專利名稱：對活體進行非侵入式光聲學(xué)測量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用光聲學(xué)頻譜對試樣的至少一個參數(shù)進行非侵入式測量的方法和裝置，所述參數(shù)例如為一種或多種分析物的存在和/或濃度、或者為表征人體部分組織的物理和/或化學(xué)常數(shù)。
背景技術(shù)：
試樣分析和它所含成分的濃度測量在化學(xué)和生物學(xué)中是一個普遍和重要的過程。具體地，對生物液體如血液、組織液、尿液或唾液進行分析以確定各種成分的濃度并確定病狀，對于包括糖尿病和心臟病的各種疾病的診斷和治療都是重要的。在各種疾病如腫瘤的診斷中，對表征組織的物理和/或化學(xué)常數(shù)的測量也是有效果的。一種用于測量血液中分析物濃度的代表性裝置是糖尿病患者使用的血糖計。目前，用于自測試的血糖計使用由患者(subject)例如用針或手術(shù)刀刺手指或手臂而從自身采的少量血樣，以測量患者的血糖水平。例如，酶電極用于測量葡萄糖含量。在電極的大分子膜上固定稱為葡萄糖氧化酶(GOD)的酶。當血液接觸該膜時，在有GOD存在的情況下，血液中的葡萄糖與氧發(fā)生反應(yīng)。通過測量所消耗氧的變化，可以確定葡萄糖的濃度。目前有效的血糖計是便攜式的，并用于控制糖尿病患者的血糖水平。
然而，上述方法是痛苦的并且傷害患者的皮膚，因為它必須用針或手術(shù)刀刺身體的一部分。因此，盡管需要一天5次或更多次地頻繁監(jiān)視以嚴格控制糖尿病患者的血糖水平，但目前只限制在每天2次或3次。
在美國專利6074383和5458140中公布利用激光或超聲波提取血液或組織液的最低限度侵入皮膚的微孔方法。另一方面，在日本專利kokai 60-236631和kokai 02-191434中公布使用可見光和/或近紅外光的非侵入式監(jiān)視方法和裝置，所述方法和裝置既不需要用針或手術(shù)刀刺身體的一部分也不提取諸如血液或組織液的試樣。非侵入式測量不需執(zhí)行任何侵入程序，如移動血樣或活體組織樣本，就可確定患者的分析物或病狀，此種測量具有幾個優(yōu)點。所述優(yōu)點包括易于使用，減輕痛苦和不適，并降低受到潛在生物危害的可能性。
在這，可見光指在約380nm-約770nm范圍內(nèi)的電磁波；近紅外光指在約770nm-約1500nm范圍內(nèi)的電磁波；中紅外光指在約1500nm-約3000nm范圍內(nèi)的電磁波；遠紅外光指在約3000nm-約25000nm范圍內(nèi)的電磁波。
上述日本專利申請公布用于對患者進行葡萄糖濃度測量的方法，該方法用多波長的近紅外光照射患者的皮膚表面，檢測在患者中漫射和/或散射的光，檢測到的信號分為基準信號和目標信號，從這些信號計算葡萄糖濃度。在上述日本專利申請中還公布，鹵鎢燈、半導(dǎo)體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)可用作近紅外光的光源，光電二極管(PD)可用作漫射和/或散射紅外光的檢測器。
使用可見光和/或近紅外光對生物物質(zhì)進行非侵入式光譜監(jiān)視比使用中紅外光或遠紅外光更有優(yōu)點。所述優(yōu)點是對水溶液的組織穿透率高并且分析能力高，因為水對可見光和/或近紅外光的吸收率較低，而水正是人體的主要組分。
另一方面，使用可見光和/或近紅外光的非侵入式光譜監(jiān)視也有以下缺點。分子振動產(chǎn)生的信號低至約百分之一(1/100)，而且與使用中紅外光或遠紅外光相比，難以指明該信號的屬性。
在美國專利5348002、日本專利kokai 10-189和日本專利kokai11-235331中還公布其它非侵入式葡萄糖測量方法。這些專利公布的方法和葡萄糖濃度測量裝置使用近紅外光照射患者皮膚，并且因患者體內(nèi)葡萄糖分子吸收照射能量而產(chǎn)生的光聲信號由檢測裝置檢測。在所述專利公布的光聲頻譜學(xué)中，麥克風(fēng)器件或諸如鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷的壓電振動器通常用作檢測裝置。
然而，由于產(chǎn)生的光聲信號非常弱，即使在使用重復(fù)測量和信號平均化之后，也難以獲得具有良好信噪比的光聲信號，其中，良好信噪比是測量葡萄糖濃度所必需的。
上述用于非侵入式監(jiān)視的方法和裝置可應(yīng)用于除了葡萄糖以外的其它物質(zhì)和分析物，如膽固醇、天然脂肪和血色素。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是提供對活體進行非侵入式測量的方法和裝置，該方法和裝置可以高度準確地測量非常弱的聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
在本發(fā)明的第一方面中，提供一種對活體進行非侵入式測量的裝置，包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源；配置成使用所述光照射患者的照射單元；以及，至少一個包括壓電元件的聲信號檢測單元，其中，壓電元件由包含鈦酸鉛的壓電單晶體形成并配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
