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血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):6131827閱讀:308來源:國(guó)知局
專利名稱:血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測(cè)血糖及其它血液成分的濃度的非介入系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)描述在過去,已經(jīng)開發(fā)出許多監(jiān)測(cè)血液特征的系統(tǒng)。比如,已經(jīng)開發(fā)了能夠確定諸如血氧、血糖濃度及其它血液特征的設(shè)備。但是,當(dāng)試圖利用非介入血液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確地確定血糖濃度時(shí),遇到了很大的困難。
精確確定血糖濃度的困難可能有幾個(gè)原因。第一,流動(dòng)的血液中血糖濃度通常很低(如比血紅蛋白低100至1000倍的數(shù)量級(jí)),這樣低的濃度難以進(jìn)行非介入檢測(cè),而且需要很高的信噪比。第二,不能識(shí)別噪聲的種類,且缺少消除這些噪聲的有效方法。比如,噪聲可以分為確定性的(可限定的)或者偶然性的(隨機(jī)的),其中任何一種都可以是線性的(疊加的)或調(diào)制的(相乘的)。而對(duì)于采用適合的方法消除噪聲而言,區(qū)分各種噪聲的經(jīng)驗(yàn)是重要的。此外,葡萄糖的光學(xué)特征與血液中濃度很高的水很相似。于是,在采用光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的場(chǎng)合,由于血流中葡萄糖濃度低,水的光學(xué)特征使光信號(hào)的特征變得模糊。而且由于每個(gè)人有其獨(dú)特的血液特性,所以對(duì)于具體的人,通常每次測(cè)量都需要進(jìn)行校準(zhǔn)。
為了努力做到精確測(cè)量血流中血糖水平,已經(jīng)采用幾種方法。例如,其中一種方法包括從患者身上抽血并從該血液中去除其它成分。盡管精度很高,但是該方法需要抽取患者的血液,這是非介入技術(shù)所不希望的,尤其是對(duì)小孩或貧血患者。而且,當(dāng)血糖監(jiān)測(cè)用于控制血糖水平時(shí),必須每天三次至六次地抽血,這可能會(huì)給患者帶來肉體和精神兩方面的創(chuàng)傷。其它的方法是借助于尿液分析或其它通過導(dǎo)管壁從體內(nèi)泵出或擴(kuò)散血流的方法,來確定血糖濃度的。但是,這種分析比從血液中直接測(cè)量血糖精度低,因?yàn)槟蛞夯蚱渌饕呀?jīng)通過了腎臟。對(duì)糖尿病患者尤其成問題。而且,采集尿液樣品常常不方便。
另一種被推薦的測(cè)量血糖濃度的方法,是借助于光譜測(cè)量。在這種設(shè)備中,用多波長(zhǎng)光照射細(xì)胞組織較薄的部分,如指尖或耳垂,以使得可采用光譜分析確定被照射組織內(nèi)血流的特性。盡管這種方法由于其非介入特征和方便患者而甚為可取,但是難以用光譜分析的方法隔離細(xì)胞組織中的各個(gè)部分是這種方法遇到的一個(gè)問題。血液中血糖濃度低,進(jìn)一步加大了確定血糖濃度的難度,而且事實(shí)上,血糖與水的光學(xué)特征很相似。所以在水含量高的場(chǎng)合,如人血中,難以區(qū)分出葡萄糖的特征譜。如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的,包含在媒質(zhì)中的不同分子,常稱為組分,具有不同的特征譜,所以它們或多或少地吸收不同波長(zhǎng)的光。于是,通過分析肌體媒質(zhì)在不同波長(zhǎng)處的特征,可以確定肌體媒質(zhì)成分的情況。光譜分析一定程度上是根據(jù)不同成分特征譜的比爾-蘭伯特定律進(jìn)行的。簡(jiǎn)單地說,比爾-蘭伯特定律主要描述了透過任何含單一物質(zhì)媒質(zhì)的光強(qiáng)與通過媒質(zhì)光路長(zhǎng)度乘以媒質(zhì)中該物質(zhì)濃度之積的指數(shù)成比例。即,I=I0e-(pl-c)(1)其中pl代表透過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度,而c代表媒質(zhì)中物質(zhì)的濃度。對(duì)于具有幾種組分物質(zhì)的光學(xué)媒質(zhì)而言,從被照射媒質(zhì)接收到的光強(qiáng)與通過媒質(zhì)光路長(zhǎng)度乘以第一物質(zhì)濃度再乘以第一物質(zhì)對(duì)應(yīng)的光吸收系數(shù)之積,加上光路長(zhǎng)度乘以第二物質(zhì)濃度再乘以第二物質(zhì)對(duì)應(yīng)的光吸收系數(shù)等等的指數(shù)成比例。I=I0e-(pl·c1·ϵ1+pl·c2·ϵ2+elc)---(2)]]>其中ε代表光吸收系數(shù)。
發(fā)明概述由于比爾-蘭伯特定律所需參數(shù)的緣故,難以精確確定通過媒質(zhì)實(shí)際光程長(zhǎng)度(由于將多路徑信號(hào)轉(zhuǎn)換于等效的單路徑信號(hào))和由于血糖濃度低導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度弱的困難,導(dǎo)致了檢測(cè)血糖濃度困難的加大。通過諸如指尖或耳垂這樣的媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度是很難確定的,這不僅因?yàn)榧◇w媒質(zhì)吸收光波長(zhǎng)的緣故,而且因?yàn)樾盘?hào)在該媒質(zhì)內(nèi)被散射并穿過了不同的光路。而且,如上式表示的,測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度不是隨光路線性變化的。所以,通過媒質(zhì)的光的多個(gè)光路的光路長(zhǎng)度變化將不會(huì)導(dǎo)致多個(gè)光路長(zhǎng)度的線性平均。于是,常常很難確定通過指尖或耳垂的準(zhǔn)確光路長(zhǎng)度。除了這些困難之外,還發(fā)現(xiàn)很難根據(jù)比爾-蘭伯特定律檢測(cè)水中的葡萄糖份。尤其是已發(fā)現(xiàn),當(dāng)光學(xué)測(cè)量?jī)x器被校準(zhǔn)到可假定光波長(zhǎng)通過無葡萄糖純水所出現(xiàn)的最大透過量時(shí),水中葡萄糖份濃度常常發(fā)生測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的情況。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn),與水在一起的葡萄糖在某個(gè)波段吸收低于純水,而在其它波段則有高于水的吸收。
除了上述困難之外,目前的光譜儀,如本發(fā)明人在本發(fā)明中使用的那些,通常需要昂貴的原裝濾光片來產(chǎn)生要被發(fā)射出去的光信號(hào)圖形。一個(gè)這樣的濾光片,如公知的雙色濾光片,包括一個(gè)包含光學(xué)厚度變化的區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)的涂覆光學(xué)盤。雙色濾光片上的這個(gè)區(qū)域形成了一個(gè)圖形,以使該光學(xué)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)讓選出的光波段透過。在光學(xué)盤的微小區(qū)域內(nèi)對(duì)濾光片基片光學(xué)地涂覆各種厚度的光學(xué)材料的高精度要求,一般使涂覆工藝很昂貴。本發(fā)明通過放松對(duì)濾光片的技術(shù)要求、并通過更好的信號(hào)處理步驟來補(bǔ)償濾光片技術(shù)要求的放松,可以使轉(zhuǎn)動(dòng)雙色濾光片的成本降低近100倍。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的濾光片,在保持相同分辨率的同時(shí),可以讓10至100倍的光透過。
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一個(gè)用于非介入監(jiān)測(cè)患者血流中血糖濃度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)射一組波長(zhǎng)光輻射的光源。一個(gè)接受器接受患者的肌體媒質(zhì),而且設(shè)置一個(gè)光檢測(cè)器以接收來自光源的和經(jīng)肌體衰減的光。該光檢測(cè)器響應(yīng)于至少該組波長(zhǎng)的光輻射,產(chǎn)生代表光輻射強(qiáng)度的輸出信號(hào)。一個(gè)信號(hào)處理器連接到該檢測(cè)器上以接收該輸出信號(hào)。該信號(hào)處理器響應(yīng)于該輸出信號(hào),隔離由于肌體媒質(zhì)光學(xué)特性所產(chǎn)生的輸出信號(hào)部分,以提供一組頻率響應(yīng)值。該信號(hào)處理器具有一個(gè)使該組頻率響應(yīng)值線性化并分析線性化的數(shù)據(jù)以便確定患者血流內(nèi)血糖濃度的線性化模塊。在一個(gè)實(shí)施例中,該線性化模塊包括一種雙對(duì)數(shù)運(yùn)算。
在一個(gè)實(shí)施例中,光源包括一組發(fā)射器,每個(gè)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)自該組波長(zhǎng)中選出波長(zhǎng)的光。在另一個(gè)實(shí)施例中,光源是一個(gè)寬帶光源,而且系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)選擇地透過寬帶光源中波長(zhǎng)之一的濾光器。
在一個(gè)實(shí)施例中,檢測(cè)器包括一個(gè)響應(yīng)于多個(gè)波長(zhǎng)之一,提供并輸出代表著該多個(gè)波長(zhǎng)各個(gè)光強(qiáng)總和的信號(hào)的單一檢測(cè)器。在另一個(gè)實(shí)施例中,光檢測(cè)器包括一組檢測(cè)器,每個(gè)檢測(cè)器響應(yīng)于該組波長(zhǎng)中至少一個(gè)波長(zhǎng)光,產(chǎn)生出代表該至少一個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的另一方面包括一種分析含有血液的肌體媒質(zhì)內(nèi)血糖的非介入血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一個(gè)光源和一個(gè)響應(yīng)于該光源所發(fā)出光的光檢測(cè)器以產(chǎn)生輸出信號(hào)。形成一個(gè)加壓裝置,以便于對(duì)肌體媒質(zhì)做物理擾動(dòng)從而擠出肌體媒質(zhì)中的液體。一個(gè)信號(hào)處理器響應(yīng)于由肌體媒質(zhì)擠出液體時(shí)來自光檢測(cè)器的第一輸出信號(hào),并響應(yīng)于未從肌體媒質(zhì)中擠出液體時(shí)來自光檢測(cè)器的第二輸出信號(hào),以分離出有關(guān)血糖濃度的信息。
本發(fā)明的又一個(gè)方面包括一種非介入確定血糖濃度的方法。該方法許多步驟。代表特定血液成分光學(xué)特性的一組值被產(chǎn)生,并用一組波長(zhǎng)的光照射含有血液的肌體媒質(zhì)。在該光被肌體媒質(zhì)衰減之后檢測(cè)該光。從代表著肌體媒質(zhì)光學(xué)特性的被測(cè)光中產(chǎn)生出一個(gè)信號(hào)。根據(jù)被測(cè)光和代表特定血液成分光學(xué)特性的該組值,分離出代表著血液內(nèi)的水中葡萄糖份濃度的信號(hào)成分。然后產(chǎn)生一個(gè)代表血液內(nèi)葡萄糖濃度的值。在一個(gè)實(shí)施例中,特定血液成分包括水,血紅蛋白,氧絡(luò)血紅蛋白和溶于液體的葡萄糖。
在一個(gè)實(shí)施例中,信號(hào)被線性化,以表示血糖濃度。有利的是,濃度的這種表示隨媒質(zhì)中光路長(zhǎng)度的變化不明顯。在一個(gè)實(shí)施例中,線性化步驟包括產(chǎn)生代表著媒質(zhì)光學(xué)特性的第一組值,對(duì)第一組值第一次取對(duì)數(shù)以產(chǎn)生第二組值并對(duì)第二組值取第二次對(duì)數(shù),從而得到代表著血液成分濃度的一組線性化值。在一個(gè)實(shí)施例中,線性化步驟進(jìn)一步包括用一個(gè)多項(xiàng)式對(duì)該第一組值進(jìn)行變換,以提供一個(gè)變換后的第一組值。
本發(fā)明的這些與其它方面將被更詳細(xì)地說明。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是表示本發(fā)明血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能單元的示意性框圖。
圖2是一般性地描述根據(jù)本發(fā)明用于獲得血糖濃度的方法的流程圖。
圖3是較詳細(xì)表示本發(fā)明用于確定患者血糖濃度的方法的流程圖。
圖4A-1C是描述雙色濾光片轉(zhuǎn)過不同度數(shù)并在三個(gè)分立的波長(zhǎng)處其光透過特性的曲線圖。
圖4D表示了一個(gè)用于確定本發(fā)明所用雙色濾光片光學(xué)特性的矩陣。
圖5描述了肌體媒質(zhì),如手指的光透過率對(duì)波長(zhǎng)的曲線,本發(fā)明所用雙色濾光片選出部分的光透過率對(duì)波長(zhǎng)的曲線,以及該濾光片和患者手指結(jié)合的光透過率對(duì)波長(zhǎng)的曲線。
圖6A表示了通過媒質(zhì)的光傳輸特性,對(duì)該媒質(zhì)的吸收系數(shù)、媒質(zhì)內(nèi)物質(zhì)濃度、及通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度乘積的曲線。
圖6B是一個(gè)光學(xué)媒質(zhì)的透過傳輸特性,對(duì)該媒質(zhì)吸收系數(shù)、媒質(zhì)內(nèi)物質(zhì)濃度、及通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度乘積的一個(gè)“近似對(duì)數(shù)”曲線。
圖6C表示了一個(gè)光學(xué)媒質(zhì)的光透過率,對(duì)該媒質(zhì)吸收系數(shù)、媒質(zhì)內(nèi)物質(zhì)濃度、及通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度乘積之對(duì)數(shù)的一個(gè)第二對(duì)數(shù)曲線。
