专利名称：分析液体的装置和方法
技术领域：
本发明涉及分析液体、特别是(虽不仅仅是)血液和其它体液并且测定在这些体液中各种物质的存在和浓度的装置和方法。
血液分析广泛应用于人类和动物的医疗处理和诊断中。已知有多种方法来分析血液。本发明的实施例力图提供不同的方法来分析血液。
通常需要从活体中取出血样在体外进行分析。这既不愉快又不方便，特别是如果需要经常作血液分析的话，例如糖尿病患者，需要经常分析他们血液中葡萄糖的浓度。本发明的实施例寻求提供一种用于对身体中的血液作非侵入性分析的装置和方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于分析液体的装置，它包括用于将振荡电场加到待分析的液体试样上的装置；以及用于测量由于所加电场而在分析试样中流动的电流、从而确定包括试样的电路的损耗系数的装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种分析液体的方法，所述方法包括以下步骤将振荡电场加到待分析的液体试样上；以及测量由于所加电场而在所述试样中流动的电流，以便能够确定包括所述试样的电路的损耗系数。
包括试样的电路的损耗系数与试样的介电常数有关。试样的介电常数可以随其组成而变化。因此，测量损耗系数就能测定液体中存在的物质及其浓度。以下将作详细说明。
所述液体最好为体液，特别是血液。
在一个实施例中，产生振荡电场的装置包括电振荡器和两个关联的电极。电极设置在待分析的试样附近或包含待分析的试样的容器附近。最好每个电极伴随有电绝缘体，并且在使用时所述绝缘体位于电极和分析试样之间。电极适合于戴在人体或动物的身体上，最好适合于戴在人体血液丰富的部分，例如耳垂部分。在一个实施例中，电极被包括在夹住耳垂的夹子内、使得每个电极接触耳垂的一侧。在另一个实施例中，电极被包括衣服内。因此，所述方法涉及或者在人体或动物体内或者在人体或动物体外分析血液。所述装置尤其能够在自然条件下分析液体。
用于施加电场的装置最好能产生一种可变频率的振荡电场，并且在施加不同电场频率时测量在分析试样中流动的电流。在一种配置中所述装置在一定范围内改变所加电场的频率。所述范围可以从千赫数量级延伸到千兆赫数量级。在这种配置的情况下，最好在整个所述范围内监测电流。在一个实施例中，所述频率范围从0到500兆赫。
一定的频率范围使血液和其它液体中所含的不同物质得以被识别。
所述装置最好包括计算包含试样的电路的功率因数的装置，并且相应地所述方法最好包括计算包含试样的电路的功率因数的步骤。此电路可以例如包括由分别设置在待分析试样相对两侧的电极所形成的电容。
随所加电场频率的变化而发生的试样介电常数的变化(以功率因数的变化表示)反映出试样中某些物质的存在和浓度。为向用户提供容易得到的结果，所述装置最好能在一定所加电场频率范围内对所测量的功率因数和存储的信息加以比较，从而将测量的功率因数的特性与试样中存在的物质相关联。所述装置最好还能将有关识别的物质的信息输出给用户，例如利用视频显示器等。所述信息可以是有关识别物质的绝对浓度和/或只是指示某一特定物质的存在或特定浓度。
为了更清楚地理解本发明，下面将参考附图用实例来说明本发明的实施例，附图中
图1示出本发明的装置；图2示出图1装置的示意电路图；图3是特定材料的介电常数和频率的关系的曲线图；图4是传导和位移电流的矢量图；图5是血液的损耗系数和频率的关系的曲线图；图6是图1装置的显示器的显示；以及图7是按照本发明的装置的另一实施例的示意方框图。
参考图1和2，所述装置包括两个导电电极1，它们互相面对地安装在弹性U形夹2的两臂自由端上。电极上覆盖有电绝缘材料、使得电极没有导电部分外露。夹子2用电绝缘塑料材料制成并设计成能舒适地装配在人的耳垂上、使得两个电极1分别位于人的耳垂的相对的两侧。
电极1通过导线3连接到控制单元4。控制单元4包括具有显示器和在外侧的用户可操作的各种控制件6的外壳并且包含控制电路7、8、9和关联的电源10。所述外壳的大小使得能被方便地拿在用户手中。
