專利名稱：用改進的光學界面進行無創(chuàng)傷血液成分測定的方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及一種用光譜學方法無創(chuàng)傷測定血液成分，特別是葡萄糖的方法，特別是，本方法結(jié)合了一種用于用至少具有幾個波長的紅外光能量來照射生物組織的改進后的輸入光學界面，以及一種用于接收沒被吸收的紅外光能量作為生物樣本差異吸收性測量以確定葡萄糖的濃度的輸出光學界面。并公開了作為所述改進型的光學界面的關鍵部件的一種系數(shù)匹配介質(zhì)。
很多資料已經(jīng)充分說明了精確、無創(chuàng)測定病人血液葡萄糖水平的方法的需求。Barnes等人(在第5379764號美國專利中)公開了多次監(jiān)測糖尿病人血液中葡萄糖水平的必要性。并且進一步發(fā)現(xiàn)，分析頻次越多，葡萄糖水平有大的波動的情況越少。這些大的波動與疾病的癥狀及并發(fā)癥是相關的，其長期作用將導致心臟病，動脈硬化、失明、休克、高血壓、腎衰、過早死亡。如下所述，目前業(yè)已提出了幾個系統(tǒng)用于無創(chuàng)測定血液中的葡萄糖。然而，盡管做了這些努力，但在目前市售的各種家用葡萄糖監(jiān)測方法中，都需要在病人手指上切一個小切口。據(jù)信由此對糖尿病人造成的損傷使得各種形式的糖尿病治療方法都難以得到最有效的應用。
如下面所分別討論的，有很多測定血液葡萄糖水平的無創(chuàng)傷方法，它們通常是應用定量的紅外光譜分析法作為分析的理論基礎。紅外光譜分析法可測量一種物質(zhì)在不同波長上吸收的電磁輻射(0.7～25μm)。分子不能保持其相互間的固定位置，而是在一個平均距離內(nèi)向后或向前振動。對適當能量的光的吸收使分子被激勵到一個較高的振動水平。將分子激勵到一種激活狀態(tài)的激勵只發(fā)生在某些不連續(xù)的能量水平上，這些能量水平能代表特定分子的特征。最為初始的振動狀態(tài)發(fā)生在中頻紅外區(qū)域(即2.5～25μm)。然而，因為水對光的吸收，所以在這個區(qū)域內(nèi)進行無創(chuàng)血液成分測定即便不是不可能的，也會有很大問題。通過使用更短波長的光可解決上述問題，這些光不會被水衰減。在較短的波長上存在初始振動狀態(tài)的諧波，并可以在這些波長上對其進行定量測定。
眾所周知，葡萄糖在紅外光中段和近紅外光范圍內(nèi)的很多頻率上對光進行吸收。血液中的其它紅外光活性成分也可在相近的頻率上對紅外光進行吸收。由于這些吸收帶的重疊特性，所以沒有一種單一的或?qū)Ｓ械念l率可用于可靠的無創(chuàng)葡萄糖測定。因而，葡萄糖測定的光譜數(shù)據(jù)的分析需要計算在一個寬譜范圍內(nèi)的很多個光譜強度，才能達到定量測定的靈敏度、精確性、準確性和可靠性要求。除吸收帶的重疊之外，由于葡萄糖在血液中所占的成分比重很少，因而會因為被測物質(zhì)的特性和/或光學設備所固有的非線性使所得到的光譜數(shù)據(jù)具有非線性的響應特性，從而進一步造成葡萄糖測定的復雜性。
無創(chuàng)葡萄糖測定技術的另一個常用的部件是在軀體部位的測定點與分析設備的傳感器部件之間需要有一個光學界面。通常，傳感器部件必須包括一個用于用紅外能量對樣本進行照射的輸入部件或裝置。另外，傳感器部件還必須包括一個能測量由輸入部件照射所引起的在多種波長下的透射或反射能量的輸出部件或裝置。
Robinson等人(在第4975581號美國專利中)公開了一種用紅外光譜分析與多元模型相結(jié)合對生物樣本的未知量的特性進行測定的方法和裝置。所述的模型是從一組已知特性值的生物樣本的光譜中根據(jù)經(jīng)驗推算出來的。上述的特性通常為例如葡萄糖等成分的濃度，也可能是樣本的化學或物理特性。Robinson等人的方法包括含有標定和預測步驟的二步處理過程。在標定步驟中，將紅外光施于已知特性值的標定樣本上，則在至少幾個波長上的紅外光的差異衰減將是組成所述已知特性值的樣本的不同成分和組分的函數(shù)。紅外光施加于樣本上是通過使光能透過樣本或使光能從樣本上反射來實現(xiàn)的。樣本對紅外光的吸收將導致光強度的變化，該光強度的變化為光波長的函數(shù)。在一組已知特性值的標定樣本上測量至少幾個波長的光強度變化結(jié)果。然后用多元算法將原始的或經(jīng)過變換后的強度變化與標定樣本的已知特性進行經(jīng)驗性相關，以得到一個多元標定模型。在預測步驟中，將紅外光施于特性值未知的樣本上，并將所述的標定模型應用于從該未知樣本上測得的適當波長的光的原始或變換后的強度變化量上。所述預測步驟的結(jié)果是所述未知樣本特性的估計值。Robinson等人的公開文獻被本文列為參考文獻。
由Robinson等人公布的幾個實施例都是無創(chuàng)的，并結(jié)合使用了具有傳感器部件的光學界面，如Robinson等人的圖5和圖6所示，所述的光學界面首先包括一種輸入部件，其次包括一種輸出部件。所述的輸入部件為一種紅外光源或一種近紅外光源。與含有被測血液的樣本或身體部分相接的所述輸入部件界面包括經(jīng)由空氣向所述皮膚表面?zhèn)鬏敾騻鞑ニ龉饽?。輸出部件包含一種能接收透射光能或反射光能的探頭。與樣本相接的輸出界面還包括由皮膚通過空氣傳播透射或反射光。
Barnes等人(在第5379764號美國專利中)公開了一種用于分析葡萄糖濃度的光譜圖方法，其中，將近紅外輻射發(fā)射到軀體的一個部位，所述的輻射包括有多種波長，然后檢測從軀體部位所發(fā)出的受軀體吸收影響的結(jié)果性輻射。他們公開的方法中包括對結(jié)果數(shù)據(jù)進行預處理，以減小偏置和漂移的影響，以獲得所檢測到的輻射幅度的修正后的結(jié)果。
Barnes等人所公開的傳感器部件包括一個與身體皮膚相接觸或基本相接觸的二元光導纖維探頭。所述二元光導纖維探頭的第一光導體為向所接觸的皮膚表面?zhèn)魉徒t外輻射的輸入部件；所述二元光導纖維探頭的第二光導纖維為向光譜分析器傳送反射能量或未吸收能量的輸出部件。通過使皮膚表面與所述探頭簡單接觸而實現(xiàn)傳感器元件和皮膚之間的光學界面，并且根據(jù)探頭與皮膚的接觸程度，該界面也可包括通過空氣將光能傳送到皮膚及通過空氣將光能傳回探頭這種狀態(tài)。皮膚表面及測量點處的不規(guī)則將對接觸程度造成影響。
Dhne等人在第4655225號美國專利中公開了無創(chuàng)地將近紅外譜內(nèi)的光能傳送到檢測對象的指部或耳垂的近紅外光譜分析法的運用。同時也討論了從組織深部漫反射回的近紅外光能的用處。在兩個不同的波長上提取響應以確定被檢對象的葡萄糖量。其中一個波長用以確定背景的吸收，而同時用另一個波長來確定葡萄糖的吸收。
