FR2768043A1 - Procede et dispositif de mesure des concentrations en composants sanguins - Google Patents
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Abstract
Un procédé et un dispositif de mesure non-invasive des concentrations en composants sanguins utilisent une source de lumière polychromatique pulsée émettant en particulier de la lumière dans la plage de l'infrarouge proche de 800 à 1850 nm. La lumière est rétrodiffusée depuis une partie du corps d'un patient ou est transmise à travers celle-ci. La lumière rétrodiffusée comporte des informations sur les concentrations en composants sanguins. Les concentrations en composants sanguins sont calculées à partir de l'analyse spectrale fondée sur des longueurs d'ondes sélectionnées, par un algorithme proposé. Un microprocesseur détermine les concentrations en composants sanguins en comparant à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire du microprocesseur. Les valeurs de concentrations calculées sont affichées sur un écran. Le procédé et le dispositif peuvent être utilisés pour un usage clinique ou pour un test à domicile.
Description
La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif destinés à
la mesure des concentrations de composants sanguins et, plus particulièrement, à un procédé et un dispositif non-invasifs destinés à mesurer les concentrations en composants sanguins tels que le glucose, le cholestérol, l'albumine, l'hémoglobine et la bilirubine et certains autres analytes tels que l'alcool et les drogues
en se basant sur la spectroscopie.
Des dispositifs antérieurs destinés à surveiller les concentrations en composants sanguins d'un patient sont connus. Les techniques utilisant ces dispositifs impliquent l'obtention d'un petit échantillon de sang en piquant le bout d'un doigt, échantillon qui est placé sur un support traité chimiquement et est inséré dans un instrument portable afin de mesurer les concentrations en composants sanguins. Cette piqûre du doigt est douloureuse et peut poser un problème lorsque des échantillons sont souvent nécessaires. En outre, bien que le coût de ces instruments ne soit pas très important, le coût des articles jetables (bandelettes de test, lancettes et autre), et les risques pour la santé associés à l'existence d'une plaie ouverte sont indésirables. En outre, l'intervalle de temps entre l'instant o l'échantillon sanguin est placé sur un support traité chimiquement et l'instant o le support est inséré
dans un instrument est critique et une source d'imprécision.
Par conséquent, il existe un besoin largement répandu pour un dosage noninvasif du glucose pour les millions de diabétiques dans le monde entier. Beaucoup d'entre eux nécessitent plusieurs tests de glycémie chaque jour afin de
permettre un contrôle de l'insuline et un régime corrects.
Des mesures non-invasives de la bilirubine sont utiles pour les nouveauxnés souffrant de jaunisse et les mesures de cholestérol sont utiles pour les personnes qui souffrent d'artériosclérose. Diverses approches ont été tentées pour mesurer les
concentrations en composants sanguins de façon non-invasive.
Parmi celles-ci, les brevets des Etats-Unis N 4 901 728 et 009 230 utilisent une propriété d'activité optique du glucose et l'angle de rotation de la polarisation est mesuré lorsqu'un faisceau de lumière polarisée passe au travers d'une partie vascularisée de l'organisme. La précision de la mesure est limitée par la faible absorption du glucose dans la plage de 940 à 1000 nm et l'existence d'autres composants présentant des propriétés d'activité optique dans
l'organisme humain (par exemple, certains acides aminés).
Une autre technique utilise des systèmes de capteurs non-invasifs pour la surveillance de la glycémie dans l'humeur aqueuse de l'oeil sur la base de la polarisation (March, brevet des Etats-Unis N 3 958 560), ou de la spectroscopie Raman (Tarr et al., brevet des Etats- Unis N 5 243 983). Malheureusement, une telle technique peut engendrer un inconfort considérable pour le patient en raison de la nécessité de placer un dispositif sur l'oeil du patient. Un système plus précis et moins gênant est
souhaitable.
Une autre approche spectroscopique se fonde sur les possibilités de la spectroscopie d'absorption ou de réflexion de l'infrarouge proche. Plusieurs des références mentionnées ci-dessus utilisent la spectroscopie d'absorption ou de réflexion pour mesurer la teneur en glucose dans le sang humain. Le principe fondamental consiste à émettre de la lumière de plusieurs longueurs d'ondes de façon sous-cutanée dans un tissu contenant du sang et à détecter l'intensité de la lumière réfléchie ou transmise à travers le tissu. En utilisant des algorithmes mathématiques bien développés, il est possible de calculer la teneur en glucose à partir des valeurs d'intensité lumineuse. La région de l'infrarouge proche du spectre convient à une mesure non-invasive des concentrations en composants sanguins en raison de la relativement bonne transmission de la lumière par les tissus cutanés à ces longueurs d'ondes. Les principaux inconvénients de cette approche sont la faible concentration en glucose dans les tissus par rapport à l'eau qui présente une absorption significative dans cette région, une pluralité d'autres composants dans les tissus qui interfèrent avec le glucose dans l'absorption de la lumière, une structure tissulaire très inhomogène de façon significative et la distribution correspondante du glucose dans les tissus, l'influence des propriétés de dispersion de la lumière des tissus sur les mesures quantitatives d'absorption lumineuse. Ainsi, le choix approprié pour la mesure de la plage spectrale et les règles de sélection des longueurs d'ondes sont importants pour procurer la précision de la détermination de la
concentration en glucose.
La plage spectrale de 800 à 1850 nm constitue une perspective pour réaliser des mesures quantitatives car dans cette plage, la bande d'absorption de l'eau à 1450 nm ne recouvre pas de façon significative les bandes d'absorption des autres composants tels que les protéines, les graisses, l'hémoglobine, l'oxyhémoglobine, et dans le même temps il est possible de sélectionner une bande d'absorption du
glucose séparée au voisinage de 1600 nm.
