专利名称：利用光声频谱学非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法
技术领域：
本发明涉及非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法，更具体地说，涉及一种利用光声频谱学非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法。
背景技术：
虽然在世界范围内一直对利用光而不用采集血液测量葡萄糖值的方法进行了研究，但是从来没有成功地提供过任何有特色的结果。各种测量技术，例如近红外线吸收、远红外线吸收、拉曼(Ramann)频谱学、偏振(polarization)旋转、激励拉曼(Stimulate Ramann)，色散测量，温度测量，统计分析以及预处理研究，一直用于体内测量生物流体浓度。然而，因为这些常规的测量技术中的每一种都有其自己的缺点，它们永远不会容易地用于体内生物流体浓度测量。
例如，近红外线吸收具有以下的缺点。首先，可能在预定的频率下不存在任何吸收峰值。第二，成分的吸收带可能相互重叠。第三，由于生物组织容易发生散射，难于预料具有低浓度的物质的浓度。在远红外线吸收的情况下，远红外线可能几乎不能穿过人体，尽管它们通常引起较少的散射，并具有一个明显的吸收峰值。在拉曼频谱或者偏振旋转的情况下，由于在人体内存在许多散射因素，所以经常发生散射，因而难于精确地测量生物流体浓度。
近来，对于利用光声频谱学进行生物流体测量的装置和方法进行了广泛的研究。当光进入测试试样时，分子被激励，并且相互碰撞，因而产生热量。热的改变引起气密容器中的压力的改变，这产生声音信号，例如声波。声波通常可以利用麦克风检测。
使用光声频谱学的常规技术在欧洲专利EP0282234，PCT No.WO983904，EP0919180以及EP1048265中公开了。具体地说，欧洲专利EP0919180提供了一种利用光声频谱学非侵入测量血糖的装置和方法，其使用一个测量单元和参考单元作为测量装置。
图1和图2表示在EP0919180中公开的非侵入光声测量装置。参看图1，非侵入光声测量装置10包括激励源12，控制器/调制器14，探针16，锁定放大器18，以及处理器20。
激励源12当照射到生物组织例如皮肤上时便产生声波并通过传送器22例如光纤束传送到人体。
探针16，如图2所示，包括测量单元26，参考单元28，窗口30和差动式麦克风32。当激励源12照射组织24时便产生声波，其通过测量单元26的窗口30，并以和与测量单元26中的组织24接触的空气38的调制频率相同的调制频率按规则的原理加热所述空气38。所述声波被吸收到组织24的预定的成分中，由于温度的周期性改变，在测量单元26中的空气反复地收缩和膨胀。结果，产生具有和空气38的调制频率相同的调制频率的周期性声波。
在测量单元26内的周期性声波由差动式麦克风32检测，麦克风的一端位于测量单元26中，而另一端位于参考单元28内。测量单元26位于组织24的预定的表面46上，在组织24上照射有激光束，并且参考单元28位于组织35的预定表面48上，在所述组织35上照射有激光束。
由探针16检测的信号是差动式麦克风32的输出，并被传送给锁定放大器18。在各输出当中，锁定放大器18只提取与在控制器/调制器14的控制下产生的并由激励源12照射的和光束的调制频率相同频率的信号。处理器20分析由锁定放大器18提取的信号的频率，并派生偏振的声谱。常规的声学测量装置根据这种偏振的声谱求取预定物质的浓度。
虽然参考单元28旨在用于补偿由人体例如肌肉运动产生的噪声，但是在EP0919180中公开的光声测量装置不能精确地表示人体的状态，这是因为其只检测调制的信号，并且信号本身具有预定的频带。
上述的利用光声频谱学的生物流体测量装置利用光声检测器检测由半导体激光器在预定的材料上照射的所有激光束当中的红外激光束。接着，生物流体测量装置根据由光声检测器检测的声信号分析生物流体浓度。然而，由于声波的传送特性可以根据个人和所述个人的身体部分而改变，所以常规的流体测量装置不能精确地测量生物流体浓度，这也是其它利用光声频谱学的常规测量装置的问题。
发明内容
本发明提供一种非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法，其测量结果几乎不受要被检测的个人当中或者要被检测的人体的部分当中的差异的影响。
按照本发明的一个方面，提供一种用于非侵入地测量生物流体浓度的装置。所述装置包括光源，其在生物体的预定成分上照射可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；声信号发生器，其在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号具有和当光信号被吸收到生物体的预定的成分中时产生的光声信号PA的频带相似的频带；信号检测器，其检测光声信号PA和声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；控制器，其产生在预定的频带内的声信号A1；光检测器，其检测光信号的强度E；以及计算器，其根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算预定成分的浓度(C)。
