专利名称：对活体进行非侵入式光声学测量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用光声学频谱对试样的至少一个参数进行非侵入式测量的方法和装置，所述参数例如为一种或多种分析物的存在和/或浓度、或者为表征人体部分组织的物理和/或化学常数。
背景技术：
试样分析和它所含成分的浓度测量在化学和生物学中是一个普遍和重要的过程。具体地，对生物液体如血液、组织液、尿液或唾液进行分析以确定各种成分的浓度并确定病状，对于包括糖尿病和心脏病的各种疾病的诊断和治疗都是重要的。在各种疾病如肿瘤的诊断中，对表征组织的物理和/或化学常数的测量也是有效果的。一种用于测量血液中分析物浓度的代表性装置是糖尿病患者使用的血糖计。目前，用于自测试的血糖计使用由患者(subject)例如用针或手术刀刺手指或手臂而从自身采的少量血样，以测量患者的血糖水平。例如，酶电极用于测量葡萄糖含量。在电极的大分子膜上固定称为葡萄糖氧化酶(GOD)的酶。当血液接触该膜时，在有GOD存在的情况下，血液中的葡萄糖与氧发生反应。通过测量所消耗氧的变化，可以确定葡萄糖的浓度。目前有效的血糖计是便携式的，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伤害患者的皮肤，因为它必须用针或手术刀刺身体的一部分。因此，尽管需要一天5次或更多次地频繁监视以严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。
在美国专利6074383和5458140中公布利用激光或超声波提取血液或组织液的最低限度侵入皮肤的微孔方法。另一方面，在日本专利kokai 60-236631和kokai 02-191434中公布使用可见光和/或近红外光的非侵入式监视方法和装置，所述方法和装置既不需要用针或手术刀刺身体的一部分也不提取诸如血液或组织液的试样。非侵入式测量不需执行任何侵入程序，如移动血样或活体组织样本，就可确定患者的分析物或病状，此种测量具有几个优点。所述优点包括易于使用，减轻痛苦和不适，并降低受到潜在生物�：Φ目赡苄�。
在这，可见光指在约380nm-约770nm范围内的电磁波；近红外光指在约770nm-约1500nm范围内的电磁波；中红外光指在约1500nm-约3000nm范围内的电磁波；远红外光指在约3000nm-约25000nm范围内的电磁波。
上述日本专利申请公布用于对患者进行葡萄糖浓度测量的方法，该方法用多波长的近红外光照射患者的皮肤表面，检测在患者中漫射和/或散射的光，检测到的信号分为基准信号和目标信号，从这些信号计算葡萄糖浓度。在上述日本专利申请中还公布，卤钨灯、半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)可用作近红外光的光源，光电二极管(PD)可用作漫射和/或散射红外光的检测器。
使用可见光和/或近红外光对生物物质进行非侵入式光谱监视比使用中红外光或远红外光更有优点。所述优点是对水溶液的组织穿透率高并且分析能力高，因为水对可见光和/或近红外光的吸收率较低，而水正是人体的主要组分。
另一方面，使用可见光和/或近红外光的非侵入式光谱监视也有以下缺点。分子振动产生的信号低至约百分之一(1/100)，而且与使用中红外光或远红外光相比，难以指明该信号的属性。
在美国专利5348002、日本专利kokai 10-189和日本专利kokai11-235331中还公布其它非侵入式葡萄糖测量方法。这些专利公布的方法和葡萄糖浓度测量装置使用近红外光照射患者皮肤，并且因患者体内葡萄糖分子吸收照射能量而产生的光声信号由检测装置检测。在所述专利公布的光声频谱学中，麦克风器件或诸如锆钛酸铅(PZT)陶瓷的压电振动器通常用作检测装置。
然而，由于产生的光声信号非常弱，即使在使用重复测量和信号平均化之后，也难以获得具有良好信噪比的光声信号，其中，良好信噪比是测量葡萄糖浓度所必需的。
上述用于非侵入式监视的方法和装置可应用于除了葡萄糖以外的其它物质和分析物，如胆固醇、天然脂肪和血色素。
发明内容
相应地，本发明的目的是提供对活体进行非侵入式测量的方法和装置，该方法和装置可以高度准确地测量非常弱的声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