L'absorption par les composants dans cette région est plus forte, par exemple, que dans la plage de 600 à 1100 nm qui est utilisée dans le brevet des Etats-Unis N 5 028 787 et, en conséquence, il est possible d'obtenir la précision nécessaire dans le dosage du glucose en utilisant un algorithme de calcul de concentration plus simple. D'autre part, lors de la sélection de la longueur d'onde et de l'algorithme de calcul correspondant, une longueur d'onde de référence est sélectionnée de façon que la réflectance de la lumière soit pratiquement insensible à la concentration d'un composant sanguin, et une longueur d'onde signal est sélectionnée parmi les longueurs d'ondes de l'infrarouge pour laquelle la réflectance varie avec la concentration du composant sanguin que l'on mesure. Le rapport correspondant de leurs signaux électriques n'est pas suffisant pour une détermination précise du taux de glycémie dans le sang si l'on tient compte des composants sanguins et tissulaires qui absorbent la lumière dans cette plage du spectre. Il est nécessaire de garder à l'esprit la possibilité que lorsque d'autres composants (qui ne sont pas du glucose) du sang varieront en concentration, ils provoqueront une variation de la réflectance à la longueur d'onde choisie pour la mesure du glucose.
On doit noter que seuls Braig et al. (brevet des Etats-
Unis N 5 313 941) soulignent les avantages d'une source lumineuse dans l'infrarouge proche. pulsé pour la détermination de la glycémie. Cependant, Braig et al. utilisent des impulsions à bande large de lumière infrarouge qui sont émises dans la plage de 2 à 20 pm et sont synchronisées avec les systoles et diastoles du rythme cardiaque du patient. Dans le même temps, il est possible de souligner les avantages évidents d'une source lumineuse polychromatique pulsée telle qu'une lampe-éclair au Xe. Les sources lumineuses à lampe-éclair présentent une puissance de crête plus élevée que les diodes électroluminescentes et, en comparaison des diodes laser connues, le principal avantage est qu'une lampe-éclair pulsée présente un spectre continu. En conséquence, la sélection d'une longueur d'onde nécessaire quelconque est possible et, bien entendu, elles ne sont pas aussi coûteuses que les diodes laser. En outre, les lampes- éclair pulsées peuvent être significativement plus petites que les sources lumineuses polychromatiques telles que les lampes halogène à quartz ou les lampes halogène-tungstène. Ceci rend possible le développement d'un dispositif de surveillance personnelle compacte basé sur une lampe-éclair pulsée. Ce type de dispositif a été proposé par A. Yaminishi (brevet des Etats-Unis N 4 267 844) pour la mesure de la concentration en bilirubine en utilisant un algorithme à deux longueurs d'ondes (une première longueur d'onde est sélectionnée en tant que signal correspondant à l'absorption propre de la bilirubine et l'autre est sélectionnée en tant que signal de référence correspondant à l'absorption par le fond). Un dispositif non-invasif pour la mesure du
cholestérol est également connu dans le brevet des Etats-
Unis N 5 246 004 dans lequel on projette la lumière d'une pluralité de longueurs d'ondes discrètes choisies dans le spectre de l'infrarouge proche sur le sang et on utilise l'algorithme mentionné ci-dessus utilisant le rapport du signal et d'un signal de référence de fond. L'un des principaux inconvénients dans les applications biomédicales de la spectroscopie de réflectance dans l'infrarouge proche que l'on a décrite ci-dessus est
constitué par les variations de la ligne de base du spectre.
Par exemple, au cours d'investigations récentes menées sur la surveillance transcutanée de la glycémie, on a trouvé que les variations de ligne de base du spectre masquaient les réponses spectrales dues à l'absorption par le glucose. Le coefficient de dispersion des tissus biologiques dépend de nombreuses fibres structurelles et des formes et dimensions des structures cellulaires. Pour obtenir des données d'absorption reproductibles à partir de la spectroscopie de réflectance dans l'infrarouge proche, on doit minimiser les
effets des variations dûs au fond diffusant.
Ainsi, il existe un grand besoin d'un procédé et d'un dispositif destinés à la mesure non-invasive du taux de
glycémie qui fournisse des résultats fiables et précis.
Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, un but de la présente invention consiste à réaliser un procédé commode, fiable et précis de mesure des taux de glycémie de façon non-invasive. Un autre but de la présente invention consiste à réaliser un dispositif commode, fiable et précis destiné à
mesurer les taux de glycémie de façon non-invasive.
Par conséquent, afin d'atteindre le premier but, on réalise un procédé de mesure des concentrations en composants du sang comprenant les étapes consistant à (a) fournir de l'énergie à une source lumineuse, un microprocesseur, des photodétecteurs, des préamplificateurs, des convertisseurs d'analogique vers numérique et un affichage, (b) émettre de la lumière dans l'infrarouge proche dans la région du spectre de 800 à 1850 nm à l'aide de la source lumineuse, (c) focaliser la lumière dans l'infrarouge proche à l'aide d'un réflecteur et d'un condenseur afin de faire rayonner la lumière focalisée sur la peau d'un sujet, (d) recevoir la lumière dans l'infrarouge proche contenant des informations sur la concentration en composants sanguins, rétrodiffusée depuis ou transmise à travers les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins, à l'aide d'une pluralité d'éléments directifs afin qu'elle soit orientée vers des éléments à sélectivité spectrale, (e) extraire sélectivement la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche à l'aide des éléments à sélectivité spectrale, (f) convertir la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes extraite des éléments à sélectivité spectrale en signaux électriques analogiques, respectivement, (g) amplifier les signaux électriques analogiques à l'aide de préamplificateurs, (h) convertir les signaux électriques analogiques amplifiés en signaux numériques à l'aide des convertisseurs d'analogique vers numérique, et transmettre ces derniers au microprocesseur (i) calculer un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante dans laquelle n est le nombre des longueurs d'ondes D=(0ogl/T,logl/T2) (logl/Ti)--2)loglT sélectionnées pour n = 3, D =(logl/T,logl/T2)/(logl/T2-logl/T3, pour n = 4, D=(logl/T1-logl/T2)/(logl/T2+ 1ogl/T3-2logl/T4),comparer le rapport calculé D à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calculer la concentration en composants sanguins à l'aide du microprocesseur et (j) afficher la concentration en composants sanguins calculée par le microprocesseur sur
l'affichage, dans lesquelles Ti = Ji/Jio, o i = 1, 2,...
n, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétrodiffusée ou transmise et de la lumière incidente correspondant à la
longueur d'onde i, respectivement.