在本發(fā)明的第二方面中，提供一種對活體進行非侵入式測量的裝置，包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源；配置成發(fā)射光的照射單元；以及，對所述光的特定波長分量具有光學(xué)透光度的聲信號檢測單元，聲信號檢測單元布置在患者和照射單元之間并配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的，其中，從照射單元發(fā)射的光作為照射光，通過聲信號檢測單元作用到患者上。
在本發(fā)明的第三方面中，提供一種對活體信息進行非侵入式測量的裝置，包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源；配置成照射所述光到患者上的照射單元，所述光作為照射光；以及，具有壓電元件的聲信號檢測單元，該壓電元件對所述光的特定波長分量具有光學(xué)透明度，聲信號檢測單元配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
在本發(fā)明的第四方面中，提供一種對活體信息進行非侵入式測量的方法，包括從照射單元輸出由光源產(chǎn)生的包含特定波長分量的光；用來自照射單元的光穿過至少一個聲信號檢測單元而照射患者，聲信號檢測單元包括由包含鈦酸鉛的壓電單晶體形成的壓電元件；以及，由聲信號檢測單元檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
在本發(fā)明的第五方面中，提供一種對活體進行非侵入式測量的方法，包括從照射單元輸出由光源產(chǎn)生的包含特定波長分量的光；用從照射單元輸出的光穿過至少一個聲信號檢測單元而照射患者，聲信號檢測單元對所述光具有光學(xué)透光度；以及，由聲信號檢測單元檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將在以下的描述中提出，而且，部分目的和優(yōu)點將從以下描述變得清晰，或者可從本發(fā)明的實踐中了解。借助以下具體提出的手段和組合，本發(fā)明的目的和優(yōu)點可得以實現(xiàn)。


附圖包含在本文中并構(gòu)成本文的一部分，它們與以上的概述和以下優(yōu)選實施例的詳細描述一起說明本發(fā)明目前的優(yōu)選實施例，并用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1為示出與本發(fā)明第一實施例有關(guān)的對活體信息進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為示出與本發(fā)明第一實施例有關(guān)的一部分裝置的示意圖，所述一部分裝置具體為光源單元和光學(xué)波長多路傳輸單元。
圖3為示出與本發(fā)明第二實施例有關(guān)的對活體信息進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為在第二實施例的變型中具有物鏡的聲信號檢測單元的橫截面視圖。
圖5為在第二實施例的變型中聲信號檢測單元陣列的透視圖。
圖6為示出與本發(fā)明第三實施例有關(guān)的對活體信息進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為示出與本發(fā)明第四實施例有關(guān)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述結(jié)構(gòu)具體為用于檢測聲信號的壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器。
圖8為示出與本發(fā)明第四實施例有關(guān)的對活體信息進行非侵入式測量的裝置的光照射/光聲信號檢測單元的橫截面視圖。
圖9為示出第四實施例的變型中光照射/光聲信號檢測單元的橫截面視圖。
圖10為示出第四實施例的變型中光照射/光聲信號檢測單元的橫截面視圖。
具體實施例方式
圖1為與本發(fā)明第一實施例有關(guān)的對活體信息進行非侵入式測量的裝置的示意圖。在圖1中，光源單元8輻射一個或多個單色光束或具有所需中心波長和帶寬的光束。當有兩個或多個光束從光源單元8輻射時，它們由光學(xué)多路復(fù)用器/波導(dǎo)單元9多路傳輸。接著，所述光束經(jīng)過構(gòu)成光學(xué)多路復(fù)用器/波導(dǎo)單元9一部分的光波導(dǎo)管而引導(dǎo)到照射單元10，并且所述光由照射單元10照射到患者14的測量部位上，其中，光波導(dǎo)管例如為光纖、光學(xué)薄膜波導(dǎo)管或自由空間。而且，光源單元8產(chǎn)生基準光信號16，基準光信號16是電信號并且與每個單色光或具有所需中心波長和帶寬的光的強度成比例。
通過照射光而在患者14內(nèi)產(chǎn)生的聲信號由光聲信號檢測單元11檢測，并轉(zhuǎn)換成電信號。電信號和基準光信號16在信號放大器單元12中被放大到足夠的波幅，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元7。光聲信號檢測單元11具有由壓電單晶體固溶體系統(tǒng)構(gòu)成的壓電元件，壓電單晶體至少包括作為主要成分的鈦酸鉛。
例如，壓電單晶體按以下方法制作。PbO、ZnO、Nb2O5和TiO2用作起始材料。測量起始材料的重量，以使鋅鈮酸鉛(PZN)和鈦酸鉛(PT)滿足摩爾比91∶9。隨后，所述材料被加熱到1260℃，長達5小時，接著以0.8℃/hr的冷卻速率逐漸冷卻到800℃，最后允許冷卻到室溫。
