專(zhuān)利名稱(chēng)：非侵入式血液分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非侵入式血液分析儀。本發(fā)明的分析儀能夠以改進(jìn)的可重復(fù)性經(jīng)皮膚實(shí)時(shí)監(jiān)控血液成份的含量，例如血紅蛋白濃度或血細(xì)胞比容，無(wú)需從活體中抽取血樣。
對(duì)末梢血管內(nèi)血液的血液學(xué)檢測(cè)是臨床檢查中最重要且最常進(jìn)行的一種檢測(cè)。特別地，對(duì)貧血癥病例診斷中必要的檢驗(yàn)項(xiàng)目是血紅蛋白濃度和血球比容。目前進(jìn)行的血液學(xué)檢測(cè)需要從病人身體取出血樣?？墒?，經(jīng)常取血樣對(duì)病人施加了負(fù)擔(dān)且由于注射針頭的插入事故可能產(chǎn)生感染的危險(xiǎn)。
由上如述，目前已經(jīng)提出了一些用于穿過(guò)皮膚(非侵入式)檢測(cè)上述項(xiàng)目的儀器。例如，日本已審查的第HEI-3-71135號(hào)專(zhuān)利披露了一種測(cè)量血紅蛋白的血紅蛋白濃度測(cè)量?jī)x器，它是根據(jù)由于投射到活體上的多種波長(zhǎng)的光的脈動(dòng)所導(dǎo)致的光強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)定血紅蛋白濃度。類(lèi)似地，美國(guó)第5，372，136號(hào)專(zhuān)利披露了通過(guò)利用脈動(dòng)和類(lèi)似的方法測(cè)定血液中的血球比容的系統(tǒng)和方法。
但是，這些用于確定絕對(duì)值的技術(shù)總是伴隨與精度有關(guān)的問(wèn)題，這是因?yàn)樽鳛闇y(cè)試材料的血容量不能夠被確定。而且，可以預(yù)計(jì)測(cè)量值可能會(huì)隨著傳感器所縛著的人體部分而變化，從而導(dǎo)致不良的可重復(fù)性。
美國(guó)第4，998，533號(hào)專(zhuān)利披露了一種根據(jù)毛細(xì)血管中的血流圖像進(jìn)行上述測(cè)定內(nèi)容測(cè)量的儀器，可是它需要大規(guī)模結(jié)構(gòu)。雖然已有報(bào)道能夠獲得活體某一部分諸如手指中血管的透射光的圖像，但是尚無(wú)法通過(guò)分析透射光圖像對(duì)上述所測(cè)定項(xiàng)目進(jìn)行定量分析。
由上所述，本項(xiàng)發(fā)明提供一種儀器和方法，它適于利用簡(jiǎn)化裝置獲得活體諸如手指的組織中血管的透射光圖像，且分析該透射光圖像，以改進(jìn)的可重復(fù)性對(duì)上述測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量。
較特別地是，當(dāng)允許光線通過(guò)包含血管的活體組織并攝取透射光的圖像時(shí)，由于光線被血液中所包含的組份所吸收，血管部分的圖像顯示暗色，由于活體組織的其它部分可以透過(guò)光，其它圖像部分顯亮色。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)圖像中的濃度對(duì)比可以確定血液組份(例如血紅蛋白)的濃度。必要時(shí)可以根據(jù)血管呈現(xiàn)的深度較正已確定的濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種非侵入式血液分析儀。它由以下部分組成一個(gè)用于照射包含血管的活體組織一部分的光源；一個(gè)用攝取被照射的血管和組織的圖像的圖像攝取部分；和一個(gè)用于分析所攝取的圖像的分析部分；其中分析部分分析所攝取圖像中血管的圖像濃度，從而計(jì)算血液組份含量并且輸出計(jì)算結(jié)果。
在本發(fā)明中，活體表示哺乳動(dòng)物包括人，活體的組織的部分表示當(dāng)它們?cè)诨铙w中時(shí)的組織部分，例如一個(gè)手指或者耳垂，但并不意味著與活體分離開(kāi)的組織。
本發(fā)明的分析儀中，分析部分可以包括用于提取所攝取圖像中穿過(guò)血管的圖像濃度分布作為圖像濃度剖面圖的提取部分；用于量化圖像濃度剖面圖的結(jié)構(gòu)特征的量化部分；用于根據(jù)量化特征計(jì)算血液組分含量的計(jì)算部分；和用于輸出計(jì)算結(jié)果的輸出部分。
本發(fā)明的分析儀較好地進(jìn)一步包括用于使光源和圖像攝取部分相對(duì)于活體部分固定的固定元件，使得圖像攝取部分?jǐn)z取到活體的組織中的理想部分的圖像。
在本發(fā)明中，所攝取的圖像既可以是透射光圖像也可以是反射光圖像。
可用作本發(fā)明的光源是半導(dǎo)體激光(以后簡(jiǎn)稱(chēng)之為“LD”)。LED和鹵光源?；铙w的部分可以用光直接照射或者通過(guò)一個(gè)光纖照射。光的波長(zhǎng)最好在400至950nm之間，在該范圍內(nèi)，光線穿過(guò)活體組織且被水吸收的光也不大。例如，600至950nm范圍的光用于透射光圖像，而400至950nm范圍的光用于反射光圖像。
較理想的情形是，光源較好地由一個(gè)光發(fā)射裝置構(gòu)成，它適于選擇性發(fā)射第一和第二波長(zhǎng)的光束，或者三個(gè)或更多波長(zhǎng)的光束。所希望的是第一和第二波長(zhǎng)的光對(duì)氧化的和還原的血紅蛋白基本是相同的吸收波長(zhǎng)。
當(dāng)確定血液組份，即血紅蛋白濃度和血球比容時(shí)需要二個(gè)或者更多的波長(zhǎng)的光。假如僅需監(jiān)控貧血癥狀況，可僅用一個(gè)波長(zhǎng)的光。
