溫度測量裝置，用于測量周圍環(huán)境的溫度；一體表接觸裝置，用于與身體表面相接觸；一熱輻射溫度探測器，用于測量來自于體表的輻射熱；以及一鄰近溫度探測器，放置在與體表接觸裝置相鄰近的位置。該設(shè)備還包括一間接溫度探測器，用于測量與體表接觸裝置存在一定距離處的溫度，其被設(shè)置與導(dǎo)熱元件相鄰近并且與體表接觸裝置存在一定距離的位置；一導(dǎo)熱元件，其連接體表接觸裝置和間接溫度探測器；以及能夠產(chǎn)生至少三種不同波長的光的光源，其中三種不同波長的光為810nm、950nm以及第三種波長。它還包括一光學(xué)系統(tǒng)，其使用光源發(fā)出的光照射體表；以及至少三種不同的光探測器，其用于探測照射體表的光。該設(shè)備還進(jìn)一步包括一存儲單元，用于存儲周圍環(huán)境溫度探測器、輻射溫度探測器、鄰近溫度探測器、間接溫度探測器以及至少三種不同的光探測器各自的輸出與血糖濃度之間的關(guān)系。該設(shè)備還進(jìn)一步包括一計算裝置，其使用各種輸出并參考存儲在存儲單元中的關(guān)系來計算血糖濃度。該設(shè)備還包括一顯示裝置，用于顯示由計算設(shè)備計算得到的血糖濃度。


圖1顯示了在使用連續(xù)光源照射皮膚表面的情況下光的發(fā)射模型。
圖2顯示了熱量從體表傳遞到某塊體的模型。
圖3標(biāo)繪了溫度T1和T2的測量值隨時間變化關(guān)系。
圖4顯示了測量溫度T3隨時間的變化的一個例子。
圖5顯示了由各種傳感器提供的測量值與從中得到的參數(shù)之間的關(guān)系。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的非侵入式血糖濃度測量裝置的俯視圖。
圖7顯示了設(shè)備的操作過程。
圖8詳細(xì)顯示了測量設(shè)備。
圖9顯示了描述設(shè)備中的數(shù)據(jù)處理流程的概念圖。
圖10標(biāo)繪了通過本發(fā)明計算得到的葡萄糖濃度值和通過酶電極方法測得的葡萄糖濃度值。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。
首先，將對上述的模型進(jìn)行更詳細(xì)的描述。對于熱耗散量來講，其最主要的原因之一是對流熱傳遞，其與周圍環(huán)境(室內(nèi))溫度和體表溫度之間的溫度差相關(guān)。根據(jù)Stefan-Boltzmann法則，由另一種引起熱消耗的主要原因的熱輻射而導(dǎo)致的消耗的熱量與體表溫度的四次方成正比。由此可知，人體熱耗散的量與室溫和體表溫度有關(guān)。在另一方面，與熱產(chǎn)量相關(guān)的另一個主要因素的供氧量可表示為血紅蛋白濃度、血紅蛋白氧飽和度以及血液流動體積的乘積。
血紅蛋白濃度可通過在某一波長處的吸光率來測定，其中在該波長處，攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)相等(相等的吸收波長)。血紅蛋白氧飽和度可通過測量在相同吸收波長處的吸光率，以及在至少一種不同波長處的吸光率來測定，其中在至少一種不同的波長處，攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)的比率是已知的，然后求解聯(lián)立方程。然而，為了通過吸收率來準(zhǔn)確地確定血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度，就必須對干擾成分的影響進(jìn)行校正。影響吸收率的干擾成分包括皮膚表面的粗糙度、皮膚(表皮)的厚度、皮膚的顏色以及血液中其它的干擾成分。這些干擾成分可通過各種方法進(jìn)行測量，測量的實(shí)施例將在下面進(jìn)行描述。
皮膚表面的粗糙度可通過將皮膚表面的反射光(鏡面反射)與散射光進(jìn)行對比而測得。當(dāng)皮膚表面象鏡面一樣光滑時，可觀察到反射光很強(qiáng)而散射光較弱。相反，當(dāng)皮膚粗糙時，在反射光和散射光之間的差別就會變小。因此，通過確定反射光和散射光之間的比率，就可以對皮膚的粗糙度進(jìn)行估計。
皮膚的厚度可通過測量在皮膚中行進(jìn)距離d的光的強(qiáng)度來進(jìn)行測定。圖1顯示了皮膚表面受到連續(xù)光的照射時的光的行為。當(dāng)使用一定波長和強(qiáng)度的光進(jìn)行照射時，光受到皮膚表面的反射和散射。部分光穿透皮膚并且重復(fù)進(jìn)行散射和漫射。這種行為的光在行程為d時所穿透的深度基本是一個依賴于波長的常量。皮膚不含有血液，因此具有低的流動性，從而導(dǎo)致對光的低吸收率。在另一方面，真皮中含有血液，因此具有高的流動性，從而導(dǎo)致對光的高吸收率。因此，當(dāng)皮膚薄時，光能夠更深地穿透真皮，從而導(dǎo)致較大的吸收率。當(dāng)皮膚厚時，光行進(jìn)的距離就變得較短，從而吸收率變小。通過得到行程為d的光的強(qiáng)度和光以相同的方式在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中行程為已知厚度的光的強(qiáng)度的比率，從而可估計皮膚的厚度。
皮膚的顏色可通過黑色素的吸收光譜進(jìn)行確定。
在血液中存在二種主要的干涉成分。一種為膽紅素，其是黃疸癥狀的成因之一。另一種為濁物，其是高血脂癥狀的成因之一。這些成分的濃度也可以通過吸收光譜來進(jìn)行確定。
因此，血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度可通過測量在至少二種波長處的光的吸光率來確定，此時，攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白之間的摩爾吸收系數(shù)的比率是相等或已知的，并且在使用三種波長的光時，黑色素、膽紅素和濁物的摩爾吸收系數(shù)是已知的。測量中要至少使用三種探測器，即主要探測反射光的反射光探測器、主要探測散射光的散射光探測器以及主要探測移動光子的移動光子探測器。
