CN101346099B - 用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统和方法，包括热敏电阻器(7)和处理器(8)，其中，在瞬变模式下使用热敏电阻器(7)来获得对象皮肤的热导率的测量值，而处理器(8)利用所述热导率测量值来测定皮肤水化值。可以将所述的用于测量皮肤水化的系统包含在用于检测优选为葡萄糖的血液分析物浓度的非侵入式系统中，其中用于检测血液分析物浓度的所述非侵入式系统包括具有(例如)生成红外光束(3)的红外源(2)的光谱装置、以及用于检测透过对象的部分1(例如手指)的辐射的检测器(6)。所述系统还包括使皮肤湿润的皮肤水化器(9)，其在控制环中连接至用于测量皮肤水化的系统。所述用于检测血液分析物浓度的系统可以包括光声装置或新陈代谢热整合装置。

Description

用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统和方法

技术领域

本发明涉及用于测量对象的皮肤水化(skin hydration)的非侵入式系统。使用术语皮肤来指皮肤和外部粘膜。

在本发明的特别有利的实施例中，所述系统包含在用于检测血液分析物浓度的设备中。可以使用皮肤水化值来延缓血液分析物浓度的测量，直到皮肤水化达到某一预定值，或者可以使用皮肤水化值来校正血液分析物浓度的测定和计算过程中的水化。

背景技术

对诸如葡萄糖或胆固醇等大部分血液成分或分析物的浓度测定，当前是通过侵入式手段完成的。采集血样并将其转送到对其进行分析的实验室或手持装置。血液成分的非侵入式分析相对于侵入式技术具有很多优点，例如，减少了对象的不适并降低了感染风险。

但是，非侵入式分析技术必须对具体分析物既灵敏又具有特异性。在以人为应用对象时，有机体的巨大复杂性可能导致分析信号受到其他物质的干扰，以及受到会随着时间发生变化或者因人而异的其他变量的干扰。

非侵入式测量系统需要通过对象的皮肤来测量分析物浓度。皮肤的物理状态，例如，颜色、粗糙度、水化在个体之间存在显著差异，因而这些皮肤差异是很多非侵入式分析物浓度测量技术的重大误差源。

皮肤水化在个体之间存在差异，对于单个个体而言，皮肤水化有时随时间迅速变化，例如，在该个体出汗时或者在空气湿度发生变化时。具体而言，很多非侵入式葡萄糖测量技术都是以红外光的吸收和/或散射为基础的。在电磁谱的红外部分中，水的光子吸收发生显著变化，并且一般都非常高。因此，外部皮肤层的含水量的小幅变化都会对基于红外线的技术的指示信号造成很大影响。其原因有二，首先因为在入射激发束能够激发诸如葡萄糖等相关分子之前，所述激发束必须穿过皮肤，其强度受到水化水平的影响。其次是因为散射的光子在其返回至检测器的途中必须穿过皮肤。

US2004/0068163公开了一种通过近红外光谱对诸如葡萄糖等血液分析物进行非侵入式测定的方法和设备。组织部分之间的诸如水分布变化等生理变化导致了所要检测的组织的光学特性的变化。使用检测到的变化来测定无益于通过近红外光谱对葡萄糖进行非侵入式测量的条件，并基于所检测到的变化来校正葡萄糖测量或者间接测量葡萄糖。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测定皮肤水化的简单的、经济有效的手段。

本发明的另一目的在于提高非侵入式分析物浓度测量的准确度。

本发明涉及一种用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统，其包括：

热导率测量设备，其用于获得对象的皮肤的热导率的测量值；以及

处理器，其利用所述热导率测量值来测定皮肤水化值。

在活组织中，通过传导和对流来测定有效的热导率。传导取决于组织的性质，并且特别取决于含水量，这是因为蛋白质和油脂具有相同的热导率，该热导率比水的热导率大约低三倍。因而，传导在很大程度上是由含水量决定的。活组织内的对流是由血流导致的，主要是由血管系统的最小血管中的血流导致的。

在利用传感器测定活体对象的热导率的前两秒内，热流几乎完全由传导，即含水量决定。从第2秒到第6秒，热流既由传导(含水量)又由对流(血流)决定。这样，既能够测定对流的贡献又能够测定传导的贡献。

