СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ Российский патент 1998 года по МПК G01N33/49 A61B5/00 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови и, в частности, касается способа и устройства инвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, использующего лазерную спектроскопию с ближним инфракрасным излучением и диффузным отражением.

Обычно диабетики измеряют концентрацию глюкозы в крови от двух до восьми в день, используя портативное измерительное устройство, состоящее из инжектора (для получения пробы крови) и тестовой бумаги (для измерения количества глюкозы в крови). Это известно как "ферментный" способ или тест.

Ферментный тест для определения концентрации глюкозы нежелателен как потому, что он требует взятия крови, так и потому, что он является дорогим. Были представлены менее дорогие способы, основанные на тестовой бумаге, но они не такие точные и опять требуют взятия крови.

Известен также способ неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, предусматривающий облучение кровеносных сосудов коллимированным излучением полупроводникового лазера с изменяемой длиной волны при постепенном увеличении подаваемого на него тока при постоянном напряжении и постоянном регулировании температуры.

Согласно известному способу используемое устройство содержит средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство.

Однако упомянутые способ и устройство не позволяют достичь желаемой точности при измерении концентрации глюкозы в крови и требуют взятия крови.

Поэтому задачей настоящего изобретения является повышение точности способа и устройства неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови и устранение необходимости взятия крови при таком измерении.

Другой задачей настоящего изобретения является создание удобного, недорогого, портативного, простого в эксплуатации устройства для измерения концентрации глюкозы в крови.

Согласно настоящему изобретению технический результат достигается за счет того, что в способе неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови регистрируют поглощенное, рассеянное и диффузионно отраженное кровью излучение через блок интеграции, при этом излучение преобразуют в электрический сигнал, а затем в цифровой код, причем последний сравнивают с тарировочной кривой и по результату сравнения определяют значение концентрации глюкозы с последующим воспроизведением значения на цифровом экране; длина волны лазерного излучения лежит в ближней инфракрасной области от 1,3 до 1,9 мкм, а предпочтительно от 1,4 до 1,8 мкм, при этом излучение воздействует на кровь через кожу одномоментно или многократно последовательно, причем напряжение источника питания составляет 4,5-9 В, а предпочтительно 6 В.

Согласно способу по настоящему изобретению устройство имеет блок интеграции, детектор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, причем аналого-цифровой преобразователь соединен со средством регулирования тока в цепи питания и для обработки данных, и дисплей, при этом блок интеграции выполнен сферической, овальной, полуовальной или любой другой формы; между блоком интеграции и детектором расположено оптическое волокно длиной от 100 до 1000 мм, а предпочтительно длиной 500 мм, а еще предпочтительнее длиной 300 мм, причем детектор представляет собой фотодиод для преобразования собранного блоком интеграции излучения в фототоки, причем в качестве детектора используют Ge-детектор, или предварительно Ge-детектор, соединенный с предусилителем, а цифроаналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь отделены от средства для регулирования тока в цепи питания и для обработки данных.

Настоящее изобретение использует лазерную спектроскопию с ближним инфракрасным излучением и диффузным отражением, которая измеряет концентрацию глюкозы в крови путем облучения кровеносных сосудов безвредным электромагнитным излучением. Это изобретение использует электромагнитное излучение с длиной волны, которую передают через кожу на измеряемую часть организма, например кровеносный сосуд. Так как кожа состоит в основном из воды (H₂O), которая поглощает инфракрасное излучение почти по всему инфракрасному спектральному диапазону, через кожу будет передано излучение только определенной, узкой части инфракрасного спектрального диапазона, называемого "окном передачи воды".

До недавнего времени считалось, что окно передачи воды включает только длины волн от 3 до 5 мкм. Однако в соответствии с исследованиями, проведенными авторами настоящего изобретения, длина волны, которая способна достичь кровеносного сосуда через окно передачи воды, лежит в пределах от 1,3 до 1,9 мкм.

