-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur nicht-invasiven Messung von Konzentrationen an biologischen
Fluiden, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
nicht-invasiven Messung von Konzentrationen an biologischen Fluiden
unter Verwendung von photoakustischer Spektroskopie.
-
Obwohl
weltweit seit langem nach einem Verfahren zur Messung von Glucosespiegeln
mittels Licht ohne Abnahme von Blut geforscht wird, wurde kein Erfolg
mit definitiven Ergebnissen gemeldet. Verschiedene Messtechniken,
wie Absorption im nahen Infrarot, Absorption im fernen Infrarot,
Raman-Spektroskopie, Polarisationsrotation, Raman-Stimulation, Dispersionsmessung,
Temperaturmessung, statistische Analyse und Vorbehandlungsforschung
wurden eingesetzt, um Biofluidkonzentrationen in vivo zu messen.
Da jede dieser herkömmlichen
Messtechniken ihre eigenen Nachteile aufweist, war es jedoch niemals
leicht, Biofluidkonzentrationen in vivo zu messen.
-
Zum
Beispiel weist die Absorption im nahen Infrarot die folgenden Nachteile
auf. Erstens, kann bei einer bestimmten Frequenz kein Absorptionspeak
vorhanden sein. Zweitens, können
die Absorptionsbanden von Komponenten einander überlappen. Drittens ist es
schwierig, die Konzentration einer Substanz mit einer geringen Konzentration
zu bestimmen, weil leicht Dispersion aufgrund von biologischem Gewebe
auftritt. Im Falle der Absorption im fernen Infrarot können ferne
Infrarotstrahlen kaum in den menschlichen Körper eindringen, obwohl sie
weniger häufig
Dispersion bewirken und es einen klaren Absorptionspeak gibt. Im
Falle der Raman-Spektroskopie oder Polarisationsdrehung tritt Dispersion
häufig
auf, wegen der Tatsache, dass viele Dispersionsfakto ren im menschlichen
Körper
vorhanden sind, und es ist daher schwierig, Konzentrationen von
biologischen Fluiden präzise
zu messen.
-
Unlängst wurde
intensive Forschung zu Geräten
und Verfahren zur Messung von biologischen Fluiden mittels photoakustischer
Spektroskopie durchgeführt.
Wenn Licht in eine Probe eintritt, werden Moleküle angeregt und kollidieren
miteinander, was auf diese Weise Wärme erzeugt. Die Wärmeveränderung
bewirkt die Veränderung
des Drucks in einem luftdichten Behälter, der ein akustisches Signal erzeugt,
z. B. eine Schallwelle. Die Schallwelle kann überwiegend unter Verwendung
eines Mikrophons erfasst werden.
-
Herkömmliche
Techniken unter Verwendung photoakustischer Spektroskopie wurden
im europäischen
Patent Nr.
EP 0282234 ,
PCT Nr. WO 98/3904, europäischen
Patent Nr.
EP 0919180 und
europäischen
Patent Nr.
EP 1048265 offenbart.
Insbesondere das europäische
Patent Nr.
EP 0919180 stellt
ein Verfahren und Gerät
zur nicht-invasiven Messung von Glucose im Blut mittels photoakustischer
Spektroskopie zur Verfügung,
das eine Messzelle und eine Referenzzelle als Messvorrichtungen
verwendet.
-
Die
1 und
2 sind
Diagramme, die ein nicht-invasives photoakustisches Messgerät zeigen,
das im europäischen
Patent Nr.
EP 0919180 offenbart
ist. Mit Bezug zu
1 weist ein nicht-invasives
photoakustisches Messgerät
10 eine
Anregungsquelle
12, eine Steuerung/Modulator
14,
eine Sonde
16, einen Lock-in-Verstärker
18 und einen
Prozessor
20 auf.
-
Die
Anregungsquelle 12 erzeugt eine Schallwelle, wenn biologisches
Gewebe, wie Haut, bestrahlt wird und wird durch einen Überträger 22,
wie ein Bündel
optischer Fasern durch den menschlichen Körper geführt.
-
Die
Sonde 16 weist wie in 2 gezeigt
eine Messzelle 26, eine Referenzzelle 28, ein
Fenster 30 und ein Differentialmikrophon 32 auf.
