專利名稱：用于測量對象的皮膚水化的非侵入式系統和方法
技術領域：
本發明涉及用于測量對象的皮膚水化(skin hydration)的非侵入式 系統。使用術語皮膚來指皮膚和外部粘膜。
在本發明的特別有利的實施例中，所述系統包含在用于檢測血液分析 物濃度的設備中。可以使用皮膚水化值來延緩血液分析物濃度的測量，直 到皮膚水化達到某一預定值，或者可以使用皮膚水化值來校正血液分析物 濃度的測定和計算過程中的水化。
背景技術：
對諸如葡萄糖或膽固醇等大部分血液成分或分析物的濃度測定，當前 是通過侵入式手段完成的。采集血樣并將其轉送到對其進行分析的實驗室 或手持裝置。血液成分的非侵入式分析相對于侵入式技術具有很多優點， 例如，減少了對象的不適并降低了感染風險。
但是，非侵入式分析技術必須對具體分析物既靈敏又具有特異性。在 以人為應用對象時，有機體的巨大復雜性可能導致分析信號受到其他物質 的干擾，以及受到會隨著時間發生變化或者因人而異的其他變量的干擾。
非侵入式測量系統需要通過對象的皮膚來測量分析物濃度。皮膚的物 理狀態，例如，顏色、粗糙度、水化在個體之間存在顯著差異，因而這些 皮膚差異是很多非侵入式分析物濃度測量技術的重大誤差源。
皮膚水化在個體之間存在差異，對于單個個體而言，皮膚水化有時隨 時間迅速變化，例如，在該個體出汗時或者在空氣濕度發生變化時。具體 而言，很多非侵入式葡萄糖測量技術都是以紅外光的吸收和/或散射為基礎 的。在電磁譜的紅外部分中，水的光子吸收發生顯著變化，并且一般都非 常高。因此，外部皮膚層的含水量的小幅變化都會對基于紅外線的技術的 指示信號造成很大影響。其原因有二，首先因為在入射激發束能夠激發諸 如葡萄糖等相關分子之前，所述激發束必須穿過皮膚，其強度受到水化水
平的影響。其次是因為散射的光子在其返回至檢測器的途中必須穿過皮膚。
US2004/0068163公開了一種通過近紅外光譜對諸如葡萄糖等血液分析 物進行非侵入式測定的方法和設備。組織部分之間的諸如水分布變化等生 理變化導致了所要檢測的組織的光學特性的變化。使用檢測到的變化來測 定無益于通過近紅外光譜對葡萄糖進行非侵入式測量的條件，并基于所檢 測到的變化來校正葡萄糖測量或者間接測量葡萄糖。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于測定皮膚水化的簡單的、經濟有效的 手段。
本發明的另一 目的在于提高非侵入式分析物濃度測量的準確度。
本發明涉及一種用于測量對象的皮膚水化的非侵入式系統，其包括 熱導率測量設備，其用于獲得對象的皮膚的熱導率的測量值；以及
處理器，其利用所述熱導率測量值來測定皮膚水化值。 在活組織中，通過傳導和對流來測定有效的熱導率。傳導取決于組織 的性質，并且特別取決于含水量，這是因為蛋白質和油脂具有相同的熱導 率，該熱導率比水的熱導率大約低三倍。因而，傳導在很大程度上是由含 水量決定的。活組織內的對流是由血流導致的，主要是由血管系統的最小 血管中的血流導致的。
在利用傳感器測定活體對象的熱導率的前兩秒內，熱流幾乎完全由傳
導，即含水量決定。從第2秒到第6秒，熱流既由傳導(含水量)又由對 流(血流)決定。這樣，既能夠測定對流的貢獻又能夠測定傳導的貢獻。
所述熱導率測量設備優選包括
與所使用的對象的皮膚熱連接的熱敏電阻器；以及
