CN102641117A - 一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置及方法，先由一微型发光源发射一波长为329纳米至473纳米的入射光触发人体黏膜组织的粒线体的代谢物，使代谢物激发出波长为405纳米至572纳米的萤光光讯号，并依序由一光学滤波片滤波，一微型接收器接该萤光光讯号，以及一放大电路放大该萤光光讯号，再由一微处理单元的滤波电路及类比数位转换电路执行滤波及类比/数位讯号转换，并经运算处理而计算出该代谢物的含量，从而得知人体新陈代谢的状况，而本发明使用微型组件及电路的组合，能使装置得以小型化而方便携带使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置及方法，特别指使用微型组件及电路组合的装置侦测人体黏膜组织的粒线体的代谢物含量，而判断新陈代谢状况的非侵入式装置与方法。
背景技术
食物中的三大养分：醣类、脂肪及蛋白质在生物体中水解为单糖、脂肪酸及胺基酸而进入细胞之后，会在粒线体中引发一连串化学反应而形成腺核苷三磷酸，简称ATP，并伴随能量的输出，而成为生物体能量来源。
进一步说明如下：粒线体内化学反应主要由推动三羧酸循环，简称TCA cycle的酵素群完成，该酵素群能把醣类、脂质及蛋白质代谢后所形成的共同分子─乙酰辅酶A（acetyl CoA）进一步代谢生成二氧化碳及烟草酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）及二氢黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）等还原态分子。而位在粒线体内膜上的呼吸酵素复体（respiratory enzyme complexes）再以氧分子经电子传递链把NADH及FADH2等还原态分子氧化为NAD+及FAD，同时产生水及ATP，ATP由腺嘌呤（adenine）、戊糖（α-D-ribose）及三个磷酸分子（α、β、γ--phosphates）所构成，ATP所含的能量则是储存在三个磷酸分子中的β及γ--phosphates两个磷酸键上，当ATP水解成ADP（腺核苷二磷酸，Adenosine 5'-diphosphate）或AMP（腺核苷单磷酸，Adenosine 5'-monophosphate）时，能量就会被释放出来（参考资料：科学月刊1995年12月312期，粒线体老化理论─兼谈粒线体疾病与老化，作者：冯清荣、魏耀挥）。
其中NADH及FAD为养分代谢的产物，并且NADH及FAD受短波长的紫外光或蓝光激发后会产生萤光，而人体组织在癌化的过程中，会产生结构上的变化，较为显著者为癌细胞代谢较正常细胞快，使得NADH增多，造成NADH及FAD比例异常，产生与正常组织不同的萤光光谱。
目前在临床医学的使用上则有通过NADH及FAD的萤光光谱作为早期癌症的检测、糖尿病患身体养分代谢状况的检测观察、新生儿新陈代谢状况的观察等应用领域，例如科学发展期刊2010年7月，451期「生医电子」篇「萤光技术的检测原理」所介绍，但是NADH及FAD所产生的萤光强度很低，所以一般萤光技术的检测过程皆为侵入式检测，需从人体上切除组织细胞，或以抽血方式取得，而在体外进行检测，此种侵入式检测方式常造成患者恐惧，且侵入式检测对于抵抗力较差的患者甚至有感染的风险，另外有实验室用作为实验研究目的大型非侵入检测设备，但大型非侵入式检测设备除了具有体积大携带不易的缺点外，同时成本太高，并不适合患者居家检测。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，以解决现有技术中监测不便和成本高的问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其中，包括：
至少一微型发光源，发射一波长为329纳米至473纳米的入射光，用以使一代谢物激发出包括一波长为405纳米至572纳米的萤光光讯号；
至少一光学滤波片，对应前述微型发光源而用以滤除该萤光光讯号以外的光讯号；
至少一微型接收器，对应前述微型发光源而接收通过该光学滤波片的萤光光讯号；
一放大电路，电性连接该微型接收器，用以放大该萤光光讯号；
一微处理单元，电性连接该放大电路，该微处理单元并包含有一滤波电路及一类比数位转换电路，通过将该放大后的萤光光讯号滤波并进行类比/数位讯号转换，再经运算处理，而计算出一与该代谢物相关的运算值。
进一步，该微型发光源和该微型接收器均设置为一个，并该微型发光源发射波长为329纳米至403纳米的紫外光，该代谢物为FAD，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，该运算值则为FAD含量。
进一步，该微型发光源和该微型接收器均设置为一个，并该微型发光源发射波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为NADH，NADH吸收蓝光后激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，该运算值则为NADH含量。
进一步，该微型发光源和该微型接收器均设置为两个，并各该微型发光源依序发射波长为329纳米至403纳米的紫外光及波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为FAD及NADH，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，NADH吸收蓝光后则激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，该运算值则为FAD含量、NADH含量以及二者的比值。
进一步，该微处理单元设置一资料库，并储存一比对值，通过与该运算值作比对，使该运算值进一步包括一比对结果。
进一步，设置一第一输出单元电性连接该微处理单元，并输出该运算值。