圖像攝取部分可以由一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所構(gòu)成，它包括一個(gè)透鏡和圖像攝取裝置，例如CCD。
由于圖像攝取部分僅適于攝取血管的圖像濃度剖面圖，一個(gè)線性傳感器或者一個(gè)光電二極管列陣可以用于替代CCD作為圖像攝取裝置。圖像濃度剖面圖最好沿著垂直于血管方向獲取。
另一種方式是，通過(guò)在穿過(guò)血管的一個(gè)方向上移動(dòng)單個(gè)光電二極管可以獲得圖像濃度剖面圖。
圖像攝取部分的光學(xué)系統(tǒng)能夠僅由一電視透鏡(例如由COSMICAR公司生產(chǎn)的BD1214D)所構(gòu)成。
另一種方式是，圖像攝取部分的光學(xué)系統(tǒng)可以由一對(duì)具有相同數(shù)值孔徑或者相同的焦距和有效透鏡直徑的透鏡所構(gòu)成。這對(duì)透鏡分別作為物鏡和聚焦透鏡，它們沿著相同的光軸放置，以使一個(gè)透鏡的前焦點(diǎn)與另一個(gè)透鏡的后焦點(diǎn)相重合，而且一個(gè)具有二維不同透射比的空間濾光器置于其間(這種光學(xué)系統(tǒng)在此之后被稱(chēng)之為“共軛光學(xué)系統(tǒng)”)。這里使用的空間濾光器在兩維透射比分布中存在一個(gè)變差?？捎米骺臻g濾光器有帶針孔(Pinhole)或環(huán)形狹縫的阻光板及設(shè)計(jì)為通過(guò)電信號(hào)能改變其透射比分布的一個(gè)液晶光閘。
分析系統(tǒng)包括提取部分，量化部分，計(jì)算部分和輸出部分。它適于根據(jù)所獲得圖像濃度剖面圖計(jì)算以便確定諸如血紅蛋白濃度，血球比容或者貧血癥狀況等血液組份參數(shù)，并且輸出計(jì)算結(jié)果?？捎米鞣治鱿到y(tǒng)的是一臺(tái)易于購(gòu)置的個(gè)人電腦。
分析系統(tǒng)中的提取部分從攝取到的圖像中提取穿過(guò)血管的圖像濃度剖面圖。
量化部分可以使提取的圖像濃度剖面圖標(biāo)準(zhǔn)化，并且計(jì)算出已標(biāo)準(zhǔn)化的圖像濃度剖面圖的峰值h。
此外，量化部分可以確定圖像密剖面圖中對(duì)應(yīng)于血管直徑的分布寬度W，以及根據(jù)分布寬度W來(lái)較正峰值h。
當(dāng)在第一、二波長(zhǎng)上攝取活體組織的相同部分的圖像，從而提供分別具有峰值h1和h2，以及分布寬度W1和W2的第一和第二剖面圖時(shí)，量化部分根據(jù)分布寬度W1和W2的比例估計(jì)血管的皮下深度L，并較正峰值h1和h2。之后，計(jì)算部分能夠根據(jù)已較正的峰值計(jì)算血紅蛋白濃度和血球比容。
當(dāng)共軛光學(xué)系統(tǒng)采用帶有環(huán)狀狹縫的阻光板作為空間濾光器時(shí)，環(huán)狀狹縫的結(jié)構(gòu)(直徑和縫寬)決定從活體組織至物鏡的入射角度，結(jié)果只有以預(yù)先設(shè)定入射角度進(jìn)入的光可用來(lái)形成血管的散射光圖像。散射光圖像反映了活體組織對(duì)血管圖像分布的影響。因此，通過(guò)攝取由改變環(huán)形狹縫的直徑以多個(gè)不同散射角度取得的散射光圖像，量化部分可以量化活體組織的影響，從而更精確地較正血液組份的濃度。
在這種場(chǎng)合，由于散射光圖像敏感地隨著在血管上聚焦的條件變化，通過(guò)從活體組織表面到較深的位置掃描圖像攝取部分(物鏡)的焦點(diǎn)可明顯地探測(cè)焦點(diǎn)內(nèi)(in-focus)位置，因此可使量化部分直接確定血管所在的深度。由此，上述計(jì)算數(shù)據(jù)能夠據(jù)這樣所確定的深度進(jìn)行較正。
較特別地是，通過(guò)將焦點(diǎn)從活體組織的表面移到較深的位置在預(yù)先設(shè)定入射角度可獲得一系列血管的散射光圖像。因而，根據(jù)獲得系列散射光圖像中最清晰圖像的焦點(diǎn)位置，量化部分直接確定血管的深度L，而且據(jù)深度L較正峰值h1和h2。
此外，量化部分根據(jù)通過(guò)兩維地改變?yōu)V光器的透射比在那個(gè)焦點(diǎn)位置上所獲得的許多不同的散射光圖像，確定活體組織的散射吸收特征，然后根據(jù)散射光的吸收特征較正峰值h1和h2以及分布寬度W1和W2。
計(jì)算部分是根據(jù)圖像濃度剖面圖的量化結(jié)構(gòu)特征計(jì)算諸如血紅蛋白濃度和血球比容等血液組份的含量。這里血球比容是指紅血球血液的容量比?？捎米鬏敵霾糠值氖荂RT、LCD和類(lèi)似裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了非侵入式血液分析過(guò)程，它包括以下步驟照射包含血管的活體組織的一個(gè)部分；攝取被照射活體組織的圖像；及分析所攝取到的圖像；分析步驟包括；從已攝取的圖像中提取穿過(guò)血管的圖像濃度分布作為圖像濃度剖面圖，量化圖像濃度剖面圖的結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)量化特征計(jì)算血液組份的含量，以及輸出計(jì)算結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明，它也能提供非侵入式血液分析過(guò)程，其進(jìn)一步包括的步驟有使光學(xué)系統(tǒng)接收以相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的光軸的預(yù)定入射角度從活組織來(lái)的光，且通過(guò)將光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)從活體組織的表面移至較深部分獲得一系列血管的散射光圖像；根據(jù)獲得一系列散射光圖像的最清晰圖象時(shí)的焦點(diǎn)位置檢測(cè)血管的深度；根據(jù)通過(guò)變化入射角度在那個(gè)焦點(diǎn)位置所獲得的多個(gè)散射光圖像確定活體組織的散射／吸收特征；并根據(jù)散射／吸收特征較正剖面圖的特征。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的血液分析儀構(gòu)造的方塊圖；圖2是示出了本發(fā)明實(shí)施例1中的血液分析儀的外觀的透視圖；圖3是示出了本發(fā)明實(shí)施例1中血液分析儀的主要部件的剖面圖；圖4是解釋本發(fā)明實(shí)施例1中血液分析儀的操作過(guò)程的流程圖；圖5是由本發(fā)明實(shí)施例1的血液分析儀所攝取的圖像(在CRT上顯示為灰色范圍的圖像)的照片；圖6是解釋在本發(fā)明實(shí)施例1的血液分析儀所獲得的圖像濃度剖面圖的曲線圖。
