CN1211735A - 生物体测量方法及其使用装置 - Google Patents

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Abstract

一种生物体测量方法及其使用装置,在测量前探测被测部位的当前物体温度或当前环境温度,被测出的当前物体温度(t0)、当前环境温度(T0)或一预先取得的被测物的光热传导温度(T1)被视为用一控温系统(16)控制探头(14)温度的目标温度水平,当探头(14)的温度达到目标温度水平时,它与被测物(12)接触,以用发自嵌入探头(14)的一光纤维件(15)的光照射被测物(12)并测量被测物(12)的物理参数。

Description

生物体测量方法及其使用装置
本发明涉及一种通过将测量物理参数的探头与一生物体相接触而进行测量的接触式非刺入测量方法及其使用装置。特别涉及一种用一邻近红外线区域的光辐射人体并通过由此产生的人体发出光(包括诸如传导光、散射光和反射光在内的从生命体发出的全部光)而测量人体内的物理参数，如血糖浓度、血氧饱和度等等的非刺入测量方法及其使用装置。
目前，在医学临床试验中已经采用了一种用光照射生命体并利用相应的发出光测量血氧饱和度和血糖含量的非刺入测量方法。
为了测量一生命体诸如人体的一物理参数，如血液成分，必需通过一测量设备以某种形式获得与被测人体的体表的相互作用。比如，通过光吸收原理进行测量时就需要用光照射人体。在采取其它非光照射的测量方法时，同样也存在与被测物的相互作用。
在一种直接将探头与被测物接触的接触式测量方法中，可以想象得出，如果因探头与被测物的直接接触而对被测物产生的作用不被遏制在最小，则测量误差就会增加。特别是，在象人体这样的生命体中，测量方法对其产生的身体上或精神上的作用随着人体的平衡状态与探头的状态之间的差异而发生变化。对于该差异，可以想象到不管被测人本身清醒与否，一种变化到一个新的平衡状态的调整功能将改变测量数值。也可以想象到该调整过程会对物理性能的测量产生干扰从而影响测量值。
更具体地说，在将探头与被测人体相接触的接触式测量方法中，探头的温度与周围环境温度和被测人即人体的温度均不同。在这种情况下，当探头与人体接触时，可以想到对被测物进行温控的调整功能就会通过人体内的热传导机制或类似机制起作用以获得新环境下的平衡态。还有，不管周围环境如何，人体的表面温度变化取决于温度控制性能。可以想到热传导过程与稳定所需的时间一样，随着人体与同被测物接触的探头及环境之间的温差而变化。另外，还可以想到如果与人体接触的探头温度与人体所熟悉的环境的温度不同，人体会感到冷且产生精神上作用，导致生理现象上的有意识或无意识的影响。
在人体测量中，在现有技术条件下上述影响还大量不为人所了解。换句话说，现在还很难掌握诸如热传导等各类机制造成了什么内在影响或导致了何种精神上的变化，可以说在现有技术条件下是难以确知的。特别是，在对血糖浓度等微小量浓度进行测量的光学非刺入测量中，正常产生的信号极弱，因此温差产生的影响会降低信噪比，并使得信号的抽取变得更加困难。目前这是阻碍非刺入血糖测量精确度提高的原因之一。
表1所示为一组对一人手的脂肪测量值。
手的表面温度(℃)     脂肪率(％) 脂肪量(kg) 组织量(kg)
    25.532.734.036.0     19.815.817.319.0     14.811.812.914.2     60.163.162.060.7
上述结果是通过人为改变手温得到的，很难相信，脂肪率仅随手温而发生变化。所以，应考虑到脂肪率测量值的误差受相当于干扰的人为温控所导致的生物变化及因温度变化所引起的吸收率的变化的影响。
PCT国际公开公报No.WO95-06431中在第24页上描述了通过增加测量装置的温度使之超过体温从而增加与测量装置相接触的被测部位的血流量的方法。然而，当按该方法人为提高温度后，从血流量增加的事实可知生物体从一种基本稳定状态变为不同的状态，考虑到测量数据的复验性，这种结果不理想。
