CN1550209A - 无创测量血液成分浓度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种无创测量血液成分浓度的装置和方法，该方法包括(a)改变受检者身体部位的厚度，在该身体部位不同厚度处测量吸收光谱，获得在不同厚度处测量出的吸收光谱之间的第一差分吸收光谱，实际测量血液成分的浓度，并利用该第一差分吸收光谱和该实际测量的血液成分浓度建立统计模型；和(b)基于该统计模型，利用关于该身体部位的第二差分吸收光谱来估测血液成分的浓度。

Description

无创测量血液成分浓度的方法和装置
技术领域
本发明涉及血液成分浓度的无创测量。更具体地，本发明涉及一种无创测量血液成分浓度的方法和装置，该方法利用与血管中血液和间质液含量的变化对应的差分吸收光谱，这种变化通过改变受检者的特定软组织的厚度而产生。
背景技术
随着生活质量和生活条件的全面改善，人们更加重视身体健康。因此，研究和开发出了各种能使人们容易监测自身健康的家用医疗装置。在正常人的身体中，体液有机地循环和调整，使得体液量保持在预定的范围内。体液包括血液、尿液、间质液、汗液及唾液。特别地，在判定人的健康状况时，血液和尿液(葡萄糖和蛋白质)的浓度是很重要的参数。另外，血液成分的浓度，例如葡萄糖、血红蛋白、胆红素、胆固醇、白蛋白、肌酸酐、蛋白质和尿素，在评价一个人的健康状况时发挥重要的作用。
当人染上疾病时，体液中的成分或成分含量会发生变化，这可能会导致死亡。例如，正常人的血糖浓度在餐前约为80mg/dl，餐后约为120mg/dl。为了保持这个正常的血糖浓度，人的胰腺会在餐前或餐后分泌适量的胰岛素，从而使葡萄糖能被肝和骨骼肌细胞吸收。然而，当因疾病或其它原因而导致胰腺不能分泌使血糖浓度保持正常水平的适量胰岛素时，血液中存在过量的葡萄糖，这会导致心脏或肝脏的疾病、动脉硬化、高血压、白内障、视网膜出血、神经损伤、失聪或视觉障碍，所有这些会导致包括死亡在内的严重问题。因此，测量人体内体液变化的技术是非常重要的。
测量体液成分浓度的方法包括直接收集目标物质的样品，并对该收集的目标物质的样品进行测量的有创方法，和不直接收集目标物质而进行测量的无创方法。由于有创方法存在许多问题，人们一直在不断研究和开发利用无创方法容易地分析体液成分的技术。通常，当测量体液成分，例如血糖时，血液被抽出，并与试剂反应，然后利用临床分析系统或者量化试纸颜色的变化进行分析。当每天进行这种血糖测试时，病人就要忍受因直接收集血液而导致的痛苦，并且容易受感染。而且，由于这种方法难以持续监控血糖水平，使得在紧急情况下难以对病人进行适当的治疗。另外，一次性试纸和试剂的使用也可能成为患者的经济负担。此外，这些一次性试纸和试剂会导致环境污染，因而需要专门的处理。因此，期望开发出一种无需抽取血液来测量血糖浓度的技术，以用于监控和调整糖尿病患者的血糖水平或诊断人的健康状况。人们研究了许多无创测量血糖浓度的方法，但是使用这些方法的设备还没有商业化。
在最常用的测量人体血液成分浓度的光谱法中，将可见光和近红外光(NIR)波长范围内的光线辐射到人体的一个部分。然后，探测自人体反射或透射的光线。在这种光谱法中，通常测量光谱以测量血液成分的浓度。在此，需要具有最能响应待测量的血液成分的波长以及能有效补偿干扰物质的影响的带宽的参考光源。另外，由于血液中待测成分的浓度可能很低，而且在活组织和血液中光线的漫射效应大于吸收效应，探测到的信号很微弱，这样，就需要放大信号的方法。另外，由于体内有机物质的不断流动，因此只有在快速执行测量的情况下才能精确地测量成分的浓度。另外，应注意的是辐射到人体上的平均能量不能超过可能伤害人体的限度。特别地，在约700-2500nm的NIR波长范围内，葡萄糖的吸收波段分布很广，并且葡萄糖的吸收量与大量的水吸收背景光谱相比较小。因此，信噪比(SNR)很小，从而使得很难进行精确的测量。
发明内容
为努力解决上述问题中的至少一部分，本发明的一个实施例的一个特点在于提供一种无创测量血液成分浓度的方法，该方法利用与血液和间质液的量的变化相对应的差分吸收光谱，该变化通过改变受检者的特定软组织的厚度而产生。
本发明的一个实施例的另一个特点在于提供一种能实行上述方法的装置。
根据本发明一个实施例的一个特点，提供了一种无创测量血液成分浓度的方法，该方法包括：(a)改变受检者一个身体部位的厚度，在该身体部位的不同厚度处测量吸收光谱，获得在不同厚度测量而得的吸收光谱之间的第一差分吸收光谱，实际测量血液成分的浓度，并利用该第一差分吸收光谱和实际测量的浓度建立统计模型；和(b)基于该统计模型，利用关于该身体部位的第二差分吸收光谱来估测血液成分浓度。
