TW201343130A - 用電磁波偵測血糖含量的方法與裝置 - Google Patents

用電磁波偵測血糖含量的方法與裝置 Download PDF

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Yuan-Fu Tsai
Hua Chen
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Abstract

本發明係關於一種使用電磁波偵測血糖含量的方法。由於不同血糖含量擁有不同的電磁波吸收常數，本發明將一個體測得之血糖電磁波吸收常數與一血糖電磁波吸收常數資料庫內之數值做比對，以獲得該個體之一血糖含量。本發明也提供了一種使用電磁波偵測血糖含量的裝置。

Description

用電磁波偵測血糖含量的方法與裝置
本發明係關於一種非侵入式血糖偵測裝置及方法。
是以，目前仍需要一種新穎非侵入性偵測血糖的方法，可有效改善目前血糖偵測器的不便利性，將有潛力取代目前採血血糖監控法，並應用於糖尿病的臨床診斷中。
糖尿病屬於一種代謝疾病，其特徵在於病人帶有高血糖。高血糖會造成典型糖尿病症狀：吃多、喝多、尿多。根據世界衛生組織WHO 2005年的統計報告，全世界約有3.46億人口罹患糖尿病，其盛行率逐漸攀升，2030年人數將會是2005年的兩倍。糖尿病在已開發國家已越來越普遍(尤其是第二型糖尿病)，糖尿病的診斷方式也隨之增加，包括：口服葡萄糖耐受檢測、飯後血糖檢測、及隨機血糖檢測等。目前普遍使用的血糖偵測方法大多為侵入性，有感染的風險及內心恐懼，使用者一天需偵測多次，且需支付額外替換零件或者探針的費用，使用上十分不便利。此外，糖尿病人口中約有2.8%為低收入戶，部分患者經濟上恐無法負擔血糖偵測裝置額外的支出。
兆赫電磁波的頻率範圍大約是0.1~10 THz，不同的物質會有不同的電磁波共振或吸收頻率範圍，葡萄糖也有其特定的電磁波吸收頻率。
本發明是利用高頻電磁波量測技術。由於不同血糖含量血液對電磁波有不同的吸收強度，藉由此吸收特性將血液中的血糖含量量化，以實現非侵入式血糖含量監控，以取代現行採血監控法。
本發明係關於一種使用電磁波偵測個體中血糖含量的方法，其包括以下步驟：
(a)　使用一電磁波發射源提供一電磁波；
(b)　發射該電磁波於該個體；
(c)　提供一偵測元件以偵測穿透該個體之電磁波得到電磁波強度訊號；
(d)　計算該電磁波強度訊號以獲得該個體之電磁波吸收常數；
(e)　將該電磁波吸收常數與儲存於血糖電磁波吸收常數資料庫中數值比對；及
(f)　找到該比對值對應的血糖含量，而得到該個體之血糖含量。
在本發明之一實施例中，其中步驟(a)可進一步將該電磁波發射源所發射之電磁波經由一波導元件而導引至一個體。在另一實施例中，其中該波導元件包含然不限於一玻璃波導或一聚乙烯(PE)纖維。
本發明另關於一種使用電磁波偵測一個體130中血糖含量的裝置100，包括：
(a)　一電磁波發射源110，用以發射一電磁波至一個體130；
(b)　一偵測元件140，用以偵測穿透該個體之電磁波；
(c)　一轉換元件150，其將該穿透該個體之電磁波151轉換為一電磁波強度訊號152；及
(d)一分析元件160，用以計算該電磁波強度訊號以獲得該個體之一電磁波吸收常數161，將該電磁波吸收常數與一血糖電磁波吸收常數資料庫162內之數值比對得到該個體之血糖含量170。
在本發明該電磁波偵測一個體血糖含量的裝置進一步包括一波導元件120，用以接收該電磁波發射源110提供之該電磁波，並將該電磁波導引至該個體130，該波導元件包括但不限於一玻璃波導或一聚乙烯(PE)纖維等。
在本發明之一實施例中，該電磁波發射源或偵測元件可能係一天線、微波元件或毫米波元件。在另一實施例中，該偵測元件可進一步包括一具Schottky二極體141，該Schottky二極體為一室溫下可運作之偵測元件，讓該裝置可在室溫下偵測一個體之血糖含量。
