使用微型atr红外线分光镜实时分析马桶中尿成分的设备和方法

专利名称：使用微型atr红外线分光镜实时分析马桶中尿成分的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于分析尿成分的可以测定马桶中包含的成分的浓度的设备和方法， 更具体地涉及一种用于实时分析尿成分的设备和方法，该装置和方法通过使用衰减全反射 红外线(ATR-IR)分光镜可以测定马桶中包含的成分的浓度。本发明涉及用于实时测定和分析马桶中的尿的设备和方法，更具体地涉及开发一 种微型红外线分光计，该微型红外线分光计即使在可以有效收集尿样本并可复制地测定它 及有效地将微型ATR红外线分光镜附接在马桶上的诸如马桶和衰减全反射(ATR)的特殊环 境中也可以使用。此外，本发明提供了一种使用附接在马桶上的微型ATR-IR可以测定和分 析作为包含在尿中的尿成分的葡萄糖、肌氨酸、尿素、蛋白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固 醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐的有效算法。
背景技术：
一般来说，利用可见光来检查尿成分的方法已经在使用了。使用可见光区域中的3 个波长来分析尿中包含的成分，此时该检查主要由尿试纸来执行。由于该方法需要使用可 丢弃的尿试纸，所以用户需要重复地购买单独的试纸来每天测定尿成分。在尿试纸被尿弄 湿时用户感到不方便。另外，在一般的家庭中保存包括尿试纸的设备由此将它供应到一般 人是比较困难的。光谱法分析方法被作为一种不使用尿试纸的方法，此时可以使用红外线分光镜来 分析尿中的各种成分。但是，由于红外线分光镜分析设备太大而不能直接附接在马桶上，所 以将红外线分光镜附接在马桶上的情况无法实现。由于信噪比(SNR)随着红外线分光镜的 微型化而降低，所以无法有效地分析尿样本中包含的作为尿成分的葡萄糖、肌氨酸、尿素、 蛋白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐。另外，由于用户在每次 测定样本后可能不清洁样本并且混合成分由于红外区域中的潮湿的影响而可能无法有效 地测定，所以需要与马桶一起设置自动清洁器。作为另一光谱方法，使用了一种通过利用从马桶引入样本的单独装置而引入样本 的方法，并且该装置通过使用于分析引入样本的装置、光源和检测器平行(180度)设置而 构成为透光方式。该方法需要额外的设施，特别是该方法中使用的光对应于近红外光。在 使用近红外光的分析设备中使用的波长带处于SOOnm到2500nm的范围。该波长带中的光 适合于分析尿中包含的成分中的单个成分，而在分析尿中包含的多个成分的情况下，多个 成分的测定结果重叠，这导致难以分析多个成分。结果，需要一种容易并准确地分析尿中包 含的多个成分的装置和方法。此外，还存在一个问题，由于用户或病人没有一种用于坐在马桶上时通过做简单 动作来分析尿成分并测定血压以及体脂肪的装置，所以他们需要在不同的时间、不同的位 置测定尿成分、血压和体脂肪。

发明内容
[技术问题]本发明的目的是提供一种用于通过提供微型分光镜来在诸如马桶的特殊环境中 接收尿样本并测定尿样本的设备和方法，该微型分光镜施加属于2500nm到15000nm波长的 中红外光以实现最大信噪比(SNR)。此外，本发明的目的是提供一种实时分析尿成分的装置 和方法，这是通过提供一种对附接了这种分光镜的马桶中的尿成分进行测定、分析和量化 的算法来实现的。此外，本发明的另一目的是提供一种健康诊断系统，其能够通过简单的动作一次 分析尿成分和测定血压及体脂肪。[技术方案]为了实现该目的，本发明提供了一种用于分析马桶中的尿成分的设备，该设备包 括马桶便桶(toilet stool)；尿收集器(未示出)，其以凹形或平面形状形成在马桶便 桶内的整个表面上；分析单元，其附接在马桶便桶上以分析从尿收集器收集的尿的成分并 且包括光源单元、复合滤波器、反射镜和检测器中的一个或更多个；以及衰减棱镜(ATR棱 镜)，其设置在用于分析尿成分的分析单元内，其中，光源单元和检测器的光接收单元具有 垂直于光路的彼此相似对应的截面形状，以使光的损耗最小化并且维持高的信噪比(SNR)。本发明中使用的光源单元使用波长在2500nm至15000nm范围的中红外光。所述分析单元的特征在于，透射部(transmitting portion)的与光路垂直的截面 表面相似地对应于光源单元或检测器的光接收单元的截面表面。这里，来自光源单元的光到达检测器的总迹径距离为大约10到30mm，而如果在棱 镜与检测器之间设置有镜隧道(mirror tunnel)或锥形棒(tapered rod)，则总迹径距离为 大约1到50mm。此外，光源单元与棱镜之间的距离为300μπι到5mm，而棱镜与检测器之间的距离 为 300 μ m 至Ij 5mm。同时，光源单元具有多个小的加热器布置为一个阵列的阵列结构，并且光源单元 的该阵列结构由2层以上形成，以使来自光源单元751和检测器的脉冲彼此同步。根据本发明的光源单元的特征在于，它是三角形、圆型和矩形中的任何一种，并且 棱镜和分析单元相似地对应于光源单元。能够由根据本发明的尿成分分析设备分析的尿成分包括葡萄糖、肌氨酸、尿素、蛋 白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐中的任何一种。根据本发明的分析设备还包括从以下组中选择的任何一个血压测定装置、体脂 肪测定装置和心电图测定装置，并且此时该分析设备可以在使用指纹识别装置对用户认证 后开始工作。本发明提供了一种实时分析尿成分的方法，该方法包括以下步骤使用分析单元 的ATR对经由马桶的尿收集单元引入的参考材料的光谱进行测定；使用分析单元的ATR对 经由尿收集单元引入的尿的吸收光谱进行测定；获得表示吸收光谱与提前测得的尿的每个 成分的标准值之间的相关度(correlation)的测定线；以及使用测定线来估计包含在尿中 的每个成分的量，其中，光源单元和检测器的光接收单元具有垂直于光路的彼此相似对应 的截面形状，以维持高的信噪(SN)比。