电子电路包括可变频率振荡器7、放大器8、微处理器9和存储器11。可变频率振荡器7可以在数千赫到数千兆赫的范围内产生可变和可控制频率的基本上是正弦形的交变电信号。放大器8可以放大所述信号以便传输到电极1。微处理器9可以控制振荡器7、分析在电极1之间流动的电流、处理所述信息并通过显示器5向用户提供输出信号。微处理器9还被安排来对用户通过用户可操作的控制件6输入的指令作出响应。所述存储器存储供微处理器使用的信息和指令。
这样，所述装置能够使置于电极1之间的材料承受交变电场并分析因所加电场而在材料中流动的电流。当置于电极1之间的材料具有某种介质特性、例如含有血液的人的耳垂时，电极和材料的组合就形成一个电容。由于所加电场而在电容中电流流动的性质取决于材料的特性，特别是其介电常数ξ。这取决于特定材料的结构，特别是携带电荷或偶极子的材料组分以及那些组分对交变电场的响应方式。
血液以及在血液中可能发现的所关心的物质通常包括具有永久电偶极子的分子。在所加电场的影响下，每个偶极子都会受到一种力的作用，使其按电场方向取向，并且可以意识到所述弯曲链的合成运动可能非常复杂。此外，在所施加的变化频率的电场下，电子、原子和分子具有不同的状态。偶极子使它自己适应电场以及原子和分子对电场做出响应所需的时间均取决于所研究的各个偶极子(分子)，原子或分子的性质。因此，对于给定的偶极子的来说，其偶极子极化的程度随所加电场的频率而改变。极化程度影响着材料的介电常数ξ。因此，可以看出，一种材料，例如血液，其介电常数会随所加电场的频率而改变。
图3示出介电常数如何随加在含有一种具有永久电偶极子的分子的介质材料上的电场频率F而变化。在区域A(低频)，所有三种极化成分都可以工作，即电子、原子和分子极化都立即对所加电场的低频变化做出响应，因此可以使自己适应所加的电场。但对于超过表征偶极子大小以及它们所处环境的特性的数值的频率，偶极子不能跟随电场的变化，且它们对总极化所起的作用也就消失。因此，在区域B(高频)，只有电子和原子的极化是有意义的，f代表发生这些变化时的频率。
后果就是当所加频率经过f增加时材料的介电常数逐渐改变。
与介电常数随频率的变化相关联的还有能量的损耗。所述“介质损耗”代表从提供电场的电路所提取的并转化为试样材料的热的能量。通常以所谓的“损耗角”δ来表示。没有介质损耗时图2电容中的电流流动将与所加电压具有90°相差(即90°相位差)，幅度为ωCV(式中ω＝2πf，f为所加频率，单位为HZ，C为电容，V为所加电压)。
虽然存在与所加电场同相的电流成分“Id”，但还是发生介质损耗。结果是，总(合成)电流的相位与理想的90°相差偏移了角度δ。此情况示于图4。Sinδ(对于小数值δ，与tanδ等效)被称为功率因数并代表加到由电极和试样材料所形成的电容上并转化为材料中的热的那部分视在功率。
本发明装置的微处理器所测量和推导的是功率因数。给定电容的功率因数的测量是众所周知的，用常规的Q表(Q＝质量因数)就很易做到。
通过在一定频率范围内测量功率因数，就可以识别在已知频率下影响功率因数的材料成分的存在。
图5示出通过将图1和图2的装置的电极1附着在人的耳垂上而画出的血液试样的功率因数与所加电场的频率之间的关系的说明性曲线。曲线中的峰值代表在某些频率下功率因数急剧增加，说明血液中有某些物质存在，例如f1表示有肌酸存在，f2表示葡萄糖，f3表示高密度脂质(胆固醇)，f4为低密度脂质。许多其它物质也可用此法来识别，以fx表示。
对于某一特定物质，可以用经验的方法来测定其适合的频率或频率范围。
所述方法也可以用来测定血液中某一特定物质的浓度，所述浓度影响着峰值的大小。这也可以用经验的方法来确定。
使用时，微处理器8工作，使振荡器7产生交变电信号，所述信号的频率从几个KHz逐渐变到几个GHz。所述信号经适当放大后通过电极1加到人的耳垂上。随着信号频率的变化，微处理器监测在各电极之间流动的电流并计算电路的功率因数。然后，所述装置存储与测量功率因数时的驱动信号的频率有关的功率因数数值(存储在存储器11中)。然后微处理器9将此信息与存储器11所存储的、有关预期会发生功率因数峰值的特征频率从而表示存在某种感兴趣的物质的信息加以比较。如果在所收集的数据中在任何这些频率的位置找到功率因数的峰值，则表明存在有感兴趣的物质。然后将峰值的大小与存储的信息进行比较，以测定识别的物质的浓度数值。
