CN1384348A - 无创动脉血液成分测量仪器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

无创动脉血液成分测量方法及其实施仪器,涉及一种血液成分测量方法及仪器,特别涉及一种无创动脉血液成分测量方法及其实施仪器。为提供能准确无创地对血液成分进行测量的方法及其实施仪器,本发明采用的技术方案为,无创动脉血液成分测量方法包括以下步骤:用宽带光束照射被测物,然后,用分光装置将透射光引导至光敏传感器,再将光敏传感器转换的信号输送至计算机进行处理。本发明测量准确,能消除个体、脉搏幅值和动脉血液充盈等差异对测量的影响,操作方便,可同时测量多种血液成分。

Description

无创动脉血液成分测量仪器及其测量方法

                              技术领域

本发明涉及一种血液成分测量方法及仪器，特别涉及一种无创动脉血液成分测量仪器及其测量方法。

                              背景技术

血液成分，如血氧、血糖、血乳酸等的无创检测，对于疾病的诊断和治疗，其重要性和巨大价值是毫无疑问。不仅于此，实现血液成分的无创检测，在信号传感、检测与处理也有极大的学术意义和价值。

1977年美国科学家Jobsis首次报道了用近红外光观察成年猫脑内氧合血红蛋白、还原血红蛋白和细胞色素c的含量变化的实验结果，揭示了近红外光(700-1300nm)在生物组织内较低的衰减率和用近红外光谱法无创监测组织血氧浓度的可行性。鉴于这一新的无创伤测量方法的极其诱人的应用前景，研究者们做了大量的动物的和人体的实验，从多方面验证了用近红外光谱法监测组织血氧浓度的临床意义。随后，英国London大学的Delpy，美国Duke大学的Jobsis，日本Hokkaido大学的Tamura，Yamamoto，以及日本Omron公司的Shiga等从Lambert-Beer定律出发，通过模型、动物以及人体实验，提出来若干种由吸光度变化推算组织的血氧浓度变化量的演算公式。在测量装置的开发上出现了用普通发光管LED取代激光光源的便携式组织血氧计。然而，由于目前的方法只能给出血氧浓度的变化量或变化趋势且缺乏通用性，所以都未能进入临床应用。

80年代，Dhne首次提出了应用近红外分光法进行人体血糖浓度的无创伤测量的方法。近15年以来，美国的Futrex公司，Bio-control公司，New-mexico大学，Iowa大学，西德的Medscience公司，日本的三井金属，日立制作所，松下电器等公司都在这方面进行了不懈的研究。研究方法大体可分为两类，一是利用糖的水溶液模型进行的研究，如美国的Iowa大学Gray W.Small的研究组；另一类是直接测量人体并与抽血测量的结果进行相关比对，如美国的IMI公司等。糖的水溶液模型研究虽在精确测试葡萄糖的分子吸收系数上取得重要进展，但因模型太简单，与人体间的差别太大而难以作为参考。而人体实验虽然可直接验证方法的有效性，但作为归纳定量方法基础的Lambert-Beer定律实际上并不适用于具有强散射特性的人体组织，因此测量的结果难以解释且不具有通用性与重复性。从检测生物组织化学成分的角度来看，组织血氧浓度同血糖检测面临类似的问题。但是由于血糖的吸收引起的光信号要弱得多，目前血糖的无创光检测技术的研究更多地集中于如何提高测量精度以捡出由血糖含量变化引起的光信号的变化来。所以，尽管由于潜在地巨大经济利益，一些世界上著名大公司在过去的20年间投入了大量的资金进行开发，血糖的无创检测距离实际应用还有一段更长的路要走。相对说来，血液其他成分的无创检测的经济价值要低一点，但由于相对含量低和吸收光谱重叠，其难度却更大，国外的相关研究很少，主要集中在血乳酸、激素等成分的测量。而国内就几乎没人进行研究。由于个体的差异和光谱重叠、测量条件如测量位置、环境温度和压力，除仅有的脉搏血氧、即动脉血氧已普遍进入临床使用和发挥极其重要的作用，即使是国际上已投入巨大人力和财力进行研究的组织血氧和血糖的测量仍然来进入临床实用，更不用说血液其他成分的无创检测。