反射光探測器除了能夠探測從體表反射的大部分反射光外，還能夠探測部分散射光，該散射光是通過身體內(nèi)部然后從體表離開的光。因此，可以得到所探測到的反射光和散射光之間的比率，從而可以估計皮膚的粗糙程度。散射光探測器除了能夠探測大部分通過身體內(nèi)部然后從體表離開的散射光外，還可以探測部分從體表反射的反射光。因此，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈饴实臏y量，其涉及血紅蛋白濃度、血紅蛋白氧飽和度、黑色素、膽紅素和/或濁物。移動光子到移動光子探測器的路徑是被光學(xué)上封鎖的，從而移動光子探測器不會探測到那些來自于反射光和散射光的光。因此，移動光子探測器僅僅能夠探測移動光子，從而可以對皮膚的厚度進(jìn)行估計。在探測的過程中，總共需要使用到至少三種探測器，即反射光探測器、散射光探測器以及移動光子探測器。優(yōu)選地，也可以使用其它的具有相似功能和更高靈敏度的探測器，其靈敏度依賴于光的波長種類。此外，如需要還可以使用發(fā)射光探測器來探測那些通過探測區(qū)域的光。在這種情況下，通過捕捉血液脈動，還可以提高測量的準(zhǔn)確性。
這里描述的波長的值是最適合用來獲得期望的吸光率，如在相同的摩爾吸收系數(shù)的條件下獲得吸光率或獲得吸收峰。因此，接近這里描述值的波長的光可以被用于相類似的測量。
剩下的是血液流動體積，其可以通過各種方法進(jìn)行測量。下面將對一個實(shí)施例進(jìn)行描述。
圖2顯示了熱量從體表傳遞到具有一定熱容的某固體塊體的模型，該塊體先與體表接觸一定的時間后分離。該塊體由樹脂制成，如塑料或氯乙烯。在描述的例子中，主要集中在與體表接觸的那部分塊體的溫度T1隨時間的變化，以及塊體上沒有與體表接觸的點(diǎn)上的溫度T2隨時間的變化。血液流動體積可以主要通過監(jiān)控(在空間隔離的塊體的點(diǎn)的)溫度T2隨時間的變化來進(jìn)行估計。具體的將在后面進(jìn)行描述。
在塊體與體表進(jìn)行接觸之前，在塊體的兩點(diǎn)上的溫度T1和T2與室溫Tr是相等的。當(dāng)體表溫度Ts高于室溫Tr時，由于塊體與體表接觸導(dǎo)致熱量從體表傳向塊體，從而溫度T1快速上升并接近體表溫度Ts。在另一方面，由于在塊體中傳導(dǎo)的熱量從塊體表面散失從而溫度T2低于溫度T1，并且比溫度T1的上升更為緩和。溫度T1和溫度T2隨時間的變化取決于從體表向塊體傳送的熱量，其反過來又取決于皮膚下的毛細(xì)血管的血液流動體積。如果毛細(xì)血管被認(rèn)為是熱交換器，那么從毛細(xì)血管向周圍的細(xì)胞組織的導(dǎo)熱系數(shù)就是血液流動體積的函數(shù)。因此，通過監(jiān)控溫度T1和溫度T2隨時間的變化來測得從體表向塊體傳送的熱量，就可以估算出從毛細(xì)血管向細(xì)胞組織傳送的熱量。根據(jù)該估計值，從而就可以估算血液流動體積。因此，通過監(jiān)控溫度T1和T2隨時間的改變，從而測得從體表向塊體傳送的熱量，就可以估算出從毛細(xì)血管向細(xì)胞組織傳送的熱量。根據(jù)該估計值，血液流動體積也可以得到估算。
圖3顯示了與在塊體上的與體表接觸的那部分的溫度T1隨時間的變化，以及在塊體上的離開與體表接觸處的溫度T2隨時間的變化。當(dāng)在塊體與體表相接觸時，T1的測量值迅速增加，并且在塊體與體表分離后逐漸下降。
圖4顯示了通過輻射溫度探測器測得的溫度T3隨時間的變化。因為該探測器探測因體表輻射所帶來的溫度，所以要比其它的傳感器對溫度的變化更加敏感。因為輻射熱是作為電磁波進(jìn)行傳播，從而能夠即時地傳導(dǎo)溫度的改變。因此，通過將輻射溫度探測器放置在靠近塊體與體表接觸的位置來測量輻射熱，如后面將要描述的圖8所示，在塊體和體表之間的接觸開始時間tstart和接觸結(jié)束時間tend可以通過溫度T3的改變而測得。例如，如圖4中所示，設(shè)置一個溫度閾值。接觸開始時間tstart為T3超過溫度閾值時的時間。接觸結(jié)束時間tend為T3低于溫度閾值時的時間。例如溫度閾值設(shè)置在32℃。
然后，在tstart和tend之間的T1測量值用S型曲線，例如對數(shù)曲線進(jìn)行逼近。對數(shù)曲線可通過下面的方程式來表達(dá)T=b1+c×exp(-a×t)+d]]>其中，T是溫度，t是時間。
測量值可通過非線性最小二乘法確定因子a、b、c和d來逼近。對于所得到的逼近表達(dá)式，將T在tstart和tend之間進(jìn)行積分得到值S1。
相似地，從T2的測量值計算得到積分值S2。(S1-S2)越小，從手指表面到T2位置傳送的熱量越大。(S1-S2)隨著與手指的接觸時間tcont(＝tend-tstart)的增大而增大。因此，以a5/(tcont×(S1-S2))作為參數(shù)X5用于指示血液流動體積，這里a5為比例系數(shù)。
因此，可以看出通過上述模型測得的用于確定血液葡萄糖濃度所必需的數(shù)據(jù)為室溫(周圍環(huán)境溫度)、體表溫度變化、與體表接觸的塊體的溫度變化、由體表輻射產(chǎn)生的溫度以及所使用的至少三個波長的反射光和散射光的吸光以及移動光子的強(qiáng)度。
圖5顯示了由各種傳感器提供的測量值以及從中得到的參數(shù)之間的關(guān)系。將塊體與體表進(jìn)行接觸，在塊體上的兩個位置處通過兩個溫度傳感器測得兩種類型的溫度T1和T2。單獨(dú)測得體表輻射溫度T3和室溫T4。散射光的吸光率A1和A2在與血紅蛋白相關(guān)的至少兩個波長處測得。反射光的吸光率A3、A4和A5在與濁物、膽紅素和黑色素相關(guān)的至少三個波長處測得。反射光的吸光率A6在至少單獨(dú)的一個波長處測得。做為選擇的，反射光的吸光率可以通過上述的五種波長測得，從而可以使用這些值的均值或中值。移動光子的強(qiáng)度I1在至少單獨(dú)的一個波長處測得。做為選擇，強(qiáng)度可以通過上述的五種波長測得，從而可以使用這些值的均值或中值。溫度T1、T2、T3和T4提供與血液流動體積相關(guān)的參數(shù)。溫度T3提供與通過輻射傳遞的熱量相關(guān)的參數(shù)。溫度T3和T4提供與通過對流傳遞的熱量相關(guān)的參數(shù)。吸光率A1～A6以及強(qiáng)度I1提供與血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度相關(guān)的參數(shù)。