最好，所述装置还包括指示器，用于指示预定成分的浓度(C)。
最好，所述信号补偿值(N)满足以下公式N=PAEsνA2----(1)]]>最好，预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
最好，光检测器、控制器和计算器被集成一个单元，或者光检测器、控制器和指示器被集成一个单元。
最好，声信号发生器和信号检测器被集成一个单元，或者光源、声信号发生器和信号检测器被集成一个单元。
最好，声信号发生器可以通过空气泵吸(pumping)方法被固定到人体上。
最好，光源是激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、激光器，黑体辐射器和灯中的任何一个。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于非侵入地测量生物流体浓度的装置。所述装置包括光源，其在生物体的预定部分上照射可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；光检测器，其检测光信号的强度(E)和当所述光信号被吸收到生物体的预定成分时而产生的光声信号(PA)；声信号发生/测量装置，其在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号具有和光声信号PA的频带相似的频带，并测量声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；控制器，其控制所述声信号发生/测量装置，使得可以产生在预定的频带内的声信号A1；以及计算器，其根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算预定成分的浓度(C)。
最好，所述装置还包括指示器，用于指示预定成分的浓度(C)。
最好，所述信号补偿值(N)满足上述公式(1)。
最好，预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
最好，控制器和计算器被集成一个单元，或者控制器，计算器和指示器被集成一个单元。
最好，声信号发生/测量装置和光检测器被集成一个单元，或者光源、声信号发生/测量装置和光检测器被集成一个单元。
最好，声信号发生器可以通过空气泵吸方法被固定到人体上。
最好，光源是激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、激光器、黑体辐射器和灯中的任何一个。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于非侵入地测量生物流体浓度的方法。所述方法包括在生物体的预定部分上施加可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号，检测光信号的强度(E)和当所述光信号被吸收到生物体的预定成分时而产生的光声信号(PA)，在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号具有和光声信号PA的频带相似的频带，检测声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号，并根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算生物体的预定成分的浓度(C)。
最好，所述信号补偿值(N)满足上述公式(1)。
最好，所述生物体的预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
按照本发明，通过利用参考光声信号校正光声信号，能够补偿受被测人体的部分当中和被测个人当中的差异的影响的光声信号信号的速度的偏差，并且通过校正光声信号的传输特性中的偏差，例如由生物体的结构引起的反射或散射，可以精确地测量生物流体浓度。
通过结合附图详细说明本发明的优选实施例，可以清楚地看出本发明的上述的以及其它的方面和优点，其中图1是日本专利申请hei 11-235331中公开的利用光声频谱学非侵入地测量血糖的装置的方块图；图2是日本专利申请11-235331中公开的利用光声频谱学非侵入地测量血糖的装置的示意图；图3是按照本发明的实施例的用于非侵入地测量生物流体浓度的装置的方块图；图4是按照本发明的实施例的用于非侵入地测量生物流体浓度的 型装置的透视图；图5是按照本发明的实施例的用于非侵入地测量生物流体浓度的反射型装置的方块图；图6是按照本发明的实施例的用于非侵入地测量生物流体浓度的方法的流程图；图7A是表示在近红外线的范围内葡萄糖溶液的吸收频谱曲线；图7B是以对数标度表示图7A的葡萄糖溶液的吸收频谱的曲线；图7C是图7A的区域B的放大图；图7D是图7A的区域C的放大图；以及图8是表示在远红外线范围内的葡萄糖溶液的吸收频谱的曲线。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法。不同的图中相同的标号表示相同的元件。
