專利名稱：測(cè)量待測(cè)物中成分濃度的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)物體中某種成分的濃度的測(cè)量。更確切地說(shuō)，本發(fā)明是通過(guò)消除參考光的測(cè)量與信號(hào)光的測(cè)量之間的時(shí)間差，來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量物體內(nèi)某種成分的濃度，例如人體內(nèi)的體液的濃度。
背景技術(shù)：
隨著人類整體生活和生存條件的提高，人們對(duì)于自身的健康關(guān)注程度也在上升。于是，已經(jīng)開發(fā)和研究了一大批家用醫(yī)療設(shè)備，人們使用它們可以非常容易地檢測(cè)自己的健康狀況。在正常人體內(nèi)，體液有機(jī)地循環(huán)和調(diào)節(jié)，以便體液量被維持在一個(gè)預(yù)定的范圍內(nèi)。體液包括血液、尿、組織間液(interstitial fluid)、汗和唾液。一般來(lái)講，血液和尿液(葡萄糖和蛋白質(zhì))濃度是評(píng)價(jià)一個(gè)人健康狀況的重要的參數(shù)。此外，血液中各種成分，如葡萄糖、血紅蛋白、膽紅素、膽固醇、白蛋白、肌酸酐、蛋白質(zhì)和尿素的濃度，對(duì)于評(píng)估人體的健康狀況也有極其重要的作用。
當(dāng)人體感染了疾病以后，體液的成分或者某種成分的含量會(huì)發(fā)生改變，這種改變可能會(huì)導(dǎo)致死亡。比如，正常人空腹時(shí)血糖濃度(blood glucoseconcentration)大約是80mg/dl，餐后大約是120mg/dl。為了保持這個(gè)正常的水平，人體胰腺會(huì)在餐前或餐后分泌適量的胰島素以使葡萄糖可以被肝臟和骨骼肌細(xì)胞吸收。然而，如果胰腺由于疾病或者其他原因，不能分泌適量的胰島素來(lái)保持正常的血糖濃度時(shí)，則血液中血糖的含量就會(huì)超標(biāo)，進(jìn)而引起心臟或肝臟的疾病、動(dòng)脈硬化、高血壓、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜出血、神經(jīng)損傷、失聰或視神經(jīng)損傷等，所有這一切都會(huì)導(dǎo)致包括死亡再內(nèi)的很嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，認(rèn)為測(cè)量人體內(nèi)體液成分改變的技術(shù)是非常重要的。
測(cè)量體液成分濃度的方法包括侵入性(invasive)方法和非侵入性(noninvasive)方法。侵入性方法是直接從受試者采樣并對(duì)受試者的采樣部分進(jìn)行測(cè)量；非侵入性方法不用直接從受試者采集樣本而進(jìn)行測(cè)量。由于侵入性的方法有許多弊端，所以人們一直在研究和開發(fā)利用非侵入性方法來(lái)容易地分析體液成分的技術(shù)。常規(guī)的檢查體液成分的方法，以測(cè)量血糖濃度為例，先要抽血，然后與化學(xué)試劑起反應(yīng)，再通過(guò)利用臨床分析系統(tǒng)或者通過(guò)量化比色卡(test strip)中的變化進(jìn)行分析。如果這種血糖檢驗(yàn)每天都要進(jìn)行的話，那么患者將承受直接采血而帶來(lái)的疼痛，并且易受感染。此外，由于不能連續(xù)地監(jiān)控血糖水平，面對(duì)某些突發(fā)事件，也許無(wú)法恰當(dāng)?shù)奶幚砘颊叩那闆r。另外，使用一次性的試紙、試劑也會(huì)加重患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。并且這些一次性的試紙、試劑還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，而且同樣需要進(jìn)行特殊處理。所以，希望開發(fā)一種不用采血就能測(cè)量血糖濃度的技術(shù)，用于檢控和調(diào)整糖尿病患者的血糖濃度，或者用于診斷一個(gè)人的健康狀況。目前已經(jīng)研究了幾種非侵入性的檢測(cè)血糖的方法，但是使用這些方法的儀器還沒(méi)有商業(yè)化。
在測(cè)量人體內(nèi)血液成分濃度的最傳統(tǒng)的、分光鏡方法中，可見光或近紅外光(NIR)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光被照射到人體的某一部分，然后測(cè)量從人體反射的光或穿過(guò)人體的透射光。在這種分光鏡方法中，通常測(cè)定光譜以測(cè)量血液成分的濃度。在此，需要一個(gè)參考光源，這個(gè)光源的波長(zhǎng)能最好地響應(yīng)將要測(cè)量的血液成分，并且它的帶寬能夠有效地均衡干擾物質(zhì)。通常，連續(xù)波(CW)燈泡被用作光源，用昂貴的陣列檢測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)，或者用分光鏡系統(tǒng)測(cè)量光譜，以便計(jì)算成分的濃度。此外，發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)也可以用作光源。