A l'étape (b), la lumière dans l'infrarouge proche dans la plage de 800 à 1850 nm est simultanément projetée sur les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins au travers de la peau pendant une durée d'impulsion prédéterminée. De même, à l'étape (d), la pluralité des éléments directifs sont orientés de façon appropriée et séparés spatialement afin d'éviter une réflexion directe à partir de la surface de la peau et de permettre une minimisation des
effets des variations du fond diffusant.
De même, à l'étape (e), en supposant que Aic, i = 1, 2, n sont les valeurs d'absorption de la lumière de n longueurs d'ondes pour le composant sanguin à déterminer et que Aij, i = 1, 2,..., n sont les valeurs d'absorption de la lumière de n longueurs d'ondes pour les autres composants à l'exception du composant sanguin à déterminer, A2C, A3c, Anc, sont négligeables en comparaison de Alc, et la lumière de n longueurs d'ondes est utilisée pour les autres composants à l'exception du composant sanguin à déterminer, en satisfaisant la relation n A1 -Aj -_(A(i_,)j)-(n-2)Anj,pour n=3, Aj-Aj;A2j-A3j, et pour n =4, i=3
A j-A2j zA2j+A3j-2A4j.
Pour atteindre le second but, on réalise un dispositif destiné à mesurer les concentrations en composants sanguins comprenant une source lumineuse dans l'infrarouge proche destinée à émettre de la lumière dans la plage du spectre de 800 à 1850 nm, un réflecteur destiné à réfléchir la lumière dans l'infrarouge proche générée au niveau de la source lumineuse infrarouge, un condenseur destiné à collecter et à focaliser la lumière dans l'infrarouge proche et à faire rayonner celle-ci sur la peau d'un sujet, des éléments directifs destinés à recevoir la lumière dans l'infrarouge proche contenant des informations sur les concentrations en composants sanguins, rétrodiffusée depuis ou transmise à travers les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins, et à orienter celle-ci dans d'autres directions, des éléments à sélectivité spectrale destinés à extraire sélectivement la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche, des photodétecteurs destinés à recevoir les signaux optiques respectifs fournis sélectivement en sortie par les éléments à sélectivité spectrale et à convertir les signaux optiques en signaux électriques analogiques, des préamplificateurs destinés à amplifier les signaux électriques analogiques respectifs fournis en sortie par les photodétecteurs, des convertisseurs d'analogique vers numérique destinés à convertir les signaux électriques analogiques amplifiés en signaux numériques, un microprocesseur destiné à calculer un
rapport D représenté par une formule prédéterminée, c'est-à-
dire, D=(log/T,-logT2) o/T,)-(n-2)log/TT,dans laquelle n est le nombre des longueurs d'ondes sélectionnées, pour n = 3, D =(logl/T -logl/T2)/(logl/T2 -logl/T3pour n =4, D=(logl/T, -iogl/T2)/(og 2 logl/T3- 2logl/T4), comparer ce rapport à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calculer les concentrations en composants sanguins, un affichage destiné à afficher les concentrations en composants sanguins calculées par le microprocesseur, et une source d'alimentation destinée à fournir de l'énergie à la source lumineuse infrarouge, au microprocesseur, aux photodétecteurs, aux préamplificateurs, aux convertisseurs d'analogique vers numérique, et à l'affichage, o Ti = Ji/Jio O i = 1, 2,..., n, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétro-diffusée ou transmise et de la lumière incidente, correspondant à la
longueur d'onde i, respectivement.
La source lumineuse dans l'infrarouge proche est de préférence une lampe-éclair assurant un rayonnement simultané sur les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins au travers de la peau pendant une durée d'impulsion prédéterminée. De même, la source lumineuse dans l'infrarouge proche est de préférence soit une diode électroluminescente, soit
une diode laser.
De même, les éléments directifs comprennent de préférence des prismes à angle droit orientés de façon appropriée et séparés dans l'espace afin d'éviter la réflexion de surface à partir de la peau et de permettre une
minimisation des effets des variations du fond diffusant.
En outre, les éléments directifs comprennent de
préférence des faisceaux de fibres optiques.
Les éléments directifs et les éléments à sélectivité spectrale comprennent de préférence des prismes à dispersion. Les buts ci-dessus et les avantages de la présente invention deviendront plus évidents en décrivant en détail un mode de réalisation préféré de celle-ci en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un tracé des spectres d'absorption pour l'eau, le glucose, l'hémoglobine, le cholestérol, l'albumine, l'alcool, la peau, les graisses et les muscles
dans la région spectrale de 800 à 1800 nm.
La figure 2 est un schéma synoptique illustrant un dispositif destiné à mesurer les concentrations en composants sanguins, conforme au mode de réalisation de la présente invention, et La figure 3 est un organigramme illustrant un procédé de mesure des concentrations en composants sanguins
conformes au mode de réalisation de la présente invention.