圖7是一個(gè)描述本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)初始化和校準(zhǔn)功能方法的流程圖。
圖8是一個(gè)較詳細(xì)描述本發(fā)明用于線性化在圖3一個(gè)子流程內(nèi)所示手指光學(xué)響應(yīng)矩陣中的值的方法的流程圖。
圖9是一個(gè)示意性地表示了處理步驟的數(shù)據(jù)流框圖,這些步驟用于一個(gè)光信號(hào)上,目的是根據(jù)該光信號(hào)表示的肌體媒質(zhì)來確定其葡萄糖的濃度。
圖10描述了本發(fā)明用于制作圖1至9所示雙色濾光片的方法。
圖11是一個(gè)表示扣除平均水濃度后葡萄糖濃度對(duì)波長(zhǎng)的曲線圖。
圖12示意性地描述了一個(gè)手持式葡萄糖監(jiān)測(cè)器,比如,它可以根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)成。
圖13描述了一個(gè)用傳統(tǒng)方法構(gòu)成的雙色濾光片。
發(fā)明詳述總的血糖濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖1是描述本發(fā)明的血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100主要功能和結(jié)構(gòu)單元的示意性框圖。如圖1所示,血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100包括一個(gè)用于發(fā)射寬帶光輻射115的寬帶光源110。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,光源110包括一個(gè)3,000K的石英鹵燈。在一個(gè)實(shí)施例中,除了鹵燈之外,光源110可以進(jìn)一步包括一個(gè)其發(fā)射波長(zhǎng)近似為1,300nm的第一砷化銦鎵(InGaAs)發(fā)光二極管(LED),一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)近似為1,060nm的第二InGaAs發(fā)光二極管LED,和一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)近似為940nm的第三InGaAs發(fā)光二極管LED。
在另一個(gè)實(shí)施例中,具有被調(diào)到選定頻段波長(zhǎng)的幾個(gè)發(fā)光二極管可以用于代替燈110。當(dāng)然,由于多個(gè)特殊制作的發(fā)光二極管成本的緣故,這種實(shí)施例通常比較昂貴。于是,優(yōu)選的實(shí)施例包括一個(gè)按下述成本有效方式產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的裝置。
光源110發(fā)出的光輻射115通過一個(gè)透鏡組件117(可以包括纖維光學(xué)件等等)聚焦,并透過一個(gè)濾光元件120。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,該濾光元件120可以包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的雙色濾光片,如下文參考圖10所述的。該雙色濾光片120包括一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)透光盤基片,它分為不同厚度光學(xué)涂層,以在近紅外(NIR)(即700nm)到紅外(IR)(即1,400nm)的光譜上調(diào)制寬帶光輻射。濾光片進(jìn)一步包括一個(gè)光學(xué)不透明的帶122,該帶可以包括從濾光盤120中心徑向向外沉積的黃銅或某些其它金屬。該不透明的帶提供了一個(gè)“0”位標(biāo)記。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中濾光盤120由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)(下文將更詳細(xì)說明)。濾光后的光輻射125從濾光片120通過而進(jìn)入充滿血液的肌體媒質(zhì),如指尖130。在某些應(yīng)用中,可能需要在濾光片120與手指130之間設(shè)置聚焦透鏡。
加壓裝置129示意性地表示在圖1中指尖130的周圍處。如下文將要更詳細(xì)討論的,為了強(qiáng)化信號(hào)的檢測(cè),加壓裝置129用于從指尖130擠出液體。
透過手指130的光135投射在光檢測(cè)器140上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,光檢測(cè)器140包括一個(gè)對(duì)在該優(yōu)選實(shí)施例所關(guān)心的光譜范圍(如在850與1700nm)波長(zhǎng)有清晰的光學(xué)響應(yīng)的InGaAs光檢測(cè)器。
光檢測(cè)器的輸出端連接到一個(gè)預(yù)放大器150上,該放大器適宜是動(dòng)態(tài)上限在1-5伏之間A級(jí)放大器。預(yù)放大器150的輸出端連接到一個(gè)帶通濾光器160上。該帶通濾波器160優(yōu)選地包括一個(gè)線性RC濾波器,其低頻截止頻率約0.5Hz而高頻截止頻率約10Hz。高低截止頻率具有每倍頻程約6分貝的滾降。
帶通濾波器160連接到一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170上,在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,該轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)Δ·Σ轉(zhuǎn)換器,它把帶通濾波器輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170可以是一個(gè)16位20kHz轉(zhuǎn)換速率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。一個(gè)示例是可從Crystal Semiconductor公司得到的No.CS5317型的。然后,從轉(zhuǎn)換器170輸出的數(shù)字化信號(hào)被提供給用于信號(hào)處理的數(shù)字信號(hào)處理器180的輸入端。在一個(gè)實(shí)施例中,數(shù)字信號(hào)處理器可以用計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)。例如,INTEL 486 MP,或者型號(hào)為No.21062的ANALOGDEVICES DSP芯片是兩個(gè)例子。數(shù)字信號(hào)處理器180輸出一個(gè)代表手指130中血液的血糖水平的值。
在工作期間,當(dāng)寬帶光源110發(fā)射出包含大約700nm至1700nm波長(zhǎng)范圍的光115時(shí),該寬帶光115通過轉(zhuǎn)動(dòng)的雙色濾光片120射出。應(yīng)當(dāng)注意,是借助于光纖、透鏡組件(如透鏡117)等等手段把光115聚焦在濾光片120的一部分區(qū)域上的。當(dāng)雙色濾光片120轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),寬頻帶的光被雙色濾光片的一部分濾光,產(chǎn)生濾色后的光輻射125。如上所述,雙色濾光片120涂覆有各種厚度的光學(xué)層,以使雙色濾光片120的不同部分可透過不同波長(zhǎng)的光。于是,當(dāng)濾光片120轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從濾光片輸出的光輻射125包括各種波長(zhǎng)的光輻射。在一個(gè)實(shí)施例中,光纖被用于將濾光片120之一部分發(fā)出的光輻射125耦合到患者的手指130上。在此應(yīng)注意,由于濾光片120的光學(xué)特性可以得到精心的測(cè)量,且雙色濾光片120的轉(zhuǎn)動(dòng)速度已知,所以從濾光片120發(fā)出照射到手指130上的光輻射125的圖案輪廓清晰,因而可在確定濾光片120所致衰減量的信號(hào)處理過程中使用。
用于照射手指130的光輻射125透過手指130產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的光135。如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的,一部分光輻射125無阻礙地透過手指130,而一部分光輻射125在手指130內(nèi)反射產(chǎn)生散射光。透過手指130的散射光與無阻礙透過手指130的光一起構(gòu)成光135。一部分光輻射125由手指130內(nèi)的成分吸收。
已知手指包含指甲,皮膚,骨頭,肌肉,和血液。血液本身主要包括水,氧絡(luò)血紅蛋白,脫氧血紅蛋白,類脂化合物,蛋白質(zhì)和葡萄糖。手指內(nèi)的每一種成分(如神經(jīng)、肌肉組織等等)都吸收和散射透過手指130的光輻射125。如上所述,通過非均勻媒質(zhì)的光輻射吸收,相對(duì)于分別取得的各個(gè)成分的光學(xué)特性通常遵循明確的定律。這些定律由比爾 蘭伯特定律的等式表示。通過手指130的光135入射到光檢測(cè)器140上。光檢測(cè)器140產(chǎn)生一個(gè)正比于光135總強(qiáng)度的電信號(hào)。
盡管光135通常是不同的波長(zhǎng)強(qiáng)度不同,但是光檢測(cè)器140產(chǎn)生一個(gè)正比于檢測(cè)器140所檢波段內(nèi)光135之光譜響應(yīng)曲線下所包含區(qū)域的電信號(hào)。即,光檢測(cè)器140接收在不同波長(zhǎng)處有不同強(qiáng)度的光。由于檢測(cè)器140的特性,檢測(cè)到的波長(zhǎng)局限于約850nm至1700nm波段上,因而若強(qiáng)度是波長(zhǎng)的函數(shù)并得到一個(gè)光譜特性曲線,則光譜特性曲線下的區(qū)域?qū)⒋碚丈涞綑z測(cè)器140上的平均光輻射強(qiáng)度。于是,檢測(cè)器140產(chǎn)生的電信號(hào)正比于光135的總強(qiáng)度(即平均值)。
光檢測(cè)器140輸出的電信號(hào)由預(yù)放大器150放大,然后通過用于濾波的帶通濾波器160。帶通濾波器160用于消除與確定患者體內(nèi)血糖水平無關(guān)的高低頻噪聲信號(hào)。帶通濾波器160輸出的模擬信號(hào)在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)再被傳輸?shù)綌?shù)字信號(hào)處理器180中。數(shù)字信號(hào)處理器180為從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所得數(shù)字信號(hào)中確定血糖水平所采用的方法,將在下文參考圖3-9作更詳細(xì)地說明。最后,代表血糖水平的值從數(shù)字信號(hào)處理器180輸出。
這里應(yīng)注意,在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)180中用于減少信號(hào)中噪聲的信號(hào)調(diào)節(jié)裝置和方法,利于具有很高的信噪比(在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中為90-100dB量級(jí))。這樣一種處理系統(tǒng)在標(biāo)題為“信號(hào)處理裝置”的國(guó)際申請(qǐng)WO96/12435中進(jìn)行了描述。特別值得注意的地方被表示在該國(guó)際申請(qǐng)的圖11,11A,和12中,以及相應(yīng)的說明部分,其中詳細(xì)地說明了得到足以滿足本發(fā)明要求的信噪比所用的結(jié)構(gòu)和方法。此外,應(yīng)當(dāng)理解,盡管該國(guó)際公開件針對(duì)的是獲得血氧量的裝置和方法,但是在20kHz的數(shù)據(jù)信號(hào)被輸出到本國(guó)際公開件中圖12所示的DSP中之前根據(jù)本發(fā)明中將執(zhí)行相同的信號(hào)處理步驟。
圖2是一個(gè)數(shù)據(jù)流框圖,它很籠統(tǒng)地表示了本發(fā)明為通過非介入光學(xué)監(jiān)測(cè)而獲得患者血糖水平所采用的完整的信號(hào)分析方法。首先,如功能框200所示的,用經(jīng)濾光片120按已知方式濾光過的光束照射患者的手指130。透過手指130的光信號(hào)由光檢測(cè)器140轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào),如功能框203所示。
在第一分析步驟中,由于系統(tǒng)100中電子組件和照射在光檢測(cè)器140上的環(huán)境光所導(dǎo)致的電噪聲,如功能框210所示的那樣被消除掉。于是,諸如60Hz的電噪聲和室內(nèi)光等等在此步驟中被消除掉。由于環(huán)境光和電噪聲與有用的信號(hào)線性混合在一起,所以這種噪聲可以在信號(hào)處理程序中的該階段用線性的減法來消除。
一旦從代表透過濾光片120和手指130的光135的電信號(hào)中消除了電噪聲,即可執(zhí)行如功能框220所表示的第二分析步驟,從而處理該電信號(hào)以解調(diào)制出濾光片120的衰減特性。應(yīng)當(dāng)理解,濾光片的特性是與手指的特性調(diào)制在一起的,借助于解調(diào)制的方法比線性減法更利于消除濾光片所導(dǎo)致的特性。按此方法可分離出單純由于手指衰減特性所產(chǎn)生的電信號(hào)部分。
當(dāng)電信號(hào)被處理成已分離出僅與患者手指130的光學(xué)衰減特性有關(guān)的信息時(shí),那些非葡萄糖和水的手指成分的衰減特性所產(chǎn)生的電信號(hào)部分,在功能框230中所示的第三分析步驟被分離出來。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,該第三分析步驟的第一子步驟包括從指尖中擠出液體并去除指尖的非液體部分,于是從電信號(hào)中提取出那些非血液的手指分量。第三分析步驟的另一個(gè)子步驟包括從剩下的代表血液的信號(hào)中提取那些非葡萄糖和水的血液成分衰減特性所產(chǎn)生的電信號(hào)部分。兩個(gè)子步驟都適于借助解調(diào)制消除非血液內(nèi)葡萄糖和水所產(chǎn)生的信號(hào)特而實(shí)現(xiàn)。
