專利名稱：分析液體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析液體、特別是(雖不僅僅是)血液和其它體液并且測定在這些體液中各種物質(zhì)的存在和濃度的裝置和方法。
血液分析廣泛應(yīng)用于人類和動物的醫(yī)療處理和診斷中。已知有多種方法來分析血液。本發(fā)明的實施例力圖提供不同的方法來分析血液。
通常需要從活體中取出血樣在體外進(jìn)行分析。這既不愉快又不方便，特別是如果需要經(jīng)常作血液分析的話，例如糖尿病患者，需要經(jīng)常分析他們血液中葡萄糖的濃度。本發(fā)明的實施例尋求提供一種用于對身體中的血液作非侵入性分析的裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于分析液體的裝置，它包括用于將振蕩電場加到待分析的液體試樣上的裝置；以及用于測量由于所加電場而在分析試樣中流動的電流、從而確定包括試樣的電路的損耗系數(shù)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種分析液體的方法，所述方法包括以下步驟將振蕩電場加到待分析的液體試樣上；以及測量由于所加電場而在所述試樣中流動的電流，以便能夠確定包括所述試樣的電路的損耗系數(shù)。
包括試樣的電路的損耗系數(shù)與試樣的介電常數(shù)有關(guān)。試樣的介電常數(shù)可以隨其組成而變化。因此，測量損耗系數(shù)就能測定液體中存在的物質(zhì)及其濃度。以下將作詳細(xì)說明。
所述液體最好為體液，特別是血液。
在一個實施例中，產(chǎn)生振蕩電場的裝置包括電振蕩器和兩個關(guān)聯(lián)的電極。電極設(shè)置在待分析的試樣附近或包含待分析的試樣的容器附近。最好每個電極伴隨有電絕緣體，并且在使用時所述絕緣體位于電極和分析試樣之間。電極適合于戴在人體或動物的身體上，最好適合于戴在人體血液豐富的部分，例如耳垂部分。在一個實施例中，電極被包括在夾住耳垂的夾子內(nèi)、使得每個電極接觸耳垂的一側(cè)。在另一個實施例中，電極被包括衣服內(nèi)。因此，所述方法涉及或者在人體或動物體內(nèi)或者在人體或動物體外分析血液。所述裝置尤其能夠在自然條件下分析液體。
用于施加電場的裝置最好能產(chǎn)生一種可變頻率的振蕩電場，并且在施加不同電場頻率時測量在分析試樣中流動的電流。在一種配置中所述裝置在一定范圍內(nèi)改變所加電場的頻率。所述范圍可以從千赫數(shù)量級延伸到千兆赫數(shù)量級。在這種配置的情況下，最好在整個所述范圍內(nèi)監(jiān)測電流。在一個實施例中，所述頻率范圍從0到500兆赫。
一定的頻率范圍使血液和其它液體中所含的不同物質(zhì)得以被識別。
所述裝置最好包括計算包含試樣的電路的功率因數(shù)的裝置，并且相應(yīng)地所述方法最好包括計算包含試樣的電路的功率因數(shù)的步驟。此電路可以例如包括由分別設(shè)置在待分析試樣相對兩側(cè)的電極所形成的電容。
隨所加電場頻率的變化而發(fā)生的試樣介電常數(shù)的變化(以功率因數(shù)的變化表示)反映出試樣中某些物質(zhì)的存在和濃度。為向用戶提供容易得到的結(jié)果，所述裝置最好能在一定所加電場頻率范圍內(nèi)對所測量的功率因數(shù)和存儲的信息加以比較，從而將測量的功率因數(shù)的特性與試樣中存在的物質(zhì)相關(guān)聯(lián)。所述裝置最好還能將有關(guān)識別的物質(zhì)的信息輸出給用戶，例如利用視頻顯示器等。所述信息可以是有關(guān)識別物質(zhì)的絕對濃度和/或只是指示某一特定物質(zhì)的存在或特定濃度。
為了更清楚地理解本發(fā)明，下面將參考附圖用實例來說明本發(fā)明的實施例，附圖中


圖1示出本發(fā)明的裝置；圖2示出圖1裝置的示意電路圖；圖3是特定材料的介電常數(shù)和頻率的關(guān)系的曲線圖；圖4是傳導(dǎo)和位移電流的矢量圖；圖5是血液的損耗系數(shù)和頻率的關(guān)系的曲線圖；圖6是圖1裝置的顯示器的顯示；以及圖7是按照本發(fā)明的裝置的另一實施例的示意方框圖。