但是，在血液中將要測(cè)量的成分的濃度可能非常小，并且活體組織和血液中的光散射效應(yīng)比光吸收效應(yīng)要大很多，所以測(cè)得的信號(hào)會(huì)非常微弱。因此，需要放大信號(hào)的方法。而且，由于人體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)是在不停地流動(dòng)的，所以只有當(dāng)測(cè)量被快速執(zhí)行時(shí)才能準(zhǔn)確地測(cè)量成分的濃度。另外，必須要注意的是輻射在人體上的平均能量不能超出可能對(duì)人體造成損傷的極限。具體地說(shuō)，在NIR波長(zhǎng)范圍是700nm～2500nm時(shí)，葡萄糖的吸收帶就廣泛地分布在這個(gè)區(qū)間上，但是與大的水背景光譜(aqueous background spectrum)相比葡萄糖的最大吸收率是小的。于是，信號(hào)的信噪比(SNR)就很小，精確測(cè)量就很困難。
在很多傳統(tǒng)的測(cè)量物體中某種成分的濃度的非侵入性方法中，測(cè)量吸光率，然后對(duì)吸光率進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，以便分析某種成分的濃度。該吸光率可以表示為由樣本測(cè)得的信號(hào)光強(qiáng)與參考光強(qiáng)之間的負(fù)對(duì)數(shù)比。由于不通過(guò)人體而測(cè)量的參考光強(qiáng)和從人體測(cè)量的信號(hào)光強(qiáng)被以預(yù)定時(shí)段間隔測(cè)量，所以信號(hào)光強(qiáng)的測(cè)量和參考光強(qiáng)的測(cè)量之間存在時(shí)間差。通過(guò)同步測(cè)量參考光強(qiáng)和信號(hào)光強(qiáng)可以消除這種時(shí)間差。在傳統(tǒng)的用于消除時(shí)間差的方法中，在光照射人體之前，用一個(gè)分束器將一束光分為兩束。其中一束送往參考光強(qiáng)通道，另一束送往信號(hào)光強(qiáng)通道。分別測(cè)量?jī)墒獾膹?qiáng)度，并用以預(yù)測(cè)一種特定成分的濃度。然而，在這種情況下，需要一套用于將輸入光束分開的附加光學(xué)系統(tǒng)及其配套設(shè)備。因此，很難構(gòu)造成一種緊湊的系統(tǒng)。同時(shí)，如果不使用分束器，那么為了計(jì)算吸光率就要先測(cè)量參考光強(qiáng)，再測(cè)量信號(hào)光強(qiáng)。但是，由于在信號(hào)光強(qiáng)的測(cè)量和參考光強(qiáng)的測(cè)量之間的時(shí)間間隔期間所出現(xiàn)的各種變化的影響，將很難精確地預(yù)測(cè)某種成分的濃度。

發(fā)明內(nèi)容
為了至少能夠解決上述某些問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施例的特點(diǎn)體現(xiàn)在提供一種通過(guò)消除信號(hào)光的測(cè)量和參考光的測(cè)量之間的時(shí)間差，精確地測(cè)量物體中成分濃度的方法。
本實(shí)施例的另一個(gè)特點(diǎn)是提供一種能夠執(zhí)行上述方法的設(shè)備。
根據(jù)本實(shí)施例的特征，提供了一種用于測(cè)量待測(cè)物中某種成分濃度的設(shè)備，包括產(chǎn)生具有第一波長(zhǎng)帶的光的光源；射頻(RF)信號(hào)發(fā)生器，其可以產(chǎn)生預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，以便可以從具有第一波長(zhǎng)帶的光產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的光；可調(diào)濾波器，其接收具有第一波長(zhǎng)帶的光，并且根據(jù)RF信號(hào)發(fā)生器提供的RF信號(hào)產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束；第一光探測(cè)器，其探測(cè)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束輻射到待測(cè)物后反射或透射的第一輸出光束；第二光探測(cè)器，探測(cè)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的負(fù)級(jí)光束輻射到參照物以后反射或透射的第二輸出光束；以及一個(gè)其中預(yù)先存有正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式的信號(hào)處理器，其通過(guò)將來(lái)自于參照物的第二輸出光束的強(qiáng)度帶入所述強(qiáng)度關(guān)系式中算出輸入待測(cè)物之前的正級(jí)光束的強(qiáng)度，利用來(lái)自待測(cè)物的第一輸出光束的強(qiáng)度和輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度，計(jì)算出吸收率，然后用該吸收率測(cè)量該成分的濃度。
該設(shè)備還可在光源至可調(diào)濾波器之間的光路上安裝一個(gè)用于會(huì)聚由光源發(fā)出的光的聚光透鏡。光源可以為鹵素?zé)襞?。第一和第二光探測(cè)器可以是由InGaAs、PbS和InSb構(gòu)成的組中選擇出的材料制成的。可調(diào)濾波器可以包含換能器和聲光介質(zhì)，且該聲光介質(zhì)可以是晶體。