人们知道光吸收率随温度变化。例如对于水，1978年5月15日的《化学物理期刊》第68期第10页上给出了水的吸收光谱的变化，如图1所示。
图1所示为测试水的吸光量有多少随温度发生变化所得的数据。测试中采用了一个光程为1mm的细胞，通过将水温从20℃提升到48℃，以测量水的吸收光谱，并显示出传输能量的变化。例如，在波数6000cm-1处的能量变化比为0.93％/℃。
相反地，图2所示为一种试验用糖溶液的传输吸收量的测量，以推知血糖水平的光学测量导致多少吸收光量的变化。例如，在吸光波数为1679nm(约6000cm-1)时对应于糖浓度变化10000mg/dl的光强度的相对变化约为2.5％。因为在人体的生物学变化范围中，糖浓度的变化幅度是400mg/dl，所以根据糖的光吸收强度的相对变化，吸收光量的相对变化只能是0.1％。换句话说，温度变化1℃导致的吸收光量的相对变化是糖浓度的正常变化范围中的吸收光量相对变化的9.3倍。
图3A至3D所示为在相同比例尺寸下，基于一有机体的温度变化所产生的散射光量的变化。试验中，用光照射一只手上的一根手指以测量散射光量。
图3A所示为将手指置于空气中，处于非接触状态下的测量结果。在此例中，环境温度为24.8℃，此时手指与环境温度处于一种平衡状态，且与周围介质的热交换很缓慢。散射光量的增减变化很小。
图3B为将手指与一温度控制在24.8℃的金属块相接触所得到的测量结果。在此例中，热量从手指流向金属块以改变手指的温度。测量进行了两次，每一次散射光量的增减都非常大。
图3C为将手指与一温度控制在38.6℃的金属块相接触所得到的测量结果。在此例中，因金属块的温度与手指的温度相近似，热量的转移很小。散射光量的增减小但大于图3A中的测试结果。
图3D所示为将手指与一温度控制在1.6℃的金属块相接触所得到的测量结果。在此例中，因为在手指和金属块之间存在一个大的温差，所以热量转移很大。散热光量的增减大于图3C中试验所观察到的结果。
如此即证明了在进行接触式非刺入测量中，一光测量值随着被测物和与之相接触的探头等类似物之间温差的变化而发生变化。
本发明的目的是通过有机体与一种接触式非刺入测量方法所用的测量探头相接触，以减少对作为被测物的有机体的影响而获得测量数据的稳定性。
本发明提供一种接触式非刺入测量方法，将一用来测量物理参数的探头与一有机体相接触而进行测量。根据本发明的第一方面，该方法包括的步骤有，在紧接着测量开始前测出有机体的被测部位的温度，并视之为当前物体温度，将当前物体温度视为探头的一个目标温度水平，并控制探头的温度，在使探头达到当前物体温度后保持一个稳定温度的持续的温度控制过程中，将探头与有机体的被测部位相接触以进行物理参数的测量而同时继续进行温度控制，从而使探头在达到当前的物体温度后仍保持稳定。
根据本发明的第二方面，该方法包括的步骤有在紧接着测量开始前测出被测部位的环境温度并视之为当前环境温度，并将当前环境温度视为探头的目标温度水平，在使探头在达到当前环境温度后能保持一个稳定温度的持续的温度控制过程中，将探头与有机体的被测部位相接触以进行物理参数的测量。
根据本发明的第三方面，该方法包括的步骤有预先取得使有机体的被测部位的被测物理参数处于稳定态的温度作为物理参数测量温度，将物理参数测量温度作为探头的目标测试水平，在使探头在达到物理参数测量温度后保持一个稳定温度的持续的温度控制过程中，将探头与有机体的被测部位相接触以进行物理参数的测量。
物理参数测量温度是对应于被测部位(内部和外部)处于最稳定状态的环境温度。因为可以想象到物理参数测量温度随被测部位或一被测人而变化，所以必须预先取得每一个对应于被测部位和被测人的物理参数测量温度。通过将人体的被测部位的温度控制在不同的目标温度水平中，在每一个温度值下用光照射有机体，并测量有机体因光照射所产生的发出光的光量稳定性可取得物理参数测量温度。预先取得使测量数据稳定的温度，并将其定为被测部位或被测物的物理参数测量温度。
在设定物理参数测量温度过程中，必须考虑以下两点：
