专利名称：测量活体组织的方法和器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过把一测量物理量的探头与一活体组织相接触以测量该话体组织物理量的方法以及采用该方法的器械。具体地说，它涉及一种无创伤的测量方法用近红外区的光照射人体并利用这种光产生的从人体输出的光来测量诸如血葡萄糖浓度或血氧饱和状态的物理量以及采用该方法的测量器械。来自人体输出的光包括在人体被照射之后由人体输出的全部的光，例如透过的光，散射的光或反射的光。
用光照射生物体并由其产生的输出光来测量血氧饱和状态和血糖水平这种无创伤测量方法现在已经在临床试验领域进行。生物体是一种具有内部结构随不同部位复杂差异的(光)散射体，因而在生物体内这种光的光程长度必须保持恒定以便用来测量诸如血糖水平的浓度。在把测量探头与活体组织接触并对其照射光以求测量所产生输出光的情况下，除非将与测量探头接触的活体组织部位，并且将测量探头的方位进行固定，就不能取得可重复的测量值。
已有人提出了一种无创伤的测量器械，该器械通过用一种固定器件将光测量装置紧压在某一活体组织上〔参阅日本专利公报第8-215180号(1996年)(引用文献))。在这种测量器械中有一个传感器从活体组织上面垂直往下压达到与该活体组织接触。
在将一种测量探头压向人体手臂或手指进行测量的情况下，受测部位很容易随着人的重力方向(即垂直方向)的姿势而各有不同。受测部位的这种垂直方向上的差异可能使测量探头紧压受测部位的压力发生变化，这取决于把测量探头紧贴手臂或手指的位置。已知如果测量探头在活组织上的压力发生变化，则来自活体组织的散射光光强就会发生变化，就会导致测量值发生误差，特别是在测量血容量或有关血的物理量的情况下。
关于一种生物体的测量数值由于压力究竞有多大变化已经取得了数据。
图1A和图1B表明了通过将光导纤维探头压在一手指的一个单独位点上，用发自光导纤维探头的光照射该手指，并变换压在手指上光导纤维探头的压力(接触压力)，测量产生的反射光强所取得的数据。图1A表明一宽波数范围的光谱，而图1B则是图1A在6000cm-1附近(b)部位的放大视图。
在图1A和图1B所示的数据中，在低压与高压之间反射光相对变化为3.5％。
与此相反，图2表明在光测量血糖水平的情况下为了计算出光量有多大变化而进行的葡萄糖溶液传导吸收的测定结果。例如，对应于10000mg/dl浓度变化的光强相对变化在葡萄糖吸收波长1679nm(约6000cm-1)处约为2.5％。由于葡萄糖浓度的变量范围在人体内的生理变量范围是400mg/dl，得出的结果是按照葡萄糖光吸收强度的相对变化，光量的相对变化仅为0.1％。亦即得出的结果是由接触压力产生的反射光的相对变化是葡萄糖浓度变量范围的35倍。
即使将手臂等加以固定使测量探头在不变的部位压住，得出的结果是，如果在测量探头与活体组织之间的接触压力随垂直姿势而改变，测量值也会发生变化，从而不能取得可重复的测量结果。
按引用文献描述的将测量探头垂直压在活体上的器械，活体部位姿势的改变将呈现出测量探头与活体组织之间的接触压力发生改变，很难取得具有良好重现性的结果。
本发明的目的在于通过固定生物体的受测位置并固定压在受测部位上的测量探头的接触压力，而获得可重复的测量结果。
当将用于物理量测量的检测探头与活体组织相接触以对活体组织的物理量进行检测时，通过使测量方向和重力方向不处于一条直线上，将本发明的测量方法调整至适于抑制由重力方向的变化造成的在一个方向(下文称作测量的方向)上的测量探头压在活组织上的压力的变化。
为此目的，本发明的方法包括一固定活体组织受测部位四周的步骤，从而在空间上固定该受测部位，以在恒定压力下从几乎不受重力影响的方向，最好从水平的方向，通过将测量探头与受测部位接触以测量物理量。
现在参照图3A和3B说明一个来源于本发明的模型。