Соответственно настоящее изобретение использует электромагнитное излучение с длиной волны 1,3-1,9 мкм от полупроводникового диодного лазера. Когда электромагнитное излучение с такими длинами волны облучает кожу, через кожу к кровеносному сосуду передают свет, где он взаимодействует с гетерогенными компонентами крови. Затем происходит диффузионное отражение кровью света, который достигает крови. Отраженный свет будет смодулирован характерными вибрациями молекул, которые являются основными компонентами крови.

В настоящем изобретении описанный выше диффузионно отраженный свет интегрируют посредством интегрирующей сферы. Фотоны (hr), интегрированные как указано выше, преобразуют в величину электрического измерения при помощи детектора, и эту величину подают на средство обработки, такое как, например, однокристальный микрокомпьютер. Однокристальный микрокомпьютер подсчитывает концентрацию глюкозы в крови, используя способ точной калибровки. Ближнее инфракрасное излучение определяют в настоящем изобретении (в соответствии с определением Международного союза чистой и прикладной химии) следующим образом: частота около 10¹³ - 3,75 • 10¹⁴ Гц, энергия около 0,951 - 35,8 (ккал/моль), 0,0412 - 1,55 эВ, длина волны около 0,8 - 30 мкм. Настоящее изобретение основано на физических и химических принципах, описывающих колебательное движение молекул глюкозы в крови при измерении посредством лазерной спектроскопии с ближним инфракрасным излучением и диффузным отражением. Такое вибрационное движение включает как вращательное, так и поступательное движение, а также включает обертонные колебания и комбинационные колебания. Из этих колебаний доминирующими являются обертонные.

Метод анализа, применяемый в настоящем изобретении, включает математическую модель, основанную на многолинейном регрессивном анализе и многовариантном анализе, которые модифицированы авторами настоящего изобретения для определения концентрации глюкозы в крови.

Настоящее изобретение, относящееся к способу и устройству для измерения концентрации глюкозы в крови, обеспечивает преимущество в простоте использования и минимальных расходах для пациентов; не имеет расходных деталей и портативно, что позволяет проводить простое тестирование вне дома; более удобно, чем способы известного уровня техники. Кроме того, это изобретение не причинит возможного физического вреда, связанного с длительным использованием шприцев.

Измерительное устройство по настоящему изобретению может измерять концентрацию глюкозы в крови очень быстро и легко. Поэтому устройства известного уровня техники с их неудобностью и дороговизной оказываются устаревшими.

Технический результат настоящего изобретения достигается при измерении концентрации глюкозы в крови неинвазивным способом, когда электропитание, например, от батареи подают на однокристальный микрокомпьютер, цифровой экран, блок питания лазерного диода, детектор (по необходимости) и оптическое устройство (по необходимости) посредством переключателя электропитания. Однокристальный микрокомпьютер управляет блоком питания лазерного диода таким образом, что он постепенно подает ток при стабильном напряжении и стабильной температуре на лазерный диод, который испускает излучение с необходимыми длинами волн, посредством переключателя пуска/сброса. Однокристальный микрокомпьютер задействуют таким образом, что цифроаналоговый преобразователь, управляемый упомянутым однокристальным микрокомпьютером и возбуждающий упомянутый блок питания лазерного диода, преобразует цифровой управляющий сигнал в аналоговый управляющий сигнал.

Таким образом, блок питания лазерного диода принуждает лазерный диод к испусканию длины волны, пригодной для измерения. Свет из упомянутого лазерного диода коллимируют или другим путем контролируют оптически, разделяют и объединяют. Оптически управляемый свет используют для облучения кожи, расположенной по соседству с кровеносным сосудом. Поглощенный, рассеянный и диффузионно отраженный кровью обратно через кожу свет интегрируют интегрирующей сферой. Фотоны, собранные интегрирующей сферой, преобразуют в аналоговый электрический сигнал при помощи детектора. Аналоговый электрический сигнал передают на предусилитель, где аналоговый электрический сигнал усиливают. Усиленный аналоговый электрический сигнал подают на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует усиленный аналоговый электрический сигнал в соответствующий цифровой сигнал и выдает цифровой сигнал однокристальному микрокомпьютеру. Однокристальный микрокомпьютер вычисляет из цифрового сигнала концентрацию глюкозы в крови, обращаясь к калибровочной кривой, хранимой в памяти однокристального микрокомпьютера. Однокристальный микрокомпьютер обеспечивает воспроизведение вычисленной концентрации глюкозы в крови на цифровом экране.