在下文中，將對根據(jù)本發(fā)明原則設(shè)計的非侵入式測量血糖濃度的設(shè)備實(shí)施例進(jìn)行描述。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的非侵入式血糖水平測量設(shè)備的俯視圖。盡管在本實(shí)施例中使用球狀指尖的皮膚作為體表，但也可以使用身體的其它部位來作為體表。
在設(shè)備的上表面具有一操作裝置11、一用于放置要測量指尖的測量裝置12以及一用于顯示設(shè)備狀態(tài)、測量值等狀態(tài)的顯示裝置13。操作裝置11包括從11a到11d的四個按鈕用于操作裝置。測量裝置12含有一個蓋子14，當(dāng)打開(如圖所示)時，露出具有橢圓形外圍的手指支架15。手指支架15配有一輻射溫度傳感器的開口終端16、接觸式溫度傳感器17和光傳感器18。
圖7顯示了操作設(shè)備的過程。當(dāng)按下操作設(shè)備的一個按鈕時，可打開設(shè)備并在電路進(jìn)行預(yù)熱時在LCD顯示“預(yù)熱”。同時，檢查程序被激活自動對電路進(jìn)行檢查。當(dāng)預(yù)熱階段結(jié)束時，在LCD上提示“放上您的手指”。當(dāng)用戶將他的或她的手指放在手指支架上時，在LCD上顯示倒計數(shù)。當(dāng)?shù)褂嫈?shù)完成后，在LCD上提示“移開手指”。當(dāng)用戶按照提示移開手指后，LCD顯示“處理數(shù)據(jù)”。隨后，顯示器顯示血糖濃度，并將其與日期和時間一起存儲在IC卡中。當(dāng)用戶看到顯示的血糖濃度后，他或她按下設(shè)備上的另一個按鈕。大約1分鐘后，設(shè)備在LCD上提示“放上您的手指”，因此表示設(shè)備已準(zhǔn)備好進(jìn)行下一輪的測試。
圖8中詳細(xì)顯示了測量裝置。在圖8中，(a)是俯視圖，(b)是沿圖(a)中的X-X軸的截面圖，(c)是沿圖(a)中的Y-Y軸的截面圖，(d)是沿圖(a)中的Z-Z軸的截面圖。
首先，對通過根據(jù)本發(fā)明的非侵入式測量血糖濃度的設(shè)備進(jìn)行溫度測量的過程進(jìn)行描述。在測量裝置中與測試體(手指球)接觸的部分放置一具有高導(dǎo)熱性的材料薄片21，例如金。由導(dǎo)熱性低于片21的材料，例如聚氯乙烯制成的棒狀導(dǎo)熱部件22被熱連接到片21上并伸入設(shè)備中。溫度傳感器包括一用于測量片21溫度并且充當(dāng)測量物體的鄰近溫度探測器的熱敏電阻23。還有一個用于測量與片21分開一段距離的導(dǎo)熱部件溫度，并且充當(dāng)測量物體間接的溫度探測器的熱敏電阻24。紅外透鏡25被放置在設(shè)備中使得可以通過透鏡看到置于手指支架15上的測量物體(手指球)。在紅外透鏡25下面，通過紅外輻射傳遞窗口26放置了一個熱電探測器27。另一個熱敏電阻28被放置在靠近熱電探測器27的位置。
因此，測量裝置的溫度傳感部分具有4個溫度傳感器，并且它們測量如下的四種溫度(1)手指表面的溫度(熱敏電阻23)T1(2)導(dǎo)熱部件的溫度(熱敏電阻24)T2(3)由手指的輻射溫度(熱電探測器27)T3(4)室溫(熱敏電阻28)T4光傳感器裝置18測量確定供氧體積所必需的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度。為了測量血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度，必須測量至少在五個波長處的散射光的吸光率，至少在一個波長處的反射光的吸光率以及至少在一個波長處的光子強(qiáng)度。反射光吸光率的準(zhǔn)確性可以通過在多個波長處進(jìn)行測量而得到提高，如果可能，可使用均值。因此，在本實(shí)施例中，反射光吸光率在五個不同的波長處測得。通過在多個波長處對移動光子的強(qiáng)度進(jìn)行測量，還可以提高測量的準(zhǔn)確度，如果可能，可使用均值。因此，在本實(shí)施例中，在接近紅外光波長區(qū)域的二種波長的光下測得移動光子的強(qiáng)度。圖8顯示了使用五個光源35a～35e和三個探測器36～38進(jìn)行測量的配置。
四個光纖31～34的端部位于光傳感器18上。光纖31用于光輻射，光纖32～34用于接收光。如圖8(c)所示，光纖31連接到支光纖31a～31e上，在支光纖的端部分別具有五種波長的發(fā)光二極管35a～35e。接收光的光纖32的另一端裝有光電二極管36。接收光的光纖33的另一端裝有光電二極管37。接收光的光纖34的另一端裝有光電二極管38。發(fā)光二極管35a發(fā)射波長為810nm的光，而發(fā)光二極管35b發(fā)射波長為950nm的光。波長810nm為等吸收波長，在該波長下攜氧的血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)相等。在波長為950nm下攜氧的血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)之間有較大差值。發(fā)光二極管35c發(fā)射波長為520nm的光，在該波長下黑色素的摩爾吸收系數(shù)較大。發(fā)光二極管35d發(fā)射波長為450nm的光，在該波長下膽紅素的摩爾吸收系數(shù)較大。發(fā)光二極管35e發(fā)射波長為660nm的光，在該波長下濁物的摩爾吸收系數(shù)較大。
五個發(fā)光二極管35a～35e以分時的方式進(jìn)行光發(fā)射。發(fā)光二極管35a～35e發(fā)出的光通過光纖31照射在手指上。照射在手指上的光被皮膚反射，進(jìn)入接收光的光纖32，并且最終被光電二極管36探測到。散射光進(jìn)入接收光的光纖33然后被光電二極管37探測到。移動光子進(jìn)入接收光的光纖34然后被光電二極管38探測到。這些接收光的光纖具有光鎖定結(jié)構(gòu)，例如它們能夠防止反射光和/或散射光的直接進(jìn)入。