圖7是解釋在本發(fā)明實(shí)施例1的血液分析儀中標(biāo)準(zhǔn)化的圖像濃度剖面圖的曲線圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例1中的血液分析儀的光源前視圖。
圖9是解釋本發(fā)明實(shí)施例1中血液分析儀的實(shí)例顯示的曲線圖。
圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的血液分析儀結(jié)構(gòu)的方塊圖。
圖11是示出了本發(fā)明實(shí)施例2中血液分析儀的主要組成部分的剖面圖；圖12是在圖11上沿X-X線所切的剖面圖；圖13是示出本發(fā)明實(shí)施例2的血液分析儀的操作過(guò)程的流程圖；圖14是示出本發(fā)明實(shí)施例2中血液分析儀的操作過(guò)程的流程圖；圖15是示出本發(fā)明實(shí)施例2中的血液分析儀操作過(guò)程的流程圖；圖16是本發(fā)明實(shí)施例2中的血液分析儀攝取的圖像(在CRT中顯示為灰色范圍的圖像)的照片。
圖17是解釋由本發(fā)明實(shí)施例2中血液分析儀所獲得的圖像濃度剖面圖的曲線圖。
圖18是解釋本發(fā)明實(shí)施例2中血液分析儀中已標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面圖曲線圖。
圖19是解釋由本發(fā)明實(shí)施例2中血液分析儀所檢測(cè)的一個(gè)焦點(diǎn)位置和散射光分布寬度的曲線圖。
圖20是示出了相對(duì)于圖16的對(duì)比例子的照片。
圖21是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖22是檢測(cè)部分的底視圖。
在這之后本發(fā)明將通過(guò)三個(gè)實(shí)施例予以詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)注意這三個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明無(wú)限制意義。
實(shí)施例1在此首先描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的血液分析儀的結(jié)構(gòu)。
圖1是示出了血液分析儀結(jié)構(gòu)的方塊圖。如圖所示，在檢測(cè)部分(1)中，它包括用于照射包括血管的活體組織一部分的光源(11)和用于攝取所照射的血管和組織的透射光圖像的圖像攝取部分(12)。
分析部分(2)包括用于在由圖像攝取部分(12)所攝取的圖像中沿垂直于血管方向獲得圖像濃度分布作為圖像濃度剖面圖的提取部分(21)，用于量化已提取圖像濃度剖面的結(jié)構(gòu)特征的量化部分(22)，用于根據(jù)數(shù)字化特征計(jì)算血液組份含量的計(jì)算部分(23)，和用于輸出計(jì)算結(jié)果的輸出部分(CRT)(24)。分析部分(2)可以由個(gè)人計(jì)算機(jī)組成。
圖2是圖1所顯示的分析儀的透視圖。合并在檢測(cè)部分(1)中的光源(11)與圖像攝取部分(12)通過(guò)單一電纜(3)與分析部分(2)相連。
圖3是檢測(cè)部分(1)的剖面圖。檢測(cè)部分包括光源(11)和帶有透鏡(14)和圖像攝取裝置(15)的圖像攝取部分(12)。當(dāng)手指插入開(kāi)啟的空腔(13)中時(shí)，光源11照射手指16并且透射光圖像被圖像攝取裝置(15)通過(guò)透鏡(14)所攝取。開(kāi)啟的空腔(13)向最里端指尖所處的位置逐漸地減小，以至使插入的手指(16)放松地適應(yīng)在其中，由此構(gòu)成一個(gè)固定元件。
圖像攝取裝置(15)由一個(gè)CCD所組成。圖8是一包括兩個(gè)LED11a和11b的光源(11)前視圖。
在本實(shí)施例中，LED11a使用一個(gè)VSF665M1型(可從OPTRANS公司獲得)，它的中心波長(zhǎng)為660nm，1／2寬度值為40nm。LED116使用一個(gè)L2656型(從Hamamatsu Photonics公司可獲得)，它的中央波長(zhǎng)890nm，1／2寬度值為50nm。
由具有這樣結(jié)構(gòu)的血液分析儀的分析部分(2)所執(zhí)行的分析過(guò)程將參考圖4中所顯示的流程予以描述。
(1)血紅蛋白濃度和血球比容的計(jì)算當(dāng)手指在由LED(11a)所給定的波長(zhǎng)上(以后它稱(chēng)之為“第一波長(zhǎng)”)被照射(步驟1)，并且透射光圖像被攝取時(shí)，如圖5所示，可獲得CCD(15)一側(cè)靠近皮膚的血管(靜脈)的圖像。當(dāng)所要測(cè)的血管直徑約為1mm的時(shí)，通過(guò)改進(jìn)的可重復(fù)性可獲得定量化結(jié)果。
