脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置及其檢測方法
2023-07-10 07:39:46
專利名稱：脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種無創血糖或其他血液成分檢測的檢測裝置及其檢測方法，具體地講，涉及一種通過測量體表電阻抗及其隨脈搏波的變化來實現血糖或其它血液成分無創測量的檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
糖尿病是一種慢性代謝病，其病因為遺傳、胰島素分泌不足或者胰島素功能低下。病症最初表現為血糖濃度升高，進而危害人體其他器官和系統，引發腎衰竭、失明、心臟病、四肢末梢神經痛、壞疽甚至切除等嚴重的併發症。糖尿病已成為嚴重威脅人類健康的殺手。2000年世界糖尿病患者為1.8億，320萬人死於糖尿病及其併發症。預計2030年世界糖尿病患者將達到3.7億，我國糖尿病患者將達到4200萬，居世界第二，用於治療糖尿病的支出將成為社會和家庭的沉重負擔。目前還沒有徹底根治糖尿病的醫學方法，因此經常地監測血糖濃度，及時調整降糖藥物的用量對預防和減輕併發症的發生是至關重要的。現有的檢測方法需要抽取血樣，應用生化、光學等儀器進行分析，不但操作繁瑣、會給患者造成疼痛，而且還有感染其它疾病的危險，限制了血糖檢測的頻率和使用範圍。血糖無創檢測技術不僅能夠對血糖水平進行實時、連續、安全、無痛的自我監測，而且不需要消耗品，可降低測試費用，將給糖尿病的預防和治療帶來革命性的進步，越來越受到人們的重視。
近年來，隨著各項技術基礎理論研究的逐步深入和實驗結果的日趨豐富，對最具開發前景的幾項技術的篩選已基本完成，它們可分成三大類光學輻射技術、生物阻抗技術和體液收集技術。
光學輻射技術包括中近紅外光譜法、遠紅外光譜法、旋光法、光散射係數法等，其中研究投入最多的是近紅外光譜法。光學輻射方法的基本原理是在人體特定部位施加一定波長的光能量，通過測量組織對光能量的吸收、反射、散射、偏振等參數變化，建立血糖等血液成分與這些參數的關係，處理計算得到血糖的濃度。這些方法都具有誘人的研究和商業前景，同時也面臨許多重大技術難題需要解決，最突出的問題是用於檢測的光譜裝置必須經常重新定標。多人使用的儀器會由於各人體內水分、脂肪、肌肉、皮膚、骨骼等成分的差異而需要對各個受試者建立特定的多參量預測模型。即使是同一個受試者，以上各成分隨生理過程的經常性變化也使得頻繁的定標不可避免，而且每次定標的過程既冗長而有創傷的，通常耗時1-2小時並需不斷取血化驗。
體液收集方法包括離子電滲透法和間質液透皮收集法。離子電滲透方法是在皮膚表面施加微弱電流，電極附近將有體液滲出。這些體液中的葡萄糖濃度與血糖濃度相關，測量滲出液中的葡萄糖濃度可以推算出血液中葡萄糖的含量。間質液透皮收集法是採用微針、化學或雷射的方法收集皮膚表層細胞間質液，然後測量這些液體的葡萄糖濃度。這兩種方法的缺點一是體液收集時間在20分鐘以上，不能實時反映血糖濃度的變化；二是對皮膚有一定的損傷。
生物阻抗技術是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術。生物電阻抗技術提取的是與組織和器官的功能變化相聯繫的電特性信息，對血液、氣體、體液和不同組織成份及其變化等具有獨特的鑑別力，因此可以利用生物阻抗測量技術實現血糖和其它成分的無創測量。
阻抗是指物質對通過其中的交變電流的全部阻礙作用。當此交變電流施加於血液時，其中的像葡萄糖這樣的無機溶質將會吸收電磁能量，從而造成阻抗升高，其大小與葡萄糖濃度相關。不同頻率下葡萄糖對血液阻抗的影響也不相同。因此，通過測量血液的阻抗，適當選擇數個頻率，能夠精確地得到血糖濃度。Pendragon公司的A.Caduff等在1-200MHz頻率範圍以0.1MHz步長對手臂的阻抗進行掃頻測量，並與測得的血糖濃度進行對比，開發出了阻抗譜血糖監測儀，可以佩戴在手腕上實時監測血糖變化。美國專利US6517482(H.R.Elden等)公開了一種血糖個人監護儀，採用20kHz頻率，給出了血糖濃度G＝0.31×阻抗模值+0.24×相角，測量部位是前臂。