然后，用勞厄X射線照相機檢測所得到的單晶體的
軸，用劃片機沿與
軸垂直的方向?qū)尉w切片，研磨成厚度為0.2-5mm，在切片的相反表面上濺鍍形成Ti/Au電極。對這些單晶體晶片進行極化工藝在硅油中把晶片加熱到200℃，然后在施加1kV/mm電場的同時把晶片冷卻到40℃。所得到的振動器用劃片機切成5-10mm的大小，從而，由上述工藝獲得的壓電單晶體(壓電單晶體的固溶體系統(tǒng))用作信號檢測單元?，F(xiàn)在，壓電單晶體可稱作PZNT單晶體。PZNT單晶體的壓電常數(shù)g33為約43×10-3Vm/N，它大約比普通壓電陶瓷g33(43×10-3Vm/N)大1.7倍。
照射單元10、光聲信號檢測單元11、溫度控制單元13和接觸傳感器15構(gòu)成與患者14接觸的人體界面17。溫度控制單元13布置在患者14的測量部位附近，并控制該部位的溫度。熱電冷卻器，例如通過改變作用電流或電壓可控制溫度的Peltier元件，用作溫度控制單元13。例如，測量部位的溫度由溫度控制單元13控制為在20℃和40℃之間的常溫。由于光聲信號受測量部位的溫度影響，因此，測量部位的溫度控制提高測量的準確度。
光聲信號測量還受患者14體內(nèi)的測量部位和人體界面17之間的接觸程度的影響。接觸傳感器15檢測測量部位和人體界面17的接觸程度，接觸傳感器15的信號用于控制測量協(xié)議。例如，當測量部位和人體界面17完全接觸時，執(zhí)行測量。當沒有患者或物體與人體界面17接觸時，通過由控制單元3控制不向裝置外部發(fā)射光，也有可能避免危險，如照射光會對眼球造成傷害。例如，測量壓力或電阻的器件可用作接觸傳感器15。進而，用于調(diào)節(jié)測量部位和人體界面17接觸程度的器件可連接在一部分人體界面17中，并且該器件可由接觸傳感器15的信號控制。機械致動器或壓電致動器可用作該器件。
進而，在界面17設(shè)置接觸程度調(diào)節(jié)機構(gòu)18，以調(diào)節(jié)患者14的測量部位和人體界面17之間的接觸程度。接觸程度可由接觸傳感器15的信號調(diào)節(jié)。所用的調(diào)節(jié)機構(gòu)18可由機械致動器和壓電致動器制成，其中，機械致動器用于使界面17或其一部分動作，而壓電致動器利用壓電元件的位移。如果接觸傳感器15檢測到的接觸程度過高，這意味著對患者14的測量部位造成過強的刺激或傷害。為了避免此種危險，任何一個安全措施都可保證停止它的測量操作，例如停止光的照射。通過由控制單元3控制調(diào)節(jié)機構(gòu)18，可進一步增強安全級別，從而，在停止測量操作的同時，把界面17從測量部位移開。如果接觸傳感器15檢測到的接觸程度不在正常范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)接觸程度、或停止光的照射等就可執(zhí)行控制，以便保持安全。
傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元7的電信號在數(shù)據(jù)采集單元7中進行數(shù)字化并被采集。數(shù)字信號用于在信號處理單元6中進行信號處理，以獲得所需的人體信息。接著，信號處理的結(jié)果，包括所需的人體信息，儲存在數(shù)據(jù)存儲單元4中，并且如果需要就在顯示單元1上顯示。在顯示單元1上的顯示方法為諸如屏幕顯示的視覺通訊方法、或諸如語聲的聽覺通訊方法、或諸如振動的觸覺通訊方法、或這些方法的組合。操作單元2可由患者或另一操作者使用。操作單元2的用戶界面可以是鍵盤、鼠標、按鈕、觸摸-按鍵-板、語音識別器、或這些器件的組合。
控制單元3根據(jù)操作單元2的控制信號、接觸傳感器15的輸出信號等控制顯示單元1、數(shù)據(jù)存儲單元4、電源單元5、信號處理器6、數(shù)據(jù)采集單元7、光源單元8、信號放大器單元12和溫度控制單元13。
在光源單元8中，優(yōu)選使用一個或多個發(fā)光器件，如激光二極管(LD)或發(fā)光二極管(LED)。作為本發(fā)明的一個實例，波長范圍為400nm-2500nm的光照射到患者14的測量部位上，用于測量患者14的葡萄糖濃度。對于LD或LED的材料，可使用波長范圍為550nm-650nm的InGaAIP、波長范圍為650nm-900nm的GaAIAs、和波長范圍為900nm-2300nm的InGaAs或InGaAsP。由InGaN制成的發(fā)光器件還可用于波長550nm或更短的光。
圖2是與本發(fā)明第一實施例有關(guān)的一部分裝置的示意圖，所述一部分裝置具體為與本發(fā)明第一實施例有關(guān)的光源單元8和光學(xué)波長多路傳輸單元9。光源20-1、20-2、20-3和20-4發(fā)射不同波長的光。發(fā)射光束的強度和調(diào)制頻率由控制單元3的信號控制，此信號控制提供給每個光源的驅(qū)動電流。每個光束由準直透鏡21-1、21-2、21-3和21-4校準，并由光學(xué)過濾器22-1、22-2、22-3和22-4過濾以消除不需要的特性和/或調(diào)節(jié)光強。然后，不同波長的光束在光軸上由直角棱鏡23和二向棱鏡24-1、24-2、24-3和24-4多路傳輸。
合成的光由光束分離器28分成輸出光束29和基準光束?；鶞使馔ㄟ^光學(xué)過濾器27和聚焦透鏡26進入光電探測器25。光電探測器25檢測基準光，并輸出基準電信號。在此實例中，示出四個光源。然而，本發(fā)明并不局限于此，有可能使用任意數(shù)量的光源。工業(yè)上可行的用于光學(xué)通訊的多路傳輸器件也可用作光學(xué)波長多路傳輸單元9。