Dhne等人所公布的光學界面包括一個具有一輸入部件的傳感器部件，該輸入部件裝有一個可通過空氣將光傳送至皮膚表面的有方向性的發(fā)光裝置。通過一個輸出部件接收被傳送或被身體組織反射后的作為吸收量的度量的光學能量。所述輸出部件的界面包括通過空氣將反射或透射光能傳送給探測部件。
Caro(在第5348003號美國專利中)公開了將多種波長的瞬時調(diào)制的電磁能作為輻射光能的一種用法。將所提取出的每個單元路徑長度上的光學吸收與波長的關系與一個校準模型相比較，以提取出媒體中一種成分的濃度。
Caro所公開的光學界面包括一個具有輸入部件的傳感器部件，其特征在于所述的光能是通過一個聚焦裝置傳送至皮膚表面的。所述聚焦裝置可能靠近皮膚表面或與皮膚表面相接觸。所述傳感器部件還包括一個具有光學集光裝置的輸出部件，所述光學集光裝置可接觸或接近皮膚表面，以接收透過組織傳播的光能。同樣，由于與傳感器不接觸及皮膚表面不規(guī)則的原因，光能的一部分將通過空氣傳播至皮膚表面及傳播回輸出部件。
組織與設備之間的一些光學界面所存在的問題已被人們認識到。特別是，與將光傳至組織之中和從組織中返回有關的一些光學界面所存在的問題已經(jīng)被Ralt Marbach認識到，并于1993年發(fā)表于名為“MeBverfahren zurIR-spektroskopishen Blutglucose Bestimmung”(譯為“用紅外光譜法確定血糖的測定技術”)的論文中。
Marbach認為唇部漫反射光測量所用的光學輔件必須具有以下特性1)高光學透過性，以優(yōu)化光譜的信噪比，2)對在皮膚表面區(qū)域上的鏡面反射或Fresnel反射的不敏感性進行抑制。
由Marbach提出的測量輔件將通過半球狀浸沒透鏡的使用來滿足上述兩項要求。所述的透鏡是用一種與組織的折射系數(shù)最為匹配的材料——氟化鈣制成的。正如Marbach所說，浸沒透鏡用于經(jīng)皮漫射性的反射的測量的重要優(yōu)點是CaF2與皮膚的折射系數(shù)幾乎完全匹配，可成功地抑制Frenesl反射。
然而，氟化鈣與組織的系數(shù)匹配不理想，氟化鈣的系數(shù)為1.42，而相應的組織的系數(shù)大約為1.38。因而，假設上述透鏡與組織完全接觸，則透鏡與組織的界面將出現(xiàn)系數(shù)不匹配。由于組織粗糙所造成的所述透鏡和組織間不能很好地光接觸使得所例舉的光學輔件的光學性能進一步受到損壞。當光線被強迫從透鏡(N＝1.42)傳播到空氣(N＝1.0)然后再傳播到組織(N＝1.38)時，其結(jié)果是產(chǎn)生一個明顯的折射系數(shù)的不匹配。因而，組織所固有的粗糙將導致組織和透鏡之間形成很小的空氣間隙，這將降低系統(tǒng)的光學透過性，并因此損及所述測量輔件的性能。
和折射系數(shù)的不匹配有關的問題的嚴重程度是一個復雜的問題。首先，對于光譜分析血液成分可能有其它用處的折射光在不匹配的邊界進行反射并返回到輸入裝置或集光光學系統(tǒng)中，而沒有射入樣本之中。對于通常入射的、隨機偏振的光，其效果遵循Fresnel公式R=(N′-N)2(N′+N)2]]>式中N和N′為兩種介質(zhì)的折射系數(shù)。對于空氣/CaF2界面進行求解得出R＝0.03，或反射系數(shù)為3％。由于這一界面必須被穿過兩次，所以導致沒有射入到樣本中的反射光成分為6％。這些界面的不匹配是倍增的。然后必須考慮那些順利進入組織的部分光。例如在一些光譜區(qū)域內(nèi)，在一個很強的含水帶中，幾乎所有的透射的光都被組織吸收。其結(jié)果是這個由于折射系數(shù)的不匹配而產(chǎn)生的看上去很小的反射光成分實際上是被淹沒了，并且使來自于樣本的所需要的信號變得模糊。
最后，考慮光線射出組織時的臨界角作用是十分有用的。組織具有很高的散射性，因此以一個常規(guī)入射角射入組織的一束光線可能以一個較大角度射出組織。如果耦合透鏡沒與組織緊密接觸，這些有較大角度的光線將會損失于內(nèi)部全反射中。確定臨界角或內(nèi)部全反射點的公式如下θc＝sin-1(N/N′)當光線傳播透過一個較高折射系數(shù)的材料，如組織(N′＝1.38)，并且到達一個具有較低折射系數(shù)的界面，如空氣(N＝1.0)時，則會出現(xiàn)內(nèi)部全反射的臨界角。以大于臨界角射入上述界面的光線將不能傳播到后面的介質(zhì)(空氣)中去，而是被全反射回組織的內(nèi)部。對于前面所提到的組織/空氣界面，臨界角為46.4°。大于這個角的所有光線都不能射出組織。因此，緊密的光學接觸對于從組織中有效地收集光線將是必要的。
如上面所述，所有的無創(chuàng)測定血糖濃度的已有技術的裝置都使用了傳感器部件。所有的傳感器部件都包括一個輸入部件和輸出部件。所有裝置中的處于輸入部件、輸出部件和被分析組織的皮膚表面之間的光學界面都是相似的。在每個例子中，由于在輸入傳感器與皮膚表面之間的接觸面上存在間隙，輸入光能是通過空氣或可能通過空氣才能透射到皮膚表面的。同樣，輸出傳感器所接收的是通過在空氣中傳播后才能傳至輸出傳感器上的透射或反射光能，或者，即使在試圖將輸出傳感器與皮膚緊密接觸情況下，也可能是通過位于傳感器部件與皮膚表面之間的空隙后光線才能傳播到輸出傳感器上。據(jù)信，已有技術所公開的光學界面將會影響到用已有技術的裝置和方法所獲得的數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。因此，這些無創(chuàng)測定葡萄糖的方法的精度也會降低。
所以，需要一種具有一個改進的光學界面的無創(chuàng)測定血液葡萄糖濃度的方法和裝置。該光學界面應能產(chǎn)生一致性的可重復結(jié)果，以便能從如Robinson等人所公開的模型中精確地計算出成分濃度。該光學界面應能減小由于光在射入和射出被分析的組織時穿過空氣而對輸入和輸出光能所造成的影響。另外，由于皮膚表面的不規(guī)則或存在其它污染物所產(chǎn)生的間隙的不利影響也應該降低或消除。
本發(fā)明提出了這些需求以及與用紅外光譜分析法無創(chuàng)測定血液葡萄糖濃度的已有方法和光學界面有關的其它問題。本發(fā)明還對已有技術提出了進一步改進并解決了與之有關的問題。
本發(fā)明是一種無創(chuàng)測定一種成分濃度的方法，特別是測定人體組織中的葡萄糖的方法。本方法將光譜分析技術與一種改進后的光學界面相結(jié)合，所述的光學界面位于傳感器探頭與包含被分析組織的軀體組織表面或皮膚表面之間。
無創(chuàng)測定血液葡萄糖濃度的方法首先要包括提供一個測量紅外線被包含在組織中的被分析成分吸收率的裝置。該裝置通常包括三個部件，即一個能量發(fā)射源，一個傳感器部件和一個光譜分析器。所述傳感器部件包括一個輸入部件和一個輸出部件。所述輸入部件通過一個透射紅外光能的第一裝置與所述能量發(fā)射源有效連接。所述輸出部件通過一個透射紅外光能的第二裝置與所述的光譜分析器有效連接。