在本發明中，該電磁波強度訊號包括一1維或2維訊號，該1維或2維訊號更包括一電磁波強度或一偵測位置。在一較佳實施例中，該2維訊號係一2維影像，是由該電磁波發射元件與偵測元件以2維掃描方式獲得，在另一較佳實例中，該2維影像是由該偵測元件以2維掃描的方式獲得。
在本發明中，該電磁波偵測一個體血糖含量的裝置進一步包括一血糖電磁波吸收常數資料庫162，用以儲存血糖含量與電磁波吸收常數之數值。
本發明中之個體包括一有血管221通過的生物體部位220。較佳的實施例中，該有血管通過的生物體部位包含然不限於耳朵、皮膚、手指或腳趾間的皮膚、手指或腳趾，而本發明裝置之電磁波210會穿透該生物體部位220並穿透包含在其中的血管221。在另一較佳實施例中，該個體可進一步使用一對軟片夾住固定，其中該軟片材料包含然不限於金屬、壓克力或塑膠。
在本發明中的血糖電磁波吸收常數資料庫係一電磁波吸收常數與血糖含量的變化曲線或一電磁波吸收常數與血糖含量的對照表。在一較佳的實施例中，該電磁波吸收常數與血糖含量的變化曲線為回歸函數曲線，其中該回歸函數公式(1)為：
y=a+bx　(1)
其中y為血糖含量，x為電磁波吸收常數。利用上述回歸函數曲線可進一步運算出該電磁波吸收常數與血糖含量的對照表。本發明中血糖電磁波吸收常數資料庫內之數值係選自於該電磁波吸收常數與血糖含量的變化曲線或該電磁波吸收常數與血糖含量的對照表。
文中該電磁波一般指一高頻電磁波或為一兆赫電磁波，其電磁波頻率為0 THz~20 THz，較佳為10 GHz~1 THz，更佳為50 GHz~420 GHz。
該電磁波強度訊號可使用Beer-Lamber Law公式(2)計算出電磁波吸收常數，如下所示：
電磁波吸收常數(α)=　(2)
其中P in 為發射至個體之電磁波的強度、P out 為穿透個體之電磁波的強度、t為個體的厚度。由於不同個體間，其電磁波吸收程度可能會有差異，因此不同個體使用本發明之裝置計算電磁波強度訊號時，可能要輸入參數來做校正，其中該參數包含然不限於該個體的厚度、該個體皮膚與組織電磁波吸收常數或該個體血糖含量與其對應的電磁波吸收常數。
實例1
實驗動物
本發明使用4~7週歲大的BALB/cByJNarl小鼠(選購自國家動物實驗中心)做為正常血糖實驗鼠；使用4~7週歲大的KK-A y /TaJcl小鼠(選購自CLEA Japan,Inc)做為第2型糖尿病實驗鼠，其血糖含量會隨著其年齡增加而增加(圖式2)。上述實驗鼠耳朵厚度約為350 μm。實驗動物個別飼養在分開的培育箱，在實驗8個小時前停止餵食葡萄糖。麻醉方式使用腹腔注射ketamine-xylazin(50 mg+15 mg/kg)。
實例2
血糖偵測裝置
本實例裝置300如圖式3，使用CW Gunn震盪器301提供一高頻電磁波，利用一對離軸拋物面鏡302集中該電磁波通過一聚乙烯膜303並傳導至波導元件，使用的波導元件為兆赫波高度穩固性次波長聚乙烯纖維304(直徑240 μm、長度33 cm)，其擁有較低的衰減系數(5×10-3 cm-1)。為了提升解析度，在波導元件的末端結合一具有圓孔組成的金屬空間濾波器的次波長光圈305(直徑200 μm)，可使電磁波轉換功率比其他相同直徑的普通光圈高出10倍，且近場空間解析度(240 μm<λ/4)低於繞射極限。
使用的電磁波頻率範圍為320~420 GHz，選定340GHz為此實驗工作頻率，通過個體表面的電磁波能量約1 mW。使用一具有室溫下運作之Schoktty二極體(型號：WR-2.8；Virginia Diode,Inc；反應時間<5 μsec.)偵測器307來接收穿透個體306的電磁波，偵測面積為10 mm×10 mm，偵測時間為3分鐘/100×100映像點。該血糖偵測裝置最佳運作環境為室溫23℃、濕度50%。
血糖偵測裝置操作