輸出光29通過自由空間傳播或通過諸如光纖或光學(xué)薄膜波導(dǎo)管的光學(xué)波導(dǎo)管傳輸?shù)秸丈鋯卧?0。例如，從照射單元10照射患者14的束斑具有圓形的和均勻的光強分布，并且直徑為約0.4mm。照射光的功率低于日本工業(yè)標準JIS C 6802“激光產(chǎn)品的輻射安全”中所述的最大允許照射量(MPE)，以便不對活體組織造成傷害。
圖3為示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的對活體進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。上述PZNT單晶體30用于光聲信號檢測單元11。PZNT單晶體30在可見光到近紅外光的波長范圍內(nèi)具有較高的滲透性，并且在400-6000nm波長范圍內(nèi)透射率一般為約70％。用于液晶顯示器和等離子體顯示器的透明導(dǎo)電材料，如ITO(二氧化銦錫，In2O3(Sn))，用作電極31。在PZNT單晶體30的兩個主要表面上通過濺鍍形成電極31。
進而，為了使聲阻抗與患者14匹配，聲學(xué)匹配層32和33在一個電極31上形成。光學(xué)透明的環(huán)氧樹脂可用于聲學(xué)匹配層。例如，聲阻抗約為7×106kg/m2s的樹脂可用于聲學(xué)匹配層32，而聲阻抗約為3×106kg/m2s的樹脂可用于聲學(xué)匹配層33。
通過在患者14的接觸表面上形成保護薄膜34，可提高光聲信號檢測單元11的可靠性。光學(xué)透明的硅樹脂可用于此薄膜34。輸出光29可通過光聲信號檢測單元11照射到患者14上，因為光能穿過具有圖3結(jié)構(gòu)的光聲信號檢測單元11。
希望PZNT單晶體30、聲學(xué)匹配層32和33以及薄膜34的光學(xué)折射率相同或相似。如果需要，可在聲學(xué)匹配層33和薄膜34之間布置用于控制患者14照射部位的物鏡或光學(xué)器件。
照射單元10和光聲信號檢測單元11易于集成并小型化，因為光穿過信號檢測單元11并照射到患者14上。因而，還能以矩陣形式布置兩個或多個照射和檢測單元，以便同時進行多點監(jiān)視，并且可獲得人體信息如葡萄糖濃度的分布。而且，由于可使照射和聲信號檢測的位置相同，因此可提高聲信號的檢測效率。
注意，如圖4所示，在聲學(xué)匹配層33和保護薄膜34之間可布置用于控制患者14照射部位的可向前/向后移動物鏡35或光學(xué)波導(dǎo)管。通過允許從照射單元10照射的光束被引導(dǎo)穿過光聲信號檢測單元11而照射到患者上，有可能把照射單元10和光聲信號檢測單元11構(gòu)造為集成而緊湊的單元。
因此，如圖5所示，多個信號檢測單元11以及多個照射單元10能以高集成密度結(jié)構(gòu)以矩陣形式布置。通過此結(jié)構(gòu)，控制單元3根據(jù)由多個信號檢測單元11在不同檢測位置上檢測到的多個活體特征，能以二維或三維方式創(chuàng)建活體特征的空間分布，如患者內(nèi)的葡萄糖或血色素濃度分布。進而，由于光束照射位置和信號檢測位置之間的距離可保持不變，因此通過優(yōu)化此距離，有可能使聲信號的檢測效率最大化，并因而提高測量準確度。
為了以二維或三維方式獲得活體特征的空間分布，可設(shè)置用于移動照射單元10的移動機構(gòu)，以取代設(shè)置多個照射單元10。在此情況下，照射單元10在圖5所示的信號檢測單元11陣列上由移動機構(gòu)移動，以允許改變光的照射位置，并允許在不同的檢測位置(二維或三維位置)上檢測活體信息。排成陣列的信號檢測單元一側(cè)布置得允許所有信號檢測單元11檢測相應(yīng)的信號，或者根據(jù)照射位置的變化而允許在其切換的光聲信號檢測單元11上檢測相應(yīng)的信號。進一步地，移動機構(gòu)可制作得移動照射單元10和光聲信號檢測單元11。在此情況下，通過由移動機構(gòu)移動照射單元10到相應(yīng)的光照射位置并且也移動光聲信號檢測單元11到此位置，可在不同的位置(二維或三維位置)上檢測活體特征。
根據(jù)本實施例，信號檢測單元由使用壓電單晶體固溶體系統(tǒng)的透明壓電元件形成，并有可能在光照射單元和患者之間布置信號檢測單元，其中，壓電單晶體包含鈦酸鉛。通過這樣做，有可能垂直地引導(dǎo)照射光到患者上并通過壓電元件從患者垂直地接收聲信號。因此，有可能提高聲信號的檢測效率，并以較高的靈敏度檢測聲信號，從而提高測量準確度。進而，照射單元和信號檢測單元可構(gòu)造為整體結(jié)構(gòu)，因而使所實現(xiàn)的裝置成為緊湊的單元。
圖6為示出與本發(fā)明第三實施例有關(guān)的對活體特征進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從光源40-1、40-2和40-3發(fā)射的兩個或多個波長的光束由光學(xué)多路復(fù)用器單元41在光軸上多路傳輸。合成的光通過光纖42傳輸?shù)椒止馄?開關(guān)單元43，并被分光器/開關(guān)單元43劃分、分支或多路分解。分光器/開關(guān)單元43還控制照射光束是否通過光纖42和光照射/光聲信號檢測單元44照射到患者14上。