電流源，其用于向所述熱敏電阻器提供足以使所述熱敏電阻器的電阻 或溫度保持在預定水平的電流，
其中，所述熱導率測量設備根據提供給所述熱敏電阻器的電流獲得熱 導率的測量值。
熱敏電阻器的優點在于使用廣泛，價格相對較低，其可以非常小，并 且具有大的動態范圍。可以使用處于瞬變模式(transient mode)的熱敏
電阻器來測量與之熱接觸的對象的部分的有效熱導率。瞬變模式是指至少 一個由加熱時間段和冷卻時間段構成的測量時間段。在加熱時間段內，以 足以使熱敏電阻器的溫度和電阻保持在恒定值的速率發送電流通過熱敏電 阻器。由熱敏電阻器散發的熱量等于進入對象的熱流。所散發的熱量的量 是對象的熱導率的量度，因而提供給熱敏電阻器的電流是對象的熱導率的 量度，即，例如，與熱導率低時相比，在熱導率高時，需要更多的功率來 使熱敏電阻器保持在升高的溫度上。
優選使所述系統包含于用于測量血液分析物濃度的非侵入式設備當 中。可以監測皮膚水化，直到達到用于準確地測量分析物濃度的最佳水平 為止，或者可以使用皮膚水化值來補償所檢測的分析物濃度。
所述系統優選包括皮膚水化裝置，因此能夠將皮膚水化提高到(例如) 對測定分析物濃度更為有利的值。更優選地，在控制環內，將用于測量皮 膚水化的非侵入式系統連接至所述皮膚水化裝置，因此可以將皮膚水化保 持在預定水平。因而，所述系統能夠實現對皮膚水化的主動控制，從而使 皮膚水化保持在具體的預定水平，由此消除水化水平的變化。
本發明還涉及一種用于測量皮膚水化的方法，其包括下列步驟-
對皮膚的熱導率進行非侵入式測量； 利用所述熱導率來測定皮膚的水化水平。


通過文中描述的實施例，本發明的這些和其他方面將被闡明并變得顯 而易見。
現在，將僅通過實例并且參照附圖來描述本發明的實施例，在附圖中:
圖1示出了本發明的第一實施例；
圖2示出了本發明的第二實施例；
圖3示出了本發明的第三實施例
圖4示出了本發明的第四實施例；以及
圖5示出了本發明的第五實施例；
具體實施方式
具體而言，可以使用圖1所示的系統來測量葡萄糖濃度，該系統包括
生成紅外光束3的紅外源2和用于檢測所透過的輻射的紅外檢測器6。所述 系統還包括窗口外殼5、窗口 4和嵌入在窗口 4內的熱敏電阻器7。由檢測 器6生成的信號指示葡萄糖濃度，并且將其發送至用于測定葡萄糖濃度的 處理器8。
將所述系統應用于對象部分1 (例如，上唇、舌部、耳垂或手指)，并 將熱敏電阻器7靠近皮膚表面放置。
按照與對象部分的皮膚接觸的方式，施加窗口 4和熱敏電阻器7。在瞬 變模式下使用所述熱敏電阻器，即，在加熱時間段內，以足以使熱敏電阻 器的溫度，并由此使其電阻保持在熱敏電阻器的初始平衡之上的固定增量 的速率向熱敏電阻器提供電流。熱敏電阻器的電阻由控制和處理器單元8 測量。可以通過使用電流和電壓檢測器測量電阻器上的通過電流I和電壓V 來測定電阻R。之后，按照R-V/I確定電阻R。之后，利用熱敏電阻器的溫 度-電阻校準來導出溫度。控制和處理單元8內的電流供應源根據電阻/溫 度值來調整提供給熱敏電阻器的電流。
提供給熱敏電阻器的功率(P=I2R)等于熱敏電阻器散發的熱量。熱敏 電阻器散發的熱量等于進入對象的熱流，因而所提供的電流(或所提供的 功率)是對象部分l的皮膚的熱導率的量度。
