CN102665534A - 用于无创伤性测量身体内物质的设备和方法 - Google Patents

用于无创伤性测量身体内物质的设备和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于无创伤性检测身体内物质(诸如人体血流中的葡萄糖)的浓度的方法和设备。所述设备通过使用结合一组适当的滤波器检测的红外线来检测由身体发射的远红外范围中的辐射而测量物质浓度。为了实现所需的精度，针对系统构件的发射来校正由检测器检测的辐射值。利用附接到各个系统构件的温度传感器确定每个系统构件的温度，包括检测器温度和环境温度。这些温度与一组预定的校准参数相关联，以校正检测器读数。

Description

用于无创伤性测量身体内物质的设备和方法
背景技术
本申请大体上涉及身体内各种物质的无创伤性测量，诸如人体内葡萄糖的浓度的测量，并且更具体地，本申请涉及一种用于无创伤性地分析和确定身体内物质的浓度的远红外检测系统。
使用红外线(“IR”)辐射的分光镜技术是现有技术中已知的，并且已广泛使用于身体内相关物质的浓度的无创伤性测量。特别重要的一个领域是使用这些技术来无创伤性测量人体血流中的葡萄糖和其它成分的浓度。
红外光谱包括近红外线(近似1至3微米)、中红外线(近似3至6微米)、远红外线(近似6至15微米)和超红外线(近似15至100微米)。典型的现有技术的葡萄糖和其它无创伤性血液成分测量装置在近红外区域中操作，在所述近红外区域中，由葡萄糖和其它血液成分吸收的红外能量相当低。然而，已知的是葡萄糖和其它血液成分在中红外区域和远红外区域中具有强烈和可辨别的吸收光谱。
已发现在远红外检测系统中，系统的分辨率应等于0.01℃，以提供足够精确的测量。在该高精度水平下，系统的任何构件(例如，反射镜、滤波器、场限制器、检测器)的黑体发射会导致测量的扰动。对于该问题的常规解决方案是将系统冷却至低温温度(例如-180℃)，以及将系统密封并填充以干氮，以避免湿气积聚。然而，对于消费品而言，这样的解决方案不可行且昂贵。
发明内容
本申请公开了一种无创伤性地分析并确定身体内物质的浓度的远红外系统。根据一个实施方式，用于无创伤性地测量身体内物质的设备包括检测器，该检测器用于感测从身体(例如人体)发射或再发射的辐射。提供一光学系统，该光学系统被对准为将由身体发射的IR辐射聚焦在检测器的敏感区域上。
系统的位于检测器的视场内的每个元件和检测器自身具有温度测量装置，诸如附接到所述元件的热敏电阻，以测量所述元件的温度。为了使检测器精确地测量由身体辐射的能量，所述系统被校准为补偿检测器视场中的每个元件的温度的影响。利用单独地用于每个元件的加热单元或者加热/冷却单元，每个元件的温度为了配准而可改变，而系统的其它元件的温度保持稳定。该过程在各个环境温度和各个身体温度中重复许多次，以校准每个元件对于与测量相关的所有条件范围中的测量的影响。
该过程在检测器的视场中对于每个元件进行重复，以产生查寻表(“LUT”)，所述查寻表表示每个元件对于检测器的测量的影响。在每次测量中考虑由于每个系统元件的温度而产生的扰动，由此能够使系统获得高精度水平。
在LUT的产生和建立期间，已发现用于限制检测器的视场的挡板(baffle)的温度影响相对于黑体读数为10∶1。单独的校准不能补偿这样的显著影响。
远红外领域中的解决方案是通过增强挡板的反射率来减小其发射率。然而，增强挡板的反射率产生向检测器反射杂散能量的附加问题。球形挡板被设计成具有这样的内表面(即，挡板的与检测器相对的表面)，该内表面被抛光并被镀金以降低发射率。该挡板设计成防止任何反射或多次反射到达检测器的敏感区域。
供安装检测器和挡板的基板以及挡板具有与检测器大致相同的温度。该基板和挡板的外表面被设计成具有暗黑表面的辐射阱，以提供大约97％的发射率。
系统光学装置的设计在体表上产生检测器敏感区域的图像，以收集从身体发射或再发射的IR辐射。身体的由检测器敏感区域的图像包围的表面上的区域是重要的，因为检测器使从该区域发射或再发射的IR辐射均衡。
