早期亞臨床無症狀糖尿病的無創檢測系統及其方法
2023-07-05 13:12:26
專利名稱：早期亞臨床無症狀糖尿病的無創檢測系統及其方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械，主要涉及一種用於早期亞臨床無症狀的糖尿病的無創檢測系統及其檢測方法。
背景技術：
隨著人們生活水平的提高，糖尿病患者日益增多，糖尿病及其併發症給患者帶來極大的精神和經濟的負擔。實際上，許多處於可逆階段的糖尿病潛在患者，如果能早發現早治療，是可以阻止其發展到不可逆的臨床確診階段的。因此，如果能夠精確檢測到早期亞臨床或無症狀階段的糖尿病人的潛在風險，將會給廣大糖尿病潛在患者帶來福音。生理研究表明:人體發病時，首先是從體液開始轉變，其次細胞開始變化，直至細胞膜破裂、變壞，再進一步發展達到臨床監測到的器質性的病變。功能紊亂初期並沒有器質性的病變體現，但從微觀層面上看，形態的變化是和功能的變化是同步的。臨床醫學研究表明:糖尿病的病變會累及到自主神經的病變，其中控制汗腺的交感神經病變非常明顯。早期的亞臨床糖尿病雖然在臨床上無任何症狀，然而其控制汗腺的交感神經已經發生了病變，造成汗腺組織的纖維化，功能失調。其皮膚組織的電阻、電容效應都會引發生明顯的改變。同時，汗腺組織的纖維化，造成汗液的電化學現象也會發生改變。因此，電檢測方法已經被應用於糖尿病的早期檢測中。然而，傳統的電檢測方法都基於人體是一個簡單的電阻這一不完全的認知，常用的阻抗法檢測方式，採用提取阻抗譜圖的實部和虛部信息反映病理特徵。基於手前臂AGEs的吸收後的螢光斜射方法檢測信號來判斷糖尿病患者的嚴重程度，其受限於信號微弱和難於分辨，準確度不高 。採用直流電刺激後檢測電流的反饋信號來進行判斷，存在同樣的問題。實驗表明:人體同時具有電阻和電容效應的特性，同時人體皮膚還具備排汗功能，汗液的離子還具備特定的電化學效應。因此，傳統阻抗法檢測方式無論採用何種的人體電阻模型，考慮到外界因素和人體的不同特徵因素，在準確度上存在諸多的疑問或是嚴格的受試條件。該方法忽略了由於糖尿病自主神經病變引起的皮膚組織電阻、電容效應明顯改變的因素，特別的在人體等效電阻的處理方法上沒有考慮由於電容效應造成的延遲現象，檢測結果往往和臨床測試結果相差很大。在額定的人體安全直流電壓下，人體的電阻的變化在測試開始時間內是急劇變化的，其需要長時間才能達到穩定的值。在直流電壓施加到人體的瞬間，人體的每一個細胞都相當於一個微小的電容，每一個細胞的電容效應疊加在一起，其效果對測試的結果影響是不可忽略。因此，傳統阻抗法檢測方式想要達到精確的結果，只能靠測試的時間足夠長，然而這在實際臨床當中又是不現實，特別是測試需要施加不同的直流電壓才能完成的情況下
發明內容
提供本發明內容以便以簡化的形式介紹將在以下的具體實施方式
中進一步描述的一些概念。本發明內容並不旨在專門標識所要求保護的主題的關鍵特徵或必要特徵，也不旨在用於幫助確定所要求保護的主題的範圍。本發明基於在直流電壓下的人體電阻變化、電容效應、電化學變化的綜合考慮，提出了一種糖尿病的早期亞臨床無症狀的無創檢測系統和方法，具備快速、準確、無創的特點。本發明的檢測系統包括:電源模塊105、電壓基準模塊108、電極陣列101、可調電阻104、開關陣列102、測量模塊103、數據處理模塊106和分析模塊107。電源模塊105向電極陣列101的各電極提供一個特定直流電壓；電壓基準模塊108用於校準電壓；電極陣列101採用人體電阻的信息、電容效應以及電化學效應測試用傳感器電極，放置於四肢或手部、胸部、額頭等部位，緊貼皮膚表面；可調電阻104串接在電源模塊105和電極之間；由開關陣列102將若干電極連接到電源模塊105上；測量模塊103用於對電路的電壓和電流進行測量；數據處理模塊106，連接到電源模塊105、開關陣列102和測量模塊103對它們進行控制，同時對採集到的皮膚生物電信號進行處理、計算和存儲，並控制採樣的頻率；分析模塊107，連接數據處理模塊106，對糖尿病病變特徵進行分析，並輸出分析結果。根據本發明的檢測方法包括以下步驟:經粗調和細調兩個步預判受試者人體的電阻和電容效應等效電阻；預判激勵電壓範圍；測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值；進行數據處理，獲得皮電生物參數；進行糖尿病病變特徵分析並輸出測試結果，包括糖尿病階段範圍和風險大小。通過閱讀下面的具體實施方式