使用引入到ATR中的波场在2500至15000nm范围内的中红外光来测定参考材料 的光谱和尿的吸收光谱。优选的是，棱镜具有垂直于光路的透射部的截面表面，该截面表面相似地对应于 光源单元或检测器的光接收单元的截面表面。根据待测尿的成分，参考材料是水、空气或其组合，并且尿成分包括葡萄糖、肌氨 酸、尿素、蛋白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐中的任何一种。这种分析尿成分的方法还包括使用清洁溶液来清洁尿收集器的步骤，且清洁溶液 和参考材料可以相同。此外，这种分析尿成分的方法还包括使用形成在比尿收集器的位置 更高的位置上的喷气装置来干燥尿收集器的步骤。此外，为了实现这些目的，本发明提供了一种健康诊断系统，该健康诊断系统由设 置在马桶背部中的马桶浅浴盆(bidet)和与马桶组合起来的体脂肪测定装置组成，其中体 脂肪测定装置包括设置在马桶的左侧和右侧的把手(handle)；和分别设置在4个接触点 中的4对电极，并且这4个接触点中的两个位于臀或大腿区域与马桶顶部的接触部分上，而 另外两个接触点位于把手中。每个接触点都包括电压电极和电流电极，并且把手以凹入型设置在马桶上并且加 上盖，以防止被水弄湿。该健康诊断系统还包括尿成分分析设备，该尿成分分析设备使用ATR来测定尿中 包含的成分。该ATR直接附接在马桶上。此外，为了实现这些目的，本发明提供了一种健康诊断系统，该系统包括设置在 马桶背部中的马桶浅浴盆；重量测定装置，其使用设置在马桶便桶下的多个测压元件来测 定用户的重量；以及尿成分分析设备，其使用ATR来测定尿中包含的成分，其中该ATR直接 附接在马桶上。该健康诊断系统还包括能够测定用户的血压的血压测定装置；和能够对尿成分 分析设备的用户进行认证的指纹识别装置，并且血压测定装置和指纹识别装置位于用户可 以将他的臂放在上面的臂支撑件中，并且用户可以在坐在马桶上的同时，使用指纹识别装 置和血压测定装置来执行指纹识别和血压测定。该健康诊断系统还包括监视器，该监视器用于显示尿成分分析设备测得的尿成分 信息、重量测定装置测得的重量信息、血压测定装置测得的血压信息、指纹识别装置测得的 指纹信息，以及体脂肪测定装置测得的体脂肪信息中的至少一种，并且该监视器位于臂支 撑件中。该健康诊断系统还包括药物输入装置，该药物输入装置供应在该健康诊断系统中 使用的药物，并且该药物输入装置在马桶背部中稍微倾斜并连接到浅浴盆。该健康诊断系统经由因特网或以太网来传输尿成分信息、重量信息、指纹信息、血 压信息、体脂肪信息中的至少一种。此外，为了实现这些目的，本发明提供了一种健康诊断系统，该健康诊断系统由设 置在马桶背部中的浅浴盆和与马桶组合起来的心电图测定装置组成，该心电图测定装置包 括位于马桶的左侧和右侧把手中的两个接触点；和位于臀或大腿区域与马桶顶部的接触 部分中的两个接触点，每个接触点各具有两个电极，该心电图测定装置通过使感生电流在 位于4个接触点中的8个电极上流过以测定电极之间的电位差而记录用户的心电图。
[有利效果]根据本发明的这种用于分析马桶中的尿成分的装置和用于实时分析尿成分的方 法，存在以下优点该装置可以安装在诸如马桶的特殊环境的小空间上，并且通过将信噪比 维持很高和最小化光损耗可以实时地测定所有尿成分。由于本发明被构成为使得光源单元、棱镜和检测器的接收单元具有垂直于光路的 彼此相似对应的截面表面，所以能够使结构小型化、最小化光源的损耗并增加光的强度以 及由此得到可靠的光谱分析的灵敏度。此外，本发明可以使得用户坐在马桶上的同时，通过做简单的动作，分析尿的成分 并方便地测定血压和体脂肪，从而用户可以周期性地测定尿成分、血压和体脂肪。


图1是示出根据本发明一个实施方式的包括尿成分分析设备的健康诊断系统的 立体图。图2至图4是示出根据本发明另一实施方式的包括尿成分分析设备的健康诊断系 统的立体图。图5是示出根据本发明一个实施方式的组成健康诊断系统的体脂肪测定装置的 立体图。图6是示出根据本发明一个实施方式的体脂肪测定装置的把手的立体图。图7是例示了一般红外线分光镜的概念图。图8是例示了根据本发明一个实施方式的尿成分分析设备的光谱分析的概念图。图9是示出根据本发明的尿成分分析设备的一个实施方式的图。图10至图12是根据本发明实施方式的分析单元中的光源单元、棱镜和检测器的 光接收单元的概念图(图10是矩形，图11是圆形，而图12是三角形)。图13是例示根据本发明实施方式的分析单元附接在马桶上的状态的立体图。图14是例示根据本发明另一实施方式的作为分光镜模块的分析单元附接在马桶 上的状态的立体图。图15是根据本发明实施方式的附接在马桶上的分析单元的一部分的局部 (cut-away)立体图。图16是根据本发明另一实施方式的分光镜模块的外部立体图。图17是根据本发明实施方式的图7b的分光镜模块的侧截面图。图18是根据本发明实施方式的分析单元的立体图。图19是切掉根据本发明实施方式的分析单元的概念图。图20是例示根据本发明实施方式的分析单元中的反射镜的原理的概念图。图21是例示根据本发明实施方式的分析单元中的反射镜的原理的概念图。图22是根据本发明实施方式的分析单元中的棱镜的概念图。图23是根据本发明实施方式的分析单元中的锥形棒和镜隧道的概念图。图24是显示了根据本发明实施方式的分析单元上发出的光的显示图。图25是示出了当光源与检测器之间的距离为Imm时引入到检测器的光量的效率 的显示图。