在本发明的一个实施例中，(a)可以包括：(a1)确定一受检者该身体部位的初始厚度，(a2)使该身体部位的厚度从初始厚度增加至第一厚度，并测量关于该身体部位的第一吸收光谱，(a3)使该身体部位的厚度从第一厚度增加至第二厚度，并测量关于该身体部位的第二吸收光谱，(a4)产生在第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，(a5)通过对应于所述受检者实际测量的K个血液成分浓度重复操作(a2)至(a4)K次，获得K个第一差分吸收光谱，和(a6)通过对K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析来建立血液成分的统计模型。另外，操作(b)可以包括：(b1)使身体部位的厚度从初始厚度增加至第一厚度，并测量关于该身体部位的第三吸收光谱，(b2)使身体部位的厚度从第一厚度增加至第二厚度，并测量关于该身体部位的第四吸收光谱，(b3)产生在第三和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱，和(b4)利用在操作(b3)中产生的第二差分吸收光谱和该统计模型来估测血液成分浓度。优选地，在初始厚度和第一厚度之间的变化少于大约0.2mm，并且在第一厚度和第二厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
在本发明的另一个实施例中，(a)可以包括(a1)确定受检者身体部位的初始厚度，(a2)使该身体部位的厚度从初始厚度增加至第一厚度，并保持该备用状态预定的一段时间，(a3)使该身体部位的厚度从第一厚度增加至第二厚度并测量关于身体部位的第一吸收光谱，(a4)使该身体部位的厚度从第二厚度增加至第三厚度并测量关于该身体部位的第二吸收光谱，(a5)产生在第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，(a6)通过对应于所述受检者实际测量的K个血液成分浓度重复操作(a2)至(a5)K次，获得K个第一差分吸收光谱，和(a7)通过对K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析来建立血液成分的统计模型。另外，操作(b)可以包括(b1)使身体部位的厚度从初始厚度增加到第一厚度并保持该备用状态预定的一段时间，(b2)使身体部位的厚度从第一厚度增加到第二厚度并测量关于该身体部位的第三吸收光谱，(b3)使身体部位的厚度从第二厚度增加至第三厚度并测量关于该身体部位的第四吸收光谱，(b4)在第三和第四吸收光谱之间产生第二差分吸收光谱，和(b5)利用在操作(b4)中产生的第二差分吸收光谱和该统计模型来估测血液成分浓度。优选地，预定的时间范围为大约30至180秒。优选地，第一厚度和第二厚度之间的变化范围为从大约0.05至0.2mm，且第二和第三厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
根据本发明的实施例的另一个特征在于提供一种计算机可读记录介质，其中记录了执行上述方法的程序。
根据本发明的实施例的再一个特征在于提供一种用于无创测量血液成分浓度的装置，该装置包括：发射光线的光源；分光镜，用于将光源发射的光线中不同波长的成分分离；身体-仪器界面单元，该单元安放在受验者的一个身体部位，用于将来自分光镜的光线辐射到该身体部位上，收集透射过该身体部位的光线，根据施加于该身体部位的压力改变该身体部位的厚度，并固定该身体部位；探测单元，该单元从身体-仪器界面单元收集的光线中探测第一至第四吸收光谱；以及信号处理器，该处理器产生一个使身体-仪器界面单元施加压力以改变该身体部位厚度的信号，并从基于血液成分的统计模型在该身体部位获得的第二差分吸收光谱中估测血液成分的浓度，该统计模型是利用由探测单元在该身体部位的不同厚度处测得的第一和第二吸收光谱之间的第一差分吸收光谱和实际测得的血液成分浓度建立的。