图3是按照本发明的实施例的用于非侵入地测量生物流体浓度的装置的方块图。参见图3，用于非侵入测量生物流体浓度的装置50包括光源51；位于被测对象附近的声信号发生器53，对所述声信号发生器施加光信号；位于被测对象的另一侧的信号检测器55，用于检测光信号的强度(E)的光检测器(未示出)，控制器、计算器、以及指示器57。其中，控制器、计算器以及指示器57和光源51以及信号检测器55相连。
光源51对人体59的预定部分施加预定频率的光信号，所述光信号可被人体的预定成分吸收。
当光信号透过人体59的预定部分时，预定波长带的预定波被预定成分吸收。然后，声信号发生器53使用信号检测器55检测由所述波长的吸收而产生和调制的光声信号PA。接着，声信号发生器53在人体59附近产生具有和光声信号PA的频率相同的频率的声信号A1。
信号检测器55检测通过人体59的预定部分的光声信号PA。如上所述，信号检测器55检测当由声信号发生器53产生的声信号A1通过人体59的预定部分时产生的并因而由于人体59的声学特性被调制的声信号A2。
其中，人体59的预定成分可以代表生物流体，例如葡萄糖，血红蛋白，白蛋白和胆固醇，它们根据各自的特性吸收预定波长的光束。如果在生物流体内的电子吸收光束，它们便以较高的能级运动。随着时间推移，电子返回到较低的能级，因而产生声波。
光检测器测量光束的强度(E)，即由光源51产生的光信号。
控制器控制光源51和声信号发生器53，使得可以产生预定频带的声信号A1。计算器根据由光源51输入的光信号的强度(E)以及由信号检测器55输入的光声信号PA和声信号A2来计算信号补偿值(N)。接着，计算器计算预定成分的浓度(C)。其中信号补偿值N和预定成分的浓度C成比例。
用于测量生物流体浓度的装置50还可以包括指示器57，其指示预定成分的浓度C。如图3所示，光检测器、控制器计算器以及指示器在用于测量生物流体浓度的装置50中被集成一个单元。光检测器、控制器和指示器57可以集成一个单元。或者，光检测器、控制器，和指示器57中的一些可以集成一个单元。例如，控制器和计算器57可以集成一个单元，声信号发生器53和信号检测器55可以集成一个单元。或者光源51、声信号发生器53和信号检测器55可以集成一个单元。
图4表示用于测量生物流体浓度的装置50的例子，其中，光源51、声信号发生器53、信号检测器55、光检测器、控制器、计算器和指示器57被集成一个单元。标号53’表示一个出口，从所述出口，释放由光源51产生的光信号和由声信号发生器53产生的声信号A1，标号55’指的是入口，通过所述入口，光声信号PA2和声信号A2进入信号检测器55。标号57’指的是由光检测器、控制器、计算器和指示器集成的一个预定的单元。
图5是按照本发明的另一个实施例的用于测量生物流体浓度的装置的方块图。参见图5，用于测量生物流体浓度的装置包括光源61，其提供可被人体69的部分吸收的预定频带的光信号；以及声信号发生/测量装置63，其产生声信号A1，所述声信号A1具有在人体69的部分附近的光声信号PA的频率相同的频率。其中，当光信号被人体69的部分反射时产生光声信号PA、并且预定波长的波被人体69的预定成分吸收。
此外，用于测量生物流体的装置还包括光检测器67，其检测光信号的强度E和光声信号PA；控制器73，其控制声信号发生/测量装置63，使得可以产生预定频带的声信号A1；以及计算器65，其根据由光检测器67输入的光声信号PA和从声信号发生/测量装置63输入的声信号A2来计算一个信号补偿值N，并然后根据信号补偿值N计算预定成分的浓度C。
用于测量生物流体浓度的装置还可以包括指示器(未示出)，其指示预定成分的浓度C。光源61、控制器73、计算器65、光检测器67、声信号发生/测量装置63以及指示器中的全部或一些可以集成一个单元。
由光脉冲引起的脉冲型热膨胀产生声压波。压力波P可以由以下的波动方程表示[1ν2B2Bt2-y2]p=αβCpBIBt----(2)]]>其中I、α和β分别表示光的强度、热膨胀系数和声波的速度。此外，Cp和t分别表示比热和时间。雷扬(Lai and Young)脉冲型光声信号的幅值可以由下式表示P∝αβνCpE----(3)]]>其中E指的是入射到人体69的预定部分上的光束的强度。
如式(3)所示，按照介质的光特性，例如入射光束的强度或光吸收系数；介质的热特性，例如热膨胀系数；以及介质的声特性，例如声波的速度和声波的传播函数，可以得到光声信号。人体的热特性和光学因素以及声特性相比变化非常小。因而，通过补偿人体的光特性和声特性，便能够更精确地测量被测介质的吸收系数。
在按照本发明的用于测量生物流体浓度的装置中，由下式(1)得到信号补偿值N，以便补偿被测介质的声特性。
信号补偿值N和预定成分的浓度C成比例，如下式所示。信号补偿值N可以通过测量声波并导出声波的速度v和声波传播的系数A2来补偿。N=αβνCpA2EsνA2----(4)]]>α＝khN (5)其中，Kh等于Cp/β。因为吸收系数可以从式(5)导出，所以通过比较检测到的信号波的吸收系数和参考波的吸收系数可以计算目标成分的浓度C，以便测量生物流体浓度。