如图3A所示，测量探头压住譬如人的一个手指的受测部位2。假定测量探头4如此动作以使对受测部位2的压力在起点处为零。还假定受测部位2有个环形部分，它具有一个曲率半径R围绕曲率C的中心。假设“Xp”代表测量探头4与受测部位2相接触的方位(P)的x座标，“Yp”代表其y座标，“Xc”代表受测部位2曲率中心(C)的x座标，“Yc”代表其y座标，“R”代表曲率半径，而“θ”则代表一个角度，它是由连接曲率中心(C)与方位P(测量探头4与受测部位2相连接处)的直线对水平面形成的，成立下列方程式Xp=Xc+R·cosθYp=Yc+R·sinθ(1)假设“rp”代表方位(P)与起点的距离，则成立以下方程式rp2=Xp2+Yp2=Xc2+Yc2+2R(Xc·cosθ+Yc·sinθ)+R2(2)这是假设人的姿势仅引起重力位移dy。求微分运算方程(2)，导出以下方程(3)2rp·drp=2Yc·dYc+2R·dyc·sinθ(3)其中“drp”代表测量探头4的位移。假设测量探头4作用于受测部位2的压力变量“dp”与该测量探头4的位移“drp”是相称的，那么从方程(3)看出当“θ”=0及“Yc”=0的情况下进行测量时，“drp”=0，而且由重力增减起伏“dYc”对接触压力的影响将降低到最低限度。也就是可以理解为，受测部位2与起点在同一y座标上而且测量探头4紧压在受测部位2使得角度“θ”为零(在水平方向)，在这样的状态下可以获得最能重现的数据。
根据本发明为实现这样测量条件的测量器械包括一个探头座，它具有一种与活体组织受测部位的周围部位相符合的形状以固定受测部位之外的周围部位；一测量探头，它可拆卸地安装在该探头座上并且以与活体组织受测部位相接触的状态固定于该探头座上，该受测部位要从几乎不受重力影响的方向，最好从水平方向固定于该探头座；以及一个为固定该测量探头到该探头座上的卡具。
为了以稳定的压力将测量探头压在受测部位，该卡具最好包括调节该测量探头对该探头座相对位置的装置。
此外，测量探头在其与受测部位接触的前端最好包括一个产生恒定压力的装置，从而测量探头以恒定的压力压在受测部位上，而且还包括一个与该产生恒定压力的装置相连接的压力传感器。一种空气包可作为这种产生恒定压力的装置的一个实例。
这种测量探头的一个实例是一种光学测量探头，用来对活体组织进行光发射，接收来自由这种光产生的活体组织输出的光而无创伤地测量该活体组织的血的组分。
为了将受测部位正确定位，最好将探头座制作成与该活体组织每一受测目标相符合的形状。
在探头座适于固定在人的一个手指上的情况下，该测量器械最好还包括一个支架，用来斜托着肘部和腕部之间的下臂，同时引导肘部和腕部分别向下和向上以抑制受测部位的重力位移。
因此，依照本发明的测量器械适合于固定活体组织受测部位的四周以求在空间上固定受测部位并将测量探头从几乎不受重力影响的方向以稳定的压力与受测部位接触，来测量物理量。所以，有可能抑制由重力变化产生的测量方向中的压力变化。即使待测的人的姿势有微小变化，抑制重力方向上的测量探头对受测部位的压力变化是可能的。于是，由接触压力变化产生的测量数据的差量能够得到抑制，能够取得具有优良重现性的测量数据。
前文所述以及本发明的其他目的、特征、方式和优点从本发明结合附图的以下详细说明中将变得更加显而易见。
附图的简要说明图1A表示通过变动压在一手指上的光导纤维探头的压力并测量反射光强度而取得的光谱，图1B则是表明在1A6000cm-1附近(b)部位的放大视图；图2说明一葡萄糖溶液的传导吸收光谱；图3A表示计算测量探头和受测部位间接触压力的模型，图3B是表示测量探头和受测部位间在接触压力变化最小的状态下关系的立面图；图4A是表示将一只手当作受测目标固定在本发明第一实施方案中探头座的正面立面图，图4B是其背面立面图，图4C和图4D分别为图4A沿A-A线和B-B线的截面视图；图5是表示本发明实施方案中的探头座和测量探头的剖视图；图6是表示本发明另一实施方案中的探头座和测量探头；图7A是表示一种将测量探头固定到该探头座上的示范性卡具的前立面视图，图7B为其剖视图；图8A是用图解法表示测量一受测目标物理量的一个系统的方框图，图8B是用图解法表示配备不同探头这种状态的前立面视图；图9是表示本发明又一实施方案中的探头座和测量探头的剖面视图；图10A至10C是分别表示本发明又几个实施方案中的探头座和测量探头的剖面视图；以及图11是表示本发明又一实施方案中的探头座和支架的部件分解透视图。