當(dāng)照射手指皮膚的光被皮膚反射時，由于皮膚表面的粗糙，反射光朝各個方向進(jìn)行散射。反射光被光電二極管36測得并且部分散射光被光電二極管37測得。當(dāng)照射手指的光被手指皮膚反射和散射時，部分光穿透皮膚并進(jìn)入組織中，然后被表皮中的黑色素、毛細(xì)血管中流動的血液中的血紅蛋白以及干擾物質(zhì)膽紅素和濁物所吸收。由光電二極管36和37提供的測量數(shù)據(jù)具有反射系數(shù)R，并且可通過log(1/R)近似計算得到吸光率。因此用波長為450nm、520nm、660nm、810nm和950nm的光照射手指，并且測得每種光的R并計算得到log(1/R)。因此，可分別測得波長為450nm的吸光率AD11和AD21、波長為520nm的吸光率AD12和AD22、波長為660nm的吸光率AD13和AD23、波長為810nm的吸光率AD14和AD24以及波長為950nm的吸光率AD15和AD25。(由光電二極管36探測的波長為λi的反射光的吸收率為AD1i，由光電二極管37探測的散射光的吸收率為AD2i，以及由光電二極管38探測的移動光子的強(qiáng)度為ID3i)。
部分光穿透表皮并進(jìn)入到手指中，在其內(nèi)部進(jìn)行反復(fù)散射，并且行進(jìn)一定距離d。從而可使用光電二極管38來探測移動光子。
當(dāng)不攜氧的血紅蛋白濃度為[Hb]，攜氧的血紅蛋白濃度為[HbO2]，膽紅素的濃度為[Bi]，濁物的的濃度為[Tur]，黑色素的濃度為[Me]時，波長為λi的散射光的吸收率AD2i可以用下列等式表示AD2i=a{[Hb]×AHb(λi)+[HbO2]×AHbO2(λi)+[Bi]×ABi(λi)]]>+[Tur]×ATur(λi)+[Me]×AMe(λi)}×D×aRough]]>aRough=b×ΣAD2iΣAD1i,]]>D=1c×ΣID3ii]]>其中AHb(λi)、AHb02(λi)、ABi(λi)、ATur(λi)以及AMe(λi)分別為不攜氧的血紅蛋白、攜氧的血紅蛋白、膽紅素、濁物和黑色素的摩爾吸收系數(shù)。a、b和c是比例系數(shù)。AD1i為波長為λi的散射光的吸收率，ID3i為波長為λi的移動光子的強(qiáng)度。從上面的等式中，可以確定皮膚表面粗糙度aRough的參數(shù)和皮膚厚度的參數(shù)D為常量，并且可以被代入到AD2i的等式中。與皮膚厚度相關(guān)的參數(shù)可以從移動光子探測器獲得的測量值來確定，從而可以校正皮膚厚度所帶來的影響。因為i＝1～5，從而可以得到AD2i的五個等式。通過求解這些連立方程，從而可以得到五個變量，即[Hb]、[HbO2]、[Bi]、[Tur]和[Me]的值。從上面得到的[Hb]和[HbO2]可以確定血紅蛋白濃度[Hb]+[HbO2]，以及血紅蛋白氧飽和度[HbO2]/([Hb]+[HbO2])。
在本實(shí)施例中，通過在五種波長下測量吸光率從而可以得到血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度。然而，優(yōu)選地可通過添加一種或多種波長來測得吸光率，其中該波長在攜氧血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白之間的摩爾吸收系數(shù)差別較大，從而可以提高測量的準(zhǔn)確性。例如，可以加入波長為880nm的光，并且將在波長為950nm和810nm下計算得到的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度代入到上述等式中，并且與在波長為880nm和810nm下計算得到的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度分別計算得到其平均值。采用這種方法，可以提高測量的準(zhǔn)確性。
波長的結(jié)合使用如表1所示。
表1

如表1所示，設(shè)備的配置可以根據(jù)期望的準(zhǔn)確性來進(jìn)行調(diào)整，其中可將3～6種波長結(jié)合使用。如果認(rèn)為測量結(jié)果不會受到膽紅素的顯著影響，就可以忽略與膽紅素吸收相關(guān)的450nm的波長。與黑色素吸收相關(guān)的波長為520nm。與血液中的濁物相關(guān)的波長為660nm，其中濁物主要由膽固醇、中性脂肪以及其它形成的高血脂的物質(zhì)組成。如果在認(rèn)為某些物質(zhì)不會對測量的結(jié)果產(chǎn)生影響的情況下，可以忽略與其相關(guān)的波長。
優(yōu)選地，除了用于血紅蛋白測量的950nm和810nm波長外，還可以加入用于膽紅素的450nm波長，用于黑色素的520nm波長以及用于血液中濁物的660nm波長，共三種波長的光。一般來講，用于血液中濁物的660nm波長作為第三種波長是最合適的；然而，取決于目標(biāo)對象的特征，其它波長的光也許更為合適。
優(yōu)選地，可以從用于膽紅素的450nm波長、用于黑色素的520nm波長以及用于血液中濁物的660nm波長的光中選出二種波長的光，形成一組含四種波長的光來進(jìn)行測量。作為二種添加的波長，用于膽紅素的450nm波長和用于血液中濁物的660nm波長的光是最合適的。然而，取決于測量目標(biāo)對象的特征，其它波長的光也許更為合適。
也可以使用用于血紅蛋白的950nm和810nm、用于膽紅素的450nm波長、用于黑色素的520nm波長以及用于血液中濁物的660nm波長的光來進(jìn)行測量。
優(yōu)選地，在使用三種、四種和五種波長的情況下，可以添加880nm波長的光用于血紅蛋白的測量。通過這么做，可以將每種波長組合下確定的攜氧血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白的濃度與使用880nm波長代替950nm波長時測得的攜氧血紅蛋白和不攜氧的血紅蛋白的濃度進(jìn)行平均。
在下面的實(shí)施例中，將對表1中的例13進(jìn)行描述。
圖9是顯示了數(shù)據(jù)在設(shè)備中是如何被處理的。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備配有熱敏電阻23、熱敏電阻24、熱電探測器27、熱敏電阻28以及由光電二極管36～38形成的三個光探測器。光電二極管36和37測量波長為810nm、950nm、660nm、520nm和450nm的光的吸收率。光電二極管38測量波長為810nm和950nm的光的強(qiáng)度。因此，該設(shè)備共提供十六種類型的測量值，包括溫度、熱以及光學(xué)測量數(shù)據(jù)。其中加入波長為880nm的光來提高測量精確性，測量值被提供給裝置19。