參考圖1和2，所述裝置包括兩個導(dǎo)電電極1，它們互相面對地安裝在彈性U形夾2的兩臂自由端上。電極上覆蓋有電絕緣材料、使得電極沒有導(dǎo)電部分外露。夾子2用電絕緣塑料材料制成并設(shè)計成能舒適地裝配在人的耳垂上、使得兩個電極1分別位于人的耳垂的相對的兩側(cè)。
電極1通過導(dǎo)線3連接到控制單元4。控制單元4包括具有顯示器和在外側(cè)的用戶可操作的各種控制件6的外殼并且包含控制電路7、8、9和關(guān)聯(lián)的電源10。所述外殼的大小使得能被方便地拿在用戶手中。
電子電路包括可變頻率振蕩器7、放大器8、微處理器9和存儲器11?？勺冾l率振蕩器7可以在數(shù)千赫到數(shù)千兆赫的范圍內(nèi)產(chǎn)生可變和可控制頻率的基本上是正弦形的交變電信號。放大器8可以放大所述信號以便傳輸?shù)诫姌O1。微處理器9可以控制振蕩器7、分析在電極1之間流動的電流、處理所述信息并通過顯示器5向用戶提供輸出信號。微處理器9還被安排來對用戶通過用戶可操作的控制件6輸入的指令作出響應(yīng)。所述存儲器存儲供微處理器使用的信息和指令。
這樣，所述裝置能夠使置于電極1之間的材料承受交變電場并分析因所加電場而在材料中流動的電流。當(dāng)置于電極1之間的材料具有某種介質(zhì)特性、例如含有血液的人的耳垂時，電極和材料的組合就形成一個電容。由于所加電場而在電容中電流流動的性質(zhì)取決于材料的特性，特別是其介電常數(shù)ξ。這取決于特定材料的結(jié)構(gòu)，特別是攜帶電荷或偶極子的材料組分以及那些組分對交變電場的響應(yīng)方式。
血液以及在血液中可能發(fā)現(xiàn)的所關(guān)心的物質(zhì)通常包括具有永久電偶極子的分子。在所加電場的影響下，每個偶極子都會受到一種力的作用，使其按電場方向取向，并且可以意識到所述彎曲鏈的合成運(yùn)動可能非常復(fù)雜。此外，在所施加的變化頻率的電場下，電子、原子和分子具有不同的狀態(tài)。偶極子使它自己適應(yīng)電場以及原子和分子對電場做出響應(yīng)所需的時間均取決于所研究的各個偶極子(分子)，原子或分子的性質(zhì)。因此，對于給定的偶極子的來說，其偶極子極化的程度隨所加電場的頻率而改變。極化程度影響著材料的介電常數(shù)ξ。因此，可以看出，一種材料，例如血液，其介電常數(shù)會隨所加電場的頻率而改變。
圖3示出介電常數(shù)如何隨加在含有一種具有永久電偶極子的分子的介質(zhì)材料上的電場頻率F而變化。在區(qū)域A(低頻)，所有三種極化成分都可以工作，即電子、原子和分子極化都立即對所加電場的低頻變化做出響應(yīng)，因此可以使自己適應(yīng)所加的電場。但對于超過表征偶極子大小以及它們所處環(huán)境的特性的數(shù)值的頻率，偶極子不能跟隨電場的變化，且它們對總極化所起的作用也就消失。因此，在區(qū)域B(高頻)，只有電子和原子的極化是有意義的，f代表發(fā)生這些變化時的頻率。
后果就是當(dāng)所加頻率經(jīng)過f增加時材料的介電常數(shù)逐漸改變。
與介電常數(shù)隨頻率的變化相關(guān)聯(lián)的還有能量的損耗。所述“介質(zhì)損耗”代表從提供電場的電路所提取的并轉(zhuǎn)化為試樣材料的熱的能量。通常以所謂的“損耗角”δ來表示。沒有介質(zhì)損耗時圖2電容中的電流流動將與所加電壓具有90°相差(即90°相位差)，幅度為ωCV(式中ω＝2πf，f為所加頻率，單位為HZ，C為電容，V為所加電壓)。
雖然存在與所加電場同相的電流成分“Id”，但還是發(fā)生介質(zhì)損耗。結(jié)果是，總(合成)電流的相位與理想的90°相差偏移了角度δ。此情況示于圖4。Sinδ(對于小數(shù)值δ，與tanδ等效)被稱為功率因數(shù)并代表加到由電極和試樣材料所形成的電容上并轉(zhuǎn)化為材料中的熱的那部分視在功率。