图4A至4D表示本发明的第一个实施方案。图4A和4B分别表示将一只手作受测目标2固定在探头座10的正面和背面的立面图，而4C和4D分别为图4A沿A-A线和B-B线的截面视图。这只手被用作活体组织的受测目标2。
探头座10是两个部件10a和10b相互连接构成的，能够夹住并固定住除拇指外的四个手指。在探头座内形成一个孔洞12用来暴露某一具体手指的受测部位。探头座10固定住孔洞附近的四个手指，从而固定了受测部位的空间位置。这里假定把中指的一部分用作受测部位，探头座10要固定整只手的空间位置，而不是只与受测部位本身接触之处。
参阅图4A和4B，探头座10固定除拇指外的四个手指成为水平定向并且相互纵向排齐。探头座10是这样形成的，其立体形状要符合受测目标2的外形。因此，要为不同受测目标2配备不同的探头座10。一测量探头(图未示)水平插进探头座10的孔洞12内，与孔洞12内的手指接触以进行测量。
图5示出一种典型的测量探头14。该测量探头14由一光导纤维束组成，其外径恰好等于孔洞12的内径，而且在测量探头14的外表面上标有刻度使之能够从探头座10中调定一相对位置。在这一实施方案中，受测目标2的手指与测量探头14之间接触压力“P”表示如下P=f(x)作为相对距离的函数。当将该相对距离(x)相对于每一受测目标2进行设定，并对此相对距离(x)进行测量时，测量探头14与受测目标2之间的接触压力能够保持稳定而获得可再现的测量值。
图6示出实施方案中用来保持测量探头14与受测目标2之间压力稳定的另一种装置。在探头座上装配一卡具16，而在探头座10内的孔洞与卡具16内的孔洞相通以便由光导纤维束组成的测量探头(纤维探头)14插进这些孔洞内。该受测目标2受到来自测量探头14前端部位的发射光，使得从受测目标2输出的光进到测量探头14。用来与受测目标2进行接触的一空气包18配备在测量探头14的前端部上，其位置要不妨碍光的发射和入射。该空气包18通过一个聚四氟乙烯管子20与一个压力传感器22连接，设一计量仪表24进行压力读数。
在示于图6的实施方案中，手指被固定在探头座10上使得测量探头14插进卡具16的孔洞，带动装配在其前端部的空气包18与受测目标2相接触，压力传感器22就直接探测出接触压力。这样就可以通过调节测量探头14的压紧力量在稳定的接触压力下有规律地进行测量，使压力处在为受测目标2而设定的稳定水平。
图7A和7B为一前立面视图和一剖视图，表示将测量探头14固定到探头座上的一种示范性的卡具16a。
在形成探头座10的部件10a下部形成有两个销钉孔。设置在L形卡具16a基底表面上的一个销钉34安装在两个钉孔的任一孔中，从而将该探头座相对定位在卡具16a上。通过对部件10a、卡具16a和销钉34加工精确来保证部件10a和卡具16a定位的精确性。形成该探头座10的另一个部件10b对于部件10a是用一销钉(图未示)相对定位并且用螺栓30加以固定，从而组合成探头座10并固定在该卡具16a的规定位置处。该探头座10只是用一销钉34固定到卡具16a上，能很容易拆卸。
L形卡具16a的直立部位设有一孔36以容纳测量探头14使其固定该测量探头14，同时在该测量探头14与该探头座10之间保持预定的关系，并且设有一螺栓孔从上面连通此孔36。一个插入该螺栓孔的螺栓32将测量探头固定到卡具16a上。将测量探头14插入卡具16a的孔36中使得测量探头14与该探头座10之间相对位置关系可通过设在测量探头14上并用螺栓32固定的刻度与压力之间的关系。
图8A用图解法表示测量一受测目标物理量的一个系统。测量探头14a是由分叉成两部分的光导纤维束制成的。测量探头14a的单端同受测目标接触，而其分叉端部分别被用作光源端和光感受元件端。从光源元件40发射的光通过分光镜元件42作为单色光进入测量探头14a的光源端头部分。测量探头14a的光感受元件端头部分同光接受元件44相连接，而通过光接收元件44探测出的光被转换成一种电信号并通过数据处理元件46加以放大。一个控制一计算元件48控制各相关元件并运用由数据处理元件46的数字式信号以计算记录下的例如血成分浓度的物理量。一输出元件50为一种显示器，例如示波器或打印机，输出由控制一计算元件48计算物理量的结果。