在一些優(yōu)選實施例中，所述的輸入部件和輸出部件包括可聚焦向樣本發(fā)射或從樣本傳播回來的紅外光能的透鏡系統(tǒng)。在一個優(yōu)選實施例中，所述的輸入和輸出部件包括了一個單透鏡系統(tǒng)，該單透鏡系統(tǒng)既用于來自能量發(fā)射源的紅外光的輸入，也用于來自于包含被分析成分的樣本的漫反射光能和鏡象反射光能的輸出。另外，所述的輸入部件和輸出部件還可包括兩個透鏡系統(tǒng)，放置于包含被分析成分的樣本的正反面，此時來自于能量發(fā)射源的光能傳播至輸入部件及透過包含有被分析成分的樣本，然后通過輸出部件傳播至所述光譜分析器。
在一些優(yōu)選實施例中，所述的透射紅外光能的第一裝置只簡單地包括將紅外光能發(fā)射源貼近于所述輸入部件放置，以便來自光源的光能可以通過空氣傳播至所述輸入部件。另外，在一些優(yōu)選實施例中，所述的傳播紅外光能的第二裝置優(yōu)選地包括一個可將從輸出部件射出的光能通過空氣導向所述的光譜分析器的單鏡面或一個鏡面系統(tǒng)。
在實現(xiàn)本發(fā)明的方法時，含有被分析成分的組織區(qū)域被選定為分析點。這一區(qū)域可包括手指、耳垂、前臂的皮膚表面或其它任何部位的皮膚表面。優(yōu)選地，在采樣區(qū)域內(nèi)的含有被分析成分的組織包括靠近體表的血管，以及一個相對平坦的沒有角化的皮膚表面。一個比較好的采樣位置是前臂的下側(cè)。
然后，在被分析的皮膚區(qū)域上放上一定量的系數(shù)匹配介質(zhì)或耦合液。所述的系數(shù)匹配介質(zhì)最好是無毒的，并且在很小的近紅外區(qū)域內(nèi)具有一個光譜特征。在一些優(yōu)選實施例中，所述的系數(shù)匹配介質(zhì)的折射系數(shù)約為1.38。另外，在所述系數(shù)匹配介質(zhì)的全部成分中折射系數(shù)都保持恒定。所述介質(zhì)的成分將在下面詳述。然后使所述的包括輸入和輸出部件的傳感器部件與所述的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸。另外也可首先將所述系數(shù)匹配介質(zhì)置于傳感器部件上，然后將上述傳感器部件接觸皮膚，此時系數(shù)匹配介質(zhì)則處于傳感器部件與皮膚之間。在這個方法中，所述的輸入部件和輸出部件是通過所述系數(shù)匹配介質(zhì)與包含被分析成分的組織或皮膚表面相耦合的，因此，使光能不需要通過空氣或通過由于皮膚表面的不規(guī)則而產(chǎn)生的空氣穴傳播。
在分析包含有被分析成分的組織中的葡萄糖濃度時，來自能量發(fā)射源的光能通過透射紅外光能的第一裝置傳播到輸入部件中。來自輸入部件的光能通過系數(shù)匹配介質(zhì)透射到皮膚表面。一些接觸含有被分析成分的樣本的光能被處于樣本的不同深度的多種成分和被分析成分差異地吸收，一些能量還可向前傳播穿透樣本。然而，大量的光能被反射回輸出部件。在一個優(yōu)選實施例中，未吸收或未透射的光能透過系數(shù)匹配介質(zhì)而反射回到輸出部件。這個反射光能包括漫反射光能和鏡象反射光能。鏡象反射光能是由樣本表面反射的光能，它不含有或只含有很少量有關被分析成分的信息，而漫反射光能則是從被分析成分所在的樣本深處反射來的。
在一些優(yōu)選實施例中，將所述鏡象反射光能與所述的漫反射的光能分開。然后將未吸收的漫反射光能通過透射紅外光能的第二裝置傳播至光譜分析器。正如下面所詳述的，光譜分析器應優(yōu)選地采用計算機，通過使用測量強度、校準模型和多元算法來產(chǎn)生一個預測結(jié)果。
用于將鏡面反射光與漫反射光分離的優(yōu)選裝置是一種鏡面控制裝置，如在1995年8月9日遞交的與本申請共同轉(zhuǎn)讓的名稱為“漫反射監(jiān)測裝置(Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus)”的第08/513094號共同未決專利申請中所公開的一樣。上述申請被本文引作參考。
在另一個可選用的實施例中，輸入部件與在第一皮膚表面上的第一數(shù)量的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸，同時，輸出部件與在相對的皮膚表面上的第二數(shù)量的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸。此外，可在輸入和輸出部件接觸皮膚之前將所述系數(shù)匹配介質(zhì)放置在輸入和輸出部件上，從而在測量過程中使這種介質(zhì)處于上述部件與皮膚表面之間。在這個可選用的實施例中，穿過輸入部件和第一數(shù)量的系數(shù)匹配介質(zhì)傳播的光能將被含有被分析成分的組織差異地吸收或反射，同時，不同波長的一定數(shù)量的光能將會穿透含有被分析成分的組織而傳播到相對的或第二皮膚表面。來自于第二皮膚表面的未吸收的光能會穿透第二數(shù)量的系數(shù)匹配介質(zhì)傳播到輸出部件，并依次傳播到光譜分析器中進行成分濃度的計算。
本發(fā)明的系數(shù)匹配介質(zhì)是改進上述方法的精度和可靠性的關鍵。所述系數(shù)匹配介質(zhì)是含有全氟代烴和含氯氟烴的混合物。這種混合物最好是包括如異丙醇之類的親水性添加劑。據(jù)信，這種親水性的混合物可以吸附皮膚表面的水分從而改善液體與皮膚間的界面。另外，所述的系數(shù)匹配介質(zhì)中可含有清潔劑，以吸附采樣點處皮膚中的油脂，并降低它的影響。最后，在上述液體混合物中還可包括一種表面活化劑。該表面活化劑可改善組織的濕潤性，從而產(chǎn)生一個均勻的界面。還可在上述系數(shù)匹配介質(zhì)中加入一種防腐材料。
在本發(fā)明的一個可供選擇的實施例中，光學傳感器部件與組織之間的系數(shù)匹配可通過一種可變形的固體物質(zhì)來實現(xiàn)。所述的可變形的固體物改變其自身形狀，以使部分由于皮膚表面的不平坦所造成的空氣間隙大大減小?？勺冃蔚墓腆w物質(zhì)可至少包括明膠、膠帶及在施用時為液態(tài)而經(jīng)過一定時間變?yōu)楣虘B(tài)的一些物質(zhì)。
所述系數(shù)匹配介質(zhì)最好具有1.35-1.40之間的折射系數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用這一范圍內(nèi)的折射系數(shù)可通過改善光學透過率和減少與被分析物濃度無關的光譜變化來提高上述方法的可重復性和精確性。另外，所述系數(shù)匹配介質(zhì)應在其全部結(jié)構內(nèi)具有均勻一致的折射系數(shù)。例如，在介質(zhì)中應不存在能改變光線傳播方向的氣泡。