光照射/光聲信號檢測單元44具有兩個或多個照明通道和/或信號檢測通道，以便能在兩個或多個位置上同時進行測量。通過照射光而從患者14發(fā)射的聲信號在光照射/光聲信號檢測單元44中檢測，然后，由信號放大單元12放大，并通過試樣保持/多路復(fù)用器單元46傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元7。也可同時采集來自所有信號檢測通道的聲信號。在數(shù)據(jù)采集單元7中得到的數(shù)據(jù)在信號處理單元6中處理，獲得患者14所需的活體特征。
圖8為示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，具體為示出用于檢測聲信號的壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器。圖7為示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的對活體特征進行非侵入式測量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。以下描述制作圖7所示壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的方法。
首先，如前所述地制備PZNT單晶體晶片。晶片研磨成約0.5-5mm的厚度，并用刀片厚度為0.1-0.6mm的劃片機執(zhí)行切分。使用切分的半切割方法，即，余下的切割部分為約0.05mm并且切分間距為0.5-1mm。環(huán)氧樹脂注入到切口中，接著固化。環(huán)氧樹脂的聲阻抗為3×106kg/m2s，并且也是光學(xué)透明的。其次，與前一切口垂直地形成相似切口，環(huán)氧樹脂注入到這些切口中并固化。然后，最后的切割通過研磨除去，并用濺鍍在兩側(cè)上形成ITO電極。因而完成壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器。
圖7所示的壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器稱為1-3型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為壓電棒30以矩陣形式嵌入到由樹脂50制成的基體中。此壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的電磁耦合系數(shù)可達到85％或更多。
如圖8所示，聲學(xué)匹配層32、33和薄膜34在壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的兩側(cè)上形成。與本發(fā)明第二實施例相似地，光學(xué)透明的樹脂用于聲學(xué)匹配層32、33和薄膜34。輸出光29可照射到患者14上，因為它可穿過光照射/光聲信號檢測單元44。
光學(xué)不透明的PZT陶瓷也可用于替代壓電晶體棒30。在此情況下，輸出光29穿過壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的樹脂50的光學(xué)透明基體，照射到患者14上。
在上述實例中，描述用于制作1-3型壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的方法，但此方法可被修改。例如，首先執(zhí)行單晶體的完全切割，或首先對單晶體進行矩陣切割，然后填充樹脂。而且，不一定完全除去未切割部分。它們與2-2型結(jié)構(gòu)的方法相似。進而，如果環(huán)氧樹脂分兩階段填充，在每個制作過程中就可使用不同的樹脂。在制作壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器之后，可執(zhí)行復(fù)極化工藝。
以上描述使用鈮酸鋅和鈦酸鉛固溶體系統(tǒng)的壓電單晶體的實例。這些材料也是可替代的。例如，Mg、Ni、Sc、In和Yb可用于替代Zn，或者，Nb可用Ta取代。而且，可用熔劑法、Bridgman(布里奇曼)方法、Kyropoulous方法(熔鹽拉制方法)、區(qū)域熔化方法、水熱生長方法等培養(yǎng)壓電單晶體。在以上描述中，電極通過濺鍍形成。然而，也可使用其它方法，如烘焙或蒸汽淀積。當壓電單晶體30的光學(xué)折射率和透射率制作得與樹脂部分50的相同或相似時，輸出光29可穿過壓電材料-聚合物復(fù)合傳感器的任何部分。
為替代使用光纖42，照射單元10可布置在圖9所示壓電元件30和樹脂部分50的復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
如圖10所示，多個壓電元件30布置成具有透明樹脂部分50的緊湊陣列，其中，透明樹脂部分50只在光照射路徑上形成。
下面以測量活體信息的更詳細實例描述患者14內(nèi)葡萄糖濃度的非侵入式測量。為了獲得患者14內(nèi)由所需分子產(chǎn)生的聲信號，在葡萄糖分子、水分子等的吸收光譜帶中的多個波長(400-2500μm)的光束(電磁波)以脈沖形式分別作用到患者14的皮膚表面上。此時，各個照射光束通過照射單元10作用到患者14上，其中，照射單元10構(gòu)成界面17的一部分。此時，吸收作用到患者14上的各個光束能量的預(yù)期分子產(chǎn)生聲信號。這里假設(shè)至少從預(yù)期分子產(chǎn)生的一個聲信號是由葡萄糖分子產(chǎn)生的聲信號。聲信號由聲信號檢測單元11在患者皮膚表面部分上檢測(例如，在接近更好的關(guān)節(jié)部位皮膚的位置上，其中，血管通過此部位)。每個信號在信號處理器6中處理，提取來自葡萄糖分子的聲信號，從此信號強度計算患者14內(nèi)的葡萄糖濃度。