最后,如功能框240所示,得到患者手指130內(nèi)葡萄糖濃度與水濃度之比,以提取由于通過手指130的光路所產(chǎn)生的信號(hào)特性。按此方法,可得到一個(gè)純粹的血糖濃度。該濃度值可以作為代表患者血糖水平的值輸出。
圖3是一個(gè)數(shù)據(jù)流框圖,它詳細(xì)表示出為了根據(jù)檢測(cè)的光信號(hào)獲得患者血糖水平,在運(yùn)行期間所用的方法。但是應(yīng)該理解,在運(yùn)行之前,要執(zhí)行初始化和校準(zhǔn)程序而不是方框305的保管和自檢程序。
運(yùn)行前初始化初始化和校準(zhǔn)在工廠進(jìn)行或在用作患者檢測(cè)器之前的其它時(shí)間進(jìn)行。一般的說,如下文將結(jié)合圖7更詳細(xì)說明的,要構(gòu)造一個(gè)血液成分矩陣,和一個(gè)濾光片特性矩陣。血液成分矩陣表示在各種波長(zhǎng)下血液中各主要成分的吸收特性。濾光片特性矩陣表示雙色濾光片120在其不同部位對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收特性。濾光片特性矩陣用于提取檢測(cè)器140產(chǎn)生的單純由濾光片120所致光衰減引起的部分電信號(hào)。血液成分矩陣用于透過組織的光的相關(guān),用以計(jì)算包括葡萄糖,水,血紅蛋白等等不同成分濃度。
血液成分矩陣和濾光片特性矩陣都是二維矩陣。血液成分矩陣由每種被考慮的血液成分為一列,每個(gè)被測(cè)光波長(zhǎng)為一行而構(gòu)成。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,當(dāng)分析五種血液成分使用十六個(gè)波長(zhǎng)時(shí),血液成分矩陣包括五列十六行。濾光片特性矩陣由每個(gè)被測(cè)光波長(zhǎng)為一列,濾光片120的每次執(zhí)行模/數(shù)采樣時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置為一行而構(gòu)成。于是,在一個(gè)實(shí)施例中,當(dāng)使用16個(gè)波長(zhǎng)和把濾光片120限定為256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí),該濾光片特性矩陣包括16列和256行。應(yīng)該理解,不必一定使用16個(gè)不同的波長(zhǎng);但是,其它波長(zhǎng)的使用特別有利于提高信噪比。由于在濾光片的各個(gè)位置處,大約由一半的入射光透過濾光片,所以相同的波長(zhǎng)多次被檢測(cè)到(盡管每次都是與其它波長(zhǎng)構(gòu)成單一組合),所以總的信號(hào)強(qiáng)度是任意一個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)強(qiáng)度的10至100倍,且大大高于背景噪聲。這是通稱的Felgate優(yōu)點(diǎn)。按此方式,在所需測(cè)量的波長(zhǎng)范圍內(nèi)整個(gè)濾光片120的光譜響應(yīng)都含有特征。構(gòu)造血液成分矩陣和濾光片特性矩陣所用的方法,將結(jié)合圖7詳細(xì)說明。
運(yùn)行時(shí)間處理完成初始化和校準(zhǔn)之后,系統(tǒng)即準(zhǔn)備運(yùn)行使用了。如圖3所示,運(yùn)行過程的開始表示在開始框300中。首先,執(zhí)行保管和自測(cè)程序,如功能框305所示的。保管和自測(cè)主要包括,根區(qū)運(yùn)行和確認(rèn)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100是否正常運(yùn)行,并提供更精確的血糖濃度監(jiān)測(cè)。比如,儀器首先確定是否有足以精確讀取數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度,是否有脈搏,是否有讓患者按壓和釋放手指130的指令,等等。在完成保管和自測(cè)之后,激活光源110以使光115透過濾光片120,如功能框310所表示的。首先,在患者手指130未插入濾光片120與檢測(cè)器140之間時(shí),激活光源110。于是,檢測(cè)器140檢測(cè)到的光代表一個(gè)基準(zhǔn)光強(qiáng)(I0),它可以作為一個(gè)試驗(yàn),以保證一個(gè)過暗或過亮的燈泡不被當(dāng)作備用燈泡等等。
如功能框312所示,初始的基準(zhǔn)光強(qiáng)常數(shù)確定之后,患者插入手指130,即可進(jìn)行患者手指130內(nèi)血糖水平的測(cè)量。如上所述,當(dāng)患者的手指130插入到濾光片120與檢測(cè)器140之間時(shí),光源110發(fā)出的光115透過濾光片120和待檢手指130,成為即將入射到檢測(cè)器上的光束135。
如功能框315所示,入射到檢測(cè)器140的光被轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并在預(yù)放大器150中放大該信號(hào),再經(jīng)帶通濾波器160濾波,被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170采樣。由于濾光片120是轉(zhuǎn)動(dòng)的(盡管對(duì)某些特定應(yīng)用要求其它轉(zhuǎn)速可能是有利的,但在一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例中,大約是每秒78.125轉(zhuǎn)),檢測(cè)器140輸出的電信號(hào)采樣代表在濾光片120各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置處檢測(cè)到的光強(qiáng)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,濾光片120轉(zhuǎn)一圈(即360°)相應(yīng)有512個(gè)數(shù)字采樣。即,512個(gè)數(shù)字采樣在濾光片120轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間內(nèi)完成。于是,如果濾光片120以78.125轉(zhuǎn)/秒的速度轉(zhuǎn)動(dòng),則在約1/78秒內(nèi)完成512個(gè)采樣,從而模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170的采樣速率將接近于每秒40,000個(gè)采樣。
如下文進(jìn)一步所述的,根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的濾光片120,在一圈內(nèi)有重復(fù)的區(qū)域。具體地講,濾光片120是對(duì)稱涂覆成層的,以使濾光片第一個(gè)半圈可提供濾光片120第二半圈信號(hào)的鏡像值。也就是說,如圖10所示,濾光片呈一個(gè)楔形,以使一個(gè)方向的厚度是常數(shù),而與之垂直方向的厚度線性增加。于是,濾光片120的第二半圈是重復(fù)的。因此,在上述實(shí)施例中,濾光片120第一半圈獲得的數(shù)字采樣可以棄掉,以使濾光片120每轉(zhuǎn)一圈有256個(gè)用作數(shù)字信號(hào)處理目的采樣而非上面所述實(shí)施例中的512個(gè)。此外,全部512個(gè)采樣可以用于對(duì)相應(yīng)數(shù)值求平均值的處理。在另一個(gè)實(shí)施例中,濾光片重復(fù)的一半可以用于濾光片與光源校準(zhǔn)。256個(gè)采樣(如果僅用一半)代表濾光片120上有不同光透過特性的不同部分。
當(dāng)檢測(cè)器140輸出的信號(hào)采樣完成后,被線性加入的血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)固有的確定的和隨機(jī)的電噪聲,被提取出來(即線性減法),如功能框320所示。減去該噪聲的方法取決于噪聲是確定的還是隨機(jī)的。如果噪聲是確定的,則可以用一個(gè)恰當(dāng)?shù)南辔荒M它并作減法。如果噪聲是隨機(jī)的,這類噪聲可以被取平均而趨于零。如上所述,濾光片120被特別地設(shè)計(jì)成包括一個(gè)不透明帶(即黃銅帶122)的形式。通過監(jiān)測(cè)檢測(cè)器輸出的強(qiáng)度,數(shù)字信號(hào)處理器180檢測(cè)何時(shí)濾光片120的不透明帶122介于光115與檢測(cè)器140之間。當(dāng)不透明帶122擋住光時(shí),該強(qiáng)度實(shí)際上為零。由于不透明帶122基本擋住了光源110發(fā)出的所有光輻射,所以光被擋住時(shí)光檢測(cè)器140輸出的任何信號(hào),都將被視為與手指130光譜吸收特性或?yàn)V光片120光譜吸收特性無關(guān)的電噪聲,于是數(shù)字信號(hào)處理器180把黃銅帶122介于光源110與光檢測(cè)器140之間時(shí)光檢測(cè)器140輸出端出現(xiàn)的信號(hào),視為隨機(jī)噪聲,該噪聲隨即從光檢測(cè)器140輸出的信號(hào)中被去掉。在一個(gè)實(shí)施例中,這可以通過從每個(gè)與功能框315內(nèi)得到的檢測(cè)信號(hào)采樣相對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)值中,減去與檢測(cè)噪聲電平相對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)值,而簡(jiǎn)單地完成。此外,一個(gè)快門機(jī)構(gòu)可以插在光路內(nèi),或者燈110可以瞬時(shí)關(guān)斷也有相同的效果。按此方式,可去除血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100固有的電噪聲,從而濾光片120和手指130的光吸收特性所導(dǎo)致的那些電信號(hào)可以在后續(xù)處理步驟中繼續(xù)得到處理。
在血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100固有的隨機(jī)噪聲通過取平均而趨于零,且通過相位模擬該噪聲或?qū)υ摯_定噪聲取平均而趨于零的方法去除確定噪聲之后,該方法的控制從功能框320進(jìn)入功能框323。在功能框323中,信號(hào)除以I0,規(guī)一化該信號(hào)。然后在功能框325中處理歸一化的信號(hào),以從功能框315獲得的采樣值中構(gòu)造一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度矩陣,或矢量(考慮到已經(jīng)在功能框320中完成電噪聲的去除,并在功能框323中完成了信號(hào)歸一化)。該信號(hào)強(qiáng)度矩陣是一個(gè)包括256個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值(即濾光片120的每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)采樣位置一個(gè)值)的一列矩陣(有時(shí)稱為一個(gè)矢量)。于是,通過直接測(cè)量透過濾光片120和手指130的光信號(hào)而獲得該信號(hào)強(qiáng)度矢量,并用光檢測(cè)器140檢測(cè)。當(dāng)然,形成信號(hào)強(qiáng)度矢量所用的值是在減去每個(gè)采樣中的噪聲之后從檢測(cè)器140輸出的信號(hào)幅值中獲得的。濾光片上用符號(hào)φ對(duì)將被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器170采樣的每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置作標(biāo)記,φ1應(yīng)當(dāng)與濾光片120的第一轉(zhuǎn)動(dòng)位置相對(duì)應(yīng),φ2與濾光片120的第二轉(zhuǎn)動(dòng)位置相對(duì)應(yīng),直至φ256與濾光片120再一次轉(zhuǎn)到φ1之前的最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置相對(duì)應(yīng)。用這種標(biāo)記,Iφ1對(duì)應(yīng)于濾光片120處于第一轉(zhuǎn)動(dòng)位置φ1時(shí)光檢測(cè)器140檢測(cè)到的光強(qiáng)度,Iφ2對(duì)應(yīng)于濾光片120處于第二轉(zhuǎn)動(dòng)位置φ2時(shí)光檢測(cè)器140檢測(cè)到的光強(qiáng)度,等等。所以,信號(hào)強(qiáng)度矩陣是一個(gè)單列矩陣,它包括與在濾光片120的每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置處檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的256個(gè)Iφ1到Iφ256的數(shù)字?jǐn)?shù)值。在一個(gè)實(shí)施例中,幾圈的強(qiáng)度值被取平均,而形成信號(hào)強(qiáng)度矩陣。
在功能框325中構(gòu)造了信號(hào)強(qiáng)度矩陣之后,在功能框327中進(jìn)行誤差核查或檢測(cè)。該檢測(cè)被周期性地進(jìn)行,以確保監(jiān)測(cè)到一個(gè)有效的手指樣品。所以,在傳輸和濾波的每一階段,輸出值都要受到檢查,以使之成為與人類手指屬性的預(yù)期范圍對(duì)應(yīng)的期望范圍的值。如果輸出值落在范圍之外,則出現(xiàn)一個(gè)表示受檢樣品無效的系統(tǒng)誤差。
當(dāng)下文表示為I(φ)的信號(hào)強(qiáng)度矢量的誤差檢測(cè)完成,及如上所述的并在功能框333表示為數(shù)據(jù)輸入的且下文表示為F(φ,λ)的濾光片特性矩陣在運(yùn)行前獲得之后,信號(hào)強(qiáng)度矩陣與濾光片特性矩陣一起可用于獲得僅表示手指130光吸收特性的矩陣,如功能框330,331所示的。即,由于濾光片120和手指130總的光吸收特性已知是從信號(hào)強(qiáng)度矩陣I(φ)測(cè)到的,而濾光片120的光吸收特性已知是由濾光片特性矩陣F(φ,λ)表示的,所以由手指特性導(dǎo)致的光115的吸收可以通過從濾光片120和手指130總的吸收中去掉濾光片引起的光吸收而確定。這首先要完成濾光片矩陣的逆變換,如功能框331所示,然后如功能框330所示那樣,信號(hào)強(qiáng)度矢量乘以逆濾光片矩陣。