Die Schallwelle, die erzeugt wird, wenn die Anregungsquelle 12 auf ein
Gewebe 24 eingestrahlt wird, läuft durch das Fenster 30 der
Messzelle 26 und erwärmt
Luft 38 in Kontakt mit dem Gewebe 24 in der Messzelle 26 regelmäßig mit
der selbem Modulationsfrequenz wie die von Luft 38. Die
Schallwelle wird in einer bestimmten Komponente des Gewebes 24 absorbiert und
die Luft in der Messzelle 26 erfährt aufgrund der periodischen
Veränderung
der Temperatur wieder und wieder Kontraktion und Expansion. Als
Folge davon wird eine periodische Schallwelle erzeugt, die die selbe
Modulationsfrequenz wie die von Luft 38 aufweist.
-
Die
periodische Schallwelle in der Messzelle 26 wird vom Differentialmikrophon 32 erfasst,
dessen eines Ende in der Messzelle 26 gelegen ist und dessen
anderes Ende in der Referenzzelle 28 gelegen ist. Die Messzelle 26 ist
auf einer bestimmten Fläche 46 des
Gewebes 24 gelegen, auf die Laserstrahlen eingestrahlt
werden, und die Referenzzelle 28 ist auf einer bestimmten
Fläche 48 des
Gewebes 35 gelegen, auf die keine Laserstrahlen eingestrahlt
werden.
-
Die
von der Sonde 16 erfassten Signale sind die Ausgaben des
Differentialmikrophons 32 und werden zum Lock-in-Verstärker 18 übertragen.
Unter den Ausgaben extrahiert der Lock-in-Verstärker 18 nur Signale
mit der selben Frequenz wie die Modulationsfrequenz der Lichtstrahlen,
die von der Anregungsquelle 12 unter der Steuerung von
Steuerung/Modulator 14 erzeugt und eingestrahlt sind. Der Prozessor 20 analysiert
die Frequenzen der vom Lock-in-Verstärker 18 extrahierten
Signale und bildet ein polarisiertes akustisches Spektrum. Das herkömmliche
akustische Messgerät
findet die Konzentration einer bestimmten Substanz ausgehend von
einem solchen polarisierten akustischen Spektrum.
-
Obwohl
die Referenzzelle 28 darauf zielt, vom menschlichen Körper, wie
Muskelbewegungen, erzeugtes Rauschen zu kompensieren, kann das im europäischen Patent
Nr. EP0919180 offenbarte photoakustische Messgerät den Zustand des menschlichen
Körpers
nicht präzise
darstellen, weil es nur modulierte Signale misst und die Signale
selbst bestimmte Frequenzbänder
aufweisen.
-
Das
zuvor genannte Biofluidmessgerät
unter Verwendung von photoakustischer Spektroskopie erfasst Infrarotlaserstrahlen
unter allen von einem Halbleiterlaser auf ein bestimmtes Material
eingestrahlten Laserstrahlen mit einem photoakustischen Detektor.
Danach analysiert das Biofluidmessgerät Biofluidkonzentrationen ausgehend
von akustischen Signalen, die vom photoakustischen Detektor erfasst sind.
Aufgrund der Tatsache, dass die Übertragungscharakteristiken
von Schallwellen in Abhängigkeit von
der Person und dem Körperteil
der Person schwanken können,
kann das herkömmliche
Biofluidmessgerät
jedoch Biofluidkonzentrationen nicht präzise messen, was auch bei anderen
herkömmlichen Messvorrichtungen
mit photoakustischer Spektroskopie das Problem ist.
-
Die
Druckschrift WO02/15776, die als am nächsten kommender Stand der
Technik angesehen wird, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Komponente
in einem lokalisierten Bereich in einem Körper umfassend die Schritte
von Bestrahlen des Bereichs mit mindestens einem Strahlungsimpuls
mit einer Wellenlänge,
bei der die Strahlung durch die Komponente absorbiert wird, so dass
eine Änderung in
einer akustischen Eigenschaft des Bereichs erzeugt wird; Übertragen
von Ultraschall, so dass er auf den Bereich einwirkt; Messen mindestens
eines Effekts der Änderung
beim einfallenden Ultraschall; Verwenden des gemessenen mindestens
einen Effekts zum Bestimmen eines Absorptionskoeffizienten für die Strahlung
in dem Bereich; und Verwenden des bestimmten Absorptionskoeffizienten
zum Bestimmen der Konzentration der Komponente in dem Bereich.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen
von Biofluidkonzentrationen zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung
beinhaltet eine Lichtquelle, die auf einen bestimmten Teil eines
lebenden Körpers
ein optisches Signal einstrahlt, das ein bestimmtes Wellenlängenband
aufweist, das in einer bestimmten Komponente eines lebenden Körpers absorbiert
werden kann, einen Generator für
ein akustisches Signal, der im Bereich des bestimmten Teils des
lebenden Körpers
ein akustisches Signal A1 erzeugt, das ein ähnliches Frequenzband aufweist
wie das Frequenzband eines photoakustischen Signals PA, das erzeugt
wird, wenn das optische Signal in der bestimmten Komponente des
lebenden Körpers
absorbiert wird, einen Signaldetektor, der das photoakustische Signal
PA und ein akustisches Signal A2, das ein moduliertes Signal des
akustischen Signals A1 ist, aufgrund der akustischen Eigenschaften
des lebenden Körpers
erfasst, eine Steuerung, die das akustische Signal A1 in einem bestimmten
Frequenzband erzeugt, einen optischen Detektor, der eine Intensität E des
optischen Signals erfasst, und eine Berechnungseinheit, die einen
Signalkompensationswert (N) ausgehend von einer Intensität (E) des
optischen Signals von der Lichtquelle und dem photoakustischen Signal
(PA) und dem akustischen Signal A2, das vom Erfassungsmittel eingegeben
ist, errechnet und eine Konzentration (C) der bestimmten Komponente
berechnet.