七種類型的模擬信號通過各自的放大器A1～A7供給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD1～AD7轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。根據(jù)這些數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)值，可計算參數(shù)xi(i＝1、2、3、4、5)下面為xi(其中e1～e5是比例系數(shù))的具體描述與熱輻射成正比的參數(shù)x1＝e1×(T3)4與熱對流成正比的參數(shù)x2＝e2×(T4-T3)與血紅蛋白濃度成正比的參數(shù)x3＝e3×([Hb]+[HbO2])
與血紅蛋白氧飽和度成正比的參數(shù)x4＝e4×[HbO2]/([Hb]+[HbO2])與血液流動體積成正比的參數(shù)x5＝e5/(tCONT×(S1-S2))然后，通過平均值以及xi的標(biāo)準(zhǔn)偏差計算標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差xi是從大量的有勞動能力的人群和糖尿病患者中獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)。根據(jù)下面的方程式可從每個參數(shù)xi計算得到標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)Xi(i＝1、2、3、4、5)Xi=xi-x‾iSD(xi)]]>這里xi參數(shù)xi參數(shù)的平均值SD(xi)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差使用上面的五個標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，進(jìn)行推導(dǎo)計算可轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜谧罱K顯示的葡萄糖濃度。用于進(jìn)行處理計算所必需的程序存儲在設(shè)備自帶的微處理器的ROM中。用于處理計算的內(nèi)存區(qū)域也同樣建在設(shè)備內(nèi)的RAM中。計算得到的結(jié)果被顯示在LCD上。
作為進(jìn)行處理計算的程序所必需的組成元件，ROM存儲用于專門確定葡萄糖濃度C的函數(shù)。該函數(shù)定義如下。C通過下面的方程式(1)來表示，其中ai(i＝0，1，2，3，4，5)事先根據(jù)下面的步驟從多組測量數(shù)據(jù)中確定(1)建立用于表示標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)和葡萄糖濃度C之間關(guān)系的多重回歸方程式。
(2)通過由最小二乘法得到的方程式中得到與標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方程式(聯(lián)立方程)。
(3)從標(biāo)準(zhǔn)化方程式中確定系數(shù)ai(i＝0、1、2、3、4、5)的值，然后代入多重回歸方程式。
首先，將表示葡萄糖濃度C和標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)X1、X2、X3、X4和X5的回歸方程式(1)公式化。
C＝f(X1，X2，X3，X4，X5)＝a0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5......(1)然后，使用最小二乘法來獲得多重回歸方程式，該方程式可將根據(jù)酶電極方法得到的葡萄糖濃度的測量值Ci的誤差最小化。殘差的平方和為D，D可通過下面的方程式(2)來表示D=Σi=1ndi2]]>=Σi=1n(Ci-f(Xi1,Xi2,Xi3,Xi4,Xi5))2]]>=Σi=1n{Ci-(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}2.......(2)]]>當(dāng)a0、a2、...、a5為0，對方程式(2)使用偏微分法時得到的殘差的平方和D就為最小。因此，我們就得到下面的方程式∂D∂a0=-2Σi=1n{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0]]>∂D∂a1=-2Σi=1nXi1{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0]]>∂D∂a2=-2Σi=1nXi2{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0]]>∂D∂a3=-2Σi=1nXi3{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0]]>∂D∂a4=-2Σi=1nXi4{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0]]>∂D∂a5=-2Σi=1nXi5{Ci(a0+a1Xi1+a2Xi2+a3Xi3+a4Xi4+a5Xi5)}=0.....(3)]]>當(dāng)C和X1到X5的均值分別為Cmean和X1mean到X5mean時，因為Ximean＝0(i＝1～5)，因此就可以從方程式(1)得到方程式(4)
a0＝Cmean-a1X1mean-a2X2mean-a3X3mean-a4X4mean-a5X5mean＝Cmean......(4)在標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)之間的偏差和共變通過方程式(5)來表示。在標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)Xi(i＝1～5)和C之間的共變通過等式(6)來表示。