除了葡萄糖濃度以外，通過施加電磁波(優(yōu)選從500-1600nm的波長范圍選擇的一個或多個波長的光)也有可能測量患者體內(nèi)的血液分布，并識別活體內(nèi)的受損組織，如包含大量血液的癌癥組織，其中所述電磁波例如具有對血液中血色素的吸收頻帶特性?；蛘撸ㄟ^施加與水分子吸收者相應(yīng)的電磁波，有可能測量患者組織中的水含量。
用沒在上面描述的方式對本發(fā)明進行修改，可達到相同的效果。例如，由患者14體表和/或體內(nèi)散射和反射回的光信號，可通過在光聲信號檢測單元11或光照射/光聲信號檢測單元44附近布置光檢測器如光電二極管，而幾乎同時被測量，并且聲信號和光信號可用于患者14組織性質(zhì)的定量分析或定性分析。如以上詳細描述的，根據(jù)本發(fā)明，使用包含壓電單晶體固溶體系統(tǒng)的壓電元件，有可能高靈敏度地檢測聲信號，所述壓電單晶體至少包含鈦酸鉛。進而，通過使用壓電單晶體作為壓電材料-聚合物復(fù)合物，有可能提高信號檢測的靈敏度。
而且，由于壓電單晶體在可見光到近紅外光波長范圍內(nèi)具有較高的透光度，并且由于信號檢測單元通過對聲學(xué)匹配層采用光學(xué)透明環(huán)氧樹脂且對電極采用透明導(dǎo)電材料而構(gòu)造得光學(xué)透明的，因此，照射單元的光可穿過信號檢測單元，照射到患者上。進一步地，由于照射單元和信號檢測單元可集成為一個單元，因此裝置的尺寸可制作得緊湊。而且，由于聲信號的檢測效率提高，因此，更高準確度的監(jiān)視是有可能的。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，其它優(yōu)點和改變將容易實現(xiàn)。因此，在廣義上，本發(fā)明不局限于在此示出和描述的特定細節(jié)和代表性實施例。相應(yīng)地，只不偏離后附權(quán)利要求及其等效要求所定義的一般發(fā)明概念的精神和范圍，可對本發(fā)明作出各種變更。
權(quán)利要求
1.一種對活體特征進行非侵入式測量的裝置，特征在于包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長成分的光的光源(8)；配置成使用所述光照射患者的照射單元(10)；以及至少一個包括壓電元件(30)的聲信號檢測單元(11)，其中，壓電元件(30)由包含鈦酸鉛的壓電單晶體形成并配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，壓電單晶體由以下通用分子式表示，Pb[(B1，B2)1-xTix]O3其中，x＝0.05～0.55；B1代表從包括Zn、Mg、Ni、Sc、In和Yb的組中選擇的一種元素，B2代表從包括Nb和Ta的組中選擇的一種元素。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，壓電元件(30)對照射光的特定波長分量具有透光度。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，特征在于，聲信號檢測單元(11)布置在照射單元和患者之間，以便允許照射單元的特定波長分量的照射光通過聲信號檢測單元(11)作用到患者上。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，在聲信號檢測單元(11)中，壓電元件(30)布置在一個平面上。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，聲信號檢測單元(11)對所述光的特定波長分量具有30％或更大的透光度。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，特定波長分量在600-5000nm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，特征在于進一步包括在壓電元件(30)的每一個主要表面上形成的透明電極(31)，所述透明電極對所述光的特定波長分量具有透光度。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，聲信號檢測單元(11)包括壓電材料和樹脂的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，特征在于，樹脂(50)填充在壓電元件(30)之間的間隙中。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，特征在于，樹脂(50)對所述光的特定波長分量具有透光度。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，特征在于，所述光在穿過樹脂部分之后作用到患者上。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，特征在于，壓電元件(30)對所述光的特定波長分量具有透光度，并且，壓電元件(30)的光折射率和透射率與樹脂(50)的幾乎相等。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于進一步包括配置成用于控制患者測量部位的溫度的溫度控制單元(13)。