根据另一个实施方式，本光学装置包括两个可变光学滤波器；第一反射镜，该第一反射镜定位至光学滤波器的第一侧；以及第二反射镜，该第二反射镜定位至光学滤波器的与第一反射镜相反的第二侧。检测器定位至光学滤波器的第二侧。挡板部分地围绕检测器的敏感表面。温度测量装置构造成测量挡板、反射镜和滤波器的温度。第一反射镜被构造成接收来自身体的被测表面的IR辐射，将IR辐射校准为射束，并且朝向光学滤波器并通过该光学滤波器反射所校准的IR射束。其中一个光学滤波器构造成滤出所校准的IR射束的具有位于选定带宽之外的波长的一部分，并且第二光学滤波器构造成滤出所校准的IR射束的具有位于选定带宽内的波长的一部分。所述滤波器借助机动机构可变，并且每个IR辐射测量值包括利用一个滤波器的至少一个测量值和利用第二滤波器的至少一个测量值。第二反射镜构造成接收被校准并过滤的IR射束，并且朝向检测器反射该IR射束。所述挡板构造成阻挡杂散IR辐射，使得杂散IR辐射不能到达检测器敏感区域。
两个辐射测量值中的每个因此均被校正，以消除系统元件的发射对于测量的影响。在对于黑体读数(black body reading)的校正和标准化之后两个辐射测量值的比与身体内期望物质的浓度(诸如，人体血流中的葡萄糖浓度)相关。
附图说明
在以下图中相同的附图标记表示相同的元件，这些图形成本说明书的一部分并且被包括以进一步揭示本发明的某些方面。结合本文所示的具体实施方式的详细描述的说明，通过参照这些图中的一个或更多个图可更好地理解本发明。
图1示出了用于身体内物质的浓度的无创伤性测量的系统的框图；
图2是图1的光学装置和检测器装置的立体图，示出了身体和检测器之间的电磁射线的行进路径；
图3是图1和图2的检测器的立体图；
图4是图2的光学装置和检测器装置的立体图，示出了温度测量设备的光学装置和检测器装置的各个元件上的位置；以及
图5和图6是图2中所示的光学装置和检测器装置的检测器和挡板的剖视图。
将在说明中更加全面地讨论本申请的这些和其它实施方式。在所主张的发明的各种实施方式中可以独立地实现这些特征、功能和优点，并且这些特征、功能和优点在另外的实施方式中可以结合。
具体实施方式
以下描述一个或更多个示意性实施方式。为了清楚起见无需描述或示出实际实施方式的所有特征。
现在参照图1，示出了用于无创伤性测量身体内物质的浓度的系统10的框图。从身体11的表面发射或反射的红外(“IR”)辐射由光学子系统13收集并校准，并且被聚焦在IR检测器系统15上。身体11是由系统10测量的IR辐射源。身体11典型地是感兴趣的身体(例如人体)的表面的一部分。光学子系统13包括至少两个可变换滤波器33、35，如图2所示，这两个可变换滤波器33、35允许两种不同波长带宽的信号被测量，其中第一信号包括期望物质(诸如葡萄糖)的特征波长，第二信号是不包括待被用作基准信号的物质特征波长的发射辐射的一部分。
检测器组件15感测这两种信号并提供输出电压，该输出电压与对微处理器17的两个信号测量值中的每个测量值的强度成比例。如图4所示，温度传感器经由线路2、6和8以及查寻表(“LUT”)21提供各个光学子系统和检测器组件构件的温度和环境温度给微处理器17。在校准过程中，每个光学子系统和检测器组件构件的温度均变化，而其余的系统构件的温度保持稳定，以提供存储在LUT 21中的一组校准参数。
微处理器17使用该组预定的校准参数来校正两个辐射测量值中的每个测量值，以消除系统元件的发射对测量的影响。在对于黑体读数的校正和标准化之后两个辐射测量值的比与身体内期望物质的浓度(诸如，人体血流中的葡萄糖浓度)相关。然后将该结果提供至诸如LCD或LED视频监控器的输出装置19。
现在还参照图2，示出了图1所示的系统10的光学构件和检测器构件的构造的示意性立体图，以示出用于身体11和检测器15之间的IR射线的行进路径。检测器15包括检测器元件23、检测器基部25和挡板27。光学构件和检测器构件的构造被设计成使得检测器15的敏感或活性区域47(如图3所示)的图像12产生在反射镜31的焦平面上的身体11处。
图像12的区域优选地具有近似6mm的直径。在射束41中在图像12处从身体11发射或者由该身体11反射的IR辐射被反射镜31收集并校准。IR辐射被反射镜31反射并经由滤波器33或滤波器35以平行射线的校准射束43传导到反射镜29。反射镜29的焦平面位于检测器组件15的敏感区域47的表面处。到达反射镜29的射束43作为射束45被反射和传导并且聚焦在反射镜29的焦平面处，从而入射在检测器组件15的敏感区域47上。