-
Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum nicht-invasiven
Messen von Biofluidkonzentrationen zur Verfügung, deren Ergebnisse von
Unterschieden bei zu untersuchenden Personen oder bei zu untersuchenden
Teilen des menschlichen Körpers
kaum beeinflusst werden.
-
Bevorzugt
weist die Vorrichtung ferner eine Anzeigevorrichtung auf, die die
Konzentration (C) der bestimmten Komponente anzeigt.
-
Bevorzugt
erfüllt
der Signalkompensationswert (N) die folgende Gleichung:
-
Bevorzugt
ist die Konzentration (C) der bestimmten Komponente zum Signalkompensationswert
(N) proportional.
-
Bevorzugt
sind der Lichtdetektor, die Steuerung und die Berechnungseinheit
in einer Einheit integriert, oder der Lichtdetektor, die Steuerung,
die Berechnungseinheit und die Anzeigevorrichtung sind in einer
Einheit integriert.
-
Bevorzugt
sind der akustische Signalgenerator und der Signaldetektor in einer
Einheit integriert, oder die Lichtquelle, der akustische Signalgenerator und
der Signaldetektor sind in einer Einheit integriert.
-
Bevorzugt
kann der akustische Signalgenerator nach einem Luftpumpverfahren
am menschlichen Körper
befestigt werden.
-
Bevorzugt
ist die Lichtquelle eine Laserdiode (LD), eine Licht emittierende
Diode (LED), ein Laser, ein schwarzer Strahler oder eine Lampe.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen zur Verfügung gestellt.
Die Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, die auf einen bestimmten
Teil eines lebenden Körpers
ein optisches Signal einstrahlt, das ein bestimmtes Wellenlängenband
aufweist, das in einer be stimmten Komponente eines lebenden Körpers absorbiert
werden kann, einen Lichtdetektor, der eine Intensität (E) des
optischen Signals und eines photoakustischen Signals erfasst, das
erzeugt wird, wenn das optische Signal in der bestimmten Komponente des
lebenden Körpers
absorbiert wird, eine Generator/Messvorrichtung für ein akustisches
Signal, die im Bereich des bestimmten Teils des menschlichen Körpers ein
akustisches Signal A1 mit einem Frequenzband erzeugt zum Frequenzband
des photoakustischen Signals PA und ein akustisches Signal A2 misst,
das aufgrund der akustischen Eigenschaften des lebenden Körpers ein
moduliertes Signal des akustischen Signals A1 ist, eine Steuerung,
die die Generator/Messvorrichtung für ein akustisches Signal steuert,
so dass das akustische Signal A1 in einem bestimmten Frequenzband
erzeugt werden kann, und eine Berechnungseinheit, die einen Signalkompensationswert
(N) ausgehend von einer Intensität
(E) des optischen Signals von der Lichtquelle und dem photoakustischen
Signal (PA) und dem akustischen Signal A2, das vom Signaldetektor
eingegeben ist, errechnet und eine Konzentration (C) der bestimmten
Komponente berechnet.
-
Bevorzugt
weist die Vorrichtung ferner eine Anzeigevorrichtung auf, die die
Konzentration (C) der bestimmten Komponente anzeigt.
-
Bevorzugt
erfüllt
der Signalkompensationswert (N) die obige Gleichung (1).