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于進一步包括配置成用于檢測聲信號檢測單元與患者接觸的傳感器(5)。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，特征在于進一步包括配置成根據(jù)所述傳感器檢測的接觸程度而移動聲信號檢測單元的機構(gòu)(18)。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，多個聲信號檢測單元(11)布置在一個平面上。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，特征在于進一步包括光學(xué)開關(guān)單元(9)，光學(xué)開關(guān)單元(9)配置成用于引導(dǎo)光源(8)的照射光通過多個光傳播路徑(42)而到達患者，并有選擇性地控制那些與多個光傳播路徑有關(guān)的光路，照射光位置通過光學(xué)開關(guān)單元切換有關(guān)的光傳播路徑而改變。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于進一步包括光學(xué)開關(guān)單元(9)和移動機構(gòu)，光學(xué)開關(guān)單元(9)配置成用于允許光源(8)的照射光通過多個光傳播路徑(42)而作用到患者上并有選擇性地控制那些與多個光傳播路徑有關(guān)的光路，移動機構(gòu)配置成用于根據(jù)光照射位置的改變而移動聲信號檢測單元(11)光照射，位置通過光學(xué)開關(guān)單元切換有關(guān)的光傳播路徑而確定。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，特征在于進一步包括配置成用于移動照射單元的機構(gòu)，照射光的照射位置通過移動照射單元而改變。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于進一步包括配置成用于移動照射單元的照射單元移動機構(gòu)；以及配置成用于移動聲信號檢測單元的檢測單元移動機構(gòu)，其中，檢測單元移動機構(gòu)根據(jù)照射光的照射位置而移動聲信號檢測單元，照射光的照射位置是由照射單元移動機構(gòu)移動照射單元而確定的。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，所述特定物質(zhì)是葡萄糖，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍400-2500nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，特征在于，所述特定物質(zhì)是血色素，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍500-1600nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
24.一種對活體信息進行非侵入式測量的裝置，特征在于包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源(8)；配置成發(fā)射光的照射單元(10)；以及對所述光的特定波長分量具有光學(xué)透光度的聲信號檢測單元(11)，聲信號檢測單元(11)布置在患者和照射單元之間并配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的，其中，從照射單元發(fā)射的光作為照射光，通過聲信號檢測單元作用到患者上。
25.一種對活體信息進行非侵入式測量的裝置，特征在于包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源(8)；配置成照射所述光到患者上的照射單元(10)，所述光作為照射光；以及具有壓電元件的聲信號檢測單元(11)，該壓電元件對所述光的特定波長分量具有光學(xué)透明度，聲信號檢測單元(11)配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
26.一種對活體信息進行非侵入式測量的方法，特征在于包括從照射單元(10)輸出由光源(8)產(chǎn)生的包含特定波長分量的光；用來自照射單元(10)的光穿過至少一個聲信號檢測單元(11)而照射患者，聲信號檢測單元(11)包括由包含鈦酸鉛的壓電單晶體形成的壓電元件(30)；以及由聲信號檢測單元(11)檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