並參考相關附圖，本發明的特點和優點將顯而易見。可以理解，前述發明內容和以下的具體實施方式
都是說明性的，並不限制所要求保護的各方面。
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圖1是本發明的糖尿病檢測系統的框圖。圖2是本發明的糖尿病檢測方法的流程圖。圖3是根據本發明一個實施例的電流-電壓曲線圖。圖4是根據本發明一個實施例的一對電極的電壓-電流曲線圖。圖5是根據本發明一個實施例的對應的兩對電極的電壓-電流曲線圖。圖6是根據本發明對正常人、糖耐量受損患者、糖尿病患者進行皮膚生物電有效測試獲得的皮膚生物電信號對比曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖提供的詳細描述旨在作為對本發明各示例的描述，而非表示用於解釋或利用本發明各示例的唯一形式。無論是三元件生物阻抗模型，cole-cole理論還是頻散理論都認為人提細胞膜容量隨著頻率的增加而減小，電導係數隨頻率升高而增大。當在直流情況下，都為固定值，因而H.Freiberger, R.Scherbaum, G.Biegelmeier,等值電路模型都認為在直流情況下,將人體電阻視為一無感阻抗。然而，本申請人實驗發現，低直流電壓下的人體阻抗與電壓成線性的關係。同時電容效應不可忽略。基於銀/氯化銀電極、鋰電極、鎳電極等電化學裝置，置於皮表，在小於IOV的直流電壓下，電流與電壓的比值並不是一個恆定值，電流與電壓曲線包含了人體電阻的信息、電容效應以及電化學效應。其表現在低電壓下的曲線前部分有人體電阻和電容效應決定，而電壓增大後，曲線後半部分是由人體電阻的信息、電容效應以及電化學效應三部分決定。特別是在曲線出現拐點後半部分，由電化學效應主導。並且，給予低於IOV的直流電壓測試，其身體某些部位，比如:四肢、胸腔部、手部等，阻抗與正常的人相比，明顯的改變。這在SSR實驗已經非常清楚的表明:糖尿病的病變會累及到自主神經的病變，其中又以控制汗腺的交感神經最為影響。導致汗腺組織的纖維化，汗管閉塞，皮下的汗液減少，角質層增厚。從而人體電阻增大，電化學效應減少。皮膚生物電信號不僅包含了電化學效應還包含人體電阻和人體電容效應，本發明將這種現象運用到糖尿病的嚴重程度的判斷上，提供了一種精確度高的糖尿病檢測系統。如圖1所示，本檢測系統包括:電源模塊105、電壓基準模塊108、電極陣列101、可調電阻104、開關陣列102、測量模塊103、數據處理模塊106和分析模塊107。電源模塊105向電極陣列101的各電極提供一個特定漸變的直流電壓，該電壓作為電極產生皮膚生物電信號的激勵電壓，選取的原則是:電壓波段必須滿足人體電阻、電容效應、電化學效應的出現。優選直流電壓範圍介於O IOV之間。該電壓由電壓基準模塊108進行校準。電極陣列101採用人體電阻的信息、電容效應以及電化學效應測試用傳感器電極，比如鋰材料、銀材料、鎳 材料製備的能在給定的電壓下與汗液的鈉離子、氫離子、氯離子等發生電化學反應的電極。電極的數量，通常2 8個，每兩個電極之間可以相互組成測試用傳感器。放置於四肢或手部、胸部、額頭等部位，緊貼皮膚表面。本領域技術人員可以理解，基於需要，可以增減電極數量。同時，為獲得強度足夠大的皮膚生物電信號，電極的面積足夠大，優選面積> 1cm2。以4個電極為例:人體左側手部:L1 ;人體右側手部:L2 ;人體左側腳部:L3 ;人體右側腳部:L4，可以組成如下電極測試順序:LI L2或L2 L1:考察左側手部至右側手部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);LI L3或L3 L1:考察左側手部至左側腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);LI L4或L4 L1:考察左側手部至右側腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);L2 L3或L3 L2:考察右側手部至左側腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);L2 L4或L4 L2:考察左側手部至右側腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);L3 L4或L4 L3:考察左側腳部至右側腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);進而還可以組成:
LI L3、L4或L2 L3、L4:考察手部至腳部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應);L3 L1、L2或L4 L1、L2:考察腳部至手部的皮膚生物電信號(人體電阻變化、電容效應、電化學效應)。可調電阻104為可調精密電阻，串接在電源模塊105和電極之間，通過電阻的電壓和阻值計算得到電路的電流，還可用來測試人體電阻和人體電容效應的等效電阻。由開關陣列102將若干電極連接到電源模塊105上，同時其他電極處於斷開的模式。測量模塊103用於對電路的電流和電壓進行測量。出於安全考慮，測量模塊103還可包括保護電路。為了防止幹擾，測量模塊103還可具備抗幹擾電路。此外，基於人體皮膚生物電信號的微弱性，測量模塊103還可包括具備對採集到的皮膚生物電信號進行放大和A/D轉化的電路。數據處理模塊106，連接到電源模塊105、開關陣列102和測量模塊103對它們進行控制，同時對採集到的皮膚生物電信號進行處理、計算和存儲，並控制採樣的頻率。分析模塊107，連接數據處理模塊106，對糖尿病病變特徵進行分析，並輸出分析結果。圖2是本發明的糖尿病檢測方法的流程圖。下面以上述LI L2為測試電極組合為例進行闡述。不同人體的電阻大小和電容效應不一樣，因此首先在步驟201，預判受試者人體的電阻和電容效應等效電阻，·目的是使人體電阻變化、電容效應、電化學效應電壓變化出現在合適的範圍之內，從而能夠被檢測到。等效電阻通過調節可調精密電阻來實現。可調精密電阻的範圍在O IM Ω，精度為100 Ω。由於電容效應的影響，人體對電壓的改變的響應會有延遲現象出現，特別是在電壓改變的幅度大的情況下。為了能更精確得到出人體電阻和電容效應的等效電阻，採取先進行大範圍的粗調，得到一個小範圍再進行細調。調節方式細分為粗調和細調兩個步驟:首先進行粗調，以LI為陽極，L2為陰極，施加一個穩定的直流電壓V，V為O IOV的任意值，在預定的T時間內，以Λ R0的幅度，調節可調精密電阻的阻值，從1ΜΩ逐漸減小到0，其中Λ Rtl取決於時間T以及每一步的施加電壓時間t，T的範圍屬於(IOs 300s)，t的範圍在(0.5s 3s)，數據處理模塊106記錄每一步可調精密電阻的電壓。並找出可調精密電阻的電壓近似為電源電壓的一半的點Utl，即Utl V/2，此時對應的可調精密電阻的阻值記為％。數據處理模塊106將(RfRc/2，R0-R0/2)作為下一步細調的範圍。然後進行細調，以LI為陽極，L2為陰極，施加一個穩定的直流電壓V，此處的電壓與粗調的電壓V —致，與粗調同樣的預定時間T內，以Λ R的幅度，調節可調精密電阻的阻值，從Ro+Ro/2逐漸減小到RcrRo/2，其中Λ R取決於時間T以及每一步的施加電壓時間t，其中t和粗調的每一步的施加電壓時間t 一致，數據處理模塊106記錄每一步可調精密電阻的電壓。並找出可調精密電阻的電壓為電源電壓的一半的點U，即U=V/2，此時對應的可調精密電阻的阻值記為R。數據處理模塊106將可調精密電阻的阻值R儲存，此處的可調精密電阻阻值R不僅反映了人體的電阻，也反映了人體的電容效應，即R為人體電阻和電容的等效電阻。每一對電極的之間人體電阻和電容的等效電阻都經相同的測試，由數據處理模塊106儲存各對電極的測試阻值R。在後續的每對電極的預判激勵電壓範圍和測試步驟中，將可調精密電阻阻值調節至對應電極的等效電阻R。接著進入步驟202，在這一步預判激勵電壓範圍:以LI為陽極，L2為陰極，可調精密電阻阻值為對應LI L2電極的等效電阻R，以逐漸遞增或逐漸遞減的方式給予陽極O IOV內的直流電壓，比如:以0.6V開始，以Λ V為增幅的幅度遞增，至9V。