进一步，该微处理单元并通过将该运算值转换为电讯号，该微处理单元并设置一讯号发射模组，通过发射该电讯号，再设置一控制单元，该控制单元包含有一讯号接收模组，并接收该电讯号，再由该控制单元解调分析出该运算值。
进一步，还设置一第二输出单元，该第二输出单元电性连接该控制单元并输出该运算值。
进一步，更包括一壳体，前述的微型发光源及微型接收器结合在该壳体上，并该光学滤波片设置在该微型接收器上。
进一步，该壳体延伸设置一把手。
进一步，该微型发光源为LED。
进一步，其特征在于，微型发光源由一雷射光源及一扩散片组成。
进一步，该微处理单元为微控制器、嵌入式系统芯片或FPGA芯片的任一种。
本发明的第二目的在于提供一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其包括如下步骤：
A.利用一微型发光源发射一波长为329纳米至473纳米的入射光；
B.使该入射光触发人体黏膜组织的粒线体的代谢物，使代谢物激发出一波长为405纳米至572纳米的萤光光讯号；
C.使该萤光光讯号通过一光学滤波片并传递至一微型接收器；
D.进一步放大该萤光光讯号；
E.对该放大后的萤光光讯号执行滤波、类比/数位讯号转换及运算，以获得一与粒线体的代谢物有关的运算值。
进一步，步骤A中，由一个微型发光源发射波长为329纳米至403纳米的紫外光，该代谢物则为FAD，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为FAD含量。
进一步，步骤A中，由一个微型发光源发射波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为NADH，NADH吸收蓝光后激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为NADH含量。
进一步，步骤A中，由二个微型发光源依序发射波长为329纳米至403纳米的紫外光及波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为FAD及NADH，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，NADH吸收蓝光后则激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为FAD含量、NADH含量以及二者的比值。
进一步，步骤E中，该微处理单元将该运算值与一资料库内的比对值进行比对，使该运算值还包括一比对结果。
进一步，步骤E中，再由一第一输出单元输出该运算值。
进一步，步骤E中，该微处理单元将该运算值转换为电讯号，由一讯号发射模组输出，再由一讯号接收模组接收该电讯号，并经由一控制单元解调分析出该运算值。
进一步，在步骤E中，并再由一第二输出单元输出该运算值。
采用上述结构后，本发明利用人体黏膜组织的厚度远较皮肤来得薄，能使得前述的萤光穿透人体黏膜组织，而利用非侵入式的方式检测人体黏膜组织的粒线体代谢物含量，并据以判断新陈代谢状况；同时开发微型组件及电路组合之测量装置，使测量装置得以小型化而方便携带使用，主要包括有至少一微型发光源、至少一光学滤波片、至少一微型接收器、一放大电路以及一微处理单元，该微处理单元并包含有一滤波电路及一类比数位转换电路。
本发明的主要功效在于：
一、利用非侵入方式检测人体新陈代谢状况，提高受测者的检测意愿，同时检测过程快速方便。
二、应用范围广泛，例如非侵入式血糖机、癌症治疗效果快速检测、新生儿新陈代谢侦测及口腔细胞病变初期侦测等方面。
三、使用微型组件及电路组合构成测量装置，使测量装置得以小型化而方便携带使用。
附图说明
图1为本发明检测流程及各组件对应关系图。
图2为本发明的装置外观图。
图3A为本发明的详细电路示意图（一）。
图3B为本发明的详细电路示意图（一）。
图4A为本发明的详细电路示意图（三）。
图4B为本发明的详细电路示意图（四）。
图5为本发明使用于检测口腔黏膜的示意图。
图6为本发明的微处理单元加入资料库藉以作为比对用途的检测流程及各组件对应关系图。
图7为本发明使用于远端监控的检测流程及各组件对应关系图。
图中：
1 侦测头 11 第一光源
12 第二光源 13 第一萤光接收器
131 第一光学滤波片 14 第二萤光接收器
141 第二光学滤波片 15 把手
2 放大电路
3 微处理单元 31 滤波电路
32 类比数位转换电路 33 资料库
34 讯号发射模组
4 第一输出单元
5 控制单元 51 讯号接收模组
6 第二输出单元
A 人体黏膜组织。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
本发明第一较佳实施例请参阅图1及图2所示，要说明的是一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置及方法，包括有一壳体（为一小型的侦测头1）上对应设置二个微型发光源及二个微型接收器，本实施例各该微型发光源为LED，而LED具有体积小的优点，可使该侦测头1进一步小型化，但除LED外，各该微型发光源亦可为一雷射光源及一扩散片的组成，因雷射光为集中的点光源，故利用扩散片用以发散雷射光源的雷射光，而雷射光源同样有体积小的优点，可使该侦测头1小型化，进一步将各该微型发光源区分为一第一光源11及一第二光源12，将各该微型接收器区分为一第一萤光接收器13及一第二萤光接收器14，该侦测头1并延伸设置一把手15，该把手15可方便使用者握持使用，在该第一萤光接收器13及第二萤光接收器14上分别设置一第一光学滤波片131及一第二光学滤波片141；一放大电路2电性连接该第一萤光接收器13及第二萤光接收器14，并结合在该侦测头1内；一微处理单元3电性连接该放大电路2，且该微处理单元3并包含有一滤波电路31及一类比数位转换电路32，并该微处理单元3为微控制器、嵌入式系统芯片或FPGA芯片的任一种，同样具有体积小的优点；一第一输出单元4，电性连接该微处理单元3，并连接该把手15上，再配合前述小型化的侦测头1、微处理单元3及电路化的组件，而可以作为可携式测量装置。
