專利名稱：無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種血液成分測(cè)量方法及儀器，特別涉及一種無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
血液成分，如血氧、血糖、血乳酸等的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，對(duì)于疾病的診斷和治療，其重要性和巨大價(jià)值是毫無(wú)疑問(wèn)。不僅于此，實(shí)現(xiàn)血液成分的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，在信號(hào)傳感、檢測(cè)與處理也有極大的學(xué)術(shù)意義和價(jià)值。
1977年美國(guó)科學(xué)家Jobsis首次報(bào)道了用近紅外光觀察成年貓腦內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和細(xì)胞色素c的含量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了近紅外光(700-1300nm)在生物組織內(nèi)較低的衰減率和用近紅外光譜法無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)組織血氧濃度的可行性。鑒于這一新的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法的極其誘人的應(yīng)用前景，研究者們做了大量的動(dòng)物的和人體的實(shí)驗(yàn)，從多方面驗(yàn)證了用近紅外光譜法監(jiān)測(cè)組織血氧濃度的臨床意義。隨后，英國(guó)London大學(xué)的Delpy，美國(guó)Duke大學(xué)的Jobsis，日本Hokkaido大學(xué)的Tamura，Yamamoto，以及日本Omron公司的Shiga等從Lambert-Beer定律出發(fā)，通過(guò)模型、動(dòng)物以及人體實(shí)驗(yàn)，提出來(lái)若干種由吸光度變化推算組織的血氧濃度變化量的演算公式。在測(cè)量裝置的開(kāi)發(fā)上出現(xiàn)了用普通發(fā)光管LED取代激光光源的便攜式組織血氧計(jì)。然而，由于目前的方法只能給出血氧濃度的變化量或變化趨勢(shì)且缺乏通用性，所以都未能進(jìn)入臨床應(yīng)用。
80年代，Dhne首次提出了應(yīng)用近紅外分光法進(jìn)行人體血糖濃度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量的方法。近15年以來(lái)，美國(guó)的Futrex公司，Bio-control公司，New-mexico大學(xué)，Iowa大學(xué)，西德的Medscience公司，日本的三井金屬，日立制作所，松下電器等公司都在這方面進(jìn)行了不懈的研究。研究方法大體可分為兩類，一是利用糖的水溶液模型進(jìn)行的研究，如美國(guó)的Iowa大學(xué)Gray W.Small的研究組；另一類是直接測(cè)量人體并與抽血測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)比對(duì)，如美國(guó)的IMI公司等。糖的水溶液模型研究雖在精確測(cè)試葡萄糖的分子吸收系數(shù)上取得重要進(jìn)展，但因模型太簡(jiǎn)單，與人體間的差別太大而難以作為參考。而人體實(shí)驗(yàn)雖然可直接驗(yàn)證方法的有效性，但作為歸納定量方法基礎(chǔ)的Lambert-Beer定律實(shí)際上并不適用于具有強(qiáng)散射特性的人體組織，因此測(cè)量的結(jié)果難以解釋且不具有通用性與重復(fù)性。從檢測(cè)生物組織化學(xué)成分的角度來(lái)看，組織血氧濃度同血糖檢測(cè)面臨類似的問(wèn)題。但是由于血糖的吸收引起的光信號(hào)要弱得多，目前血糖的無(wú)創(chuàng)光檢測(cè)技術(shù)的研究更多地集中于如何提高測(cè)量精度以撿出由血糖含量變化引起的光信號(hào)的變化來(lái)。所以，盡管由于潛在地巨大經(jīng)濟(jì)利益，一些世界上著名大公司在過(guò)去的20年間投入了大量的資金進(jìn)行開(kāi)發(fā)，血糖的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)距離實(shí)際應(yīng)用還有一段更長(zhǎng)的路要走。相對(duì)說(shuō)來(lái)，血液其他成分的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值要低一點(diǎn)，但由于相對(duì)含量低和吸收光譜重疊，其難度卻更大，國(guó)外的相關(guān)研究很少，主要集中在血乳酸、激素等成分的測(cè)量。而國(guó)內(nèi)就幾乎沒(méi)人進(jìn)行研究。由于個(gè)體的差異和光譜重疊、測(cè)量條件如測(cè)量位置、環(huán)境溫度和壓力，除僅有的脈搏血氧、即動(dòng)脈血氧已普遍進(jìn)入臨床使用和發(fā)揮極其重要的作用，即使是國(guó)際上已投入巨大人力和財(cái)力進(jìn)行研究的組織血氧和血糖的測(cè)量仍然來(lái)進(jìn)入臨床實(shí)用，更不用說(shuō)血液其他成分的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。