图26是例示了根据本发明实施方式的用于分析尿成分的方法的流程图。图27是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的葡萄 糖而获得的光谱结果的曲线图。图28是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的肌氨 酸而获得的光谱结果的曲线图。图29是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的尿素 而获得的光谱结果的曲线图。图30是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的胆固 醇而获得的光谱结果的曲线图。图31是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的胆红 素而获得的光谱结果的曲线图。图32是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的尿酸 而获得的光谱结果的曲线图。图33是示出根据本发明实施方式的通过使用尿成分分析设备来测定尿中的亚硝 酸盐而获得的光谱结果的曲线图。图34是示出根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备获得的尿中的葡萄糖的 测定线的结果曲线图。图35是示出根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备获得的尿中的肌氨酸的 测定线的结果曲线图。图36是示出根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备获得的尿中的尿素的测 定线的结果曲线图。图37是示出根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备获得的尿中的胆固醇的 测定线的结果曲线图。图38是示出根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备获得的尿中的胆红素的 测定线的结果曲线图。图39是根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备来测定包含在尿样本中的尿 酸的曲线图。图40是根据本发明实施方式的使用尿成分分析设备来测定包含在尿样本中的尿 素的曲线图。图41是根据傅里叶变换红外线(FT-IR)的标准葡萄糖的光谱。图42是根据LFV IR的标准葡萄糖的光谱。图43是根据FT IR的尿样本的光谱。图44是根据线性可变滤波片红外线(LVF IR)的尿样本的光谱。[主要部件的详细说明]1000 腿支撑件100 血压测定装置200 浅浴盆控制装置300 指纹识别装置400:监视器500:主控制装置600 体脂肪测定装置 601-608:电极609 把手
610狭缝611 盖
700尿成分分析设备710 马桶
720喷气装置750 分析单元
751光源单元752 反射镜
753棱镜754 光感应器
755检测器756 控制器
757入射到ATR棱镜上的光
758样本759 镜隧道
760分光镜模块
761线性可变滤光器
762光接收单元
800药物输入装置
900重量测定装置
具体实施例方式如下面的实施例和比较例中示出的，实际和目前优选的本发明实施方式是说明性 的。但是，本领域技术人员应该理解，在考虑本公开后，可以在本发明的主旨和范围内 做出变动和改进。图1是示出根据本发明一个实施方式的包括尿成分分析设备700的健康诊断系统 的立体图。参照图1，该健康诊断系统包括血压测定装置100、浅浴盆控制装置200、指纹识 别装置300、监视器400、主控制装置500、体脂肪测定装置600、尿成分分析设备700、药物输 入装置800和重量测定装置900。在图1中，尽管示出血压测定装置100是矩形形状或开放的箍带形并且位于腿支 撑件1000的顶表面上，但本发明不限于这种形状和位置的血压测定装置100。此外，该健康诊断系统还使用重量测定装置900来测定重量并使用体脂肪测定装 置600来测定体脂肪。同时，图2至图4示出了根据本发明另一实施方式的包括尿成分分析设备700的 各种模块的健康诊断系统的外部立体图。一旦用户坐在马桶710后抓住了嵌入在马桶710顶部的左侧和右侧中的具有电极 601至608的体脂肪测定装置600的把手609，则开始体脂肪测定。下面将具体地参照图5 和图6来描述体脂肪测定装置600。将具体地描述测定体脂肪的方法。一旦按下“体脂肪测定”按钮，重量测定装置900 的压力传感器就开始工作以测定重量。接着，用户按下“开始”按钮并在坐在马桶710上的 同时向下伸展两腿以抓住体脂肪测定装置600的把手609。当完成体脂肪测定时，利用预先 保存的用户的年龄、性别和身高以及重量测定装置900测得的重量，在监视器400上显示对 应信息，如体脂肪百分比和肌肉量。如果已经获得了重量信息，可以省略重量测定程序。监视器400可以按照在水平方向围绕从腿支撑件1000的底表面延伸的一个轴旋 转的方式进行投影(project)。
此外，该健康诊断系统使用尿成分分析设备700来测定尿中包含的糖、蛋白质和 血液，并将它们显示在监视器400上。下面会参照图2至图6具体地描述尿成分分析设备 700。此外，该健康诊断系统还包括位于尿成分分析设备700的背部上的药物输入装置 800。诸如清洁剂和芳香剂的药物可以通过药物输入装置800输入。药物输入装置800可以 被构成为使得它能够正确地与药物容器组合并稍微倾斜以使药物容易滴下。因此，药物容 器可以插入在药物输入装置800中然后当所有药物都耗尽时从药物输入装置800中去除。 药物输入装置800连接到浅浴盆装置并且输入到药物输入装置800中的药物经由浅浴盆装 置进行喷淋。图5示出了根据本发明一个实施方式的组成健康诊断系统的体脂肪测定装置 600。参照图5，体脂肪测定装置600具有设置在马桶710的马桶座上的4个电极601、602、 603,604以及分别设置在两个把手609上的4个电极605、606、607、608，从而可以使用总共 8 个电极 601、602、603、604、605、606、607、608 来测定体脂肪。换言之，电压电极和电流电极设置在马桶710的左侧和右侧的每个把手609上，另 外4个电极(两个电压电极和两个电流电极)设置在臀或大腿区域与马桶710顶部的接触 部分上，其中两个电极(电压电极和电流电极)组成一个接触点。图6示出了根据本发明一个实施方式的体脂肪测定装置600的把手609。参照图 6，凹陷型的把手609可以设置在马桶710的两侧上，并且加上盖611以防止被水弄湿。