为了计算信号补偿值N，可以进行基于富氏变换的频率分析或者小波分析。或者，可以利用多个检测器补偿人体的空间特性。
因为组织的状态可以根据个人、人体的部分、以及对组织进行测量的时刻而不同，这种差异必须被补偿。具体地说，为了除去人体内的其它成分的影响，可以预先研究其它成分的浓度并可进行补偿，使得可以更精确地计算目标成分例如葡萄糖的浓度。例如，水或血红蛋白的浓度可以通过使用光学方法或者通过附加射到在组织上的声波来确定。
图6是按照本发明的实施例的利用光声频谱学非侵入地测量生物流体浓度的方法的流程图。参见图6，在步骤101，从光源发出的预定的波长带内的光信号PA1被照射到被测人体的预定部分上。当光信号PA1通过所述预定部分或者被所述预定部分反射时，预定的波长被吸收进入人体的预定成分中，因而产生光声信号PA。然后，在步骤103，检测光声信号PA的强度E。在步骤105，产生具有和检测的光声信号PA的频带相同频带的声信号A1。
在声信号A1通过人体的成分或者被人体的成分反射时，预定的波长被吸收进入人体的成分，因而产生声信号A2。然后，在步骤107，检测声信号A2。接着，在步骤109，根据光信号的强度E、检测到的光声信号PA、以及声信号A2，计算人体的预定成分的信号补偿值N或浓度C。
预定成分的浓度C可以按照公式(1)，(4)和(5)根据信号补偿值N求得。如上所述，光声信号PA需要根据人体的状态进行补偿，并且这种补偿可以利用从公式(1)导出的信号补偿值N进行。
图7A到7D是表示在近红外线范围内葡萄糖溶液的吸收频谱的曲线。
图7A表示具有不同数量即100mg，250mg，500mg，1g，2.5g，5g的葡萄糖的葡萄糖溶液，当对所述溶液施加波长带范围为400nm-2500nm的光声信号时的所述溶液的吸收频谱。如图7A所示，7种葡萄糖溶液呈现几乎相同的吸收频谱，这意味着，光声信号的吸收作用根据具有微量葡萄糖的葡萄糖溶液中的水的数量而改变。
图7B以对数标度表示图7A的葡萄糖溶液的吸收频谱。在图7B中，和图7A不同，在1000nm附近出现了许多小的峰值。
图7C是图7A的区域B的放大图。如图7C所示，具有100mg葡萄糖的葡萄糖溶液呈现和水类似的吸收频谱。在另一方面，当葡萄糖溶液中的葡萄糖的数量增加超过5g时，葡萄糖溶液的吸收频谱和水的吸收频谱之间的距离变得较大。图7C表示，当对葡萄糖溶液施加具有1660nm-1700nm的波长带的光声信号时，葡萄糖溶液的吸收频谱根据浓度而改变。
图7D是图7A的区域C的放大图。在图7D中，葡萄糖溶液中的葡萄糖越多，光声信号的吸收率越高的现象大约在2190nm-2220nm的波长范围内是明显的。
按照上述的实验结果，可以得出结论，利用按照本发明的实施例的生物流体浓度测量装置，在近红外线范围内具有波长带大约为1660nm-1700nm或者波长带大约为2190nm-2220nm的光声信号可用来测量葡萄糖浓度。
图8是表示在远红外线范围内的葡萄糖溶液的吸收频谱的曲线。在图8中，出现吸收频谱的的峰值的D1，D2，D3，D4分别表示大约为8.7nm，9.0nm，9.3nm，和9.8nm的重要的波长带。换句话说，当利用按照本发明的实施例的生物流体浓度测量装置测量葡萄糖浓度时，最好使用具有远红外线范围内由D1-D4表示的波长范围的光声信号。
按照本发明的实施例的利用光声频谱学非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法，可以通过补偿根据生物体的种类或状态而改变的光声信号，对于根据个人和人体的部分而改变的光声信号的不同的传播特性来构成。
虽然上面参照本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员应当理解，不脱离所附权利要求限定的本发明的范围和构思，可以对本发明在形式和细节上作出各种改变。例如，可以利用其它的补偿值来补偿光声信号的不同的传播特性，这对本领域普通技术人员是显而易见的。
权利要求
1.一种用于非侵入地测量生物流体浓度的装置，所述装置包括光源，其在生物体的预定部分上照射可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；声信号发生器，其在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号A1具有和当光信号被吸收到生物体的预定的成分中时产生的光声信号PA的频带相似的频带；信号检测器，其检测光声信号PA和声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；控制器，其产生在预定的频带内的声信号A1；光检测器，其检测光信号的强度E；以及计算器，其根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算预定成分的浓度(C)。
2.如权利要求1所述的装置，其中还包括指示器，用于指示预定成分的浓度(C)。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述信号补偿值(N)满足以下公式N=PAEsνA2]]>
