專利名稱：用于測定分析物濃度的光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)物質(zhì)分析，和利用光學(xué)物質(zhì)分析測定分析物的濃度。
背景技術(shù)：
糖尿病是一種嚴重的疾病，不僅影響病人的內(nèi)部器官、循環(huán)系統(tǒng)和視力，而且還影響病人的生活方式。據(jù)報道目前全世界有兩億多糖尿病人，并且預(yù)計這個數(shù)字在未來十年內(nèi)將翻一番。糖尿病護理的第一步是一天M小時監(jiān)控病人的血糖水平，因為了解血糖水平有助于確定正確的飲食和藥物治療。當前測量血糖濃度的方法通常需要刺破糖尿病人的手指以收集血滴，然后用血糖計分析其化學(xué)成分。由于這種方法不是完全無痛的并且傷害皮膚，因此糖尿病人通常不愿意按照醫(yī)生囑咐的那樣經(jīng)常檢查血糖水平，因此不能充分監(jiān)控病人的血糖水平。目前，用于測量血糖水平的大多數(shù)便攜式裝置需要刺破病人的指尖以獲得血樣。然后將血樣放在指示血糖濃度的試紙上。血糖計的一個例子是由Lif必can Inc.和 Johnson&Johnson company銷售的0neTouch Ultra 血糖計。這些裝置非常緊湊并且適當?shù)木_，但是刺破指尖以獲得血樣是不方便的并且可能是痛苦的。而且，不正確的刺破和不衛(wèi)生可能會造成指尖感染的危險。作為傳統(tǒng)的指尖刺破方法的一種替代方法，Cygnus Inc.已經(jīng)研制出 GlucoWatct^Biographer監(jiān)視器。看起來像手表的這種裝置利用很小的電流從皮膚獲得間質(zhì)體液，以將血糖提取到消耗性的經(jīng)皮墊上，該經(jīng)皮墊用作離子電滲療法傳感器。收集的血糖在該傳感器中引起產(chǎn)生電子的電化學(xué)反應(yīng)。傳感器測量電子，并且把電子發(fā)射水平等同于體液中的葡萄糖濃度。這種裝置在長達12小時內(nèi)每20分鐘檢查體液葡萄糖濃度。運行 12小時之后，該監(jiān)控器必需用用于比較血糖濃度的手指刺穿讀數(shù)來校準。該裝置具有經(jīng)測定為大約10-30%相對測量誤差，部分地因為間質(zhì)體液的葡萄糖水平滯后于血液。但是，為了能夠設(shè)置購買一臺這種裝置，潛在的購買者也必需進行并通過物理和生化檢查。而且，業(yè)已知道在引入電流的情況下該裝置也嚴重刺激一些具有敏感皮膚的病人的皮膚。由于諸如GlucoWatch 的替代裝置不成功，因此已經(jīng)開始研制其它非侵入式測量。許多這些替代的非侵入式方法包括利用光學(xué)方法。這種光學(xué)方法中的一些在提供非侵入式測量替代方法中已經(jīng)顯露出希望。例如，一些光學(xué)方法利用非離子化的輻射以獲得讀數(shù)，提供快速響應(yīng)而不需要消耗性的試劑。而且，由于更復(fù)雜的激光器和光學(xué)檢測器的利用度增加，并且與利用這些光學(xué)裝置相關(guān)的成本減少，光學(xué)方法可能成為更吸引人的非侵入式測量的替代形式。一般的非侵入式光學(xué)方法利用光束照射人體的一些選擇部分，例如手指、前臂、舌頭、嘴唇、股或腹等。透過皮膚傳輸、從皮膚反射或散射出的光包含關(guān)于被照射組織的組成的信息。這種光然后被光學(xué)檢測器接收并分析，以測定諸如氧或血紅蛋白的某種分析物的濃度。然而，該分析固有地復(fù)雜，因為接收的信號通常非常微弱，并且不僅容易被血液中的許多分析物干擾，而且容易受其它因素的干擾，包括人體皮膚的可變性和非均向性和不斷變化的人的生理、以及甚至皮膚周圍的外部環(huán)境。諸如吸收和發(fā)光光譜術(shù)、拉曼光譜術(shù)，以及測量偏振和反射率變化的物質(zhì)分析的常規(guī)光學(xué)方法，由于參考光束的明顯的漫散射，不完全適合諸如人體組織的混濁的介質(zhì)。其它非侵入式方法利用存在于間質(zhì)體液和毛細血管血液中的葡萄糖含量之間關(guān)聯(lián)性，但是具有耗時的主要缺點。而且，遺憾的是，這些方法只提供時間延遲的葡萄糖濃度的間接測量。由于激光光聲光譜學(xué)技術(shù)具有高靈敏度它已經(jīng)用在痕量檢測中。在激光光聲光譜學(xué)技術(shù)中，高能激光光束用于照射所研究的物質(zhì)。該光束在物質(zhì)中產(chǎn)生熱膨脹，因而產(chǎn)生聲波。該波的特性不僅由該物質(zhì)的光吸收系數(shù)測定，而且還由諸如熱膨脹、比熱和聲速的熱物理參數(shù)測定。此外，聲波還可能受影響光在物質(zhì)中分布的光散射的影響，該物質(zhì)能夠被諸如壓電晶體、傳聲器、光纖傳感器、激光干涉儀或衍射傳感器的高靈敏度超聲檢測器測量。例如，授予Chou的美國專禾Ij No. 5，941，821和6，049，728公開了一種用于利用光聲學(xué)的非侵入式性血糖測量的方法和設(shè)備。當照射時，在被測量的相當薄的樣品層中產(chǎn)生以熱擴散長度為特征的聲能。