圖5用圖表表示了手指130引起的光吸收、濾光片120引起的光吸收與手指130和濾光片120兩者總的光吸收之間的關(guān)系。如圖5所示,從850nm至1350nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光透過手指130,產(chǎn)生一個(gè)表示為T(λ)的光譜函數(shù),其中透過手指?jìng)鬏數(shù)墓馐遣ㄩL(zhǎng)的函數(shù)。與之相似,透過濾光片120的所選轉(zhuǎn)動(dòng)部分(如與0°對(duì)應(yīng)的φ=0的情況下)而傳輸?shù)墓庖彩遣ㄩL(zhǎng)的函數(shù),并在圖5中表示為函數(shù)F(φ,λ)。最后,對(duì)手指130和濾光片120引起的光吸收的組合或卷積表示在相同波長(zhǎng)的上方,并在圖5中用函數(shù)I(φ)代表。為了從手指透過函數(shù)T(λ)和濾光片透過函數(shù)F(φ,λ)獲得I(φ),函數(shù)T(λ)和F(φ,λ)上的任何波長(zhǎng)處透過的光百分比相乘而得到I(φ)。于是,透過手指130傳輸?shù)?050等波長(zhǎng)的光約0.24%,而在φ=0°處透過濾光片傳輸?shù)南嗤ㄩL(zhǎng)光將近80%,所以透過手指130或?yàn)V光片120傳輸?shù)目偟墓饬繎?yīng)該接近0.24%乘以80%,或總共0.192%,如波長(zhǎng)1050和函數(shù)I(φ)所表示的。
函數(shù)I(φ)和F(φ,λ)可以分別用信號(hào)強(qiáng)度和濾光片特性矩陣表示。于是,由于I(φ)=F(φ,λ)×T(λ)(3)且I(φ)代表一個(gè)含有對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置φ的強(qiáng)度值的一列矩陣(矢量),同時(shí)F(φ,λ)代表一個(gè)含有對(duì)應(yīng)各個(gè)φ值和各個(gè)λ值的濾光片透過系數(shù)值的二維矩陣(見圖4D),而代表手指130光學(xué)透過率的函數(shù)T(λ)可以由在各個(gè)波長(zhǎng)λ處取值的一列矩陣表示。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,為了表示手指130和濾光片120的光譜特性,在850至1400nm范圍內(nèi)選出16個(gè)波長(zhǎng)。具體地,在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,受監(jiān)測(cè)的波長(zhǎng)是850,880,910,940,970,1000,1030,1060,1090,1120,1150,1200,1250,1300,1350,和1400nm。
等式(3)的矩陣形式表示如下
如等式(4)所示,信號(hào)強(qiáng)度矩陣I(φ)等于二維濾光片特性矩陣與單列手指特性矩陣T(λ)的乘積。在該等式中,兩個(gè)矩陣是給出的(即I(φ)和F(φ,λ))。于是,代表手指130對(duì)16個(gè)從850nm至1400nm選出波長(zhǎng)光透過特性的第三矩陣T(λ),可以通過用下面表示的已知的矩陣求逆和相乘技術(shù),讓F-1(φ,λ)表示的濾光片特性矩陣的逆矩陣與信號(hào)強(qiáng)度矩陣I(φ)簡(jiǎn)單地相乘而獲得。
于是,如功能框331所表示的,逆變換得到濾光片特性矩陣F-1(φ,λ),然后在功能框330中該逆矩陣乘以信號(hào)強(qiáng)度矩陣I(φ),以獲得由手指特性矩陣或透過矢量T(λ)所表示的手指130的頻率響應(yīng)。
透過矢量T(λ)(或者如本文的另一種稱謂,光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣),如所示的,在功能框330中獲得之后,將對(duì)應(yīng)于16個(gè)選出波長(zhǎng)的每一個(gè)存在于透過矢量中的數(shù)字?jǐn)?shù)值,從一個(gè)基本為對(duì)數(shù)函數(shù)變換成一個(gè)線性函數(shù),如功能框335所示的。變換存在于透過矢量T(λ)中的對(duì)數(shù)值為線性值的方法,將在下文結(jié)合圖8更詳細(xì)地說明。
透過矢量的線性化對(duì)透過矢量T(λ)作線性處理,以防干擾信號(hào)的交叉調(diào)制。通過對(duì)透過矢量的線性化處理,與血流中葡萄糖無關(guān)的檢測(cè)光特性可以線性地除掉。因此,本發(fā)明所采用的分析和線性化的次序,對(duì)于防止干擾信號(hào)與所需葡萄糖信號(hào)的交叉調(diào)制是十分重要的。
對(duì)透過矢量T(λ)線性化處理的主要目的是消除與光路長(zhǎng)度相關(guān)的誤差。如上述已討論的,通過媒質(zhì)(如手指130等等)的透過光強(qiáng)與透過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度基本成指數(shù)關(guān)系。因此,透過特性隨相應(yīng)光路非線性變化,在讓透過光強(qiáng)對(duì)各種可能的透過光路長(zhǎng)度取平均值時(shí),將不能獲得一個(gè)與光路無關(guān)的透過光強(qiáng)值。這是因?yàn)?,由于光路長(zhǎng)度與透過光強(qiáng)值關(guān)系的非線性特點(diǎn),致使某些光路長(zhǎng)度的權(quán)重大于其它的,所以權(quán)重大的光路上的誤差在最終的血糖濃度輸出值中變得更為突出。通過線性化處理光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣,光路長(zhǎng)度與每個(gè)波長(zhǎng)的關(guān)系變成線性的,所以光路長(zhǎng)度可以從該組線性等式中被減掉。當(dāng)透過矢量T(λ)中的值被線性化處理過之后,該線性矩陣在在此處用一個(gè)新的名稱D(λ)表示,用來代表光強(qiáng)。
如功能框335(圖3)所示,透過矢量中的值被線性化處理過之后,方法的控制進(jìn)入功能框340,其中根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,在指尖130上施加一個(gè)較大的壓力(即超過患者血壓一定值),以從指尖130中擠出液體。應(yīng)當(dāng)理解,監(jiān)測(cè)過程的這個(gè)步驟是一個(gè)長(zhǎng)的循環(huán)方法的一部分,它在其它信號(hào)處理步驟中是沒有的。這是因?yàn)槊看吻蠼鈴墓鈴?qiáng)矢量推導(dǎo)出的聯(lián)立方程時(shí)都需要靜態(tài)條件。因此,壓力加在手指上加壓一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間,以便能對(duì)一個(gè)或多個(gè)聯(lián)立方程推導(dǎo)出一個(gè)解,然后把手指放松一個(gè)足以得到其它聯(lián)立方程的精確解的時(shí)間。于是,由于以慢于信號(hào)處理步驟的速率在指尖130施加壓力,所以出于實(shí)用的目的,在信號(hào)處理方法的每次迭代中指尖都要處于靜態(tài)條件下。從指尖130中擠出液體,以得到非血液的手指光學(xué)特性結(jié)果。這可以除去由檢測(cè)器140產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于指尖130內(nèi)的非血液手指光學(xué)特性的一部分電信號(hào)。指尖130內(nèi)液體的擠出主要包括向患者的指尖130施加物理意義的壓力或其它形式的力,并釋放該壓力以使血液都涌向手指130。如本領(lǐng)域所公知的,手指130不僅含有血液,而且還有骨骼,肌肉,皮膚和指甲,所有這些都吸收光輻射,并因此對(duì)透過矢量確定的吸收特性有影響。但是,就本發(fā)明的目的而言,包括手指130的骨骼,肌肉或其它非血液成分的光吸收特性,對(duì)于計(jì)算血糖是沒有用的,這些手指成分可以視為應(yīng)該從用于確定血糖水平的數(shù)據(jù)中除去的部分。
為了除掉這些由手指130的非血液成分導(dǎo)致的部分,要在指尖130上加上一個(gè)較大的壓力。在手指發(fā)生物理地改變以引起血液流進(jìn)和流出指尖130的情況下,血液從指尖130中排出時(shí)指尖130的光學(xué)透過特性,不同于血液流進(jìn)指尖130時(shí)指尖130的光學(xué)透過特性。這個(gè)差實(shí)際上是排出的血液和其它液體的光學(xué)透過特性。換句話說,血液充滿時(shí)指尖130的光學(xué)特性,是血液排出時(shí)指尖130的光學(xué)透過特性與被排出的血液的光學(xué)透過特性的組合。因此,通過從指尖充滿血液時(shí)光檢測(cè)器140產(chǎn)生的信號(hào)中減去血液從指尖中排出時(shí)光檢測(cè)器140產(chǎn)生的信號(hào),可以獲得被排出的血液的光學(xué)透過特性。從這段說明應(yīng)該理解,血液不需要完全排空。按此方式,由指尖130的骨骼,肌肉,指甲和皮膚引起的部分信號(hào)可從光檢測(cè)器140產(chǎn)生的數(shù)字化處理過的信號(hào)中除去和減掉。還應(yīng)該注意,從指尖130中擠壓血液的其它方法可以包括把患者手臂抬向空中,由重力引起手指中的血液向下流動(dòng)等等。
圖12表示了一個(gè)可以在本發(fā)明的光譜分析過程中用于從指尖擠出液體的裝置的示范性實(shí)施例。如圖12所示,手持式血糖監(jiān)測(cè)器1300包括光源110,透鏡117,雙色濾光片120,和檢測(cè)器140(全部仿真顯示)。指尖130位于可用于給指尖130加壓的夾持器的壓力臂1310之間。一個(gè)顯示血糖濃度的顯示器1320也表示在圖12中。
在一個(gè)特別優(yōu)選實(shí)施例中,為了獲得有關(guān)指尖130及其中血液的光學(xué)特性的附加信息,可能要損傷指尖。在這種實(shí)施例中,指尖可以放在一個(gè)能加壓到較高壓力的可充氣外套內(nèi),該壓力可使指尖130中的大部分血都擠出。因此,按此方式,可以使流入指尖30的血液所致的信號(hào)實(shí)現(xiàn)將近100%的調(diào)制。這種深調(diào)制提高了由指尖130中血液所致電信號(hào)的信噪比。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意,這種深調(diào)制可以改變通過指尖媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度(因?yàn)槭种傅暮穸瓤赡苡忻黠@的不同)。光路的這種變化可能需要補(bǔ)償。
因此,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,第二水系數(shù)值包括在血液成分矩陣中,下文用A(λ,r)表示,其中r表示構(gòu)成血液成分矩陣的血液成分的數(shù)量。當(dāng)指尖有較深調(diào)制時(shí)該第二水系數(shù)值可以用于確定指尖中水“深度”的變化。于是,在手指被擠壓時(shí)用第一系數(shù)計(jì)算出第一水深度,而在手指被擠壓的另一時(shí)間用第二系數(shù)計(jì)算出第二水深度。指尖內(nèi)水深度的改變基本與透過手指的光路長(zhǎng)度變化相同,所以水深度的變化可以用來表示光路長(zhǎng)度的變化。因此,通過以選定的間隔對(duì)手指130中的水使用第一和第二系數(shù),可以得到一個(gè)表示有調(diào)制的透過手指130光路長(zhǎng)度與無調(diào)制的透過手指130光路長(zhǎng)度之比的比值。
在減去了指尖130內(nèi)非血液部分的信號(hào)特征之后,再?gòu)墓庑盘?hào)中減去由非葡萄糖和水的血液成分引起的那些光學(xué)特性,如功能框345所示的。然后確定血流所含水之中的血糖濃度,如下面還要進(jìn)一步說明的。
如功能框345中所示的,濃度矩陣是從線性化的手指頻率響應(yīng)特性矩陣D(λ)(提取出非血液信號(hào)特征之后的)和血液成分矩陣A(λ,r)中推導(dǎo)出來的。血液成分矩陣用作功能框345中所實(shí)施的處理的輸入數(shù)據(jù),如功能框347所示。如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的,和上述簡(jiǎn)要討論的,當(dāng)幾種物質(zhì)組合在一起形成一種有光學(xué)吸收的媒質(zhì)時(shí),組合媒質(zhì)的總的光吸收和透過特性,通??梢杂贸蓸?gòu)成該媒質(zhì)的各個(gè)成分的光學(xué)特性來表述。于是,例如一種媒質(zhì)由水,油,和酒精(僅在此用在示范目的,因?yàn)閷?shí)際上這些物質(zhì)是不相溶的)構(gòu)成,則根據(jù)比爾-蘭伯特定律,整個(gè)媒質(zhì)的光學(xué)透過可以表述為正比于第一成分(即水)光吸收特性乘以第一成分濃度再乘以通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度;加上第二成分(即油)光吸收系數(shù)乘以第二成分濃度再乘以通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度;再加上第三成分(即酒精)光吸收系數(shù)乘以第三成分濃度再乘以通過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度之后取指數(shù)。即,I=I0e[αw·Cw·P1+αo·Co·P1+αA·CA·P1]----(6)]]>由于每種物質(zhì)的光吸收系數(shù)通常都作為光波長(zhǎng)的函數(shù)而變化,所以可以推導(dǎo)出一組方程,來描述作為媒質(zhì)成分函數(shù)的整個(gè)媒質(zhì)總的光學(xué)系吸收特性。于是,例如對(duì)于第一波長(zhǎng)λ1,用I0除以等式兩邊,并對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù),得出下式1n(Iλ1I0)=α1w·Cw·P1+α1o·Co·P1+α1A·CA·P1---(8)]]>Iλ1=I0e[α1w·Cw·P1+α1o·Co·P1+α1A·CA·P1]]]>Iλ2=I0e[α2w·Cw·P1+α2o·Co·P1+α2A·CA·P1]---(7)]]> IλN=I0e[αNw·Cw·P1+αNo·Co·P1+αNA·CA·P1]]]>如果血液成分的光學(xué)透過情況很好地符合比爾-蘭伯特定律,則第一對(duì)數(shù)將產(chǎn)生一組如上所示的方程。從這些方程中,可以用簡(jiǎn)單的矩陣代數(shù)獲得血糖濃度。但是,如下文將詳細(xì)討論的,在取單一一個(gè)對(duì)數(shù)后,血流中多成分光學(xué)特性不能產(chǎn)生一組線性方程。于是,本發(fā)明嘗試一種不同的方法,它包括在取兩次真對(duì)數(shù)之后對(duì)透過矢量中的值取一個(gè)近似對(duì)數(shù)(near-log),或在另一個(gè)實(shí)施例中取另一近似對(duì)數(shù),以使透過矢量更精確地線性化。應(yīng)當(dāng)理解,初步線性化和其它校正步驟可與上述步驟結(jié)合使用,以確保在取任何一次對(duì)數(shù)之前都滿足比爾-蘭伯特定律。而且,如果在第一次取對(duì)數(shù)之后得到了一個(gè)充分線性化的結(jié)果,則可能不需取第二次對(duì)數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)使用兩次取對(duì)數(shù),為的是得到可按矩陣形式表示的一組線性方程。該線性化處理在子程序框335中完成,并將結(jié)合圖8在下文中詳述。
