CN109561857A - 物质浓度分析方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种物质浓度分析方法，包括：计算由身体吸收或从其放射的在第一波长内的第一测量中红外(MIR)辐射量与由所述身体吸收或从其放射的在第二波长内的第二测量MIR辐射量之间在所述特定时间的差；计算包括基于所述差的被除数除以基于dT/dt值的除数的商；以及基于与所述商的相关性计算所述身体内物质的浓度。

Description

物质浓度分析方法和设备
背景技术
使用红外(“IR”)辐射的光谱技术是现有技术已知的并且已经广泛用于以非侵入方式测量身体中所关注物质的浓度。特别关注的一个领域是使用这些技术以非侵入方式测量人血流中的葡萄糖和其他组分的浓度。若干专利和专利申请公开了使用红外检测系统和方法以非侵入方式测量血流中的物质(例如像葡萄糖)的浓度的方法。
2010年9月15日提交且标题为“Method for non-invasive analysis of asubstance concentration within a body”的美国专利申请号12/883,063描述测量身体中的物质(诸如葡萄糖)的浓度的方法。所描述的方法包括将身体表面的温度从第一温度改变到第二温度，然后将身体表面的温度从第二温度改变回到第一温度。所述方法包括：以预定时间间隔测量由身体的表面吸收或从其放射的在第一波长带内的第一红外(“IR”)辐射量和由身体的表面吸收或从其放射的在第二波长带内的第二IR辐射量。所述测量在身体表面的温度从第二温度改变回到第一温度的时间段内进行。物质的浓度可基于测量结果来确定。美国专利申请号12/883,063的内容特此以引用的方式整体并入。
发明内容
一种物质浓度分析方法包括：计算随时间(t)变化的身体的测量表面温度(T)的函数的相对于时间的温度导数(dT/dt)在特定时间的dT/dt值；计算由身体吸收或从其放射的在第一波长内的第一测量中红外(MIR)辐射量与由所述身体吸收或从其放射的在第二波长内的第二测量MIR辐射量之间在所述特定时间的差；计算包括基于所述差的被除数除以基于所述dT/dt值的除数的商；以及基于与所述商的相关性计算所述身体内物质的浓度并将所述浓度输出给用户。
另一种物质浓度分析方法包括：通过使用元件根据由元件接收的信号加热或冷却以诱导身体的表面的温度(T)随时间(t)推移变化，然后允许所述表面进行温度恢复，并产生在所述温度恢复期间随时间(t)变化的温度(T)的函数，以便展现出相对于时间的温度导数(dT/dt)。所述方法包括：在所述温度恢复期间随时间(t)推移测量所述身体的所述表面的温度(T)并计算所述dT/dt；在所述温度恢复期间在所述身体的所述表面展现出所述dT/dt时测量由所述身体吸收或从其放射的中红外(MIR)辐射；基于所述MIR辐射测量结果和所述dT/dt计算测量值；以及基于与所述测量值的相关性计算所述身体内物质的浓度。
一种被配置来实施本文的任何方法的物质浓度分析设备包括：壳体；至少一个MIR检测器，其附接到所述壳体；环状加热和/或冷却元件，其附接到所述壳体；处理器，其控制所述MIR检测器和所述环状加热和/或冷却元件；以及透射窗口结构，其与所述环状加热和/或冷却元件直接热连通并且附接到所述壳体，使得所述MIR检测器的视线穿过所述透射窗结构。
另一种物质浓度分析设备包括：壳体；至少一个MIR检测器，其附接到所述壳体；环状加热和/或冷却元件，其附接到所述壳体；以及导热环，其与所述环状加热和/或冷却元件热连通。所述设备包括透射窗口结构，其附接到所述壳体，使得所述MIR检测器的视线穿过所述透射窗口结构，所述透射窗口结构的表面和所述导热环的表面在所述壳体外部沿着同一平面对齐。
附图说明
下文参照以下附图描述一些实施方案。
参考图1，描绘了用于连续监测身体中物质的浓度的可佩戴系统的实施方案的框图并将所述框图总体标示为100。
参考图2，描绘了用于连续监测身体中物质的浓度的系统的实施方案并将其总体标示为200。
参考图3，描绘了检测构型的实施方案并将其总体标示为300。
参考图4，描绘了加热和/或冷却窗口组件的实施方案并将其总体标示为400。
参考图5，描绘了用于连续监测身体中物质的浓度的系统的实施方案并将其总体标示为500。
参考图6，描绘了用于图5的系统的另一种窗口组件的实施方案并将其总体标示为600。
参考图7A和图7B，描绘了周期性信号和对应的周期性温度变化的实施方案。
参考图8，示出了在具有葡萄糖放射/吸收的情况下的第一波长和在不具有或具有极少葡萄糖放射/吸收的情况下的第二波长内的两个信号之比对比dT/dt的假设图。
具体实施方式
本文公开以非侵入方式监测身体内所关注物质的浓度的系统和方法。所述监测可以连续地或非连续地进行作为一个实例，本文所述的实施方案可用于连续监测人的血液中的葡萄糖的浓度。本文所述的实施方案中的一些可佩戴达范围从若干分钟到若干天的时间段。作为另一个实例，本文的实施方案可用于分析特定时间的人血液中的葡萄糖的浓度。红外测量可在中红外(MIR)范围内进行，在此范围内，红外光谱展现出约6微米(μm)至约15微米的波长。
光子吸收/放射过程比其他传热方法快得多(若干数量级)。因此，由于分子光谱吸收/放射引起的皮肤吸收/放射与黑体放射的偏差与皮肤随时间推移的温度变化的导数dT/dt成比例。结果是，两个信号之比或其间的差(例如，葡萄糖具有放射/吸收信号的情况下的一个信号和葡萄糖不具有或具有极小放射/吸收信号的情况下的另一个信号)也与dT/dt成比例。
dT/dt与比或差之间的关系可以用dT/dt的函数来描述(参见图8)。因此，函数的存在允许在使测量的比或差与血糖浓度水平相关之前在统计上使所述比或差的值平滑。可将已知的用于使数据平滑的算法应用于包含比或差的值以及根据测量结果计算的dT/dt值的数据点。可能的实例包括在可从华盛顿州柯克兰的微软公司获得的EXCEL中提供的算法以及在可从马萨诸塞州纳蒂克的迈斯沃克公司获得的MATLAB中提供的算法。利用这种校正提高了比或差与血糖浓度水平的相关性的准确性。