首先偵測裝置不放置任何個體，使用的電磁波發射元件(波導元件與圓孔組成的金屬空間濾波器的次波長光圈)和偵測元件，以2維掃描方式掃描空氣中6 mm×4 mm大小的偵測區塊，並以其偵測到的2維電磁波強度圖形做為之後實驗的背景值，用以修正波導彎曲損耗。完成以上步驟，將小鼠麻醉後，以一6 mm×4 mm大小金屬孔固定小鼠耳朵後，將小鼠放置到血糖偵測裝置個體的位置，小鼠耳朵底部與光圈表面的距離約為250 μm，使用該次波長光圈305和偵測元件307以2維掃描的方式掃描小鼠耳朵(圖式4)，得到2維電磁波強度圖形，將該圖形與上述背景值圖形代入Beer-Lamber Law公式計算後可獲得2維電磁波吸收數值圖形，如圖式6(b)。圖式5為使用上述裝置以不同電磁波頻率掃描小鼠耳朵所得到之電磁波吸收常數數值。
圖式6(a)、(b)為小鼠耳朵照片與對應電磁波2維影像，由圖6(b)可見，在小鼠耳朵有微血管通過的位置，其電磁波吸收常數較高。比較周圍組織的電磁波吸收常數(α=10.5 mm-1~11.2 mm-1)，血糖濃度高的血液擁有較高的電磁波吸收常數。因此從電磁波2維影像可依吸收常數的不同辨別小鼠耳朵微血管與周圍組織的位置。
偵測糖尿病實驗鼠體內血糖實驗結果
使用本發明血糖偵測裝置來偵測糖尿病實驗鼠(KK-A y /TaJcl)耳朵的血糖電磁波吸收常數，本實驗使用4週大糖尿病實驗鼠，得到同一隻實驗鼠於4週大與5週大時測得的2 mm×2 mm電磁波2維影像可見於圖式7(a)與(b)，發現其血糖電磁波吸收常數增加為14.5 mm-1~16 mm-1，其周圍組織測得的電磁波吸收常數也增加了，代表周圍組織的葡萄糖含量也一起增加了。
實例3
血糖偵測裝置
本實例裝置400如圖8，使用CW Gunn震盪器401提供一高頻電磁波，利用一對離軸拋物面鏡402集中該電磁波並傳導至波導元件，使用的波導元件為兆赫波玻璃波導403(內徑9mm、外徑13mm、管壁厚度2mm、長度30 cm)，此兆赫波玻璃波導擁有低的衰減系數(2×10-2 cm-1＠340 GHz)。為了提升解析度，在接收器405 Schoktty二極體前方放置一個300 um×700 um的光圈以增加空間解析度。
使用的電磁波頻率範圍為320~420 GHz，選定340GHz為本實例之工作頻率，通過個體404表面的電磁波能量約1 mW。使用一具有室溫下運作之Schoktty二極體(型號：WR-2.8；Virginia Diode,Inc；反應時間<5 μsec.)偵測器來接收穿透個體的電磁波，偵測面積為10 mm×10 mm，偵測時間為3分鐘/100×100映像點。該血糖偵測裝置最佳運作環境為室溫23℃、濕度50%。
血糖偵測裝置操作
首先偵測裝置不放置任何個體，使用的電磁波發射元件和偵測元件，以2維掃描方式掃描空氣中10 mm×10 mm大小的偵測區塊，並以其偵測到的2維電磁波強度圖形做為之後實驗的背景值，如圖5。完成以上步驟，將小鼠麻醉後，以一直徑9 mm大小壓克力孔固定小鼠耳朵後，將小鼠放置到血糖偵測裝置個體的位置，小鼠耳朵與偵測器表面的距離約為2 mm，本實例使用偵測元件405以2維掃描的方式掃描小鼠耳朵，得到2維電磁波強度圖形，將該圖形與上述背景值圖形代入Beer-Lamber Law公式計算後可獲得2維電磁波吸收數值圖形。
以本實例裝置測量小鼠身體各部位電磁波吸收常數(以電磁波340 GHz測得)：皮膚約為11 mm-1、組織約為10 mm-1、紅血球約為11 mm-1、白血球約為11 mm-1、水約為12 mm-1。另外，由於本發明血糖偵測裝置空間解析度(300 μm)大於微血管的兩倍以上，因此不會受限於微血管的大小。
正 常、糖尿病實驗鼠體內血糖偵測結果比較
使用本實例血糖偵測裝置來偵測正常、糖尿病實驗鼠4~7週大時的血糖電磁波吸收常數，正常實驗鼠電磁波2維影像可見於圖式9(a)~(d)；糖尿病實驗鼠電磁波2維影像可見於圖式10(a)~(d)。正常、糖尿病實驗鼠的體重、飯後血糖含量及尿液葡萄糖反應數值整理如圖式11，將其數值換算成迴歸曲線，與實驗鼠血糖電磁波吸收常數換算成之迴歸曲線(圖式12)比較，發現血糖電磁波吸收常數曲線與實驗鼠實際血糖曲線變化一致，故從本發明血偵測裝置得到之血糖電磁波吸收常數，可利用該曲線換算回實際血糖含量。
實例4
血糖偵測裝置操作