在這種場(chǎng)合，當(dāng)使用高度相干(coherent)的激光LD作光源時(shí)，由于光被組織所散射，如圖5所示，無(wú)斑點(diǎn)的圖像可以獲得。依次，尋找到圖像中血管在最清晰對(duì)比度的部分(步驟1a)，并如圖5所示，圈出一個(gè)四邊形輪廓用作分析區(qū)域(步驟2)。
因此，可對(duì)基本上為一恒定皮下深度的血管進(jìn)行分析。
可以獲得在該區(qū)域沿著垂直于血管的線的圖像濃度剖面圖(圖6)(步驟3)。
然后，由基準(zhǔn)線標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面圖?；鶞?zhǔn)線是采用最小正方形方法以對(duì)應(yīng)于組織而不是血管的一部分圖像濃度剖面圖為基礎(chǔ)確定的。因此，由此如圖7所示圖6的圖像濃度剖面圖被標(biāo)準(zhǔn)化(步驟4)。
這樣所獲得的圖像濃度剖面與入射光量無(wú)關(guān)。峰值h1和1／2寬度值(在1／2h1的高度的分布寬度)W1可由標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面所確定(圖7)(步驟5)。
由此獲得的峰值h1指示血管(即有血液那部分)的圖像濃度與無(wú)血的其它部分的圖像濃度的比例。不用脈動(dòng)或無(wú)供血方法能夠確定對(duì)應(yīng)于用無(wú)供血方法(avascularization)(它適合于根據(jù)有血狀態(tài)的圖像濃度與無(wú)血狀態(tài)的圖像濃度之比來(lái)分析血液)所獲得的一個(gè)參數(shù)的參數(shù)或者對(duì)應(yīng)于用脈動(dòng)光譜測(cè)量pulsatile spectrometry(它適于獲取與血流脈動(dòng)同步的信號(hào)組份，且為血液分析提取指示脈動(dòng)的血流的信號(hào)組分，即根據(jù)脈動(dòng)量氧計(jì)原理)獲得的一個(gè)參數(shù)的參數(shù)。
較特別地是，在第一波長(zhǎng)上的血液的散射系數(shù)S1和吸收系數(shù)A1如果符合Beer法則，可以以下方程表示log(1-h1)=-k(S1+A1)W1………(1)其中k是一個(gè)比例常數(shù)。
散射系數(shù)S1和吸收系數(shù)A1被認(rèn)為直接與血球比容HCT和血紅蛋白濃度HGB成比例，表示如下S1=δ1·HCT，A1=δ2·HGB……(2)因此，log(1-h1)=-(kδ1·HCT+kδ2·HGB)·W1……(3)采用由LED11b提供的波長(zhǎng)(此后同“第二波長(zhǎng)表示”)進(jìn)行上述過(guò)程序列，以確定峰值h2和分布寬度W2(步驟6至10)。
類(lèi)似地，散射系數(shù)S2和吸收系數(shù)A2由下面確定log(1-h2)=-k(S2+A2)·W2=-(kδ3·HCT+kδ4·HGB)·W2……(4)由于常數(shù)k，δ1，δ2，δ3和δ4是由實(shí)驗(yàn)所確定，HGB和HCT由h1，h2，W1和W2所確定。
實(shí)際上，由于血管和檢測(cè)部分之間的組織干擾，圖像被弄模糊，因此，所觀察的峰值要比不存在干涉組織的情形要小。因此，上述系數(shù)的關(guān)系可用下面公式表示log(1-h)=-k(S+A)W+T……………………(5)其中S是血液的散射系數(shù)，A是血液的吸收系數(shù)，T是指示模糊影響的系數(shù)，它是組織厚度(L)(或血管所處的深度，以后簡(jiǎn)稱(chēng)為“深度”)的函數(shù)。
實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇測(cè)量部分以使所獲得的圖像中血管影像具有最清晰的對(duì)比度，系數(shù)T實(shí)際上能夠保持為一常數(shù)。因此，如果將系數(shù)T作為常數(shù)應(yīng)用于貧血測(cè)試儀，不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際問(wèn)題。
(2)已計(jì)算出的血紅蛋白濃度和血球比容的較正。
為了改進(jìn)血紅蛋白濃度和血球比容的計(jì)算結(jié)果的精度，將用以下步驟進(jìn)行較正。
當(dāng)分析部分被確定在與采用第一波長(zhǎng)確定的相同的部分，假如忽略模糊的影響，1／2寬度值W1和W2彼此相等?？墒?，1／2寬度值W1和W2的差值隨著模糊影響的增加而增加(1／2寬度值隨模糊的程度的增加而增加)。因此，深度L可根據(jù)1／2寬度值W1和W2的比值按下面方程計(jì)算出來(lái)(步驟11)。
L=f(W2／W1)……………(6)其中f是由實(shí)驗(yàn)所確定的函數(shù)。
根據(jù)深度L用以下方程較正峰值h1、h2和1／2數(shù)值寬度W1，以確定已較正過(guò)的H1、H2和W(步驟12)。
H1=g1(h1，L)………………(7)H2=g2(h2，L)………………(8)W=g3(W1，L) ………………(9)其中g(shù)1，g2和g3是由實(shí)驗(yàn)所確定的函數(shù)。
根據(jù)已較正過(guò)的H1，H2和W值按上述方法計(jì)算血紅蛋白濃度HGB和血球比容HCT(步驟13)。
在分析系統(tǒng)(2)中，提取部分21完成步驟2、3、7和8，量化部分22完成步驟4，5，9和10，以及計(jì)算部分22完成步驟11至14。
這樣所得的結(jié)果，如圖9所示，顯示于輸出部分(CRT)24。
在圖9中，圖像D1，D2，D3分別對(duì)應(yīng)于圖5、6、7。“LED1”和“LED2”分別對(duì)應(yīng)于LED11a和LED11b。“峰值”和“寬度”分別對(duì)應(yīng)于峰值h1，h2和1／2數(shù)值寬度W1，W2。