参考图1，描绘了用于连续地或非连续地监测身体中物质的浓度的可佩带系统的实施方案的框图并将所述框图总体标示为100。系统100可包括控制器110、电源122、显示装置124、无线发射器126、中红外(MIR)检测器组件130、加热和/或冷却窗口组件150以及附接机构170。MIR检测器130可包括预组装传感器和光学元件(未示出)。例如，光学元件可包括透镜，并且可将原IR辐射聚焦在传感器上以便检测辐射。在其他实施方案中，光学元件可以是窗口。
控制器可包括处理器112和存储器114。处理器112可包括能够接收和处理数据的任何电路。例如，处理器112可包括微处理器、微控制器、外围接口控制器(PIC)、数字信号处理器(DSP)、另一种类型的处理元件或其任意组合。
存储器114可包括一个或多个寄存器、高速缓冲存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM),、固态存储器、磁盘存储器、另一种类型的易失性或非易失性存储器或其任意组合。
处理器112和存储器114中的一个或两个可使用电路逻辑、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、另一种类型的电路实现平台或其任意组合来实现。
存储器114可以是处理器112可访问的，以使得处理器112能够从存储器114接收数据并在存储器114处存储数据。为了说明，存储器114可包括可存储指令的处理器可读介质，指令在由处理器执行时致使处理器实行如本文所述的操作。
电源122可向控制器110、显示装置124、无线发射器126、MIR检测器组件130、加热和/或冷却窗口组件150、或其任何子集供电。电源122可以是轻量且便携的，以使得系统100能够佩戴在身体上而不会限制身体的移动。电源122还可保持电荷达延长的持续时间以实现长期便携性。例如，电源122可能够给系统100供电达一天或多天而无需再充电。在一个实施方案中，电源122包括可再充电锂离子电池组。
显示装置124可包括能够向系统100的用户输出视觉或音频信号的任何装置。例如，显示装置可包括液晶二极管(LCD)屏幕、蜂鸣器、另一种类型视觉或音频输出装置或其任意组合。尽管图1将系统100描绘为包括显示装置124，但在一些实施方案中，系统100可省略显示装置124。作为一个实例，在一些实施方案中，系统100可依赖于到远程装置的无线发射装置来生成用户输出。
无线发射器126可包括能够向远程装置发射信息的任何装置。远程装置可包括移动电话、便携式音乐播放器、平板计算机、膝上型计算机、另一种类型的计算装置或其组合。在一些实施方案中，无线发射器可通过网络与远程装置通信。例如，网络可包括点到点网络、蜂窝网络、局域网、广域网、另一种类型的数字网络或其组合。尽管图1将系统100描述为包括无线发射器126，但在一些实施方案中，系统100可省略无线发射器126。作为一个实例，在一些实施方案中，系统100可依赖于显示装置124而不是无线发射器126来生成用户输出。
MIR检测器组件130可包括能够检测一个或多个波长带内的MIR放射和/或吸收的装置。例如，MIR检测器组件130可检测在第一波长带内的MIR放射和/或吸收并且还可检测在第二波长带内的MIR放射和/或吸收，在第一波长带内，所关注物质例如葡萄糖影响MIR放射和/或吸收，在第二波长带内，所关注物质对MIR放射和/或吸收没有影响或具有可忽略的影响。第一波长带可称为峰值波长带，并且第二波长带可称为参考波长带。例如，对于葡萄糖来说，第一波长带可以是约9.3μm至约9.9μm。对于葡萄糖来说，第二波长带可以是约10.5μm至约15μm。MIR检测器组件130还可被配置来测量一个或多个黑体装置的MIR放射和/或吸收，如本文进一步所描述。本文进一步描述MIR检测器组件130的实施方案。
加热和/或冷却窗口组件150可包括用于加热和/或冷却的装置。加热和/或冷却窗口组件150还可包括MIR辐射可透过的至少一个表面，以将来自身体的MIR辐射传递到MIR检测器组件130。传递MIR辐射可在执行加热和/或冷却的同时进行。本文进一步描述加热和/或冷却窗口组件150的实施方案。
附接机构170可包括能够将系统100的一个或多个部件附接到身体的任何机构。例如，附接机构可包括带扣、钩环紧固件、卡扣、另一种类型的附接装置或其组合。当附接机构170将系统100附接到身体时，系统100可被配置来确保加热和/或冷却窗口组件150与身体之间的接触。附接机构170可使得接触能够维持长的持续时间，这样系统100可佩戴在身体上。
在操作期间，系统100可继续佩戴在身体上达延长的持续时间。例如，系统100可佩戴超过30分钟、超过1小时、超过5小时、或持续一天或多天。在所述持续时间期间，附接机构170可保持加热和/或冷却窗口组件150与身体接触。
MIR检测器组件130可在系统100佩戴在身体上的持续时间内取得或以其他方式生成多个MIR测量集。多个MIR测量集可在不将可佩戴设备从身体移除的情况下取得。每个MIR测量集可包括身体的在峰值波长带处的第一MIR测量结果和身体的在参考波长带处的第二MIR测量结果，在峰值波长带内，所关注物质对MIR放射和/或吸收有影响，在参考波长带内，物质对MIR放射和/或吸收没有影响或具有可忽略的影响。在一些实施方案中，每个测量集还可包括一个或多个黑体装置的在所述波长带中的一个或两个内的MIR测量结果。
MIR测量集可通过加热和/或冷却窗口组件150取得。例如，来自身体的MIR辐射可穿过加热和/或冷却窗口组件的一部分而到达MIR检测器组件130以便被测量。