現(xiàn)在,透過矢量T(λ)可以表示為一個(gè)線性化的手指光譜單列矩陣D(λ)。因此對(duì)于16個(gè)選出波長(zhǎng)光的每一個(gè)而言,都有一個(gè)對(duì)應(yīng)于線性光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣D(λ)的數(shù)字化數(shù)值。即,D(λ)包括一個(gè)表示指尖130在波長(zhǎng)λ1處線性吸收系數(shù)的第一值Dλ1,表示指尖130在波長(zhǎng)λ2處線性吸收系數(shù)的Dλ2,等等直至Dλn。
如前所述,上述比爾-蘭伯特方程一般不是信號(hào)強(qiáng)度值與濃度值的關(guān)系的精確表達(dá)式。因此,透過矢量的線性化處理包括一種“兩次對(duì)數(shù)”的曲線擬合處理。兩次對(duì)數(shù)處理法僅僅必須對(duì)透過矢量實(shí)施,而不必為了得到一組線性方程對(duì)血液成分矩陣和濃度矢量實(shí)施該處理。所以,每個(gè)線性的信號(hào)強(qiáng)度值Dλ,都由吸收系數(shù)乘以光路長(zhǎng)度乘以血液內(nèi)每種成分濃度而進(jìn)行模擬。線性信號(hào)強(qiáng)度矩陣D(λ)可以表示為血液成分矩陣A(λ,r)與下文用C(r)PL表示的濃度乘以光路長(zhǎng)度矩陣的乘積。該表達(dá)式按矩陣形式表述如下
其中PL代表光路長(zhǎng)度,而C1,C1,…,C1代表第一中血液成分,第二種血液成分,…,和最后一種血液成分(用r表示)。根據(jù)公知的矩陣代數(shù)技術(shù),表示濃度乘以光路程度矩陣的矩陣C(r)PL,可以通過讓線性光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣與血液成分矩陣的逆矩陣相乘而確定,如下面所示的。
如功能框345中所示的,血液成分矩陣的逆變換A-1(λ,r)與線性光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣一起,可以用于獲得一個(gè)表示患者血液中不同成分濃度的矩陣。
當(dāng)表示血液中不同成分濃度的矩陣如功能框345中所示那樣推導(dǎo)出來之后,葡萄糖濃度乘以通過手指130的光路長(zhǎng)度與水濃度乘以通過手指130光路長(zhǎng)度的比值,可以如功能框350所示計(jì)算出來。該比值是水中葡萄糖份的濃度,與血流中葡萄糖濃度是一樣的。上述方法重復(fù)執(zhí)行幾次,以得到幾個(gè)葡萄糖濃度值。為了獲得一個(gè)平均的葡萄糖濃度值,用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的最小平方分析法描出一條表示血糖濃度的線,如功能框355所示的。該值被輸出到患者或血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100操作者可以讀數(shù)的顯示器中(見圖12)。之后,該方法控制從功能框355進(jìn)入結(jié)束框360,在其中完成本發(fā)明方法的全過程。
濾光片特性與血液成分矩陣的推導(dǎo)圖4A-4D與圖7一起,更詳細(xì)地表示了本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100啟動(dòng)前初始化和校準(zhǔn)的方法。該初始化和校準(zhǔn)程序表示在圖7中,并用開始框800說明。控制由開始框800到功能框810。
功能框810-825表示了本發(fā)明為獲得血液成分矩陣A(λ,r)所采用的方法,而功能框830-845表示了為獲得濾光片特性矩陣所用的方法。但是應(yīng)該理解,盡管圖7所示的方法被表示為構(gòu)造血液成分矩陣之后再構(gòu)造濾光片特性矩陣,而實(shí)際上,它們代表的是可并行處理的彼此獨(dú)立的程序。
如上述討論的,不同的物質(zhì)通常由不同的光譜特性。即,不同的物質(zhì)在不同波長(zhǎng)光下的吸收或多或少。因此,當(dāng)光的光學(xué)透過性被表示為一種給定物質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)的曲線時(shí),可以看到一種有時(shí)稱為物質(zhì)光譜特征波形的圖形。該特征波形決定了該物質(zhì)在各種光波長(zhǎng)下的光譜特性。
為了形成血液成分矩陣A(λ,r),血液的主要成分被分成各種物質(zhì),且這些物質(zhì)的光譜特性被表示為對(duì)波長(zhǎng)的曲線。各種物質(zhì)的分離,可以通過在玻璃試管內(nèi)實(shí)際地物理分離這些物質(zhì),或者借助于自然態(tài)下的臨床試驗(yàn)而獲得,其中各種物質(zhì)的濃度被仔細(xì)控制,以便為監(jiān)測(cè)各種血液成分濃度的工作提供一個(gè)參考。在本實(shí)施例中,由于850nm與1400nm之間的16個(gè)波長(zhǎng)用于表征患者手指130的光學(xué)特性,所以相同的16個(gè)波長(zhǎng)也用于構(gòu)造血液成分矩陣。因此,要對(duì)血液中的每種物質(zhì)或主要成分進(jìn)行測(cè)量,以獲得它們?cè)?6個(gè)波長(zhǎng)中的每一個(gè)處的吸收情況。
被稱為光譜吸收系數(shù)的這16個(gè)值中的每一個(gè),都用于確定血液成分矩陣A(λ,r)的一行。類似地,血液成分矩陣的每一列將對(duì)應(yīng)于一個(gè)具體血液成分,從而血液成分矩陣的列數(shù)與血液成分?jǐn)?shù)相同。所以,如果有“r”種血液成分和“n”個(gè)確定這些成分光譜特性的波長(zhǎng),則血液成分矩陣將包括一個(gè)“n”行“r”列的矩陣。
如功能框810所示的,在血液成分可物理分離的情況下,第一成分(如水)可作為一種獨(dú)立的物質(zhì)用整個(gè)n個(gè)波長(zhǎng)光(即在本實(shí)施例中的16個(gè)波長(zhǎng))照射,以獲得在這些波長(zhǎng)下的水的光譜吸收系數(shù)。例如,校準(zhǔn)采樣可用于此方法。然后如功能框815所示,用n個(gè)波長(zhǎng)光照射血液的第二成分,以獲得第二成分(如氧絡(luò)血紅蛋白)的光譜吸收系數(shù)。對(duì)每個(gè)主要血液成分作這樣的重復(fù),直至n個(gè)波長(zhǎng)光照射第“r”個(gè)血液成分,獲得最后一種主要血液成分的光譜吸收系數(shù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,某些成分,諸如水和溶于水的葡萄糖,在試管中測(cè)量;而其它血液成分,諸如氧絡(luò)血紅蛋白和脫氧血紅蛋白,適宜在體內(nèi)測(cè)量,因?yàn)檫@些成分的試管測(cè)量難以做到很精確。而且應(yīng)當(dāng)注意,在非成象系統(tǒng)中,如通過用于進(jìn)行試管測(cè)量的那種,光源和檢測(cè)器應(yīng)該是彼此散開的。體內(nèi)和試管內(nèi)測(cè)量都是一種近似的,而且將迭代法用于近似的數(shù)值直至上述線性化過程收斂。按此方式,r種成分中的每一個(gè)都獲得n個(gè)(如本實(shí)施例中16個(gè))吸收系數(shù)值。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,葡萄糖,水,氧絡(luò)血紅蛋白和脫氧血紅蛋白作為分離的成分,其光譜特性得到確定。此外,血液成分矩陣中的第五“成分”行是由散射所致血液吸收系數(shù)所限定的。還可以加上一個(gè)第六成分行,其中第六成分還是水。在向肌體媒質(zhì)上施加較大的物理壓力的期間,該附加成分可以用作對(duì)不同時(shí)間得到光路長(zhǎng)度做雙重檢查。
如本技術(shù)領(lǐng)域公知的,透過媒質(zhì)傳輸?shù)墓廨椛渫ǔ0ㄍ高^媒質(zhì)的散射光波和反射光波。該散射實(shí)際上增加了透過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度。由于散射引起的某些效應(yīng)可以很好地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)限定,所以散射引起的消光效應(yīng)可以被處理成血流中的其它成分。散射“成分”的“吸收”系數(shù),可以通過讓光透過其每種成分濃度已知的光學(xué)媒質(zhì)而經(jīng)驗(yàn)地確定。
當(dāng)主要的血液成分在850nm與1400nm之間的16個(gè)有效波長(zhǎng)下被確定之后,由獲得的每種血液成分光譜吸收系數(shù)構(gòu)成血液成分矩陣。于是,血液成分矩陣的第一列具有第一血液成分(如水)分別對(duì)波長(zhǎng)λ1,λ2直至λn的吸收系數(shù)。血液成分矩陣的第二列具有第二血液成分(如氧絡(luò)血紅蛋白)分別對(duì)波長(zhǎng)λ1,λ2直至λn的吸收系數(shù)。如此下去直至血液成分矩陣的最后一列具有最后一種主要血液成分在選出的波長(zhǎng)λ1,λ2,…λn處的光譜吸收系數(shù)。
功能框830-845與圖4A-4D一起,表示了在本發(fā)明用于構(gòu)成濾光片特性矩陣的方法。如上述討論的,濾光片120在濾光盤120不位置對(duì)不同波長(zhǎng)光具有不同的反射透射比例。這在圖4A-4C中有明確表示,其中圖4A表示了在850nm處的光透過率隨濾光盤256個(gè)可能的轉(zhuǎn)動(dòng)位置變化的曲線圖。如圖4A所示,當(dāng)濾光盤120處在初始位置(即φ=0)時(shí),850nm波長(zhǎng)處的透過濾光片120的光透過率大約為10%;而當(dāng)盤120轉(zhuǎn)動(dòng)到φ=32時(shí),850nm波長(zhǎng)處的透過濾光片120的光透過率大約為25%。另外,在φ=128至φ=160的轉(zhuǎn)動(dòng)位置之間,850nm波長(zhǎng)處的透過濾光片120的光透過率大約為75%。于是,完全表征出在盤形濾光片120的256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置上λ=850nm處的光透過率,如圖4A所示。
圖4B表示了在1150nm波長(zhǎng)處的光透過率對(duì)濾光盤120的同樣256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的曲線圖。類似地,圖4C表示了在1350nm波長(zhǎng)光透過盤形濾光片120的光透過率對(duì)濾光盤120的256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的曲線圖。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)際實(shí)施例中,在850nm至1400nm之間的16個(gè)波長(zhǎng)的每一個(gè)處對(duì)256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置表述濾光片120的光透過特性。
于是,從這些測(cè)量中,可以構(gòu)造一個(gè)濾光片特性矩陣,如圖4D所示的。在圖4D中表示為F(φ,λ)的濾光片特性矩陣包括256行和16列。濾光片特性矩陣的每一列都包括在一個(gè)給定波長(zhǎng)下的盤120的256個(gè)位置處的盤120光譜吸收特性。
為了構(gòu)造圖4D中的濾光片特性矩陣,用16個(gè)波長(zhǎng)光逐一在第一轉(zhuǎn)動(dòng)位置照射濾光片120,以逐一獲得16個(gè)波長(zhǎng)的光譜吸收系數(shù),如功能框830中所示的。當(dāng)功能框830中所示的第一轉(zhuǎn)動(dòng)位置處的光譜吸收系數(shù)確定之后,用16個(gè)選出波長(zhǎng)光逐一在第二轉(zhuǎn)動(dòng)位置(即φ=1)照射該濾光片,以獲得第二轉(zhuǎn)動(dòng)位置的光譜吸收系數(shù),如功能框835所示的。對(duì)盤120的每個(gè)可能的轉(zhuǎn)動(dòng)位置執(zhí)行該過程,如功能框840所示直至用16個(gè)選出波長(zhǎng)光在盤形濾光片120的“第m”或最后的轉(zhuǎn)動(dòng)位置處(即位置256)照射濾光片,以獲得最后轉(zhuǎn)動(dòng)位置的光譜吸收系數(shù)。在一個(gè)采用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)選實(shí)施例中,盤120每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈其轉(zhuǎn)動(dòng)位置都將是精確的。當(dāng)然,有凸極并勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)盤電機(jī)其相位抖動(dòng)減小到小于256分之一后也可以使用。
當(dāng)盤120全部256個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置對(duì)全部16個(gè)波長(zhǎng)的光譜吸收系數(shù)都已確定之后,如功能框845所示,通過將系數(shù)依不同血液成分排成行并依透過光的波長(zhǎng)排成列,而構(gòu)成濾光片特性矩陣。當(dāng)濾光片特性矩陣和血液成分矩陣構(gòu)造完成之后,該系統(tǒng)對(duì)處理程序就有了必要的約束。
溶劑效應(yīng)盡管一般情況下,當(dāng)幾種物質(zhì)混合構(gòu)成一種光學(xué)媒質(zhì)的組成部分時(shí),如比爾-蘭伯特定律所述,該媒質(zhì)的光學(xué)透過和吸收特性將與該媒質(zhì)中每種組成部分的光學(xué)透過和吸收特性有關(guān),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些被隔離的情況下不是這樣。具體地講,當(dāng)葡萄糖與水混合而溶于水時(shí),葡萄糖與水混合物的光學(xué)特性不直接與葡萄糖和水分離的光學(xué)特性一起符合比爾-蘭伯特定律的關(guān)系。事實(shí)上,當(dāng)葡萄糖溶于水時(shí),葡萄糖水溶液在某些波長(zhǎng)下比無葡萄糖的水吸收率要低(即高透過)。