此 外，盖611可以在其下侧设置一狭缝610，使得进入外环绕槽的水可以漏出。图7示出了在一般实验室中使用的傅里叶变换红外线分光镜。参照图7，红外线 分光镜被分为光源单元741、分束器742、第一反射镜743、单色仪(未示出)、样本测定单元 744、第二反射镜745和检测器746。在使用图7中示出的现有技术红外线分光镜的情况下，由于它的尺寸达到了 20至 50cm并且其重量达10kg，所以难于将它应用于诸如根据本发明实施方式的马桶710的小空 间。一般来说，当红外光源单元生成的光远离光源后，它与距离平方的倒数成比例地 急剧减少。在之前的大型傅里叶变换红外线(FT-IR)分光镜中，为了实现高的信噪比，需要 执行复杂的程序(如使用高输出的光源并经由断路器来调节频率)来防止光的扩散和背景 噪声或另外使用单色仪或干涉仪。但是，在马桶710中，不能使用断路器、单色仪或干涉仪， 因为分析单元750需要设置在狭小的空间中。因此，当为了从小光源获得足够的光而试图 增大光源单元的单结构辐射板的发热面积时，响应时间增加，因此无法在检测器处被检测 到。此外，存在的问题在于，当减少光源的输出以减小辐射板的尺寸时难以向ATR发送足够 的光。即使尝试使用红外线分光镜来分析尿成分，在中红外线的范围中也可能无法获得适 当和可靠的结果。为了解决这样的问题，本发明人构思了一种方案，该方案可以在使分析设备小型 化的同时增大信噪比，即，在将分析设备安装在诸如马桶710的小空间上时，使光源的脉冲 频率与检测器755的脉冲频率同步，同时降低光量的损耗并增加光的强度。这样恰当的设 计方案包括这样的技术在检测器755的光接收单元762中采用能够接收期望光谱的线传 感器(line sensor)。这里，频率同步技术包括通过中央处理单元(CPU)对来自光源和检测器755传感器的信号的频率同步进行控制的技术。图8是说明根据本发明一个实施方式的分析设备的内部光谱分析的概念图。根据 本发明，光源单元751、ATR、滤波器761和检测器755的光接收单元762 (线传感器)的表 面形状被制造得彼此相似地对应，以使分析设备小型化并使光的损耗最小化。换言之，如果 光源单元751的相应表面是具有大纵横比的矩形形状，则ATR棱镜753、反射镜或锥形棒、线 性可变滤波片761 (LVF)以及产生的光所穿过的检测器755的光接收单元762 (线传感器) 也是矩形形状。根据本发明的分析设备最大化了信噪比并增加了从光源单元751生成的光的 强度，同时防止了检测器755处的脉冲波长不一致，不会出现响应时间的延迟。为了 该目的，分析设备具有被确定为使每个组件表现出最优性能的材料、抛光特性、设置度 (arrangement degree)禾口组件间距离。图9示出了根据本发明的分析设备的一个实施方式。该分析设备的光源单元751 的长度为13到14_，宽度为3到4mm，ATR棱镜753的长度为13到14_，宽度为3到4_， 并且检测器755的光接收单元762 (线传感器)的长度和宽度分别为12mm和2mm。这样的实施方式的概念，检测器755中的传感器的形状相似地对应于光源单元 751和棱镜753的形状，以使光在硬件中的损耗最小化。光源单元751与棱镜753之间的距离在300 μ m到5mm的范围内，而棱镜753与检 测器755之间的距离在300 μ m到5mm的范围内。从光源单元751产生的光通过棱镜753 到达检测器755的总迹径在大约10到30mm的范围内。但是，当棱镜753与检测器755之 间设置有镜隧道759或锥形棒时，总迹径优选地在大约10到50mm的范围内。一般来说，由 于光的强度与光源距离的平方倒数成比例地降低，并且光扩散在周围区域上，所以根据本 发明的分析设备优选是使得光路保持得尽可能短。将每个组件之间的距离保持在预定范围内的设计概念是防止光的强度与传播距 离的平方成比例地衰减并最终优化SN比，从而使光的损耗最小化。通过使组件之间的距离或光源的总迹径非常短，本发明可以使分析设备小型化并 将它附接到诸如马桶710的小空间内，而不需要提供现有的大型FT-IR设备所必需的单独 驱动设备。图10示出了根据本发明实施方式的分析单元750的主要组件。根据本发明的分析 单元750被构成为使得光源单元751、棱镜753、检测器755的光接收单元762 (线传感器) 处的垂直于光路的截面形状可以彼此相似地对应，以保持低的光损耗和高的SN比。在示出光源单元751为矩形形状的图10中，从光源单元751产生的光入射在前进 方向上为矩形截面表面的棱镜753中，并且棱镜753是类似于光源单元751的截面表面的 矩形形状，从而不产生入射光的损耗。在光入射在棱镜753中并折射后，反射光是截面表面 垂直于前进方向的矩形形状，并最终进入检测器55。检测器755的光接收单元762也是矩 形形状，从而不产生光的损耗。得益于这样的结构，由于从光源单元751产生的光可以经由 棱镜753无损耗地到达光接收单元762，所以它可以有效地用在微型分析设备中。图11是根据另一实施方式的概念图，示出了光源单元751、棱镜753和检测器755 的光接收单元762的组合形成为圆形的情况。图12是根据又一实施方式的概念图，示出了 光源单元751、棱镜753、和检测器755的光接收单元762的组合形成为三角形的情况。此时，如果棱镜753具有按照预定角度彼此相对的入射面和出射面，则它可以是任何形状。例 如，它可以是三角形棱镜753的形状。此外，只要光源单元751、棱镜753和检测器755的光 接收单元762彼此相似地对应，就属于本发明的范围。图13和图14是示出根据本发明实施方式的尿成分分析设备700的分析单元750 的立体图。参照包括图13和图14的图，分析单元750包括光源单元751、反射镜752、棱镜 753、光感应器754、检测器755和控制器756。在根据该实施方式的分析单元750中，ATR由 棱镜753和光感应器754组成。根据该实施方式的分析单元750是小型化的，从而它能够 被用作测定尿的传感器，同时被构成为增大信噪比。图13和图14示出了本发明的一个实施方式，其中通过将多个小的低功率光源布 置为一个阵列或多个阵列，光源单元751可以是多阵列结构，以增加光源单元751的寿命， 同时增大信噪比。