Ci-dessous, le procédé et le dispositif de mesure non-
invasive des concentrations en composants sanguins conformes au mode de réalisation de la présente invention seront décrits en faisant référence aux dessins annexés. Dans ce mode de réalisation, le taux de glucose est mesuré en
utilisant de la lumière de trois longueurs d'ondes.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif destinés à détecter et quantifier les niveaux de concentration en composants sanguins de façon non-invasive en faisant rayonner une source lumineuse polychromatique pulsée qui émet un spectre large de lumière, en particulier dans une plage d'infrarouge proche, au travers des tissus
corporels d'un patient.
La lumière projetée sur les tissus traverse les tissus, en particulier jusqu'aux vaisseaux sanguins dans lesquels la lumière interagit avec les molécules de glucose. On doit noter que le glucose se concentre non seulement dans le sang mais également dans les tissus des vaisseaux sanguins voisins étant donné qu'en raison de leur faible poids moléculaire, les molécules de glucose peuvent pénétrer et se diffuser. Bien entendu, la concentration en glucose dans les tissus est proportionnelle à la concentration en glucose dans le sang. Pour cette raison, il n'est pas nécessaire de localiser le canal de transmission de l'instrument dans la région entourant un vaisseau sanguin. La lumière rétrodiffusée à partir du sang et par les tissus contenant du sang sera diminuée par l'absorption caractéristique des molécules de glucose et donnera des informations sur la
concentration en glucose dans le sang.
Le procédé d'analyse inclus dans la présente invention peut être décrit par un algorithme de rapport normalisé à longueurs d'ondes multiples prenant en compte le fait qu'il existe de nombreux composants du sang et de nombreux tissus contenant du sang qui présentent une absorption dans la région de l'infrarouge proche. Les principaux composants sont l'eau, l'hémoglobine, l'albumine, le cholestérol, la peau, les graisses, les muscles, le glucose, etc. Les spectres de certains de ces composants et constituants dans la région de l'infrarouge proche sont indiqués sur la figure 1. L'absorption totale Ai de la lumière dans ce cas est la somme des valeurs d'absorption des composants pour les longueurs d'ondes sélectionnées, c'est-à- dire Ai =>3Ai, o i est l'indice d'une longueur d'onde correspondante et j est l'indice du composant du sang (eau, hémoglobine,
cholestérol, peau, graisse, albumine et glucose, etc).
L'exemple le plus simple est dans le cas de la transmission, et son principe fondamental est valable pour la réflexion. Pour n longueurs d'ondes, il est possible d'introduire le rapport (D) comme suit: Fn D = (logl/T-logl/T2)/(logl/T; 1)-(n-2)1ogl /T
(1)
= -(Alj -A2j)/ (A(l)) (n - 2)An] dans le cas o n = 3, D = (logl/T, logl/T2)/(logl/T2 -logl/T3) = J(Alj -A2j)/z(A2j -A3) (2) *] dans le cas o n = 4, D = (logl/T, -logl/T2)/(logl/T2 + logl/T3 - 2logl/T4) =, (Alj A2j)/,(A2j- 2A4j + A3j) (3)
J J
dans lesquelles Ti = Exp -ZAj en supposant que Aij est la valeur d'absorption de la lumière du composant j pour la longueur d'onde i et 1 est la longueur de trajet lumineux dans les tissus contenant du sang et dans les vaisseaux sanguins. Les équations 1 à 3 mentionnées ci-dessus procurent un nombre minimum de longueurs d'ondes sélectionnées et dans le même temps une compensation importante de la variation de la valeur de D sous l'influence des variations de concentration des autres
composants principaux du sang.
La sélection de trois longueurs d'ondes est raisonnable dans le but d'un nombre minimum de canaux de réception, et les exigences pour la sélection des longueurs d'ondes sont: a) Alg est le maximum parmi Alg, A2g et A3g, et A2g et A3g sont négligeables en comparaison de Aig, et b) pour les autres composants, à l'exception du glucose, la relation A1j - A2j A2j A3j doit être satisfaite. La sélection de quatre longueurs d'ondes permet une compensation plus importante de l'influence des autres composants sur la valeur lorsqu'il existe des variations dans leurs concentrations. Les exigences correspondantes pour la sélection des longueurs d'ondes sont: a) Alg est le maximum parmi Aig, A2g, A3g et A4g, et A2g, A3g, A4g sont négligeables en comparaison de Alg, et b) pour les autres composants, à l'exception du glucose, la relation A1j-A2j; A2j + A3j - 2A4j doit être satisfaite afin de compenser les composants dominants du sang (eau, hémoglobine) sur la valeur de D. Dans le cas de la sélection de n longueurs d'ondes, les exigences pour la sélection des longueurs d'ondes sont: (a) Alg est le maximum parmi Alg, A2g,..., Ang et A2g, A3g,..., Ang sont négligeables en comparaison de Alg, et (b) pour les autres composants, à l'exception du glucose, la relation Alj -A2j.Z(A(i,)j)-(n-2)Anj doit être satisfaite afin de compenser lés composants dominants du sang. En prenant en compte ces conditions, il n'est pas difficile d'écrire pour la concentration en glucose Cg la formule suivante: Cg = K0 + KID, Ko =-_9-1 (Alj- A2J), J fir - pour le cas o n = 3, Ki =Esg'Z(A2j-A3j) et pour le cas o n = 4 Ki= g'(A2j+A3j-2A4j),dans lesquelles K0 et K1 sont J l'intercept et la pente de la courbe, et ceux-ci sont déterminés grâce à une procédure d'étalonnage. Dans ce cas, les sommes n'incluent pas le composant déterminant. En outre, du fait que dans le cas réel les exigences (a) et (b) pour la sélection des longueurs d'ondes ne peuvent pas être satisfaites pour tous les composants avec la même efficacité, il est parfois raisonnable d'appliquer des algorithmes à trois ou quatre longueurs d'ondes pour des composants sanguins différents en utilisant simultanément un ensemble optimal de longueurs d'ondes correspondant à chaque composant. Dans ce cas, une compensation des interférences sera efficace en raison de la possibilité d'utiliser des données obtenues à partir d'un autre ensemble de composants et de l'équation correspondante. Par exemple, la sélection d'un ensemble de longueurs d'ondes différentes pour le cholestérol, l'albumine, l'hémoglobine et la détermination de leurs concentrations permettra d'appliquer de nouvelles données de concentration pour la détermination de la teneur en glucose sur la base de l'ensemble de longueurs d'ondes
correspondant pour le glucose suivant (équation 5).