在本发明的第一方面中，提供一种对活体进行非侵入式测量的装置，包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源；配置成使用所述光照射患者的照射单元；以及，至少一个包括压电元件的声信号检测单元，其中，压电元件由包含钛酸铅的压电单晶体形成并配置成用于检测声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
在本发明的第二方面中，提供一种对活体进行非侵入式测量的装置，包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源；配置成发射光的照射单元；以及，对所述光的特定波长分量具有光学透光度的声信号检测单元，声信号检测单元布置在患者和照射单元之间并配置成用于检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的，其中，从照射单元发射的光作为照射光，通过声信号检测单元作用到患者上。
在本发明的第三方面中，提供一种对活体信息进行非侵入式测量的装置，包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源；配置成照射所述光到患者上的照射单元，所述光作为照射光；以及，具有压电元件的声信号检测单元，该压电元件对所述光的特定波长分量具有光学透明度，声信号检测单元配置成用于检测声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
在本发明的第四方面中，提供一种对活体信息进行非侵入式测量的方法，包括从照射单元输出由光源产生的包含特定波长分量的光；用来自照射单元的光穿过至少一个声信号检测单元而照射患者，声信号检测单元包括由包含钛酸铅的压电单晶体形成的压电元件；以及，由声信号检测单元检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
在本发明的第五方面中，提供一种对活体进行非侵入式测量的方法，包括从照射单元输出由光源产生的包含特定波长分量的光；用从照射单元输出的光穿过至少一个声信号检测单元而照射患者，声信号检测单元对所述光具有光学透光度；以及，由声信号检测单元检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
本发明的其它目的和优点将在以下的描述中提出，而且，部分目的和优点将从以下描述变得清晰，或者可从本发明的实践中了解。借助以下具体提出的手段和组合，本发明的目的和优点可得以实现。
附图包含在本文中并构成本文的一部分，它们与以上的概述和以下优选实施例的详细描述一起说明本发明目前的优选实施例，并用于解释本发明的原理。
图1为示出与本发明第一实施例有关的对活体信息进行非侵入式测量的装置的结构示意图。
图2为示出与本发明第一实施例有关的一部分装置的示意图，所述一部分装置具体为光源单元和光学波长多路传输单元。
图3为示出与本发明第二实施例有关的对活体信息进行非侵入式测量的装置的结构示意图。
图4为在第二实施例的变型中具有物镜的声信号检测单元的横截面视图。
图5为在第二实施例的变型中声信号检测单元阵列的透视图。
图6为示出与本发明第三实施例有关的对活体信息进行非侵入式测量的装置的结构示意图。
图7为示出与本发明第四实施例有关的装置的结构示意图，所述结构具体为用于检测声信号的压电材料-聚合物复合传感器。
图8为示出与本发明第四实施例有关的对活体信息进行非侵入式测量的装置的光照射/光声信号检测单元的横截面视图。
图9为示出第四实施例的变型中光照射/光声信号检测单元的横截面视图。
图10为示出第四实施例的变型中光照射/光声信号检测单元的横截面视图。
具体实施例方式
图1为与本发明第一实施例有关的对活体信息进行非侵入式测量的装置的示意图。在图1中，光源单元8辐射一个或多个单色光束或具有所需中心波长和带宽的光束。当有两个或多个光束从光源单元8辐射时，它们由光学多路复用器/波导单元9多路传输。接着，所述光束经过构成光学多路复用器/波导单元9一部分的光波导管而引导到照射单元10，并且所述光由照射单元10照射到患者14的测量部位上，其中，光波导管例如为光纤、光学薄膜波导管或自由空间。而且，光源单元8产生基准光信号16，基准光信号16是电信号并且与每个单色光或具有所需中心波长和带宽的光的强度成比例。