在这一测量系统中，来自光源元件40的光通过分光镜元件42被转化成单色光，进入测量探头14a的光源端部位，从测量探头14a单端施加到固定于探头座10上的受测目标上。来自接受光发射的受测目标的输出光进入测量探头14a而且进一步从光接受端头部位进入光接受元件44而受到探测并被数据处理元件46加以放大，结果控制一计算元件48便获得物理量。
图8B表示这样一种情况不同的探头座10A至10Z是分别为不同受测的人准备的。每一种探头座，从10A至10Z，它们与卡具16a的两个中的一个销钉配合，从而可拆卸地固定，如图7所示，这些都是很容易互换的。
图9示出一实例在一个水平面上安排当做受测目标的一个手指。探头座52上具有一凹陷部，用于固定作为受测目标2的手，有一孔使凹陷部与外界连通。将一测量探头14插入孔内从水平方向往该手的一手指推压并同其接触。
图10A至10C示出另外一些用来把手指作为受测目标2的探头座和测量探头的实施方案。
参阅图10A，提供一个环状的探头座54，以适用于单独一个手指2，并且为了设置一个相对于探头座54的相对位置而配备有刻度的测量探头14能够同该手指接触。
参阅图10B，提供一对探头座54a和54b使其能够固定该手指2的两部位。测量探头14，在54a和54b探头座之间同该手指2接触，配备一刻度使之能在该测量探头14与该探头座54a之间处于相对距离“x”。
参阅图10C，一个用以固定单独一手指2的探头座56装配有一孔洞使一测量探头插入该孔洞内。
图11示出本发明又一实施方案。参阅图11，该探头座10与示于图4A至4D的探头相似。一支架60呈倾斜状托住该探头座10以及一手臂使其能斜托着下臂而肘部和腕部分别向下和向上。在支架60下部位在肘部下方设置一调节器62，以按照下臂长度调节肘部的垂直位置。
安装上一个压紧配件64以固定该手臂同时把手臂支托在支架60上。该压紧配件64是用一柔软的充气袋制成，使其不影响手臂的血流。
当使用示于图11的支架60时，就有可能阻止手臂由于姿势改变而引起的垂直位移，从而进行测量具有良好的重现性。
虽然本发明已经做了详细说明和图示，仅通过图解和实例也能清楚地理解，作为本发明的精神和范围并不受此局限，本发明仅受附上的权利要求措词的限制。
权利要求
1．一种对活体组织物理量测量的方法，包括以下步骤固定所述活体组织受测部位的周围从而固定所述受测部位的空间位置；以及在稳定压力下从垂直方向除外的方向将测量探头同所述受测部位接触以求测量所述物理量。
2．根据权利要求1所述的对活体组织物理量测量的方法，其特征在于所述测量探头是在水平方向同所述受测部位接触的。
3．一种活体组织测量器械包括一探头座，其具有一种与活体组织受测部位的周围部位形状相符合的形状以固定除所述受测部位外的所述周围部位；一种可拆卸地设置在所述探头座上且固定于所述探头座上的测量探头处于与所述活体组织的所述受测部位相接触的状态，所述测量部位从垂直方向除外的方向固定于所述探头座；以及一种将所述测量探头固定到所述探头座上的卡具。
4．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述测量探头是在水平方向与所述受测部位接触的。
5．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述卡具包括为设置所述测量探头与所述探头座相对位置的装置。
6．根据权利要求5所述的活体组织测量器械，其特征在于设置所述测量探头的所述相对位置的装置是一种配备在所述测量探头外周围表面上的刻度。
7．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述测量探头包括一配备在与所述受测部位接触的前端部上的恒压发生机械，和一与所述恒压发生机械相连接的压力传感器。
8．根据权利要求7所述的活体组织测量器械，其特征在于所述恒压发生机械是一个空气包。
