用来探测在人体与所发明的装置之间热量交换及其与人体中的葡萄糖浓度的关系的方法和装置

用来探测在人体与所发明的装置之间 热量交换及其与人体中的葡萄糖浓度 的关系的方法和装置

本发明涉及一种用来探测人体与所发明的装置之间的相互作用的电子 装置，所发明的装置允许无损伤地检测人体诸部分中的葡萄糖浓度，特别 是人的血液中的葡萄糖浓度。 1.1物理背景 1.1.1热量和温度

温度，或者确切地说是热能，是材料组成部分的各个动能之和。这一 平均能量对所有的质点来说是相同的，尽管与质量无关：

<W>＝1/2m<v²> 温度只是分子平均动能另一种度量。如果考虑到平移位能，则其平均值由 下式给出：

<W_trans>＝1/2m<v²>＝3/2kT 在这个温度的一般定义中，m代表质量，<v²>代表分子的方均速度。波 耳兹曼常数k具有值

k＝1.381×10^-23JK^-1 1.1.2温度测量

基本上，温度测量方法能基于材料性质与温度之间的每一种已知的可 重复的关系。例如，在实际中，利用液体的膨胀、电阻的变化、声速在固 体中的变化等来测量温度。 1.1.2.1热敏电阻和热电偶

某些热敏电阻和热电偶由于其机械尺寸小，特别适用于本发明范围的 温度测量。在大多数半导体中，电阻的温度系数是负的(高温导体，或“N TC-电阻”或简称为“NTC”<负温度系数>)。

热电偶是电气温度计，最经常地用在1K至3000K的温度范围 内。尽管测量的不确定性大于电阻，但热电偶更易于制造、所占空间小、 响应时间短并且特别适于测量温度差。使用电压补偿器或高欧姆电压表来 测量热电压。 1.1.3热传递的原理

热能基本上通过辐射、热传导或流动(对流)来传递。 1.1.3.1热辐射

热辐射具有象光一样的电磁特性。甚至有可能把热释放到真空中。这 种释放仅取决于辐射体的温度。热辐射也称为温度辐射或热辐射。 1.1.1.3.2热流动

热流动假定在液体或气体中有宏观运动，该液体或气体的热量以这种 方式传递到其他位置。 1.1.3.3热传导

热传导仅发生在物质的内部，但与其宏观运动无关，而仅与由分子之 间的碰撞所引起的能量传递有关。它假定分子能量存在局部差异，这就是 温度降。常常是通过热传递来平衡这种导致温度分布暂时变化的温度降。 1.1.3.3.1在绝缘体中的热传导

在金属中，热象电流那样主要通过导电电子来传递，而在绝缘体中则 通过声子来传递。声子是它们赖以产生的波场的弹性晶格振动的量子(能 量的最小单位)。正如可以把固体的热量认为是其声子气体的能量一样， 其中的热传导如同在声子气中的热传递现象那样发生。热能以两种方式在 气体中传递： a)作为比其周围热的流动气体的补充能量，如在热交换器中那样。 b)在保持温度梯度不变时作为在静止气体中的能量扩散，由于该气体要 与其周围的每个地方处于热平衡。

只有第二种方式(b)是热传导，并且导热率是热流动与T一梯度之 间的比例常数。 1.2生理背景 1.2.1血糖的生物节律

正常人和病人的网织(close-mesh)血糖昼夜分布表现出相似点，如 在黄昏上升，在夜里下降，在清晨再次升高，尽管外部因素如年纪、营养、 疾病等很不相同，这些相似点似乎反映了内原的和营养的周期性。这种周 期性的波动称为昼夜节律。这与周期为24小时的生物节律有关。即使两 个重要的环境周期因素如光和环境温度保持恒定时，这种生物节律也会持 续。

在多细胞生物体中，不仅整个生物体的功能而且各个器官和细胞的功 能也受节律的支配，这些节律相互之间以及与环境的周期性之间都有特定 的关系，并且这些节律称之为“昼夜体制”(circadian organization)。 糖元、糖元合成酶和糖元磷酸化酶以及相应的血糖浓度允许检测独特的平 行节律。

在人体中，植物性功能如脉搏、血压、呼吸、体温等也受昼夜周期性 的支配。例如，由于8-12和16-19点的各个波动，活动阶段持续 着。在此期间，新陈代谢为分解代谢。例如，体温、血压和血糖浓度升高。 人能够工作。相反，迷走神经恢复阶段在13-15和22-6点之间。 上述的参数较低，人准备休息。这些阶段受作息时间的支配，这种作息时 间对上白班者或上夜班者各有不同的分配。 1.2.2生理学和体温的调节