在過去的用光信號(hào)檢測(cè)與處理來監(jiān)測(cè)血糖濃度的系統(tǒng)中,這種用包括血液光譜學(xué)都無法鑒別的溶劑效應(yīng),是實(shí)際血糖濃度檢測(cè)次數(shù)與誤差多的原因。于是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo),為了補(bǔ)償溶劑效應(yīng)導(dǎo)致的誤差和非線性,對(duì)血液成分矩陣A(λ,r)和濾光片特性矩陣F(φ,λ)作了特殊的改進(jìn)。
具體說來,血液成分矩陣包括了溶于水中的葡萄糖而不是單獨(dú)物質(zhì)葡萄糖的吸收系數(shù)。作為溶于水的葡萄糖其吸收系數(shù)與水吸收系數(shù)差值的比例系數(shù)近似等于log(-logTwg)-log(-logTw),其中Twg是含葡萄糖水的透過率,Tw是純水的透過率。
而且,受到監(jiān)測(cè)的波長(zhǎng)(它們確定了濾光片特性矩陣)是選出的,以便與葡萄糖水混合物適合的波長(zhǎng)不相同。這是因?yàn)槿軇┬?yīng)將引起血液成分的最大吸收頻率一個(gè)很小的位移。例如作為單獨(dú)試劑的葡萄糖和水,會(huì)在大約1070nm和大約975nm處有各自的最大吸收波長(zhǎng)。但是由于溶劑效應(yīng),含葡萄糖的水在大約960nm處有一個(gè)最大吸收。
由于純水的吸收特性作為波長(zhǎng)的函數(shù)不同于含葡萄糖水的吸收特性,該吸收特性的差別可用于給血流中溶于水的葡萄糖的吸收系數(shù)值定等級(jí)。圖11表示了水與含葡萄糖水光學(xué)吸收特性之間的比值。如圖11所示,含有溶解葡萄糖的水在大約960nm,1145nm,和1380nm處明顯低于純水的吸收,而純水在大約1060nm處明顯低于含溶解葡萄糖的水的吸收,且在波長(zhǎng)1000nm,1100nm,和1230nm處兩者吸收基本相同。應(yīng)當(dāng)注意,圖11曲線陰影區(qū)域的那些值是由于溶劑效應(yīng)所致,而且是常規(guī)光譜學(xué)所不需要的。純水與含葡萄糖水在峰值波長(zhǎng)(即960,1060,1145等等)處的吸收率差值是作為葡萄糖濃度的函數(shù)而變化的。通過用純水與含葡萄糖水吸收率基本相同的波長(zhǎng)作為基線,確定含葡萄糖水吸收系數(shù)的比例系數(shù)可以被確定。于是,由于識(shí)別了溶劑效應(yīng),所以本發(fā)明可以更精確地測(cè)量血糖水平;且如果用1060nm波長(zhǎng)(即有最小值)與用960nm和1145nm波長(zhǎng)(即有最大值)提供一個(gè)大的差值,則可以有高的靈敏度。
用于線性化光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣的方法圖6A-6C與圖8一起,表示了本發(fā)明用于對(duì)透過矢量T(λ)中數(shù)值進(jìn)行線性化處理的方法。如圖6A所示,在特定波長(zhǎng)處的光輻射百分比光透過率(每條曲線代表一條不同的光路長(zhǎng)度P1,P2等等)是關(guān)于吸收系數(shù)與光通過的光學(xué)媒質(zhì)濃度乘積的函數(shù)曲線。于是,圖6A的曲線表示了透過媒質(zhì)給定光路長(zhǎng)度的光量與媒質(zhì)中給定物質(zhì)濃度之間的關(guān)系。八條曲線全部表示在圖6A的圖表中,其中每條曲線表示通過媒質(zhì)的光的一個(gè)不同光路長(zhǎng)度(如P1,P2,...P8)。
如本技術(shù)領(lǐng)域公知的,透過諸如手指130等光學(xué)媒質(zhì)的一些光輻射,基本不散射地很快通過該媒質(zhì),從而使這部分光觀察到的光路長(zhǎng)度近似與手指的厚度相同。但是在其它情況下,光輻射在媒質(zhì)內(nèi)發(fā)生散射,使這些光觀察到的實(shí)際光路長(zhǎng)度明顯比光學(xué)媒質(zhì)的厚度要長(zhǎng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),觀察到透過諸如手指130這樣的光學(xué)媒質(zhì)的平均光路長(zhǎng)度通常是手指130的三到五倍厚度。重要的是,為了確保任意給定光路長(zhǎng)度都能使媒質(zhì)中一種物質(zhì)的濃度與該媒質(zhì)光學(xué)特性有相同關(guān)系,在透過諸如手指130等光學(xué)媒質(zhì)的幾條光路長(zhǎng)度之間存在一個(gè)線性關(guān)系。如果各個(gè)光路長(zhǎng)度之間不存在線性關(guān)系,則不能得到一組線性方程,也不能從矩陣方程中推導(dǎo)出精確的解。
如圖6A所示的,透過光學(xué)媒質(zhì)的幾條光路長(zhǎng)度之間不存在線性關(guān)系。圖6A中表示的八條曲線,倒是都表現(xiàn)了光學(xué)媒質(zhì)光透過百分比與吸收系數(shù)乘以媒質(zhì)中物質(zhì)濃度之積之間的對(duì)數(shù)關(guān)系。這種非線性關(guān)系的結(jié)果是,不能得到有代表性的平均光譜(即基本與光路長(zhǎng)度無關(guān)的)。透過了兩倍長(zhǎng)光路的信號(hào)通常有1000倍的衰減,從而使在求平均時(shí)其和是微不足道的。
如果媒質(zhì)的特性精確地符合比爾-蘭伯特定律(即圖6A表示的曲線是理想的指數(shù)函數(shù)),則可以用一次取對(duì)數(shù)而使透過矢量T(λ)變?yōu)橐唤M線性方程。但是,由于瑞利散射和手指130的多種成分,透過手指的光輻射強(qiáng)度不嚴(yán)格滿足比爾-蘭伯特定律的要求。這在圖6A中,用代表透過百分比與吸收乘以濃度乘以光路長(zhǎng)度之積之間實(shí)際的非指數(shù)關(guān)系的曲線601表示。曲線601與理想指數(shù)曲線1之間的差別有圖6A中的陰影區(qū)域表示。
為了將圖6A中所示的透過百分比與吸收乘以濃度乘以光路長(zhǎng)度之積之間的關(guān)系變換成更接近線性關(guān)系,對(duì)實(shí)際透過矢量實(shí)施三次方曲線擬合以使其符合圖6A所示的指數(shù)曲線,更接近透過百分比取對(duì)數(shù)。即,立方擬合方程用于產(chǎn)生一個(gè)例如符合指數(shù)曲線1的曲線601。于是,該立方擬合在下文中被稱為“近-對(duì)數(shù)”(near-log)。在選出區(qū)域上,可以將三次方程限定為類似于或非常近似對(duì)數(shù)曲線。由于透過矢量T(λ)中數(shù)值間的實(shí)際關(guān)系通常接近對(duì)數(shù)關(guān)系,所以該近-對(duì)數(shù)(即三次)方程可以用于代替對(duì)數(shù)方程,以便更精確地對(duì)透過矢量T(λ)中的數(shù)值作線性化處理。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解,四次或更高次方程也可以用于對(duì)透過矢量T(λ)中的數(shù)值提供更精確的線性化處理。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,近對(duì)數(shù)方程已經(jīng)對(duì)成年人手指的透過情況經(jīng)驗(yàn)地確定下來。
OD=-2.8088*T3+4.7801*T2-3.4215*T+1.1289而且,通常在T=0至T=1的范圍內(nèi)應(yīng)用。上述近對(duì)數(shù)方程中系數(shù)的精確值可以根據(jù)用途而改變,有利的是,對(duì)大量測(cè)試采樣進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)估,以針對(duì)給定的用途精確地限定方程。
在如上所述對(duì)透過百分比取近對(duì)數(shù)之后,透過率的近對(duì)數(shù),與吸收系數(shù)乘以光學(xué)媒質(zhì)中物質(zhì)濃度之積之間的關(guān)系基本是指數(shù)關(guān)系。于是,通過對(duì)所得矢量值取對(duì)數(shù),圖6B所示每條曲線上的數(shù)值之間都表現(xiàn)為線性關(guān)系。盡管圖6B所示的透過率的近對(duì)數(shù)與吸收系數(shù)乘以濃度之積之間的關(guān)系是線性的,但是對(duì)應(yīng)于不同光路長(zhǎng)度的直線而言,其斜率的陡度或多或少地與光路長(zhǎng)度(P1,P2,...P8)有關(guān)。于是,透過率的近對(duì)數(shù)與吸收系數(shù)乘以基于媒質(zhì)光路長(zhǎng)度的濃度之積之間存在著不同的關(guān)系。所以,該光路長(zhǎng)度將不能產(chǎn)生一個(gè)基本一致的輸出。即,尚不能形成一組光路長(zhǎng)度不變的線性方程。為了防止由于隨機(jī)的光路長(zhǎng)度差引起的任何誤差(即變換后的矩陣T(λ)中數(shù)值的非線性),對(duì)校準(zhǔn)后的透過百分比以及吸收系數(shù)乘以濃度之積取第二次對(duì)數(shù)(下文稱為第二對(duì)數(shù))。應(yīng)當(dāng)理解,對(duì)于需要有更為線性化的數(shù)值的用途而言,近對(duì)數(shù)擬合也可以用于代替取對(duì)數(shù)。
圖6C表示了取第二對(duì)數(shù)的效果。如圖6C所示,表示不同光路長(zhǎng)度的直線都是平行的,所以這些直線與吸收系數(shù)乘以濃度之積的對(duì)數(shù)的關(guān)系,都基本相同于它們與透過百分比雙對(duì)數(shù)之間的關(guān)系。即,所得到的線性光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣D(λ)中的數(shù)值都呈線性關(guān)系,從而可以從圖6C所示的各條曲線中推導(dǎo)出一組線性方程。最后,通過旋轉(zhuǎn)圖6C中的曲線以使這些曲線平行于x軸(未示出),來去掉所有有關(guān)光路長(zhǎng)度的信息。
圖8的流程中概括地表述了對(duì)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣作線性化處理的方法。如圖8所示,步驟從開始框900進(jìn)入功能框905,其中用運(yùn)行前實(shí)驗(yàn)確定的固定系數(shù)啟動(dòng)該線性化過程。當(dāng)從患者身上獲得了足以確定可得到最小透過率誤差(由于手指130的擠壓運(yùn)動(dòng))的數(shù)據(jù)之后,方法的步驟進(jìn)入功能框910,在其中對(duì)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣進(jìn)行近對(duì)數(shù)的三次曲線擬合。即透過矢量T(λ)中的每個(gè)數(shù)值都代替了的“T”O(jiān)D=-2.8088*T3+4.7801*T2-3.4215*T+1.1289以形成新的指數(shù)矩陣。
當(dāng)對(duì)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣取近對(duì)數(shù)之后,如功能框920所示,對(duì)變換后的矢量值取第一次對(duì)數(shù)。如圖6B所示,第一次取對(duì)數(shù)的結(jié)果是一個(gè)其數(shù)值彼此相關(guān)的矩陣。
對(duì)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣取第二次對(duì)數(shù),形成圖6C所示的關(guān)系,如功能框930所表示的。即,對(duì)限定圖6B數(shù)值的矩陣中的每個(gè)數(shù)值取對(duì)數(shù),以獲得一組線性相關(guān)的數(shù)值。
對(duì)線性化的數(shù)值作最小平方分析,以確定該矩陣限定的直線(見圖6C)是否最大限度地平行,如功能框940所示。即計(jì)算這些直線的斜率,并用算出斜率之間差值的平方和,作為直線間平行程度的標(biāo)志。包括改變曲線擬合方程系數(shù)的迭代過程用于確定直線間是否最大限度平行了,或至少達(dá)到足以獲得適合的血糖測(cè)量值的平行程度。
所以如功能框950所示,進(jìn)行一個(gè)測(cè)試,以確定直線是否平行。如果直線不平行,則步驟進(jìn)入功能框955,在其中調(diào)整三次擬合方程的系數(shù)值。在一個(gè)實(shí)施例中,在調(diào)整程序的連續(xù)迭代過程中(即每次從框950進(jìn)入框955),可在例如有常量加入的一個(gè)初始系數(shù)值上,增加或減小一個(gè)固定增量。然后返回到功能框910,以將改進(jìn)的三次方程用于矢量值。重復(fù)該過程,并得到一個(gè)新的直線平行度指標(biāo)。如果直線的平行度提高了,則用相同的或更小的增量按相同的方向進(jìn)一步作相同的系數(shù)調(diào)整。如此繼續(xù),直至直線的平行度不再提高為止。如果任務(wù)調(diào)整使直線更加不平行了,則按相反的方向調(diào)整相同的系數(shù)(即如果調(diào)整的系數(shù)先是增加,那么接下來要減小它)。如此重復(fù),直至當(dāng)連續(xù)調(diào)整系數(shù)時(shí)直線的平行度呈現(xiàn)較小的改變?yōu)橹?。然后,按同樣的方式?duì)下一個(gè)系數(shù)(如一次項(xiàng)的系數(shù))進(jìn)行調(diào)整。在每個(gè)系數(shù)對(duì)重復(fù)了這種處理之后,判斷框950確定線性化矢量所限定直線的平行度是否足以產(chǎn)生一個(gè)適合的血糖測(cè)量值。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,也給出了根據(jù)測(cè)量圖6C中直線平行度確定的血糖可信度指標(biāo)。該可信度的值可以與血糖測(cè)量值一起顯示在顯示屏1320上(見圖12)。如果在判斷框950,測(cè)量值被認(rèn)為是不適合的,則可能通過一個(gè)警告光產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào),并用一組新測(cè)量值代替矢量中不適合的值。
當(dāng)光強(qiáng)矢量已經(jīng)線性化之后,如功能框960所示,構(gòu)造一個(gè)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣D(λ)。然后,步驟進(jìn)入結(jié)束框970。