通过照射光而在患者14内产生的声信号由光声信号检测单元11检测，并转换成电信号。电信号和基准光信号16在信号放大器单元12中被放大到足够的波幅，然后传输到数据采集单元7。光声信号检测单元11具有由压电单晶体固溶体系统构成的压电元件，压电单晶体至少包括作为主要成分的钛酸铅。
例如，压电单晶体按以下方法制作。PbO、ZnO、Nb2O5和TiO2用作起始材料。测量起始材料的重量，以使锌铌酸铅(PZN)和钛酸铅(PT)满足摩尔比91∶9。随后，所述材料被加热到1260℃，长达5小时，接着以0.8℃/hr的冷却速率逐渐冷却到800℃，最后允许冷却到室温。
然后，用劳厄X射线照相机检测所得到的单晶体的
轴，用划片机沿与
轴垂直的方向对单晶体切片，研磨成厚度为0.2-5mm，在切片的相反表面上溅镀形成Ti/Au电极。对这些单晶体晶片进行极化工艺在硅油中把晶片加热到200℃，然后在施加1kV/mm电场的同时把晶片冷却到40℃。所得到的振动器用划片机切成5-10mm的大小，从而，由上述工艺获得的压电单晶体(压电单晶体的固溶体系统)用作信号检测单元。现在，压电单晶体可称作PZNT单晶体。PZNT单晶体的压电常数g33为约43×10-3Vm/N，它大约比普通压电陶瓷g33(43×10-3Vm/N)大1.7倍。
照射单元10、光声信号检测单元11、温度控制单元13和接触传感器15构成与患者14接触的人体界面17。温度控制单元13布置在患者14的测量部位附近，并控制该部位的温度。热电冷却器，例如通过改变作用电流或电压可控制温度的Peltier元件，用作温度控制单元13。例如，测量部位的温度由温度控制单元13控制为在20℃和40℃之间的常温。由于光声信号受测量部位的温度影响，因此，测量部位的温度控制提高测量的准确度。
光声信号测量还受患者14体内的测量部位和人体界面17之间的接触程度的影响。接触传感器15检测测量部位和人体界面17的接触程度，接触传感器15的信号用于控制测量协议。例如，当测量部位和人体界面17完全接触时，执行测量。当没有患者或物体与人体界面17接触时，通过由控制单元3控制不向装置外部发射光，也有可能避免危险，如照射光会对眼球造成伤害。例如，测量压力或电阻的器件可用作接触传感器15。进而，用于调节测量部位和人体界面17接触程度的器件可连接在一部分人体界面17中，并且该器件可由接触传感器15的信号控制。机械致动器或压电致动器可用作该器件。
进而，在界面17设置接触程度调节机构18，以调节患者14的测量部位和人体界面17之间的接触程度。接触程度可由接触传感器15的信号调节。所用的调节机构18可由机械致动器和压电致动器制成，其中，机械致动器用于使界面17或其一部分动作，而压电致动器利用压电元件的位移。如果接触传感器15检测到的接触程度过高，这意味着对患者14的测量部位造成过强的刺激或伤害。为了避免此种危险，任何一个安全措施都可保证停止它的测量操作，例如停止光的照射。通过由控制单元3控制调节机构18，可进一步增强安全级别，从而，在停止测量操作的同时，把界面17从测量部位移开。如果接触传感器15检测到的接触程度不在正常范围内，通过调节接触程度、或停止光的照射等就可执行控制，以便保持安全。
传输到数据采集单元7的电信号在数据采集单元7中进行数字化并被采集。数字信号用于在信号处理单元6中进行信号处理，以获得所需的人体信息。接着，信号处理的结果，包括所需的人体信息，储存在数据存储单元4中，并且如果需要就在显示单元1上显示。在显示单元1上的显示方法为诸如屏幕显示的视觉通讯方法、或诸如语声的听觉通讯方法、或诸如振动的触觉通讯方法、或这些方法的组合。操作单元2可由患者或另一操作者使用。操作单元2的用户界面可以是键盘、鼠标、按钮、触摸-按键-板、语音识别器、或这些器件的组合。
控制单元3根据操作单元2的控制信号、接触传感器15的输出信号等控制显示单元1、数据存储单元4、电源单元5、信号处理器6、数据采集单元7、光源单元8、信号放大器单元12和温度控制单元13。
在光源单元8中，优选使用一个或多个发光器件，如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。作为本发明的一个实例，波长范围为400nm-2500nm的光照射到患者14的测量部位上，用于测量患者14的葡萄糖浓度。对于LD或LED的材料，可使用波长范围为550nm-650nm的InGaAIP、波长范围为650nm-900nm的GaAIAs、和波长范围为900nm-2300nm的InGaAs或InGaAsP。由InGaN制成的发光器件还可用于波长550nm或更短的光。