然后将分析结果显示在显示器5上提供给用户。可以使用任何合适的显示形式，但通常显示器显示出识别的物质的名称，并指示其浓度，如图6所示。浓度可以显示为数字值，或落入某一预定范围，例如高，中或低。
另一实施例示于图7。参考此图，它包括一个宽带可变振荡器20，用于通过宽的金属条21将交变电信号提供给测试线圈22并通过二极管23接地。测试线圈22与可变电容24、包括两个电极和供分析的血样的实验电容25以及二极管26串联。二极管26通过Q表接地，用以测量电容25所包含的试样的介质损耗。所述装置能使液体试样受到振荡电场的作用，且能对因电场而在试样中流动的电流进行分析，而且能对包含试样的电容25的功率因数进行测定，以便分析试样。
虽然主要关心的是测量试样中含有永久偶极子的分子所引起的介质损耗，所述装置和方法同样也可用来测量试样的其它成分、例如原子和单个电子引起的介质损耗。
上述实施例可以便利、快捷、非侵入性地分析液体，特别是活人体或动物体中的血液，特别适合于测定血液中的葡萄糖浓度。
可以分析存在于血液以及其它液体中的单一或复杂的化合物。在血液中，分析物可以是葡萄糖、肌酸、胆固醇或其它一般或特定的健康或临床状态的指标。所述装置可以包括其自身的电源。
由所述装置捕获的数据可以通过射频、调制解调器、红外或任何其它数字或模拟传输媒介传输、存储并与用同样或其它方法捕获的其它数据比较使用。这种数据比较可以连续进行，或定期进行。所述装置的输出可以用来控制其它装置、例如自动送药和自动报警系统。所述装置提供了在现场对分析物的直接测量。所述装置能对静态或移动液体进行测量并可测量试样中固有的和非固有的分析物。
在又一个实施例和示范中可以看到如下情况。仅包括软组织、而没有肌肉、韧带、腱或骨骼结构的耳垂特别适合于作为测试位置。相同的直径为5mm到10mm的各圆形金属板设置在耳垂两侧中的任一侧，但与耳垂绝缘。这种金属板通常是薄陶瓷盘上的金属涂层(陶瓷盘具有非常低的介质损耗)。工业上可以使这种结构仅250微米厚或更薄，可以将其插入或固定到1-2mm厚的陶瓷环的开口中(见图)。将一根导线(适当绝缘)焊到金属化区上。在金属化区域后面设置具有圆孔的第三个陶瓷元件，绝缘的导线穿过此圆孔。整个结构会形成一个寿命很长的牢固的电极结构，并将所述结构密封起来，使体液、例如汗液、尿液、排泄物等不能透过。第二电极结构设置在耳垂的另一侧。两个电极结构均由很轻的结构支撑，所述结构使两电极之间的距离可以根据患者耳垂的大小而改变。电极应牢固而安全地夹在耳垂上，但不可过分，实际压力由患者的舒适度而定。固定之前，应清洁耳垂，皮肤表面用优质油脂溶剂去油。可以看出电极附件以及支架等不会超过几克。在耳垂后面并由耳朵的上部和后部支撑的是一个塑料小室，其中含有固定的高Q电容和高Q线圈，后者是由淀积在陶瓷圆柱体上的螺线金属化线圈构成的或由淀积在薄陶瓷平板上的平螺线金属化线圈构成的。这样，耳朵上就有三个电极元件，它们连接起来，形成串联谐振电路。还包括一个非常小尺寸的第四元件(半导电的高频二极管)，用于将在两个电容两端的交流电压转换为成比例的直流电压。从整个上述结构引出一根柔性细多芯电缆到一个小控制盒上，控制盒可以自由安装在或连接到患者身体上。控制盒中装有电源、存储器、微处理器、放大器、逻辑电路、开关/键盘以及显示器，当然还有点频率可用性，所述点频率能够通过频率调制而定期地使频率稍稍偏移。应强调，对于需要一系列血液分析物的信息的血液学家，仪器会更复杂也更适用，而糖尿病患者只需要有关他们的葡萄糖浓度的信息。
我们将考虑后者的需要。患者按压一个按钮，使微处理器开始工作并命令一个单独的振荡器芯片以预定频率开始振荡并在窄频带频率偏差范围内进行频率调制。由对放大的谐振电压的整流产生的直流传送到直流放大器，直流放大器的输出进入存储器。存储器还含有预先记录的关于电容板之间只有空气时对一系列电极间隔的谐振电路Q值的信息，特定的间隔由患者输入且仅与他自己有关。现在可用的信息是Q值和电容值，后者是存储在存储器中的。然后微处理器计算tanδ的值，选择峰值并显示出来，以mmol/L表示。如果患者接近低血糖或高血糖状态，可以听见声音提示。所述实施例示于图8和9。
上述实施例仅是用实例加以说明。在不违背离本发明的情况下可以有多种改变。
权利要求