尽管光谱分析可以使用通过利用卤素灯而增加光源的强度或增加辐射板 的尺寸的方法，但存在的问题在于，检测器755处的响应时间延迟了，从而可能无法执行正 确的感测，因为单辐射板是大尺寸的。为了解决该问题，根据本发明的光源单元751通过将 具有小加热区域的多个辐射单元布置为一个阵列而形成阵列形状的线性光源单元751。换 言之，通过将10个或更多个小的ImmX Imm的辐射单元或5个或更多个小的1. 5mmX 1. 5mm 的辐射单元布置为一个阵列，可以克服检测器755处响应时间延迟的问题。S卩，通过使多个小的辐射单元(光源单元751)中的每个辐射单元的尺寸与现有技 术相比更小，即使每秒执行开/关数十次也可以在光辐射功能方面没有问题地改善调制深 度，并通过软件形式的CPU控制器756可控制地使光源单元751和检测器755的光信号(脉 冲)同步。通过使用钼作为光源单元751的材料可以改善结构耐用性，即使每秒执行开/ 关数十次也没有问题，这就克服了光辐射能力降低的问题。此外，光源单元751的阵列结构可以由两个阵列组成，使得来自光源单元751的脉 冲可以与来自检测器755的脉冲同步。这是为了保持光源的强度并使到达检测器755的光 接收单元762的光源的信号波长同步。由于本发明的分析单元750附接在诸如马桶710的小空间的结构特性，该分析单 元750可以不使用断路器。替代地，光源单元751使用低输出的多个光源和线性多阵列光层 面(lay)。为了使分析设备小型化，在检测器755的前端设置了线性可变滤波片761 (LVF)。 线性可变滤波片761是由微机电系统(MEMS)技术生产的。ATR是获得样本758的红外光谱的一种方法，样本758在一般的吸收光谱中难以处 理，ATR是用于测定低溶解性的固态、膜、纤维、膏和粘合剂和/或粉末样本758的分析方法 或分析设备。当光从光密介质穿过而到达光疏介质时，通常会发生反射。此时，当入射角增大时 入射光的反射率增大，并且当它超过任何阈值角度时，发生全反射。当这样的反射发生时，经验上和理论上已知，光好像以较小的距离穿透进入光疏 介质中，此时，光的穿透深度在数十个波长到数个波长的范围内变化。具体地说，当尿样本 758弄湿了暴露到马桶710的ATR的表面时，光经由ATR而传至样本758。如前面提到的，ATR机可以正确地使用，以测定低溶解性的固态、膜、纤维、膏和粘 合剂和/或粉末样本758，并由于诸如钻石或ZnSe的材料对于水溶液的抗性的提升而用于 分析溶液。当光从光密介质穿过而到达光疏介质时通常发生反射，并且此时，如果入射角增大则入射光的反射率增大，并且如果它超过任何阈值角度时，发生全反射。当这样的反射发 生时，经验上和理论上已知，光好像以较小距离穿透进入光疏介质，此时，光的穿透深度在 数十个波长到数个波长的范围中变化。最终穿透深度取决于入射光的波长、两种材料的折射率以及对界面表面的入射角 度。穿透的辐射光被称为渐消失波。吸收带波长的光当光疏介质吸收渐消失波时衰减。穿 过棱镜753的光通过LVF(未示出)经由最优光学系统由诸如锥形棒的光感应器754引入 到检测器755。检测器55检测到的光被控制器756转变为数字信号供测定。控制器756测 定检测到的数据并电子地控制每个部分。图14是示出分光镜模块760附接在马桶710上的立体图。图15是示出光经过尿成分分析设备700的分析单元750的截面图。参照图15，在 光源单元751处产生的光在围绕光源单元751的反射镜752处被反射，并入射到ATR棱镜 753中。反射镜752的内部形成为抛物线形状，并且光源单元751位于抛物线的焦点部，使 得光源单元751产生的光在反射镜752上反射并以平行光的形式入射到ATR棱镜753中。 尽管在图15中示出了抛物线形状的反射镜752，但本发明不限于此。入射到ATR棱镜753中的光757在波长的一部分在被ATR棱镜753的倾斜面处的 样本758吸收后被全反射，并通过光感应器754(锥形棒)引入检测器755。检测器755感 测引入光的强度。根据本发明的分析单元750通过使用低输出的多个光源可以增加总光 强使之大于使用高输出的光源时的总光强，并通过使用平行光而克服了光强急剧降低的问 题。尽管未具体地示出，但是当分析设备750附接在马桶710上时，分析单元750在马 桶710的内侧基底上向下凹陷，因为只有当棱镜753上存在规定量的尿时才可以对其分析。排泄后可以使用马桶710的清洁溶液对分析单元750进行初次清洁，并使用单独 设置在马桶710处的喷气装置720进行二次清洁。喷气装置720优选安装在马桶710内并 按照适于使空气正确地喷射到分析单元750上的角度来设置。图16是示出适用于根据本发明又一实施方式的分析设备750的分光镜模块760 的外部立体图，而图15是图16的分光镜模块760的侧截面图。图20是示出图18和图19中示出的反射镜752的原理的图，图13是根据本发明 实施方式的反射镜752的立体图。参照图20和图21，光源单元751产生的光在抛物线形状 的反射镜752上反射并入射到ATR棱镜753中。使用下面的等式1来计算抛物线形状的反 射镜752。[等式1]^W= ^.…
1 + V 1 — (I + fej^t/"其中，C是曲率(=l/r(曲线半径))，k是二次曲线常数，y是光轴方向的高度。反射镜752是r值为anm、k值为-1且最大外径为4mm的筒形(cylinder-shape)。 即，它在y轴方向上为抛物线形状而在χ轴方向上为细长形状(14mm)。反射镜752反射的 光被引入棱镜753中。由于光源单元751、棱镜753和检测器的接收单元的截面形状被构成 为彼此相似，所以能够防止光源的损耗并因此增加效率。