盡管在本實(shí)施例中圖像攝取裝置15是由CCD所組成，也可采用線性傳感器替代。在這種情形下，濃度剖面圖能夠直接從步驟3和步驟8獲得，如圖4所示?？墒?，需要特別考慮的是，例如，由于線性傳感器并非總是處于垂直于血管的位置，因此應(yīng)當(dāng)采用具有二個(gè)線性元件的線性傳感器。
雖然上述已描述了血紅蛋白的濃度和血球比容的計(jì)算，按照該實(shí)施例的分析儀也可用作貧血癥檢測(cè)儀。由于血紅蛋白濃度和血球比容是相互關(guān)聯(lián)的，通過(guò)采用第一、二波長(zhǎng)其中之一進(jìn)行圖4中部分操作程序(步驟1至5)可以完成貧血癥狀程度的初步粗略檢查(貧血檢查)。
而且，在位于固定深度的血管是所測(cè)部分時(shí)，深度較正的步驟能夠省略。如圖4步驟1a通過(guò)尋找有最清晰度的圖像區(qū)從而達(dá)到初步粗略深度較正的目的。
實(shí)施例2首先描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的血液分析儀的結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，為了得到比實(shí)施例1中較正過(guò)程更為精確的較正，圖像攝取部分12和分析部分2被改進(jìn)。
圖10是示出實(shí)施例2的分析儀的結(jié)構(gòu)的方塊圖，其中以相同代表數(shù)字表示與圖1中相同的部分。檢測(cè)部分1a包括用于照射包括血管的活體的組織部分的光源11和擁有共軛光學(xué)系統(tǒng)的圖像攝取部分12a。
圖11是示出了檢測(cè)部分1a的剖面圖。光源11的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的相同，因此，對(duì)其的解釋被省略。
圖像攝取部分12a包括一個(gè)可沿箭頭A和B方向移動(dòng)且內(nèi)置具有相同數(shù)字孔徑的物鏡14a和聚焦透鏡14b，圖像攝取裝置15，空間濾光器18，及濾光驅(qū)動(dòng)部分19b的驅(qū)動(dòng)臺(tái)19a和反射鏡17。
透鏡14a的后焦點(diǎn)與透鏡14b前焦點(diǎn)相重合。即兩個(gè)透鏡14a和14b應(yīng)放置在具有共同焦點(diǎn)的位置，在該焦點(diǎn)位置放置空間濾光器18。圖像攝取裝置15放置于透鏡14b的后焦點(diǎn)位置。如同實(shí)施例1中，CCD或類(lèi)似裝置用作圖像攝取裝置15。
如圖11所示，驅(qū)動(dòng)臺(tái)(19a)安裝于滑動(dòng)機(jī)械裝置(31)上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(M1)，該裝置可沿箭頭A和B方向移動(dòng)。因此，透鏡14a的焦點(diǎn)F的位置能夠被調(diào)整。
圖12是沿著圖11中X-X線所截取的剖面圖。濾光器驅(qū)動(dòng)部分(19b)有一個(gè)支持濾光器附著板(33)沿著箭頭C和D方向滑動(dòng)的滑動(dòng)部分(34)。由于步進(jìn)電機(jī)(M2)的齒輪(33b)與在濾光器附著板(33)上部放置的齒軌(33)咬合，因此當(dāng)步進(jìn)電機(jī)(M2)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，濾光器附著板33沿著箭頭C和D方向運(yùn)動(dòng)。
空間濾光器(18，18a，18b和18c)安裝在濾光附著板(33)上。空間濾光器(18，18a和18b)分別是包括不同直徑的環(huán)形光透射狹縫(32，32a和32b)的阻光板，空間濾光器18c是具有光透射圓窗32的阻光板。
因此，通過(guò)濾光驅(qū)動(dòng)部分(19b)可將所選擇的空間濾光器(18，18a，18b和18c)中任何一個(gè)放置于共同的焦點(diǎn)上。實(shí)際上，未放置濾光器的情形可通過(guò)在共同焦點(diǎn)上放置空間濾光器(18c)產(chǎn)生。
分析部分(26)包括一個(gè)用于從所攝取圖像中提取圖像剖面圖的提取部分(21)，一個(gè)用于數(shù)字化圖像剖面圖的量化部分(22)。一個(gè)用于根據(jù)已數(shù)字化的參數(shù)計(jì)算血紅蛋濃度和血球比容的計(jì)算部分23，一個(gè)用于顯示計(jì)算結(jié)果的輸出部分(CRT)(24)，和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(M1和M2)來(lái)控制焦點(diǎn)位置和空間濾光器插入的控制部分(25)。
如圖11所示，在檢測(cè)部分1a中，允許從光源11發(fā)出的光透過(guò)手指(16)，然后經(jīng)反射鏡(17)轉(zhuǎn)90度，并通過(guò)透鏡14a和14b聚焦于圖像攝取裝置(15)。
在共同焦點(diǎn)上放置空間濾光器(18)(如圖12所示)時(shí)，只有由手指(13)的組織以垂直角度散射的光聚焦于圖像攝取裝置(15)。可由狹縫32的直徑來(lái)確定這個(gè)特殊角度。
而且，沿著光軸(箭頭A或B的方向)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)臺(tái)(19a)，可使焦點(diǎn)(F)位于手指(16)的組織的理想位置。
下面將參閱圖13中所示的流程圖，描述由具有這種結(jié)構(gòu)的血液分析儀的分析部分(26)所進(jìn)行的分析過(guò)程。