所述热导率测量设备优选包括：

与所使用的对象的皮肤热连接的热敏电阻器；以及

电流源，其用于向所述热敏电阻器提供足以使所述热敏电阻器的电阻或温度保持在预定水平的电流，

其中，所述热导率测量设备根据提供给所述热敏电阻器的电流获得热导率的测量值。

热敏电阻器的优点在于使用广泛，价格相对较低，其可以非常小，并且具有大的动态范围。可以使用处于瞬变模式(transient mode)的热敏电阻器来测量与之热接触的对象的部分的有效热导率。瞬变模式是指至少一个由加热时间段和冷却时间段构成的测量时间段。在加热时间段内，以足以使热敏电阻器的温度和电阻保持在恒定值的速率发送电流通过热敏电阻器。由热敏电阻器散发的热量等于进入对象的热流。所散发的热量的量是对象的热导率的量度，因而提供给热敏电阻器的电流是对象的热导率的量度，即，例如，与热导率低时相比，在热导率高时，需要更多的功率来使热敏电阻器保持在升高的温度上。

优选使所述系统包含于用于测量血液分析物浓度的非侵入式设备当中。可以监测皮肤水化，直到达到用于准确地测量分析物浓度的最佳水平为止，或者可以使用皮肤水化值来补偿所检测的分析物浓度。

所述系统优选包括皮肤水化装置，因此能够将皮肤水化提高到(例如)对测定分析物浓度更为有利的值。更优选地，在控制环内，将用于测量皮肤水化的非侵入式系统连接至所述皮肤水化装置，因此可以将皮肤水化保持在预定水平。因而，所述系统能够实现对皮肤水化的主动控制，从而使皮肤水化保持在具体的预定水平，由此消除水化水平的变化。

本发明还涉及一种用于测量皮肤水化的方法，其包括下列步骤：

对皮肤的热导率进行非侵入式测量；

利用所述热导率来测定皮肤的水化水平。

附图说明

通过文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将被阐明并变得显而易见。

现在，将仅通过实例并且参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了本发明的第一实施例；

图2示出了本发明的第二实施例；

图3示出了本发明的第三实施例

图4示出了本发明的第四实施例；以及

图5示出了本发明的第五实施例；

具体实施方式

具体而言，可以使用图1所示的系统来测量葡萄糖浓度，该系统包括生成红外光束3的红外源2和用于检测所透过的辐射的红外检测器6。所述系统还包括窗口外壳5、窗口4和嵌入在窗口4内的热敏电阻器7。由检测器6生成的信号指示葡萄糖浓度，并且将其发送至用于测定葡萄糖浓度的处理器8。

将所述系统应用于对象部分1(例如，上唇、舌部、耳垂或手指)，并将热敏电阻器7靠近皮肤表面放置。

按照与对象部分的皮肤接触的方式，施加窗口4和热敏电阻器7。在瞬变模式下使用所述热敏电阻器，即，在加热时间段内，以足以使热敏电阻器的温度，并由此使其电阻保持在热敏电阻器的初始平衡之上的固定增量的速率向热敏电阻器提供电流。热敏电阻器的电阻由控制和处理器单元8测量。可以通过使用电流和电压检测器测量电阻器上的通过电流I和电压V来测定电阻R。之后，按照R＝V/I确定电阻R。之后，利用热敏电阻器的温度-电阻校准来导出温度。控制和处理单元8内的电流供应源根据电阻/温度值来调整提供给热敏电阻器的电流。

提供给热敏电阻器的功率(P＝I²R)等于热敏电阻器散发的热量。热敏电阻器散发的热量等于进入对象的热流，因而所提供的电流(或所提供的功率)是对象部分1的皮肤的热导率的量度。

在加热时间段的前两秒内，热敏电阻器散发的热功率主要取决于热传导，这是因为在这个短时间段内毛细血管网络散发非常少的热量，并且只贴近热敏电阻器。

如G.Delhomme等人的Cardiovascular Mechanics 10，2081-2082(1991)所讨论的，根据下述关系式，热导率取决于皮肤的含水量：

K＝0.0148×％水+1.75       (1)

在上式中，K：以mW/cm℃为单位的没有血流的皮肤热导率，％水：皮肤总重量的以％为单位的皮肤含水量。

加热时间段的前两秒内的热导率K的计算使得根据上述等式(1)测定皮肤含水量成为可能。

控制和处理器单元8根据上述等式(1)和提供给热敏电阻器的功率来测定含水量。可以使用所测定的含水量来推迟检测器6对所透过的辐射的检测，直到皮肤的水化处于预定范围内为止，从而舍弃在水化值落在预定范围之外时测定的葡萄糖浓度值，或者可以使用信息来在测定葡萄糖浓度的过程中对水化进行校正。