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图22和图23是示出使光在棱镜753处全反射的条件的图。如前面提到的，入射 到棱镜753中的光757具有被吸收到棱镜753倾斜面处的样本758中的一部分的波长，而 其余部分发生全部反射。在图22中，入射到角度为i的倾斜面的光符合根据下面等式2的 斯涅耳定律。[等式2]η sin i = η' sin i ‘其中，η’是介质的折射率(3.43)而η是空气的折射率(1)。为了使光在棱镜753 内发生全反射，η’需要低于90度(在此情况下，sin i’ = 1)，90度是垂直于棱镜753的倾 斜面的法线，此时根据下面的等式3来计算i。[等式3]i = sin_1(n' /n)即使经由实验计算的i的值为大约17度，但本发明不限于此。因此，如果i大于 17度，光就在棱镜753的倾斜面上全反射。根据本发明，由于光以大约45度的i入射，所以 大部分光在棱镜753的倾斜面上全反射。棱镜753的形状为χ轴方向上长度14mm且具有 等边三角形的切掉表面的三角形形状。在棱镜753上全反射的光经由光感应器754被引入 到检测器755中。图23是例示了经由光感应器754来传递光的原理的图。光感应器754是具有6 个抛光表面的玻璃块，这6个抛光表面稍微倾斜并向下变窄。如图23所示，入射到光感应 器754中的光在其内部被全反射并被传递，此时，它也符合斯涅耳定律。因此，当光感应器 754的倾斜面的倾度陡峭时，全反射条件被破坏，从而光线可以射出光感应器754，因此，需 要适当地调整倾斜面的倾度。可以使用镜隧道759来代替光感应器754。即使在使用镜隧道759的情况下，如 果倾斜程度大，光也会在镜隧道759的内部反射并折转，因此，需要适当地调整倾斜面的倾 度。光在光感应器754上全反射，而在镜隧道759上反射90%，这导致只要发生反射就降低 光量达10%。图24是示出光源产生的光强的曲线图，而图25是示出在光源单元751与检测器 755之间的距离为Imm的情况下检测器755测得的光强。参照图24，光源单元751产生并且 通过反射镜752的光被相等地测定。但是，由于光强在距离大于5mm的情况下急剧降低，所 以使光源单元751与ATR之间的距离低于5mm以允许最多的光被引入ATR。更优选的是，考 虑有机特性，距离可以在0. 5至3mm的范围中选择。结果，可以使能够安装在诸如马桶710 的小空间的中红外线分光镜小型化。图25示出了当使用菱形(13X3X27mm)的镜隧道759将从ATR射出的光有效地 传递到检测器755时检测器755测得的光强。图26是示出使用尿成分分析设备700来分析尿成分的方法的流程图。参照图26， 使包括根据本发明的尿成分测定设备700的分析单元750的分析系统开始工作(S1010)。 接着，将参考材料引入分析单元750并且分析单元750测定参考光谱(S1020)。参考材料包 含水。接着，样本经由马桶便桶710内的尿控制器直接被引入ATR。接着，包括ATR和复 合滤波器761的分析单元750使用引入的样本来测定吸收光谱(S1030)。吸收光谱给出了与参考光谱相比在参考材料以外(than)吸收的特定波数，而计算等式以-log(参考光谱/ 样本光谱)来计算。接着，获得代表吸收光谱与通过测定样本的每个成分而获得的标准值之间的相关 度的测定线(S1040)。通过针对测定线来替换样本的吸收光谱，可以估计出样本中包含的每 个成分的值(S1050)。一般来说，已经通过使用标准的尿成分和虚拟值来确认相关度并所随 后确认作为该相关度的统计准则的R~2和SEC，而将测定线保存在了计算机中。这样的总过程被称为例程分析。例程分析中重要的是预测标准误差(SEP)，作为测 定值与虚拟值之间差的统计指标，其可以与测定同时获得。换言之，测定线代表一般吸收光谱与通过测定样本(如尿)的每个成分(如，葡萄 糖、白蛋白、亚硝酸盐、胆红素)而获得的标准值之间的相关度。表示相关度的评价的指标 之一是R~2，另外一个指标是校正标准误差(SEC)和预测标准误差(SEP)。当标准值和光谱 值由任何直线表示时，根据两种数据的数据如何接近特定的直线，R~2、SEC和SEP表示了标 准值与吸收光谱的相关度。当它极其理想时，即，当标准值与吸收光谱之间的相关度非常好时，R~2为1且SEC 和SEP大致接近于0。标准值与吸收光谱之间的相关度可以使用多线性回归(MLR)和偏最 小二乘回归(PLSR)来表示。它使用测定线来测定包含在样本中的成分的值，如，葡萄糖的值。成分的值由可靠 性意义的标准误差预测的均根(RMSEP)来表达。样本中包含的每个成分的值都可以通过测 定可靠性意义内的成分值来测定。图27是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的葡萄糖所获得的光谱结 果的曲线图。图27示出了针对浓度为20%、10%、5%和0.2%的葡萄糖的测定光谱。在首 先测定了参考材料水之后，表达葡萄糖对于参考材料的吸收光谱。光谱的强度表达为Y轴 上的吸收率的吸收单位(AU)。ATR-IR测定的吸收光谱表达为大约0. 01AU，并且葡萄糖吸收 光谱可以被确认在作为测定波数区域的4000到900波数的900与1400波数之间。随着葡 萄糖的浓度从20%开始每一级降低0. 2%，吸收光谱降低。图28是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的肌氨酸所获得的光谱结 果的曲线图。图28示出了针对浓度为5%、2%和的肌氨酸的测定光谱。该测定光谱也 是通过使用水作为参考材料来测定肌氨酸的吸收光谱。ATR-IR测定的吸收光谱表达为大约 0. 008AU,并且肌氨酸吸收光谱可以被确认在作为测定波数区域的4000到900波数的1400 与1900波数之间。随着肌氨酸的浓度从5%开始每一级降低1%，吸收光谱降低。图29是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的尿素所获得的光谱结果 的曲线图。图29示出了针对浓度为10%、5%和2%的尿素的测定光谱。该测定光谱也 是通过使用水作为参考材料来测定尿素的吸收光谱。ATR-IR测定的吸收光谱表达为大约 0. 012AU，并且尿素吸收光谱可以被确认在作为测定波数区域的4000到900波数的1400与 1900波数之间。随着尿素的浓度从10%开始每一级降低2%，吸收光谱降低。