中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?9 105693.0，提出了一種無(wú)創(chuàng)傷自測(cè)血糖儀，由紅外光發(fā)射管構(gòu)成的紅外光源，通光路部分、光電探測(cè)轉(zhuǎn)換器、電通路部分及顯示部分構(gòu)成。顯然，采用單一波長(zhǎng)的光源是不可能無(wú)創(chuàng)在體地測(cè)量出動(dòng)脈血糖的含量。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?7195564.6提出了一種用于測(cè)量受試者的血糖濃度的方法，該方法包括提供一個(gè)光圖案，該圖案對(duì)第一視網(wǎng)膜系統(tǒng)比第二視網(wǎng)膜系統(tǒng)具有更大的刺激量，導(dǎo)致第一第二的刺激比大于1，其中所說(shuō)的光圖案刺激隨第一第二的刺激比變化的主觀視覺(jué)特征，和其中所說(shuō)的第一視網(wǎng)膜系統(tǒng)和第二視網(wǎng)膜系統(tǒng)對(duì)所說(shuō)的光圖案的靈敏度隨所說(shuō)的受試者的血糖濃度變化；使所說(shuō)的受試者觀察所說(shuō)光圖案的所說(shuō)的主觀視覺(jué)特征；使所說(shuō)的受試者的血糖濃度和所說(shuō)的主觀視覺(jué)特征相關(guān)。顯然，該方法難以客觀、定量地測(cè)量血糖含量。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?7195564.6提出了無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量?jī)x，屬血糖測(cè)量?jī)x。實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷血糖測(cè)量有兩種結(jié)構(gòu)(一)在現(xiàn)有血糖計(jì)連接一探頭，探頭內(nèi)有氧電極、葡萄糖化酶，探頭與氣泵連接，將探頭緊貼檢測(cè)者手指，手指上滲出的組織液與葡萄糖化酶作用，血糖計(jì)即測(cè)得血糖濃度；(二)有一受控的激光器，紅外光束經(jīng)光柵、分光鏡分成二束光，一束經(jīng)手指到達(dá)斬波器，一束以參考池到達(dá)斬波器，斬波器分別將兩束光送至紅外接收器，紅外接收器將信號(hào)送至微處理機(jī)，微處理機(jī)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)算，顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。這種通過(guò)皮膚滲出液的方法操作復(fù)雜、測(cè)量精度低、測(cè)量成分種類少、測(cè)量成本高。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?6100807.5提出了一種中紅外光纖測(cè)定人體血糖的方法。是一種利用紅外光譜儀和中紅外光導(dǎo)纖維和ATR探頭或漫反射裝置，無(wú)損傷性地測(cè)定人體血糖的方法。該方法包括(1).測(cè)定儀包括紅外光譜儀，并于其上連接中紅外光導(dǎo)纖維及與之相連的ATR探頭或漫反射裝置；(2).測(cè)試方法及過(guò)程使被測(cè)人某個(gè)部位，至少包括手指、耳、靜脈處或其他有血管的部位，與連接在光纖上的ATR探頭緊密接觸或于漫反射裝置中，然后，記錄紅外光譜，掃描次數(shù)為256，掃描范圍為4000-400cm-1。也可以將探頭插入血清或血樣中，如上所述測(cè)定；(3).選用在1123±5和1080±10cm-1處吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度表征糖的含量以1404±5cm-1吸收峰或其他吸收峰的峰高為參比，分別用1123±5和1080±10cm-1處吸收峰的峰高與參比峰峰高的比值作為兩個(gè)吸收峰相對(duì)強(qiáng)度的量度，并作為糖值的數(shù)量指標(biāo)。也可以用它們的峰面積比值作相對(duì)強(qiáng)度的量度。采用少數(shù)幾個(gè)吸收峰是不可能高精度地實(shí)現(xiàn)血糖的無(wú)創(chuàng)測(cè)量，更不可能測(cè)量血液中的多種成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供能準(zhǔn)確無(wú)創(chuàng)地對(duì)血液成分進(jìn)行測(cè)量的儀器及其測(cè)量方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，包括寬帶光源、分光裝置、光敏傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置和顯示裝置，所述的寬帶光源發(fā)出的光束透射被測(cè)物后依次經(jīng)分光裝置、光敏傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果?