專利名稱：用于血液中葡萄糖水平的無創測量的系統和裝置的制作方法
技術領域：
本發明開發了用于血液中的葡萄糖水平的無創測量的系統，所述測量獨立于當前基于血液樣本分析(氧化酶葡萄糖分子還原)或借助血液中葡萄糖的吸收光譜分析的方法。為此目的，提供了一種基于借助由DSP或FPGA裝置實施的隨機森林的函數逼近的新的方法，所述DSP或FPGA裝置的輸入是結合了來自患者的其他變量的體積描記脈沖的預處理的版本。
背景技術：
糖尿病ΦΜ)包括一組代謝異常，其共有高血糖表現型(患者的血液葡萄糖水平增高)。現有一些類型的DM是遺傳因素和環境因素以及生活方式(缺乏運動、飲食等)之間綜合交互作用的結果。取決于DM的起因，導致高血糖癥的因素可以包括胰島素荷爾蒙分泌物的減少、葡萄糖代謝水平的未充分使用或人體葡萄糖的增高的產物。與DM相關聯的異常嚴重危及身體健康。同樣，這種異常是健康護理系統主要的經濟負擔。在發達國家中，DM是成年人的腎衰竭、下肢的非外傷性截肢以及失明的主要原因。 事實上，研究表明約1.7%的世界人口患有DM，并且該百分率從中期和長期來看很可能增大，因此，DM仍然是發病率和死亡率的主要原因。世界衛生組織(WHO)公布的議定書定義了 DM的以下診斷標準-糖尿病癥狀為血液隨機樣本中葡萄糖濃度大于llmmol/L或200mg/dL，或者-血清葡萄糖(空腹)高于7.Ommol/L或126mg/dL，或者-在葡萄糖耐受試驗期間血清葡萄糖(餐后兩小時)高于11.lmmol/L或200mg/ dL。目前，測量葡萄糖水平涉及在測試過程中提取血液樣本。現有的用于確定糖尿病患者的葡萄糖水平的各種裝置均基于試劑葡萄糖氧化酶(GOX)的還原。這種裝置使用以柳葉刀獲得的少量血液樣本并將其沉積在滲入GOX的小型測試條上。血液中的葡萄糖與GOX 反應，并且由此獲得雙氧水(H2O2)。雙氧水的數量導致測試條的阻抗的改變，所述改變與血液中葡萄糖的水平相關。所述系統是高創傷性的，因為其要求患有糖尿病的患者每日刺破其手指總共4次以獲得血液樣本并監測其葡萄糖水平。為了消除關于刺破的傷害并最小化感染的來源，現有系統利用光譜技術借助光譜學(發射、傳輸和反射方法)來測量葡萄糖水平。這些系統被身體中的水分、低葡萄糖濃度和由皮膚產生的光學作用不利地影響，并且因此是不可靠的。事實上，現今沒有任何已知的商業裝置使用這種技術。專利47040 公開了一種用于監測血液中葡萄糖以控制家用胰島素貯罐的系統。 所述葡萄糖監測使用光學折射裝置，該裝置測量光在透明界面上的折射率(在臨界角附近反射的光量)。專利5137023說明了一種用于測量吸收矩陣中的葡萄糖濃度的無創系統。該系統使用對葡萄糖敏感(吸收或反射)的波長結合不被所述物質影響的其他波長將光線引導向所述矩陣。所述專利還使用光學體積描記術原理在心動周期的收縮期中血容量改變之前和之后測量吸收矩陣上的光的光強的改變。光強中的所述改變被用于調節所述光強以測量葡萄糖濃度。專利5361758和US6^8311B1說明了使用光的多色光源來監測血液和組織中葡萄糖水平的無創系統，所述多色光源發射在紅外線附近(NIR)范圍內的大范圍的波長光譜。 所述光經過手指或耳朵并且借助衍射或折射分離其主分量。微處理器使用所述分量來計算被傳輸的光量并且計算介質吸收能力。所述系統計算測量的二次導數并且執行線性回歸以估計葡萄糖濃度。專利5383452使用被發射的光中的極化改變測量血液中的葡萄糖濃度，所述極化改變由發色團和溶解在血液中的粒子引起。所述系統要求借助傳統方法(例如，借助已知為葡萄糖氧化酶的技術分析的血液樣本)的校準。專利5692504通過測量與生物矩陣相互作用的光而實現血液中葡萄糖濃度的確定。由于光特性基于矩陣中存在的物質而改變，因此可以使所述改變與待估計的葡萄糖濃度相關。專利US6526298B1提出了一種用于借助一些溫度下的光學參數(光的反射和折射)的計算確定血液中葡萄糖的方法。專利US7356364B1提出了一種用于借助激光發射器的調制以及所述光的吸收光譜的計算而監測血液中葡萄糖的裝置。所述系統能夠以無創形式或借助移植使用。專利US2001/0039376A1和US2004f/0127779Al提出了用于借助一個或多個波長的傳輸而測量血液中葡萄糖濃度的系統，通過所述波長測量吸收/衰減，從而估計血液中的氧水平。