在记录多个MIR测量集时，加热和/或冷却窗口组件可加热和或冷却身体的表面。在一些实施方案中，加热和/或冷却窗口组件可根据从控制器110接收的周期性信号来改变身体的温度。由系统100取得的每个测量集可对应于周期性信号的相应周期。另外，每个测量集可在周期性信号的一部分期间取得，在所述部分中，加热和/或冷却窗口组件或身体的表面的温度的变化率恒定。在一些实施方案中，周期性信号的周期是约60秒。周期性信号可被配置来产生对应于方波、三角波、正弦波或其组合的周期性温度模式。参考图7A和7B进一步描述周期性信号和所得周期性温度变化的实例。
参考图7A和图7B，描绘了周期性信号和对应的周期性温度变化的实施方案。图7A描绘方形信号波810。当方形信号波810施加到加热和/或冷却装置时，它可在身体的表面处产生正弦温度波820。图7B描绘信号波830。当信号波830施加到加热和/或冷却装置时，它可在身体的表面处产生三角形温度波840。如本文所述，测量集可有利地在三角形温度波动840的展现出基本上恒定的温度变化率的部分期间取得。例如，测量结果可在三角形温度波动的斜率诸如dT/dt近似恒定或优选地实际上恒定时取得。
参考图7A和7B中的任一个，测量结果可在正dT/dt(其中温度随时间推移具有正斜率)期间取得，并且另一个测量结果可在同一温度T下在负dT/dt(其中温度随时间推移具有负斜率)期间取得。测量结果可用于隔离测量的对应于葡萄糖放射/吸收带的部分，所述部分是f(dT/dt)。
从人体放射的MIR辐射对在其中葡萄糖具有峰值放射/吸收的带内测量的MIR信号具有两个主要促成因素。第一是与温度的4次方(T4)相关的正常黑体放射。第二促成因素是葡萄糖光谱放射/吸收。在所测量体积近似处于热平衡的情况下，葡萄糖放射/吸收将由于以下事实而接近零：在热平衡下，放射光子的分子数将接近于吸收光子的分子数。
为了产生葡萄糖放射/吸收的可测量信号，使身体基质脱离热平衡。此外，光子驰豫比任何其他热传递现象都快得多。这样，如果我们使身体基质脱离热平衡，我们可预期来自葡萄糖的短信号，一旦系统返回到热平衡，所述短信号就将消失。为了产生来自葡萄糖分子的连续可测量信号，我们必须使身体基质温度产生连续变化，使得不达到热平衡。
由于连续温度变化造成的放射/吸收的数学表示将是：
其中M是所测量信号，BBr是黑体辐射，f(dT/dt)是随时间推移的温度导数的函数，f(N)是所测量体积中的葡萄糖分子数的函数，k是常数，并且p是扰动，即其他物质的放射或吸收。
首先，我们可用下式替代N：
N＝V*C′ (方程2)
其中V是所测量体积，它是所使用设备的常数；并且C'是这个体积中葡萄糖的浓度(例如，对应于身体的特定测试位点处的组织)。我们将这个浓度指示为C'，以便不与血液中的浓度(C)混淆。我们预期C'和C是高度相关的。
通过用k1替换V并将其移动到函数之外，我们现在得到：
应注意，f(dT/dt)被归一化成使得它将是在0与1之间，这将表示我们使其脱离玻耳兹曼平衡的相对分子数(基于玻耳兹曼方程)。例如，玻耳兹曼方程可描述热力学系统中的宏观量的变化。从玻耳兹曼平衡移除可改变分子的放射和/或吸收，并且这样，可对身体的宏观放射和/或吸收具有影响。这些分子将是放射或吸收光子(取决于刺激)的群体并且将是总分子数(C')的一部分。
在第一实施方案中，可交替地通过加热和冷却来刺激所测量体积。在第二实施方案中，可在一个方向上刺激所测量体积，然后在体积返回到热平衡时测量放射/吸收。对于第一实施方案，我们可使用以上方程来将刺激的加热部分与冷却部分分开，以针对每个部分表示所测量信号。
这样，当体积被冷却时我们得到：
并且，当体积被加热时我们得到：
如果我们选择其中在两个方程中温度相同的点，那么两个方程中的黑体辐射相同。使这些方程相减得到
装置还测量参考带(在参考带中，对于葡萄糖来说，放射/吸收可忽略)内的辐射。使用以上方程并且对于f(C')使用为0的值(因为无葡萄糖信号发出)，我们可使同一温度下的两个参考测量结果相减，从而获得以下方程：
R1-R2＝2(p+k) (方程7)
另外，如果所测量体积中放射两个波带内的辐射的所有其他物质具有平放射光谱(这意味着只要dT/dt保持恒定，也就是说，只要dT/dt在同一温度下具有相同绝对值，两种波长中的放射或吸收就将相同)，则p1＝p2。
我们然后可使用两个峰值葡萄糖测量结果的组合和参考葡萄糖测量结果的组合来获得以下测量值公式(假设我们在相同温度下进行测量并跨所有测量保持dT/dt恒定)：
其中M2和M1是峰值葡萄糖带测量结果，R2和R1是参考带测量结果，k1是常数，f(dT/dt)是所测量体积受刺激程度的系数，并且f(C')是所测量体积中葡萄糖分子数的函数。在f(dT/dt)不恒定或不足够恒定的情况下，那么可用f(dT/dt)除公式，使得f(dT/dt)变成测量值中的分母。因此，可将MIR测量时的dT/dt包括在测量值内。
在f(dT/dt)是0与1之间的值并且被选择来最佳地拟合与试验测量结果的相关性的情况下，这个函数的输出与黄金标准血糖测量结果相关。在一个实例中，方程8可如下被重写：
以便确定斜率值。也就是说，2*k1*f(dT/dt)可以被认为是数据点的x值，并且(M1-M2)-(R1-R2)可以被认为是数据点的y值。在随时间推移(诸如两到三分钟)收集数据点之后，当浓度稳定(基本上恒定)时，最佳拟合数据分析可生成(x,y)值的斜率。基于方程9，可使所得斜率值与C'相关。例如，C’可与血液中物质的实际浓度相关。
控制器110可基于多个MIR测量集生成指示身体中物质的相应浓度的对应的接连多个数据参数，如本文所述。然后多个数据参数可被存储。例如，多个数据参数可存储在存储器114处或系统100的另一存储器处。在本文档的上下文中，“连续”监测是指在监测设备在接连测量之间继续接触身体时随时间推移测量物质浓度。也就是说，即使监测设备被编程来以周期性间隔进行测量，也可以选择任何间隔。监测设备能够在任何时间进行测量，因为它在接连测量之间没有脱离与身体的接触。操作员可编程选定测量间隔。此外，监测设备可根据编程的条件自动改变测量间隔。例如，当浓度接近所关注水平时，可保证更频繁的测量。