在一個優(yōu)選實施例中，組織中的葡萄糖濃度是通過首先測量輸出傳感器所接收到的光強度來確定的。這些被測的光強度與一個校準模型一道被應用到一個多變量算法之中，以預測出組織中葡萄糖的濃度。所述校準模型將一系列校準樣本中的已知的葡萄糖濃度與從所述校準樣本中獲得的實測光強度變量進行經(jīng)驗性相關。在一個優(yōu)選實施例中，所采用的多變量算法使用的是局部最小二乘方，當然也可以使用其它多變量技術。
將光學傳感器的輸入部件和輸出部件與皮膚表面相耦合的系數(shù)匹配介質(zhì)的應用減少了接收異常數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。所述系數(shù)匹配介質(zhì)提高了測量過程的重復性和精確性，消除了由于光線在空氣中傳播或在具有空氣穴的不平坦的皮膚表面?zhèn)鞑r對輸入和輸出光能所造成的有害作用。
在本文所附的并構成本文一部分的權利要求中具體地體現(xiàn)出了本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點及其新穎的特征。但是，為了更好地理解本發(fā)明以及它的優(yōu)點和通過使用它所達到的目的，將參照構成本文的另一部分的附圖，并結(jié)合相應的優(yōu)選實施例的描述進行說明。
在這些附圖中，用相同的標號表示本發(fā)明的各優(yōu)選實施例中的相應的部件或元件。


圖1是通過一種系數(shù)匹配液體與皮膚表面耦合的傳感器部件的部分剖面圖；圖2是通過一種系數(shù)匹配液體與皮膚表面的相對側(cè)相耦合的傳感器部件的一個可供選擇的實施例的部分剖面圖；圖3是實驗數(shù)據(jù)的圖形表示，示出了通過一種系數(shù)匹配介質(zhì)耦合到皮膚的傳感器的精度和可重復性的改善。
下面詳細討論本發(fā)明的實施例。然而，可以理解，所公開的實施例只是本發(fā)明的一些舉例，本發(fā)明可在很多系統(tǒng)中實施。因此，這里所公開的特定的描述不能被解釋為一種限定，而只是權利要求的一個基礎，并作為一個代表性的基礎用以教導本領域的技術人員去多方式地實現(xiàn)本發(fā)明。
本發(fā)明涉及一種用光譜分析法無創(chuàng)測定組織成分的方法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種樣本是一種由具有不同的折射系數(shù)和具有差異吸收特性的材料所構成的復雜的混合物。另外，由于所感興趣的血液成分的濃度很低，所以發(fā)現(xiàn)以一種有效的方式將光射入組織和從組織中提取出來是十分必要的。本發(fā)明的方法結(jié)合使用一種系數(shù)匹配介質(zhì)，這種介質(zhì)是液態(tài)的或是可變形的固體，用以提高將光線射入組織樣本或從組織樣本中提取出來的效率。
本發(fā)明利用光譜的近紅外區(qū)域的光能作為分析用能量發(fā)射源。至此，由于水在組織中的濃度很高且其吸收系數(shù)很大，所以水在組織中的吸收作用最大。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，組織的總體吸收譜與水的譜十分相似。只有0.1％以下的光吸收是由例如葡萄糖等的組織成分造成的。已經(jīng)進一步發(fā)現(xiàn)，組織對光線較大的散射是因為在一典型的組織樣本中存在著很多折射系數(shù)的不連續(xù)性。在組織中充滿了折射系數(shù)為1.33的水。細胞壁和組織的其它部分的折射系數(shù)接近于1.5至1.6。這些折射系數(shù)的不連續(xù)性使散射增多。盡管這些折射系數(shù)的不連續(xù)性是較多的，但它們在幅度上一般都是較小的，因此散射通常沿著向前的方向具有很強的方向性。
這種向前的散射叫作各向異性，它被定義為平均散射角的余弦值。因此，對于完全向后的散射，意味著全部散射過程使得光子改變其傳播方向180度，則其各向異性因子為-1。同樣，對于完全向前的散射，各向異性因子為+1。在近紅外光區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)組織具有0.9至0.95之間的各向異性因子，這是一種很接近于向前的散射。例如，各向異性因子0.9意味著光的平均光子在其通過樣本時最多只散射了25度角。
在分析組織的一種被分析成分時，至少可以以兩種模式進行測量。一種模式是測量透射過組織切面的光，而另一種模式是測量從組織上反射或被組織衰減的光。已經(jīng)公認的是，因為當光通過組織時的向前散射，所以透射法是光譜分析的較好的分析方法。然而，很難找到一塊其光學厚度薄得足以使近紅外光穿透的身體部位，特別是當波長較長時。因而，本發(fā)明的測量的優(yōu)選方法是對來自于樣本的反射光進行聚焦。
光子在折射系數(shù)不連續(xù)處進行反射和折射，所以直接照射到組織上的光在組織表面上具有很小的反射性。這種反射被稱為鏡象反射。由于這些鏡象反射光沒有透射入組織，所以它幾乎不含有有關組織成分的信息?？紤]到皮膚的生理這尤其是正確的，皮膚上具有一個基本上已經(jīng)死掉的外層，它沒有通常認為所感興趣的樣本成分的濃度值。因此，包括被分析成分信息的反射光能指的是通過組織樣本更深處的折射系數(shù)不連續(xù)區(qū)反射回表面的光。這種反射光能叫做漫反射光。
申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，入射光子的大部分被組織所吸收。那些可以被組織作用出來的光子很可能會沿它們的有角度的通路轉(zhuǎn)變方向。事實上，從定義上來講，為使光子能射出組織，光子必須向輸入鏡方向轉(zhuǎn)變方向。然而，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有關檢測的棘手問題都與組織外的空氣的折射系數(shù)和組織平均折射系數(shù)之間的折射系數(shù)不連續(xù)性有關。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種不連續(xù)性作用于入射光導致折射和大約小于5％的微小的鏡象反射。然而，在射出組織時，這種不連續(xù)性造成了臨界角現(xiàn)象。因為光子是從高折射系數(shù)介質(zhì)向低折射系數(shù)介質(zhì)傳播，所以存在著一個光子全部反射回內(nèi)部的臨界角，并且光子不能從組織樣本中射出。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這個光子從組織射到空氣中的臨界角約為46度，該角度帶來了問題。正常射入組織表面的光子必須轉(zhuǎn)變較大的角度才能射出。由于散射方向是向前的，所以光子很難轉(zhuǎn)變較大的角度，所以在組織和空氣界面上很容易形成掠射或高角度入射。因為超過了臨界角，所以掠射的入射光子將不會從組織中射出。