在该装置的一个实施例中，信号处理器产生信号，所述信号对应于实际测量浓度使身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度，然后增大至第二厚度，分别获得从该身体部位第一和第二厚度时测得的第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，对K个第一差分吸收光谱和K个实际测得的浓度进行多元统计分析，从而建立血液成分的统计模型。进而，信号处理器产生信号，使该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度然后增大至第二厚度，分别获得在从该身体部位处于第一和第二厚度时测得的第三吸收光谱和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱，并基于该统计模型估测血液成分的浓度。优选地，初始厚度和第一厚度之间的变化少于大约0.2mm，并且第一厚度和第二厚度之间的变化范围从大约0.1至0.3mm。
在该装置的另一个实施例中，该信号处理器产生信号，对应于实际测量的浓度，使该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度，保持该备用状态以预定的一段时间，使该身体部位的厚度从第一厚度增大至第二厚度然后增大至第三厚度，分别获得在从该身体部位第二和第三厚度时测得的第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，并对K个第一差分吸收光谱和K个实际测得的浓度进行多元统计分析，从而建立血液成分的统计模型。进而，该信号处理器产生信号，使该身体部位的厚度从第一厚度增大至第二厚度然后增大至第三厚度，分别获得在从该身体部位第二和第三厚度处测得的第三吸收光谱和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱，并基于该统计模型估测血液成分的浓度。优选地，第一厚度和第二厚度之间的变化范围为从大约0.05至0.2mm，且第二厚度和第三厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
在该装置中，身体-仪器界面单元可以包括：光束导向部分，用以传输来自分光镜的平行光；光接收器，用于收集来自身体部位的光线；与该光接收器连接的压力传感器；和固定/加压部件，用于将身体部位固定于光束导向部分和光接收器之间，并通过调整施加于身体部位的压力来改变该身体部位的厚度。
附图说明
通过参照下面附图详细描述的优选实施例，本发明上述和其他的特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更明显：
图1是根据本发明一个实施例的一种无创测量血液成分浓度的装置的框图；
图2A至2C表示图1中的身体-仪器界面单元的形状和详细结构；
图3是根据本发明第一个实施例的无创测量血液成分浓度的方法的流程图；
图4A和4B共同表示根据本发明第二个实施例的无创测量血液成分浓度的方法的流程图；
图5是分别在图3和图4中所示操作311和411的详细流程图；
图6是表示手的指间组织(web)在不同厚度下随时间而变化的反力图表；
图7是表示手的指间组织的反力和吸光率相对于手的指间组织的厚度变化的变化图表；
图8表示当手的指间组织的厚度调整在大约1.7mm和1.9mm时，吸收光谱和差分吸收光谱实施例的图表；
图9A和9B表示在第一和第二厚度为大约1.5mm和1.7mm的情况下，当进行校准和交叉验证时，葡萄糖值相对于参考值的估测分布图表；
图10A和10B表示在第一和第二厚度为大约1.7mm和1.9mm的情况下，当进行校准和交叉验证时，葡萄糖值相对于参考值的估测分布图表。
具体实施方式
韩国专利申请No.2003-17137，申请日为2003年3月19日，名称为：“无创测量血液成分的方法和装置”，全部在此引入作为参考。
在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，其中示出本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同的具体形式实施，并且不应认为受到在此提出的实施例的限制。提供这些实施例是为了使揭示彻底和完全，并将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。全文中相同的标记指相同的元件。
人体的73％由水组成，其中1/3是细胞外水分，2/3是细胞内水分。细胞外水分的3/4是间质液，1/4是血管内液体。人体的血糖浓度表示血液中葡萄糖的浓度，但是毛细管中的血糖浓度几乎与间质液中葡萄糖浓度一致。本发明就是基于血糖浓度包含在间质液和血管内的液体的这个特征。