1.一种用于分析液体的装置，它包括用于将振荡电场加到待分析的液体试样上的装置以及用于测量由于所加电场而在分析试样中流动的电流、以便能够测定含有所述试样的电路的损耗系数的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述液体为血液。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于包括电振荡器和两个关联的电极，所述电极用来设置在待分析的试样附近或含有该试样的容器附近。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于电绝缘体与每个电极相关联并且使用时设置在所述电极和被分析的试样之间。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于所述电极适合于戴在人体或动物的身体上。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述电极被包括在夹子里。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述电极被包括在衣服内。
8.如上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于用于施加电场的所述装置用来产生可变频率的振荡电场，而用于测量电流的所述装置用来测量施加不同的电场频率时的电流。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于用于加电场的所述装置用来在一定范围内改变所述施加的电场的频率。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述频率范围从千赫数量级延伸到千兆赫数量级。
11.如上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于包括用来计算包含所处试样的电路的功率因数的装置。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于包括用于存储信息的装置以及用来把在所加电场频率的一定范围内所测量的功率因数与存储的信息加以比较、从而将所述测量的功率因数的特征与所述试样中物质的存在相关联的装置。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于包括用来将有关识别的物质的信息输出给用户的装置。
14.一种分析液体的方法，所述方法包括以下步骤将振荡电场加到待分析的液体试样上；以及测量由于施加所述电场的结果而在所述试样中流动的电流、以便能够测定包含所述试样的电路的损耗系数。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述液体为血液。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于在一定范围内改变所述施加的电场的频率，以及在改变所述频率时测量其中包含所述试样的电路的功率因数。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于将所述计算的功率因数与存储的信息加以比较，以便检测所述试样中某些物质的存在。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于将所述功率因数与存储的信息加以比较，以便确定所述试样中某些物质的存在和/或浓度。
全文摘要
一种用于分析液体、特别是体液和血液的装置，它包括用于将振荡电场加到待分析的液体试样上的装置(1，7，8)以及用于测量由于所加电场的结果而在分析试样中流动的电流、以便能够测定包括试样的电路的损耗系数的装置(9)。可以测定所述损耗系数随所加电场频率的变化并将其与存储的数据进行比较、以便识别液体中一些物质的存在和浓度。所述装置可以配置成分析活体中的血液。
文档编号G01N27/22GK1529811SQ02809756
公开日2004年9月15日 申请日期2002年3月13日 优先权日2001年3月13日
发明者E·科亨, N·－E·德詹纳蒂, E 科亨, さ抡材傻 申请人:霍尔有效技术有限公司