測試步驟數取決於Λ V的值，每個電壓步驟持續時間為t，t的範圍在(0.5s 3s)。採樣頻率範圍為10 1000HZ。記錄陽極和陰極電壓，同時記錄每一個測試步驟上可調精密電阻的電壓值。並由數據處理模塊106儲存。對每一個遞增或遞減步驟的電壓採用均值求算方法求其平均值。電流通過可調精密電阻的阻值和電壓值進行計算，並依據此，以陽極的電壓為X軸，以電流為Y軸，作出電流-電壓曲線圖，如圖3所示。曲線的前面衰減部分主要反映人體電阻和電容效應的變化，電流隨著電壓的增大而減小。曲線在2.8V出現拐點，之後電流隨電壓的增大而逐漸增大，三種效應疊加，電化學效應佔主導。從上述曲線可以看出，人體電阻變化、電容效應、電化學效應都已經例如包含在
0.60 6V電壓範圍。因此以0.60 6V作為此電極組合下面測試的電壓範圍。交換電極組合測試，對所有組合逐個測試。所測試的電壓範圍由數據處理模塊106儲存，將所得到的預 判結果帶入到下面對應測組合電極每一步的測試步驟當中，作為測試的電壓範圍。
接著進入步驟203，在這一步測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值，具體操作方法是:將正方向0.6V的直流電壓施加在LI陽極電極上，持續一個時間t (0.5S 5S)，由數據處理模塊106記錄電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值；接著立即施加一個同方向0.6+Λ U的直流電壓，其中Λ U可以為O IV的任意值。並可根據測試的速度要求選定，持續時間同樣為t。由數據處理模塊106記錄電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值；......
直至測試電壓達到6V結束。測試步驟數N=6_0.6/ Δ U。數據處理模塊106記錄每一步測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值。接著，以同樣的方式將反方向電壓接入測試，數據處理模塊106記錄每一步測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值。交換另一對電極(以同樣的方式)進行測試，所有電極依次測試完畢。數據處理模塊106記錄每一步測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值。接著進入步驟204，在這一步，由數據處理模塊106進行數據處理，作出對應一對測試電極的U I曲線圖，計算曲線面積組合和拐點結果:以每對測試電極測試的結果為一個數據組，比如LI L2，每一個持續步驟的電壓的數據採用均值法求出平均值。令U=U1-Uil，其中U1S施加到正極的電壓，Uil為負極的電壓。電流通過可調精密電阻的阻值和電壓值進行計算。記為I。以U為橫坐標，I為縱坐標，作U I曲線圖，如圖4所示。接著對於對應的電極，比如與LI L2對應的是L2 LI，作出與圖4中的曲線相對於橫坐標對稱的另一條曲線。兩條曲線，繪製在一起如圖5所示。計算曲線與X軸的之間面積，記為σ，如圖4所示。依次計算，將計算所得的面積的結果記為組合{ σ i σ 2...σ J。所得結果作為下一步糖尿病病變特徵分析的依據。接著進入步驟205，在這一步，由分析模塊107進行糖尿病病變特徵分析:根據對多例受試者(包括正常人、糖耐量受損患者、糖尿病患者)進行皮膚生物電有效測試，得到正常人、糖耐量受損患者、糖尿病患者典型的皮膚生物電信號如圖6所示。可見，糖尿病患者曲線與X軸所包含的面積大於正常人、糖耐量受損患者，糖耐量受損患者與X軸所包含的面積次之，正常人面積最小。通常糖尿病對四肢的雙側受到的影響是對稱的，且四肢距離越遠，受到的影響越大。從臨床角度可以單獨對四肢進行考察，即為手 手的曲線面積σ ￥，腳 腳的面積σw。手的曲線與X軸的面積與腳的曲線與X軸的面積之差極為Λ σ。對於經年齡、MBI值校正過的所有對象，將年齡(Age)、體重指數值(BMI)、σ手、σ Δ σ作為病理資料庫的影響因子，參數不同範圍的影響因子構建不同的資料庫，已在分
析模塊107中建立了許多個這樣的資料庫。基於上述因子的資料庫一`個例子如下:
權利要求
1.一種用於早期亞臨床無症狀糖尿病的無創檢測系統，包括: 電極陣列(101)，包括兩個以上電極，每兩個電極之間能夠相互組成測試用傳感器，用於放置在人體多個部位； 電源模塊(105)，用於向所述電極陣列(101)的各電極提供直流電壓； 開關陣列(102)，用於將部分電極連接到電源模塊(105)上，同時其他電極處於斷開的模式； 測量模塊(103)，用於對系統中的電壓和電流進行測量； 可調電阻(104)，串接在電源模塊(105)和電極之間，可調節所述可調電阻(104)以實現不同受試者的等效電阻； 數據處理模塊(106)，控制所述電源模塊(105)、開關陣列(102)和測量模塊(103)，對測量結果進行處理、計算和存儲，並控制測量的採樣頻率；以及 分析模塊(107)，連 接到所述數據處理模塊(106)，對糖尿病病變特徵進行分析，並輸出分析結果。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述電極陣列(101)採用人體電阻的信息、電容效應以及電化學效應測試用傳感器電極，放置於四肢或手部、胸部、額頭部位，緊貼皮膚表面。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述電源模塊(105)向所述電極陣列(101)的各電極提供一個特定漸變的直流電壓作為電極產生皮膚生物電信號的激勵電壓，電壓波段的選取在O IOV之間。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述可調電阻(104)為範圍在O 1ΜΩ，精度為100 Ω的可調精密電阻。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述數據處理模塊(106)記錄述電源模塊(105)向所述電極陣列(101)每一次施加電壓時所述可調電阻(104)的電壓，計算並存儲所述可調電阻(104)的電阻值，作出對應測試電極的U I曲線圖，計算曲線面積組合，將結果輸出到所述分析模塊(107 )。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於:所述分析模塊(107)將所接收的來自所述數據處理模塊(106)的計算結果與病理資料庫進行匹配，並輸出檢測結果。
7.一種用於早期亞臨床無症狀糖尿病的無創檢測方法，包括: 預判受試者人體的電阻和電容效應等效電阻(201)，通過調節可調精密電阻實現等效電阻； 預判激勵電壓範圍(202); 測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值(203)； 進行數據處理(204)，形成電極的U I曲線圖，計算U I曲線與X軸的之間的面積組合；以及 根據所述面積組合進行糖尿病病變特徵分析(205)。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於: 所述可調精密電阻的範圍在O 1ΜΩ，精度為100Ω，調節方式細分為粗調和細調兩止/J/ O
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於:將面所述面積組合與病理資料庫進行匹配，並輸出檢測結果。
10.如權利要求 9所述的方法，其特徵在於，還包括:計算糖尿病風險值。
全文摘要
本發明提供了早期亞臨床無症狀糖尿病的無創檢測系統及其方法。本發明的糖尿病檢測系統包括電源模塊、電壓基準模塊、電極陣列、可調電阻、開關陣列、測量模塊、數據處理模塊和分析模塊。通過在預判受試者人體的電阻和電容效應等效電阻和預判激勵電壓範圍之後，測試電極正負極的電壓和可調精密電阻電壓和電阻值並進行數據處理，獲得皮電生物參數，以便進行糖尿病病變特徵分析，從而輸出包括糖尿病階段範圍判定和風險大小評估的測試結果。以無創的方式精確檢測到早期亞臨床或無症狀階段的患者。
文檔編號A61B5/053GK103230273SQ20131017606
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者張捷, 賈林壯 申請人:上海中嘉衡泰醫療科技有限公司