图1是根据本发明的一个实施例的无创测量血液成分浓度的装置的框图。该装置包括光源110，分光镜120，身体-仪器界面单元130，探测单元140，信号处理器150，存储单元160，和显示单元170。该身体-仪器界面单元130，探测单元140，信号处理器150，存储单元160和显示单元170或这些组件中的一部分也可以是一体的形式。
参照图1，光源110通过例如卤素灯来实现，其发射的光线具有预定的波长带宽。分光镜120分离发射自光源110的光线。身体-界面单元130使该分离的光线辐射到受检者(即人体)的特定部位上，收集透射过人体的光线，并将该收集的光线提供给探测单元140。身体-仪器界面单元130安放于特定的待测量身体部位，并且其设计能依据施加于该特定身体部位的压力使该特定身体部位的厚度发生变化，并固定该特定的身体部位。
探测单元140从身体-界面单元130辐射和收集自固定的特定身体部位的光线探测第一至第四吸收光谱，探测单元140将第一和第二吸收光谱以及第三和第四吸收光谱提供给信号处理器150。信号处理器150带有一段程序，该程序用于执行依据本发明的一个实施例的无创测量血液成分浓度的方法，并包括由该程序建立的用于计算特定的血液成分浓度的统计模型。信号处理器150测量由探测单元140在特定身体部位的软组织的不同厚度处探测到的吸收光谱，产生对应于厚度的变化第一和第二差分吸收光谱，并利用统计模型估测对应于第一差分吸收光谱的特定血液成分浓度。
存储单元160存储由信号处理器150处理的结果。显示单元170显示测定的浓度以告知试验者和/或受检者测试结果。
图2A和2C表示图1中身体-仪器界面单元130的形状和详细结构。身体-仪器界面单元130具有可对软组织加压的夹子结构。优选地，该身体-仪器界面单元130包括一对相对的表面，如图2A所示的形状。如图2B所示，身体-仪器界面单元130包括固定/加压部件250，该部件固定在软组织的一个区域并改变该软组织的厚度。
参照图2B，身体-仪器界面单元130包括传输来自分光镜120的光线的光束导向部分210，收集来自身体部位220光线的光接收器230，连接于光接收器230的支架240，和固定/加压部件250。固定/加压部件250使身体部位220固定于光束导向部分210和光接收器230之间，并通过调整施加于该身体部位220上的压力改变该身体部位220的厚度。
参照图2B和2C，固定/加压部件250包括与光束导向部分210平行安装的第一组件250a，通过支架240与光接收器230连接的第二组件250b，第三组件250c的固定板250c_1螺钉连接于第一组件250a上，第三组件250c的移动板250c_2与螺旋式手柄250d相连接并螺钉连接于第二组件250b上。通过操作螺旋式手柄250d，连接于移动板250c_2上的第二组件250b可上下移动，从而调整施加于身体部位220上的压力并调整该身体部位220的厚度。其原理与线性电机或螺杆电机相同。
图3是根据本发明第一个实施例的无创测量血液成分浓度的方法流程图。该方法包括用于建立统计模型的初始操作310和用于测量血液成分浓度的随后操作320。
参照图3，操作310包括，在操作311中，确定与施加于待测量血液成分浓度的受检者身体部位上的预定过压相对应的初始厚度。该过压是施加于该身体部位以确定该身体部位初始厚度的最大压力。该初始厚度可以因人和受压的特定身体部位而不同。将参照附图5更详细描述操作311。
在操作312中，通过控制身体-仪器界面单元130，使该身体部位的厚度从初始厚度增大一预定值，将该增大的厚度设为第一厚度。接着，具有一定波长带宽的光线尤其是能对特定血液成分作出反应的光线辐射到该身体部位上，并从透射过该身体部位的光线中测量出第一吸收光谱。该身体部位可以是拇指与食指之间的手掌指间组织，如图2A所示，耳廓、耳垂、鼻子、或嘴唇，所有这些都具有软组织。辐射到身体部位的光线波长带宽因待测量的血液成分而异。当待测量的血液成分是葡萄糖时，该波长带宽优选为大约1100至2500nm。初始厚度和第一厚度之间的变化最好是不超过大约0.2mm。
在操作313中，该身体部位的厚度再次增大并设为第二厚度。然后，具有特定波长带宽的光线辐射到该身体部位上，并从透射过该身体部位的光线中测量出第二吸收光谱。第一厚度和第二厚度之间的变化最好为大约0.1至0.3mm。
在操作314中，获得在第一吸收光谱和第二吸收光谱之间的第一差分吸收光谱。该第一差分吸收光谱不包括能干扰或干涉血液成分浓度的测量的成分，例如组织的水或脂肪的光谱。更具体地，该第一和第二吸收光谱包括由与待测量的特定血液成分浓度无关的因素所致的误差。例如，受检者身体的温度、或水合物、骨骼、软骨和胶原蛋白的存在会影响对重要成分的光学测量，但是并不与该重要成分直接相关。这样，通过在第一和第二吸收光谱之间进行减法，能消除这些误差。