本發(fā)明裝置的微處理器所測量和推導(dǎo)的是功率因數(shù)。給定電容的功率因數(shù)的測量是眾所周知的，用常規(guī)的Q表(Q＝質(zhì)量因數(shù))就很易做到。
通過在一定頻率范圍內(nèi)測量功率因數(shù)，就可以識別在已知頻率下影響功率因數(shù)的材料成分的存在。
圖5示出通過將圖1和圖2的裝置的電極1附著在人的耳垂上而畫出的血液試樣的功率因數(shù)與所加電場的頻率之間的關(guān)系的說明性曲線。曲線中的峰值代表在某些頻率下功率因數(shù)急劇增加，說明血液中有某些物質(zhì)存在，例如f1表示有肌酸存在，f2表示葡萄糖，f3表示高密度脂質(zhì)(膽固醇)，f4為低密度脂質(zhì)。許多其它物質(zhì)也可用此法來識別，以fx表示。
對于某一特定物質(zhì)，可以用經(jīng)驗的方法來測定其適合的頻率或頻率范圍。
所述方法也可以用來測定血液中某一特定物質(zhì)的濃度，所述濃度影響著峰值的大小。這也可以用經(jīng)驗的方法來確定。
使用時，微處理器8工作，使振蕩器7產(chǎn)生交變電信號，所述信號的頻率從幾個KHz逐漸變到幾個GHz。所述信號經(jīng)適當(dāng)放大后通過電極1加到人的耳垂上。隨著信號頻率的變化，微處理器監(jiān)測在各電極之間流動的電流并計算電路的功率因數(shù)。然后，所述裝置存儲與測量功率因數(shù)時的驅(qū)動信號的頻率有關(guān)的功率因數(shù)數(shù)值(存儲在存儲器11中)。然后微處理器9將此信息與存儲器11所存儲的、有關(guān)預(yù)期會發(fā)生功率因數(shù)峰值的特征頻率從而表示存在某種感興趣的物質(zhì)的信息加以比較。如果在所收集的數(shù)據(jù)中在任何這些頻率的位置找到功率因數(shù)的峰值，則表明存在有感興趣的物質(zhì)。然后將峰值的大小與存儲的信息進(jìn)行比較，以測定識別的物質(zhì)的濃度數(shù)值。
然后將分析結(jié)果顯示在顯示器5上提供給用戶?？梢允褂萌魏魏线m的顯示形式，但通常顯示器顯示出識別的物質(zhì)的名稱，并指示其濃度，如圖6所示。濃度可以顯示為數(shù)字值，或落入某一預(yù)定范圍，例如高，中或低。
另一實施例示于圖7。參考此圖，它包括一個寬帶可變振蕩器20，用于通過寬的金屬條21將交變電信號提供給測試線圈22并通過二極管23接地。測試線圈22與可變電容24、包括兩個電極和供分析的血樣的實驗電容25以及二極管26串聯(lián)。二極管26通過Q表接地，用以測量電容25所包含的試樣的介質(zhì)損耗。所述裝置能使液體試樣受到振蕩電場的作用，且能對因電場而在試樣中流動的電流進(jìn)行分析，而且能對包含試樣的電容25的功率因數(shù)進(jìn)行測定，以便分析試樣。
雖然主要關(guān)心的是測量試樣中含有永久偶極子的分子所引起的介質(zhì)損耗，所述裝置和方法同樣也可用來測量試樣的其它成分、例如原子和單個電子引起的介質(zhì)損耗。
上述實施例可以便利、快捷、非侵入性地分析液體，特別是活人體或動物體中的血液，特別適合于測定血液中的葡萄糖濃度。
可以分析存在于血液以及其它液體中的單一或復(fù)雜的化合物。在血液中，分析物可以是葡萄糖、肌酸、膽固醇或其它一般或特定的健康或臨床狀態(tài)的指標(biāo)。所述裝置可以包括其自身的電源。
由所述裝置捕獲的數(shù)據(jù)可以通過射頻、調(diào)制解調(diào)器、紅外或任何其它數(shù)字或模擬傳輸媒介傳輸、存儲并與用同樣或其它方法捕獲的其它數(shù)據(jù)比較使用。這種數(shù)據(jù)比較可以連續(xù)進(jìn)行，或定期進(jìn)行。所述裝置的輸出可以用來控制其它裝置、例如自動送藥和自動報警系統(tǒng)。所述裝置提供了在現(xiàn)場對分析物的直接測量。所述裝置能對靜態(tài)或移動液體進(jìn)行測量并可測量試樣中固有的和非固有的分析物。