；蛘咚龅膶拵Ч庠窗l(fā)出的光束透射分光裝置，透過(guò)被測(cè)物后經(jīng)光敏傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果。所述的數(shù)據(jù)處理裝置采用的微處理器芯片型號(hào)89C51。所述的寬帶光源為連續(xù)氙燈或白光二極管，發(fā)出從可見(jiàn)紅光至近紅外的光束。所述的分光裝置由棱鏡、或光柵、或聲光調(diào)制器件構(gòu)成。所述的光敏傳感器是光敏管或CCD器件。
無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法包括以下步驟用寬帶光束照射被測(cè)物，然后，用分光裝置將透射光引導(dǎo)至光敏傳感器，再將光敏傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果?；蛘哂脤拵Ч馐丈浞止庋b置，然后，透射光透過(guò)被測(cè)物傳導(dǎo)至光敏傳感器，再將光敏傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果。
本發(fā)明提供的無(wú)創(chuàng)血液成分測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法同現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果測(cè)量準(zhǔn)確，能消除個(gè)體、脈搏幅值和動(dòng)脈血液充盈等差異對(duì)測(cè)量的影響；操作方便，可同時(shí)測(cè)量多種血液成分。


附圖1為本發(fā)明的儀器結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖。
圖中1是寬帶光源，2是被測(cè)人體部位，3是分光裝置，4是光敏傳感器，5是數(shù)據(jù)處理裝置和顯示裝置。
附圖2為本發(fā)明的另一儀器結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
眾所周知，人體動(dòng)脈血管在心臟的作用下會(huì)產(chǎn)生周期性搏動(dòng)。當(dāng)一束光透射人體組織(如手指、耳垂等部位)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，光強(qiáng)的變化量?jī)H取決于動(dòng)脈血液容量的變化。盡管動(dòng)脈血管的厚度與形狀的變化也有輕微影響。采用多種波長(zhǎng)則可得到由于動(dòng)脈血液容量的變化而引起的吸收光譜——?jiǎng)討B(tài)光譜。由動(dòng)態(tài)光譜來(lái)測(cè)量動(dòng)脈血液成分可以減小個(gè)體的差異，如皮膚的黑白和粗糙程度、皮下脂肪厚度和測(cè)量部位等，將動(dòng)態(tài)光譜進(jìn)行歸一化處理得到歸一化動(dòng)態(tài)光譜，可進(jìn)一步消除脈搏幅值和動(dòng)脈血液充盈等差異對(duì)測(cè)量的影響。再利用獨(dú)立分量分析(ICA，Independent ComponentsAnalysis)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，Artificial Nerve Network)等信號(hào)分析方法，可從歸一化動(dòng)態(tài)光譜中計(jì)算得到動(dòng)脈血液中的主要成分的含量。
實(shí)例一，見(jiàn)圖1由寬帶光源1，在本實(shí)施例中采用連續(xù)氙燈，當(dāng)然也可采用白光二極管等，發(fā)出從可見(jiàn)紅光至近紅外的光束照射到人體組織2，透射出來(lái)的光聚焦后經(jīng)過(guò)分光裝置3，本發(fā)明采用棱鏡，當(dāng)然也可采用光柵或聲光調(diào)制器件構(gòu)成，經(jīng)過(guò)分光裝置3的光線由光敏傳感器4接收，本發(fā)明光敏傳感器4采用的是光敏管，光敏傳感器4將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳送到數(shù)據(jù)處理裝置5，在本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理裝置5采用的微處理器芯片型號(hào)89C51，當(dāng)然也可采用其他型號(hào)具同等功能的芯片。數(shù)據(jù)處理裝置5利用獨(dú)立分量分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析方法對(duì)所測(cè)得的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，可得到動(dòng)脈血液的成分。