Устройство для измерения концентрации глюкозы в крови, использующее неинвазивный способ по настоящему изобретению, использует однокристальный микрокомпьютер, который управляет блоком питания лазерного диода так, что ток постепенно поступает на лазерный диод при стабильном напряжении и стабильной температуре. Однокристальный микрокомпьютер вычисляет концентрацию глюкозы в крови, сравнивая обнаруженную величину с калибровочной кривой, хранимой в памяти однокристального микрокомпьютера. Цифроаналоговый преобразователь преобразует цифровой управляющий сигнал, выдаваемый из упомянутого однокристального микрокомпьютера, в аналоговый управляющий сигнал для управления блоком питания лазерного диода, который подает питание на лазерный диод. Лазерный диод является источником света для измерения концентрации глюкозы в крови. Может быть множество лазерных диодов для испускания света с различными длинами волн или для испускания света с одинаковыми длинами волн в соответствии с током, обеспечиваемым блоком питания лазерного диода. Температурный контроллер для управления температурой лазерного диода подсоединен между блоком питания лазерного диода и лазерным диодом. Оптическое устройство коллимирует свет, испускаемый из лазерного диода, или оптически контролирует, разделяет и объединяет свет из лазерного диода. Интегрирующая сфера интегрирует рассеянный и диффузионно отраженный от крови свет, когда кровь освещают через кожу светом из оптического устройства. Детектор преобразует фотоны, собранные интегрирующей сферой, в аналоговую электрическую величину, которую затем усиливают в предусилителе. Аналого-цифровой преобразователь преобразует величину электрического аналогового измерения в цифровую величину. Цифровой экран воспроизводит концентрацию глюкозы в крови, вычисленную однокристальным микрокомпьютером.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - блок-схема устройства для измерения концентрации глюкозы в крови в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 - электрическая схема устройства, изображенного на фиг. 1.

Согласно фиг. 1 и 2 настоящее изобретение, представляющее способ неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, предусматривает облучение кровеносных сосудов коллимированным излучением полупроводникового лазера с изменяемой длиной волны при постепенном увеличении подаваемого на него тока при постоянном напряжении и постоянном регулировании температуры, и осуществляют регистрацию поглощенного, рассеянного и диффузионно отраженного кровью излучения через блок интеграции, при этом излучение преобразуют в электрический сигнал, а затем в цифровой код, причем последний сравнивают с тарировочной кривой и по результату сравнения определяют значение концентрации глюкозы с последующим воспроизведением значения на цифровом экране; длина волны лазерного излучения лежит в ближней инфракрасной области от 1,3 до 1,9 мкм, а предпочтительно от 1,4 до 1,8 мкм, при этом излучение воздействует на кровь через кожу одномоментно или многократно последовательно; напряжение источника питания составляет 4,5-9 В, а предпочтительно 6 В.

Устройство для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови содержит средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство. Кроме того, устройство по изобретению имеет блок интеграции, детектор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, при этом аналого-цифровой преобразователь соединен со средством регулирования тока в цепи питания и для обработки данных, и дисплей, причем блок интеграции выполнен сферической, овальной, полуовальной или любой другой формы; между блоком интеграции и детектором расположено оптическое волокно длиной от 100 до 1000 мм, а предпочтительно длиной 500 мм, а еще предпочтительнее длиной 300 мм; детектор представляет собой фотодиод для преобразования собранного блоком интеграции излучения в фототоки, при этом в качестве детектора используют Ge-детектор, или предпочтительно Ge-детектор, соединенный с предусилителем, а цифроаналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь отделены от средства для регулирования тока в цепи питания и для обработки данных.

Подробное описание изобретения.

Ниже описано предпочтительное воплощение измерительного устройства по настоящему изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Рассмотрим фиг. 1. Когда переключатель питания 1 находится во включенном положении, происходит подача электропитания от батареи (обычно от 4,5 до 9 В, среди прочих вариантов - от перезарядной батареи в 6 В) на однокристальный микрокомпьютер 2. В то же самое время электропитание подают на цифровой экран 3, блок питания лазерного диода 4 и оптическое устройство 5 (по необходимости).