在又一個實施例和示范中可以看到如下情況。僅包括軟組織、而沒有肌肉、韌帶、腱或骨骼結(jié)構(gòu)的耳垂特別適合于作為測試位置。相同的直徑為5mm到10mm的各圓形金屬板設(shè)置在耳垂兩側(cè)中的任一側(cè)，但與耳垂絕緣。這種金屬板通常是薄陶瓷盤上的金屬涂層(陶瓷盤具有非常低的介質(zhì)損耗)。工業(yè)上可以使這種結(jié)構(gòu)僅250微米厚或更薄，可以將其插入或固定到1-2mm厚的陶瓷環(huán)的開口中(見圖)。將一根導(dǎo)線(適當(dāng)絕緣)焊到金屬化區(qū)上。在金屬化區(qū)域后面設(shè)置具有圓孔的第三個陶瓷元件，絕緣的導(dǎo)線穿過此圓孔。整個結(jié)構(gòu)會形成一個壽命很長的牢固的電極結(jié)構(gòu)，并將所述結(jié)構(gòu)密封起來，使體液、例如汗液、尿液、排泄物等不能透過。第二電極結(jié)構(gòu)設(shè)置在耳垂的另一側(cè)。兩個電極結(jié)構(gòu)均由很輕的結(jié)構(gòu)支撐，所述結(jié)構(gòu)使兩電極之間的距離可以根據(jù)患者耳垂的大小而改變。電極應(yīng)牢固而安全地夾在耳垂上，但不可過分，實際壓力由患者的舒適度而定。固定之前，應(yīng)清潔耳垂，皮膚表面用優(yōu)質(zhì)油脂溶劑去油?？梢钥闯鲭姌O附件以及支架等不會超過幾克。在耳垂后面并由耳朵的上部和后部支撐的是一個塑料小室，其中含有固定的高Q電容和高Q線圈，后者是由淀積在陶瓷圓柱體上的螺線金屬化線圈構(gòu)成的或由淀積在薄陶瓷平板上的平螺線金屬化線圈構(gòu)成的。這樣，耳朵上就有三個電極元件，它們連接起來，形成串聯(lián)諧振電路。還包括一個非常小尺寸的第四元件(半導(dǎo)電的高頻二極管)，用于將在兩個電容兩端的交流電壓轉(zhuǎn)換為成比例的直流電壓。從整個上述結(jié)構(gòu)引出一根柔性細(xì)多芯電纜到一個小控制盒上，控制盒可以自由安裝在或連接到患者身體上?？刂坪兄醒b有電源、存儲器、微處理器、放大器、邏輯電路、開關(guān)/鍵盤以及顯示器，當(dāng)然還有點(diǎn)頻率可用性，所述點(diǎn)頻率能夠通過頻率調(diào)制而定期地使頻率稍稍偏移。應(yīng)強(qiáng)調(diào)，對于需要一系列血液分析物的信息的血液學(xué)家，儀器會更復(fù)雜也更適用，而糖尿病患者只需要有關(guān)他們的葡萄糖濃度的信息。
我們將考慮后者的需要?；颊甙磯阂粋€按鈕，使微處理器開始工作并命令一個單獨(dú)的振蕩器芯片以預(yù)定頻率開始振蕩并在窄頻帶頻率偏差范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)制。由對放大的諧振電壓的整流產(chǎn)生的直流傳送到直流放大器，直流放大器的輸出進(jìn)入存儲器。存儲器還含有預(yù)先記錄的關(guān)于電容板之間只有空氣時對一系列電極間隔的諧振電路Q值的信息，特定的間隔由患者輸入且僅與他自己有關(guān)。現(xiàn)在可用的信息是Q值和電容值，后者是存儲在存儲器中的。然后微處理器計算tanδ的值，選擇峰值并顯示出來，以mmol/L表示。如果患者接近低血糖或高血糖狀態(tài)，可以聽見聲音提示。所述實施例示于圖8和9。
上述實施例僅是用實例加以說明。在不違背離本發(fā)明的情況下可以有多種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于分析液體的裝置，它包括用于將振蕩電場加到待分析的液體試樣上的裝置以及用于測量由于所加電場而在分析試樣中流動的電流、以便能夠測定含有所述試樣的電路的損耗系數(shù)的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述液體為血液。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于包括電振蕩器和兩個關(guān)聯(lián)的電極，所述電極用來設(shè)置在待分析的試樣附近或含有該試樣的容器附近。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于電絕緣體與每個電極相關(guān)聯(lián)并且使用時設(shè)置在所述電極和被分析的試樣之間。