-
Bevorzugt
ist die Konzentration (C) der bestimmten Komponente zum Signalkompensationswert
(N) proportional.
-
Bevorzugt
sind die Steuerung und die Berechnungseinheit in einer Einheit integriert,
oder die Steuerung, die Berechnungseinheit und die Anzeigevorrichtung
sind in einer Einheit integriert.
-
Bevorzugt
sind die Generator/Messvorrichtung für das aktustische Signal und
der Lichtdetektor in einer Einheit integriert, oder die Lichtquelle,
die Generator/Messvorrichtung für
das aktustische Signal und der Lichtdetektor sind in einer Einheit
integriert.
-
Bevorzugt
kann der akustische Signalgenerator nach einem Luftpumpverfahren
am menschlichen Körper
befestigt werden.
-
Bevorzugt
ist die Lichtquelle eine Laserdiode (LD), eine Licht emittierende
Diode (LED), ein Laser, ein schwarzer Strahler oder eine Lampe.
-
Gemäß noch einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen zur Verfügung gestellt.
Das Verfahren beinhaltet Aufgeben eines optischen Signals mit einem
bestimmten Wellenlängenband,
das in einer bestimmten Komponente eines lebenden Körpers in
einem bestimmten Teil des lebenden Körpers absorbiert werden kann,
Erfassen der Intensität
(E) des optischen Signals und eines photoakustischen Signals (PA),
das erzeugt wird, wenn bestimmte Wellenlängen des optischen Signals
in der bestimmten Komponente des lebenden Körpers absorbiert werden, Erzeugen
eines akustischen Signals A1 mit einem ähnlichen Frequenzband wie das
Frequenzband des photoakustischen Signals (PA) im Bereich des bestimmten
Teils des lebenden Körpers,
Erfassen eines akustischen Signals A2, das ein moduliertes Signal
des akustischen Signals A1 ist, aufgrund der akustischen Eigenschaften
des lebenden Körpers,
und Errechnen eines Signalkompensationswerts (N) ausgehend von der
Intensität
des optischen Signals, des photoakustischen Signals PA und des akustischen
Signals A2 und Berechnen einer Konzentration (C) der bestimmten
Komponente im lebenden Körper.
-
Bevorzugt
erfüllt
der Signalkompensationswert (N) die Gleichung (1).
-
Bevorzugt
ist die Konzentration (C) der bestimmten Komponente des lebenden
Körpers
zum Signalkompensationswert (N) proportional.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine Abweichung bei den Geschwindigkeiten von photoakustischen Signalen
zu kompensieren, die durch Unterschiede in zu untersuchenden Teilen
eines menschlichen Körpers
und bei zu untersuchenden Personen beeinflusst werden, indem das photoakustische
Signal unter Verwendung eines photoakustischen Referenzsignals korrigiert
wird, und es ist möglich,
Biofluidkonzentrationen präzise zu
messen, indem eine Variation in den Übertragungscharakteristiken
von photoakustischen Signalen, wie Reflexion oder Dispersion, die
durch die Struktur eines lebenden Körpers bedingt sind, korrigiert
werden.
-
Die
obigen und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser ersichtlich durch ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
-
1 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Blutzucker
mit photoakustischer Spektroskopie darstellt, das in der japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. hei 11-235331 offenbart ist;
-
2 ein
Diagramm einer Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Blutzucker
mit photoakustischer Spektroskopie darstellt, das in der japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. hei 11-235331 offenbart ist;
-
3 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
4 eine
Perspektivansicht einer Vorrichtung vom Penetrationstyp zum nicht-invasiven
Messen von Biofluidkonzentrationen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
5 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung vom Reflexionstyp zum nicht-invasiven
Messen von Biofluidkonzentrationen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
6 ein
Fließbild
eines Verfahrens zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
7A ein
Schaubild ist, das Absorptionsspektren von Glucoselösungen in
einem Strahlenbereich des nahen Infrarot zeigt;
-
7B ein
Schaubild ist, das Absorptionsspektren von Glucoselösungen von 7A im
logarithmischen Maßstab
zeigt;
-
7C eine
vergrößerte Ansicht
des Bereichs B von 7A zeigt;
-
7D eine
vergrößerte Ansicht
des Bereichs C von 7A zeigt; und
-
8 ein
Schaubild ist, das Absorptionsspektren von Glucoselösungen in
einem Strahlenbereich des fernen Infrarot zeigt.
-
Nachfolgend
werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum nicht-invasiven Messen
von Biofluidkonzentrationen und ein Verfahren dafür ausführlicher
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen
in verschiedenen Zeichnungen stellen gleiche Elemente dar.