阻抗法血糖無創測量方法儀器造價低，測量精確度高，所需時間短。另外，如果適當地選擇頻率，還可以同時檢測出膽固醇等多個成分的濃度。因此，阻抗譜測量無創血糖檢測具有很廣闊的發展前景。
人體阻抗同樣受到皮膚、血液循環狀況、血液電解質和其他成分等許多因素的影響，這些因素統稱為個體差異。由於個體差異的存在，使得阻抗譜無創血糖監測有很大偏差，信噪比和靈敏度難以提高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有阻抗法血糖或其他血液成分無創檢測技術中的不足，提供一種誤差小、信噪比和靈敏度高的血糖或其他血液成分無創檢測裝置；本發明的另一個目的是提供一種誤差小、信噪比和靈敏度高的血糖或其他血液成分無創檢測方法。
為解決上述技術問題，本發明的脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，由主控單元以及與主控單元連接的掃頻恆流源、測量單元、顯示報警單元和存儲單元構成；所述的掃頻恆流源設置有一對激勵電極，掃頻恆流源用於產生頻率可變幅值恆定的微弱交變電流，並通過所述的激勵電極饋入人體；所述的測量單元設置有一對測量電極，測量電極用於拾取不同頻率下的阻抗脈搏波的幅值，並送入主控單元；所述的主控單元用於對整個測量系統進行控制，對動態脈搏波阻抗譜數據進行處理，由此計算血糖和其它血液成分的濃度，並將數據送入所述的顯示報警單元和所述的存儲單元；所述的顯示報警單元接收並顯示主控單元送來的血液成分數據，在血糖或其他血液成分超標時發出報警信號；所述的存儲單元用於存儲監測數據。
所述的激勵電極是環狀電極或者心電監護電極。
所述的測量電極是環狀電極或心電監護電極。
所述的主控單元是微處理器或者微控制器或者微計算機。
所述的存儲單元是固態存儲器Flash晶片。
所述的通訊接口是USB通信接口或者RS232通信接口，用於將存儲的血糖或其他血液成分數據傳送到其他裝置或設備為解決上述技術問題，本發明的脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測方法，包括以下步驟將激勵電極放置在人的手臂、手指、軀幹或者下肢部位，向人體施加頻率可調幅值恆定的微弱交變電流；將測量電極放置於激勵電極之間，拾取兩個截面間的電壓信號；通過測量不同頻率下阻抗脈搏波的幅值得到動態脈搏波阻抗譜Zfi,i=0,1,2,3,...,N,]]>式中fi表示不同的激勵頻率，從而得到主要由於動脈血液脈動產生動脈阻抗譜；選定其中一個信號的頻率f0作為基準頻率，計算ki=ZfiZf0,i=1,2,3,...N,]]>該比值僅僅和血液的電阻率有關，而和皮膚、狀況、電極極化電壓等外部因素無關，消除了個體差異的影響；通過血液電阻率與血液成分子間的確定的關係ρ＝ρ(c1，c2，c3，...ci)，式中c1，c2，c3，...ci為血糖和其它血液成分的濃度，即可得到血糖或其它血液成分的濃度。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果本發明通過測量體表電阻抗隨脈搏波的變化來實現血糖或其它血液成分無創測量的方法和裝置，從而消除了個體差異影響，減小了測量誤差，提高了信噪比和靈敏度，能夠同時實現血糖和其它多種血液成分的無創、實時、連續自我監測。
圖1是本發明的系統結構圖。
圖2是動態脈搏波阻抗譜原理圖附圖標記1顯示報警單元2主控單元3存儲單元4通訊接口5掃頻恆流源 6待測人體7測量單元8激勵電極9測量電阻
具體實施例方式
以下結合實施例對本發明作詳細描述。