該設(shè)備還可以包括光束導(dǎo)向單元，其導(dǎo)引由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束平行地射向待測(cè)物，并導(dǎo)引由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的負(fù)級(jí)光束平行地射向參照物。第一和第二光束導(dǎo)向單元可以從由錐形鋁管、玻璃棒或空心波導(dǎo)器構(gòu)成的組中被選出。
該設(shè)備還可以包含折射率匹配單元，其置于光束導(dǎo)向單元與待測(cè)物之間，用以匹配待測(cè)物的內(nèi)部折射率和外部折射率。
在該設(shè)備中，利用正級(jí)光束與負(fù)級(jí)光束信號(hào)處理器可以獲得強(qiáng)度關(guān)系式，所述正、負(fù)級(jí)光束是在將特定波長(zhǎng)的、由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束照射在參照物上時(shí)從參照物輸出的。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)特點(diǎn)，提供了一種測(cè)定待測(cè)物中一種成分濃度的方法，包括在特定的波長(zhǎng)下關(guān)于參照物確定正級(jí)光束與負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式；施加一束具有能被所述成分吸收的第一波長(zhǎng)帶的光，并測(cè)定從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度，和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度；該正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束具有第二波長(zhǎng)帶；通過(guò)將從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度帶入強(qiáng)度關(guān)系式，計(jì)算出輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度；利用從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度，計(jì)算吸收率，并用該吸收率測(cè)量成分的濃度。
在該方法中，設(shè)定強(qiáng)度關(guān)系式可以包括根據(jù)具有預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，從具有第一波長(zhǎng)帶并由光源提供的光，產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束；將正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束照射到參照物，并檢測(cè)從參照物輸出正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束各自的強(qiáng)度；并基于檢測(cè)的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度設(shè)定強(qiáng)度關(guān)系式。
在該方法中，施加具有第一波長(zhǎng)帶的光并檢測(cè)從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度包括根據(jù)具有預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，從由光源提供的具有第一波長(zhǎng)帶的光，產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束，并且將所產(chǎn)生的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束分別照射到待測(cè)物和參照物上；并檢測(cè)從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一特征，提供一種計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，其中已經(jīng)記錄了用于執(zhí)行上述方法的程序。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將更為清楚。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量待測(cè)物中某種成分的濃度的設(shè)備方框圖；圖2是當(dāng)從葡萄糖水溶液去掉水時(shí)不同波長(zhǎng)的吸收光譜；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量待測(cè)物中某種成分的濃度的方法流程圖；圖4是圖3所示步驟310的具體流程圖。
具體實(shí)施例方式
2003年3月17日提交的、名為“測(cè)量待測(cè)物中成分濃度的方法和設(shè)備”的韓國(guó)專利申請(qǐng)第2003-16406號(hào)在這里作為參考而全部引用。
現(xiàn)在結(jié)合附圖在下文中詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以具有不同的實(shí)施方式，而且并不局限于在此提出的這些實(shí)施例。相反地，提出這些實(shí)施例使得公開更加全面和完整，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。同樣的附圖標(biāo)記用來(lái)標(biāo)示全文中的同一元件。
圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于測(cè)量待測(cè)物中成分濃度的設(shè)備的方框圖。該設(shè)備包括光源111、聚光透鏡112、射頻(RF)信號(hào)發(fā)生器113、可調(diào)濾波器114、第一光束導(dǎo)向單元118、第二光束導(dǎo)向單元119、第一光探測(cè)器122、第二光探測(cè)器123、放大器124、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器125、信號(hào)處理器126、存儲(chǔ)單元127、顯示單元128。光源111、聚光透鏡112、射頻(RF)信號(hào)發(fā)生器113、可調(diào)濾波器114、第一和第二光束導(dǎo)向單元118、119組成光照射單元(light radiation unit)。附圖標(biāo)記115、116、117分別代表由可調(diào)濾波器114產(chǎn)生的正級(jí)、零級(jí)、負(fù)級(jí)光束。附圖標(biāo)記120代表待測(cè)物，附圖標(biāo)記121代表容器中的參照物。參照物121是具有100％滲透性的物體。因此，輸入到參照物121的光束強(qiáng)度與從參照物121輸出的光束強(qiáng)度相同。參照物121可以用一種容器，如空的試管，來(lái)代替。
運(yùn)行時(shí)，光源111發(fā)出能被人體體液中的特定成分所吸收的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。該待測(cè)的特定成分(該特定成分可能是葡萄糖、血色素、白蛋白、或膽固醇)依據(jù)各自的特性吸收具有特定波長(zhǎng)的光。依據(jù)待測(cè)的特定成分可以使用不同類型的燈作為光源。在本發(fā)明的實(shí)施例中使用鹵素?zé)糇鳛楣庠?11。
聚光透鏡112安裝在光源111的光學(xué)路徑上用來(lái)會(huì)聚從光源111發(fā)出的光信號(hào)。由聚光透鏡112會(huì)聚的光信號(hào)被施加于可調(diào)濾波器114。聚光透鏡112是可選的，根據(jù)具體的應(yīng)用，來(lái)決定是否安裝。
RF信號(hào)發(fā)生器113產(chǎn)生RF信號(hào)以改變通過(guò)聚光透鏡112(如果有的話)施加到可調(diào)濾波器114的光信號(hào)的波長(zhǎng)，并且將RF信號(hào)提供給可調(diào)濾波器114。優(yōu)選的是，RF信號(hào)具有的頻率能使可調(diào)濾波器114產(chǎn)生波長(zhǎng)范圍為400～12,000nm的光。可調(diào)濾波器114優(yōu)選地是由聲光裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該聲光裝置具有寬的調(diào)節(jié)范圍和快速的調(diào)節(jié)速度以便進(jìn)行微秒(μs)量級(jí)的波長(zhǎng)掃描?？烧{(diào)濾波器114包括換能器(transducer)114a和聲光介質(zhì)114b，例如晶體。
RF信號(hào)發(fā)生器113的操作將結(jié)合可調(diào)濾波器114的操作一起描述。一旦接收到一個(gè)外部電信號(hào)，RF信號(hào)發(fā)生器113提供RF信號(hào)給與聲光介質(zhì)114b相結(jié)合的換能器114a。換能器114a產(chǎn)生并提供一個(gè)超生波陣面(ultrasonicwavefront)給聲光介質(zhì)114b。從光源111入射的光在聲光介質(zhì)114b中與超生波陣面相互作用，以通過(guò)滿足布拉格(Bragg)條件來(lái)產(chǎn)生正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束。一部分入射光束照原樣輸出并變成零級(jí)光束。更具體地，施加到可調(diào)濾波器114的光的波長(zhǎng)隨著RF信號(hào)發(fā)生器113所提供的RF信號(hào)的頻率而改變，依據(jù)聲光介質(zhì)114b的衍射角，光被作為正級(jí)光束115、零級(jí)光束116、和與正級(jí)光束115具有相同反射級(jí)的負(fù)級(jí)光束117而被輸出。正級(jí)光束115被提供到第一光束導(dǎo)向單元118，負(fù)級(jí)光束117被提供到第二光束導(dǎo)向單元119。在此，正級(jí)光束115的反射級(jí)可以是+1，負(fù)級(jí)光束117的反射級(jí)可以是-1，零級(jí)光束116未被使用，因此阻斷。正級(jí)光束115或負(fù)級(jí)光束117都可以被用作信號(hào)光。在此實(shí)施例中，正級(jí)光束115被用作信號(hào)光，而負(fù)級(jí)光束117被用作輔助光以計(jì)算參考光。
第一光束導(dǎo)向單元118發(fā)送正級(jí)光束115使之平行，第二光束導(dǎo)向單元119發(fā)送負(fù)級(jí)光束119使之平行。第一和第二光束導(dǎo)向單元118和119可由錐形鋁管、玻璃棒或空心波導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)。正級(jí)光束115和負(fù)級(jí)光束117被分別照射到待測(cè)物120和裝在容器中的參照物121上。待測(cè)物120可以是活的人體的一部分，如手指或耳垂等，也可以是能夠容納體外樣本的預(yù)定容器，如試管。因此當(dāng)待測(cè)物120是在體組織(vital tissue)時(shí)，成分的濃度通過(guò)非侵入性方法測(cè)試；當(dāng)待測(cè)物120是樣本試管時(shí)，成分的濃度通過(guò)侵入性方法測(cè)試。