图30是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的胆固醇所获得的光谱结 果的曲线图。图30示出了针对浓度为2%、1%和0. 5%的胆固醇的测定光谱。该测定光谱是通 过使用氯仿CHC13作为参考材料来测定胆固醇的吸收光谱。ATR-IR测定的吸收光谱表达为大约0. 005AU,并且胆固醇吸收光谱可以被确认在作为测定波数区域的4000到900波数的 2700与3100波数之间。随着胆固醇的浓度从2%开始每一级降低0. 5%，吸收光谱降低。图31是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的胆红素所获得的光谱结 果的曲线图。图31示出了针对浓度为2%、1%和0. 5%的胆红素的测定光谱。类似于图30，该 测定光谱是通过使用氯仿CHC13作为参考材料来测定胆红素的吸收光谱。ATR-IR测定的吸 收光谱表达为大约0. 004AU，并且胆红素吸收光谱可以确认在作为测定波数区域的4000到 900波数的1300与1800波数之间。随着胆红素的浓度从2%开始每一级降低0. 5%，吸收 光谱降低。图32是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的尿酸所获得的光谱结果 的曲线图。图32示出了针对浓度为2%、1%和0.5%的尿酸的测定光谱。该测定光谱也 是通过使用水和氢氧化钠(NaOH)作为参考材料来测定尿酸的吸收光谱。ATR-IR测定的吸 收光谱表达为大约0. 005AU，并且尿酸吸收光谱可以被确认在作为测定波数区域的4000到 900波数的1100与1700波数之间。随着尿酸的浓度从2%开始每一级降低0. 5%，吸收光 谱降低。图33是示出通过使用尿成分分析设备700来测定尿中的亚硝酸盐所获得的光谱 结果的曲线图。图33示出了针对浓度为2%、1%和0.5%的亚硝酸盐的测定光谱。该测定 光谱也是通过使用水作为参考材料来测定亚硝酸盐的吸收光谱。ATR-IR测定的吸收光谱表 达为大约0. 002AU，并且得自作为测定波数区域的1100与1500波数之间。随着亚硝酸盐的 浓度从2%开始每一级降低0. 5%，吸收光谱降低。图34是示出使用尿成分分析设备700测得的尿中的葡萄糖的测定线的曲线图。如 图34所示，考虑标准浓度值与20%、10%、5%和0. 2%每个浓度的葡萄糖的变化吸收光谱 之间的相关度，由于与吸收光谱的相关度被表达为R~2等于0. 999的直线，所以可以经由吸 收光谱来估计葡萄糖的量。图35是示出使用尿成分分析设备700测得的尿中的肌氨酸的测定线的曲线图。如 图35所示，考虑标准浓度值与5%、2%和每个浓度的肌氨酸的变化吸收光谱之间的相 关度，由于与吸收光谱的相关度被表达为R~2等于0. 997的直线，所以可以经由吸收光谱来 估计肌氨酸的量。图36是示出使用尿成分分析设备700测得的尿中的尿素的测定线的结果曲线图。 如图36所示，考虑标准浓度值与浓度分别为10%、5%和2%的尿素的变化吸收光谱之间的 相关度，由于与吸收光谱的相关度被表达为R~2等于0. 987的直线，所以可以经由吸收光谱 来估计尿素的量。图37是示出使用尿成分分析设备700测得的尿中的胆固醇的测定线的结果曲线 图。如图37所示，考虑标准浓度值与浓度分别为2%、1%和0. 5%的胆固醇的变化吸收光 谱之间的相关度，由于与吸收光谱的相关度被表达为R~2等于0. 997的直线，所以可以经由 吸收光谱来估计胆固醇的量。图38是示出使用根据本发明一个实施方式的尿成分分析设备700测得的尿中胆 红素的测定线的结果曲线图。如图38所示，考虑标准浓度值与浓度分别为2%、1%和0.5% 的胆红素的变化吸收光谱之间的相关度，由于与吸收光谱的相关度被表达为等于R~20. 998
16的的直线，所以可以经由吸收光谱来估计胆红素的量。图39是使用根据本发明一个实施方式的尿成分分析设备700来测定包含在尿样 本中的尿酸的吸收光谱。如图所示，情况a)是在使用水作为参考来测定全部样本后测定样 本中的尿酸的吸收光谱。当尿酸具有与诸如肌氨酸的样本成分相同的浓度时不可能去除它 的吸收光谱。同时，情况b)是通过使用除了尿酸的尿作为参考材料来测定吸收光谱，以去 除尿酸的单独吸收光谱。在该情况下，可以确定排除了诸如肌氨酸的吸收光谱并且表达出 尿酸的光谱。图40是使用根据本发明一个实施方式的尿成分分析设备700来测定包含在尿样 本中的尿素的吸收光谱。如图所示，情况A)是在使用水作为参考来测定全部样本后测定样 本中的尿素的吸收光谱。当尿素具有与诸如肌氨酸的样本成分相同的浓度时不可能去除它 的光谱。但是，情况B)是通过使用除了尿酸的尿作为参考材料来测定吸收光谱，以去除尿 酸的单独的吸收光谱。在该情况下，可以确定排除了诸如肌氨酸的吸收光谱并且表达出尿 素的光谱。图41是使用现有FT-IR测得的标准葡萄糖样本的光谱，而图42是使用尿分析设 备700测得的标准葡萄糖样本的光谱。在发现光谱之前，葡萄糖标准样本被融入第三蒸馏 水以制备100mg/dL、300mg/dL、500mg/dL、1000mg/dL。如图41和图42所示，将理解的是， 使用现有FT-IR和根据本发明的尿成分分析设备700的标准葡萄糖样本的光谱在950 1150cm-l处出现了峰，而它们之间没有很大的差别。一般来说，由于现有IR设备具有低灵敏度的光源，所以使用现有FT方法来进行 测定。现有FT方法需要在将光源的光线分为两条光线并通过在一个光线中周期性地改变 光路的长度而形成干涉条纹之后使用傅里叶变换来处理数据。此时，由于需要使用氦_氖 激光器使移动镜的速度均勻并确定移动镜的位置以获得可靠干涉，因此它是非常复杂的并 且尺寸很大，造成它不可以附接在马桶710上。然而，根据本发明的尿成分分析设备700可 以表现出与现有技术相同的效果，如图41和图42所示，即使它是以低成本和小尺寸制造出 的。图43是使用现有FT-IR来测定从糖尿病人取得的尿样本的光谱，而图44是使用 根据本发明实施方式的尿成分分析设备700测得的尿样本的光谱。如图43和图44所示， 在靠近1600cm-l处表现出蛋白质的峰，但在从糖尿病人取得的尿样本中葡萄糖的峰并不 重叠。但是，由于尿中存在的其他不同材料，基线稍微升高。本领域技术人员将理解，前面描述中的公开的概念和具体实施方式