針對折射系數(shù)的不同，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種與使光能射出組織傳到分析設備中有關的問題的解決方法。這種解決方法使用了一種在所感興趣的譜范圍內(nèi)具有很低的吸收率的浸潤液體，該浸潤液具有與很好的流動性和涂層厚度相適應的粘度，并且具有與組織十分匹配的折射系數(shù)。一種優(yōu)選的材料是由Occidental化工廠生產(chǎn)的商品名為FLUOROLUBE的氟化的、氯化的碳氫聚合油。這些油的折射系數(shù)約為1.38，無毒，且在近紅外譜區(qū)內(nèi)具有很小的光譜特性。
現(xiàn)在參照圖1和圖2，這兩幅圖示出了血液成分濃度無創(chuàng)測定裝置的兩個優(yōu)選實施例的部分剖面圖。圖1和圖2為示出使用一種系數(shù)匹配介質(zhì)22以及連接到能量發(fā)射源16和光譜分析器30上的一種無創(chuàng)傳感器部件11的原理的示意圖。圖中沒有示出相對尺寸、開關和詳細的物理器件。
圖1所示的裝置及圖2所示的裝置通常包括三個部件，即一個能量發(fā)射源16，一個傳感器部件11和一個光譜分析器30。圖1的實施例示出了所述傳感器部件包括一個輸入部件20和一個輸出部件26，該傳感器部件可具有一個用于輸入和輸出光能的單透鏡系統(tǒng)。輸入部件20和輸出部件26與包含被分析成分的組織10的同一個皮膚表面12相接觸。圖2所示的可選實施例示出了另一種可供選擇的傳感器部件11的構成，其特征是將輸入部件20和輸出部件26分別放在含有被分析成分的組織10的兩個相背的表面12和14上。這兩個實施例的功能都是能測量含有被分析成分的組織10對紅外能量的吸收。然而，圖1的實施例用于測量來自于含有被分析成分的組織10的被其中的被分析成分所反射回的光能的量。與之相反，圖2的實施例測量的是穿透含有被分析成分的組織10的透射光能。在兩個實施例中，通過比較來自于能量發(fā)射源16的光能的強度來測定不同波長上的吸收率。
所述的能量發(fā)射源16最好是一種寬帶的紅外黑體光源。從能量發(fā)射源16所發(fā)出的光學波長最好是在1.0至2.5μm之間。所述的能量源16與將來自能量發(fā)射源16的紅外光能傳輸至所述輸入部件20的第一裝置18有效地耦合。在一些優(yōu)選實施例中，通過將能量發(fā)射源16靠近輸入部件20放置，這個第一裝置18只是將光能簡單地通過空氣傳播至輸入部件20。
所述傳感器部件11的輸入部件20最好是一種光學透鏡，該透鏡將光能聚焦成一個高能量強度的點。然而可以理解，其它光聚焦裝置也可與光學透鏡結(jié)合來改變光照的區(qū)域。例如一種多透鏡系統(tǒng)、錐形纖維或其它常規(guī)的光束形成裝置也可被用來改變輸入光能。
在圖1和圖2所示的兩個實施例中，一個輸入傳感器26被用于接收來自于含有被分析成分的組織10的反射光能或透射光能。如結(jié)合下面的分析方法所進行的描述那樣，圖1的實施例具有一個接收反射光能的輸出傳感器26，圖2的實施例具有一個接收透過含有被分析成分的組織10的透射光的輸出傳感器26。同輸入部件20一樣，所述的輸出部件26也最好是一個光學透鏡。其它光線聚集裝置也可用于輸出部件26中，例如多透鏡系統(tǒng)、錐形纖維或其它光線聚集裝置，以輔助將光能導向所述的光譜分析器30。
傳播紅外光能的第二裝置28與輸入部件26有效地連接。通過傳播紅外光能的第二裝置28的光被傳播到光譜分析器30。在一個優(yōu)選實施例中，所述的與輸出部件的有效連接包括將反射光或從輸出部件射出的透射光通過空氣傳播到所述的光譜分析器30?？墒褂靡粋€反光鏡或一個反光鏡系列將這種光能導向至光譜分析器。在一個較佳實施例中，用一種鏡面反射控制儀器將鏡面反射光與漫反射光分離。這種儀器已經(jīng)在1995年8月9日申請的共同未次的、與本申請共同轉(zhuǎn)讓的申請系列號為08/513,094的題目為《漫反射監(jiān)測裝置》的申請中公開。該公開資料被本文引為參考文獻。
為實施本發(fā)明的方法，可選擇一個含有被分析成分的組織10的區(qū)域作為分析點。這個區(qū)域可包括手指、耳垂、前臂的皮膚表面12，或其它任何部位的皮膚表面。優(yōu)選地，用于采樣的皮膚表面區(qū)域應是具有距表面較近的血管并相對平坦和非角質(zhì)化的表面。一個優(yōu)選的采樣位置是前臂的下面。
然后，在被分析區(qū)域的皮膚表面12上放一定量的液態(tài)或為可形變的固體的系數(shù)匹配介質(zhì)22。然后將如圖1的實施例所示的包括輸入部件20和輸出部件26的傳感器部件11與所述的系數(shù)匹配介質(zhì)22相接觸放置?；蛘撸部梢詫⒁欢康南禂?shù)匹配介質(zhì)22放在傳感器部件11上，然后將該傳感器部件11與皮膚表面12相接觸，使得所述的系數(shù)匹配介質(zhì)22處于其間。在這兩種過程中，輸入部件20和輸出部件26是通過所述系數(shù)匹配介質(zhì)22耦合到含有被分析成分的組織10或皮膚表面12上去的。傳感器部件11與皮膚表面之間通過系數(shù)匹配介質(zhì)22的耦合使光能沒必要再穿透空氣并消除了由于探頭與皮膚表面12之間存在空隙或由于皮膚表面12的不規(guī)則所形成的光能通過空氣氣穴的現(xiàn)象。
在分析含有被分析成分的組織10中的葡萄糖濃度時，來自于能量發(fā)射源16的光能通過傳播紅外能的第一裝置18傳播到輸入部件20中。通過所述系數(shù)匹配介質(zhì)22將來自輸入部件20的光能傳播到皮膚表面12上。傳播到皮膚表面12的光能被皮膚表面12下的肉體(如血管中的血液)所含有的各種部分和被分析成分所差異地吸收。在一個優(yōu)選實施例中，未被吸收的光能再次透射過系數(shù)匹配介質(zhì)22返回輸出部件26中。所述的未被吸收的光能通過傳播紅外能的第二裝置28傳播到光譜分析器30。