本實例裝置500兆赫波時域頻譜系統(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)，如圖式13。此量測方法之電磁波發射元件510利用鈦藍寶石飛秒雷射511產生脈衝(Pulse)雷射，此脈衝雷射經由分光片512分為一脈衝激發光(Pump beam)與一脈衝偵測光(Probe beam)，脈衝激發光經由聲光調製器513後入射p型-砷化銦晶體514，此晶體可將此脈衝激發光轉換為電磁兆赫波，產生之電磁兆赫波利用離軸拋物面鏡520聚焦至待量測物530樣本(在此為血液樣本)。不同血糖濃度的血液對電磁兆赫波有不同強度的吸收，因此電磁兆赫波經過此待測物會有不同強度的反應，此電磁兆赫波訊號經過離軸拋物面鏡後與脈衝偵測光通過矽晶圓540同時進入偵測元件560內的銻化鋅晶體561，此晶體可將電磁兆赫波轉換為光波並將其與使同時到達之脈衝雷射光產生非線性效應，脈衝偵測光在微控平移台550上可得延遲光路以量測每個時間點產生之電磁兆赫波訊號，並產生不同強度的變化，最後通過凸面鏡562並經由平衡偵測器563(11,Zomega-ABL100 auto-balance detector)偵測其強度，偵測獲得之訊號經由訊號線傳輸至訊號接收器564(12,Stanford research-SR844 Lock-in amplifier)即可獲得兆赫波時域訊號，如圖式14。
將此兆赫波時域訊號經過快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)(公式3)即可獲得如圖式15之兆赫波頻譜訊號圖。
其中 x n 為時域訊號值、 X k 為頻譜訊號值及 N 為訊號點個數(在此為1024點)。
將量測獲得之頻譜訊號與背景頻譜訊號帶入Beer Lambert Law公式即可獲得如圖式16之血糖兆赫波吸收頻譜，使用該裝置量測高血糖與低血糖血液可獲得以下初步結論：高血糖血液之兆赫波吸收較低血糖血液大，並且其吸收常數隨頻率增加而增加。
人體血液量測實驗
使用本實例血糖偵測裝置來量測50位病人血液，由圖式17可知，兆赫波吸收常數與血糖值為一線性關係(分布圖頻率為0.34THz)，其相關係數達0.872(p<0.001)。
100．．．電磁波偵測血糖裝置
110．．．電磁波發射源
120．．．波導元件
130．．．個體
140．．．偵測元件
141．．．Schottky二極體
150．．．轉換元件
151．．．穿透該個體之電磁波
152．．．電磁波強度訊號
160．．．分析元件
161．．．電磁波吸收常數
162．．．血糖電磁波吸收常數資料庫
170．．．血糖含量
210．．．電磁波
220．．．生物體部位
221．．．血管
300．．．實例2血糖偵測裝置
301．．．電磁波發射元件
302．．．離軸拋物面鏡
303．．．聚乙烯膜
304．．．聚乙烯纖維
305．．．圓孔組成的金屬空間濾波器的次波長光圈
306．．．小鼠
307．．．Schottky偵測元件
400．．．實例3血糖偵測裝置
401．．．電磁波發射元件
402．．．離軸拋物面鏡
403．．．兆赫波玻璃波導
404．．．小鼠
405．．．Schottky偵測元件
500．．．實例4血糖偵測裝置
510．．．電磁波發射元件
511．．．鈦藍寶石飛秒雷射
512．．．分光片
513．．．聲光調製器
514．．．P型-砷化銦晶體
520．．．離軸拋物面鏡
530．．．待測物
540．．．矽晶圓
550．．．微控平移台
560．．．偵測元件
561．．．銻化鋅晶體
562．．．凸透鏡
563．．．平衡偵測器
564．．．訊號接收器
圖式1係本發明血糖偵測裝置圖。
圖式2係KK-A y /TaJcl小鼠血糖含量與年齡的變化曲線。
圖式3係實例2血糖偵測裝置圖。
圖式4係血糖偵測裝置掃描個體之意識圖，其中210係電磁波、220係生物體部位、221係血管。
圖式5係小鼠耳朵電磁波吸收常數。
圖式6(附件1)(a)係小鼠耳朵照片；(b)係小鼠耳朵電磁波2維影像。
圖式7(附件1)(a)係糖尿病實驗鼠(KK-A y /TaJcl)4週大時偵測之耳朵電磁波2維影像；(b)係同一隻實驗鼠5週大時偵測之耳朵電磁波2維影像。