可以容易地用 作执行本发明的相同目的的另一实施方式的修改或设计的基础。本领域技术人员还将理 解，这样的等同的实施方式不偏离所附的权利要求阐述的本发明的主旨和范围。
1权利要求
一种用于分析马桶中的尿成分的设备，该设备包括马桶便桶(710)；尿收集器，其以凹形或平坦形状形成在该马桶便桶内的整个表面上；分析单元(750)，其附接在该马桶便桶(710)上以分析从该尿收集器收集的尿的成分，并且包括光源单元(751)、复合滤光器(761)、反射镜(752)和检测器(755)中的一个或更多个；以及衰减棱镜(753)(ATR棱镜)，其设置在用于分析尿成分的该分析单元(750)内，其中，该光源单元(751)和该检测器(755)的光接收单元(762)具有垂直于光路的彼此相似对应的截面形状，以使光的损耗最小化并且维持高的信噪比SNR。
2.根据权利要求1所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述光源单元(751) 使用波长在2500至15000nm范围的中红外光。
3.根据权利要求2所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述棱镜(753)的透 射部的垂直于所述光路的截面表面与所述光源单元(751)或所述检测器(755)的所述光接 收单元(762)的截面表面相似地对应。
4.根据权利要求2所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，光从所述光源单元 (751)到所述检测器(755)的总迹径距离为10到50mm。
5.根据权利要求4所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述光源单元(751) 与所述棱镜(753)之间的距离为300 μ m到5mm。
6.根据权利要求4所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述棱镜(753)与所 述检测器(755)之间的距离为300 μ m到5mm。
7.根据权利要求2所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述光源单元(751) 为阵列结构，在该阵列结构中，多个小加热器被布置为一个阵列。
8.根据权利要求7所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述光源单元(751) 的所述阵列结构由2层以上形成，以使来自所述光源单元(751)和所述检测器(755)的脉 冲彼此同步。
9.根据权利要求3所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述棱镜(753)具有 彼此相对并形成任意指定角度的入射面和出射面。
10.根据权利要求3所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述分析单元 (750)包括锥形棒或镜隧道(759)，以将穿过所述棱镜(753)的光引入所述检测器(755)。
11.根据权利要求1所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，所述尿成分包括从 由葡萄糖、肌氨酸、尿素、蛋白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐 构成的组中选择的任意一种。
12.根据权利要求1所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，该分析设备(700) 还包括从由血压测定装置、体脂肪测定装置和心电图测定装置构成的组中选择的任意一 个。
13.根据权利要求12所述的用于分析马桶中的尿成分的设备，其中，该分析设备(700) 在指纹识别装置(300)对用户进行认证后开始工作。
14.一种用于实时分析尿成分的方法，该方法包括以下步骤利用分析单元(750)的衰减全反射ATR来测定经由马桶的尿收集单元引入的参考材料的光谱；利用该分析单元(750)的ATR来测定经由该尿收集单元引入的尿的吸收光谱； 获得表示了该吸收光谱与提前测得的尿的各个成分的标准值之间的相关度的测定线；以及利用该测定线来估计包含在尿中的各个成分的量，其中，光源单元(751)和检测器(755)的光接收单元(762)具有垂直于光路的彼此相 似对应的截面表面，以维持高的信噪比SNR。
15.根据权利要求14所述的用于实时分析尿成分的方法，其中，所述参考材料的光谱 和所述尿的吸收光谱是利用被引入所述ATR的光而测得的。
16.根据权利要求15所述的用于实时分析尿成分的方法，其中，所述光是波长在2500 至15000nm范围内的中红外线。
17.根据权利要求14所述的用于实时分析尿成分的方法，其中，棱镜(753)的透射部 的垂直于光路的截面表面与所述光源单元(751)或所述检测器(755)的所述光接收单元 (762)的截面表面相似地对应。
18.根据权利要求14所述的用于实时分析尿成分的方法，其中，根据待测的尿成分，所 述参考材料是水、空气或它们的组合。
19.根据权利要求14所述的用于实时分析尿成分的方法，其中，所述尿成分包括从由 葡萄糖、肌氨酸、尿素、蛋白质、白蛋白、PH、甘油三酸酯、胆固醇、胆红素、尿酸和亚硝酸盐构 成的组中选择的任意一种。
全文摘要
本发明涉及用于分析尿成分的微型设备和使用该设备来实时分析尿成分的方法，该微型设备可以实时测定和分析尿中包含的成分。
文档编号G01N33/49GK101981434SQ200980110961
公开日2011年2月23日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月27日
发明者金东寿 申请人:正心医疗株式会社