图2是与本发明第一实施例有关的一部分装置的示意图，所述一部分装置具体为与本发明第一实施例有关的光源单元8和光学波长多路传输单元9。光源20-1、20-2、20-3和20-4发射不同波长的光。发射光束的强度和调制频率由控制单元3的信号控制，此信号控制提供给每个光源的驱动电流。每个光束由准直透镜21-1、21-2、21-3和21-4校准，并由光学过滤器22-1、22-2、22-3和22-4过滤以消除不需要的特性和/或调节光强。然后，不同波长的光束在光轴上由直角棱镜23和二向棱镜24-1、24-2、24-3和24-4多路传输。
合成的光由光束分离器28分成输出光束29和基准光束。基准光通过光学过滤器27和聚焦透镜26进入光电探测器25。光电探测器25检测基准光，并输出基准电信号。在此实例中，示出四个光源。然而，本发明并不局限于此，有可能使用任意数量的光源。工业上可行的用于光学通讯的多路传输器件也可用作光学波长多路传输单元9。
输出光29通过自由空间传播或通过诸如光纤或光学薄膜波导管的光学波导管传输到照射单元10。例如，从照射单元10照射患者14的束斑具有圆形的和均匀的光强分布，并且直径为约0.4mm。照射光的功率低于日本工业标准JIS C 6802“激光产品的辐射安全”中所述的最大允许照射量(MPE)，以便不对活体组织造成伤害。
图3为示出根据本发明第二实施例的对活体进行非侵入式测量的装置的结构示意图。上述PZNT单晶体30用于光声信号检测单元11。PZNT单晶体30在可见光到近红外光的波长范围内具有较高的渗透性，并且在400-6000nm波长范围内透射率一般为约70％。用于液晶显示器和等离子体显示器的透明导电材料，如ITO(二氧化铟锡，In2O3(Sn))，用作电极31。在PZNT单晶体30的两个主要表面上通过溅镀形成电极31。
进而，为了使声阻抗与患者14匹配，声学匹配层32和33在一个电极31上形成。光学透明的环氧树脂可用于声学匹配层。例如，声阻抗约为7×106kg/m2s的树脂可用于声学匹配层32，而声阻抗约为3×106kg/m2s的树脂可用于声学匹配层33。
通过在患者14的接触表面上形成保护薄膜34，可提高光声信号检测单元11的可靠性。光学透明的硅树脂可用于此薄膜34。输出光29可通过光声信号检测单元11照射到患者14上，因为光能穿过具有图3结构的光声信号检测单元11。
希望PZNT单晶体30、声学匹配层32和33以及薄膜34的光学折射率相同或相似。如果需要，可在声学匹配层33和薄膜34之间布置用于控制患者14照射部位的物镜或光学器件。
照射单元10和光声信号检测单元11易于集成并小型化，因为光穿过信号检测单元11并照射到患者14上。因而，还能以矩阵形式布置两个或多个照射和检测单元，以便同时进行多点监视，并且可获得人体信息如葡萄糖浓度的分布。而且，由于可使照射和声信号检测的位置相同，因此可提高声信号的检测效率。
注意，如图4所示，在声学匹配层33和保护薄膜34之间可布置用于控制患者14照射部位的可向前/向后移动物镜35或光学波导管。通过允许从照射单元10照射的光束被引导穿过光声信号检测单元11而照射到患者上，有可能把照射单元10和光声信号检测单元11构造为集成而紧凑的单元。
因此，如图5所示，多个信号检测单元11以及多个照射单元10能以高集成密度结构以矩阵形式布置。通过此结构，控制单元3根据由多个信号检测单元11在不同检测位置上检测到的多个活体特征，能以二维或三维方式创建活体特征的空间分布，如患者内的葡萄糖或血色素浓度分布。进而，由于光束照射位置和信号检测位置之间的距离可保持不变，因此通过优化此距离，有可能使声信号的检测效率最大化，并因而提高测量准确度。
为了以二维或三维方式获得活体特征的空间分布，可设置用于移动照射单元10的移动机构，以取代设置多个照射单元10。在此情况下，照射单元10在图5所示的信号检测单元11阵列上由移动机构移动，以允许改变光的照射位置，并允许在不同的检测位置(二维或三维位置)上检测活体信息。排成阵列的信号检测单元一侧布置得允许所有信号检测单元11检测相应的信号，或者根据照射位置的变化而允许在其切换的光声信号检测单元11上检测相应的信号。进一步地，移动机构可制作得移动照射单元10和光声信号检测单元11。在此情况下，通过由移动机构移动照射单元10到相应的光照射位置并且也移动光声信号检测单元11到此位置，可在不同的位置(二维或三维位置)上检测活体特征。