如圖1所示，本發明的脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，由主控單元2以及與主控單元2連接的掃頻恆流源5、測量單元7、顯示報警單元1、存儲單元3和通訊接口4構成。掃頻恆流源5設置有一對激勵電極8，激勵電極8採用環狀電極或者心電監護電極。掃頻恆流源5用於產生頻率可變幅值恆定的微弱交變電流，並通過激勵電極8饋入人體。測量單元7設置有一對測量電極9，測量電極9採用環狀電極或心電監護電極。測量電極9用於拾取不同頻率下的阻抗脈搏波的幅值，經測量單元內置的模/數轉換器變換後送入主控單元2。主控單元2可以是微處理器、微控制器或微計算機，主控單元2用於對整個測量系統進行控制，對動態脈搏波阻抗譜數據進行處理，由此計算血糖和其它血液成分的濃度，並將數據送入顯示報警單元1和存儲單元3。顯示報警單元1接收並顯示主控單元2送來的血液成分數據，在血糖或其他血液成分超標則發出報警信號。存儲單元3由固態存儲器和控制電路組成，固態存儲器採用Flash晶片，存儲單元3用於存儲監測數據。通訊接口4為USB、RS232或其他方式的通信接口，通訊接口4用於將存儲的血糖或其他血液成分數據傳送到其他裝置或設備。
本發明檢測裝置的原理為掃頻恆流源產生頻率可調幅值恆定的微弱交變電流，通過一對激勵電極施加於人體；電極採用環狀電極或心電監護電極，放置部位可以是手臂、手指、軀幹或者下肢；測量電極放置於激勵電極之間，拾取兩個截面間的電壓信號；測量單元將此電壓信號經放大、濾波得到不同頻率下的阻抗脈搏波，經A/D變換後送入主控單元；本發明將這些不同頻率下對應的阻抗脈搏波幅值定義為動態脈搏波阻抗譜。主控單元將阻抗脈搏波數據進行處理，得到動態脈搏波阻抗譜Zfi,i=0,1,2,3,...,N---(1)]]>fi表示不同的激勵頻率。選定頻率f0作為基準頻率，則比值ki=ZfiZf0,i=1,2,3...N---(2)]]>僅僅和血液的電阻率有關。血液電阻率與血液成分子間有確定的關係ρ＝ρ(c1，c2，c3，...ci) (3)ρ為血液電阻率，c1，c2，c3，...ci為不同血液成分的濃度。通過大量的實驗測定和一定的數據處理手段可以預先測定血液電阻率與血糖或其它各種成分關係曲線。圖2為某頻率下阻抗脈搏波示意圖，其中ΔZ表示脈搏波幅值，Z0為人體基礎阻抗。
主控單元根據測得的動態脈搏波阻抗譜數據和這些曲線計算得出血糖或其它成分的濃度，並將數據送入顯示報警單元和存儲單元；顯示報警單元接收並顯示主控單元傳送來的血糖或其他血液成分數據。如果血糖或其他血液成分濃度超標，則發出報警信號；存儲單元由固態存儲器和控制電路組成，能夠存儲一段時間的血糖或其他血液成分濃度數據；通訊接口實現主控單元與微機的通訊，將存儲單元中的數據傳送到微機作進一步分析和處理。
本發明的脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測方法，包括以下步驟將激勵電極放置在人的手臂、手指、軀幹或者下肢部位，向人體施加頻率可調幅值恆定的微弱交變電流；將測量電極放置於激勵電極之間，拾取兩個截面間的電壓信號；通過測量不同頻率下阻抗脈搏波的幅值得到動態脈搏波阻抗譜Zfi,i=0,1,2,3,...,N,]]>式中fi表示不同的激勵頻率，從而得到主要由於動脈血液脈動產生動脈阻抗譜；選定其中一個信號的頻率f0作為基準頻率，計算ki=ZfiZf0,i=1,2,3...N,]]>該比值僅僅和血液的電阻率有關，而和皮膚、狀況、電極極化電壓等外部因素無關，消除了個體差異的影響；通過血液電阻率與血液成分子間的確定的關係ρ＝ρ(c1，c2，c3，...ci)，式中c1，c2，c3，...ci為血糖和其它血液成分的濃度，即可得到血糖或其它血液成分的濃度。
本發明通過測量體表電阻抗及其隨脈搏波的變化來實現血糖或其它血液成分無創測量的檢測裝置和檢測方法，從而消除了個體差異影響，減小了測量誤差，提高了信噪比和靈敏度，能夠同時實現血糖和其它多種血液成分的無創、實時、連續自我監測。