由于在體組織(包括血液)的表面折射率和在體組織內(nèi)部的折射率是不同的，所以可以在第一光束導(dǎo)向單元118與待測(cè)物120之間另外加入折射率匹配單元以匹配待測(cè)物120的內(nèi)部折射率和外部折射率，以便可以明顯地提高信噪比(SNR)。
第一光探測(cè)器122探測(cè)從待測(cè)物120透射或反射的信號(hào)光并將其提供給放大器124。第二光探測(cè)器123探測(cè)從裝在容器中的參照物121產(chǎn)生的參考光并將其提供給放大器124。第一和第二光探測(cè)器122和123可由用InGaAs、PbS或InSb構(gòu)成的光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。放大器124分別將由第一和第二光探測(cè)器122和123探測(cè)到的信號(hào)光和參考光放大到預(yù)定的水平。該放大的信號(hào)光和放大的參考光由模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器125轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后提供給信號(hào)處理器126。
信號(hào)處理器126一般由微處理器實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部存有正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式以及預(yù)測(cè)成分濃度的算法。信號(hào)處理器126處理并分析從A/D轉(zhuǎn)換器125接收的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，利用參考光的強(qiáng)度和信號(hào)光的強(qiáng)度計(jì)算吸光率，并利用預(yù)測(cè)算法計(jì)算特定成分的濃度。更具體地，通過(guò)比較和分析不同波長(zhǎng)下的吸光率，可以做出一個(gè)用于精確預(yù)測(cè)不同成分濃度的模型預(yù)測(cè)方程，并且可以利用模型預(yù)測(cè)方程和計(jì)算的吸光率來(lái)計(jì)算特定成分的濃度。
存儲(chǔ)裝置127存儲(chǔ)由信號(hào)處理器126執(zhí)行的處理的結(jié)果。顯示單元128將此處理結(jié)果顯示在屏幕上。
圖2是當(dāng)葡萄糖溶液中葡萄糖濃度變化時(shí)，使用分光鏡系統(tǒng)在0.5mm路徑長(zhǎng)度測(cè)得的吸收光譜。這個(gè)吸收光譜對(duì)應(yīng)于當(dāng)從葡萄糖溶液中去掉水時(shí)獲得的吸收光譜。如圖2所示，在1500nm至1700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)和2100nm波長(zhǎng)處葡萄糖的吸光率是大的。因此，為了測(cè)量葡萄糖的濃度，調(diào)節(jié)來(lái)自RF信號(hào)發(fā)生器113的RF信號(hào)的頻率，以使得可調(diào)濾波器114提供的光包括1500nm至1700nm的波長(zhǎng)范圍和2100nm的波長(zhǎng)。
圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量待測(cè)物中成分的濃度的方法流程圖。參見圖3，在步驟310中，設(shè)定正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間強(qiáng)度關(guān)系式。下面將結(jié)合圖4對(duì)步驟310進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
在圖4的步驟410，RF信號(hào)發(fā)生器113將用于產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的RF信號(hào)提供給可調(diào)濾波器114。例如，當(dāng)葡萄糖的濃度將要被測(cè)定時(shí)，提供頻率為54-119MHz的RF信號(hào)，以便使得可調(diào)濾波器114可以輸出波長(zhǎng)范圍在1200-2400nm的光，該范圍包含了1500nm至1700nm波長(zhǎng)和2100nm波長(zhǎng)的光。
在步驟420中，用第二參照物(未示出)代替待測(cè)物120，以便根據(jù)RF信號(hào)由可調(diào)濾波器114產(chǎn)生的正級(jí)光束115和負(fù)級(jí)光束117均被照射到裝在容器中的參照物121上，并且可以測(cè)量從參照物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度。在步驟430中，根據(jù)從參照物121輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度(x)和正級(jí)光束的強(qiáng)度(y)，求得正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式(y＝kx，其中k為常數(shù))，將此關(guān)系式與施加到可調(diào)濾波器114的光的波長(zhǎng)、由可調(diào)濾波器114產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)、和/或RF信號(hào)的頻率一起以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存入信號(hào)處理器126中。