在加熱時間段的前兩秒內，熱敏電阻器散發的熱功率主要取決于熱傳 導，這是因為在這個短時間段內毛細血管網絡散發非常少的熱量，并且只 貼近熱敏電阻器。
如G. Delho腿e等人的Cardiovascular Mechanics 10,2081-2082(1991)
所討論的，根據下述關系式，熱導率取決于皮膚的含水量
1(=0.0148乂％水+1.75 (1) 在上式中，K:以mW/cnTC為單位的沒有血流的皮膚熱導率， %水皮膚總重量的以％為單位的皮膚含水量。
加熱時間段的前兩秒內的熱導率K的計算使得根據上述等式(1)測定 皮膚含水量成為可能。
控制和處理器單元8根據上述等式(1)和提供給熱敏電阻器的功率來 測定含水量。可以使用所測定的含水量來推遲檢測器6對所透過的輻射的檢測，直到皮膚的水化處于預定范圍內為止，從而舍棄在水化值落在預定 范圍之外時測定的葡萄糖濃度值，或者可以使用信息來在測定葡萄糖濃度 的過程中對水化進行校正。
控制和處理器單元8可以具有預先設置的可接受水化范圍(例如，基 于校準測量過程中的皮膚的水化)。所述控制和處理器單元8將所測量的水 化值與預定范圍進行連續比較，直到測量到可接受的水化值為止。之后， 可以通過檢測源2發射的透過對象部分1的紅外輻射來測定葡萄糖濃度值。 檢測器6向控制和處理器單元8發送信號，控制和處理器單元8利用所述 信號測定葡萄糖濃度。優選由控制和處理器單元8自動推遲測量，或者所 述測量可以依賴來自用戶的輸入。
可以連續執行葡萄糖濃度的光學測量，并且控制和處理單元8可以舍 棄在水化值落在可接受范圍之外時獲得的結果。
可以通過測量在預定加熱時間段內提供的電流或功率，在預定時間段 內監測皮膚的水化水平，以保持恒定溫度。
可以使用皮膚水化值來計算水對抵達檢測器6的透過額射的貢獻，并 且能夠相應地補償控制和處理器單元8所測定的葡萄糖濃度。此外，從加 熱時間段的第2秒到第6秒，所散發的熱功率取決于傳導和對流傳遞二者， 因而提供給熱敏電阻器的功率也取決于傳導和對流傳遞二者。在加熱時間 段的第2秒到第6秒內計算的熱導率與在加熱時間段的前兩秒內計算的熱 導率之間的差取決于血流。盡管圖1示出了用于檢測透過輻射的檢測器， 但是也可以通過檢測反射輻射來測定葡萄糖濃度。
在接下來的附圖中，帶有與圖1中的元件相同的附圖標記的元件與圖1 中的元件相同，并且按照相同的方式工作，除非另行具體說明。
圖2示出了一種熱發射光譜裝置14，它包括用于對源自于對象部分1 的熱發射譜12進行檢測的檢測器。將由所述檢測器生成的信號發送至控制 和處理器單元8，該控制和處理器單元8利用所述信號來測定(例如)葡萄 糖濃度。US 5666956公開了一種通過檢測人體自然發射的紅外輻射來對人 體組織內的分析物(例如，葡萄糖)濃度進行非侵入式測定的方法和儀器。
皮膚的水化影響離開人體的總輻射量，因此能夠使用熱敏電阻器7和 處理器8來測定皮膚水化，從而提高分析物(在這一例子中為葡萄糖)濃
度測量的準確度。
還可以將本發明的系統與其他用于測定血液分析物濃度的光譜裝置結
合使用，從而提高所測定的分析物濃度值的準確度。除了圖2和圖3具體 示出的之外，這樣的光譜裝置的例子包括拉曼光譜裝置、漫反射光譜裝置、 熒光光譜裝置或光學相干斷層成像裝置。