图8表示当身体部位的第一和第二厚度在手掌指间组织的不同部分处设为1.7(由线nd171，nd172和nd173所表示，代表拇指附近位置，指间组织中心和食指附近位置)和1.9mm(由线nd191，nd192和nd193所表示，代表拇指附近位置，指间组织中心和食指附近位置)时，指间第一和第二吸收光谱以及第一差分吸收光谱实例的图表。优选的是，利用平均中心(MC)，多次散射修正(MSC)，或局部平滑(PS)来处理该第一差分吸收光谱。当使用PS时，仅对特定波长范围进行平滑，例如，在所有第一差分吸收光谱数据中具有高吸光率的波长范围，而所使用的除特定波长范围之外的所有原始数据是未经修正的。
再参照图3，在操作315中，通过对K个特定血液成分浓度和K个第一差分吸收光谱进行多元统计分析来建立统计模型，该血液成分浓度为从受检者直接收集得血液中实际测量值，K个第一差分吸收光谱通过重复操作312至314来获得。将在下文中详细描述该操作。
K个第一差分吸收光谱可以由公式(1)来表示：
        Ai＝(Aλi1，Aλi2，...，Aλin)，i＝1，...，K    ...(1)
在此，单个的第一差分吸收光谱Ai可以表示为在测量波长带宽中n个波长λin处的吸光率Aλin的矩阵。
接着，通过公式(2)来建立用于计算受检者特定血液成分浓度C的统计模型，公式(2)采用多元统计分析，例如，K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度的主要成分回归或局部最小平方回归。
       C＝β1Aλi1+β2Aλi2+...+βnAλin                ...(2)
更具体地，在不同波长处的吸光率Aλin的系数β1至βn通过利用公式(2)进行多元统计分析获得。该受检者的统计模型存储在信号处理器150中。
当在操作320中测量出血液成分的浓度时，在操作321中，从设为第一厚度的身体部位测得第三吸收光谱，在操作322中，从设为第二厚度的身体部位测得第四吸收光谱，并且，在操作323中，获得在第三和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱。执行操作321至323的方法实际上与操作312至314相似。
在操作324中，利用在操作323中获得的第二差分吸收光谱和在操作315中建立的统计模型来估测特定血液成分的浓度。更具体，浓度C可以通过将从第二差分吸收光谱获得的Aλi1至Aλin值代入公式(2)来获得。
当施加的压力低于过压时，可以获得第一和第二厚度。
图4A和4B，共同为一种根据本发明第二个实施例的无创测量血液成分浓度的方法的流程图。该方法包括用于建立统计模型的初始操作410和用于测量血液成分浓度的随后操作420。
参照图4A，操作410包括，在操作411中，确定与施加于受检者身体部位的过压相对应的初始厚度。
在操作412中，通过控制身体-仪器界面单元130，使该身体部位的厚度从初始厚度增大一个预定值。该增大的厚度设为第一厚度，并保持该备用状态以一段预定的时间。厚度的变化最好是在大约0.2mm，并且保持该状态的时间大约为30至180秒。
在操作413中，身体部位的第一厚度增大至第二厚度，然后，具有特定波长带宽的光线辐射到该身体部位上，并测量第一吸收光谱。第一和第二厚度的变化最好约为0.05至0.2mm。
在操作414中，该身体部位的第二厚度增大至第三厚度，然后，具有特定波长带宽的光线辐射到该身体部位上，并测量第二吸收光谱。第二和第三厚度的变化最好约为0.1至0.3mm。
在操作415中，获得在第一吸收光谱和第二吸收光谱之间的第一差分吸收光谱。
在操作416中，以与第一个实施例相同的方式，通过对K个特定血液成分浓度进行多元统计分析和K个第一差分吸收光谱来建立统计模型，该血液成分浓度是从受检者直接收集的血液中实际测量值，该K个第一差分吸收光谱通过重复操作412至415来获得。
参照图4B，操作420包括，在操作421中，将身体部位的厚度设为第一厚度并保持该备用状态预定的一段时间，在操作422中，将身体部位的厚度增大至第二厚度并从该设为第二厚度的身体部位获得第三吸收光谱。在操作423中，将身体部位的厚度增大至第三厚度并从设为第三厚度的身体部位获得第四吸收光谱，和在操作424中，获得在第三和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱。