(1)血紅蛋白濃度和血球比容的計(jì)算首先，用濾光器驅(qū)動(dòng)裝置(19b)從共焦點(diǎn)位置移動(dòng)空間濾光器(18)(步驟S0)。因而，圖像攝取部分基本上與實(shí)施例1中的圖像攝取部分有相同的結(jié)構(gòu)。由于按照步驟1a至10依次進(jìn)行的血紅蛋白濃度和血球比容的計(jì)算過(guò)程與圖4所示的實(shí)施例1中的過(guò)程相同，因此對(duì)其解釋被省略。
(2)所算得的血紅蛋白濃度和血球比容的較正由于本實(shí)施例以在步驟12a具有較正過(guò)程為特征，因此在這之后將參考圖14和15所示的流程圖較詳細(xì)地描述較正過(guò)程。
用濾光器驅(qū)動(dòng)部分(19b)將空間濾光器18定位于共同焦點(diǎn)的位置(步驟21)。
在此狀態(tài)下，焦點(diǎn)F位于手指的皮膚表面上(步驟23)。因?yàn)槭种覆迦氲奈恢檬孪纫讯?，焦點(diǎn)F的初始位置也可預(yù)先確定。
然后，圖像被攝取(步驟24)。
該圖像攝取步驟不同于圖4中的步驟1，即，所攝取的圖像是從在特殊角度內(nèi)的散射光所形成的，為了避免混淆，在此以后將其稱(chēng)之為“散射圖像”。
圖16顯示了散射圖像。應(yīng)當(dāng)注意，由于散射圖像僅是從散射光中形成的，在散射光圖象中僅有血管周邊部分有較高的亮度。為了便于參考，圖20中顯示出圖4的步驟1中所獲得的相同物體的圖像。
在提取部分(21)中，從散射圖像可獲得圖4中步驟2所定義的分析部分內(nèi)的圖像剖面圖(步驟25)，該剖面圖被稱(chēng)之為“散射剖面圖”，由此區(qū)別圖4中步驟3所獲得的圖像濃度剖面圖。圖17顯示了一個(gè)散射剖面圖實(shí)例。
而且，量化部分(22)決定了散射剖面圖的底線BL，進(jìn)而如圖18所示確定散射剖面圖的峰值sh和分布寬度sw(步驟26)。
為了避免混淆，今后峰值和分布寬度將分別被稱(chēng)之為“散射峰值SH”和“散射分布寬度sw”。因而所確定的散射分布寬度值sw被作為最小值一次儲(chǔ)存(步驟27)。
接著，將焦點(diǎn)向手指(13)內(nèi)移動(dòng)距離△F(步驟28)。
距離△F是以0．1mm為數(shù)量級(jí)。
在這種狀態(tài)，重復(fù)步驟24至26程序以確定散射峰值sh和散射分布寬度sw。
這樣算出的散射分布寬度sw與以前所儲(chǔ)存的最小值對(duì)比。如果該散射分布寬度(sw)比儲(chǔ)存值小，此散射分布寬度將被用作新的最小值。
重復(fù)步驟24至27的過(guò)程程序至到焦點(diǎn)達(dá)到預(yù)定深度(步驟28)。
由于所檢測(cè)的血管典型地位于1至2mm的皮下深度，因此，預(yù)定深度可為2mm左右。
如圖19所示，這樣所得的散射峰值寬度sw相對(duì)于焦點(diǎn)的位置被繪制。當(dāng)焦點(diǎn)位于血管所在的深度，散射峰值寬度是最小的。這就是說(shuō)，當(dāng)圖像攝取系統(tǒng)的焦點(diǎn)與所測(cè)血管的位置一致時(shí)，散射光圖像是最清晰的。
因此，提供具有最小寬度的血管圖像的焦點(diǎn)位置與實(shí)施例1中所描述的血管的皮下深度L’相對(duì)應(yīng)(步驟29)。即，皮下深度能夠被更精確地確定。在這種狀態(tài)，可以得到散射峰值SH1和散射分布寬度SW1。
根據(jù)該流程圖，僅儲(chǔ)存散射分布寬度的最小值。另一種方法是，所有通過(guò)改變焦點(diǎn)位置所獲得的散射峰值(SH)和散射分布寬度(SW)被儲(chǔ)存，然后使其滿(mǎn)足一個(gè)適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，以決定其最小值。
接下來(lái)，將圖像攝取系統(tǒng)的焦點(diǎn)移到皮下深度L’(步驟31)，然后用空間濾光器(18a)替代目前所采用的空間濾光器，它是通過(guò)濾光器驅(qū)動(dòng)部分(19b)將連結(jié)上的。
空間濾光器18a的直徑不同于空間濾光器18。這意味著圖像形成的散射光的角度范圍被改變。
利用空間濾光器(18a)攝取散射光圖像(步驟33)，并且散射剖面圖的提取(步驟34)和量化(步驟35)所采用的方式與前面描述的方式相同。因此，散射峰值SH2和散射分布寬度SW2被確定(步驟36)。而且，上述基本相同的過(guò)程順序是利用空間濾光器18b進(jìn)行的(步驟37至41)。
這樣所獲得的散射峰值SH1至SH3和散射分布寬度SW1至SW3反映了光學(xué)特征，即活體組織的散射系數(shù)和吸收系數(shù)。較特別地是，散射峰值隨著活體的吸收系數(shù)的增大而減小。隨著散射系數(shù)增大，散射峰值減小，散射分布寬度增大。因此，這些參數(shù)反映活體組織的散射系數(shù)吸收系數(shù)。
如實(shí)施例1所述，活體組織的干擾影響圖像濃度剖面圖。在實(shí)施例中，根據(jù)圖像濃度剖面圖的分布寬度之間的比例可進(jìn)行干擾較正。
在實(shí)例2中，由于能夠直接根據(jù)上述參數(shù)定量描述活體組織的干擾，因此可得到更精確的結(jié)果。較特別地是，通過(guò)下面公式可較正公式(4)中的峰值h1和分布寬度W1以確定已較正的峰值H1和已較正的分布寬度W(步驟42和43)。
H1’=g1’(h1，L’，SH1，SH2，SH3，SW1，SW2，SW3)……(10)
W’=g3’(W1，L’，SH1，SH2，SH3，SW1，SW2，SW3)……(11)函數(shù)g1’和g3’可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，或者，用另一種方法可通過(guò)理論推導(dǎo)得出。
為了采用第二波長(zhǎng)光測(cè)定(步驟44)，進(jìn)行空間濾光器的替換，散射圖像的攝取，散射剖面圖的提取，以及散射參數(shù)SH1’至SH3’和SW1’至SW2’的計(jì)算(步驟45)。接著，按下面公式較正公式(4)中的峰值h2以確定已較正的峰值H2’(步驟44至45)。