在圖2的可選擇實施例中，輸入部件20與被置于第一皮膚表面12上的第一定量的系數(shù)匹配介質(zhì)22接觸，而輸出部件26與被置于對側(cè)的皮膚表面14上的第二定量的系數(shù)匹配介質(zhì)24接觸。如前面所述的實施例一樣，所述的系數(shù)匹配介質(zhì)22可在輸入部件20和輸出部件26與皮膚12接觸之前事先放置于所述的輸入部件和輸出部件上。在這個可選擇的實施例中，當在不同的波長上的一定量的光能透射過含有被分析成分的組織10傳播到其對側(cè)或傳播到第二皮膚表面14時，透過所述輸入部件20和第一定量的系數(shù)匹配介質(zhì)22傳播的光能被所述的含有被分析成分的組織10差異地吸收。來自于第二皮膚表面14的未被吸收的光能通過所述第二定量的系數(shù)匹配介質(zhì)24傳播到所述輸出部件26上，并向下傳播到光譜分析器30中進行成分濃度的計算。
如前面所述的，本發(fā)明的所述系數(shù)匹配介質(zhì)22是改進上述方法的精度和可重復性的關鍵。所述系數(shù)匹配介質(zhì)最好是含有全氟代烴(perfluorocarbons)和含氯氟烴的混合物。一種較好的混合物包括氯三氟乙烯。這種混合物最好是包括如異丙醇之類的親水性添加劑。這種親水性的混合物可以吸附皮膚表面的水分從而改善介質(zhì)與皮膚間的界面。另外，所述的系數(shù)匹配介質(zhì)中可含有清潔劑，以吸附采樣點處皮膚中的油脂，并降低它的影響。在上述混合物中還可包括一種表面活化劑。該表面活化劑可改善組織的濕潤性從而改善與皮膚的接觸。最后，還可在上述系數(shù)匹配介質(zhì)中加入一種防腐化合物。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述光學傳感器部件與組織之間的系數(shù)匹配可通過一種可變形的固體物質(zhì)來實現(xiàn)。所述的可變形的固體物質(zhì)可改變其自身形狀，以使部分由于皮膚表面的不平坦所造成的空氣間隙大大減小。可變形的固體物質(zhì)可至少包括明膠、膠帶及在施用時為液態(tài)而經(jīng)過一定時間變?yōu)楣虘B(tài)的一些物質(zhì)。
所述系數(shù)匹配介質(zhì)最好具有1.35-1.41之間的折射系數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用這一范圍內(nèi)的折射系數(shù)可提高上述方法的可重復性和精確性。已經(jīng)認識到，所述系數(shù)匹配介質(zhì)應在其全部結(jié)構內(nèi)具有均勻一致的折射系數(shù)，才能防止光能在通過該介質(zhì)時發(fā)生折射。例如，在介質(zhì)中應不存在能導致折射系數(shù)不連續(xù)性的氣泡。
在一個優(yōu)選實施例中，組織中的葡萄糖濃度是通過首先測量輸出傳感器所接收到的光強度來確定的。這些被測的光強度與一個校準模型一道被應用到一個多變量算法之中，以預測出組織中葡萄糖的濃度。所述校準模型將一系列校準樣本的已知的葡萄糖濃度與從所述校準樣本中測得的實測光強度變量進行經(jīng)驗性相關。在一個優(yōu)選實施例中，所述的多變量算法使用的是局部最小二乘方法，當然也可以使用其它多變量技術。
來自于所述輸入部件傳感器的輸入紅外光能通過所述系數(shù)匹配介質(zhì)22被耦合到所述含有被分析成分的樣本或血液中。因而，作為樣本成分的函數(shù)，將在紅外光能的幾個不同的波長上存在差異吸收。所述的差異吸收導致透過所述含有被分析成分的組織的紅外光能強度的變化。通過所述傳感器的輸出部件以反射或透射過含有被分析成分的樣本的方式接收所得到的紅外光能的強度變化，所述的傳感器輸出部件也是通過系數(shù)匹配介質(zhì)22耦合到血液或含有被分析成分的樣本之上的。
本發(fā)明的光譜分析器30最好包括一個頻率分散儀和一個光電二極管陣列探測器，并與一個計算機相結(jié)合來將這些儀器所接收的數(shù)據(jù)與上述的模型進行對比。盡管有優(yōu)選實施例，但也可以使用其它分析輸出能量的方法。
將所述頻率分散儀和光電二極管陣列探測器進行排列，以使所述的陣列包括多個輸出端子，每個端子對應于能量發(fā)射源16的一個特定的波長或一個較窄的波長范圍。每個端子上所產(chǎn)生的電壓幅度都與陣列中的每個特定探測器的與該探測器相應的能源波長上的紅外光強度成一定比例。典型地，陣列探測器的光電二極管是無源的，而不是光電的，盡管也可以使用光電器件。所述的陣列探測器的二極管必須由通過電纜與其相連的電源來供給直流電壓。陣列探測器中的二極管元件的阻抗作為光能強度的函數(shù)而變化，所述的光能為入射到該二極管上的處于與每個特定的光電元件相應的能量發(fā)射源16的通帶之中的光能。所述的阻抗變化可控制由所述陣列探測器提供給隨機存取存貯器計算機的信號的幅度。
所述的計算機包括存有一個多變量校準模型的內(nèi)存，該校準模型在幾個波長上使一組校準樣本的已知葡萄糖濃度與從所述校準樣本中測得的強度變量經(jīng)驗性相關。這個模型是用已知的統(tǒng)計技術形成的。
通過使用實測光強度變化、校準模型和一個多元算法，計算機預測含有被分析成分的樣本10的被分析成分的濃度。優(yōu)選地，用局部最小二乘法技術進行計算，如Robinson等人在第4975581號美國專利中所公開的那樣。該專利被本文引作參考文獻。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過同時使用所述能量發(fā)射源16的整個頻譜范圍中的至少幾個波長可以明顯改善為多元分析所提取的數(shù)據(jù)的探測精度。所述的多元方法考慮到了對干擾的探測和補償，也考慮到了無意義結(jié)果的測量以及建立多種非線性形式的模型。由于用于產(chǎn)生模型的校準用樣本已經(jīng)在多元基礎上分析過，所以在含有被分析成分的組織10中存在未知的生物材料不能阻止或改變所述的分析。這是因為這些未知的生物材料在用于形成模型的校準樣本中存在。
計算機通過采用所述局部最小二乘法算法、校準模型和測量強度變量來測定在含有被分析成分的組織10中的被分析成分的濃度。通過計算機提取的讀數(shù)被傳送到常規(guī)字母數(shù)字視頻顯示器上。
用對比性試驗來說明在同一裝置中使用系數(shù)匹配介質(zhì)和不使用系數(shù)匹配介質(zhì)的效果。參照附圖3，該圖示出了試驗的結(jié)果，其中，線50代表沒有系數(shù)匹配介質(zhì)時的分析，線52說明了當傳感器部件通過系數(shù)匹配介質(zhì)耦合到皮膚表面時結(jié)果精度的改進。為實施該試驗，對前臂樣本在具有和沒有系數(shù)匹配介質(zhì)的情況下進行了為時兩分鐘的分解數(shù)據(jù)采集。