根据本实施例，信号检测单元由使用压电单晶体固溶体系统的透明压电元件形成，并有可能在光照射单元和患者之间布置信号检测单元，其中，压电单晶体包含钛酸铅。通过这样做，有可能垂直地引导照射光到患者上并通过压电元件从患者垂直地接收声信号。因此，有可能提高声信号的检测效率，并以较高的灵敏度检测声信号，从而提高测量准确度。进而，照射单元和信号检测单元可构造为整体结构，因而使所实现的装置成为紧凑的单元。
图6为示出与本发明第三实施例有关的对活体特征进行非侵入式测量的装置的结构示意图。从光源40-1、40-2和40-3发射的两个或多个波长的光束由光学多路复用器单元41在光轴上多路传输。合成的光通过光纤42传输到分光器/开关单元43，并被分光器/开关单元43划分、分支或多路分解。分光器/开关单元43还控制照射光束是否通过光纤42和光照射/光声信号检测单元44照射到患者14上。
光照射/光声信号检测单元44具有两个或多个照明通道和/或信号检测通道，以便能在两个或多个位置上同时进行测量。通过照射光而从患者14发射的声信号在光照射/光声信号检测单元44中检测，然后，由信号放大单元12放大，并通过试样保持/多路复用器单元46传输到数据采集单元7。也可同时采集来自所有信号检测通道的声信号。在数据采集单元7中得到的数据在信号处理单元6中处理，获得患者14所需的活体特征。
图8为示出根据本发明的装置的结构示意图，具体为示出用于检测声信号的压电材料-聚合物复合传感器。图7为示出根据本发明第四实施例的对活体特征进行非侵入式测量的装置的结构示意图。以下描述制作图7所示压电材料-聚合物复合传感器的方法。
首先，如前所述地制备PZNT单晶体晶片。晶片研磨成约0.5-5mm的厚度，并用刀片厚度为0.1-0.6mm的划片机执行切分。使用切分的半切割方法，即，余下的切割部分为约0.05mm并且切分间距为0.5-1mm。环氧树脂注入到切口中，接着固化。环氧树脂的声阻抗为3×106kg/m2s，并且也是光学透明的。其次，与前一切口垂直地形成相似切口，环氧树脂注入到这些切口中并固化。然后，最后的切割通过研磨除去，并用溅镀在两侧上形成ITO电极。因而完成压电材料-聚合物复合传感器。
图7所示的压电材料-聚合物复合传感器称为1-3型结构，其结构为压电棒30以矩阵形式嵌入到由树脂50制成的基体中。此压电材料-聚合物复合传感器的电磁耦合系数可达到85％或更多。
如图8所示，声学匹配层32、33和薄膜34在压电材料-聚合物复合传感器的两侧上形成。与本发明第二实施例相似地，光学透明的树脂用于声学匹配层32、33和薄膜34。输出光29可照射到患者14上，因为它可穿过光照射/光声信号检测单元44。
光学不透明的PZT陶瓷也可用于替代压电晶体棒30。在此情况下，输出光29穿过压电材料-聚合物复合传感器的树脂50的光学透明基体，照射到患者14上。
在上述实例中，描述用于制作1-3型压电材料-聚合物复合传感器的方法，但此方法可被修改。例如，首先执行单晶体的完全切割，或首先对单晶体进行矩阵切割，然后填充树脂。而且，不一定完全除去未切割部分。它们与2-2型结构的方法相似。进而，如果环氧树脂分两阶段填充，在每个制作过程中就可使用不同的树脂。在制作压电材料-聚合物复合传感器之后，可执行复极化工艺。
以上描述使用铌酸锌和钛酸铅固溶体系统的压电单晶体的实例。这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，可用熔剂法、Bridgman(布里奇曼)方法、Kyropoulous方法(熔盐拉制方法)、区域熔化方法、水热生长方法等培养压电单晶体。在以上描述中，电极通过溅镀形成。然而，也可使用其它方法，如烘焙或蒸汽淀积。当压电单晶体30的光学折射率和透射率制作得与树脂部分50的相同或相似时，输出光29可穿过压电材料-聚合物复合传感器的任何部分。
为替代使用光纤42，照射单元10可布置在图9所示压电元件30和树脂部分50的复合结构上。
如图10所示，多个压电元件30布置成具有透明树脂部分50的紧凑阵列，其中，透明树脂部分50只在光照射路径上形成。
下面以测量活体信息的更详细实例描述患者14内葡萄糖浓度的非侵入式测量。为了获得患者14内由所需分子产生的声信号，在葡萄糖分子、水分子等的吸收光谱带中的多个波长(400-2500μm)的光束(电磁波)以脉冲形式分别作用到患者14的皮肤表面上。此时，各个照射光束通过照射单元10作用到患者14上，其中，照射单元10构成界面17的一部分。此时，吸收作用到患者14上的各个光束能量的预期分子产生声信号。这里假设至少从预期分子产生的一个声信号是由葡萄糖分子产生的声信号。声信号由声信号检测单元11在患者皮肤表面部分上检测(例如，在接近更好的关节部位皮肤的位置上，其中，血管通过此部位)。每个信号在信号处理器6中处理，提取来自葡萄糖分子的声信号，从此信号强度计算患者14内的葡萄糖浓度。