4.如权利要求2所述的装置，其中预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
5.如权利要求1所述的装置，其中光检测器、控制器和计算器被集成一个单元。
6.如权利要求2所述的装置，其中光检测器、控制器和计算器被集成一个单元。
7.如权利要求1，5和6任何一个所述的装置，其中声信号发生器和信号检测器被集成一个单元。
8.如权利要求1，5和6任何一个所述的装置，其中声信号发生器和信号检测器被集成一个单元。
9.如权利要求1所述的装置，其中声信号发生器可以通过空气泵吸方法被固定到人体上。
10.如权利要求1所述的装置，其中光源是激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、激光器，黑体辐射器和灯中的任何一个。
11.一种用于非侵入地测量生物流体浓度的装置，所述装置包括光源，其在生物体的预定部分上照射可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；光检测器，其检测光信号的强度(E)和当所述光信号被吸收到生物体的预定成分时而产生的光声信号(PA)；声信号发生/测量装置，其在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号A1具有和光声信号PA的频带相似的频带，并测量声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；控制器，其控制所述声信号发生/测量装置，使得可以产生在预定的频带内的声信号A1；以及计算器，其根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算预定成分的浓度(C)。
12.如权利要求11所述的装置，其中还包括指示器，用于指示预定成分的浓度(C)。
13.如权利要求11所述的装置，其中所述信号补偿值(N)满足以下公式N=PAEsνA2]]>
14.如权利要求13所述的装置，其中预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
15.如权利要求11所述的装置，其中控制器和计算器被集成一个单元。
16.如权利要求11所述的装置，其中控制器、计算器和指示器被集成一个单元。
17.如权利要求11，15和16任何一个所述的装置，其中声信号发生/测量装置和光检测器被集成一个单元。
18.如权利要求11，15和16任何一个所述的装置，其中光源、声信号发生/测量装置和光检测器被集成一个单元。
19.如权利要求11所述的装置，其中声信号发生器可以通过空气泵吸方法被固定到人体上。
20.如权利要求11所述的装置，其中光源是激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、激光器，黑体辐射器和灯中的任何一个。
21.一种用于非侵入地测量生物流体浓度的方法，所述方法包括在生物体的预定部分上施加可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；检测所述光信号的强度(E)和当所述光信号被吸收到生物体的预定成分时而产生的光声信号(PA)；在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号A1具有和光声信号(PA)的频带相似的频带；检测声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；以及根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算生物体的预定成分的浓度(C)。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述信号补偿值(N)满足上述公式N=PAEsνA2]]>
23.如权利要求21所述的方法，其中所述生物体的预定成分的浓度(C)和信号补偿值(N)成比例。
全文摘要
本发明提供了一种利用光声频谱学非侵入地测量生物流体浓度的装置和方法。所述装置包括光源，其在生物体的预定部分上照射可被吸收到生物体的预定成分中的具有预定的波长带的光信号；声信号发生器，其在生物体的预定部分附近产生声信号A1，所述声信号A1具有和当光信号被吸收到生物体的预定的成分中时产生的光声信号PA的频带相似的频带；信号检测器，其检测光声信号PA和声信号A2，所述声信号A2是由于生物体的声学特性的声信号A1的调制信号；控制器，其产生在预定的频带内的声信号A1；光检测器，其检测光信号的强度E；以及计算器，其根据来自光源的光信号的强度(E)以及从信号检测器输入的光声信号(PA)和声信号A2来计算信号补偿值(N)，并计算预定成分的浓度(C)。
文档编号G01N21/00GK1445526SQ03102528
公开日2003年10月1日 申请日期2003年2月10日 优先权日2002年3月20日
发明者全桂珍, 尹吉源, 黄寅德 申请人:三星电子株式会社