DE60310286T2

DE60310286T2 - Vorrichtung und Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung der Konzentrationen von biologischen Flüssigkeiten mittels photoakustischer Spektroskopie

Info

Publication number: DE60310286T2
Application number: DE60310286T
Authority: DE
Inventors: Kye-jin Suwon-city Jeon; In-duk Suwon-city Hwang; Gil-won Seongdong-gu Yoon
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: EP1346684B1; US6921366B2; EP1346684A1; CN1445526A; KR100493154B1; KR20030075779A; DE60310286D1; CN1254671C; JP2003265477A; US20030225320A1; JP3667321B2

Description

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 K_h gleich C_p/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.

Claims

Vorrichtung zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen umfassend: eine Lichtquelle (61), die auf einen bestimmten Teil eines lebenden Körpers (65) ein optisches Signal einstrahlt, das ein bestimmtes Wellenlängenband aufweist, das in einer bestimmten Komponente eines lebenden Körpers absorbiert werden kann; einen Generator (63) 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; Erfassungsmittel, das 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 (73) zum Steuern der Erzeugung des akustischen Signals A1 in einem bestimmten Frequenzband; einen optischen Detektor (67), der eine Intensität E des optischen Signals erfasst; und eine Berechnungseinheit (65), 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Erfassungsmittel Signaldetektoren umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Erfassungsmittel erste Erfassungsmittel umfasst, die das photoakustische Signal PA erfassen und zweite Erfassungsmittel, die das akustische Signal A2 erfassen, und worin der akustische Signalgenerator eine akustische Signalerzeugungs-/Messvorrichtung umfasst, die das zweite Erfassungsmittel beinhaltet und der optische Detektor das erste Erfassungsmittel umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Steuerung den akustischen Signalgenerator so steuert, dass das akustische Signal A1 in einem bestimmten Frequenzband erzeugt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Anzeigevorrichtung, die die Konzentration (C) der bestimmten Komponente anzeigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Signalkompensationswert (N) die folgende Gleichung erfüllt:
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Konzentration (C) der bestimmten Komponente zum Signalkompensationswert (N) proportional ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der optische Detektor, die Steuerung und die Berechnungseinheit in einer Einheit integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der akustische Signalgenerator und die Erfassungsmittel in einer Einheit integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Steuerung und die Berechnungseinheit in einer Einheit integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Steuerung, die Berechnungseinheit und die Anzeigeeinrichtung in einer Einheit integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die akustische Signalgenerator/Messvorrichtung und der optische Detektor in einer Einheit integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der akustische Signalgenerator nach einem Luftpumpverfahren am menschlichen Körper befestigt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Lichtquelle eines von einer Laserdiode (LD), einer Licht emittierenden Diode (LED), einem Laser, einem schwarzen Strahler und einer Lampe ist.
Verfahren zum nicht-invasiven Messen von Biofluidkonzentrationen umfassend: 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.
Verfahren nach Anspruch 15, worin der Signalkompensationswert (N) die folgende Gleichung erfüllt:
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin die Konzentration (C) der bestimmten Komponente des lebenden Körpers zum Signalkompensationswert (N) proportional ist.