Sij=Σk=1n(Xki-Ximean)(Xkj-Xjmean)=Σk=1nXkiXkj(i,j=1,2,..5).......(5)]]>SiC=Σk=1n(Xki-Ximean)(Ck-Cmean)=Σk=1nXki(Ck-Cmean)(i=1,2,..5).......(6)]]>將方程式(4)、(5)和(6)代入方程式(3)中并且重新整理聯(lián)立方程(標(biāo)準(zhǔn)化方程式)(7)。對方程式(7)求解得到a1到a5。
a1S11+a2S12+a3S13+a4S14+a5S15＝S1Ca1S21+a2S22+a3S23+a4S24+a5S25＝S2Ca1S31+a2S32+a3S33+a4S34+a5S35＝S3Ca1S41+a2S42+a3S43+a4S44+a5S45＝S4Ca1S51+a2S52+a3S53+a4S54+a5S55＝S5C......(7)通過方程式(4)可獲得常數(shù)a0。由此得到的ai(i＝0、1、2、3、4、5)在生產(chǎn)設(shè)備時就被存儲在ROM中。在使用這些設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測量時，從測量值獲得的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)X1～X5被代入回歸方程式(1)中用于計算葡萄糖濃度。
在下文中，將對計算參數(shù)Xi的過程的實(shí)施例進(jìn)行描述。實(shí)施例中使用的數(shù)據(jù)都是來自于身體健康的人群。用于參數(shù)計算等式的系數(shù)是通過事先測得的溫度數(shù)據(jù)和光學(xué)測量數(shù)據(jù)得到的。微處理器中的ROM存儲下列用于參數(shù)計算的方程式
x1＝0.98×10-3×(T3)4x2＝1.24×(T4-T3)X3＝1.36×([Hb]+[HbO2])x4=2.67×([HbO2][Hb]+[HbO2])]]>x5=1.52×106×(1tCONT×(S1-S2))]]>例如當(dāng)T3＝36.5℃被作為測量值代入到上述的等式中時，得到x1＝1.74×103。當(dāng)T4＝19.7℃被代入到上述的等式中時，得到x2＝2.08×10。然后，在計算x3之前，需要先得到[Hb]和[HbO2]。用于濃度計算公式的系數(shù)通過事先測得的每種物質(zhì)的光散射吸收系數(shù)來確定。使用此等式，在使用五種波長測量的條件下，通過求解下面的聯(lián)立方程可確定[Hb]和[HbO2]AD2_450＝9.74×101＝0.87{60,000×[Hb]+60,000×[HbO2]+55,000×[Bi]+160×[Tur]+1,900×[me]}×0.93×0.85AD2_520＝4.90×10＝0.87{33,000×[Hb]+30,000×[HbO2]+54×[Bi]+130×[Tur]+1,300×[me]}×0.93×0.85AD2_660＝1.40＝0.87{3,000×[Hb]+300×[HbO2]+30×[Bi]+100×[Tur]+470×[me]}×0.93×0.85AD2_810＝1.67＝0.87{800×[Hb]+800×[HbO2]+3×[Bi]+60×[Tur]+190×[me]}×0.93×0.85AD2_950＝1.98＝0.87{750×[Hb]+1,150×[HbO2]+2×[Bi]+30×[Tur]+60×[me]}×0.93×0.85aRough=0.85=1.35×(9.74×101+4.90×10+1.40+1.67+1.98)(1.55×101+7.78×10+2.22+2.65+3.14)]]>D=0.93=11.06×(1.02+1.01)2]]>求解該聯(lián)立方程組可以得到[Hb]＝0.09mmol/L以及[HbO2]＝2.21mmol/L。從而可以計算出x3＝3.13和x4＝2.57。然后，代入S1＝1.76×102、S2＝1.89×10以及tCONT＝22秒，計算得到x5＝4.40×102。
相似地，在同時使用四種波長950nm、810nm、660nm和450nm的光的條件下，我們得到下面的聯(lián)立方程組
AD2_450＝9.74×101＝0.87{60,000×[Hb]+60,000×[HbO2]+53,000×[Bi]+190×[Tur]}×0.93×0.85AD2_660＝1.40＝0.87{3,000×[Hb]+300×[HbO2]+30×[Bi]+146×[Tur]}×0.93×0.85AD2_810＝1.67＝0.87{800×[Hb]+800×[HbO2]+3×[Bi]+78×[Tur]}×0.93×0.85AD2_950＝1.98＝0.87{750×[Hb]+1,150×[HbO2]+2×[Bi]+34×[Tur]}×0.93×0.85aRough=0.85=1.35×(9.74×101+1.40+1.67+1.98)(1.55×101+2.22+2.65+3.14)]]>D=0.93=11.06×(1.02+1.01)2]]>其中在每個方程中的吸光系數(shù)都不同于使用五種波長時的聯(lián)立方程組的吸光系數(shù)。這是由于缺少黑色素所吸收波長光的存在，從而在算術(shù)表達(dá)式中黑色素帶來的影響被另一種物質(zhì)的影響所取代。
求解該聯(lián)立方程組可以得到[Hb]＝0.10mmol/L以及[HbO2]＝2.21mmol/L。
相似地，在同時使用三種波長950nm、810nm和660nm的光的條件下，我們得到下面的聯(lián)立方程組AD2_660＝1.40＝0.87{3,000×[Hb]+300×[HbO2]+140×[Tur]}×0.93×0.85AD2_810＝1.67＝0.87{800×[Hb]+800×[HbO2]+80×[Tur]}×0.93×0.85AD2_950＝1.98＝0.87{750×[Hb]+1,150×[HbO2]+34×[Tur]}×0.93×0.85aRough=0.85=1.35×(1.40+1.67+1.98)3.14+2.65+2.22]]>D=0.93=11.06×(1.02+1.01)2]]>求解該聯(lián)立方程組可以得到[Hb]＝0.12mmol/L以及[HbO2]＝2.22mmol/L。