-
3 ist
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von
Biofluidkonzentrationen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 3 beinhaltet eine
Vorrichtung 50 zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen
eine Lichtquelle 51, einen Generator 53 für akustische
Signale nahe einem Messobjekt gelegen, auf das ein optisches Signal aufgebracht
wird, einen Signaldetektor 55 nahe einer anderen Seite
des Messobjekts gelegen, einen optischen Detektor (nicht gezeigt)
zum Erfassen einer Intensität
(E) des optischen Signals, eine Steuerung, eine Berechnungseinheit
und eine Anzeigeeinrichtung 57. Hier sind die Steuerung,
die Berechnungs einheit und die Anzeigeeinrichtung 57 mit
der Lichtquelle 51 und dem Signaldetektor 55 verbunden.
-
Die
Lichtquelle 51 gibt ein optisches Signal mit einer bestimmten
Frequenz, das in einer bestimmten Komponente des menschlichen Körpers absorbiert
werden kann, an einen bestimmten Teil des menschlichen Körpers 59.
-
Wenn
das optische Signal in den bestimmten Teil des menschlichen Körpers 59 eindringt,
werden bestimmte Wellen eines bestimmten Wellenlängenbandes von der bestimmten
Komponente absorbiert. Der Generator 53 für akustische
Signale erfasst dann ein photoakustisches Signal PA, das durch die
Absorption der Wellenlängen
erzeugt und moduliert ist, unter Verwendung des Signaldetektors 55.
Danach erzeugt der Generator 53 für akustische Signale ein akustisches
Signal A1 mit einer ähnlichen
Frequenz wie die des photoakustischen Signals PA im Bereich des
menschlichen Körpers 59.
-
Der
Signaldetektor 55 erfasst das photoakustische Signal PA,
das den bestimmten Teil des menschlichen Körpers 59 passiert
hat. Wie oben beschrieben, erfasst der Signaldetektor 55 ein
akustisches Signal A2, das erzeugt wird, wenn das vom Generator 53 für akustische
Signale erzeugte akustische Signal A1 den bestimmten Teil des menschlichen
Körpers 59 passiert
und daher aufgrund der akustischen Eigenschaften des menschlichen
Körpers 59 moduliert
wird.
-
Hier
kann die bestimmte Komponente des menschlichen Körpers 59 Biofluide
darstellen, wie Glucose, Hämoglobin,
Albumin und Cholesterin, die in Abhängigkeit von ihren Eigenschaften
Lichtstrahlen bestimmter Wellenlängen
absorbieren. Wenn Elektronen in einem Biofluid Lichtstrahlen absorbieren,
wandern sie in ein höheres
Energieniveau. Im Laufe der Zeit kehren die Elektronen auf ein niedrigeres
Energieniveau zurück,
so dass auf diese Weise Schallwellen erzeugt werden.
-
Der
Lichtdetektor misst die Intensität
(E) von Lichtstrahlen, d. h. ein von der Lichtquelle 51 erzeugtes
optisches Signal.
-
Die
Steuerung steuert die Lichtquelle 51 und den Generator 53 für akustische
Signale so, dass das akustische Signal A1 eines bestimmten Frequenzbandes
erzeugt werden kann. Die Berechnungseinheit errechnet einen Signalkompensationswert
(N) ausgehend von der Intensität
(E) eines optischen Signals, das von der Lichtquelle 51 eingegeben
ist, und dem photoakustischen Signal PA und dem akustischen Signal
A2, das vom Signaldetektor 55 eingegeben ist. Danach berechnet
die Berechnungseinheit eine Konzentration (C) der bestimmten Komponente. Hier
ist der Signalkompensationswert (N) proportional zur Konzentration
(C) der bestimmten Komponente.
-
Die
Vorrichtung 50 zum Messen von Biofluidkonzentrationen kann
ferner eine Anzeigevorrichtung 57 aufweisen, die die Konzentration
(C) der bestimmten Komponente angibt. Wie in 3 gezeigt
ist, sind der Lichtdetektor, die Steuerung, die Berechnungseinheit
und die Anzeigevorrichtung 57 in einer Einheit der Vorrichtung 50 zum
Messen von Biofluidkonzentrationen integriert. Der Lichtdetektor,
die Steuerung, die Berechnungseinheit und die Anzeigevorrichtung 57 können in
einer Einheit integriert sein. Alternativ können einige von Lichtdetektor,
Steuerung, Berechnungseinheit und Anzeigevorrichtung 57 in
einer Einheit integriert sein. Zum Beispiel können die Steuerung und die
Berechnungseinheit 57 in einer Einheit integriert sein,
und der Generator 53 für
akustische Signale und der Signaldetektor 55 können in
einer anderen Einheit integriert sein. Alternativ können die Lichtquelle 51,
der Generator 53 für
akustische Signale und der Signaldetektor 55 in einer Einheit
integriert sein.