检测器组件15在面向反射镜29的一侧由挡板27局部地围绕。挡板27确保基本上仅射束45仅入射在敏感区域47上。挡板27还阻止任何杂散辐射到达检测器组件15的敏感区域47。因此，光学子系统13被对准成使得图像12位于身体11的表面并且IR辐射的射束41经由反射镜31、滤波器33或滤波器35以及反射镜29入射在检测器组件15的敏感区域47上。
在一个实施方式中，反射镜29和31优选地为涂覆有金或其它适当反射材料的离轴九十度(90°)的抛物面镜。优选地，反射镜29具有大约一(1)英寸的焦距，反射镜31具有大约三(3)英寸的焦距。其它适当设计的反射镜可用于光学子系统13，诸如椭面镜或者椭面镜和双曲面镜的组合。
滤波器33和滤波器35安装在框架37中，框架37位于反射镜29和反射镜31之间。滤波器33、35利用联接到框架37的适当驱动机构(诸如马达或者气动压力)在截断射束43的位置之间切换。在一个实施方式中，马达39联接到框架37并且将框架37定位在反射镜29和反射镜31之间，使得期望的滤波器33、35截断射束43。其中一个滤波器(例如滤波器33)优选地是使被测量的物质的光谱特征的波长通过的窄带滤波器。另一个滤波器(例如滤波器35)优选地是使对于被测量的物质不敏感的光谱特征的那些波长通过的窄带滤波器。例如，在一些实施方式中，滤波器33将带宽限制于光谱的不存在对于正测量物质的发射(例如，对于葡萄糖，带宽是10.5μ-15μ)的区域，而滤波器35将具有被测量物质的发射的带宽特征(对于葡萄糖，带宽是8.5μ-10.5μ)。
现在还参照图3，示出了图1和图2中所示的检测器元件23的立体图。可以使用对期望的相关波长响应的任何适当的IR检测器。检测器元件23包括提供形成检测器的敏感区域47的IR敏感材料的芯片。芯片或敏感区域47被封闭在外壳51中并被安装至基部53。外壳51在其顶面中具有形成窗口49的适当大小的开口，以允许IR辐射到达敏感区域47。窗口49由可透过相关辐射的材料(诸如硅或其它适当材料)覆盖。导线55将检测器元件23连接至微处理器17和其它电路。在一个实施方式中，使用被称作热堆检测器的无源IR传感器。热堆检测器通过产生与入射功率成比例的电压响应于在其视场中的由物体发射的IR功率。一种适当的热堆检测器由DexterResearch Corporation制造(部件编号为ST 150)。在一个实施方式中使用的热堆检测器具有尺寸为1.5mm×1.5mm的敏感区域47和由硅制成的窗口49。
现在还参照图4，示出了图2的光学子系统13和检测器组件15的立体图，从而示出光学子系统和检测器组件上的各个元件上的、可以定位温度测量装置的适当位置。光学子系统和检测器组件的每个元件将发射包括IR辐射的电磁辐射，该电磁辐射根据该元件的温度而变化。为了实现产生期望物质的精确测量所必需的分辨率，优选地考虑该系统中的每个元件的发射。
在检测器组件15的视场内的光学子系统13的每个元件以及检测器组件15包括一个或更多个适当的温度感测装置，该一个或更多个适当的温度感测装置安装在在所述元件上的适当位置，以精确地测量所述元件的温度。在一个实施方式中，使用热敏电阻作为温度测量装置。热敏电阻是通常由半导体材料构成的依赖于温度的电阻。热敏电阻的电阻与温度成反比，即，当温度升高时，其电阻减小。但也可以使用其它适当的温度传感器，例如，热电偶，典型地，热敏电阻提供较大的输出电压。
在图4所示的实施方式中，热敏电阻61在内部定位至检测器组件15，以测量冷接点的温度，在冷接点处使用热堆检测器。热敏电阻63测量挡板27的温度。热敏电阻65和67测量反射镜29的温度，热敏电阻71和73测量反射镜31的温度。由于反射镜的尺寸和质量，对于每个反射镜使用两个热敏电阻。热敏电阻69测量滤波器33、35和框架37的组件的温度。热敏电阻75测量环境室温。每个元件的温度与检测器15的温度、环境温度和身体11的温度一起均与存储在LUT 21中的一组预定校准参数相匹配，以补偿在物质浓度测量中由于各种光学子系统和检测器组件元件的温度而产生的任何扰动。