權利要求
1.一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，它由主控單元以及與主控單元連接的掃頻恆流源、測量單元、顯示報警單元和存儲單元構成；所述的掃頻恆流源設置有一對激勵電極，掃頻恆流源用於產生頻率可變幅值恆定的微弱交變電流，並通過所述的激勵電極饋入人體；所述的測量單元設置有一對測量電極，測量電極用於拾取不同頻率下的阻抗脈搏波的幅值，並送入主控單元；所述的主控單元用於對整個測量系統進行控制，對動態脈搏波阻抗譜數據進行處理，由此計算血糖和其它血液成分的濃度，並將數據送入所述的顯示報警單元和所述的存儲單元；所述的顯示報警單元接收並顯示主控單元送來的血液成分數據，在血糖或其他血液成分超標時發出報警信號；所述的存儲單元用於存儲監測數據。
2.根據權利要求1所述的一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，所述的激勵電極是環狀電極或者心電監護電極。
3.根據權利要求1所述的一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，所述的測量電極是環狀電極或心電監護電極。
4.根據權利要求1所述的一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，所述的主控單元是微處理器或者微控制器或者微計算機。
5.根據權利要求1所述的一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，所述的存儲單元是固態存儲器Flash晶片。
6.根據權利要求1所述的一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置，其持徵是，所述的通訊接口是USB通信接口或者RS232通信接口，用於將存儲的血糖或其他血液成分數據傳送到其他裝置或設備
7.一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測方法，其持徵是，包括以下步驟將激勵電極放置在人的手臂、手指、軀幹或者下肢部位，向人體施加頻率可調幅值恆定的微弱交變電流；將測量電極放置於激勵電極之間，拾取兩個截面間的電壓信號；通過測量不同頻率下阻抗脈搏波的幅值得到動態脈搏波阻抗譜Zfi,i=0,1,2,3,...,N,]]>式中fi表示不同的激勵頻率，從而得到主要由於動脈血液脈動產生動脈阻抗譜；選定頻率f0作為基準頻率，計算ki=ZfiZf0,i=1,2,3...N,]]>其值僅僅和血液的電阻率有關，而和皮膚、狀況、電極極化電壓等外部因素無關，消除了個體差異的影響；通過血液電阻率與血液成分子間的確定的關係ρ＝ρ(c1，c2，c3，...ci)，式中c1，c2，c3，...ci為血糖和其它血液成分的濃度，即可得到血糖或其它血液成分的濃度。
全文摘要
本發明公開了一種脈搏阻抗譜血糖或其他血液成分的無創檢測裝置及其檢測方法，本發明的檢測裝置由主控單元以及與主控單元連接的掃頻恆流源、測量單元、顯示報警單元、存儲單元和通訊接口構成。掃頻恆流源設置有一對激勵電極，測量單元設置有一對測量電極，主控單元用於對整個測量系統進行控制，對動態脈搏波阻抗譜數據進行處理，由此計算血糖和其它血液成分的濃度。本發明的檢測方法包括步驟通過測量動態脈搏波阻抗譜，得到主要由於動脈血液脈動產生動脈阻抗譜，進而消除個體差異的影響，得到血糖或其他血液成分的濃度。本發明能夠減小了測量誤差，提高了信噪比和靈敏度，能夠同時實現血糖和其它多種血液成分的無創、實時、連續自我監測。
文檔編號A61B5/053GK1596826SQ200410020169
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月27日 優先權日2004年7月27日
發明者李剛, 盧宗武, 林凌 申請人:天津大學