所述發明使用lOeOnm的特大波長(對葡萄糖濃度敏感)以根據該波長處的光吸收測量血液中的糖濃度。專利US2003/0225321A1提出了一種用于借助一些波長的傳輸的血液中葡萄糖水平的無創測量的系統。所述波長傳輸經過患者眼中的體液并且檢測并分析被反射的光(被發射的波長的極化中的改變)以提供葡萄糖濃度的估計。專利US2005/0070770A1說明了用于借助不同分析基于光與溶解在血液中的一些元素的相互作用而測量血液中葡萄糖濃度的系統和設備。專利US2006/0149142A1提出了用于借助在經過組織的確定的波長上的光傳輸并且計算所述光的傳播路徑間的差，測量葡萄糖濃度的系統和設備。所述發明自關于所述組織的光學特性和之前所述路徑間的差的線性回歸模型實現葡萄糖水平的估計。然而，仍然需要解決建立用于確定葡萄糖濃度水平的魯棒、可靠、快速和安全的系統的需要，該系統獲取血液中葡萄糖水平的代謝復雜度，而不對待估計的分析物施加函數水平中的任何在先的限制。
發明內容
根據之前詳細說明的本發明的現有技術，本發明提出的系統和設備基于脈沖 (PPG)形狀和血液中葡萄糖水平之間的函數關系的推斷，其中信息自所述脈沖的形狀及其具有患者葡萄糖狀態的統計量之間的依賴關系確定。
用于實現血液中葡萄糖水平的估計的輸入信息被處理以便于函數估計器的工作。 由于PPG信號具有可變寬度，因此執行處理以生成用于每個測量的固定長度的向量。這種向量包含關于脈沖的形狀(自回歸系數和可移動平均)、脈沖間的平均距離、脈沖的變化的信息、關于瞬時能量、能量變化和個人的臨床信息的信息，例如，如患者的性另U、年齡、體重、 身高、臨床信息(身體質量指標或類似測量值)等等。在不對脈沖和血液中葡萄糖水平之間的關系施加任何函數限制的意義上用于推斷函數的系統盲目地工作。由于PPG與葡萄糖水平關聯的函數形式是未知的，因此用于推斷所述函數的系統被選擇為對不相關的輸入變量是魯棒的，所述不相關的輸入變量例如為臨床信息和自PPG波形獲得的參數。此外，所述技術相關于如之前在本發明的現有技術中說明的其他參數。與其他機器學習系統和模式識別(例如，如決策和回歸樹(CART)、樣條曲線、分類器comitees、支持向量機和神經元網絡)相比，用于估計本發明中的函數的優選系統是“隨機森林”。所述隨機森林基于一組決策樹的并行生成，該決策樹估計函數并訓練每個樹，所述函數具有在不執行節點的修剪的每個節點中的隨機選擇的變量，所述每個樹具有訓練數據庫的隨機子集，以這種方式使每個樹具有不同的泛化系統誤差。因此，當執行每個樹的估計的平均時，系統誤差被補償并且估計方差減小。本發明的實施方式包括兩個不同的階段。第一階段是訓練系統，該訓練僅執行一次并且因此之后不要求任何校準/個性化。這個時期包括獲得數據庫，該數據庫具有關于結合了體積描記波的記錄的一些患者的參數(包括性別、體重、年齡等等)的信息。這種信息用于估計決策樹的參數并且被存儲在所述系統中。第二階段包括加載在訓練階段中獲得的樹的集合的信息并且記錄在具有其他變量(例如，如性別、體重、年齡等等)的測量瞬間的患者的體積描記波。在這個階段中，所述系統讀取體積描記脈沖的信息，執行其處理并生成具有說明信號的信息的固定長度的向量。個人另外的信息被添加到這種向量并且應用一組隨機森林，所述隨機森林計算感興趣的變量的一些中間函數。此后，自所述中間函數計算血液中葡萄糖水平。
本發明的圖1示出了借助創傷性導管插入獲得的脈沖波形。本發明的圖2示出了說明的系統和方法的一般性框圖。本發明的圖3示出了借助數字脈沖血氧計獲得的體積描記波形。
圖4示出了在本發明中說明的預處理系統的詳細的框圖。圖5示出了 AR濾波器的詳細的框圖，所述AR濾波器用于建立在本發明中說明的壓力脈沖生理的隨機模型。