除了葡萄糖浓度以外，通过施加电磁波(优选从500-1600nm的波长范围选择的一个或多个波长的光)也有可能测量患者体内的血液分布，并识别活体内的受损组织，如包含大量血液的癌症组织，其中所述电磁波例如具有对血液中血色素的吸收频带特性。或者，通过施加与水分子吸收者相应的电磁波，有可能测量患者组织中的水含量。
用没在上面描述的方式对本发明进行修改，可达到相同的效果。例如，由患者14体表和/或体内散射和反射回的光信号，可通过在光声信号检测单元11或光照射/光声信号检测单元44附近布置光检测器如光电二极管，而几乎同时被测量，并且声信号和光信号可用于患者14组织性质的定量分析或定性分析。如以上详细描述的，根据本发明，使用包含压电单晶体固溶体系统的压电元件，有可能高灵敏度地检测声信号，所述压电单晶体至少包含钛酸铅。进而，通过使用压电单晶体作为压电材料-聚合物复合物，有可能提高信号检测的灵敏度。
而且，由于压电单晶体在可见光到近红外光波长范围内具有较高的透光度，并且由于信号检测单元通过对声学匹配层采用光学透明环氧树脂且对电极采用透明导电材料而构造得光学透明的，因此，照射单元的光可穿过信号检测单元，照射到患者上。进一步地，由于照射单元和信号检测单元可集成为一个单元，因此装置的尺寸可制作得紧凑。而且，由于声信号的检测效率提高，因此，更高准确度的监视是有可能的。
对于本领域技术人员而言，其它优点和改变将容易实现。因此，在广义上，本发明不局限于在此示出和描述的特定细节和代表性实施例。相应地，只不偏离后附权利要求及其等效要求所定义的一般发明概念的精神和范围，可对本发明作出各种变更。
权利要求
1.一种对活体特征进行非侵入式测量的装置，特征在于包括配置成用于产生包含特定波长成分的光的光源(8)；配置成使用所述光照射患者的照射单元(10)；以及至少一个包括压电元件(30)的声信号检测单元(11)，其中，压电元件(30)由包含钛酸铅的压电单晶体形成并配置成用于检测声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
2.如权利要求1所述的装置，特征在于，压电单晶体由以下通用分子式表示，Pb[(B1，B2)1-xTix]O3其中，x＝0.05～0.55；B1代表从包括Zn、Mg、Ni、Sc、In和Yb的组中选择的一种元素，B2代表从包括Nb和Ta的组中选择的一种元素。
3.如权利要求1所述的装置，特征在于，压电元件(30)对照射光的特定波长分量具有透光度。
4.如权利要求3所述的装置，特征在于，声信号检测单元(11)布置在照射单元和患者之间，以便允许照射单元的特定波长分量的照射光通过声信号检测单元(11)作用到患者上。
5.如权利要求1所述的装置，特征在于，在声信号检测单元(11)中，压电元件(30)布置在一个平面上。
6.如权利要求1所述的装置，特征在于，声信号检测单元(11)对所述光的特定波长分量具有30％或更大的透光度。
7.如权利要求1所述的装置，特征在于，特定波长分量在600-5000nm的范围内。
8.如权利要求3所述的装置，特征在于进一步包括在压电元件(30)的每一个主要表面上形成的透明电极(31)，所述透明电极对所述光的特定波长分量具有透光度。
9.如权利要求1所述的装置，特征在于，声信号检测单元(11)包括压电材料和树脂的复合结构。
10.如权利要求9所述的装置，特征在于，树脂(50)填充在压电元件(30)之间的间隙中。
11.如权利要求9所述的装置，特征在于，树脂(50)对所述光的特定波长分量具有透光度。
12.如权利要求11所述的装置，特征在于，所述光在穿过树脂部分之后作用到患者上。
13.如权利要求11所述的装置，特征在于，压电元件(30)对所述光的特定波长分量具有透光度，并且，压电元件(30)的光折射率和透射率与树脂(50)的几乎相等。
14.如权利要求1所述的装置，特征在于进一步包括配置成用于控制患者测量部位的温度的温度控制单元(13)。
15.如权利要求1所述的装置，特征在于进一步包括配置成用于检测声信号检测单元与患者接触的传感器(5)。