H2’=g2’(h2，L’，SH1’，SH2’，SH3’，SW1’，SW2’，SW3’)……(12)函數(shù)g2’按照與函數(shù)g1’相同的方式確定。然后，運(yùn)行程序返回到圖13中的步驟13a。根據(jù)H1’，H2’和W’確定血紅蛋白濃度HGB和血球比容HCT(步驟13a)。
實(shí)施例3實(shí)施例1和2中所描述的血液分析儀是透射光型的血液分析儀，它是根據(jù)透射光圖像計(jì)算血液組份的含量。另一方面，實(shí)施例3所采用的是反射光型的血液分析儀，它是根據(jù)反射光圖像計(jì)算出血液組份的含量。
雖然透射光型的血液分析儀的測(cè)試部分僅限于手指和耳垂，通過(guò)這兩個(gè)部分光能夠透射，反射光型血液分析儀的優(yōu)點(diǎn)在于，它能夠被應(yīng)用于人體的許多部分，諸如腳底，面頰和腹部。因此，反射光型血液分析儀，對(duì)于那些受治療者例如手指不易固定和保持的嬰幼兒是有效的。
而且，本實(shí)施例中所采用的反射光能夠在較短的波長(zhǎng)范圍，即，400nm至950nm。由于較短波長(zhǎng)的光很大程度上被血紅蛋白吸收，因此它能進(jìn)行較精確的測(cè)量。
下面將描述按照本發(fā)明實(shí)施例3的血液分析儀的結(jié)構(gòu)。圖21是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的檢測(cè)部分1b結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖22是檢測(cè)部分1b的底視圖。這里實(shí)施例3中的血液分析儀除了檢測(cè)部分被改進(jìn)以外，其它部分與實(shí)施例1中的血液分析儀相同，因此，其它元件的解釋被省略。
如圖21和22所示，通過(guò)將圖像攝取裝置(15a)和透鏡(14b)組合置于管形外殼41中央部分與并將作為光源的LED11c和11d置于其邊緣部分緊湊構(gòu)成檢測(cè)部分1b。光源可包括激光二極管或者可采用環(huán)形纖維(ring fiber)從外部引入。如果反射光型血液分析儀需要比透射光型血液分析儀更多的光線，那么增加光源即LED11c和11d的數(shù)量，可滿(mǎn)足本實(shí)施例的需要。
鐘形橡皮座墊(42)被放置于外殼(41)的周邊，它用于穩(wěn)定保持身體部分(16a)上的檢測(cè)裝置(1b)。在此，LED11c和11d發(fā)射出不同波長(zhǎng)的光，它們分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1中的第一、第二波長(zhǎng)。由檢測(cè)部分1b所獲得的圖像按照實(shí)施例1中已解釋的方式進(jìn)行處理。
本發(fā)明的工業(yè)可應(yīng)用性如下(1)無(wú)需采用無(wú)供血檢測(cè)法或者脈搏光譜檢測(cè)法可進(jìn)行皮下血液分析；(2)采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行血紅蛋白濃度和血球比容的皮下非插入檢測(cè)；(3)由于能夠確定特定的檢測(cè)目標(biāo)(被檢測(cè)的特定血管)，同改進(jìn)的可重復(fù)性可獲得結(jié)果；(4)可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)血紅蛋白的濃度和血球比容。
(5)通過(guò)圖像處理采用改進(jìn)的可重復(fù)性可以獲得結(jié)果。
(6)以低成本實(shí)現(xiàn)具有減小尺寸的血液分析儀。
(7)血液分析儀可用作貧血癥檢測(cè)儀。
權(quán)利要求
1．一種非侵入式血液分析儀，包括用于照射包括血管的活體組織的部分的光源；用于攝取被照射血管和組織的圖像的圖像攝取部分；以及用于分析被攝取的圖像的分析部分，其中分析部分包括用于提取被攝取圖像中穿過(guò)血管的圖像濃度分布作為圖像濃度剖面圖的提取部分。用于量化圖像濃度剖面圖的結(jié)構(gòu)特征的量化部分。用于根據(jù)量化特征計(jì)算血液組份含量的計(jì)算部分；以及用于輸出所計(jì)算的含量的輸出部分。
2．如權(quán)利要求1所述的非侵入式血液分析儀，其中血液組份含量至少是血紅蛋白濃度和血球比容其中之一。
3．如權(quán)利要求1所述的非侵入式血液分析儀，其中光源由適于選擇性發(fā)射第一和第二波長(zhǎng)的光束的光發(fā)射裝置所構(gòu)成，這兩個(gè)波長(zhǎng)的光對(duì)氧化的和還原的血紅蛋白基本是等吸收波長(zhǎng)。
4．如權(quán)利要求1中所述的非侵入式血液分析儀，其中提取部分在圖像中尋找具有最清晰對(duì)照的血管圖像的位置，并且從已尋找到的位置提取圖像濃度剖面圖。
5權(quán)利要求1所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面圖，且從已標(biāo)準(zhǔn)化的圖像濃度剖面圖中計(jì)算對(duì)應(yīng)于血管直徑的峰值h和分布寬度W。
6．權(quán)利要求5所述的非侵入式血液分析儀，其中光源是由適于選擇性發(fā)射第一和第二波長(zhǎng)的光束的光發(fā)射裝置所構(gòu)成；其中量化部分計(jì)算通過(guò)在第一、第二波長(zhǎng)上攝取活體組織的相同部分所分別獲得的第一、第二剖面圖的峰值h1和h2以及分布寬度W1和W2。其中計(jì)算部分根據(jù)所計(jì)算出的峰值h1和h2以及分布寬度W1和W2計(jì)算血紅蛋白濃度和血球比容。