具體實施例方式本發明包括用于監測血液中葡萄糖的系統(圖2)，所述血液中葡萄糖的數據借助用于獲取體積描記信號(光學的、聲學的或機械的)的裝置(1)求值，本發明的優選實施例包括氧飽和度(pulsioximetry)系統(SpO2)。PPG信息與患者的其他數據結合，例如，如年齡、性別、身高、體重、等等，并且以數字預處理系統(2)分析，所述數字預處理系統(2)簡化隨后的處理并且估計感興趣的變量(血液中葡萄糖濃度)。所述系統以更好的方式獲取以隨機方式影響患者的葡萄糖的代謝管理的全部參數。獲得的隨機模型的向量與數字系統⑶相關，數字系統(3)基于“隨機森林”逼近函數，其主函數以與葡萄糖濃度相關的一些函數估計葡萄糖濃度，目的在于減小后處理步驟(4)中的估計誤差。系統(4)的主函數借助之前步驟(3)的函數的均值估計葡萄糖濃度的最終值以減小系統誤差(偏置)和以所述濃度執行的估計的方差。系統0、3和4)借助 FPGA或DSP裝置實現。用于獲得PPG波的系統(1)實施簡單的技術，無創并且低成本地檢測組織的微脈管網絡中的容量改變。所述系統的最基本的實施方式要求很少的光電子組件，包括1.用于照亮組織(例如，皮膚)的一個或多個源2.用于測量與檢測容量中的組織的浸液中的改變相關聯的光強度的微小變化的一個或多個光檢測器。PPG通常以無創方式使用并且其操作在紅外或近紅外(NIR)波長。最知名的PPG 波形是外周血管搏動(peripheral pulse)(圖3)并且其與每次心跳同步。這樣，重要的是注意在借助PPG獲得的波和借助創傷性導管插入獲得的脈沖(圖1和圖3)之間的相似性。 因為借助PPG獲得的很有價值的信息，所以其被視為本發明的主要特征之一。PPG波包括導致與每次心跳同步的血容量改變的生理學脈沖波(AC分量)。所述分量與關于呼吸韻律、中樞神經系統的活動、熱調節和代謝功能的其他基礎分量(DC分量) 疊加。AC分量的基礎頻率基于心節律(圖3)處于IHz左右。光和生物組織之間的相互作用是復雜的并且包括類似散射、吸收、反射、傳輸和熒光的光學處理。用于系統(1)的選擇的波長非常重要，這是由于以下原因1.水的光學窗口 組織的主要成分是水。其高度吸收具有紫外線波長和紅外光帶內的長波長的光。存在于水的吸收光譜中的窗口允許可見光(紅色)或OTR更容易地通過所述組織并且允許血液流量或其在這種波長內的容量的測量。因此，本發明使用OTR波長以用于系統(1)。2.等吸收度(isobestic)波長除了這種波長外，關于氧基血紅素(HbO2)和被還原的血色素(Hb)存在本質差別。因此，在這種波長中(即，在NIR范圍中，接近805nm)，信號將不被組織中的氧飽和度的改變所影響。3.組織滲透光在確定的輻射強度下在組織中的滲透的深度同樣是選擇的波長的函數。對于PPG，用于類似(1)中使用的傳輸系統的滲透的容量(基于使用的探針)是 Icm3的級數。PPG脈沖(圖3)存在兩個不同的階段升線一波(anacrotic)階段，其表示脈沖的上升，以及降線一波(catacrotic)階段，其表示脈沖的下降。第一階段關于心臟收縮，而第二階段關于舒張期和在循環系統周圍中的波的反射。在PPG中，diacrotic脈沖通常還發現于健康患者的降線一波階段中并且不具有動脈硬化或動脈僵硬。如之前在本發明的現有技術中說明的，同樣需要考慮壓力脈沖PP沿循環樹的傳播。所述PP改變其形狀，同時其向著經歷其形狀的擴大/衰減和變更以及暫時特征的循環樹的外圍移動。因為外圍中動脈的窄化，所以這些改變由PP經受的反射引起。動脈中的PP 脈沖傳播通過基于頻率的相位失真而進一步變得復雜。因為這個原因，考慮了借助ARMA隨機模型(自回歸移動平均)和借助耦接到AR系統O)的iTeager-Kaiser的PP的表示。如圖1和圖3所示，PP類似于PPG，其中在脈管病理期間觀測到類似的改變(由器官狹窄或脈沖中的改變引起的緩沖)。系統(1)的脈沖量氧計使用PPG來獲得關于患者的動脈中的氧飽和度(SpO2)的信息。如前所述，能夠通過以紅色和OTR波長照亮組織(通常為手指或耳朵的耳垂)獲得 Sp02。一般地，SpO2裝置使用兩種波長之間的交換以確定所述參數。因為HbO2和Hb在這些波長中的吸收差別，兩種波長的振幅對SpA的改變敏感。SpO2可以自振幅之間的比率、PPG 以及AC和DC分量獲得。在脈搏血氧定量法中，傳輸經過組織的光強度(T)通常被稱為DC信號。所述強度是組織的光學特性的函數(即吸收系數μ a和散射系數μ ‘s。動脈跳動產生氧和脫氧血色素的濃度中的周期性變化，這可以導致吸收系數的周期性變化。PPG的AC分量的強度變化可以表示為以下方式
權利要求