控制和处理器单元8可以具有预先设置的可接受水化范围(例如，基于校准测量过程中的皮肤的水化)。所述控制和处理器单元8将所测量的水化值与预定范围进行连续比较，直到测量到可接受的水化值为止。之后，可以通过检测源2发射的透过对象部分1的红外辐射来测定葡萄糖浓度值。检测器6向控制和处理器单元8发送信号，控制和处理器单元8利用所述信号测定葡萄糖浓度。优选由控制和处理器单元8自动推迟测量，或者所述测量可以依赖来自用户的输入。

可以连续执行葡萄糖浓度的光学测量，并且控制和处理单元8可以舍弃在水化值落在可接受范围之外时获得的结果。

可以通过测量在预定加热时间段内提供的电流或功率，在预定时间段内监测皮肤的水化水平，以保持恒定温度。

可以使用皮肤水化值来计算水对抵达检测器6的透过辐射的贡献，并且能够相应地补偿控制和处理器单元8所测定的葡萄糖浓度。此外，从加热时间段的第2秒到第6秒，所散发的热功率取决于传导和对流传递二者，因而提供给热敏电阻器的功率也取决于传导和对流传递二者。在加热时间段的第2秒到第6秒内计算的热导率与在加热时间段的前两秒内计算的热导率之间的差取决于血流。尽管图1示出了用于检测透过辐射的检测器，但是也可以通过检测反射辐射来测定葡萄糖浓度。

在接下来的附图中，带有与图1中的元件相同的附图标记的元件与图1中的元件相同，并且按照相同的方式工作，除非另行具体说明。

图2示出了一种热发射光谱装置14，它包括用于对源自于对象部分1的热发射谱12进行检测的检测器。将由所述检测器生成的信号发送至控制和处理器单元8，该控制和处理器单元8利用所述信号来测定(例如)葡萄糖浓度。US 5666956公开了一种通过检测人体自然发射的红外辐射来对人体组织内的分析物(例如，葡萄糖)浓度进行非侵入式测定的方法和仪器。

皮肤的水化影响离开人体的总辐射量，因此能够使用热敏电阻器7和处理器8来测定皮肤水化，从而提高分析物(在这一例子中为葡萄糖)浓度测量的准确度。

还可以将本发明的系统与其他用于测定血液分析物浓度的光谱装置结合使用，从而提高所测定的分析物浓度值的准确度。除了图2和图3具体示出的之外，这样的光谱装置的例子包括拉曼光谱装置、漫反射光谱装置、荧光光谱装置或光学相干断层成像装置。

图3示出了一种包括脉冲超发光二极管18和声学传感器20的系统。将选择的波长与诸如葡萄糖等分析物相互作用的脉冲光12发射在对象部分1上。所述光被所述分析物吸收，由此产生微观的局部受热，其将导致温度快速升高。温度升高产生了压力波22(例如，超声压力波)，由皮肤表面上的光声传感器20对其进行检测。压力的幅度与和葡萄糖相关的皮肤的热膨胀系数成比例。传感器20生成的信号26指示对象皮肤的热膨胀系数，并且该信号26被发送至处理器8，该处理器8利用所述信号来测定血糖浓度。

WO 2004/042382公开了一种通过光声学对活体特征进行非侵入式测量的方法和设备。已知的测定葡萄糖浓度的光声学方法的一个主要问题在于其缺乏特异性。声学信号受到很多因素影响，其中皮肤含水量是一个主要影响因素。皮肤水化影响抵达血管的辐射光束的强度，在皮肤水化高时，抵达血管的强度低，此外还影响所生成的声学信号，这是因为皮肤水化对皮肤的热弹性具有影响。可以使用通过测量皮肤的热系数测定的皮肤水化来提高由光声学方法测定的葡萄糖浓度值的准确度。

图4示出了另一种备选的系统，它包括装置30，其以葡萄糖浓度测定所应用于对象部分1的新陈代谢热整合(MHC)法为基础。装置30向控制和处理器单元8发送至少一个指示血糖浓度的信号31，该控制和处理器单元8利用该信号来测定血糖浓度。