当系统100佩戴在身体上时，可通过确定身体内物质的浓度或接连多个数据参数是否在容许度内来连续监测物质浓度。例如，当在处理器112处生成指示物质浓度的新数据参数时，可将新数据参数与一个或多个容许度进行比较。另选地或除此之外，可将浓度与一个或多个容许度进行比较。容许度存储在存储器114处或系统100中的别处。如果新数据参数或浓度是在容许度之外，诸如小于下容许度或大于上容许度，则可生成警告输出并将其发送到显示装置。另选地或除此之外，可将警告输出发送到无线发射器。
无线发射器可被配置来将警告输出发送到远程装置。远程装置可包括蜂窝电话、平板、膝上型电脑或另一种类型的移动计算装置。警告输出可向远程装置指示以显示警告。警告输出还向移动装置指示以联系紧急服务。
基于多个数据参数，处理器112可计算连续相关函数。此后，处理器112可基于连续相关函数修改多个数据参数中的至少一个。例如，当处理器112生成指示身体中物质的浓度的新数据参数时，处理器112可基于连续相关函数调整或以其他方式修改新数据参数。另选地，当从MIR检测器组件130接收到单独的原MIR测量结果时，处理器112可调整或修改单独的原MIR测量结果并且在生成指示物质浓度的新数据参数时使用修改后MIR测量结果。连续相关函数可降低多个MIR测量集中的噪声和/或测量变异。
为了说明，连续相关函数可在所取得的测量结果与在同时做出的“黄金标准”血糖测量结果之间进行关联。函数参数针对每个人来校准。函数可以是多项式，诸如：
y＝a+bx+cx2+dx3+ex4 (方程10)
其中y是葡萄糖浓度并且x是MIR测量结果。
MIR测量结果的差异或MIR测量结果的比被归一化。结果相对于具有预定规格并且针对环境温度得到校正的黑体被归一化。a-e的参数根据一组校准测量来确定。
在连续测量期间，可存在更多测量结果(N)，并且相关函数中限制其准确性的噪声可降低除了以上的噪声降低和准确性提高之外，一些实施方案可利用人体中葡萄糖浓度的最大变化率的参数，即4mg/dL/min。在一些实施方案中，测量可每3秒进行，这意味着相邻葡萄糖测量结果之间的最大变化可小于0.2mg/dL。
鉴于以上情况，物质浓度监测方法包括：使用加热和/或冷却元件根据由元件接收的周期性信号诱导身体的表面的温度(T)随时间(t)推移周期性变化，并且产生随时间(t)变化的温度(T)的函数，以便展现出周期性振荡的相对于时间的温度导数(dT/dt)。在身体的表面展现出振荡的周期性dT/dt时测量由身体吸收或从其放射的中红外(MIR)辐射。所述方法包括：基于所述MIR辐射测量结果确定测量值，以及基于与所述测量值的相关性确定所述身体中物质的浓度。
通过举例，测量值还可基于振荡的周期性dT/dt。另外，测量值可与葡萄糖浓度相关。测量IR辐射可包括：在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间在一定温度下测量MIR辐射，以及在负dT/dt(向下倾斜的温度变化)期间在同一温度下测量MIR辐射。
IR辐射的测量可包括：在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间在一定温度下测量第一MIR辐射，所述测量在第一波长带内进行，在第一波长带内，物质对MIR放射或吸收有影响。IR辐射的测量还可包括：在正dT/dt期间在所述温度下测量第一参考MIR辐射，所述测量在第二波长带内进行，在第二波长带内，物质对MIR放射或吸收没有影响或具有可忽略的影响。IR辐射的测量还可包括：在负dT/dt(向下倾斜的温度变化)期间在所述温度下测量第二MIR辐射，所述测量在第一波长带内进行。IR辐射的测量还可再包括：在负dT/dt期间在所述温度下测量第二参考IR辐射，所述测量在第二波长带内进行。
更详细地，确定测量值可将第一MIR辐射测量结果和第二MIR辐射测量结果以及第一参考MIR辐射测量结果和第二参考MIR辐射测量结果包括在产生测量值的方程中。所述方法还可包括：生成测量值与物质浓度的相关性。例如，与以非侵入方式测量的血液浓度的相关性。此外，可在测量MIR辐射的时候确定dT/dt，并且可将dT/dt包括在与物质浓度相关的测量值中。
如应理解，本方法或类似方法(诸如本文以其他方式所述的)可用物质浓度监测设备来实施。所述设备可包括处理器、加热和/或冷却元件、红外传感器以及处理器可访问的存储器。存储器存储指令，指令在由处理器执行时致使处理器发起操作，所述操作包括生成周期性信号，所述周期性信号被配置来控制加热和/或冷却元件，从而诱导身体的表面的温度(T)随时间(t)推移周期性变化，并且产生随时间(t)变化的温度(T)的函数，以便展现出周期性振荡的相对于时间的温度导数(dT/dt)。指令包括：在身体的表面展现出振荡的周期dT/dt时从红外传感器收集数据。所述数据根据由身体吸收或从其放射的在第一波长带内的中红外(MIR)辐射的测量结果以及由身体吸收或从其放射的在第二波长带内的MIR参考辐射的测量结果产生，在第一波长带内，物质对MIR放射或吸收有影响，在第二波长带内，物质对MIR放射或吸收没有影响或具有可忽略的影响。指令包括：基于MIR辐射数据和MIR参考辐射数据确定测量值，以及基于与测量值的相关性确定身体中物质的浓度。
通过举例，处理器操作还可包括：通过确定浓度或测量值是否在容许度内来监测身体中物质的浓度，以及当浓度或测量值在容许度之外时生成警告输出。此外，所述设备还可包括无线发射器，并且处理器操作还可包括：通过无线发射器将警告输出发送到远程装置以显示警告。例如，远程装置可包括移动电话，并且警告输出可指示远程装置将要联系紧急服务。