16.如权利要求15所述的装置，特征在于进一步包括配置成根据所述传感器检测的接触程度而移动声信号检测单元的机构(18)。
17.如权利要求1所述的装置，特征在于，多个声信号检测单元(11)布置在一个平面上。
18.如权利要求17所述的装置，特征在于进一步包括光学开关单元(9)，光学开关单元(9)配置成用于引导光源(8)的照射光通过多个光传播路径(42)而到达患者，并有选择性地控制那些与多个光传播路径有关的光路，照射光位置通过光学开关单元切换有关的光传播路径而改变。
19.如权利要求1所述的装置，特征在于进一步包括光学开关单元(9)和移动机构，光学开关单元(9)配置成用于允许光源(8)的照射光通过多个光传播路径(42)而作用到患者上并有选择性地控制那些与多个光传播路径有关的光路，移动机构配置成用于根据光照射位置的改变而移动声信号检测单元(11)光照射，位置通过光学开关单元切换有关的光传播路径而确定。
20.如权利要求17所述的装置，特征在于进一步包括配置成用于移动照射单元的机构，照射光的照射位置通过移动照射单元而改变。
21.如权利要求1所述的装置，特征在于进一步包括配置成用于移动照射单元的照射单元移动机构；以及配置成用于移动声信号检测单元的检测单元移动机构，其中，检测单元移动机构根据照射光的照射位置而移动声信号检测单元，照射光的照射位置是由照射单元移动机构移动照射单元而确定的。
22.如权利要求1所述的装置，特征在于，所述特定物质是葡萄糖，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围400-2500nm中选择的一部分或全部相对应。
23.如权利要求1所述的装置，特征在于，所述特定物质是血色素，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围500-1600nm中选择的一部分或全部相对应。
24.一种对活体信息进行非侵入式测量的装置，特征在于包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源(8)；配置成发射光的照射单元(10)；以及对所述光的特定波长分量具有光学透光度的声信号检测单元(11)，声信号检测单元(11)布置在患者和照射单元之间并配置成用于检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的，其中，从照射单元发射的光作为照射光，通过声信号检测单元作用到患者上。
25.一种对活体信息进行非侵入式测量的装置，特征在于包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源(8)；配置成照射所述光到患者上的照射单元(10)，所述光作为照射光；以及具有压电元件的声信号检测单元(11)，该压电元件对所述光的特定波长分量具有光学透明度，声信号检测单元(11)配置成用于检测声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
26.一种对活体信息进行非侵入式测量的方法，特征在于包括从照射单元(10)输出由光源(8)产生的包含特定波长分量的光；用来自照射单元(10)的光穿过至少一个声信号检测单元(11)而照射患者，声信号检测单元(11)包括由包含钛酸铅的压电单晶体形成的压电元件(30)；以及由声信号检测单元(11)检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
27.一种对活体信息进行非侵入式测量的方法，特征在于包括从照射单元(10)输出由光源(8)产生的包含特定波长分量的光；用从照射单元(10)输出的光穿过至少一个声信号检测单元(11)而照射患者，声信号检测单元(11)对所述光具有光学透光度；以及由声信号检测单元(11)检测声信号，所述声信号是因所述光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
28.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括从多个光传播路径(42)中选择一个理想的光传播路径(42)，以改变光照射位置，所述多个光传播路径设置在光源(8)和照射单元(10)之间。