圖3示出了一種包括脈沖超發光二極管18和聲學傳感器20的系統。 將選擇的波長與諸如葡萄糖等分析物相互作用的脈沖光12發射在對象部分 1上。所述光被所述分析物吸收，由此產生微觀的局部受熱，其將導致溫度 快速升高。溫度升高產生了壓力波22 (例如，超聲壓力波)，由皮膚表面上 的光聲傳感器20對其進行檢測。壓力的幅度與和葡萄糖相關的皮膚的熱膨 脹系數成比例。傳感器20生成的信號26指示對象皮膚的熱膨脹系數，并 且該信號26被發送至處理器8，該處理器8利用所述信號來測定血糖濃度。
WO 2004/042382公開了一種通過光聲學對活體特征進行非侵入式測量 的方法和設備。已知的測定葡萄糖濃度的光聲學方法的一個主要問題在于 其缺乏特異性。聲學信號受到很多因素影響，其中皮膚含水量是一個主要 影響因素。皮膚水化影響抵達血管的輻射光束的強度，在皮膚水化高時， 抵達血管的強度低，此外還影響所生成的聲學信號，這是因為皮膚水化對 皮膚的熱彈性具有影響。可以使用通過測量皮膚的熱系數測定的皮膚水化 來提高由光聲學方法測定的葡萄糖濃度值的準確度。
圖4示出了另一種備選的系統，它包括裝置30，其以葡萄糖濃度測定 所應用于對象部分1的新陳代謝熱整合(MHC)法為基礎。裝置30向控制 和處理器單元8發送至少一個指示血糖濃度的信號31，該控制和處理器單 元8利用該信號來測定血糖濃度。
已知的基于腿C法的裝置包括兩個在正常模式下工作的熱敏電阻器 (即，測量它們的電阻來測定其溫度)。使用所述兩個熱敏電阻器來測量皮 膚溫度和血流。0. K. Cho等人的Clinical Chemistry 50， 1894-1898 (2004)
討論了利用新陳代謝熱整合法來對葡萄糖進行非侵入式測量。這一方法依 賴于葡萄糖的氧化代謝的測量，可以利用其來推斷血糖濃度。由葡萄糖氧 化產生的體熱以毛細血管葡萄糖和向組織細胞的供氧的微妙平衡為基礎。 MHC法利用該關系，以通過測量體熱和供氧來估計血糖。可以利用下列等式
來表示這一關系=函數[所生成的熱量，血流速率，Hb， HbOj 在式中，Hb和Hb02分別表示血紅蛋白和氧化血紅蛋白濃度。
圖4所示的MHC裝置30包括一個熱敏電阻器7，在瞬變模式下使用所 述熱敏電阻器7來測定皮膚水化和血流，并且在正常模式下使用所述熱敏 電阻器7來測量皮膚溫度。使用通過利用熱敏電阻器所獲得的水化和血流 信息來提高測定的血糖濃度值的準確度，這是因為MHC法是以血流為基礎 的，尤其是以皮膚的熱導率、皮膚的漫反射率和皮膚輻射的體熱為基礎的， 所有這些均受皮膚水化的水平影響。
圖5示出了本發明的另一實施例，其具有與圖1所示的特征相同的特 征，并且還包括通過(例如)施加水或其它保濕劑來使皮膚濕潤的皮膚水 化器9、以及皮膚水化控制器10。將來自熱敏電阻器7的信息發送至皮膚 水化控制器IO，皮膚水化控制器10在控制環內連接至皮膚水化裝置9，從 而能夠將裝置所在的并且正在進行葡萄糖濃度測量的皮膚的水化保持在預 定水平，并消除影響葡萄糖濃度測定的皮膚水化的變化。可以將皮膚水化 控制器10以及控制和處理器單元8包含在單個硬件內。
盡管已經參考活體對象內的葡萄糖濃度的測定說明了上述實施例，但 是還可以將本發明用于對其而言皮膚水化是一個干擾項的皮膚內的其他血 液分析物或物質的測量，例如，膽固醇、白蛋白、乳酸酯或維生素。