测量值另外可基于振荡的周期dT/dt。测量值可与葡萄糖浓度相关。此外，从红外传感器收集数据可包括：在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间在一定温度下收集数据，以及在负dT/dt(向下倾斜的温度变化)期间在同一温度下收集数据。确定测量值可涉及：将在正dT/dt和负dT/dt两者期间收集的MIR辐射数据和MIR参考辐射数据包括在产生测量值的方程中。
周期性信号可被配置来产生加热和/或冷却元件在正dT/dt和负dT/dt两者期间恒定的温度变化率(dT/dt)。因此，收集数据还可包括在测量MIR辐射的时候确定dT/dt，并且确定测量值还可涉及将dT/dt包括在与物质浓度相关的测量值中。周期性信号可被配置来产生加热和/或冷却元件的对应于方波、三角波、正弦波或其组合的周期温度模式。
对于以上引入的第二实施方案，可在一个方向上刺激所测量体积，然后在体积返回到热平衡时测量放射/吸收。也就是说，辐射测量可以是不连续的，因为它在加热和冷却期间都不会发生。我们如下从其中存在葡萄糖的带中的测量信号开始，其中表达式类似于方程3：
其中：M是具有葡萄糖的带中的测量信号；
f(dT/dt)是给出在0与1之间的以下葡萄糖分子的分数的函数，所述葡萄糖分子在温度变化率为dT/dt的情况下在脱离玻耳兹曼平衡时将放射或吸收光子；
f(C')是所测量体积中的我们想要使其与通过已知黄金标准测量的血糖相关的葡萄糖分子的数量；
p是样本体积中其他物质的放射，它也是dT/dt的函数；并且
k1和k是常数。
针对加热皮肤(这可包括在冷却之后使皮肤复温)期间的测量信号(M)调整方程11提供：
其中C0是常数。使用方程12以及f(C')的为0的值(因为不放射葡萄糖信号)，参考带中的测量信号是：
其中C1是常数。假设p1(dT/dt)＝p(dT/dt)(这意味着样本中的其他物质具有跨越两个波带的平坦放射曲线)，那么将方程12从方程13减去得到：
这可以改写为：
其中C2是常数。当将所有测量结果归一化到黑体校准并针对环境温度对测量设备的影响进行校正时，方程15商与血糖的黄金标准相关。
Sterling等人(美国专利号5,900,632)描述了热梯度光谱学(TGS)，其中基于皮肤深度对皮肤外层进行冷却以产生热梯度(dT/dx)。本文的方法是产生随时间推移的热变化(dT/dt)。在Sterling的方法中，他没有公开以下情况：为了测量物质跨测量介质中的所有层的浓度，必须根据以下方程非常准确地知道热扩散系数(α，阿尔法)：dT/dt＝αd2T/dx2(这在像皮肤这样的复杂基质中是不可能的)。
如Sterling所述，TGS是基于皮肤冷却期间的测量，而本文的一种方法则依赖于在冷却之后的皮肤温度自然恢复期间(即，皮肤正在变暖时)的测量。本文的这种方法依赖于来自皮肤的上层的热放射，而Sterling则依赖于上层对来自皮肤中的更深层的放射是可透过的。在Sterling中，加热仅为了实现另一个冷却循环而发生。
此外，Sterling中的测量循环持续0.2秒，每个热循环仅允许一次测量，而本文的测量循环可持续长达一分钟或更长的时间，从而使得能够在一个热循环期间进行多次测量。这使得能够使在测量循环中收集的数据平滑，从而更加可靠地随时间推移测量浓度。本文的dT/dt的变体更长。
本文的方法与Sterling之间的一个区别在于：Sterling测量穿过皮肤基质的梯度(dT/dx)，但是本发明方法测量对随时间推移的温度变化(dT/dt)的响应。
一种物质浓度分析方法包括：计算随时间(t)变化的身体的测量表面温度(T)的函数的相对于时间的温度导数(dT/dt)在特定时间的dT/dt值；计算由身体吸收或从其放射的在第一波长内的第一测量中红外(MIR)辐射量与由所述身体吸收或从其放射的在第二波长内的第二测量MIR辐射量之间在所述特定时间的差；计算包括基于所述差的被除数除以基于所述dT/dt值的除数的商；以及基于与所述商的相关性计算所述身体内物质的浓度并将所述浓度输出给用户。
举例来说，所述商可以与葡萄糖浓度相关。所述除数可以是dT/dt(f(dT/dt))的函数的值，所述函数产生在0与1之间的在dT/dt值下在脱离玻耳兹曼平衡时放射或吸收光子的物质浓度的分数。所述商的计算可包括计算一系列(x,y)值的斜率值，其中x值是除数，并且y值是在表面展现出dT/dt时随时间推移测量的被除数。
所述方法还可包括：在特定时间测量由身体吸收或从其放射的在第一波长内的第一测量MIR辐射量；在所述特定时间测量由身体吸收或从其放射的在第二波长内的第二测量MIR辐射量；以及在特定时间测量所述测量表面温度。所述物质可能对第一波长内的MIR放射或吸收有影响，并且对第二波长内的MIR放射或吸收没有影响或具有可忽略的影响。测量所述第一测量量、所述第二测量量和所述测量表面温度可以在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间进行。
所述方法还可包括：将第一测量量和第二测量量归一化到黑体校准；在特定时间测量环境温度；以及针对环境温度针对环境温度对测量设备的影响来校正商。
计算特定时间的dT/dt值可包括：在包括特定时间的多个不同时间中的每一个处测量所述测量表面温度；对对应多个测量表面温度进行曲线拟合以获得随时间(t)变化的身体的表面的温度(T)的函数，所述时间(t)包括特定时间；对温度(T)的函数进行微分以获得相对于时间的温度导数(dT/dt)；以及通过评估特定时间的dT/dt来计算dT/dt值。
所述方法还可包括：通过针对多个不同时间中的每一个计算dT/dt值并计算差来生成物质浓度与商的相关性。所述方法包括：在统计学上使对应多个dT/dt值的多个差平滑以校正多个差，并提供dT/dt(f(dT/dt))的函数，所述函数产生在0与1之间的当脱离玻耳兹曼平衡时放射或吸收光子的物质浓度的分数。针对多个不同时间中的每一个，所述方法包括：通过评估相应dT/dt值的f(dT/dt)并计算商来计算f(dT/dt)值，其中所述对应f(dT/dt)值作为所述除数。所述方法包括：使身体内物质的浓度与多个商相关。