已知的基于MHC法的装置包括两个在正常模式下工作的热敏电阻器(即，测量它们的电阻来测定其温度)。使用所述两个热敏电阻器来测量皮肤温度和血流。O.K.Cho等人的Clinical Chemistry 50，1894-1898(2004)讨论了利用新陈代谢热整合法来对葡萄糖进行非侵入式测量。这一方法依赖于葡萄糖的氧化代谢的测量，可以利用其来推断血糖浓度。由葡萄糖氧化产生的体热以毛细血管葡萄糖和向组织细胞的供氧的微妙平衡为基础。MHC法利用该关系，以通过测量体热和供氧来估计血糖。可以利用下列等式来表示这一关系：

[葡萄糖浓度]＝函数[所生成的热量，血流速率，Hb，HbO₂]在式中，Hb和HbO2分别表示血红蛋白和氧化血红蛋白浓度。

图4所示的MHC装置30包括一个热敏电阻器7，在瞬变模式下使用所述热敏电阻器7来测定皮肤水化和血流，并且在正常模式下使用所述热敏电阻器7来测量皮肤温度。使用通过利用热敏电阻器所获得的水化和血流信息来提高测定的血糖浓度值的准确度，这是因为MHC法是以血流为基础的，尤其是以皮肤的热导率、皮肤的漫反射率和皮肤辐射的体热为基础的，所有这些均受皮肤水化的水平影响。

图5示出了本发明的另一实施例，其具有与图1所示的特征相同的特征，并且还包括通过(例如)施加水或其它保湿剂来使皮肤湿润的皮肤水化器9、以及皮肤水化控制器10。将来自热敏电阻器7的信息发送至皮肤水化控制器10，皮肤水化控制器10在控制环内连接至皮肤水化装置9，从而能够将装置所在的并且正在进行葡萄糖浓度测量的皮肤的水化保持在预定水平，并消除影响葡萄糖浓度测定的皮肤水化的变化。可以将皮肤水化控制器10以及控制和处理器单元8包含在单个硬件内。

尽管已经参考活体对象内的葡萄糖浓度的测定说明了上述实施例，但是还可以将本发明用于对其而言皮肤水化是一个干扰项的皮肤内的其他血液分析物或物质的测量，例如，胆固醇、白蛋白、乳酸酯或维生素。

应当指出，上述实施例对本发明进行了举例说明，而不是要限制本发明，在不背离所附权利要求界定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计出很多备选实施例。在权利要求中，不应将放在括号内的任何附图标记理解为限制本发明。词语“包括”及其变形等不排除还存在除了在任何权利要求或整个说明书中列举的元件或步骤以外的其它元件或步骤。元件的单数引用不排除对所述元件的复数引用，反之亦然。可以利用包括几个分立元件的硬件来实现本发明，也可以利用适当编程的计算机来实现本发明。在列举了几个模块、设备、装置等的系统权利要求中，这些模块、设备、装置等当中的几个可以用同一个硬件来实现。有些手段记载在相互不同的从属权利要求中，这一纯粹事实并不表示不能用这些手段的组合来获益。

Claims (7)

1.一种用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，所述用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统包括用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统，所述用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统包括：

热导率测量设备，其用于获得所述对象的皮肤的热导率的测量值；以及

处理器，其利用所述热导率测量值来测定皮肤水化值，

其中所测定的皮肤水化值被用于延缓所述血液分析物浓度的测量，直到所述皮肤水化值处于预定范围内为止。

2.根据权利要求1所述的用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，其中，所述热导率测量设备包括：

与所使用的对象的皮肤热连接的热敏电阻器；以及

电流源，其用于向所述热敏电阻器提供足以使所述热敏电阻器的电阻或温度保持在预定水平的电流，

其中，所述热导率测量设备根据提供给所述热敏电阻器的所述电流来获得所述热导率的测量值。

3.根据权利要求1所述的用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，包括下列中的一个或多个：

光谱装置；

光声装置；

用于以新陈代谢热整合法为基础测定血糖浓度的装置。

4.根据任一前述权利要求所述的用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，其中所述用于测量对象的皮肤水化的非侵入式系统包括皮肤水化装置。

5.根据权利要求4所述的用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，其中，在控制环内，所述用于测量皮肤水化的非侵入式系统连接至所述皮肤水化装置，因此将所述皮肤水化保持在预定水平。

6.根据权利要求1所述的用于检测血液分析物浓度的非侵入式系统，其中，所测量的分析物浓度是葡萄糖浓度。

7.一种用于检测血液分析物浓度的方法，包括下列步骤：

对皮肤的热导率进行非侵入式测量；以及

利用所述热导率来测定所述皮肤的水化水平，

其中所测定的皮肤水化值被用于延缓所述血液分析物浓度的测量，直到所述皮肤水化值处于预定范围内为止。

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