1.一種用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述設備在輸入信號上結合自回歸移動平均型ARMA預處理步驟(5)、(6)和(7)；所述設備在所述輸入信號的Teager-Kaiser算子上結合自回歸移動平均型ARMA血壓搏動的隨機模型⑶和(9)；所述設備結合臨床數據(性別、年齡、身高、身體質量指標等等)及其函數；所述設備結合基于“隨機森林”的函數估計系統(3)。
2.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述函數估計系統(3)的輸入包括固定尺寸的向量，該向量包括前述模型和患者的信息(性別、年齡、身高、體重、身體質量指標、脈搏節律、心臟相干性、預處理的輸入信號的零相交和預處理的輸入信號的零相交的變異性、等等)。
3.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述系統的輸入信號是光學、機械或聲學上獲得的預處理的體積描記波。
4.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述體積描記波借助數字脈搏血氧計獲得。
5.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于在 (3)中被估計的函數是基礎參數以及這些參數與輸入向量的其他參數的線性組合，用以減小(3)中的估計誤差。
6.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述設備結合后處理系統G)，其執行所述系統(3)的估計的均值以減小系統誤差和血液中葡萄糖濃度的變化。
7.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于血液葡萄糖水平估計系統借助裝置實現，例如借助FPGA型微控制器實現。
8.如權利要求1所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述設備包括手動裝置，該手動裝置至少結合聲學、機械和/或光學導管，該手動裝置內部包括 數據處理系統，借助CPU，目標在于減小被估計的參數的變化(血液中的葡萄糖水平)。
9.如前述權利要求所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于所述CPU借助DSP、FPGA或微控制器裝置來執行。
10.如權利要求8和9所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于 所述設備包括存儲器，例如閃存型存儲器。
11.如權利要求8-10所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于 所述設備包括例如借助串行端口、藍牙或USB連接到PC的外部連接裝置(1 和/或例如借助WiFi、Zigbee或UWB的網絡連接裝置。
12.如權利要求8-11所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于 所述設備包括數據顯示屏。
13.如權利要求8-12所述的用于血液中葡萄糖水平的無創測量的設備，其特征在于 所述設備包括控制按鈕、電池和/或與外部電源的連接。
全文摘要
本發明開發了一種用于估計血液中葡萄糖水平的系統。所述系統建立了脈沖波及其能量的生理學模型，所述模型還與葡萄糖代謝函數相關，從而生成固定長度的向量，該向量包括結合了其他變量的前述模型的值，所述其他變量關于用戶的例如年齡、性別、身高、體重、等等。所述固定長度的向量被用作基于“隨機森林”的函數估計系統進行激勵以計算感興趣的變量。這種參數估計系統的主要優點在于以下事實其不對待估計的函數施加任何在先的約束，并且其在面對例如在本發明的情況下的非齊次型數據時是魯棒的。
文檔編號A61B5/145GK102245103SQ200980149734
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月6日 優先權日2008年11月7日
發明者E·蒙特莫里諾, V·J·里巴斯里波利, V·M·加西亞羅恩特 申請人:薩比爾醫療有限公司