(1)假设被测物是人体，不论是不同温度的被测物被控温在相同的目标温度水平下还是相同温度的被测物被控温在不同的目标温度水平下，从人体表面到人体内部的温度梯度都是变化的，随后，因在容积或类似参数之间存在差异而对细胞组织造成的物理影响会产生光的散射态的变化，则测量结果就随着对测量精确度造成的影响而发生变化。为了遏制这种变化，必需在某一方向上进行温度控制以固定温度梯度。如果例如在目标温度水平与被测物温度之间温差为3℃时，一测量结果的稳定性极佳，则如被测物温度是36℃，目标温度水平就被设定为39℃，而如果被测物的温度是30℃则目标温度水平就被设定在33℃以进行温度控制。
(2)即使在与环境处于平衡状态的温度下，如果从人体表面到人体内部的温度梯度是不适当的，则也可能会产生一种生物学上的不稳定状态，并可能会降低测量数据的稳定性，影响测量的精确性。
所以，就需要在设定物理参数测量温度时专门考虑上述(1)、(2)两点而选择稳定测量数据的温度。
本发明还提供一种用来实现上述方法的测量装置。根据本发明的第四方面，一个与一有机体相接触以按非刺入方式测量物理参数的探头；一个探测有机体的被测部位或其周围的温度的第一温度传感器；设置在探头上的加热/冷却结构；设置在探头上实现探头温度探测的第二温度传感器；及一个温度控制器，它将由第一温度传感器探测的温度作为探头的目标温度水平并控制探头的温度，从而使第二温度传感器探测到的温度达到目标温度水平。
根据本发明的第五方面，在本发明的第四方面中所述的测量装置用其第一温度传感器探测有机体被测部位或其周围的温度时，该测量装置要预先存入一个稳定一有机体被测部位的物理参数测量值的温度作为一个物理参数测量温度。测量装置将该物理参数测量温度作为一个探头的目标温度水平，并控制探头的温度达到目标温度水平。
本发明中的测量装置在紧接着测量之前探测被测部位的温度或被测部位的环境温度，或在进行当探头温度达到目标温度水平后使之与有机体接触的接触式非刺入测量中，测量装置预先取得和存入物理参数测量温度，由此，因与探头接触对作为被测物的有机体造成的影响被减少，并使测量数据变得稳定。
前面所描述的，连同本发明的其它目的、特征、方面和优点将通过下面结合附图对本发明的详细描述变得更加明显。
图1为显示水的吸光率随温度变化的光谱图；
图2所示为一种糖溶液的传输吸收光谱；
图3A至3D所示为基于一有机体的温度变化产生的散射光量变化的结果；
图4A、4B和4C所示分别为在测量前探测一被测部位当前物体温度或当前环境温度，控制一探头温度以达到图4A中的测量温度或达到一个预先取得的物理参数测量温度，和进行物理参数测量的各步骤；
图5为使用水作为探头的本发明的示意图；
图6为本发明的使用固体探头的一实施例中的温度控制方法的示意图；
图7为本发明的使用液体探头的一实施例中的温度控制方法的示意图；
图8为本发明中的测量装置的方框图；
图9为本发明的包含一完整球型探头的一实施例的方框图。
图4A至4C所示的实施例中，一光纤维件被嵌入一金属的三角框架内作为一个测量物理参数的探头。一有机体的一被测部位被光纤维件发出的光照射从而使从被测部位发出的光再次进入光纤维件并被探测。
图4A所示的在测量前探测被测部位的当前物体的温度或探测当前环境温度的步骤“a1”或“a2”。在用来探测当前物体温度的步骤“a1”中，在紧接着一个物理参数的测量前，将一温度传感器10与作为被测物的一根手指12相接触以探测手指12的温度并将其视为当前物体温度(t0)。另一方面，在用来探测当前环境温度的步骤“a2”中，在紧接着一个物理参数的测量前，用温度传感器10探测手指12周围的环境温度以将其作为当前环境温度(T0)。
图4B所示为控制探头14的温度达到图4A中的步骤“a1”或“a2”中探测出的当前物体温度(t0)或当前环境温度(T0)或一个预先取得的被测物的物理参数测量温度(T1)的目标温度水平的步骤。一个温度控制系统16控制探头14的温度达到当前物体温度(t0)、当前环境温度(T0)或物理参数测量温度(T1)的目标温度水平。
图4C为当探头14温度达到目标水平时将其接触被测物12以测量物理参数，用嵌在探头14里的光纤维15发出的光照射被测物12并测量被测物12的物理参数的步骤。