根據(jù)同時使用的五種、四種和三種波長的光所測得的結(jié)果，計算出血紅蛋白濃度[[Hb]+[HbO2]]分別為2.30mmol/L、2.31mmol/L和2.34mmol/L。同時使用侵入式方法，即通過血樣的方法測得的血紅蛋白濃度為2.28mmol/L。這些結(jié)果表明使用四種波長要比使用三種波長計算得到的血紅蛋白濃度更加接近于通過血樣的方法測得的血紅蛋白濃度，并且使用五種波長要比使用四種波長計算得到的結(jié)果更加接近于通過血樣的方法測得的血紅蛋白濃度。因此這些結(jié)果表明測量的準(zhǔn)確性可以通過增加所使用的波長的數(shù)目而得到提高。
下一步，將上面所得到的參數(shù)x1～x5標(biāo)準(zhǔn)化后可以得到X1～X5。假設(shè)參數(shù)的分布是正態(tài)的，那么95％的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的值分布在-2～+2之間。例如，在表1的例13中，標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)可以通過下面的等式進(jìn)行確定X1=-0.06=1.74×103-1.75×103167]]>X2=0.04=2.08×10-2.06×105]]>X3=0.05=3.13-3.100.60]]>X4=-0.12=2.54-2.600.50]]>X5=0.10=4.40×102-4.52×102120]]>從上面的等式中，可以得到標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)X1＝-0.06、X2＝+0.04、X3＝+0.05、X4＝-0.12和X5＝+0.10。
在下文中，將對計算葡萄糖濃度過程的實(shí)施例進(jìn)行描述。在回歸等式(1)中的系數(shù)是事先從大量的有勞動能力的人群和糖尿病患者中獲得的大量數(shù)據(jù)中確定，并且微處理器中的ROM存儲用于計算葡萄糖濃度的下列方程式C＝99.4+18.3×X1-20.2×X2-23.7×X3-22.0×X4-25.9×X5將X1～X5代入得到C＝96mg/dl。在對糖尿病患者的測試中，在上述方程式中代入典型測量值如X1＝+1.15、X2＝-1.02、X3＝-0.83、X4＝-0.91和X5＝-1.24計算得到C＝213mg/dl。
在下文中，將對通過常規(guī)的酶電極方法測得的葡萄糖濃度值和用本發(fā)明的方法測得的葡萄糖濃度值進(jìn)行對比。在酶電極方法中，將血樣與試劑進(jìn)行反應(yīng)并且測定產(chǎn)生的電子數(shù)量從而確定葡萄糖濃度。當(dāng)使用酶電極方法在對有勞動能力的人群進(jìn)行測試得到的葡萄糖濃度值為89mg/dl時，同時使用本發(fā)明測得的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)為X1＝-0.06、X2＝+0.04、X3＝+0.07、X4＝-0.10和X5＝+0.10。將這些值代入上述方程式中得到C＝95mg/dl。在另一方面，當(dāng)使用酶電極方法在對糖尿病患者進(jìn)行測試得到的葡萄糖濃度值為238mg/dl時，同時使用本發(fā)明測得的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)為X1＝+1.15、X2＝-1.02、X3＝-0.95、X4＝-1.05和X5＝-1.24，將這些值代入上述方程式中得到C＝218mg/dl。這些結(jié)果表明使用本發(fā)明中的方法可以得到高精確度的葡萄糖濃度。
圖9標(biāo)繪了多個病人的葡萄糖濃度值。根據(jù)本發(fā)明計算得到的葡萄糖濃度值顯示在縱軸上，通過酶電極方法測得的葡萄糖濃度值顯示在橫軸上。使用本發(fā)明中的方法，可以看出通過測量供氧體積和血液流動體積可以獲得較好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)＝0.9434)。
因此，本發(fā)明可提供對血糖濃度進(jìn)行非侵入式高精確測量的設(shè)備和方法。
權(quán)利要求
1.一種血糖水平測量設(shè)備，包括一熱量測量裝置，用于測量多個體表溫度，以獲得用于與計算從體表耗散的熱量有關(guān)的對流熱傳遞的熱量和輻射熱傳遞的熱量的信息；一血液流動體積測量裝置，用于獲得血液流動體積的信息；一光學(xué)測量裝置，用于獲得血液中的血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度，該單元包括能夠生成至少三種不同波長光的光源、通過光源發(fā)出的光來照射體表的一光學(xué)系統(tǒng)以及至少三種不同的光探測器，用于探測照射在體表上的光；一存儲裝置，用于存儲血糖水平和與多個溫度、血液流動體積、血液中血紅蛋白濃度和血紅蛋白氧飽和度相對應(yīng)的個體參數(shù)之間關(guān)系；一計算裝置，用于將熱量測量裝置、血液流動體積測量裝置和光學(xué)測量裝置提供的測量值轉(zhuǎn)換為參數(shù)，該計算裝置也將這些參數(shù)用到存儲裝置所存儲的關(guān)系中計算血糖水平；以及一顯示裝置，用于顯示由計算設(shè)備計算得到的血糖水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，所述光探測器包括用于探測體表反射光的第一光探測器；用于探測體表散射光的第二光探測器；以及探測通過體表進(jìn)入皮膚并從體表中穿出的光的第三光探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，所述光源包括多個用于發(fā)射不同波長光的發(fā)光二極管；其中，光學(xué)系統(tǒng)包括將發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到體表的被照射部位的第一光學(xué)纖維；以及第二光學(xué)纖維，其將照射在體表上的發(fā)射光傳遞到第一、第二和第三光探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，傳遞光到第三探測器的光學(xué)纖維頂端與體表相接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，光源產(chǎn)生一定波長的光，在該波長處，攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白的摩爾吸收系數(shù)相等；產(chǎn)生第一種波長的光，用于探測攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白之間吸收率的差別；以及產(chǎn)生被膽紅素吸收的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，產(chǎn)生的一定波長的光被血液中的濁物或黑色素所吸收。