-
4 ist
ein Diagramm eines Beispiels der Vorrichtung 50 zum Messen
von Biofluidkonzentrationen, bei der die Lichtquelle 51,
der Generator 53 für akustische
Signale, der Signaldetektor 55, der Lichtdetektor, die
Steuerung, die Berechnungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung 57 in
einer Einheit integriert sind. Bezugszeichen 53' bezeichnet
einen Ausgang, durch den ein von der Lichtquelle 51 erzeugtes optisches
Signal und das akustische Signal A1, das vom Generator 53 für akustische
Signale erzeugt ist, ausgegeben werden, und Bezugszeichen 55' bezeichnet
einen Eingang, durch den das photoakustische Signal PA2 und das
akustische Signal A2 laufen, so dass sie in den Signaldetektor 55 eintreten. Bezugszeichen 57' bezeichnet
eine bestimmte Einheit, in die ein Lichtdetektor, eine Steuerung,
eine Berechnungseinheit und eine Anzeigeeinrichtung integriert sind.
-
5 ist
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen von Biofluidkonzentrationen
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 5 beinhaltet
eine Vorrichtung zum Messen von Biofluidkonzentrationen eine Lichtquelle 61,
die ein optisches Signal mit einem bestimmten Frequenzband aufgibt,
das in einem Teil eines menschlichen Körpers 69 absorbiert werden
kann, und eine Generator/Messeinrichtung 63 für akustische
Signale, die ein akustisches Signal A1 mit einem ähnlichen
Frequenzband wie das eines photoakustischen Signals PA im Bereich
des Teils des menschlichen Körpers 69 erzeugt.
Hier wird das photoakustische Signal PA erzeugt, wenn das optische
Signal vom Teil des menschlichen Körpers 69 reflektiert
wird und Wellen bestimmter Wellenlängen in einer bestimmten Komponente
des menschlichen Körpers 69 absorbiert
werden.
-
Außerdem beinhaltet
die Vorrichtung zum Messen von Biofluidkonzentrationen ferner einen Lichtdetektor 67,
der eine Intensität
(E) des optischen Signals und des photoakustischen Signals PA erfasst,
eine Steuerung 73, die die Generator/Messeinrichtung 63 für akustische
Signale steuert, so dass ein akustisches Signal A1 in einem bestimmten
Frequenzband erzeugt werden kann, und eine Berechnungseinheit 65,
die einen Signalkompensationswert N ausgehend vom photoakustischen
Signal PA, das vom Lichtdetektor 67 eingegeben ist und
dem akustischen Signal A2, das von der Generator/Messeinrichtung 63 für akustische
Signale eingegeben ist, errechnet und dann eine Konzentration (C)
der bestimmten Komponente ausgehend vom Signalkompensationswert
(N) berechnet.
-
Die
Vorrichtung zum Messen von Biofluidkonzentrationen kann ferner eine
Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt) aufweisen, die die Konzentration
(C) der bestimmten Komponente angibt. Die Lichtquelle 61,
die Steuerung 73, die Berechnungseinheit 65, der Lichtdetektor 67,
die Generator/Messeinrichtung 63 für akustische Signale und die
Anzeigeeinrichtung können
alle oder zum Teil in einer Einheit integriert sein.
-
Impulsartige
Wärmeexpansion
bedingt durch Lichtimpulse erzeugt akustische Druckwellen. Die Druckwellen
(p) können
durch die folgende Wellengleichung ausgedrückt werden:
-
Hier
stellen l, α und β die Intensität von Licht, den
Wärmeausdehnungskoeffizienten
bzw. die Schallwellengeschwindigkeit dar. Außerdem stellen C
p und
t spezifische Wärme
bzw. Zeit dar. Die Amplitude (P) von einem impulsförmigen photoakustischen Signal
nach Lai und Young kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
-
Hier
bezeichnet E die Intensität
von Lichtstrahlen, die auf den bestimmten Teil des menschlichen
Körpers 69 einfallen.