温度控制系统16包括一个温度控制器，一个驱动器和一个加热/冷却元件。
图5所示为采用一种液体如水作为探头的一实施例。一容器20贮存水22以浸渍作为被测物的手指12。图4A所示的当前物体温度(t0)或当前环境温度(T0)或物理参数测量温度(T1)被采用作为温度控制系统16的目标温度水平，以控制贮存在容器20内的水22的温度，使之达到目标温度水平。当水22温度达到目标温度水平后，将用于水22中光测量的光纤维探头25发射出的光照射手指12以测量由此产生的发出光。
图6为图4C中的固体探头10的具体实施例。一加热珀尔帖元件32和一冷却珀尔帖元件34被设置在一加热/冷却金属方框30上。温度控制系统16利用珀尔帖元件32和34通过其输出控制加热和冷却。一温度传感器36被设置在框30上，一股电流通向珀尔帖元件32和34，以使方框30的温度达到一目标温度水平。
在珀尔帖元件32或34中，加热和冷却可以通过电流的通电方向的改变进行转换。所以，在图6所示的实施例中，珀尔帖元件32和34可以被一单个珀尔帖元件所取代。
图7所示为采用一种液体作为图5中所示的探头所使用的温度控制方法的具体实施例。一加热器40和一温度传感器42被浸在贮存于容器20内的水22中，从而一条冷却水供应路径44可以通过一转换阀46为冷却提供冷水。为了调整容器20中的贮水量，水22可以通过转换阀48从容器20中被排放出来。
水温根据温度传感器42的输出被控制以达到被输入温度控制系统16的当前物体温度(t0)、当前环境温度(T0)或物理参数测量温度(T1)。供给加热器40的电流值被控制用来加热，阀46被打开为冷却提供冷水，同时，阀48调整水量。
图8为本发明的测量装置的示意图。
一光谱部分52从包括诸如卤灯的光源部分50发射出的光中选择一预定的波长。光谱部分52可以由诸如声一光可调滤波器(AOTF)制备。该声光可调滤波器是一光谱元件，包括一声光晶体上的声波转换器，它能够通过改变由声波转换器提供给光学晶体的声波频率〔射频(RF)〕进行光谱分析。探头54被用来以选定波长光照射一被测部位。探头54包括一具有与诸如被测部位相同形状的空间的定位探头，从而使被测部位与该空间配合并固定，和包括一设置在定位探头上以用光照射被测部位的光纤部件的测量探头。一感光部分56采用了例如一电子冷却系统的感光器pbs用于探测来自被测部位并被探头54接收的发出光。
探头54包括用于加热和冷却的珀尔帖元件和一个类似于图6中方框30的温度传感器，因此，加热和冷却可以通过一温度控制系统的输出进行控制。
一驱动·数据处理·显示和计算部分58包括一数据处理部分，一计算部分和一显示器。数据处理部分电力驱动光源部分50、光谱部52和感光部分56，控制探头54的温度并对感光部分56探测出的数据进行必要的数据预处理。计算部分对处理后的数据进行多变量分析并计算，比如计算血糖浓度等。显示器输出并显示计算出的血糖浓度等类似项目的测量结果。
图9所示为包括一完整球型探头54a的实施例。完整球探头54a包括有接收在光谱部分52内被光谱分离并被一部件上的镜子60反射的光的入口62，在对着入口62的完整球64的某一位置处开设开口以使作为被测物的手指12能被压向开口。完整球64还具有一进行光探测的探测器66，从而由探测器66接收并探测到的光被转换成电信号并被传输给测光部分68。
探头54a由金属制成并具有珀尔帖元件(图中未示)和一温度传感器(未示)，它们与图6中进行温度控制的那些部件相同。且一温度控制系统控制探头54a的温度达到当前物体温度(t0)、当前周围温度(T0)或物理参量测量温度(T1)。
当采用这样的一个完整球探头54a时，可以有效地收集和接收来自被测部位的发出光，这必然适合于探测诸如在一血糖水平测量系统中的信号的一类弱信号。
尽管前面我们已详细地描述和展示了本发明，但很清楚那些仅仅是例子，因为本发明的精神和保护范围只限于所附的权利要求，所以不能只受上述展示的局限。

Claims (14)