主要的化学热量产生过程和物理热量损失在受控循环系统中是相关 的。

把热量损失过程(物理热量调节)分为热传导、热辐射、热流动、蒸 发、呼吸和分泌。属于热量产生过程的有：1)由于a)基本能量产生和 b)强制热量产生引起的最小热量产生，2)营养诱导的热量产生，及3) 由于a)增加肌肉活动和b)没有肌肉活动所引起的调节热量产生。

对于不断变化的环境温度，人体总是力求保持恒定的体核温度，所以 必须使热量产生和热量吸收与热量损失相平衡。

为了能够测定皮肤表面的温度，首要的是确定通过皮肤表面的热量。 热量的绝大部分是通过皮肤散发到周围去的。下面再次简短地描述四种基 本类型的热传递。

热传导是指相邻位置固定的质点之间的热交换。

热对流描述运动质点(血液、空气)之间的热传递。热辐射的特征在 于每一种电磁辐射，在这种情况下，温度辐射不带有任何热量载体物质的 中转。另一方面，蒸发是在从液相到气相的转化期间热传递的手段。

在室温和安静条件下，绝大部分热量通过辐射来释放。营养诱导生热 导致饭后产热量升高。这一点可通过由消化了的营养转化成体内物质所导 致的ATP损失来解释。必须考虑温度对热量调节的影响。

从体内到体外的热流动包括两部分。第一部分是指体核到皮肤的转 移，第二部分是指皮肤到周围的转移。

传热介质的厚度和导热率以及热转移条件影响热传递。因此，皮肤温 度是内外热量传递和转移条件的函数。传导性热传递仅能在表皮的外层遇 到。在机体的所有其余部分，借助于血液的对流传递起主要作用。末稍具 有特殊的地位。体核与表面之间的热阻可以被设置为最大或最小。它们依 据逆流热交换器的原理而起作用。

皮肤温度和皮肤血液循环

在新陈代谢的中性区，通过控制热量损失来调节体核温度。皮肤温度 在这里变化得比其他区域剧烈。

低于20℃，血液循环量最小，因此皮肤与室温之间的温差 (temperature drop skin-room)和热量损失为零。如果室温上升，则血 液循环量的增加导致皮肤温度上升。

在恒定条件下，体核和表面温度受昼夜节律的支配。末稍的值从上午 6点至中午12点下降约4-5度。然后保持这个水平。在黄昏，末稍的 温度再次上升。此外，体核温度再次上升，直至18点之后再次下降。头 和喉部的表面温度跟随体核温度的变化过程。温度波动基于皮肤中血液循 环量的变化，例如，足部的血液循环量在下午比在夜晚小。额部的血液循 环量与体核温度平行。 本发明的描述

本发明基于对在人体血液的葡萄糖浓度的昼夜波动与在特别适当的部 位所测得的体温的昼夜周期性之间所存在的重大关系的动人揭示。这就提 出了利用体温来测定血液中的葡萄糖。

于是，本发明的目的在于：为了测量体温(例如，表面温度)的目的， 建造一种传感器，对于温度测量其测量的准确度和精度均超过常规的传感 器。另外，也就是本发明具有使温度测量有高的时空分辨率的目的。

因此，本发明不仅描述了一种传感器而且描述了一种方法，他们一起 借助于高精度的温度测量，并且特别是以无损伤的方式，即以对人体无害 的方式而且在某些前提下与人体不接触，允许准确地测定人体中的血糖浓 度。因而，避免了测定血糖常规方法通常所要求的从指尖或耳垂取出毛细 管血液。

此外，本发明基于这样的事实：在人体中具有不同化学或生物化学性 质的多种产热过程。根据其“起源”和其“起源的地点”可以认为这些过 程是不同的“热源”。这些热源中的每一个都发射一种“热谱”，即，热 辐射具有特定的频率范围及特征。

因此，本发明的思想和目的还在于提供一种方法，借助于该方法能够 分别确定和定位上述的热谱，以建造一种允许对辐射到体内的热辐射的频 率进行选择的传感器。

在人体中葡萄糖以某一方式被转化的过程也伴随有某些热量产生/消 耗的过程。一种适当的所发明的数学估计算法允许确定与葡萄糖浓度有关 的所测量的、所选择的热量/温度数据。