9．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述测量探头是一种光学测量探头用来以光发射所述活体组织，接收来自所述活体组织由所述光引起的导出的光，并且无创伤地测量所述活体组织的血的组分。
10．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座被制作成与所述活体组织每一受测目标的形状相一致的形状。
11．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座是由两个用来托住和固定除拇指外四指的部件构成的，在所述探头座内形成一个孔洞以暴露特定的所述手指的所述受测部位，并且将所述测量探头沿水平方向插进所述孔洞使之与所述孔洞内的所述手指接触以进行测量。
12．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座适宜固定人的手指，所述活体组织测量器械还包括一个斜托住肘部和腕部间下臂的支架同时引导肘部和腕部分别向下和向上，所述探头座则被固定于所述支架。
13．根据权利要求12所述的活体组织测量器械，还包括一个用来固定所述手臂的压紧配件，在所述手臂在所述支架支托的状态下对所述手臂的血流不发生影响。
14．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于在所述探头座上装配所述卡具，所述探头座的孔洞与所述卡具是相互连通的，为的是将所述测量探头插在所述孔洞内。
15．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述卡具是L型的，使接纳所述测量探头的孔洞装配在其朝上部位，有一螺孔从上面与所述孔洞相连通。
16．根据权利要求9所述的活体组织测量器械，其特征在于所述测量探头是一种两分叉的光导纤维束，使其单端部位与一受测目标相接触而两分叉端部位分别作为光源一侧和光感受元件一侧，来自光源元件的光通过分光镜元件作为单色光进入所述光导纤维束的所述光源侧端部位，然后所述光导纤维束的所述光感受元件侧端部位与光感受元件相连接，通过所述光感元件探测出的光被转换成一种电信号并在数据处理元件加以放大。
17．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座配设有一凹陷部以固定作为测量目标的一只手，和一个从外部与所述凹陷部相连接的孔洞以便从水平方向使所述测量探头与所述手的一个手指接触。
18．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座构造成环状或以容纳一个手指的前端，一种刻度装在所述测量探头的一侧表面上，而且确定所述测量探头对于探头座的相对位置，使所述测量探头能与所述手指接触。
19．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座是由在两个部位固定一个手指的一对探头座部件组成的，一种刻度配备在所述测量探头的一侧表面上，而且所述测量探头同所述一对探头座部件之间的所述手指接触，通过所述刻度将所述测量探头与所述探头座之间的距离定位。
20．根据权利要求3所述的活体组织测量器械，其特征在于所述探头座适宜于固定一个手指，而且在所述探头座中设置一个孔洞使所述测量探头在所述孔洞内适于同所述手指接触。
全文摘要
一种卡具设置在一探头座上,该探头座的一个孔洞与卡具的孔洞连通,使由光导纤维束组成的测量探头可插进这些孔洞。一受测目标受到由该测量探头前端的光照射,使来自受测目标输出的光进入测量探头。一空气包用来与受测目标相接触就装在该测量探头的前端上,其位置不阻碍光的发射和入射。该空气包与一压力传感器相连,使指示器能读出压力数。该测量探头对于每一受测目标都要确定出压力的稳定值并进行调整。
文档编号H03G3/20GK1208990SQ98117348
公开日1999年2月24日 申请日期1998年8月19日 优先权日1997年8月20日
发明者徐可欣 申请人:株式会社京都第一科学, 仓敷纺织株式会社