-
Wie
in Formel (3) gezeigt ist, kann das photoakustische Signal unter
Berücksichtigung
der optischen Eigenschaften eines Mediums, wie der Intensität von einfallenden
Strahlen oder dem Lichtabsorptionskoeftizienten, den thermischen
Eigenschaften des Mediums, wie dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
und den akustischen Eigenschaften des Mediums, wie der Geschwindigkeit
von Schallwellen und der Funktion der Schallwellenübertragung
abgeleitet werden. Die thermischen Eigenschaften des menschlichen
Körpers
schwanken weniger stark als die optischen Faktoren und die akustischen
Eigenschaften. Dementsprechend ist es möglich, den Absorptionskoeffizienten
des zu prüfenden
Mediums genauer zu messen, indem optische und akustische Eigenschaften
des menschlichen Körpers
kompensiert werden.
-
Bei
der Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen
und dem Verfahren dafür
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Signalkompensationswert (N) nach Gleichung (1) ermittelt,
um die akustischen Eigenschaften des zu prüfenden Mediums zu kompensieren.
-
Der
Signalkompensationswert (N) ist proportional zur Konzentration (C)
der bestimmten Komponente, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt
ist. Der Signalkompensationswert (N) kann durch Messen von Schallwellen
und Ermitteln der Geschwindigkeit (v) der Schallwellen und des Koeffizienten
A2 der Schallwellenübertragung kompensiert werden.
-
-
Hier
ist Kh gleich Cp/β. Da der
Absorptionskoeffizient aus Gleichung (5) abgeleitet werden kann, kann
die Konzentration (C) der Zielkomponente durch Vergleichen des Absorptionskoeffizienten
einer erfassten Signalwelle mit dem Absorptionskoeffizienten einer
Referenzwelle berechnet werden, um Biofluidkonzentrationen zu messen.
-
Zum
Berechnen des Signalkompensationswerts (N) kann Frequenzanalyse
ausgehend von Fourier-Transformation oder Wavelet-Analyse durchgeführt werden.
Alternativ können
die räumlichen Charakteristiken
des menschlichen Körpers
unter Verwendung einer Mehrzahl von Detektoren kompensiert werden.
-
Da
der Zustand von Gewebe in Abhängigkeit von
der Person und dem Zeitpunkt, zu dem das Gewebe untersucht wird,
veränderlich
sein kann, müssen
solche Schwankungen kompensiert werden. Insbesondere um den Einfluss
anderer Komponenten im menschlichen Körper auszuschließen, können die Konzentrationen
anderer Komponenten zuvor erforscht und kompensiert werden, so dass
die Konzentration der Zielkomponente, wie Glucose, präziser berechnet
werden kann. Zum Beispiel kann die Konzentration von Wasser oder
Hämoglobin
unter Verwendung eines optischen Verfahrens bestimmt werden oder
durch Hinzufügen
von akustischen Wellen, die auf Gewebe eingestrahlt werden.
-
6 ist
in Fließbild
eines Verfahrens zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen mit
photoakustischer Spektroskopie gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 6 wird in
Schritt 101 ein optisches Signal PA1 in einem bestimmten
Wellenlängenband,
das von einer Lichtquelle emittiert wird, auf einen bestimmten Teil
eines zu untersuchenden menschlichen Körpers eingestrahlt. Wenn das
optische Signal PA1 den bestimmten Teil passiert oder von hm reflektiert
wird, werden bestimmte Wellenlängen
in einer bestimmten Komponente des menschlichen Körpers absorbiert,
und auf diese Weise wird ein photoakustisches Signal PA erzeugt.
Dann wird in Schritt 108 die Intensität (E) des photoakustischen
Signals PA erfasst. Ein akustisches Signal A1 mit einem ähnlichen Frequenzband
wie das des erfassten photoakustischen Signals PA wird in Schritt 105 erzeugt.
-
Wenn
das akustische Signal A1 die Komponente des menschlichen Körpers durchläuft oder
von ihr reflektiert wird, werden bestimmte Wellenlängen in
der Komponente des menschlichen Körpers absorbiert und auf diese
Weise ein akustisches Signal A2 erzeugt. Dann wird in Schritt 107 das
akustische Signal A2 erfasst. Danach wird in Schritt 109 ein
Signalkompensationswert (N) oder die Konzentration (C) der bestimmten
Komponente des menschlichen Körpers
ausgehend von der Intensität
(E) des optischen Signals, des erfassten photoakustischen Signals
PA und des akustischen Signals A2 berechnet.