總體信號(hào)流圖9是一個(gè)示意性框圖,它用圖形表示了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)用于借助光信號(hào)處理獲得血糖濃度的總體數(shù)據(jù)流。如圖9所示,光源110發(fā)出光束115,該光束通過透鏡117和濾光片120,而提供濾光后的光輻射125。光輻射125透過手指130,以提供一個(gè)用于產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度矩陣1000的光信號(hào)135。
如功能框1005所示,用濾光片特性矩陣的逆矩陣乘信號(hào)強(qiáng)度矩陣1000。如圖9所示,該濾光片特性矩陣是通過分析濾光片120而推導(dǎo)出來的,如結(jié)合圖4A-4D和圖7所作的上述說明。濾光片特性矩陣1010的逆變換乘以信號(hào)強(qiáng)度矢量1000,以獲得光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣,或透過矢量1015。然后,如結(jié)合圖6A-6B和圖8所作的上述說明那樣,線性化處理該光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣1015,以獲得線性化的信號(hào)強(qiáng)度矩陣,或線性化的光強(qiáng)矢量1020。
用如表1025中表示的,水,葡萄糖,氧絡(luò)血紅蛋白,脫氧血紅蛋白以及散射的幾個(gè)光譜特征,構(gòu)造一個(gè)血液成分矩陣1030。對(duì)血液成分矩陣作逆變換,以獲得逆血液成分矩陣,如框1040中所示的。逆血液成分矩陣乘以信號(hào)強(qiáng)度矩陣1020,以得到一個(gè)血液濃度乘以光路長(zhǎng)度的矢量1045。
取表示葡萄糖濃度乘以光路長(zhǎng)度的矢量1045的元素,與表示水濃度乘以光路長(zhǎng)度的矢量1045的元素之間的比值,如框1050中所示的。該比值可獲得水中葡萄糖的濃度,它等效于血糖,并被作為表示葡萄糖濃度的數(shù)據(jù)值輸出。
制備光學(xué)濾光片的方法圖10示意性地表示了本發(fā)明用于制作光學(xué)濾光片120的一般方法。首先應(yīng)注意的是,以前用于制備這種濾光片的方法通常含括布置圓形基片,然后在該基片勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有選擇地增加圓形基片表面上的涂層厚度。
圖13表示了這樣一種濾光片1500,它帶有逐漸增加厚度的涂層1502,1504,1506等等,以在該濾光片1500轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成一個(gè)螺旋的形狀。當(dāng)然,應(yīng)該理解,圖1所示的涂覆厚度是為了便于說明而被夸張了的。這種光學(xué)涂覆的方法是基本環(huán)繞圓形基片的整個(gè)圓周進(jìn)行的,以使當(dāng)涂覆后的基片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光學(xué)涂層的厚度沿著整個(gè)圓周增長(zhǎng),然后在一圈結(jié)束點(diǎn)從最厚涂層處猛然落回到最薄的涂層處。
但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這種光學(xué)涂覆方法需要很高的精度,并且極其昂貴。而且制作這些濾光片通常要一個(gè)一個(gè)地作,因?yàn)樯a(chǎn)方法不允許為了批量生產(chǎn)的目的而在一張片材上布置幾個(gè)盤。
根據(jù)本發(fā)明的制作方法,一塊平的基片1100被涂覆上厚度增加的光學(xué)涂層,以形成一個(gè)楔形涂覆層1110。當(dāng)然應(yīng)該注意,為了清楚地表述本發(fā)明,對(duì)光學(xué)涂層1110的厚度作了夸張,而實(shí)際應(yīng)用中光學(xué)涂層1110的厚度是在1.66μm至大約3.33μm之間變化,平均厚度大約2.35μm。當(dāng)然應(yīng)該理解,這些厚度是近似的,而且可以隨涂層材料的折射率而變。
這種方法可以采取最少的光學(xué)涂層沉積次數(shù)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,要獲得所需分辨率僅需要17層。在一個(gè)實(shí)施例中,高(2.20)和低(1.48)折射率涂層被交替沉積在基片上。盡管本發(fā)明的制作方法生產(chǎn)出的濾光片可能不如其它較昂貴程序生產(chǎn)的濾光片,但是這種缺陷可以在上述數(shù)字信號(hào)處理步驟中作適應(yīng)性調(diào)整。如,以前的濾光片通常每次透過一個(gè)頻段,而本優(yōu)選實(shí)施例的濾光片可能允許多個(gè)波段通過,因?yàn)檫@可以由是本發(fā)明的信號(hào)處理負(fù)責(zé)解決。
當(dāng)在基片1100上涂覆好光學(xué)涂層1110之后,從基片1100與光學(xué)涂層1110一起構(gòu)成的楔形板上切掉一個(gè)圓柱形部分1120。于是在圓柱形部分1120的中心處形成一個(gè)圓柱形孔,以形成濾光片120,然后在光學(xué)濾光盤120的一部分上形成一個(gè)諸如黃銅帶122的不透光帶。
為了便于理解本發(fā)明的主要方面,上述說明進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是應(yīng)該理解,實(shí)際上該方法可以包括首先將基片切割成有旋轉(zhuǎn)軸的盤。而后,好似該盤仍是方的一樣在該盤上涂覆光學(xué)涂層,以使得剩余物落在真空容器中支撐該盤的平臺(tái)上(未示出)。如圖10所示,按此方法在盤120的表面上形成楔形。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,濾光盤120的產(chǎn)品規(guī)格如下尺寸20mm寬×20mm波長(zhǎng)間隔,線性多層涂層基片中心有7.Smm軸孔的25mmOD玻璃盤波長(zhǎng)700-1400nm1/2帶寬50-200nm,帶寬可重疊屏蔽無環(huán)境可經(jīng)受冷凍潮濕,0-70C°通帶的邊沿被設(shè)置成這樣,使一個(gè)20nm的帶沿可被分辨出來。
該通帶在窗口范圍內(nèi)以小到400cm-1的間隔重復(fù),或以17-18個(gè)周期在窗口范圍內(nèi)重復(fù)。通帶的中心透過率應(yīng)接近于100%,而通帶之間的區(qū)域應(yīng)有接近100%的反射率。
對(duì)窗口外部的屏蔽要求不高。它們可以通過吸收或通帶邊緣材料,如RG660,RG700,或半導(dǎo)體,或者是通常存在于玻璃中的低于7100cm-1的O-H帶來加以限定。
只有能夠分辨具有一或多個(gè)帶沿的接近200cm-1的波數(shù)帶才能降低成本。對(duì)于1000至100,000的年產(chǎn)量而言,濾光盤直接影響本系統(tǒng)成本。
本實(shí)施例特點(diǎn)最好是,濾光片有不窄于8000至11,000cm-1或大約910至1250nm的窗口。帶寬適宜寬于200cm-1,且?guī)а剡m宜比200cm-1窄。主波段的透過率最大值適宜大于80%,而透過率最小值適于低于20%。波段之間應(yīng)該是一個(gè)挨一個(gè)地重復(fù);否則,可以用一個(gè)校準(zhǔn)ROM根據(jù)DSP實(shí)現(xiàn)各個(gè)濾光片的初始校準(zhǔn)。
機(jī)械界限與特征線性濾光片適宜以小于4800RPM的速度繞其中心旋轉(zhuǎn),它有一個(gè)最小半徑9mm至最大半徑45mm的中心孔,一個(gè)直徑1mm至3mm且數(shù)值孔徑.12至.40的透明孔徑。光路穿過旋轉(zhuǎn)著的濾光片環(huán)形區(qū)域,產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)的正弦掃描,而與它們是線性沉積的無關(guān)。
為了動(dòng)態(tài)平衡和低擾動(dòng),線性濾光片被沉積在一個(gè)圓形基片上。因?yàn)槠渲行牟挥糜诠鈱W(xué)目的,所以適宜有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑的軸孔;本發(fā)明大多數(shù)硬件采用0.5000-.000,+.0005″直徑,或用7.5-0.0+.1mm。對(duì)于小濾光片而言,如20mm直徑,應(yīng)考慮到與未涂覆一側(cè)的連接。注意,濾光片的裝配不能有階梯或其它光路的結(jié)構(gòu)不連續(xù)點(diǎn)。
在玻璃上涂覆的初始光學(xué)-機(jī)械對(duì)準(zhǔn)不超過0.5mm,并用電子的方法實(shí)現(xiàn)。在邊緣或中心處需要一些沉積對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
數(shù)據(jù)處理的所有步驟次序下文將概述用于處理檢測(cè)器140所測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的步驟次序。如上所述,信號(hào)處理次序?qū)τ讷@得患者血糖水平的精確測(cè)量值至關(guān)重要。行之有效的信號(hào)處理和分析,在未按照恰當(dāng)?shù)拇涡蚴褂玫囊延邢到y(tǒng)中,沒有被充分利用。
儀器系統(tǒng)用光源和手指透過特性開始產(chǎn)生信號(hào)。對(duì)于葡萄糖傳感器而言,從接收的透過率開始,并對(duì)信號(hào)實(shí)施逆運(yùn)算直至僅留下了所需的參數(shù)。注意,逆運(yùn)算僅僅是數(shù)量上的等效,而非數(shù)學(xué)分析函數(shù)的逆函數(shù)。每個(gè)運(yùn)算都是對(duì)無纏繞或無信號(hào)噪聲混合的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組的某種變換。含信號(hào)的信息不應(yīng)在任何階段減少或中斷。許多光譜儀都不能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),所以,本發(fā)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶有避免中斷信號(hào)的透明物鏡,某種程度上在本領(lǐng)域基本是獨(dú)一無二的。
1.測(cè)試轉(zhuǎn)換器信號(hào)對(duì)信號(hào)和噪聲分類在模式邊界內(nèi)相關(guān)的同步信號(hào)是確定的(具有相同的自相關(guān)特征)和隨機(jī)的(非高斯型無自相關(guān)特征的隨機(jī)附加噪聲)。
具體說,把每個(gè)新接收的光譜加到數(shù)據(jù)矩陣塊中,直至分級(jí)器檢測(cè)到一個(gè)新的噪聲分布,或15個(gè)非零波長(zhǎng)的相關(guān)矩陣中任何明顯的變化(通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試檢測(cè)到的)為止。當(dāng)出現(xiàn)變化時(shí),它表示手指130已經(jīng)變到新位置上了或者插入了新的手指,或者新的患者進(jìn)入光路之中。如果采用矩陣代數(shù)的話,當(dāng)出現(xiàn)這種變化時(shí)系統(tǒng)停止向舊塊加數(shù)據(jù)而開始創(chuàng)建一個(gè)新的塊,這至少有15個(gè)采樣之多,目的是對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試。
如果用遞歸法,當(dāng)分級(jí)器檢測(cè)的一個(gè)采樣變化時(shí),縮短遞歸的時(shí)間常量(采樣數(shù)),直至噪聲增至一組統(tǒng)計(jì)極限,或者塊中接收了最少的采樣數(shù)(通常等于分立波長(zhǎng)的數(shù)目,15或16)。
葡萄糖傳感器和計(jì)算機(jī)顯示的每個(gè)答案都應(yīng)是一個(gè)塊(長(zhǎng)度可變的)的結(jié)果,或任何一個(gè)遞歸處理時(shí)間常數(shù)所設(shè)長(zhǎng)度的結(jié)果。無論患者是否改變了其手指的位置,手指,甚至或是多個(gè)患者,系統(tǒng)都可察覺這種變化,并開始一個(gè)新的包括葡萄糖濃度在內(nèi)的參數(shù)計(jì)算。于是,患者和醫(yī)生可以對(duì)隨時(shí)獲知特征變化的讀數(shù)有把握,而儀器產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。同時(shí),它反饋給患者,促使患者在必要的分析時(shí)間內(nèi)保持就位狀態(tài)。處于存在的信噪比,和時(shí)間的原因,患者需保持就位狀態(tài),分析時(shí)間應(yīng)在3至30秒量級(jí)。當(dāng)用作連續(xù)監(jiān)測(cè)儀時(shí),應(yīng)該有更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間,通??善骄?0至180秒量級(jí)。
2.清除電子噪聲為了去除電子噪聲實(shí)施第一線性運(yùn)算減去線性干擾和平均隨機(jī)噪聲。
由于余輝,周期形式,和相位導(dǎo)致的確定噪聲可以被修正和去掉;隨機(jī)噪聲,如脈沖,啟動(dòng)瞬時(shí),或白噪聲譜等,沒有可預(yù)測(cè)性。既定的信息模式信號(hào)成為第一個(gè)近似值,并在啟動(dòng)時(shí)被載入任意一個(gè)自適應(yīng)或遞歸濾波器,然后它被用于預(yù)測(cè)包括沖擊或啟動(dòng)瞬時(shí)噪聲的信號(hào)。這是低通濾波器的一般形式,但是帶有使脈搏矢量整個(gè)波形形狀平均化的特征(如,脈搏體積描記器(等于壓力,體積)波形作為一個(gè)具有平均心率的心室收縮期的,重博脈的,和心室舒張期的形狀的矢量)。這種波形中的噪聲適宜平均化到零。
在檢測(cè)器140處,外界光線,60,120Hz等的供電線噪聲,靜電,和磁場(chǎng)及電磁波,都被加到透過患者手指輸入的信號(hào)光子中。在進(jìn)入各個(gè)非線性階段之前,這些噪聲要被濾掉,減掉或平均化到零。
當(dāng)所有的線性關(guān)系去除之后,僅剩下非線性關(guān)系。接下來的運(yùn)算是作非線性變換。隨后再進(jìn)行線性運(yùn)算。最后的步驟時(shí)線性輸出以下參數(shù),以在前面的一系列的線性化處理之后,進(jìn)行線性運(yùn)算而在干擾和噪聲中發(fā)現(xiàn)信號(hào)。