實(shí)例二，見(jiàn)圖2由寬帶光源1，在本實(shí)施例中采用連續(xù)氙燈，當(dāng)然也可采用白光二極管等，發(fā)出從可見(jiàn)紅光至近紅外的光束聚焦后經(jīng)過(guò)分光裝置3，本實(shí)施例分光裝置3采用采用棱鏡，當(dāng)然也可采用光柵或聲光調(diào)制器件構(gòu)成。經(jīng)過(guò)分光裝置3的光線照射到人體組織2，透射出來(lái)的光由光敏傳感器4接收，本發(fā)明光敏傳感器4采用的是光敏管，光敏傳感器4將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳送到數(shù)據(jù)處理裝置5，在本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理裝置5采用的微處理器芯片型號(hào)89C51，當(dāng)然也可采用其他型號(hào)具同等功能的芯片。數(shù)據(jù)處理裝置5利用獨(dú)立分量分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析方法對(duì)所測(cè)得的動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，可得到動(dòng)脈血液的成分。
權(quán)利要求
1.無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，包括寬帶光源、分光裝置、光敏傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置和顯示裝置，其特征是，所述的寬帶光源發(fā)出的光束透射被測(cè)物后依次經(jīng)分光裝置、光敏傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果。
2.權(quán)利要求1所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，其特征是，所述的寬帶光源發(fā)出的光束經(jīng)分光裝置透射被測(cè)物后，依次經(jīng)光敏傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，其特征是，所述的數(shù)據(jù)處理裝置采用的微處理器芯片型號(hào)為89C51。
4.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，其特征是，所述的寬帶光源為連續(xù)氙燈或白光二極管，發(fā)出從可見(jiàn)紅光至近紅外的光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，其特征是，所述的分光裝置由棱鏡、或光柵、或聲光調(diào)制器件構(gòu)成。
6.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量?jī)x器，其特征是，所述的光敏傳感器是光敏管或CCD器件。
7.無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法包括以下步驟用寬帶光束照射被測(cè)物，然后，用分光裝置將透射光引導(dǎo)至光敏傳感器，再將光敏傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行處理，并由與數(shù)據(jù)處理裝置相連的顯示裝置顯示處理結(jié)果。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法，其特征是，所述步驟可轉(zhuǎn)變次序，既用寬帶光束照射分光裝置，透射出來(lái)的光束再經(jīng)過(guò)被測(cè)物，透射出來(lái)的光束傳導(dǎo)至光敏傳感器。
全文摘要
無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法及其實(shí)施儀器,涉及一種血液成分測(cè)量方法及儀器,特別涉及一種無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法及其實(shí)施儀器。為提供能準(zhǔn)確無(wú)創(chuàng)地對(duì)血液成分進(jìn)行測(cè)量的方法及其實(shí)施儀器,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為,無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血液成分測(cè)量方法包括以下步驟:用寬帶光束照射被測(cè)物,然后,用分光裝置將透射光引導(dǎo)至光敏傳感器,再將光敏傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明測(cè)量準(zhǔn)確,能消除個(gè)體、脈搏幅值和動(dòng)脈血液充盈等差異對(duì)測(cè)量的影響,操作方便,可同時(shí)測(cè)量多種血液成分。
文檔編號(hào)G01N21/25GK1384348SQ0212137
公開(kāi)日2002年12月11日 申請(qǐng)日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月18日
發(fā)明者李剛, 林凌 申請(qǐng)人:天津大學(xué)