另一种物质浓度分析方法包括：通过使用元件根据由元件接收的信号加热或冷却以诱导身体的表面的温度(T)随时间(t)推移变化，然后允许所述表面进行温度恢复，并产生在所述温度恢复期间随时间(t)变化的温度(T)的函数，以便展现出相对于时间的温度导数(dT/dt)。所述方法包括：在所述温度恢复期间随时间(t)推移测量所述身体的所述表面的温度(T)并计算所述dT/dt；在所述温度恢复期间在所述身体的所述表面展现出所述dT/dt时测量由所述身体吸收或从其放射的中红外(MIR)辐射；基于所述MIR辐射测量结果和所述dT/dt计算测量值；以及基于与所述测量值的相关性计算所述身体内物质的浓度。
举例来说，本发明方法可包括本文其他方法的特征。所述方法可包括：计算测量MIR辐射的时间的dT/dt值。允许表面进行温度恢复可在没有元件的加热或冷却的情况下进行。测量值可与葡萄糖浓度相关。测量MIR辐射可包括：在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间测量MIR辐射，所述测量在第一波长带内进行，在所述第一波长带内，物质对MIR放射有影响；以及在正dT/dt期间在所述温度下测量参考MIR辐射，所述测量在第二波段内进行，在所述第二波长带内，物质对MIR放射没有影响或具有可忽略的影响。
一种被配置来实施本文的任何方法的物质浓度分析设备包括：壳体；至少一个MIR检测器，其附接到所述壳体；环状加热和/或冷却元件，其附接到所述壳体；处理器，其控制所述MIR检测器和所述环状加热和/或冷却元件；以及透射窗口结构，其与所述环状加热和/或冷却元件直接热连通并且附接到所述壳体，使得所述MIR检测器的视线穿过所述透射窗结构。
举例来说，本发明设备可包括本文针对其他设备讨论的特征。而且，透射窗口结构可展现出大于1,000瓦/米-开尔文(W/m-K)的导热系数。虽然上面讨论的锗和铝分别展现出约50W/m-K和180W/m-K的热导系数，但化学气相沉积金刚石(CVDD)展现出约1,800W/m-K的热导系数。使用与加热和/或冷却元件直接热接触的具有更高导热系数的透射窗口结构允许到皮肤的更快热传递。而且，跨窗口的温度分布更均匀。这些特征允许提高测量准确度。
参考图2，描绘了用于连续地或不连续地监测身体中物质的浓度的系统的实施方案并将其总体标示为200。系统200包括一个或多个印刷电路板(PCB)210、壳体220、电池222、第一MIR检测器230、第二MIR检测器231、二色分光镜234以及加热和/或冷却窗口组件250。系统200可对应于用于测量身体内葡萄糖的浓度的设备。
壳体220可以检测构型将MIR检测器230-231和二色分光镜234固持在一起。这样，壳体220可充当用于定位MIR检测器230、231和二色分光镜234的准确机械参考。壳体220可进一步由传导热量的材料制成，以便充当散热器，从而使系统200的部件的温度稳定。例如，壳体220可由铝或铝合金制成。
第一MIR检测器230和/或第二MIR检测器231可包括预组装传感器和光学元件(未示出)。例如，光学元件可包括透镜，并且可将原IR辐射聚焦在传感器上以便检测辐射。在其他实施方案中，光学元件可以是窗口。
一个或多个PCB 210可包括前置放大器、微处理器、发射器、接收器以及任何其他电气部件以实现控制器，例如，控制器110。电源222可包括可再充电锂离子类型的电池，并且可定位在系统200的边缘附近以使得易于触及以便更换。加热和/或冷却窗口组件250可对应于加热和/或冷却窗口组件150并且参考图4得到进一步描述。
参考图3，描绘了检测构型的实施方案并将其总体标示为300。例如，图3示出第一MIR检测器230、第二MIR检测器231和二色分光镜234的构型。第一MIR检测器230和第二MIR检测器可包括热电堆检测器以检测MIR光谱内的光。
如图3所描绘，第一MIR检测器230可通过二色分光镜234从测量区域280接收的IR辐射。第二MIR检测器231可通过二色分光镜234接收相同IR辐射。MIR检测器230、231两者在二色分光镜234之后具有组合视场。例如，MIR检测器230、231两者都接收来自同一测量区域280的辐射。
第一MIR检测器230可被配置来检测第一波长带(例如，峰值带)内的MIR辐射。第二MIR检测器231可被配置来检测第二波长带(例如，参考带)内的MIR辐射。
参考图4，描绘了加热和/或冷却窗口组件的实施方案并将其总体标示为400。组件400包括透射窗口结构452、导热环454以及加热和/或冷却元件456。
加热和/或冷却元件456可以是环状的并且可附接到导热环454。在一些实施方案中，使用导热粘合剂将加热和/或冷却元件456附接到导热环454。此外，在一些实施方案中，加热和/或冷却元件456是珀耳帖元件。
导热环454可比加热和/或冷却元件456厚，这样导热环454的内半径可小于加热和/或冷却元件456的内半径。在一些实施方案中，导热环454包含铝或铝合金。
透射窗口结构452可附接到导热环454的内侧。另外，透射窗口结构452可具有下调台阶外环(outer down step ring)，以使得导热环454的表面408能够与透射窗口结构452的表面409在壳体220外部沿着单个平面对齐并维持对齐。
在操作期间，表面408、409可接触身体的表面。在一些实施方案中，透射窗口结构由MIR范围内的光基本上可透过的材料制成。例如，透射窗口结构可包含锗、硅或两者。