實施實驗的裝置包括一個Perkin-Elmer(Norwalk，CT)系統(tǒng)2000傅里葉變換紅外光譜測定儀(FTIR)，它具有一個4毫米DIA的銻化銦(InSb)單部件探測器。光源為Gilway Techincal Lamp(Woburn，MA)提供的100瓦鹵化鎢石英燈。干涉儀用的是一種紅外傳輸石英光束分離器。數(shù)據(jù)是通過與運行Perkin-Elmer TR-IR軟件的個人計算機連接的一個轉(zhuǎn)換器采集的。在Matlab中(Mathwork，Natick，MA)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。采樣光學系統(tǒng)構造于系統(tǒng)內(nèi)部，并部分地由在共同未決的第08/513094號專利申請中所描述的光學系統(tǒng)組成。該申請于1995年8月9日提交，名稱為“漫射性反射監(jiān)測裝置(Diffuse Reflectance MonitoringApparatus)”。對于所采集的兩個光譜，所有儀器參數(shù)都是相同的。
實驗過程如下安裝由MgF2半球構成的采樣面，使其圓弧面向下，其平坦面水平放置。光線從下面射入該半球。所述半球的平坦表面、半球固定座及該固定座的支持物共同構成了一個平齊的、水平的采樣表面。將病人的前臂向下放在這一采樣表面上，以使前臂的下面貼在半球的采樣面上。所述的前臂區(qū)域已經(jīng)事先剃過并用水和肥皂沖洗過，而且用異丙醇擦拭過。然后用一個血壓袖帶蓋住前臂，并將所述袖帶充至30mmHg的壓力。該袖帶的作用是將手臂固定于相應位置并防止手臂相對于所述半球運動。用電阻性加熱部件和一個熱電偶反饋器件將所述的采樣平面保持在28℃恒溫。所述手臂定位于該儀器之后，在采樣之前進行30秒鐘的平衡。
參照圖3，標號為50的上面的一條軌跡示出了在前面所述的沒有系數(shù)匹配介質(zhì)的模式下采樣所獲得的結(jié)果。標號為52的下面一條軌跡，是在將手臂放在半球上之前給半球的表面涂上了100毫升三氟氯乙烯的情況下測得的。二者之間有幾個值得注意的差別。最明顯的是數(shù)據(jù)的離散。50和52都是由多個光譜成分組成的。用氟碳潤滑劑(FLUOROLUBE)時，所有光譜相互之間十分接近地重疊。這表明界面是十分穩(wěn)定的。不用氟碳潤滑劑時，界面十分不穩(wěn)定，還有，值得注意之處是在5200cm-1附近的數(shù)據(jù)，這是最強的水帶的位置。不用氟碳潤滑劑時，由于被鏡面反射光污染，這一帶顯得比較脆弱。實際上，應注意到數(shù)據(jù)的離散在這一帶上最大。事實上，兩個軌跡之間的差別很大程度歸因于來自于鏡面反射污染物的虛假能量。
本文所覆蓋的本發(fā)明的新特性和優(yōu)點已經(jīng)在前面的描述中闡明，然而可以理解，在很多方面，本文所公開的只是一種說明。在細節(jié)上的，特別是在外形、尺寸和部件的排列方面的一些改變將不超出本發(fā)明的范圍。當然，本發(fā)明的范圍是用后面的權利要求中的語言來限定的。
權利要求
1.一種用于測定人體組織的血液成分濃度的無創(chuàng)方法，包括以下步驟(a)提供一種測量紅外吸收的裝置，所述的裝置包括一個以多種波長發(fā)射紅外光能的與一個輸入部件工作連接的能量發(fā)射源，所述的裝置進一步包括一個與一光譜分析器工作連接的輸出部件；(b)提供一種系數(shù)匹配介質(zhì)并將一定量的所述介質(zhì)置于所述的人體組織和所述的輸入部件及輸出部件之間，以通過所述的系數(shù)匹配介質(zhì)使所述的傳感器部件與所述含有被分析成分的組織相耦合；以及，(c)用多種波長的紅外光能通過所述的輸入部件照射所述的組織，以形成對所述的多個波長的至少幾個波長的差異吸收；以及，(d)用所述的輸出部件收集至少一部分未被吸收的紅外光能，然后測量所述波長的未被吸收的紅外光能的光強度，并接下來用一種算法和一種模型來計算血液成分的濃度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的輸入部件和輸出部件被結(jié)合于一個單個傳感器部件中。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)的折射系數(shù)與被照射組織的折射系數(shù)十分相近地匹配。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)具有介于1.30至1.45之間的折射系數(shù)。
5.一種用于測定人體組織的血液成分濃度的無創(chuàng)方法，包括以下步驟(a)提供一種測量紅外吸收的裝置，所述的裝置包括一個以多種波長發(fā)射紅外光能的與一個傳感器部件的一輸入部件工作連接的能量發(fā)射源，所述的裝置還包括一個與一光譜分析器工作連接的處于所述傳感器部件中的輸出部件；(b)在含有被分析成分的組織的皮膚表面選擇一個采樣區(qū)域；(c)提供一種系數(shù)匹配介質(zhì)并將一定量的所述介質(zhì)置于所述的采樣區(qū)域和所述的傳感器部件之間；(d)將所述的輸入部件和所述的輸出部件與所述的一定量的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸，以通過所述的系數(shù)匹配介質(zhì)使所述的傳感器部件與所述含有被分析成分的組織相耦合；以及，(e)通過所述的輸入部件照射所述的含有被分析成分的組織，以形成對所述的多個波長的至少幾個波長的差異吸收，并通過所述的與所述光譜分析器相連接的輸出部件測量對所述波長的差異吸收。
6.如權利要求5所述的方法，進一步包括一個利用所述的光譜分析器計算所述含有被分析成分的組織中的血液成分濃度的步驟，該計算是通過將所述的差異吸收與一個包括多個已知的含有被分析成分組織樣本的差異吸收數(shù)據(jù)的模型相比較而完成的。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于用一種局部最小二乘方來將所述含有被分析成分的組織的所述差異吸收與所述的模型進行比較。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的輸入部件和所述的輸出部件包括光學透鏡。
9.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的采樣區(qū)域為病人前臂下面的皮膚表面。
10.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)包括一種全氟代烴和含氯氟烴的混合物。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)具有介于大約1.30至大約1.40之間的折射系數(shù)。