请参阅图3A、图3B、图4A及图4B所示，为本发明的详细电路示意图，可以更清楚理解本发明各电路之间的连接关系。
再请参阅图1并配合图5所示，进一步将操作步骤说明如下：
A.使该第一光源11发射一波长为329纳米至403纳米的紫外光，并使该第二光源12发射一波长为387纳米至473纳米的蓝光，较精准的是由该第一光源11发射波长为365纳米的紫外光，由该第二光源12发射波长为430纳米的蓝光。
B.将该侦测头1对准人体黏膜组织A，较佳为口腔黏膜组织，因口腔黏膜组织的感测在实施上较为方便，然后依序切换该第一光源11及第二光源12，使紫外光及蓝光依序照射至人体黏膜组织A，人体黏膜组织A的粒线体中FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）成份吸收紫外光而激发出包括一波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，另人体黏膜组织A的粒线体中NADH成份则吸收蓝光而激发出包括一波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，对应前述波长为365纳米的紫外光及波长为430纳米的蓝光会由FAD成份及NADH成份激发出主要波长为450纳米及520纳米的萤光光讯号。
C.使该萤光光讯号分别通过该第一光学滤波片131及第二光学滤波片141，用以滤除前述萤光光讯号以外的光讯号，主要是因为萤光光讯号强度较弱，为避免杂讯的干扰，故先滤除不必要的杂讯，并分别以该第一萤光接收器13及第二萤光接收器14接收该二个波段的萤光光讯号。
D.利用该放大电路2将前述第一萤光接收器13及第二萤光接收器14所接收的萤光光讯号放大，方便后续该微处理单元3的判读。
E.由该微处理单元3接收该萤光光讯号，并以该滤波电路31及类比数位转换电路32进一步对该萤光光讯号执行滤波、类比/数位讯号转换，再由该微处理单元3依据该二个波段萤光光讯号强度计算出一运算值，该运算值包括人体黏膜组织的粒线体中FAD含量数值、人体黏膜组织的粒线体中NADH含量数值以及二者的比值，并由一第一输出单元4输出该运算值，而该第一输出单元4较佳为显示萤幕，方便观察该运算值的变化，这样，即可通过FAD及NADH的关系判读人体新陈代谢的状况。
本发明第二较佳实施例请参阅图6所示，相较于第一实施例，进一步在该微处理单元3设置一资料库33，该资料库33储存有供作为比对作用的比对值，作为FAD含量数值、NADH含量数值以及二者的比值作为比对作用，而进一步分别产生之一比对结果，再由该第一输出单元4输出，此时，该第一输出单元4可以为显示萤幕，直接输出比对结果，或者可以是蜂鸣器，在FAD含量数值、NADH含量数值以及二者的比值超过或不足比对值时，产生蜂鸣警示。
本发明第三较佳实施例请参阅图7所示，相较于前述第一实施例及第二实施例由该第一输出单元4直接作近端监控，此时该微处理单元3设置一讯号发射模组34，并将该运算值转换为电讯号，由该讯号发射模组34输出，再由一控制单元5的讯号接收模组51接收该电讯号，并经由该控制单元5解调分析出该运算值，而由一第二输出单元6输出该运算值，从而使护理照护人员可作远端即时监控的用途。
应用方面简略说明如下：
糖尿病患者自我检测：以现今市售血糖测试机而言，受测者需在手指刺出血滴后再量测，但有些受测者因疼痛或不方便就没有每日量测，以致影响了血糖的控制，本发明以非侵入式方式检测，可提高受测者的检测意愿，同时检测过程快速方便，提高糖尿病患者每日使用测量频率。
癌症治疗效果的快速检测：因为癌症的标靶药物治疗及放射线治疗，在医疗后须要等一段时间才能得知治疗的效果如何，但其实投入药物或放射线治疗后的隔天，人体的新陈代谢即会开始变化，此时使用本发明的测量装置测量，治疗隔天即可知治疗是否有效，从而可大幅改善癌症患者的疗程。
新生儿新陈代谢侦测：可在新生儿刚出生时即量测其新陈代谢值以快速检测有无异常。
口腔细胞病变初期侦测：中国台湾的口腔癌患者很多，却往往到了口腔细胞已有知觉异常时才就医，对一般诊所临床的牙医师而言，于口腔定期检查时使用本发明测量装置对高危险群来检测，可提早测出口腔细胞的异常变化。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (21)
1.一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，包括：
至少一微型发光源，发射一波长为329纳米至473纳米的入射光，用以使一代谢物激发出包括一波长为405纳米至572纳米的萤光光讯号；
至少一光学滤波片，对应前述微型发光源而用以滤除该萤光光讯号以外的光讯号；
至少一微型接收器，对应前述微型发光源而接收通过该光学滤波片的萤光光讯号；
一放大电路，电性连接该微型接收器，用以放大该萤光光讯号；
一微处理单元，电性连接该放大电路，该微处理单元并包含有一滤波电路及一类比数位转换电路，通过将该放大后的萤光光讯号滤波并进行类比/数位讯号转换，再经运算处理，而计算出一与该代谢物相关的运算值。
2.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微型发光源和该微型接收器均设置为一个，并该微型发光源发射波长为329纳米至403纳米的紫外光，该代谢物为FAD，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，该运算值则为FAD含量。
3.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微型发光源和该微型接收器均设置为一个，并该微型发光源发射波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为NADH，NADH吸收蓝光后激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，该运算值则为NADH含量。