加热和/或冷却窗口组件400可对应于组件250，并且在一些实施方案中，可附接到壳体220。例如，加热和/或冷却元件456、导热环454或两者可附接到壳体220。当附接到壳体时，透射窗口结构452可被定位成使得MIR检测器230、231的视线穿过透射窗口结构452。
参考图5，描绘了用于连续地或不连续地监测身体中物质的浓度的系统的实施方案并将其总体标示为500。系统500可包括PCB组件510、MIR检测器530、滤色轮532、加热和/或冷却元件556、导热板554以及透射窗口结构552。
系统500的部件可由金属基部520附接或以其他方式固持在适当地方。金属基部520可由导热材料诸如铝制成。金属基板520可进一步联接到壳体512，壳体512可封闭系统500的内部部件。系统500的部件可由电池522供电，电池522可由电池盖524固持在适当地方。在一个实施方案中，电池522是可再充电锂离子可再充电类型的电池。
PCB组件510可包括前置放大器、微处理器、发射器、接收器以及任何其他电气部件以实现控制器，例如，控制器110。MIR检测器530可联接到PCB组件并且可被定位在滤色轮532上方。在一些实施方案中，MIR检测器530可包括热电堆传感器以及锗或硅透镜。
滤色轮532可包括限定在其中的多个腔534。多个腔534可固持多个滤光器。例如，多个腔534可固持传递在第一波长带内的光同时阻断不在第一波长带内的光的第一滤光器，在第一波长带内，物质影响MIR放射或吸收。多个腔534还可固持传递在第二波长带内的光同时阻断不在第二波长带内的光的第二滤光器，在第二波长带内，物质对MIR放射或吸收没有影响或具有可忽略的影响。
另外，在一个或多个实施方案中，多个腔中的一个或多个可固持黑体装置，所述黑体装置将用作参考以使MIR检测器530的连续或不连续测量稳定。滤色轮532内的滤光器可被配置成使得当滤色轮532旋转时，MIR检测器530的视线选择性地与滤光器和黑体装置中的一个对齐。电机514可接触滤色轮532的周边以使滤色轮532旋转。
导热板554可保持透射窗口结构552。导热板554和透射窗口结构552一起可形成表面，所述表面在系统500的操作期间可接触身体的表面。为此，透射窗口结构552的外表面可与导热板554的外表面在壳体512外部沿着单个平面对齐。
加热和/或冷却元件556可具有环形形状并且可联接到导热板554。在一些实施方案中，导热板包含铝或铝合金。加热和/或冷却元件556可包括限定在其中以供MIR光穿过的开口。散热器557可联接到加热和/或冷却元件以控制温度并提供温差。另外，尽管图5中未描绘，但在一些实施方案中，滤色轮532可包括风扇叶以产生与散热器557接触的空气流。在一些实施方案中，加热和/或冷却元件可以是珀耳帖元件。
如图5中所描绘，滤色轮530的多个腔534可具有弧形形状(例如，弯曲或弓形形状)。弧形形状可使得能够在多个腔534中的每个腔旋转出MIR检测器530的视场之前通过固持在所述腔中的特定滤光器或黑体装置执行多次测量。
在操作期间，滤色轮532可以约20转/分钟(RPM)进行旋转。在这个速度下，可通过由多个腔534固持的每个滤光器进行五次与六次之间的测量。另外，在测量期间，导热板552可以近似60秒的周期和近似1开氏温度的幅值冷却和/或温暖身体的表面。
参考图6，描绘了用于图5的系统的另一种窗口组件的实施方案并将其总体标示为600。在这个实施方案中，窗口610在没有金属接口的情况下直接附接到珀耳帖元件620。640是绝热塑料壳，这样，从窗口到其他物质(除了皮肤)的热传递极小。散热器630附接在珀耳帖的上部部分上，以便将珀耳帖的上部部分的温度保持在房间环境温度下。散热器可由铝或铜制成。
应理解，关于单独实施方案所描述的特征的细节可在一致且适当时用于本文所述的其他实施方案的类似特征，即使在描述其他实施方案时未明确指示。
依照法规，已关于结构和方法特征以或多或少特定的语言描述实施方案。然而，应理解的是，实施方案不限于所示和所述的具体特征。因此，根据等同原则，要求保护在适当解释的所附权利要求书的适当范围内呈任何实施方案形式或变化的实施方案。
附图的附图标记的表
100系统 400窗口组件 600窗口组件
110控制器 408环表面 610窗口
112处理器 409窗口表面 620珀耳帖元件
114存储器 452透射窗口结构 630散热片
122电源 454导热环 640塑料壳
124显示装置 456加热/冷却元件 810信号波
126无线发射器 500系统 820温度波
130 MIR检测器组件 510 PCB组件 830信号波
150加热/冷却窗口组件 512壳体 840温度波
170附接机构 514电机
200系统 520金属基部
210PCB 522电池
220壳体 530 MIR检测器
222电池 532滤色轮
230 MIR检测器 534腔
231 MIR检测器 552透射窗口结构
234分光镜 554导热板
250加热/冷却组件 556加热/冷却元件
280测量区域 557散热片
300构型

Claims (20)

1.一种物质浓度分析方法，其包括：
计算随时间(t)变化的身体的测量表面温度(T)的函数的温度相对于时间的导数(dT/dt)在特定时间的dT/dt值；
计算由身体吸收或从其放射的在第一波长内的第一测量中红外(MIR)辐射量与由所述身体吸收或从其放射的在第二波长内的第二测量MIR辐射量之间在所述特定时间的差；
计算包括基于所述差的被除数除以基于所述dT/dt值的除数的商；以及