5.如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于所述電極適合于戴在人體或動物的身體上。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述電極被包括在夾子里。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述電極被包括在衣服內(nèi)。
8.如上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于用于施加電場的所述裝置用來產(chǎn)生可變頻率的振蕩電場，而用于測量電流的所述裝置用來測量施加不同的電場頻率時的電流。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于用于加電場的所述裝置用來在一定范圍內(nèi)改變所述施加的電場的頻率。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述頻率范圍從千赫數(shù)量級延伸到千兆赫數(shù)量級。
11.如上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于包括用來計算包含所處試樣的電路的功率因數(shù)的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于包括用于存儲信息的裝置以及用來把在所加電場頻率的一定范圍內(nèi)所測量的功率因數(shù)與存儲的信息加以比較、從而將所述測量的功率因數(shù)的特征與所述試樣中物質(zhì)的存在相關(guān)聯(lián)的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于包括用來將有關(guān)識別的物質(zhì)的信息輸出給用戶的裝置。
14.一種分析液體的方法，所述方法包括以下步驟將振蕩電場加到待分析的液體試樣上；以及測量由于施加所述電場的結(jié)果而在所述試樣中流動的電流、以便能夠測定包含所述試樣的電路的損耗系數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述液體為血液。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于在一定范圍內(nèi)改變所述施加的電場的頻率，以及在改變所述頻率時測量其中包含所述試樣的電路的功率因數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于將所述計算的功率因數(shù)與存儲的信息加以比較，以便檢測所述試樣中某些物質(zhì)的存在。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于將所述功率因數(shù)與存儲的信息加以比較，以便確定所述試樣中某些物質(zhì)的存在和/或濃度。
全文摘要
一種用于分析液體、特別是體液和血液的裝置，它包括用于將振蕩電場加到待分析的液體試樣上的裝置(1，7，8)以及用于測量由于所加電場的結(jié)果而在分析試樣中流動的電流、以便能夠測定包括試樣的電路的損耗系數(shù)的裝置(9)?？梢詼y定所述損耗系數(shù)隨所加電場頻率的變化并將其與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、以便識別液體中一些物質(zhì)的存在和濃度。所述裝置可以配置成分析活體中的血液。
文檔編號G01N27/22GK1529811SQ02809756
公開日2004年9月15日 申請日期2002年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者E·科亨, N·－E·德詹納蒂, E 科亨, さ掄材傻 申請人:霍爾有效技術(shù)有限公司