按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采樣光源載波調(diào)制,以去掉60,120Hz(美國(guó)之外,50,100Hz)中的噪聲,并對(duì)載波作窄帶濾波。這種頻率濾波器不能去掉相位噪聲。帶有匹配相位的最佳匹配噪聲模式的直接相減,可除去所有環(huán)境干擾。
3.作出線性結(jié)果線性化處理,對(duì)數(shù)變換該運(yùn)算的目的是由一系列附加的,相乘的,或失真噪聲正交化(使其統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,歸一化,不相關(guān))所需信號(hào),直至僅存在所需信號(hào)為止。
如果信號(hào)不是線性的,則它可能有。則沒有運(yùn)算和處理可以鑒別該答案。
4.線性代數(shù)對(duì)線性數(shù)據(jù)作矩陣代數(shù)運(yùn)算在所有線性關(guān)系和靜態(tài)信號(hào)的假設(shè)及噪聲分布都滿足之后,使用標(biāo)準(zhǔn)的光譜矩陣代數(shù)解。
5.測(cè)試生理信號(hào)進(jìn)行誤差檢測(cè)確定出幅度,頻率邊界,將它們與既定的干擾相聯(lián)系以繼續(xù)信號(hào)和噪聲的分類。
6.反饋反饋到分類,線性化或生理噪聲減去任何線性干擾和將隨機(jī)噪聲平均。
7.前饋應(yīng)用臨床算法并產(chǎn)生導(dǎo)出的參數(shù)。
8.測(cè)試臨床限制,警示把手指限定在光路中。測(cè)試是否基本上是有散射消光(通常可觀察到大約10mm損失30dB)的水,核對(duì)脈沖,使其與先前的記錄相關(guān)以證實(shí)患者身份和患者手指特性。顯示“非健康手指”或等效信息,但不停止工作,因?yàn)榭梢杂迷嚬苜Y料進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。如果出現(xiàn)任何異常的相關(guān)或信號(hào),則將更多的輔助參數(shù)顯示為一個(gè)測(cè)試,并通知使用者。
9.I/O,指令,臨床數(shù)據(jù),顯示,記錄這部分涉及輸入鍵盤,輸入數(shù)據(jù)和輸出格式。葡萄糖的誤差與其它參數(shù)和歷史記錄一同輸入。其它實(shí)施例可能還需要輸入診斷,預(yù)測(cè),每個(gè)處方的指示,等等。管理糖尿病患者的膳食所需的所有臨床數(shù)據(jù),如從“糖尿病并發(fā)癥和控制測(cè)試(DCCT)”得到的指導(dǎo),可以最后輸入到程序中。這種數(shù)據(jù)可以裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)中以使傳感器的計(jì)算機(jī)最小化。
盡管前面已經(jīng)描述和說明了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該可以對(duì)本發(fā)明作出各種改進(jìn)和變化,而都不違背本發(fā)明精神。如本發(fā)明的原理和方法可以用于檢測(cè)血流中的示蹤分子(如,用于藥品檢測(cè)等等)。此外,足夠精確的一次近對(duì)數(shù)方程也可用于對(duì)光學(xué)頻率響應(yīng)矩陣的線性處理。因此,本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于非介入監(jiān)測(cè)患者血流中血糖濃度的系統(tǒng),所述的系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射多波長(zhǎng)光輻射的光源;一個(gè)用于接受所述患者肌體媒質(zhì)的接受器;一個(gè)光檢測(cè)器,位于接收來自所述光源并受到所述肌體媒質(zhì)衰減的光的位置處,所述的光檢測(cè)器響應(yīng)于至少所述多個(gè)波長(zhǎng)的光輻射,以產(chǎn)生一個(gè)表示所述光輻射強(qiáng)度的輸出信號(hào),以及一個(gè)耦連到所述檢測(cè)器上用于接收所述輸出信號(hào)的信號(hào)處理器,所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述輸出信號(hào),隔離出所述輸出信號(hào)中由于所述肌體媒質(zhì)的光學(xué)特性所致的部分,以提供一組頻率響應(yīng)值;所述的信號(hào)處理器具有一個(gè)對(duì)所述的一組頻率響應(yīng)值作線性化處理并分析所述線性化的數(shù)據(jù)以確定所述患者血流中葡萄糖濃度的線性化處理模塊。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng),其中所述的光源包括多個(gè)發(fā)射器,每個(gè)發(fā)射器發(fā)出所述多個(gè)波長(zhǎng)中的一個(gè)選出波長(zhǎng)的光。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng),其中所述的光源包括一個(gè)寬帶光源,所述的系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)選擇地透過所述多個(gè)波長(zhǎng)中一個(gè)波長(zhǎng)的光學(xué)濾光片。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng),其中所述的檢測(cè)器包括單獨(dú)一個(gè)檢測(cè)器,它響應(yīng)于所述多個(gè)波長(zhǎng)光之一以提供一個(gè)表示所述多個(gè)波長(zhǎng)中所述一個(gè)的強(qiáng)度總和的輸出信號(hào)。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng),其中所述的光檢測(cè)器包括多個(gè)檢測(cè)器,其每一個(gè)都響應(yīng)于所述多個(gè)波長(zhǎng)光至少之一以產(chǎn)生一個(gè)表示所述多個(gè)波長(zhǎng)中所述至少一個(gè)的強(qiáng)度的輸出信號(hào)。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng),其中的線性模塊包括雙對(duì)數(shù)運(yùn)算。
7.一種通過含血液肌體媒質(zhì)衰減的光譜測(cè)量,用于非介入監(jiān)測(cè)患者血流中血糖濃度的系統(tǒng),所述的系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射多波長(zhǎng)光輻射的光源;一個(gè)選擇地透過所述多個(gè)波長(zhǎng)光之一的濾光片;一個(gè)光檢測(cè)器,位于接收來自所述光源已經(jīng)被所述濾光片濾過光并受到所述肌體媒質(zhì)衰減的光的位置處,所述的光檢測(cè)器響應(yīng)于所述多個(gè)波長(zhǎng)至少所述之一的光輻射,以產(chǎn)生一個(gè)表示被所述濾光片濾光并被所述肌體媒質(zhì)衰減過的輻射強(qiáng)度的輸出信號(hào),以及一個(gè)耦連到所述檢測(cè)器上用于接收所述輸出信號(hào)的信號(hào)處理器,所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述輸出信號(hào),隔離出由于所述肌體媒質(zhì)光學(xué)特性所致的輸出信號(hào)部分,以分析所述部分來確定所述患者血流中葡萄糖濃度。
8.一種分析含血肌體媒質(zhì)中血糖的非介入血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括一個(gè)光源;一個(gè)光接收器,響應(yīng)于所述光源發(fā)出的光產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào);一個(gè)擠壓機(jī)構(gòu),用來為所述肌體媒質(zhì)提供物理的擠壓,以從所述肌體媒質(zhì)中擠出流體;以及一個(gè)信號(hào)處理器,當(dāng)流體從所述肌體媒質(zhì)中擠出時(shí),它響應(yīng)于來自所述光檢測(cè)器的所述輸出信號(hào);并在流體未從所述肌體媒質(zhì)中擠出時(shí)響應(yīng)于來自所述光檢測(cè)器的所述輸出信號(hào),以分離出有關(guān)所述血液中葡萄糖濃度的信息。
9.一種非介入確定血糖濃度的方法,包括以下步驟產(chǎn)生一組表示主要血液成分光學(xué)特性的值;用多波長(zhǎng)光照射含血肌體媒質(zhì);在所述光被所述肌體媒質(zhì)衰減后檢測(cè)所述光;從所述檢測(cè)光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào),所述信號(hào)表示所述肌體媒質(zhì)的光學(xué)特性;響應(yīng)于所述檢測(cè)光和表示所述主要血液成分光學(xué)特性的所述一組值,分離所述信號(hào)中表示所述血液內(nèi)水中葡萄糖濃度的分量;以及產(chǎn)生一個(gè)表示所述血液內(nèi)葡萄糖濃度的值。
10.權(quán)利要求9的方法,其中所述的主要血液成分包括水,血紅蛋白,氧絡(luò)血紅蛋白和溶于液體的葡萄糖。
11.一種非介入確定血液成分濃度的方法,包括以下步驟用光照射含血媒質(zhì),其中該血液有一個(gè)血液成分濃度,而光輻射通過一個(gè)經(jīng)過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度;檢測(cè)該光輻射,以產(chǎn)生表示媒質(zhì)光學(xué)特性的電信號(hào);線性化處理該電信號(hào),以提供一個(gè)血液成分濃度的讀數(shù)。
12.權(quán)利要求11的方法,其中所述的濃度讀數(shù)隨經(jīng)過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度無明顯變化。
13.權(quán)利要求11的方法,其中的血液成分包括血糖。
14.權(quán)利要求11的方法,其中線性化處理步驟是響應(yīng)于所述電信號(hào),產(chǎn)生一個(gè)表示媒質(zhì)光學(xué)特性的第一組值;對(duì)第一組值取對(duì)數(shù),以產(chǎn)生一個(gè)第二組值;以及對(duì)第二組值取對(duì)數(shù),以獲得表示血液成分濃度的一組線性化的值。
15.權(quán)利要求14的方法,其中所述的血液成分濃度相對(duì)于經(jīng)過媒質(zhì)的光路長(zhǎng)度無明顯變化。
16.權(quán)利要求11限定的方法,其中所述的線性化步驟進(jìn)一步包括用一個(gè)多項(xiàng)式方程變換第一組值,以提供變換后的第一組值。
17.一種從入射在含有血液肌體媒質(zhì)上的光信號(hào)中分析血液成分濃度的方法,該方法包括一下步驟檢測(cè)所述肌體媒質(zhì)衰減后的光信號(hào),以產(chǎn)生一個(gè)表示肌體媒質(zhì)光學(xué)特性的信號(hào);線性地減去由于電噪聲導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度分量;去除由于肌體媒質(zhì)的非血液成分導(dǎo)致的信號(hào)分量;對(duì)該信號(hào)作線性化處理,以產(chǎn)生一組表示血液成分濃度的線性相關(guān)值;求解血液成分濃度的線性相關(guān)值。
18.如權(quán)利要求11限定的方法,進(jìn)一步包括以下步驟在檢測(cè)步驟之前,用一個(gè)有已知光譜特性的濾光片對(duì)光信號(hào)濾光;以及在求解血液成分濃度步驟之前,對(duì)由于濾光片導(dǎo)致的電信號(hào)分量去卷積。
19.如權(quán)利要求18限定的方法,其中所述的去卷積步驟進(jìn)一步包括以下步驟產(chǎn)生一組表示濾光片光譜特性的值,以獲得一個(gè)濾光片特性矩陣;對(duì)濾光片特性矩陣作逆變換;以及用表示肌體媒質(zhì)光學(xué)特性的矩陣乘濾光片特性矩陣的逆變換矩陣。
20.如權(quán)利要求17限定的方法,其中所述的求解步驟進(jìn)一步包括以下步驟產(chǎn)生一個(gè)包含表示著血液成分光譜特性的值的光譜庫(kù)產(chǎn)生一組線性方程,它們具有基于表示血液成分光譜特性的所述值的系數(shù);以及求解線性方程,以獲得表示血液成分濃度的值。
21.如權(quán)利要求20限定的方法,其中血液成分包括葡萄糖。
22.如權(quán)利要求20限定的方法,其中所述產(chǎn)生光譜庫(kù)的步驟包括觀測(cè)已知溶于水或血液的葡萄糖濃度的光譜特性,以確定葡萄糖的光譜特性。
23.一種制造用于血糖儀的轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)濾光片的方法,所述的制造方法包括以下步驟產(chǎn)生一個(gè)有頂部和底部的基片;以及在所述的頂部上沉積光學(xué)涂層,以使在所述基片的所述頂部上所述的涂層沿著第一方向厚度是變化的,并使所述的涂層沿著垂直于第一方向的第二方向厚度基本保持恒定。
全文摘要
一種血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)寬帶光源(110)和一個(gè)專門制作的用于調(diào)制透過肌體媒質(zhì)的光輻射的濾光器(120)。用能產(chǎn)生表示檢測(cè)光強(qiáng)的電信號(hào)的光檢測(cè)器(140),檢測(cè)透過肌體媒質(zhì)(130)的光輻射(125)。根據(jù)該電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,以分離出電信號(hào)中由濾光器光學(xué)特征產(chǎn)生的和由除血糖濃度之外肌體媒質(zhì)成分產(chǎn)生的一些光學(xué)特征。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用一個(gè)獨(dú)立的“雙對(duì)數(shù)”變換,以減小由于透過肌體媒質(zhì)的光輻射其中間光路長(zhǎng)度變化引起的誤差。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(100)進(jìn)一步采用專門化的信號(hào)處理,以避免由于先前不能識(shí)別的溶劑效應(yīng)引起的精度降低,該影響是血糖溶于水時(shí)產(chǎn)生的。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1192273SQ96195870
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1996年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
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