12.一種用于測定人體組織的血液成分濃度的無創(chuàng)方法，包括以下步驟(a)提供一種測量紅外吸收的裝置，所述的裝置包括一個以多種波長發(fā)射紅外光能的與一個傳感器部件的一輸入部件工作連接的能量發(fā)射源，所述的裝置還包括一個與一光譜分析器工作連接的處于所述傳感器部件中的輸出部件；(b)在含有被分析成分的組織的皮膚表面選擇一個采樣區(qū)域；(c)提供一種系數(shù)匹配介質(zhì)并將第一定量的所述系數(shù)匹配介質(zhì)置于所述的采樣區(qū)域和所述的輸入部件之間，以及將第二定量的所述系數(shù)匹配介質(zhì)置于所述的輸出部件和所述采樣區(qū)域的對側(cè)表面之間；(d)將所述的輸入部件與所述的第一定量的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸放置，并將所述的輸出部件與所述的第二定量的系數(shù)匹配介質(zhì)相接觸放置，以通過所述的第一定量和所述的第二定量的系數(shù)匹配介質(zhì)使所述的傳感器部件與所述含有被分析成分的組織相耦合；以及，(e)通過所述的輸入部件照射所述的含有被分析成分的組織，以形成對所述的多個波長的至少幾個波長的差異吸收，并通過將一部分所述的波長經(jīng)過所述含有被分析成分的組織向與所述光譜分析器相連接的所述輸出部件的透射，來測量對所述波長的差異吸收。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括一個用所述的光譜分析器計算所述含有被分析成分的組織中的血液成分濃度的步驟，該計算是通過將所述的差異吸收與一個包括多個已知的含有被分析成分組織樣本的差異吸收數(shù)據(jù)的模型相比較而完成的。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于用一種局部最小二乘方來將所述含有被分析成分的組織的所述差異吸收與所述的模型進行比較。
15.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述的輸入部件和所述的輸出部件包括光學透鏡。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述的采樣區(qū)域為病人前臂下面的皮膚表面。
17.如權利要求12所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)包括一種全氟代烴和含氯氟烴的混合物。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述的系數(shù)匹配介質(zhì)具有介于大約1.30至大約1.40之間的折射系數(shù)。
19.一種在以多種波長測量所述身體的所述皮膚表面下的成分對紅外光能的吸收時為身體的皮膚表面和一個光譜圖像傳感器部件之間提供光學界面的液體混合物，所述的液體混合物包含(a)大約80％至99％的全氟代烴和含氯氟烴的混合物；以及，(b)大約1％至20％的親水性添加劑。
20.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于所述的親水性添加劑為異丙醇。
21.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于所述的全氟代烴和含氯氟烴的混合物包含約90％的氯三氟乙烯和約10％的其它碳氟化合物。
22.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于它進一步包括約1％至10％的清潔劑，所述的清潔劑至少包括石油。
23.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于它進一步包括約1％至5％的表面活化劑，所述的表面活化劑至少包括十二烷基硫酸鈉。
24.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于所述液體的折射系數(shù)為大約1.30至1.40。
25.如權利要求19所述的液體混合物，其特征在于所述液體的折射系數(shù)為大約1.38。
26.如權利要求15所述的液體混合物，其特征在于它進一步包括一種防腐添加劑。
27.一種為一個皮膚表面和一個傳感器部件之間提供無創(chuàng)血液成分測量的光學界面的液體，所述的液體具有以下特性(a)對人體無毒；(b)對傳感器部件無損害；以及，(c)能夠被施加到組織的不規(guī)則表面且能在所述液體的內(nèi)部保持恒定的折射系數(shù)。
28.如權利要求27所述的液體，其特征在于所述液體具有與該組織匹配的折射系數(shù)。
29.如權利要求28所述的液體，其特征在于所述液體折射系數(shù)為1.30至1.45。
30.一種用于無創(chuàng)測定人體組織中的血液成分的定量分析儀器，所述的儀器包括(a)至少三個波長的光源，所述的波長在500至2500nm范圍內(nèi)；(b)一個用于將所述的光的波長導入到所述組織的輸入傳感器部件，以及一個用于收集至少一部分來自于所述組織的未被吸收光的輸出傳感器部件；(c)所述的輸入和輸出傳感器適合于將一種系數(shù)匹配介質(zhì)放置于它們表面上，及使該介質(zhì)放置于它們與含有被分析成分的組織之間；(d)至少有一個探測器用于測量由所述輸出傳感器部件收集的至少一部分所述波長的光強度；(e)用于處理所述測量到的光強度以估計所述血液成分值的電子儀器；以及(f)指示所述估計的所述血液成分值的裝置。
31.如權利要求30所述的分析儀器，其特征在于所述傳感器部件適于與一種系數(shù)匹配介質(zhì)共同使用，以使在測量期間所述系數(shù)匹配介質(zhì)的厚度保持恒定。
32.如權利要求30所述的分析儀器，其特征在于所述傳感器部件適于與一種系數(shù)匹配介質(zhì)共同使用，以使當測量從一種組織轉(zhuǎn)到下一種組織時，所述系數(shù)匹配介質(zhì)的厚度保持相對恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無創(chuàng)測量一種成分的濃度的方法,特別是測量血液中的血液成分。所述的方法應用了光譜圖像技術并給合了一個處于傳感器探頭(11)與皮膚表面(12)或包含被分析血液的身體組織表面之間的改進的光學界面。本發(fā)明公開了一種在光譜圖分析時用于改進傳感器探頭(11)與皮膚表面(12)之間的界面的系數(shù)匹配介質(zhì)(22)。在一個優(yōu)選實施例中,通過應用相對于一個模型的局部二乘方分析來對血液中血液成分的濃度進行定量測定,所述的模型是綜合了對多個已知的血液樣本的分析而形成的。
文檔編號A61B5/00GK1198085SQ96197260
公開日1998年11月4日 申請日期1996年7月30日 優(yōu)先權日1995年8月9日
發(fā)明者R·G·梅瑟施米特 申請人:里奧格蘭德醫(yī)學技術有限公司