應當指出，上述實施例對本發明進行了舉例說明，而不是要限制本發 明，在不背離所附權利要求界定的本發明的范圍的情況下，本領域技術人 員將能夠設計出很多備選實施例。在權利要求中，不應將放在括號內的任 何附圖標記理解為限制本發明。詞語"包括"及其變形等不排除還存在除 了在任何權利要求或整個說明書中列舉的元件或步驟以外的其它元件或步 驟。元件的單數引用不排除對所述元件的復數引用，反之亦然。可以利用 包括幾個分立元件的硬件來實現本發明，也可以利用適當編程的計算機來 實現本發明。在列舉了幾個模塊、設備、裝置等的系統權利要求中，這些 模塊、設備、裝置等當中的幾個可以用同一個硬件來實現。有些手段記載 在相互不同的從屬權利要求中，這一純粹事實并不表示不能用這些手段的 組合來獲益。
權利要求
1、一種用于測量對象的皮膚水化的非侵入式系統，包括熱導率測量設備，其用于獲得所述對象的皮膚的熱導率的測量值；以及處理器，其利用所述熱導率測量值來測定皮膚水化值。
2、 根據權利要求1所述的非侵入式系統，其中，所述熱導率測量設備 包括與所使用的對象的皮膚熱連接的熱敏電阻器；以及電流源，其用于向所述熱敏電阻器提供足以使所述熱敏電阻器的電阻 或溫度保持在預定水平的電流，其中，所述熱導率測量設備根據提供給所述熱敏電阻器的所述電流來 獲得所述熱導率的測量值。
3、 根據權利要求1所述的非侵入式系統，其包括在用于檢測血液分析 物濃度的非侵入式系統中。
4、 根據權利要求3所述的非侵入式系統，其中，所述的用于檢測分析 物血液濃度的系統包括下列中的一個或多個光譜裝置； 光聲裝置；用于以新陳代謝熱整合法為基礎測定血糖濃度的裝置。
5、 根據任一前述權利要求所述的非侵入式系統，包括皮膚水化裝置。
6、 根據權利要求5所述的非侵入式系統，其中，在控制環內，所述用 于測量皮膚水化的非侵入式系統連接至所述皮膚水化裝置，因此將所述皮 膚水化保持在預定水平。
7、 根據權利要求3所述的非侵入式系統，其中，所測量的分析物濃度 是葡萄糖濃度。
8、 一種用于測量皮膚水化的方法，包括下列步驟 對皮膚的熱導率進行非侵入式測量；利用所述熱導率來測定所述皮膚的水化水平。
全文摘要
一種用于測量對象的皮膚水化的非侵入式系統和方法，包括熱敏電阻器(7)和處理器(8)，其中，在瞬變模式下使用熱敏電阻器(7)來獲得對象皮膚的熱導率的測量值，而處理器(8)利用所述熱導率測量值來測定皮膚水化值。可以將所述的用于測量皮膚水化的系統包含在用于檢測優選為葡萄糖的血液分析物濃度的非侵入式系統中，其中用于檢測血液分析物濃度的所述非侵入式系統包括具有(例如)生成紅外光束(3)的紅外源(2)的光譜裝置、以及用于檢測透過對象的部分1(例如手指)的輻射的檢測器(6)。所述系統還包括使皮膚濕潤的皮膚水化器(9)，其在控制環中連接至用于測量皮膚水化的系統。所述用于檢測血液分析物濃度的系統可以包括光聲裝置或新陳代謝熱整合裝置。
文檔編號A61B5/103GK101346099SQ200680049393
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月26日 優先權日2005年12月28日
發明者A·范格什, M·范赫佩恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司