在操作425中，利用在操作424中获得的第二差分吸收光谱和在操作416中建立的统计模型，来获得特定血液成分的浓度。更具体地，浓度C可以通过将从第二差分吸收光谱获得的Aλi1至Aλin值代入公式(2)来获得。
第一至第三厚度为当施加的压力低于过压时获得的厚度。
在图3和4所示的方法中，当光源的波长范围发生变化时，可以测量除了葡萄糖之外的成分，例如血红蛋白、胆固醇和药物。
图5是分别示于图3和图4中的操作311和411的详细流程图。为了清楚地描述，在此将具有软组织的身体部位假设为手掌指间组织。
参照图5，在操作511中，在身体-仪器界面单元130的控制下，指间组织的厚度变化一个预定值，例如大约0.1mm，从第一厚度例如约为1.5mm变至第二厚度例如约为2.2mm。由于该身体部位具有弹性，因而在初始压缩状态下，其反作用力随时间而发生快速变化。然而，随着压缩持续，该身体部位的弹性变得几乎没有，并且此后反作用力几乎不发生变化。因此，向身体部位施加压力的时间最好约为120秒。此时，由压力传感器240感应到的该身体部位的厚度提供给信号处理器150。
在操作512中，在指间组织的不同厚度处测量手掌指间组织的反作用力变化，该变化通过增大或减小施加于指间组织的压力大约120秒来调整。当指间组织的厚度从大约1.5mm(由线th151，th152，th153表示)变化至大约2.2mm(由线th221，th222，th223表示)时，反作用力的变化如图6中的图表所示。
在操作513中，基于图6中所示图表来确定对应于过压的厚度。参照图6，当指间组织的厚度约为1.5至1.6mm时，也就是说，当压力超过过压时，指间组织的反作用力不随时间推移而改变。然而，当指间组织的厚度增大到大约1.6mm以上时，也就是说，当施加的压力减小时，指间组织的反作用力会随时间推移而减小或变得几乎为零。将在保持恒定反作用力的厚度与减小反作用力的厚度之间的边界厚度(在图6中约为1.6mm)下的压力或人体的反作用力确定为过压，并且将在该过压下的厚度确定为初始厚度。
图7是表示指间反作用力和指间组织吸光率的相对于指间组织的厚度变化而变化的图表。当指间组织的初始厚度设为2.0mm(由线th20表示)，然后减小到1.6mm(由线th16表示)，然后再变为1.7mm，1.8mm，1.9mm和2.0mm(分别由线th17，th18，th19，和th202表示)时，比较反作用力的变化。当指间组织的初始厚度设为2.0mm(由线prels20表示)，然后减小到1.6mm(由线prels16表示)，然后再变为1.7mm，1.8mm，1.9mm和2.0mm(分别由线prels17，prels18，prels19，和prels20r表示)时，比较吸光率的变化。
在此，每个厚度均保持120秒再变化，参照图7，当厚度变为1.7mm，1.8mm，1.9mm，和2.0mm时，即厚度大于与过压相对应的厚度1.6mm时，吸光率几乎呈线性变化，而反作用力却恢复很慢。更具体地，可以推断具有软组织的身体部位解除压力后，细胞外液流动很快，但是受压的组织恢复很慢。基于这两种情况的不同，仅可以分离一种细胞外液的光谱。因此，厚度的变化最好在一个仅能引入液体的这种变化的范围内。这些优选的厚度变化可以通过施加低于该过压的压力来实现。
图9A和9B是表示在第一和第二厚度约为1.5mm和1.7mm下进行校准和交叉验证时，的葡萄糖值相对于参考值的估测分布图表。当大于该过压的压力施加于指间组织时，获得约为1.5mm的厚度，可以看到，当利用在第一和第二厚度约为1.5mm和1.7mm时建立的统计模型来测量葡萄糖时，在该统计模型中的误差较大并且线性较差。更具体地，作为校准的结果，校准的标准误差(SEC)＝38.83mg/dl(10个因数)和R＝0.672。作为交叉验证的结果，交叉验证的标准误差(SECV)＝45.764mg/dl(3个因数)和R＝0.429。
图10A和10B是表示在第一和第二厚度约为1.7mm和1.9mm下进行校准和交叉验证时，葡萄糖值相对于参考值的估测分布图表。当施加于指间组织的压力低于该过压时可获得约为1.7mm和1.9mm的厚度。可以看到，当利用在第一和第二厚度约为1.7mm和1.9mm时建立的统计模型来测量葡萄糖时，在该统计模型中的误差很小并且提高了线性。更具体地，作为校准的结果，SEC＝23.876mg/dl(10个因数)和R＝0.826。作为交叉验证的结果，SECV＝27.957mg/dl(7个因数)和R＝0.739。这样，标准误差显著减小。