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，產(chǎn)生的一定波長的光被血液中的濁物或被黑色素所吸收。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，產(chǎn)生第二種波長的光，用于探測攜氧血紅蛋白與不攜氧血紅蛋白之間吸收率的差別。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，體表所受到照射的各個波長的光被第二探測器所探測。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，由于體表粗糙度所帶來的誤差可以使用第一和第二光探測器所測量到的吸收率進(jìn)行校正。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，由于皮膚厚度所帶來的誤差可以使用第三探測器所測量到的光強(qiáng)度進(jìn)行校正。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，校正是通過求取事先使用第三探測器測量進(jìn)入已知厚度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、然后離開的光吸收率與由第三探測器測得的吸光率來進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，血液流動體積測量裝置包括一體表接觸裝置；一鄰近溫度探測器，其與體表接觸裝置相鄰近；一間接溫度探測器，用于測量與體表接觸裝置存在一定距離處的溫度；以及一連接體表接觸裝置和間接溫度探測器的導(dǎo)熱元件；
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，熱量測量裝置包括用于測量周圍環(huán)境溫度的環(huán)境溫度探測器和測量來自體表輻射熱的輻射熱探測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，通過體表進(jìn)入到皮膚中的光以及通過體表出來的光通過一具有光阻擋環(huán)境的光路徑從出口處被傳送到第三光探測器。
16.一種血糖水平測量設(shè)備，包括一周圍環(huán)境溫度探測器，用于測量周圍環(huán)境的溫度；一與體表進(jìn)行接觸的接觸裝置；一輻射溫度探測器，用于測量來自于體表的輻射熱；一與體表接觸裝置相鄰近的鄰近溫度探測器；一間接溫度探測器，用于測量與體表接觸設(shè)備存在一定距離處的溫度；一導(dǎo)熱元件，用于連接體表接觸裝置與間接溫度探測器；一能夠產(chǎn)生至少三種不同波長的光的光源，其中三種不同波長的光為810nm、950nm以及第三種波長；一光學(xué)系統(tǒng)，其使用光源發(fā)出的光照射體表；至少三種不同的光探測器，用于探測照射體表的光；一存儲裝置，用于存儲周圍環(huán)境溫度探測器、輻射溫度探測器、鄰近溫度探測器、間接溫度探測器以及至少三種不同的光探測器各自的輸出與血糖水平之間的關(guān)系；一計算裝置，其使用各種輸出并參考存儲在存儲單元中的關(guān)系來計算血糖水平；一顯示裝置，用于顯示由計算設(shè)備計算得到的血糖水平。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，第三種波長的光是從450nm、660nm、520nm和880nm組成的組中選出的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，光源產(chǎn)生第四種波長的光，其與第三種波長的光結(jié)合使用，其中結(jié)合使用的二種波長的光是從450nm、660nm、520nm和880nm組成的組中選出的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，光源產(chǎn)生第四種和第五種波長的光，其與第三種波長的光結(jié)合使用，其中結(jié)合使用的三種波長的光是從450nm、660nm、520nm和880nm組成的組中選出的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的血糖水平測量設(shè)備，其特征在于，至少一種光探測器探測通過體表進(jìn)入到皮膚中并且通過一具有光阻擋環(huán)境的光路徑從出口部分出來的光。
全文摘要
本發(fā)明涉及在不進(jìn)行血液取樣的條件下對生物活體內(nèi)的葡萄糖濃度進(jìn)行非入侵式測定的方法和設(shè)備。本發(fā)明根據(jù)溫度測量對血糖水平進(jìn)行非侵入式的測量。測得的血糖水平使用血氧飽和度和血液流動體積進(jìn)行校正。在考慮到干擾物質(zhì)對血氧飽和度的影響后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的校正。
文檔編號A61B5/01GK1573332SQ0315392
公開日2005年2月2日 申請日期2003年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者趙玉京, 金允玉 申請人:株式會社日立制作所