圖式8係實例3血糖偵測裝置圖。
圖式9(附件1)(a)~(d)分別為4~7週大正常實驗鼠的耳朵電磁波2維影像。
圖式10(附件1)(a)~(d)分別為4~7週大糖尿病實驗鼠的耳朵電磁波2維影像。
圖式11係一正常、糖尿病實驗鼠的體重、飯後血糖含量及尿液葡萄糖反應數值表格。
圖式12係一血糖電磁波吸收常數回歸曲線。
圖式13係實例4血糖偵測裝置圖。
圖式14係一兆赫波時域訊號圖。
圖式15係一兆赫波頻譜訊號圖。
圖式16(附件1)係一人類高血糖與正常血糖血液兆赫波吸收頻譜。
圖式17係一電磁兆赫波吸收常數與血糖讀數分布圖。
100．．．電磁波偵測血糖裝置
110．．．電磁波發射源
120．．．波導元件
130．．．個體
140．．．偵測元件
141．．．Schottky二極體
150．．．轉換元件
151．．．穿透該個體之電磁波
152．．．電磁波強度訊號
160．．．分析元件
161．．．電磁波吸收常數
162．．．血糖電磁波吸收常數資料庫
170．．．血糖含量

Claims (14)

  1. 一種使用電磁波偵測個體中血糖含量的方法，其包括以下步驟：(a)　使用一電磁波發射源提供一電磁波；(b)　發射該電磁波於一個體；(c)　提供一偵測元件以偵測一穿透該個體之電磁波強度訊號；(d)　計算該電磁波強度訊號以獲得該個體之電磁波吸收常數；(e)　將該電磁波吸收常數與儲存於血糖電磁波吸收常數資料庫之數值比對；及(f)　得到該個體之血糖含量。
  2. 根據申請專利範圍1所述之方法，其中步驟(a)可進一步將該電磁波發射源所發射之電磁波經由一波導元件而導引至一個體。
  3. 一種使用電磁波偵測個體中血糖含量的裝置，包括：(a)　一電磁波發射源，用以發射一電磁波；(b)　一偵測元件，用以偵測穿透該個體之電磁波；(c)　一轉換元件，其將該穿透該個體之電磁波轉換為一電磁波強度訊號；及(d)　一分析元件，用以計算該電磁波強度訊號以獲得該個體之一電磁波吸收常數，將該電磁波吸收常數與一血糖電磁波吸收常數資料庫之數值比對得到該個體之一血糖含量。
  4. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其進一步包含一波導元件，用以接收該電磁波發射源提供之該電磁波，並將該電磁波導引至一個體。
  5. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其中該電磁波強度訊號包括一1維或2維訊號。
  6. 根據申請專利範圍5所述之裝置，其中該1維或2維訊號包括一電磁波強度或一偵測位置。
  7. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其中該分析元件係使用一Beer-Lamber Law公式計算該電磁波強度訊號以獲得該個體之電磁波吸收常數。
  8. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其中該個體包括一有血管通過的生物體部位。
  9. 根據申請專利範圍8所述之裝置，其中該有血管通過的生物體部位包括：耳朵、皮膚、手指或腳趾間的皮膚、手指或腳趾。
  10. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其更進一步包括一血糖電磁波吸收常數資料庫。
  11. 根據申請專利範圍10所述之裝置，其中該血糖含量與電磁波吸收常數資料庫係一電磁波吸收常數與血糖含量的變化曲線或一電磁波吸收常數與血糖含量的對照表。
  12. 根據申請專利範圍3所述之裝置，其中該電磁波係一高頻電磁波，其頻率為0 THz~20 THz。
  13. 根據申請專利範圍12所述之裝置，其中該電磁波頻率較佳為10 GHz~1 THz。
  14. 根據申請專利範圍13所述之裝置，其中該電磁波頻率更佳為50 GHz~420 GHz。
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