Если затем переключатель пуска/сброса 6 устанавливают в положениe включения, блок питания лазерного диода 4 подает электропитание на лазерный диод 7 в соответствии с управляющим сигналом, обеспечиваемым однокристальным микрокомпьютером 2. В результате ток лазерного диода постепенно увеличивается, если ток превосходит пороговый ток (приблизительно 20 мА). Таким образом, лазерный диод 7 начинает испускать свет.

Лазерный диод 7 испускает свет (например, свет, имеющий длину волны 1,3 - 1,9 мкм, или свет, имеющий длину волны 1,4 - 1,8 мкм, среди всего прочего) с длиной волны, необходимой для измерения концентрации глюкозы в крови. Этой длины волны достигают путем постепенного увеличения тока, подаваемого в диапазоне приблизительно от 20 до 200 мА при стабильном напряжении и стабильной температуре в соответствии с характеристиками лазерного диода. В настоящем изобретении лазерный диод 7 составляют от 1 до 30 диодов, и каждый из них может испускать свет с различной длиной волны или с одинаковой длиной волны.

Свет, испускаемый коллективными диодами в лазерном диоде 7, можно испускать диодами одновременно или последовательно каждым диодом. В случае одновременной работы длина будет выбрана, например, путем преобразования Фурье.

Свет, выдаваемый коллективными диодами лазерного диода 7, подают на оптическое устройство 5 и коллимируют или его оптически контролируют, разделяют и объединяют. После этого свет пропускают через интегрирующую сферу 8 и делят на одно или более направлений.

Свет, который проходит через интегрирующую сферу 8, последовательно облучает кожу человека или последовательно облучает эталонный проход, который был заранее подготовлен, в зависимости от конкретного случая. Здесь эталонный проход необязателен.

Поглощенный, рассеянный и диффузионно отраженный от крови свет обнаруживают детектором 9 после его интегрирования при помощи интегрирующей сферы 8. Интегрирующая сфера имеет форму шара или похожую на него форму. Здесь размер интегрирующей сферы 8, которая интегрирует рассеянный и отраженный от крови свет, имеет ширину, длину и высоту до 2,56 см, подходящим является размер до 1,28 см, а в частных случаях - и до 0,64 см.

Величину электрического аналогового измерения, обнаруженную, как показано выше, усиливают при помощи предусилителя, соединенного с детектором 9. После этого величину электрического аналогового измерения преобразуют в цифровую величину измерения посредством аналого-цифрового преобразователя 10.

Затем однокристальный микрокомпьютер 2 вычисляют и подсчитывают измеренную величину путем сравнения сигнала, преобразованного в цифровую величину измерения аналого-цифровым преобразователем 10, с калибровочной кривой, хранимой в памяти однокристального микрокомпьютера 2. Получающуюся величину воспроизводят на цифровом экране 3.

Описанное выше измерительное устройство может иметь размеры: ширина х длина х высота - до 170 x 80 x 25 мм, среди всего прочего подходящими могут быть размеры до 150 x 75 x 22 мм, а в более частном случае - до 130 x 70 x 20 мм.

Фотодиод подходит в качестве детектора 9, им может быть Ge-детектор, а в более частном случае - Ge-детектор, соединенный с предусилителем. Более того, оптическое устройство 5 состоит из компонентов, которые создают свет, имеющий диаметр до 0,5 - 5 мм (включая 2 мм, помимо всего прочего), для параллельного конденсирования и рассеяния света.

Более того, настоящее изобретение не ограничено интегрирующей сферой 8, имеющей шарообразную или подобную форму, она может иметь овальную или полуовальную или любую другую форму.

В настоящем изобретении проход может быть отделен от вышеуказанного измерительного устройства. В этом случае свет, излученный из лазерного диода 7, может быть передан в проход через оптическое волокно, а расстояние между проходом и измерительным устройством составляет от 100 до 1000 мм, подходящей является величина в 500 мм, а в более частных случаях - 300 мм. Конечно, проход нельзя отделять от измерительного устройства.