中国专利申请号99 105693.0，提出了一种无创伤自测血糖仪，由红外光发射管构成的红外光源，通光路部分、光电探测转换器、电通路部分及显示部分构成。显然，采用单一波长的光源是不可能无创在体地测量出动脉血糖的含量。中国专利申请号97195564.6提出了一种用于测量受试者的血糖浓度的方法，该方法包括：提供一个光图案，该图案对第一视网膜系统比第二视网膜系统具有更大的刺激量，导致第一：第二的刺激比大于1，其中所说的光图案刺激随第一：第二的刺激比变化的主观视觉特征，和其中所说的第一视网膜系统和第二视网膜系统对所说的光图案的灵敏度随所说的受试者的血糖浓度变化；使所说的受试者观察所说光图案的所说的主观视觉特征；使所说的受试者的血糖浓度和所说的主观视觉特征相关。显然，该方法难以客观、定量地测量血糖含量。中国专利申请号97195564.6提出了无创血糖测量仪，属血糖测量仪。实现无创伤血糖测量有两种结构：(一)在现有血糖计连接一探头，探头内有氧电极、葡萄糖化酶，探头与气泵连接，将探头紧贴检测者手指，手指上渗出的组织液与葡萄糖化酶作用，血糖计即测得血糖浓度；(二)有一受控的激光器，红外光束经光栅、分光镜分成二束光，一束经手指到达斩波器，一束以参考池到达斩波器，斩波器分别将两束光送至红外接收器，红外接收器将信号送至微处理机，微处理机结合数据库进行运算，显示器显示测量结果。这种通过皮肤渗出液的方法操作复杂、测量精度低、测量成分种类少、测量成本高。中国专利申请号96100807.5提出了一种中红外光纤测定人体血糖的方法。是一种利用红外光谱仪和中红外光导纤维和ATR探头或漫反射装置，无损伤性地测定人体血糖的方法。该方法包括(1).测定仪：包括红外光谱仪，并于其上连接中红外光导纤维及与之相连的ATR探头或漫反射装置；(2).测试方法及过程：使被测人某个部位，至少包括手指、耳、静脉处或其他有血管的部位，与连接在光纤上的ATR探头紧密接触或于漫反射装置中，然后，记录红外光谱，扫描次数为256，扫描范围为4000-400cm^-1。也可以将探头插入血清或血样中，如上所述测定；(3).选用在1123±5和1080±10cm^-1处吸收峰的相对强度表征糖的含量：以1404±5cm^-1吸收峰或其他吸收峰的峰高为参比，分别用1123±5和1080±10cm^-1处吸收峰的峰高与参比峰峰高的比值作为两个吸收峰相对强度的量度，并作为糖值的数量指标。也可以用它们的峰面积比值作相对强度的量度。采用少数几个吸收峰是不可能高精度地实现血糖的无创测量，更不可能测量血液中的多种成分。

                              发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供能准确无创地对血液成分进行测量的仪器及其测量方法。

本发明采用的技术方案为：

无创动脉血液成分测量仪器，包括宽带光源、分光装置、光敏传感器、数据处理装置和显示装置，所述的宽带光源发出的光束透射被测物后依次经分光装置、光敏传感器进入数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。或者所述的宽带光源发出的光束透射分光装置，透过被测物后经光敏传感器进入数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。所述的数据处理装置采用的微处理器芯片型号89C51。所述的宽带光源为连续氙灯或白光二极管，发出从可见红光至近红外的光束。所述的分光装置由棱镜、或光栅、或声光调制器件构成。所述的光敏传感器是光敏管或CCD器件。

无创动脉血液成分测量方法包括以下步骤：用宽带光束照射被测物，然后，用分光装置将透射光引导至光敏传感器，再将光敏传感器转换的信号输送至数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。或者用宽带光束照射分光装置，然后，透射光透过被测物传导至光敏传感器，再将光敏传感器转换的信号输送至数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。

本发明提供的无创血液成分测量仪器及其测量方法同现有技术相比具有如下有益效果：测量准确，能消除个体、脉搏幅值和动脉血液充盈等差异对测量的影响；操作方便，可同时测量多种血液成分。