回頭參考圖3，在步驟320，RF信號(hào)發(fā)生器113將具有預(yù)定頻率的RF信號(hào)施加到可調(diào)濾波器114，以從由光源111發(fā)射的具有第一波長(zhǎng)帶的光產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的光。
在步驟330，根據(jù)RF信號(hào)由可調(diào)濾波器114產(chǎn)生正級(jí)光束115和負(fù)級(jí)光束117，該正級(jí)光束115和負(fù)級(jí)光束117分別通過(guò)第一和第二光束導(dǎo)向單元118和119被照射到待測(cè)物120和參照物121上，因此獲得分別從待測(cè)物120和參照物121輸出的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束。然后測(cè)量從待測(cè)物120輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物121輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度。
在步驟340，通過(guò)將在步驟330獲得的從參照物121輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度(x)帶入在步驟310設(shè)置的強(qiáng)度關(guān)系式(y＝kx)，計(jì)算出從參照物121輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度(y)。由于參照物具有100％的透過(guò)率，所以輸入?yún)⒄瘴?21的光束強(qiáng)度與從參照物121輸出的光束強(qiáng)度相同。因此，計(jì)算出的從參照物121輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度(y)變?yōu)檩斎氲絽⒄瘴?21的正級(jí)光束的強(qiáng)度，也就是，輸入待測(cè)物120的正級(jí)光束的強(qiáng)度。
在步驟350，使用在步驟330獲得的從待測(cè)物120輸出的正級(jí)光束和在步驟340獲得的從參照物121輸出的正級(jí)光束，也就是輸入待測(cè)物120的正級(jí)光束，來(lái)計(jì)算吸光率。
在步驟360中，利用吸光率測(cè)量成分的濃度。具體地，將從待測(cè)物120輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度設(shè)置為信號(hào)光強(qiáng)，將輸入待測(cè)物120的正級(jí)光束的強(qiáng)度設(shè)置為參考光強(qiáng)，并且計(jì)算信號(hào)光強(qiáng)和參考光強(qiáng)之間的負(fù)對(duì)數(shù)比以確定吸光率。
當(dāng)待測(cè)物120是人體時(shí)，從待測(cè)物120輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度直接由第一光探測(cè)器122探測(cè)。通過(guò)將從參照物121輸出并由第二光探測(cè)器123探測(cè)的負(fù)級(jí)光束帶入預(yù)先設(shè)定的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式，算出輸入待測(cè)物120的正級(jí)光束的強(qiáng)度。這樣，就可以同時(shí)測(cè)出待測(cè)物120的輸入光束的強(qiáng)度和待測(cè)物120的輸出光束的強(qiáng)度，而沒(méi)有時(shí)間差。因此，利用由輸入和輸出光束的強(qiáng)度計(jì)算出的吸光率以及用于預(yù)測(cè)成分濃度的算法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算成分的實(shí)際濃度。利用諸如部分最小二乘回歸法(PLSR)的多元回歸法可以獲得所述算法。
本發(fā)明可以由記錄在計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)上并能夠由計(jì)算機(jī)讀取的代碼實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以為任何形式的介質(zhì)，其上可以記錄能夠由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)，例如，只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、光盤只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、磁帶、磁盤或者光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。本發(fā)明也可以作為載波來(lái)實(shí)現(xiàn)(如，通過(guò)因特網(wǎng)傳播)。另外，計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間分配，以便本發(fā)明還可以作為一種存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中的、計(jì)算機(jī)可讀取并執(zhí)行的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明領(lǐng)域的程序員可以很容易地推斷出用于實(shí)施本發(fā)明的功能程序、代碼、代碼段。