-
Die
Konzentration (C) der bestimmten Komponente kann ausgehend vom Signalkompensationswert
(N) nach den Gleichungen (1), (4) und (5) ermittelt werden. Wie
oben beschrieben, muss das photoakustische Signal PA in Abhängigkeit
vom Zustand des menschlichen Körpers
kompensiert werden und die Kompensation kann unter Verwendung des
aus Gleichung (1) abgeleiteten Signalkompensationswerts (N) durchgeführt werden.
-
Die 7A bis 7D sind
Schaubilder, die Absorptionsspektren von Glucoselösungen im
Strahlenbereich des nahen Infrarot zeigen.
-
7A zeigt
die Absorptionsspektren von Glucoselösungen mit unterschiedlichen
Glucosegehalten, d. h. 100 mg, 250 mg, 500 mg, 1 g, 2,5 g und 5
g, wenn ein photoakustisches Signal mit einem Wellenlängenband
im Bereich von 400 nm bis 2500 nm auf die Glucoselösungen aufgegeben
wird. Wie in 7A gezeigt ist, zeigen die sieben
Glucoselösungen
fast das selbe Absorptionsspektrum, was bedeutet, dass die Absorption
eines photoakustischen Signals in Abhängigkeit von der Menge an Wasser
in einer Glucoselösung
mit einem geringen Gehalt an Glucose schwankt.
-
7B ist
ein Schaubild, das die Absorptionsspektren von Glucoselösungen von 7A in
einem logarithmischen Maßstab
zeigt. Im Gegensatz zu 7A erscheinen in 7B viele
kleine Peaks um eine Wellenlänge
von 1000 nm.
-
7C ist
eine vergrößerte Ansicht
des Bereichs B von 7A. Wie in 7C gezeigt
ist, zeigt eine Glucoselösung
mit 100 mg Glucose ein ähnliches
Absorptionsspektrum wie Wasser. Wenn hingegen die Menge an Glucose
in einer Glucoselösung auf
mehr als 5 g zunimmt, wird der Abstand zwischen dem Absorptionsspektrum
der Glucoselösung
und dem Absorptionsspektrum von Wasser größer. 7C zeigt,
dass das Absorptionsspektrum einer Glucoselösung sich in Abhängigkeit
von der Konzentration verändert,
wenn ein photoakustisches Signal mit einem Wellenlängenband
von 1660 nm–1700
nm auf die Glucoselösung
aufgegeben wird.
-
7D ist
eine vergrößerte Ansicht
des Bereichs C von 7A. In 7D ist
das Phänomen, dass
je mehr Glucose in einer Glucoselösung vorhanden ist, desto höher wird
die Absorptionsrate eines photoakusti schen Signals, deutlich um
einen Wellenlängenbereich
von ungefähr
2190 nm–2220 nm
zu sehen.
-
Gemäß den Ergebnissen
der zuvor genannten Experimente ist die Schlussfolgerung möglich, dass
photoakustische Signale mit einem Wellenlängenband von ungefähr 1660
nm–1700
nm oder einem Wellenlängenband
von ungefähr
2190–2220
nm im Bereich des nahen Infrarot verwendet werden können, um
die Konzentration an Glucose zu messen, wobei die Vorrichtung zum
nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
8 ist
ein Schaubild, das Absorptionsspektren von Glucoselösungen im
Bereich des fernen Infrarot zeigt. In 8 stellen
D1, D2, D3 und D4, bei denen
Peaks der Absorptionsspektren auftreten, bedeutende Wellenlängenbänder um
8,7 nm, 9,0 nm, 9,3 nm bzw. 9,8 nm dar. Mit anderen Worten, wenn die
Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist es bevorzugt, ein photoakustisches
Signal mit einem Wellenlängenbereich
zu verwenden, der durch D1, D2,
D3 oder D4 in einem
fernen Infrarotbereich dargestellt wird.
-
Das
Verfahren und die Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen mit
photoakustischer Spektroskopie gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können unterschiedliche
Transmissionscharakteristiken eines photoakustischen Signals ausgleichen,
die in Abhängigkeit
von der Person und dem Teil des menschlichen Körpers veränderlich sind, indem das photoakustische
Signal kompensiert wird, das sich in Abhängigkeit von Art oder Zustand
eines lebenden Körpers
verändert.
-
Während diese
Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute,
dass verschiedene Veränderungen
in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Zum Beispiel
ist es für
einen Fachmann ersichtlich, dass die unterschiedlichen Transmissionscharakteristiken
eines photoakustischen Signals unter Verwendung anderer Kompensationswerte
kompensiert werden können.