现在还参照图5，示出了图2的光学装置和检测器装置的检测器组件15和折流动27的剖视图。在所示的实施方式中，检测器元件23由保持环81保持成与检测器基部25热接触。挡板27借助紧固件26附接到检测器基部25，从而在检测器元件23、环81、检测器基部25和挡板27之间形成良好的热接触。挡板27的内表面83优选地被镀金并抛光以产生镜面。挡板27的内表面83被设计成具有非常低的发射率和高的反射率。挡板27的内表面83的形状被设计成使辐射的任何反射或多重反射最少或者防止辐射的任何反射或多重反射入射在检测器元件23的敏感区域47上。
在一个实施方式中，挡板27的内表面83形成球面，球的中心与检测器敏感区域47的中心重合，从而封闭检测器元件23。在球的位于敏感区域47上方且与敏感区域47相对的部分中形成开口95。开口95的尺寸足以允许射束45(如图2所示)入射在敏感区域47上并使任何杂散辐射最少或者防止任何杂散辐射到达该敏感区域47上。检测器元件23的前表面89、保持环81的暴露面87和检测器基部25的位于球内的暴露部85被涂覆有诸如适当的黑色涂层的适当材料，以产生用于任何杂散辐射的辐射阱。热敏电阻63测量挡板27的温度，以能够补偿其对于物质浓度测量的发射影响。
现在还参照图6，示出了根据另一个实施方式的图2的光学装置和检测器装置的检测器组件15和挡板27的剖视图。在该实施方式中，如上参照第28段和图2所述，反射镜28和31优选地为镀金或其它适当反射材料的离轴九十度(90°)的抛物面镜。挡板27的内表面83优选地形成球面，该球面的中心99定位成相对于检测器敏感区域47的中心97偏离中心。在球的位于敏感区域47上方且与敏感区域47相对的部分中形成开口95。由于离轴反射镜的IR能量分布的最大值偏离中心，因此挡板开口95的中心99的位置也偏离检测器敏感区域47的中心97，以提供最大的IR能量收集。开口95的尺寸足以允许射束45(如图2所示)入射在检测器敏感区域47上并使任何杂散辐射最少或者防止任何杂散辐射到达检测器敏感区域47。
尽管已针对某些实施方式描述了本发明，但本领域普通技术人员应清楚的其它实施方式(包括未提供本文所阐述的所有特征和优点的实施方式)也落入本发明的范围内。因而，本发明的范围由随附的权利要求限定。

Claims (21)

1.一种用于无创伤性测量身体内物质的系统，该系统包括：
检测器，该检测器构造成感测从身体发射或再发射的辐射；
光学子系统，该光学子系统构造成将所述辐射聚焦在所述检测器的敏感区域上；以及
一个或更多个温度传感器，所述一个或更多个温度传感器附接到所述光学子系统的多个元件中的一个或更多个元件上或者附接到所述检测器上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学子系统的所述多个元件中的一个或更多个元件的温度和所述检测器的温度与存储在查寻表中的一组预定补偿参数进行匹配，用于补偿所述多个元件中的所述一个或更多个元件和所述检测器各自的温度、环境温度和体表测量温度对于无创伤性测量的影响。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测器包括红外能量传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述红外能量传感器包括热电堆检测器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学子系统包括一个或更多个反射镜，所述一个或更多个反射镜构造成将所述辐射聚焦在所述检测器的所述敏感区域上。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学子系统包括至少两个离轴九十度(90°)的抛物面镜。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学子系统包括至少两个反射镜，在这两个反射镜之间布置至少一个衰减滤波器，以衰减选定波长带内的辐射。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学子系统包括两个衰减滤波器，所述两个衰减滤波器安装在布置于所述两个反射镜之间的可动框架上。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述两个衰减滤波器包括第一带通滤波器和第二带通滤波器，所述第一带通滤波器用于衰减第一选定波长带内的辐射，所述第一选定波长带包括所述物质的至少一个波长特征，所述第二带通滤波器用于衰减第二选定波长带内的辐射，所述第二选定波长带使所述物质的波长特征最少化。