如上所述，在本發(fā)明中，消除了信號(hào)光強(qiáng)和參考光強(qiáng)的測(cè)量時(shí)間之間的差值。在本發(fā)明中，參考光強(qiáng)被獲得而沒(méi)有遇到將被測(cè)量的待測(cè)物，即，待測(cè)物的輸入光束的強(qiáng)度；并且當(dāng)遇到待測(cè)物時(shí)，獲得信號(hào)光強(qiáng)的測(cè)量時(shí)間，即待測(cè)物的輸出光束的強(qiáng)度。由于測(cè)量時(shí)間差已經(jīng)去除掉了，所以諸如體液的待測(cè)物中某種成分的濃度可以精確地通過(guò)侵入或非侵入性方法測(cè)量，而不會(huì)受常規(guī)測(cè)量時(shí)間差產(chǎn)生的不同變化的影響。
此外，由于使用了由聲光介質(zhì)組成的可調(diào)濾波器，而沒(méi)有使用任何運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，所以減小了外部環(huán)境(如顫動(dòng)或震動(dòng))的影響，而且可以實(shí)現(xiàn)快速波長(zhǎng)掃描。而且，通過(guò)調(diào)整施加到可調(diào)濾波器的RF信號(hào)的頻率可以自由控制光源的光譜帶寬。因此，可以容易地測(cè)量具有窄吸收帶寬的物質(zhì)的濃度。
在這里已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，雖然采用了專業(yè)術(shù)語(yǔ)，但是它們僅作為一般的、描述性的意義來(lái)使用的，并且沒(méi)有任何限定的目的。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解在不脫離所附權(quán)利要求書所述的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上作不同的修改。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量待測(cè)物中某種成分濃度的方法，包括在特定波長(zhǎng)下關(guān)于參照物來(lái)設(shè)定正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式；施加具有由所述成分吸收的第一波長(zhǎng)帶的光，并測(cè)量從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度以及從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度，該正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束具有第二波長(zhǎng)帶；通過(guò)將從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度帶入強(qiáng)度關(guān)系式，計(jì)算出輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度；以及利用從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度計(jì)算吸光率，利用該吸光率測(cè)量所述成分的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其中設(shè)定強(qiáng)度關(guān)系式包括根據(jù)具有預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，從由光源提供的具有第一波長(zhǎng)帶的光產(chǎn)生含有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)和負(fù)級(jí)光束；將正級(jí)和負(fù)級(jí)光束照射到參照物上，并測(cè)量從參照物輸出的各個(gè)正級(jí)和負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度；以及基于所測(cè)定的正級(jí)和負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度設(shè)定強(qiáng)度關(guān)系式。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中施加具有第一波長(zhǎng)帶的光并測(cè)量從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度包括根據(jù)具有預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，從由光源提供的具有第一波長(zhǎng)帶的光產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)和負(fù)級(jí)光束；分別將所產(chǎn)生的正級(jí)和負(fù)級(jí)光束照射到待測(cè)物和參照物上；以及探測(cè)從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度。