所发明的传感器通常以这样一种方式建造，使之能够选择性地借助于 热辐射或借助于热传导或利用这两种热传递机理的组合，来测量从被测物 体辐射的热能。

作为热发射器的热源是人体的一个适当部分，例如，一个手指。所发 明的传感器用作一个接收器。如果要测量通过热传导的热传递，可把手指 放到传感器表面上而与之接触。如果要测量来自手指的热辐射，可将手指 放在传感器表面的上方，保持一定距离，不要接触传感器。必要时可用一 个可能最低导热率的材料(例如，styropor)制造的垫片放置在传感器表 面与手指之间，这就保证能在辐射源与辐射接收器之间产生预定的可重现 的距离。置于传感器表面上的适当垫片还能以可处理的方式设计，即，作 为一种“一次性垫片”。

如果热传导和热辐射都要记录，则以这样一种方式设计传感器，使得 一方面其部分表面与手指相接触，而另一方面例如表面中的一个凹坑，允 许辐射经一段专门的、确定好的距离穿过自由空间，以便其后辐射到该传 感器的对应指定部位。 传感器，一般的实施例

在其最一般的实施例中，传感器的外观如下：整个传感器的外形可以 相差很大。传感器体即传感器壳体，也称作传感器头，具有保持下述的各 个元件并把他们以星座的方式彼此相连以及保护他们免受破坏即弄脏的功 能。

所谓的传感器区域包含(即由如下元件构成)至少一个用来测量热传 导的所谓的测头。即，这种传感器是一根具有确定长度和确定横截面的由 已知的物理性质，准确地说，是具有适于这一目的的导热性质的电绝缘材 料所构成的圆柱形杆。通常，把相同横截面和相同材料但长度不同的多个 测头以及相同横截面和相同长度但材料不同和导热率不同的多个测头以适 当的方式组合起来。    

例如，一种发明的传感包括一个或多个NTC电阻、热电偶、热电探 测器或任何所需数量的上述元件的组合。

每一个测头的下面(即，背离手指的圆柱形杆的圆形表面)至少有一 个温度传感器，即一个上述的NTC电阻。

一个传感器的上面布置有，如果需要，一个由特别高导热率的材料， 例如金，组成的盘(小板)，使得在手指与传感器之间的热传递达到最佳 耦合。

在测头的范围内，通过一个适当的装置建立一个让来自手指的辐射无 阻碍地照射的空间，在辐射源与用来测量这一辐射的辐射探测器(即，N TC)之间，通常是用适当材料，例如锗或硅，制造的滤光镜和透镜以及 诸光闸，或者是任何所需数量和组合的其他光学元件。

辐射源与窗口、滤光镜、光闸等之间以及辐射源与辐射探测器之间的 距离是确定的。适当的垫片保证了这些距离的可重复性。上述的测头本身 能承担诸垫片的功能。类似地，松开的可拆卸垫片能设计成可处理的一次 性垫片。

一个最佳实施例的描述：

用于接触测量的传感器元件(见图1)包括一个具有高热阻的圆形杆 (材料聚氯乙烯)和一个具有良好导热率且不含氧化的接触部分。一个用 于把热信号转换成电信号的传感器连接在这个接触部分下。一方面，该圆 柱形杆用作接触部分的机械夹持装置，另一方面，它是一个用于温度自记 器的重要元件。应该指出，该传感器的连接导线是通过圆柱形杆引出的。 利用现代粘合剂把各个元件粘结起来。

在接触部分与圆柱形杆之间的粘接以这样的方式进行，从而使液体或 其他材料都不会从上部进入传感器部件。利用粘合剂能够选择性地封闭该 圆柱形的底部开口。在图2中，能够看到测量系统的横截面。在壳体壁的 上方是一个具有用于接触测量的传感器元件的传感器体。该传感器元件的 顶部，如在图1中所已经看到的那样，包括如下元件。位于圆柱形杆的圆 形面积下面的是一个温度传感器，即一个NTC电阻。连接在该圆形区域 上部的是一个用来改善热传递特性的由塑料制成的圆盘。在该传感器体的 底部区域，另一个测量微弱热能的NTC电阻位于圆柱形杆上。对于热 谱记录(thermochromatography)，例如，一个或多个传感器布置在圆 柱形杆上，该杆是用于接触测量的一部分。

借助于一个凹坑，建立能让从手指辐射的热线无阻碍地照射的空间。 通过用锗或硅制造的诸滤光镜和透镜以及通过一个光闸，把用于测量的传 感器与辐射源隔离。另一个传感器用于测量空气(基准)。

夹持装置的外形可以不同。把NTC以这样一种方式夹持在这个凹坑 中，以致于允许无接触地测量来自被测物体的热辐射。在适当的位置处， 能够借助于热传导测量来自要测物体的热辐射。