                             附图说明

附图1为本发明的仪器结构及工作流程示意图。

图中：1是宽带光源，2是被测人体部位，3是分光装置，4是光敏传感器，5是数据处理装置和显示装置。

附图2为本发明的另一仪器结构及工作流程示意图。

                           具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明。

众所周知，人体动脉血管在心脏的作用下会产生周期性搏动。当一束光透射人体组织(如手指、耳垂等部位)时，光强会发生变化，光强的变化量仅取决于动脉血液容量的变化。尽管动脉血管的厚度与形状的变化也有轻微影响。采用多种波长则可得到由于动脉血液容量的变化而引起的吸收光谱——动态光谱。由动态光谱来测量动脉血液成分可以减小个体的差异，如皮肤的黑白和粗糙程度、皮下脂肪厚度和测量部位等，将动态光谱进行归一化处理得到归一化动态光谱，可进一步消除脉搏幅值和动脉血液充盈等差异对测量的影响。再利用独立分量分析(ICA，Independent ComponentsAnalysis)和人工神经网络(ANN，Artificial Nerve Network)等信号分析方法，可从归一化动态光谱中计算得到动脉血液中的主要成分的含量。

实例一，见图1

由宽带光源1，在本实施例中采用连续氙灯，当然也可采用白光二极管等，发出从可见红光至近红外的光束照射到人体组织2，透射出来的光聚焦后经过分光装置3，本发明采用棱镜，当然也可采用光栅或声光调制器件构成，经过分光装置3的光线由光敏传感器4接收，本发明光敏传感器4采用的是光敏管，光敏传感器4将接收到的光信号转换成电信号并传送到数据处理装置5，在本实施例中，数据处理装置5采用的微处理器芯片型号89C51，当然也可采用其他型号具同等功能的芯片。数据处理装置5利用独立分量分析和人工神经网络信号分析方法对所测得的动态光谱数据进行计算处理，可得到动脉血液的成分。

实例二，见图2

由宽带光源1，在本实施例中采用连续氙灯，当然也可采用白光二极管等，发出从可见红光至近红外的光束聚焦后经过分光装置3，本实施例分光装置3采用采用棱镜，当然也可采用光栅或声光调制器件构成。经过分光装置3的光线照射到人体组织2，透射出来的光由光敏传感器4接收，本发明光敏传感器4采用的是光敏管，光敏传感器4将接收到的光信号转换成电信号并传送到数据处理装置5，在本实施例中，数据处理装置5采用的微处理器芯片型号89C51，当然也可采用其他型号具同等功能的芯片。数据处理装置5利用独立分量分析和人工神经网络信号分析方法对所测得的动态光谱数据进行计算处理，可得到动脉血液的成分。

Claims (8)

1.无创动脉血液成分测量仪器，包括宽带光源、分光装置、光敏传感器、数据处理装置和显示装置，其特征是，所述的宽带光源发出的光束透射被测物后依次经分光装置、光敏传感器进入数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。

2.权利要求1所述的无创动脉血液成分测量仪器，其特征是，所述的宽带光源发出的光束经分光装置透射被测物后，依次经光敏传感器进入数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。

3.据权利要求1或2所述的无创动脉血液成分测量仪器，其特征是，所述的数据处理装置采用的微处理器芯片型号为89C51。

4.据权利要求1或2所述的无创动脉血液成分测量仪器，其特征是，所述的宽带光源为连续氙灯或白光二极管，发出从可见红光至近红外的光束。

5.根据权利要求1或2所述的无创动脉血液成分测量仪器，其特征是，所述的分光装置由棱镜、或光栅、或声光调制器件构成。

6.据权利要求1或2所述的无创动脉血液成分测量仪器，其特征是，所述的光敏传感器是光敏管或CCD器件。

7.无创动脉血液成分测量方法包括以下步骤：用宽带光束照射被测物，然后，用分光装置将透射光引导至光敏传感器，再将光敏传感器转换的信号输送至数据处理装置进行处理，并由与数据处理装置相连的显示装置显示处理结果。

8.据权利要求7所述的无创动脉血液成分测量方法，其特征是，所述步骤可转变次序，既用宽带光束照射分光装置，透射出来的光束再经过被测物，透射出来的光束传导至光敏传感器。

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