AD= EdjAxj (5) dans laquelle Axj = ACj/CjO0, le rapport relatif de la concentration initiale Cjo dans la procédure de calcul et la variation de la concentration ACj de celle-ci, et dj est la pente de la courbe par rapport à chaque variation de concentration. Il sera possible de rendre le nombre des équations (ensemble de longueurs d'ondes) égal au nombre des variables inconnues (Axj) de manière à trouver toutes les concentrations en composants sanguins présentant une absorption dans la plage de l'infrarouge proche. Dans le même temps, il sera possible d'exclure certains composants hors de considération en utilisant des algorithmes à
longueurs d'ondes sélectionnées de façon appropriée.
Conformément à l'algorithme décrit ci-dessus, la lumière infrarouge de trois longueurs d'ondes telles que 1625 nm, 1364 nm et 1200 nm peut être utilisée, et la lumière infrarouge de quatre longueurs d'ondes telles que 1625 nm, 1364 nm, 1200 nm et 1300 nm peut être utilisée pour les mesures de glucose. De même, conformément à l'équation 5, la lumière infrarouge de l'ensemble de longueurs d'ondes 1164 nm, 1225 nm, 1300 nm est utilisée tout d'abord pour déterminer la concentration en hémoglobine, et après cela, la lumière infrarouge des ensembles de longueurs d'ondes {1718 nm, 1364 nm, 1300 nm, 1164 nm} et {1739 nm, 1364 nm, 1300 nm, 1164 nm} peut être utilisée pour déterminer les concentrations en cholestérol et en albumine en utilisant la concentration en hémoglobine déterminée, respectivement, et enfin la lumière infrarouge de l'ensemble de longueurs d'ondes 1625 nm, 1364 nm, 1225 nm et 1164 nm peut être utilisée pour déterminer le taux de glycémie en utilisant les concentrations déterminées en hémoglobine, en
cholestérol et en albumine.
Cependant, l'ensemble ci-dessus de longueurs d'ondes optimales ne constitue qu'un exemple, et n'est pas limité aux longueurs d'ondes décrites dans le paragraphe qui précède. En fonction des études des spectres d'absorption pour les composants sanguins concernés, les valeurs des
longueurs d'ondes peuvent être différentes.
La figure 2 est un schéma synoptique illustrant un dispositif destiné à mesurer les concentrations en composants sanguins en utilisant la lumière de trois longueurs d'ondes conforme au mode de réalisation de la présente invention, et la figure 3 est un organigramme illustrant un procédé de mesure des concentrations en composants sanguins conforme au mode de réalisation de la
présente invention.
Comme indiqué sur la figure 2, le dispositif de mesure non-invasive des concentrations en composants sanguins comprend une source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 destinée à émettre de la lumière dans la plage de spectre de 800 à 1850 nm, un réflecteur optique 2 destiné à réfléchir la lumière dans l'infrarouge proche générée au niveau de la source lumieuse infrarouge 1, un condenseur 3 destiné à collecter et à focaliser la lumière dans l'infrarouge proche et à faire rayonner celle- ci sur la peau d'un sujet, des premier à troisième éléments directifs 4.1, 4.2 et 4.3 destinés à recevoir la lumière dans l'infrarouge proche contenant les informations sur le taux de glycémie, rétrodiffusée à partir des tissus contenant du sang et des vaisseaux sanguins et à diriger celle-ci dans d'autres directions, des premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 destinés à extraire sélectivement la lumière de trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche, des premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3 destinés à recevoir les signaux optiques respectifs provenant des premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 et à convertir lessignaux optiques en signaux électriques analogiques, des premier à troisième préamplificateurs 7.1, 7.2 et 7.3 destinés à amplifier les signaux électriques analogiques respectifs fournis en sortie par les premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3, des premier à troisième convertisseurs d'analogique vers numérique (A/N) 8.1, 8.2, et 8.3 destinés à convertir les signaux électriques analogiques amplifiés en signaux numériques, un microprocesseur 9 destiné à calculer un rapport (D)
représenté par une formule prédéterminée, à comparer celui-
ci à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire 10, et à calculer le taux de glycémie, un affichage 11 destiné à afficher le taux de glycémie calculé par le microprocesseur 9, et une source d'alimentation 12 destinée à fournir de l'énergie à la source lumineuse infrarouge 1, au microprocesseur 9, aux premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3, aux premier à troisième préamplificateurs 7.1, 7.2 et 7.3, aux premier à troisième convertisseurs d'analogique vers numérique (A/N) 8.1, 8.2 et 8.3, et à
l'affichage 11.
La source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 est une source de lumière polychromatique qui émet de la lumière sur une vaste largeur de bande qui comprend la lumière dans la plage de l'infrarouge proche. L'alimentation peut être fournie par une source d'alimentation stabilisée telle qu'une source d'alimentation en courant continu ou par une batterie. La source d'alimentation 12 destinée à fournir de l'énergie à la source lumineuse infrarouge 1, au microprocesseur 9, aux premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6. 3, aux premier à troisième préamplificateurs 7.1, 7.2 et 7.3, aux premier à troisième convertisseurs d'analogique vers numérique (A/N) 8.1, 8.2 et 8.3, et à
l'affichage 11 est reliée électriquement à ceux-ci.