4.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微型发光源和该微型接收器均设置为两个，并各该微型发光源依序发射波长为329纳米至403纳米的紫外光及波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为FAD及NADH，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，NADH吸收蓝光后则激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，该运算值则为FAD含量、NADH含量以及二者的比值。
5.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微处理单元设置一资料库，并储存一比对值，通过与该运算值作比对，使该运算值进一步包括一比对结果。
6.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，设置一第一输出单元电性连接该微处理单元，并输出该运算值。
7.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微处理单元并通过将该运算值转换为电讯号，该微处理单元并设置一讯号发射模组，通过发射该电讯号，再设置一控制单元，该控制单元包含有一讯号接收模组，并接收该电讯号，再由该控制单元解调分析出该运算值。
8.如权利要求7所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，还设置一第二输出单元，该第二输出单元电性连接该控制单元并输出该运算值。
9.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，更包括一壳体，前述的微型发光源及微型接收器结合在该壳体上，并该光学滤波片设置在该微型接收器上。
10.如权利要求9所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该壳体延伸设置一把手。
11.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微型发光源为LED。
12.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，微型发光源由一雷射光源及一扩散片组成。
13.如权利要求1所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量装置，其特征在于，该微处理单元为微控制器、嵌入式系统芯片或FPGA芯片的任一种。
14.一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.利用一微型发光源发射一波长为329纳米至473纳米的入射光；
B.使该入射光触发人体黏膜组织的粒线体的代谢物，使代谢物激发出一波长为405纳米至572纳米的萤光光讯号；
C.使该萤光光讯号通过一光学滤波片并传递至一微型接收器；
D.进一步放大该萤光光讯号；
E.对该放大后的萤光光讯号执行滤波、类比/数位讯号转换及运算，以获得一与粒线体的代谢物有关的运算值。
15.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤A中，由一个微型发光源发射波长为329纳米至403纳米的紫外光，该代谢物则为FAD，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为FAD含量。
16.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤A中，由一个微型发光源发射波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为NADH，NADH吸收蓝光后激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为NADH含量。
17.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤A中，由二个微型发光源依序发射波长为329纳米至403纳米的紫外光及波长为387纳米至473纳米的蓝光，该代谢物则为FAD及NADH，FAD吸收紫外光后激发出波长为405纳米至495纳米的萤光光讯号，NADH吸收蓝光后则激发出波长为468纳米至572纳米的萤光光讯号，而步骤E中，该微处理单元所计算的运算值则为FAD含量、NADH含量以及二者的比值。
18.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤E中，该微处理单元将该运算值与一资料库内的比对值进行比对，使该运算值还包括一比对结果。
19.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤E中，再由一第一输出单元输出该运算值。
20.如权利要求14所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，步骤E中，该微处理单元将该运算值转换为电讯号，由一讯号发射模组输出，再由一讯号接收模组接收该电讯号，并经由一控制单元解调分析出该运算值。
21.如权利要求20所述的一种非侵入式人体新陈代谢状态测量方法，其特征在于，在步骤E中，并再由一第二输出单元输出该运算值。
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