4.一種計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，其中已經(jīng)記錄了用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述的方法的程序。
5.一種用于測(cè)量待測(cè)物中某種成分濃度的設(shè)備，包括光源，其產(chǎn)生具有用于所述成分的第一波長(zhǎng)帶的光；射頻(RF)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的射頻(RF)信號(hào)，使得可以從具有第一波長(zhǎng)帶的光產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的光；可調(diào)濾波器，接收具有第一波長(zhǎng)帶的光，并根據(jù)由RF信號(hào)發(fā)生器提供的RF信號(hào)產(chǎn)生具有第二波長(zhǎng)帶的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束；第一光探測(cè)器，探測(cè)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束照射到待測(cè)物上以后從待測(cè)物反射或透射的第一輸出光束；第二光探測(cè)器，探測(cè)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的負(fù)級(jí)光束照射到參照物上以后從參照物反射或透射的第二輸出光束；信號(hào)處理器，其已預(yù)先存有正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式，其通過(guò)將來(lái)自參照物的第二輸出光束的強(qiáng)度帶入所述強(qiáng)度關(guān)系式中來(lái)計(jì)算輸入待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度，利用來(lái)自待測(cè)物的第一輸出光束的強(qiáng)度和輸入到待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度計(jì)算吸光率，并利用該吸光率測(cè)定所述成分的濃度。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，還包括光束導(dǎo)向單元，其引導(dǎo)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束平行發(fā)射到待測(cè)物，并引導(dǎo)由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的負(fù)級(jí)光束平行發(fā)射到參照物。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，還包括折射率匹配單元，其安置在光束導(dǎo)向單元與待測(cè)物之間，用以匹配待測(cè)物的內(nèi)部與外部折射率。
8.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述信號(hào)處理器利用正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束獲得強(qiáng)度關(guān)系式，所述正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束是在將特定波長(zhǎng)的、由可調(diào)濾波器產(chǎn)生的正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束照射在參照物上時(shí)從參照物輸出的。
全文摘要
一種測(cè)量待測(cè)物中某種成分濃度的方法，包括在特定波長(zhǎng)下關(guān)于參照物設(shè)定正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束之間的強(qiáng)度關(guān)系式；施加具有由待測(cè)物吸收的第一波長(zhǎng)帶的光，并探測(cè)從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度，正級(jí)光束和負(fù)級(jí)光束具有第二波長(zhǎng)帶；通過(guò)將從參照物輸出的負(fù)級(jí)光束的強(qiáng)度帶入強(qiáng)度關(guān)系式，計(jì)算出輸入到待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度；以及利用從待測(cè)物輸出的正級(jí)光束的強(qiáng)度和輸入到待測(cè)物的正級(jí)光束的強(qiáng)度計(jì)算吸光率，并利用吸光率計(jì)算該成分的濃度。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1550213SQ200410063118
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月17日
發(fā)明者黃寅德, 尹吉源, 韓相畯, 全桂珍 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社