Настоящее изобретение не ограничено однокристальным микрокомпьютером 2, отделенным от цифроаналогового преобразователя 11 и аналого-цифрового преобразователя 10, в него может входить однокристальный микрокомпьютер 2, включенный в цифроаналоговый преобразователь 11 и аналого-цифровой преобразователь 10.

Более того, в настоящем изобретении он может быть использован со вспомогательной схемой 12, которая состоит из запоминающего устройства с произвольной выборкой 12₁ и программируемого постоянного запоминающего устройства 12₂, для облегчения работы однокристального микрокомпьютера 2.

Настоящее изобретение не ограничено измерением концентрации глюкозы в крови, его можно применять, например, для измерения концентрации холестерола или концентрации алкоголя.

В соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, представляются экономные способ и устройство для измерения концентрации глюкозы в крови неинвазивным методом, который может легко измерять концентрацию глюкозы в крови путем помещения прохода устройства на определенную часть человеческого тела в поле кровеносного сосуда без использования оборудования, такого как обычный инжектор.

Способ и устройство неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови путем облучения кровеносных сосудов электромагнитным излучением с использованием лазерной спектроскопии с ближним инфракрасным излучением и диффузным отражением. Настоящее изобретение использует электромагнитное излучение с длиной волны в 1,3 - 1,9 мкм от полупроводникового диодного лазера. Когда такое электромагнитное излучение облучает кожу, последняя взаимодействует с гетерогенными компонентами крови. Затем происходит диффузионное отражение кровью света. Отраженный свет обнаруживают детектором после его интегрирования интегрирующей сферой. Отраженный свет посредством аналого-цифрового преобразователя подают как цифровой сигнал на однокристальный микрокомпьютер. Однокристальный микрокомпьютер вычисляет концентрацию глюкозы в крови, обращаясь к калибровочной кривой. Однокристальный микрокомпьютер обеспечивает воспроизведение вычисленной концентрации глюкозы в крови на экране. Способ и устройство позволяют повысить точность измерения концентрации глюкозы в крови с помощью неинвазивного измерения. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, предусматривающий облучение кровеносных сосудов коллимированным излучением полупроводникового лазера с изменяемой длиной волны при постепенном увеличении подаваемого на него тока при постоянном напряжении и постоянном регулировании температуры, отличающийся тем, что регистрируют поглощенное, рассеянное и диффузионно отраженное кровью излучение через блок интеграции, при этом излучение преобразуют в электрический сигнал, а затем в цифровой код, причем последний сравнивают с тарировочной кривой и по результату сравнения определяют значение концентрации глюкозы с последующим воспроизведением значения на цифровом экране. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина волны лазерного излучения лежит в ближней инфракрасной области от 1,3 до 1,9 мкм, а предпочтительно от 1,4 до 1,8 мкм, при этом излучение воздействует на кровь через кожу одномоментно или многократно последовательно. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что напряжение источника питания составляет 4,5 - 9 В, а предпочтительно 6 В. 4. Устройство для неинвазивного измерения концентрации глюкозы в крови, содержащее средство для регулирования тока в цепи источника питания и для обработки данных, соединенные последовательно с цифроаналоговым преобразователем, блок питания полупроводникового лазера, регулятор температуры, полупроводниковый лазерный источник излучения и оптическое средство, отличающееся тем, что имеет блок интеграции, детектор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, причем аналого-цифровой преобразователь соединен со средством регулирования тока в цепи питания и для обработки данных, и дисплей. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что блок интеграции выполнен сферической, овальной, полуовальной или любой другой формы. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что между блоком интеграции и детектором расположено оптическое волокно длиной от 100 до 1000 мм, а предпочтительно длиной 500 мм, а еще предпочтительнее длиной 300 мм. 7. Устройство по любому из пп. 4 - 6, отличающееся тем, что детектор представляет собой фотодиод для преобразования собранного блоком интеграции излучения в фототоки, при этом в качестве детектора используют Ge-детектор, или предпочтительно Ge-детектор, соединенный с предусилителем, а цифроаналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь отделены от средства для регулирования тока в цепи питания и для обработки данных.