7．如權(quán)利要求6中所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分根據(jù)通過(guò)在第一、第二波長(zhǎng)上攝取活體組織的相同部分的圖像所獲得第一、第二圖像濃度剖面圖的分布寬度W1和W2值估算血管所處位置的深度L，并且根據(jù)深度L較正峰值h1和h2。
8．如權(quán)利要求2中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分包括物鏡，聚焦透鏡，放置于兩個(gè)透鏡之間且具有兩維可變透射比的空間濾光器，和用于兩維改變空間濾光器的透射比的濾光器控制裝置。
9．權(quán)利要求8中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分還包括用于調(diào)節(jié)相對(duì)于血管的物鏡焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)裝置。
10．權(quán)利要求9中所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面圖，且根據(jù)已標(biāo)準(zhǔn)化的圖像濃度剖面圖計(jì)算對(duì)應(yīng)于血管直徑峰值h和分布寬度W。
11．權(quán)利要求10中所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分根據(jù)由調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)使得攝取到最清晰圖像的物鏡焦點(diǎn)位置計(jì)算出在活體組織表面和血管之間確定的深度L，且根據(jù)深度L較正峰值h和分布寬度W。
12．如權(quán)利要求8中所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分標(biāo)準(zhǔn)化圖像濃度剖面圖，且根據(jù)已標(biāo)準(zhǔn)化的圖像濃度剖面圖計(jì)算對(duì)應(yīng)于血管直徑的峰值h和分布寬度W。
13．如權(quán)利要求12中所述的非侵入式血液分析儀，其中量化部分根據(jù)每次空間濾光器的兩維變化所攝取到的大量圖像較正峰值h和分布寬度W。
14．如權(quán)利要求1中所述的非侵入式血液分析儀，還包括一個(gè)用于將活體相對(duì)固定于光源和圖像攝取部分的固定部分。
15．如權(quán)利要求1中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分?jǐn)z取血管和組織的透射光圖像。
16．如權(quán)利要求1中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分?jǐn)z取血管和組織的反射光圖像。
17．一種非侵入式分析儀，包括用于照射包含血管的活體組織的一部分的光源，用于攝取被照射的血管和組織的圖像的圖像攝取部分；以及用于分析所攝取的圖像的分析部分，分析部分分析所攝取的圖像中的血管圖像以計(jì)算血液組份含量，并且輸出計(jì)算結(jié)果。
18．如權(quán)利要求17中所述的非侵入式血液分析儀，其中血液組份含量至少是血紅蛋白濃度和血球比容之一。
19．如權(quán)利要求17中所述的非侵入式血液分析儀，其中光源由適于選擇性發(fā)射第一、第二波長(zhǎng)光束的光發(fā)射裝置構(gòu)成，其波長(zhǎng)范圍介于600至950nm之間。
20．如權(quán)利要求17中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分包括物鏡，聚焦透鏡，放置于這兩個(gè)透鏡之間且具有二維可變透鏡比的空間濾光器，以及用于兩維改變空間濾光器透射比的濾光器控制裝置。
21．如權(quán)利要求20中所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分還包括用于調(diào)節(jié)相對(duì)于血管的物鏡焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)裝置。
22．如權(quán)利要求17所述的非侵入式血液分析儀，還包括使活體相對(duì)于光源和圖像攝取部分相對(duì)固定的固定部件。
23．如權(quán)利要求17所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分?jǐn)z取血管和組織的透射光圖像。
24．如權(quán)利要求17所述的非侵入式血液分析儀，其中圖像攝取部分?jǐn)z取血管和組織的反射圖像。
全文摘要
提供非侵入式血液分析儀其由以下部分組成:用于照射包含血管的活體組織一部分的光源;具有用于攝取被照射的血管和組織的圖像的圖像攝取部分;和用于分析已攝取的圖像的分析部分;分析部分包括用于提取所攝取圖像中穿過(guò)血管的圖像濃度分布作為圖像濃度剖面圖的提取部分,用于量化圖像濃度剖面圖結(jié)構(gòu)特征的量化部分,用于根據(jù)量化特征計(jì)算血液組分濃度的計(jì)算部分,和用于輸出計(jì)算結(jié)果的輸出部分。本血液分析儀無(wú)需抽取血樣,可以以改進(jìn)的可重復(fù)性實(shí)時(shí)測(cè)量血紅蛋白的濃度和血細(xì)胞比容。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1206339SQ9619936
公開(kāi)日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1996年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月27日
發(fā)明者石原謙, 淺野薰, 高地泰浩, 楠澤英夫 申請(qǐng)人:東亞醫(yī)用電子株式會(huì)社, 石原謙