本发明可用代码实现，该代码记录在计算机可读记录介质上并可被计算机读取。该计算机可读记录介质可以是能在其中记录计算机系统可读取数据任何形式的介质，例如，ROM，RAM，CD-ROM，磁带，软盘，或光学数据存储装置。本发明也可以载波形式实现(例如，通过互联网传输)。可选择地，计算机可读记录介质可以通过网络在计算机系统中分发，从而本发明可以以存储在记录介质中并可在计算机中读取和执行的代码实现。本发明技术领域的程序员能够容易地推出用于实现本发明的应用程序，代码和代码段。
如上所述，在本发明中，利用第一差分吸收光谱来建立统计模型，该第一差分统计模型与在具有软组织的不同厚度的身体部位的细胞外液的量的变化相对应，该厚度通过向身体部位施加低于过压的压力来调整，并且利用第二差分吸收光谱和该统计模型，能估测特定血液成分的浓度。因此，可以增大细胞外液的影响，并且消除干扰和干涉特定血液成分浓度测量的因素。从而，可以更精确地估测特定血液成分的浓度。
另外，由于对应与过压的厚度根据每个人而测得，并且统计模型是基于该厚度而建立的，因而对每个人的测量条件能用数字表达。另外，由于仅能分离体液的一种效应，因而能精确地估测浓度。由于通过减小施加于软组织上的压力而移动的是液体而不是组织，光谱测量的可再现性是令人满意的。
在此已经揭示了本发明的几个优选实施例，虽然使用了特定的术语，但是它们仅作为一般的和描述性的使用和解释，并不作为对本发明的限制。因此，本领域技术人员可以知道，在不背离本发明的精神和由后面权利要求限定的范围的情况下，可以对其形状和细节进行各种改变。

Claims (21)

1.一种无创测量血液成分浓度的方法，包括：
(a)改变受检者一身体部位的厚度，在该身体部位的不同厚度处测量吸收光谱，获得在不同厚度处测量的吸收光谱之间的第一差分吸收光谱，实际测量血液成分的浓度，并利用第一差分吸收光谱和该实际测量的浓度来建立统计模型；和
(b)基于该统计模型，利用关于该身体部位的第二差分吸收光谱来估测血液成分的浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：
(a1)确定受检者该身体部位的初始厚度；
(a2)将该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度，并测量关于该身体部位的第一吸收光谱；
(a3)将该身体部位的厚度从第一厚度增大至第二厚度，并测量关于该身体部位的第二吸收光谱；
(a4)产生在第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个；
(a5)通过对应于受检者K个实际测量的血液成分浓度重复操作(a2)至(a4)K次，获得K个第一差分吸收光谱，和
(a6)通过对该K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析来建立血液成分的统计模型。
3.如权利要求2所述的方法，其中(b)包括：
(b1)将该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度，并测量关于该身体部位的第三吸收光谱；
(b2)将该身体部位的厚度从第一厚度增大至第二厚度，并测量关于该身体部位的第四吸收光谱；
(b3)产生在第三和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱；和
(b4)利用在操作(b3)中产生的第二差分吸收光谱和该统计模型来估测血液成分的浓度。
4.如权利要求3所述的方法，其中该初始厚度和该第一厚度之间的变化少于大约0.2mm。
5.如权利要求3所述的方法，其中该第一厚度和第二厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
6.如权利要求1所述的方法，其中(a)包括：
(a1)确定受检者该身体部位的初始厚度；
(a2)将该身体部位的厚度从该初始厚度增大至第一厚度，并保持该备用状态预定的一段时间；
(a3)将该身体部位的厚度从该第一厚度增大至第二厚度，并测量关于该身体部位的第一吸收光谱；
(a4)将该身体部位的厚度从该第二厚度增大至第三厚度，并测量关于该身体部位的第二吸收光谱；
(a5)产生在第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个；
(a6)通过对应于K个受检者实际测量的血液成分浓度重复操作(a2)至(a5)K次，获得K个第一差分吸收光谱，和
(a7)通过对该K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析来建立血液成分的统计模型。
7.如权利要求6所述的方法，其中(b)包括：