10.一种用于无创伤性测量身体内物质的设备，该设备包括：
检测器，该检测器用于感测从身体发射或再发射的辐射；
光学装置，该光学装置构造成将所述辐射聚焦在所述检测器的敏感区域上；以及
挡板，该挡板附接到所述检测器并且与所述检测器热接触，所述挡板被布置成至少部分地围绕检测器敏感区域并且构造成使杂散辐射在所述检测器敏感区域上的入射最少，
其中，所述挡板的与所述检测器相对的内表面具有高的反射率和低的发射率，所述挡板的所述内表面形成为使辐射反射或多重反射在所述检测器敏感区域上的入射最少。
11.根据权利要求10所述的设备，该设备还包括一个或更多个温度传感器，所述一个或更多个温度传感器附接到所述光学装置的多个元件中的一个或更多个元件上以及附接到所述检测器上。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述光学装置的所述多个元件中的所述一个或更多个元件的温度和所述检测器的温度与存储在查寻表中的一组预定补偿参数进行匹配，用于补偿所述光学装置的所述多个元件中的所述一个或更多个元件和所述检测器各自的温度、环境温度和体表测量温度对于无创伤性测量的影响。
13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述挡板的所述内表面构成围绕所述检测器的球体的一部分，所述挡板的位于所述检测器的所述敏感区域上方并与所述敏感区域相对的一部分具有开口，以允许所述辐射到达所述检测器的所述敏感区域。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述挡板的外表面涂覆有用于吸收杂散辐射的适当黑色涂层。
15.一种利用包括检测器和光学系统的设备无创伤性地测量身体内物质的浓度的方法，该方法包括以下步骤：
检测由身体发射的在一波长范围内的红外辐射，所述波长范围包括所述物质的至少一个波长特征；
测量所述检测器和所述光学系统的一个或更多个构件的温度；以及
使所述检测器的温度和所述光学系统的所述一个或更多个构件的温度与一组预定校准参数相关联，以针对所述检测器和所述光学系统的所述一个或更多个构件各自的发射影响来校正所检测到的红外辐射值。
16.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括测量环境温度的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括测量身体温度的步骤。
18.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括限制所检测到的红外辐射值的波长范围的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括以下步骤：将所检测到的红外辐射值的波长范围限制到第一波长范围以提供第一检测辐射值，所述第一波长范围包括所述物质的至少一个波长特征；以及将所检测到的红外辐射值的波长范围限制到第二波长范围以提供第二检测辐射值，在所述第二波长范围中，所述物质的波长特征被减至最少。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一波长范围包括8.5μ至10.0μ，所述第二波长范围包括10.5μ至15.0μ。
21.根据权利要求19所述的方法，该方法还包括下列步骤：
针对所述检测器和所述光学系统的所述一个或更多个构件各自的发射影响来校正所述第一检测辐射值和所述第二检测辐射值；
针对黑体读数标准化所述第一检测辐射值和所述第二检测辐射值；以及
使所述第一检测辐射值和所述第二检测辐射值的比与身体中的所述物质的浓度相关联。
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