La source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 est reliée optiquement et ajustée par rapport au réflecteur optique 2 et au condenseur optique 3 qui constituent un ensemble de lentilles sélectionnées et ajustées de façon particulière afin de permettre une focalisation efficace du faisceau lumineux. La lumière provenant de la source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 est réfléchie à partir du réflecteur optique 2 et est orientée vers le condenseur 3. Le condenseur 3 focalise le faisceau lumineux à la surface de la peau. Une partie quelconque du corps humain peut être utilisée comme sujet, par exemple, le doigt, le poignet ou l'oreille. La lumière rétrodiffusée à partir des tissus contenant du sang est orientée vers les éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 par trois éléments directifs 4.1, 4.2 et 4.3, de façon correspondante. Dans le même temps, la lumière réfléchie à partir de la surface de la peau n'est pas orientée vers les premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 grâce au positionnement et à l'orientation des premier à troisième éléments directifs 4.1, 4.2 et 4.3. Des prismes, des faisceaux de fibres, des éléments à dispersion peuvent être utilisés en tant que premier à troisième éléments directifs 4.1, 4.2 et 4.3. La distance (2/d, d est habituellement de 2 à 5 mm) entre le bord des éléments directifs et l'emplacement du foyer est suffisante pour éviter une réflexion directe à partir de la surface de la peau et est en même temps optimale pour permettre une minimisation des effets des variations du fond diffusant. Les premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 extraient sélectivement de la lumière à spectre étroit à partir de la région de l'infrarouge proche. La lumière fournie en sortie par les premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 est appliquée en entrée aux premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3 qui sont sensibles dans la région de l'infrarouge proche. Ici, des photodiodes au germanium peuvent être
utilisées en tant que photodétecteurs.
Le procédé et le dispositif de mesure non-invasive des concentrations en composants sanguins conformes au mode de réalisation de la présente invention seront décrits en
faisant référence aux figures 2 et 3.
Si l'alimentation 12 fournit de l'énergie aux divers éléments à l'étape 30, la source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 fait rayonner la lumière dans l'infrarouge proche à l'étape 32. A l'étape 34, la lumière infrarouge réfléchie par le réflecteur optique 2 est focalisée pour être ensuite rayonnée sur la peau du sujet. A l'étape 36, la lumière dans l'infrarouge proche contenant des informations sur le taux de glycémie, rétrodiffusée à partir des tissus contenant du sang et des vaisseaux sanguins, est reçue par les premier à troisième éléments directifs 4.1, 4.2 et 4.3, et est transmise aux premier à troisième éléments à sélectivité
spectrale 5.1, 5.2 et 5.3.
A l'étape 38, la lumière de trois longueurs d'ondes est sélectionnée à partir de la lumière dans l'infrarouge proche par les premier à troisième éléments à sélectivité spectrale 5.1, 5.2 et 5.3 pour être ensuite fournie en sortie aux premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3. A l'étape 40, la lumière reçue en entrée par les premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3 est convertie en signaux électriques analogiques. A l'étape 42, les signaux électriques analogiques respectifs sont amplifiés par les premier à troisième préamplificateurs 7.1, 7.2 et 7.3 reliés électriquement aux premier à troisième photodétecteurs 6.1, 6.2 et 6.3. A l'étape 44, les signaux électriques analogiques fournis en sortie par les premier à troisième préamplificateurs 7.1, 7.2 et 7.3 sont convertis en signaux numériques par les premier à troisième convertisseurs A/N 8.1, 8.2 et 8.3. A l'étape 46, les données fournies en sortie par les premier à troisième convertisseurs A/N 8.1,
8.2 et 8.3 sont appliquées en entrée au microprocesseur 9.
Le microprocesseur 9 calcule un rapport (D) des signaux numériques, représenté par la formule (1) décrite ci-dessus, compare le rapport (D) calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans la mémoire 10, et calcule le taux de glycémie. Ici, à l'étape 46, les concentrations en composants du sang peuvent également être calculées conformément à une analyse chimiométrique. A l'étape 48, le taux de glycémie calculé est affiché sur l'affichage 11
relié au microprocesseur 9.
La source lumineuse dans l'infrarouge proche 1 peut être une lampe-éclair. De même, il est possible d'utiliser toute source lumineuse quelconque qui soit suffisamment intense et émette de la lumière à des longueurs d'ondes sélectionnées, comme des diodes électroluminescentes, ou des diodes laser correspondantes. De même, le microprocesseur 9 peut être un microcalculateur sur une seule puce comprenant
un convertisseur d'analogique vers numérique et une mémoire.
Il est évident que la description proposée ci-dessus
peut être appliquée au cas d'un algorithme à quatre longueurs d'ondes ou à une combinaison d'algorithmes à quatre et trois longueurs d'ondes ou en général au cas d'un algorithme à n longueurs d'ondes. De même, il est évident que la présente invention peut être appliquée à la mesure des concentrations en cholestérol, en albumine, en hémoglobine et en bilirubine de même qu'en certains autres analytes tels que l'alcool et les drogues, aussi bien qu'au
taux de glycémie.
Comme on l'a décrit ci-dessus, dans le procédé et le dispositif de mesure non-invasive des concentrations de composants sanguins conformes à la présente invention, le dispositif peut être utilisé sans inconfort pour le patient et exige un coût minimal. De même, il est possible de mesurer rapidement la concentration d'un composant sanguin à domicile. De même, conformément à la présente invention, la douleur du patient et les risques d'infection dûs à un prélèvement de sang fréquent peuvent être évités. En outre, dans la présente invention, afin d'augmenter la précision de la mesure de la réflectivité de la lumière dans l'infrarouge proche dans les tissus corporels humains, les effets des variations de fond rétrodiffusant doivent être minimisés. De même, afin d'éviter la réflexion à partir de la surface de la peau vers les canaux reçus, les canaux de transmission et
de réception sont séparés dans l'espace les uns des autres.