基于与所述商的相关性计算所述身体内物质的浓度并将所述浓度输出给用户。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述商与葡萄糖浓度相关。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述除数是dT/dt(f(dT/dt))的函数的值，所述函数产生在0与1之间的在所述dT/dt值下在脱离玻耳兹曼平衡时放射或吸收光子的所述物质浓度的分数。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述商的计算包括计算一系列(x,y)值的斜率值，其中x值是所述除数，并且y值是在所述表面展现出所述dT/dt时随时间推移测量的所述被除数。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：
在所述特定时间测量由所述身体吸收或从其放射的在所述第一波长内的所述第一测量MIR辐射量；
在所述特定时间测量由所述身体吸收或从其放射的在所述第二波长内的所述第二测量MIR辐射量；以及
在所述特定时间测量所述测量表面温度。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述物质对所述第一波长内的MIR放射或吸收有影响，并且对所述第二波长内的MIR放射或吸收没有影响或具有可忽略的影响。
7.如权利要求6所述的方法，其中测量所述第一测量量、所述第二测量量和所述测量表面温度在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间进行。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括：
将所述第一测量量和所述第二测量量归一化到黑体校准；
在所述特定时间测量环境温度；以及
针对所述环境温度针对环境温度对测量设备的影响校正所述商。
9.如权利要求1所述的方法，其中计算所述特定时间的所述dT/dt值包括：
在包括所述特定时间的多个不同时间中的每一个处测量所述测量表面温度；
对所述对应多个测量表面温度进行曲线拟合以获得随时间(t)变化的所述身体的所述表面的温度(T)的函数，所述时间(t)包括所述特定时间；
对所述温度(T)的函数进行微分以获得相对于时间的温度导数(dT/dt)；以及
通过评估所述特定时间的所述dT/dt来计算所述dT/dt值。
10.如权利要求1所述的方法，其还包括：
通过针对多个不同时间中的每一个计算所述dT/dt值并计算所述差来生成所述物质浓度与所述商的相关性；
在统计学上使所述对应多个dT/dt值的所述多个差平滑以校正所述多个差；
提供dT/dt(f(dT/dt))的函数，所述函数产生在0与1之间的在脱离玻尔兹曼平衡时放射或吸收光子的所述物质浓度的分数；
针对所述多个不同时间中的每一个，通过评估所述相应dT/dt值的f(dT/dt)并计算所述商来计算f(dT/dt)值，其中所述相应f(dT/dt)值作为所述除数；以及
使所述身体内物质的所述浓度与所述多个商相关。
11.一种物质浓度分析方法，其包括：
通过使用元件根据由所述元件接收的信号加热或冷却以诱导身体的表面的温度(T)随时间(t)推移变化，然后允许所述表面进行温度恢复，并产生在所述温度恢复期间随时间(t)变化的温度(T)的函数，以便展现出相对于时间的温度导数(dT/dt)；
在所述温度恢复期间随时间(t)推移测量所述身体的所述表面的温度(T)并计算所述dT/dt；
在所述温度恢复期间在所述身体的所述表面展现出所述dT/dt时测量由所述身体吸收或从其放射的中红外(MIR)辐射；
基于所述MIR辐射测量结果和所述dT/dt计算测量值；以及
基于与所述测量值的相关性计算所述身体内物质的所述浓度。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括：计算测量所述MIR辐射的时间的dT/dt值。
13.如权利要求11所述的方法，其中允许所述表面进行温度恢复在没有所述元件的加热或冷却的情况下进行。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述测量值与葡萄糖浓度相关。
15.如权利要求11所述的方法，其中测量MIR辐射包括：
在正dT/dt(向上倾斜的温度变化)期间测量MIR辐射，所述测量在第一波长带内进行，在所述第一波长带内，所述物质对MIR放射有影响；以及
在所述正dT/dt期间在所述温度下测量参考MIR辐射，所述测量在第二波长带内进行，在所述第二波长带内，所述物质对MIR放射没有影响或具有可忽略的影响。
16.一种物质浓度分析设备，其包括：
壳体；
至少一个MIR检测器，其附接到所述壳体；
环状加热和/或冷却元件，其附接到所述壳体；
导热环，其与所述环状加热和/或冷却元件热连通；以及
透射窗口结构，其附接到所述壳体，使得所述MIR检测器的视线穿过所述透射窗口结构，所述透射窗口结构的表面和所述导热环的表面在所述壳体外部沿着同一平面对齐。
17.如权利要求16所述的设备，其还包括无线发射器，所述设备被配置来通过所述无线发射器向远程装置发送警告输出以显示警告，所述远程装置包括移动电话，并且所述警告输出指示所述远程装置将要联系紧急服务。
18.一种物质浓度分析设备，其包括：
壳体；
至少一个MIR检测器，其附接到所述壳体；
环状加热和/或冷却元件，其附接到所述壳体；
控制器，其被配置来控制所述MIR检测器和所述环状加热和/或冷却元件；以及
透射窗口结构，其与所述环状加热和/或冷却元件直接热连通并且附接到所述壳体，使得所述MIR检测器的视线穿过所述透射窗口结构。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述透射窗口结构展现出大于1,000瓦/米-开尔文的导热系数
20.如权利要求18所述的设备，其还包括无线发射器，所述设备被配置来通过所述无线发射器向远程装置发送警告输出以显示警告，所述远程装置包括移动电话，并且所述警告输出指示所述远程装置将要联系紧急服务。
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