1、一种接触式非刺入测量方法，将用于物理参数测量的探头与一有机体接触以进行测量，其特征在于：它所包括的步骤有：
为所说的探头设定一目标温度水平；
控制所说的探头的温度以达到所说的目标温度水平；
在所说的探头达到所说的目标温度水平后持续控制温度以使探头的温度固定在所说的目标温度水平上，同时将所说的探头与所说的有机体的被测部位相接触以进行物理参数的测量。
2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：它还包括在紧接着测量前探测所说的有机体的所说的被测部位的温度作为当前物体温度并视之为所说的目标温度水平。
3、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：它还包括在紧接着测量前探测所说的有机体的所说的被测部位的周围温度作为当前环境温度并视之为所说的目标温度水平。
4、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：它还包括预先探测一个稳定所说的有机体的所说的被测部位的物理参数测量值的一物理参数测量温度并视之为所说的目标温度水平。
5、根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：它还包括预先取得每一个对应于被测部位或被测人的所说的物理参数测量温度值。
6、根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：它还包括有通过温度控制所说的有机体的所说的被测部位处于几种不同的目标温度水平，在每一个温度下用光照射所说的有机体，并测量由所说的光导致的所说的有机体发出的光的光量稳定性而取得所说的物理参数测量温度作为稳定测量数据的温度。
7、一种有机体测量装置，其特征在于：它包括：
一个与一有机体接触并以非刺入方式测量一物理参数的探头；
一设置在所说的探头上的加热/冷却装置；
一设置在所说的探头上的用于探头温度探测的温度传感器；和
一用所说的加热/冷却装置控制所说的探头的温度从而由所说的温度传感器探测出的温度达到一目标温度水平的温度控制器。
8、根据权利要求7所述的有机体测量装置，其特征在于：它还包括探测所说的有机体的一被测部位或有机体的周围的温度并以之作为所说的探头的所说目标温度水平的另一个温度传感器。
9、根据权利要求7所述的有机体测量装置，其特征在于：它还包括一个预先贮存一稳定所说的有机体的一被测部位的物理参数测量值的温度作为一物理参数测量温度，并将该物理参数测量温度作为所说的探头的所说的目标温度水平的记忆装置。
10、根据权利要求7所述的有机体测量装置，其特征在于：所说的探头是通过将一用于测量所说的物理量的光纤件嵌入一金属方框，以用发自所说的光纤件的光照射所说有机体的一被测部位从而使所说的被测部位的发出光再次进入所说的光纤件并被探测而制成的。
11、根据权利要求10所述的有机体测量装置，其特征在于：所说的探头的所说的金属方框是由热传导金属制成并具有一珀尔帖元件以使所说的温度控制器通过所说的珀尔帖元件控制所说的金属方框的加热和冷却的。
12、根据权利要求7所述的有机体测量装置，其特征在于：所说的探头是通过向一种被控制温度的液体里的光学测量提供一光纤件，以使一被测物被浸于所说的液体中并被所说的光纤件发出的光照射且由此产生的发出光被探测而被制备的。
13、根据权利要求12所述的有机体测量装置，其特征在于：一加热器和所说的温度传感器被浸于所说的探头的所说的液体中，且还开设有一条通过一转换阀为冷却提供冷水的冷却水供应路径。
14、根据权利要求7所述的有机体测量装置，其特征在于：一光入口被设置在一完整球型探头的一部位上，一个被测物压向的开口被开设在与所说的入口相对的一位置处，用来光探测的探测器被设置在另一位置，同时一用于温度控制的珀尔帖元件和所说的温度传感器被设置在所说的金属探头上。
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