La minimisation des effets des variations du fond rétrodiffusant peuvent être obtenus en prenant les mesures à une distance prédéterminée, habituellement de 2 à 5 mm, espacées du point de rayonnement. Ceci peut être réalisé en utilisant des faisceaux de fibres ou des prismes à angle
droit, par exemple, séparés dans l'espace.
Claims (22)
1. Procédé de mesure des concentrations en composants sanguins tels que le glucose, le cholestérol, l'albumine, l'hémoglobine et certains autres analytes comme l'alcool et les drogues, comprenant les étapes consistant à: (a) fournir de l'énergie à une source lumineuse (1), un microprocesseur (9), des photodétecteurs (6.1 à 6.3), des préamplificateurs (7.1 à 7.3), des convertisseurs d'analogique vers numérique (8.1 à 8.3) et un affichage (11), (b) émettre de la lumière dans l'infrarouge proche dans la région du spectre de 800 à 1850 nm à l'aide de la source lumineuse, (c) focaliser la lumière dans l'infrarouge proche à l'aide d'un réflecteur (2) et d'un condenseur (3) afin de faire rayonner la lumière focalisée sur la peau d'un sujet, (d) recevoir la lumière dans l'infrarouge proche contenant des informations sur la concentration en composants sanguins, rétrodiffusée à partir des tissus contenant du sang et des vaisseaux sanguins ou transmise à travers ceux- ci, à l'aide d'une pluralité d'éléments directifs (4.1 à 4.3) afin qu'elle soit orientée vers des éléments à sélectivité spectrale (5. 1 à 5.3), (e) extraire sélectivement la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche à l'aide des éléments à sélectivité spectrale, (f) convertir la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes fournie en sortie par les éléments à sélectivité spectrale en des signaux électriques analogiques, respectivement, (g) amplifier les signaux électriques analogiques à l'aide des préamplificateurs, (h) convertir les signaux électriques analogiques amplifiés en signaux numériques à l'aide des convertisseurs d'analogique vers numérique, et transmettre ceux-ci au microprocesseur, (i) calculer un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante
D = (logl/T, -logl/T2)/ 1(logl/T,-,)-(n-2)10gl/T.
i=3 comparer le rapport D calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire (10), et calculer la concentration en composant sanguin à l'aide du microprocesseur, et (j) afficher la concentration en composant sanguin calculée par le microprocesseur sur l'affichage, o Ti = Ji/Jio o i = 1, 2,..., n, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétrodiffusée ou transmise et de la lumière incidente correspondant à la longueur d'onde i, respectivement.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (b), la lumière dans l'infrarouge proche dans la plage de 800 à 1850 nm est simultanément projetée sur les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins au travers de la peau pendant une durée d'impulsion prédéterminée.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (d), la pluralité des éléments directifs sont orientés de façon appropriée et séparés spatialement afin d'éviter une réflexion directe à partir de la surface de la peau et de permettre une minimisation des effets des
variations du fond diffusant.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (e), en supposant que Aic, i = 1, 2,..., n sont les valeurs d'absorption de la lumière de n longueurs d'ondes pour le composant sanguin à déterminer et que Aij, i = 1, 2, n sont les valeurs d'absorption de la lumière de n longueurs d'ondes pour les composants autres que le composant sanguin à déterminer, A2c, A3c,..., Anc sont négligeables en comparaison de Alc, et la lumière de n longueurs d'ondes est utilisée pour les composants autres que le composant sanguin à déterminer, en satisfaisant n
la relation Aj 2Al))(n2.
i=3
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (e) les éléments à sélectivité spectrale extraient sélectivement la lumière de trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche et à l'étape (f) les photodétecteurs convertissent la lumière de trois longueurs d'ondes fournie en sortie par les éléments à sélectivité spectrale en signaux électriques analogiques, respectivement, et à l'étape (i) le microprocesseur calcule un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante D =(logl/Tl-logl/T2)/(logl/T2-logl/T3),compare le rapport D calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calcule les concentrations en composant sanguin, o Ti = Ji/Jio, i = 1, 2, 3, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétrodiffusée ou transmise et de la lumière incidente correspondant à la longueur d'onde i, respectivement.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (e), en supposant que Aic, i = 1, 2, 3 sont les valeurs d'absorption de la lumière de trois longueurs d'ondes 1, 2 et 3 pour le composant sanguin à déterminer et que Ajj, i = 1, 2, 3 sont les valeurs d'absorption de la lumière de trois longueurs d'ondes 1, 2 et 3 pour les composants autres que le composant sanguin à déterminer, A2c, A3c sont négligeables en comparaison de A1,, et la lumière de trois longueurs d'ondes 1, 2 et 3 est utilisée pour les composants autres que le composant sanguin à
déterminer, en satisfaisant la relation Aij - A2j A2j- A3j-
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les longueurs d'ondes 1, 2 et 3 sont de 1625 nm, 1364 nm et
1200 nm, respectivement.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (e) les éléments à sélectivité spectrale extraient sélectivement la lumière de quatre longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche et à l'étape (f) les photodétecteurs convertissent la lumière de quatre longueurs d'ondes fournies en sortie par les éléments à sélectivité spectrale en signaux électriques analogiques, respectivement, et à l'étape (i) le microprocesseur calcule un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante D=(1og1/Tllogl/T2)/(logl/T2+logl/T3-2logl/T4),compare le rapport D calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calcule la concentration en composant sanguin, o Ti = Ji/Jio i = 1, 2, 3, 4, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétrodiffusée ou transmise et de la lumière incidente correspondant à la longueur d'onde i, respectivement.