(b1)将该身体部位的厚度从该初始厚度增大至该第一厚度，并保持该备用状态预定的一段时间；
(b2)将该身体部位的厚度从该第一厚度增大至该第二厚度，并测量关于该身体部位的第三吸收光谱；
(b3)将该身体部位的厚度从该第二厚度增大至该第三厚度，并测量关于该身体部位的第四吸收光谱；
(b4)产生在第三和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱；和
(b5)利用在操作(b4)中产生的第二差分吸收光谱和该统计模型来估测血液成分的浓度。
8.如权利要求7所述的方法，其中预定的时间范围为从大约30至180秒。
9.如权利要求7所述的方法，其中在该第一厚度和该第二厚度之间的变化范围为从大约0.05至0.2mm。
10.权利要求7所述的方法，其中在该第二厚度和该第三厚度之间的变化为从大约0.1至0.3mm。
11.一种计算机可读记录介质，其中记录了执行如权利要求1所述方法的程序。
12.一种用于无创测量血液成分浓度的装置，包括：
发射光线的光源；
分光镜，其将发射自光源的光线中不同波长的成分分离；
身体-仪器界面单元，其安放在受检者的一个身体部位，将来自分光镜的光线辐射到该身体部位上，收集透射过该身体部位的光线，根据施加于该身体部位的压力改变该身体部位的厚度，并固定该身体部位；
探测单元，该单元从由该身体-仪器界面单元收集的光线中探测第一至第四吸收光谱；和
信号处理器，该处理器产生一个使该身体-仪器界面单元施加压力以改变该身体部位的厚度的信号，并从基于血液成分的统计模型在该身体部位获得的第二差分吸收光谱中估测血液成分浓度，该统计模型是利用由探测单元在该身体部位的不同厚度处测得第一和第二吸收光谱之间的第一差分吸收光谱和实际测量的血液成分浓度而建立的。
13.如权利要求12所述的装置，其中信号处理器产生信号，所述信号对应于实际测量浓度使该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度然后增大至第二厚度，分别获得在该身体部位第一和第二厚度处测得的第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，并对该K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析，从而建立血液成分的统计模型。
14.如权利要求13所述的装置，其中该信号处理器产生信号，使该身体部位的厚度从该初始厚度增大至该第一厚度然后增大至第二厚度，分别获得在该身体部位第一和第二厚度处测得的第三吸收光谱和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱，并基于该统计模型估测该血液成分的浓度。
15.如权利要求14所述的装置，其中该初始厚度和该第一厚度之间的变化少于大约0.2mm。
16.如权利要求14所述的装置，其中该第一厚度和该第二厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
17.如权利要求12所述的装置，其中该信号处理器产生信号，对应于实际测量的浓度，使该身体部位的厚度从初始厚度增大至第一厚度，保持该备用状态预定的一段时间，使该身体部位的厚度从第一厚度增大至第二厚度然后增大至第三厚度，分别获得在该身体部位第二和第三厚度处测得的第一和第二吸收光谱之间的K个第一差分吸收光谱中的一个，并对该K个第一差分吸收光谱和K个实际测量的浓度进行多元统计分析，从而建立该血液成分的统计模型。
18.如权利要求17所述的装置，其中该信号处理器产生信号，使该身体部位的厚度从该第一厚度增大至该第二厚度然后增大至第三厚度，分别获得在该身体部位第二和第三厚度处测得的第三吸收光谱和第四吸收光谱之间的第二差分吸收光谱，并基于该统计模型估测该血液成分的浓度。
19.如权利要求18所述的装置，其中该第一厚度和第二厚度之间的变化范围为从大约0.05至0.2mm。
20.如权利要求19所述的装置，其中该第二厚度和该第三厚度之间的变化范围为从大约0.1至0.3mm。
21.如权利要求12所述的装置，其中该身体-仪器界面单元包括：
光束导向部分，用于传输来自分光镜的平行光线；
光接收器，用于收集来自该身体部位的光线；
连接到该光接收器的支架；和
固定/加压部件，该部件使该身体部位固定于该光束导向部分和该光接收器之间，并通过调整施加于该身体部位的压力来改变该身体部位的厚度。
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