29.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括从多个光传播路径(42)中选择一个理想的光传播路径(42)，以改变光照射位置，所述多个光传播路径设置在光源(8)和照射单元(10)之间。
30.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括从多个光传播路径(42)中选择一个理想的光传播路径(42)，以改变光照射位置，所述多个光传播路径(42)设置在光源(8)和照射单元(10)之间；以及根据改变的光照射位置移动声信号检测单元(11)。
31.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括从多个光传播路径(42)中选择一个理想的光传播路径(42)，以改变光照射位置，所述多个光传播路径设置在光源(8)和照射单元(10)之间；以及根据改变的光照射位置移动声信号检测单元(11)。
32.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括移动照射单元以改变光照射位置。
33.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括移动照射单元以改变光照射位置。
34.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括用温度控制单元(13)控制患者测量部位的温度。
35.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括用温度控制单元(13)控制患者测量部位的温度。
36.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括用传感器(15)检测声信号检测单元(11)与患者的接触。
37.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括用传感器(15)检测声信号检测单元(11)与患者的接触。
38.如权利要求26所述的方法，特征在于进一步包括根据传感器(15)检测的接触程度移动声信号检测单元，或者停止照射单元(10)的光照射。
39.如权利要求27所述的方法，特征在于进一步包括根据传感器(15)检测的接触程度移动声信号检测单元(11)，或者停止照射单元(10)的光照射。
40.如权利要求26所述的方法，特征在于，多个声信号检测单元(11)布置在一个平面上。
41.如权利要求27所述的方法，特征在于，多个声信号检测单元(11)布置在一个平面上。
42.如权利要求26所述的方法，特征在于，所述特定物质是葡萄糖，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围400-2500nm中选择的一部分或全部相对应。
43.如权利要求27所述的方法，特征在于，所述特定物质是葡萄糖，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围400-2500nm中选择的一部分或全部相对应。
44.如权利要求26所述的方法，特征在于，所述特定物质是血色素，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围500-1600nm中选择的一部分或全部相对应。
45.如权利要求27所述的方法，特征在于，所述特定物质是血色素，照射光是指定波长区域中的至少一种光，所述指定波长区域与从波长范围500-1600nm中选择的一部分或全部相对应。
全文摘要
本发明涉及对活体信息进行非侵入式光声学测量的方法和装置，其中所述装置包括配置成用于产生包含特定波长分量的光的光源(8)；配置成使用所述光照射患者的照射单元(10)；以及，至少一个包括压电元件(30)的声信号检测单元(11)，其中，压电元件(30)由包含钛酸铅的压电单晶体形成并配置成用于检测声信号，所述声信号是因照射光的能量被患者体内或体表上存在的特定物质吸收而产生的。
文档编号G01N29/24GK1493252SQ03103549
公开日2004年5月5日 申请日期2003年1月29日 优先权日2002年10月31日
发明者金山省一, 逸見和弘, 奥马·S.·卡李尔, 斯坦尼斯劳·肯特, S. 卡李尔, 弘, 斯劳 肯特 申请人:株式会社东芝
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