9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (e), en supposant que Aic, i = 1, 2, 3, 4 sont les valeurs d'absorption de la lumière de quatre longueurs d'ondes 1, 2, 3 et 4 pour le composant sanguin à déterminer et que Aij, i = 1, 2, 3, 4, sont les valeurs d'absorption de la lumière de quatre longueurs d'ondes 1, 2, 3 et 4 pour les autres composants à l'exception du composant sanguin à déterminer, A2c, A30 et A4C sont négligeables en comparaison de Alc, et la lumière de quatre longueurs d'ondes 1, 2, 3, 4 est utilisée pour les composants autres que le composant sanguin à déterminer, satisfaisant la relation
Alj - A2j A 2j + A3j- 2A4j.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les longueurs d'ondes 1, 2, 3 et 4 sont de 1625 nm, 1364 nm,
1200 nm et 1300 nm, respectivement.
11. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les étapes (a) à (j) sont appliquées à la détermination des concentrations d'autres composants sanguins en utilisant des ensembles de longueurs d'ondes correspondants à l'ensemble de longueurs d'ondes optimales pour le composant sanguin et la totalité des concentrations déterminées sont appliquées à une détermination plus précise consistant à déterminer
finalement les concentrations en composants sanguins.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'ensemble de longueurs d'ondes 1164 nm, 1225 nm, 1300 nm est utilisé tout d'abord pour déterminer la concentration en hémoglobine et après cela les ensembles de longueurs d'ondes 1718 nm, 1364 nm, 1300nm, 1164 nm, et 1739 nm, 1364 nm, 1300 nm, 1164 nm sont utilisés pour déterminer les concentrations en cholestérol et en albumine en utilisant la concentration en hémoglobine déterminée, et enfin l'ensemble de longueurs d'ondes 1625 nm, 1364 nm, 1225 nm et 1164 nm est utilisé pour déterminer le taux de glycémie en utilisant les concentrations déterminées en hémoglobine, en
cholestérol et en albumine.
13. Procédé selon la revendication 4, dans lequel à l'étape (i) une analyse chimiométrique est appliquée au
calcul des concentrations en composants sanguins.
14. dispositif destiné à mesurer les concentrations en composants sanguins, comprenant: une source lumineuse dans l'infrarouge proche destinée à émettre de la lumière dans la plage du spectre de 800 à 1850 nm, un réflecteur destiné à réfléchir la lumière dans l'infrarouge proche générée au niveau de la source lumineuse infrarouge, un condenseur destiné à collecter et à focaliser la lumière dans l'infrarouge proche et à faire rayonner celle- ci sur la peau d'un sujet, des éléments directifs destinés à recevoir la lumière dans l'infrarouge proche contenant des informations sur les concentrations en composants sanguins, rétrodiffusée depuis ou transmise à travers les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins, et à orienter celle-ci dans d'autres directions, des éléments à sélectivité spectrale destinés à extraire sélectivement la lumière d'au moins trois longueurs d'ondes à partir de la lumière dans l'infrarouge proche, des photodétecteurs destinés à recevoir les signaux optiques respectifs fournis sélectivement en sortie par lesdits éléments à sélectivité spectrale et à convertir les signaux optiques en signaux électriques analogiques, des préamplificateurs destinés à amplifier les signaux électriques analogiques respectifs fournis en sortie par lesdits photodétecteur, des convertisseurs d'analogique vers numérique destinés à convertir les signaux électriques analogiques amplifiés en signaux numériques, un microprocesseur destiné à calculer un rapport D représenté par une formule prédéterminée, c'est-à-dire, D=(10gl/TI- logl/T2)/j (logl/Ti_,)-(n-2)logl/Tn comparer ce rapport à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et à calculer les concentrations en composants sanguins, un affichage destiné à afficher les concentrations en composants sanguins calculées par le microprocesseur, et une source d'alimentation destinée à fournir de l'énergie à la source lumineuse infrarouge, au microprocesseur, aux photodétecteurs, aux préamplificateurs, aux convertisseurs d'analogique vers numérique et à l'affichage, o Ti = Ji/Jio o i = 1, 2,..., n, Ji et Jio sont les intensités de la lumière rétrodiffusée ou transmise et de la lumière incidente, correspondant à la longueur
d'onde i, respectivement.
15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel le microprocesseur calcule un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante D=(logl/T - 10ogl/T2)/(logl/T2-logl/T3), compare le rapport D calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calcule les concentrations en composants sanguins.
16. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel le microprocesseur calcule un rapport D des signaux numériques, représenté par la formule suivante D=(logl/T,log1/T2)/(1og1/T2+log1/T3-2logl/T4), compare le rapport D calculé à une courbe d'étalonnage mémorisée dans une mémoire, et calcule les concentrations en composants sanguins.
17. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel
la source lumineuse dans l'infrarouge proche est une lampe-
éclair assurant un rayonnement simultané sur les tissus contenant du sang et les vaisseaux sanguins au travers de la
peau pendant une durée d'impulsion prédéterminée.
18. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel la source lumineuse dans l'infrarouge proche est une diode électroluminescente.
19. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel la source lumineuse dans l'infrarouge proche est une diode laser.
20. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les éléments directifs comprennent des prismes à angle droit orientés de façon appropriée et séparés dans l'espace de façon à éviter une réflexion de surface à partir de la peau et à permettre la minimisation des effets des variations de
fond diffusant.
21. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les éléments directifs comprennent des faisceaux de fibres
optiques.
22. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les éléments directifs et les éléments à sélectivité
spectrale comprennent des prismes à dispersion.
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