而且，该壳体起保护NTC免受污染和损坏的作用。

一个专用的电子电路把测得的具有24比特分辨率的模拟值转换成数 字数据。这就允许实施分辨率优于10^-4的温度测量。一个包含有估计算法 的(单片)微型计算机把测得的数据与存储的标定函数相比较，并且建立 深度值与温度值的对应关系。

该微型计算机把处理的数据以数字的形式传输给一个适当的显示器 (液晶显示器、监视器等)，该显示器把测得的葡萄糖浓度作为数字值(可 选择为mg/dl或mol/1)来显示。 数学估计算法的原理描述：

首先，标定发明的装置。为了做到这一点，以标定的形式即分析函数 的形式确定测量值与葡萄糖浓度之间的关系。首先，借助于一个函数自动 地检测待估计的量程即与估计有关的信号部分。这一信号部分包括几个不 同的值。确定这些值中的最大值和最小值，并利用减法确定用于估计的统 计值。以这种方式，不仅确定了微弱热能而且确定了热传导和热辐射，以 这种方式计算的数据借助于一个数学函数相连接，并与葡萄糖浓度相关。 在这一过程中不仅要考虑基准而且要考虑室温。总之，按如下进行(大大 地被简化)：根据测量原理，一个测量步骤(依次或同时地，见上文)输 出至少一个最好是两个或三个测量值T_1i、T_2i、和T_3i。此外，利用每一 个测量步骤，必须以传统的方式(损伤地)测定血液中的葡萄糖浓度。因 此，诸测量步骤产生3个测得的值T_ni和n个葡萄糖浓度C_n。浓度C_n相 对于T_1i、T_2i和T_3i画出。以这种方式，确定三个标定函数。

而且，以这样一种方式，确定一个(或多个)辅助函数，例如，建立 三个测量值T₁、T₂和T₃的相互关系。该辅助函数已被证明特别适用于 开发一种与矩阵效应无关的、因而独立于个别(样本数据)的分析步骤。 热量分析方法 -温度记录法-

在检查矿物质时热量分析法属于最重要的技术。这种测定是基于在结 构变化的情况下所发生的放热和吸热过程的环境。如果一个测头与一个热 惰性标准样品一起加热，则画出一个专门的温度历程。利用一对热电偶， 测量一个正的或一个负的峰值。峰值在图中的位置用以表征相应的矿物 质。类似地，例如，利用热量分析法也能测定由脱水造成的重量损失，基 于类似的原理。热量法可以与X射线衍射检查相结合，或者与IR(红外) 光谱测定法相结合。

在温度记录法中可以到用于温度诊断的一个步骤。它基于人类的热 系统是独特的并且被迫适于环境的事实。热量损失/吸收，如同已经在段 落1.2.2中描述的那样，能够在相同的条件下重复产生。涉及在 控制中应用温度记录法的论文至今仍为数不多。例如，对温度记录法的一 种干扰因素是室温。

在确定一个物体的热辐射时要注意以下几点。从该物体表面辐射的I R脉冲是借助于专门的探测器来测量，并被用电子方法放大，而且一方面 能依次地直接读出，另一方面能作为热像图来记录。在动脉血液循环不足 的区域，辐射减小。至今，仍使用带有液晶的接触式温度计。

类似于红外温度记录法(IR温度记录法)，微波温度记录法属于辐 射温度记录法。与只能测量皮肤温度的IR温度记录法不同，微波温度记 录法也从外部测定深层组织的辐射。

IR温度记录法是指温度空间分布的测量，使用IR温度记录法通常 提供的是二维的温度分布。把一个具有很小几何尺寸的单个量子探测器用 作测量传感器。利用主要用于IR温度记录法的探测器材料锑化铟和碲化 镉汞，以较小的波长间隔和用液氮冷却几乎达到由量子的最大利用所确定 的极限灵敏度。必须知道该物理关系，利用该关系，对于在测量平面中的 每个位置处的温度Ti，清晰地确定在相同位置处的特定辐射流密度。于 是，清晰地把热力学状态与辐射值联系起来。这种关系的存在和理解是利 用辐射探测器来测量物体温度的基本先决条件。

所发明装置的光学元件通常用对IR辐射透明的材料，例如锗、硅， 来制造。表面提供有抗反射涂层。该涂层把探测的IR透射率提高到几乎 100％。而且，统计测量装置的特性也是重要的。适用于IR温度记录 法的测量系统必须保证完全地探测从被测量物体的每一个位置发出的辐 射。板式温度记录法和红外温度记录法的优点在于，不存在辐射暴露，并 且测量是无损伤的。