27.一種對活體信息進行非侵入式測量的方法，特征在于包括從照射單元(10)輸出由光源(8)產(chǎn)生的包含特定波長分量的光；用從照射單元(10)輸出的光穿過至少一個聲信號檢測單元(11)而照射患者，聲信號檢測單元(11)對所述光具有光學(xué)透光度；以及由聲信號檢測單元(11)檢測聲信號，所述聲信號是因所述光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括從多個光傳播路徑(42)中選擇一個理想的光傳播路徑(42)，以改變光照射位置，所述多個光傳播路徑設(shè)置在光源(8)和照射單元(10)之間。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括從多個光傳播路徑(42)中選擇一個理想的光傳播路徑(42)，以改變光照射位置，所述多個光傳播路徑設(shè)置在光源(8)和照射單元(10)之間。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括從多個光傳播路徑(42)中選擇一個理想的光傳播路徑(42)，以改變光照射位置，所述多個光傳播路徑(42)設(shè)置在光源(8)和照射單元(10)之間；以及根據(jù)改變的光照射位置移動聲信號檢測單元(11)。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括從多個光傳播路徑(42)中選擇一個理想的光傳播路徑(42)，以改變光照射位置，所述多個光傳播路徑設(shè)置在光源(8)和照射單元(10)之間；以及根據(jù)改變的光照射位置移動聲信號檢測單元(11)。
32.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括移動照射單元以改變光照射位置。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括移動照射單元以改變光照射位置。
34.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括用溫度控制單元(13)控制患者測量部位的溫度。
35.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括用溫度控制單元(13)控制患者測量部位的溫度。
36.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括用傳感器(15)檢測聲信號檢測單元(11)與患者的接觸。
37.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括用傳感器(15)檢測聲信號檢測單元(11)與患者的接觸。
38.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于進一步包括根據(jù)傳感器(15)檢測的接觸程度移動聲信號檢測單元，或者停止照射單元(10)的光照射。
39.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于進一步包括根據(jù)傳感器(15)檢測的接觸程度移動聲信號檢測單元(11)，或者停止照射單元(10)的光照射。
40.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于，多個聲信號檢測單元(11)布置在一個平面上。
41.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于，多個聲信號檢測單元(11)布置在一個平面上。
42.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于，所述特定物質(zhì)是葡萄糖，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍400-2500nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
43.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于，所述特定物質(zhì)是葡萄糖，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍400-2500nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
44.如權(quán)利要求26所述的方法，特征在于，所述特定物質(zhì)是血色素，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍500-1600nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
45.如權(quán)利要求27所述的方法，特征在于，所述特定物質(zhì)是血色素，照射光是指定波長區(qū)域中的至少一種光，所述指定波長區(qū)域與從波長范圍500-1600nm中選擇的一部分或全部相對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及對活體信息進行非侵入式光聲學(xué)測量的方法和裝置，其中所述裝置包括配置成用于產(chǎn)生包含特定波長分量的光的光源(8)；配置成使用所述光照射患者的照射單元(10)；以及，至少一個包括壓電元件(30)的聲信號檢測單元(11)，其中，壓電元件(30)由包含鈦酸鉛的壓電單晶體形成并配置成用于檢測聲信號，所述聲信號是因照射光的能量被患者體內(nèi)或體表上存在的特定物質(zhì)吸收而產(chǎn)生的。
文檔編號G01N29/24GK1493252SQ03103549
公開日2004年5月5日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者金山省一, 逸見和弘, 奧馬·S.·卡李爾, 斯坦尼斯勞·肯特, S. 卡李爾, 弘, 斯勞 肯特 申請人:株式會社東芝