聲發(fā)射用差示傳聲器檢測，差示傳聲器的一端設(shè)置在測量室，而其另一端設(shè)置在參照室。處理器根據(jù)檢測的聲學(xué)信號測定被測量物質(zhì)的濃度。 為了確定血液中的血糖濃度，優(yōu)選激發(fā)源被調(diào)諧到在光譜范圍內(nèi)的血糖的吸收波段，從約 1520-1850nm和約2050-2340nm，以誘發(fā)強光聲發(fā)射。在這些波長范圍內(nèi)，水吸收相對弱而血糖吸收相對強。作為另一個例子，授予Mackenzie等人的美國專利No. 6，833，540公開了一種用于測量諸如血糖的生物參數(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光脈沖從光波導(dǎo)引向包括諸如指尖的由軟組織組成的身體部分，以產(chǎn)生光聲交互作用。所得到的聲學(xué)信號由換能器檢測并分析，以提供想要的參數(shù)。所有的上述光學(xué)技術(shù)至少由于下述理由是不利的，即這些技術(shù)公開了將能量應(yīng)用于介質(zhì)而不考慮其聲學(xué)振動性質(zhì)，因此需要相當高的激光功率。因此，這種技術(shù)能量效率低，并且其靈敏度不夠高。另一種現(xiàn)有技術(shù)光聲物質(zhì)分析系統(tǒng)公開在授予Geva等人的美國專利 No. 6，466，806中，其中介質(zhì)中的感興趣的成分的濃度由具有光脈沖列的諧振光聲光譜學(xué)來確定，該光脈沖列包括具有可變的持續(xù)時間、頻率、數(shù)目和功率的等距離短脈沖。該光波長被選擇成以便被感興趣的成分吸收。當照射時，由在相當薄的介質(zhì)層中被吸收的光產(chǎn)生以熱擴散長度為特征的聲學(xué)振動。在脈沖列中的短光脈沖的頻率重復(fù)被選擇成等于能夠當作薄膜的薄介質(zhì)層的天然聲學(xué)振動頻率，使得聲學(xué)振動變成諧振。諧振振動的振幅和頻率的測量確定感興趣的成分的濃度，使得系統(tǒng)適合于監(jiān)控血液成分，特別是葡萄糖。遺憾的是，上述系統(tǒng)以及大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)光聲物質(zhì)分析方法是不利的。與本發(fā)明相反，它們教導(dǎo)了將能量應(yīng)用于介質(zhì)而沒有考慮不同成分的吸收波段的重疊，和諸如人的皮膚的介質(zhì)的彈性性質(zhì)的不規(guī)則性。因此，這種現(xiàn)有技術(shù)的靈敏度不夠高并且具有大測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于測定組織中的分析物濃度的設(shè)備，該設(shè)備包括第一輻射源，其工作發(fā)射第一輻射光束，以照射組織的測試區(qū)并且引起輻射的第一散射；第二輻射源，其工作發(fā)射多個第二輻射光束，以周期性地照射測試區(qū)并且引起輻射的多個第二周期性的散射；至少兩個檢測器，用于檢測輻射的第一和第二散射并且將檢測的散射轉(zhuǎn)換成電信號；以及處理器，用于根據(jù)所述電信號測定分析物的濃度。一種用于測定組織中的分析物的濃度的方法，包括用第一輻射源和第二輻射源照射組織的測試區(qū)，第一輻射源發(fā)射第一輻射光束，并引起輻射的初始向后散射，第二輻射源周期性地發(fā)射第二輻射光束，以周期性地照射測試區(qū)，引起輻射的周期性的向后散射；檢測初始的和周期性的向后散射；將檢測的向后散射轉(zhuǎn)換成電信號；以及根據(jù)所述的電信號測定分析物濃度并顯示該濃度。根據(jù)本發(fā)明還提供一種校準用于測定分析物濃度的光學(xué)設(shè)備的方法，該方法包括如下步驟獲得包含分析物的流體的樣品；利用基于流體的設(shè)備測定分析物的第一濃度； 利用光學(xué)設(shè)備測定分析物的第二濃度；以及確定第二濃度是否相等于第一濃度，其中如果第二濃度不相等于第一濃度，偏置光學(xué)設(shè)備使得第二濃度相等于第一濃度。此外，根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用在用于測定受試者的葡萄糖(血糖)濃度的光學(xué)設(shè)備中的探頭，該探頭包括能夠與第一輻射源、輻射光源、第一檢測器和第二檢測器連通的多個光纖束；以及輸入/輸出接口，用于將電信號傳輸給第一輻射源和第二輻射源，和用于從第一檢測器和第二檢測器傳輸信號。根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用于利用光學(xué)激發(fā)和光學(xué)檢測非侵入式地測定受試者的葡萄糖濃度的設(shè)備，該設(shè)備包括第一輻射源，用于發(fā)射用于照射受試者的表面的激發(fā)光束， 在該表面中至少產(chǎn)生物理和化學(xué)變化其中之一，并且引起輻射的初始向后散射；第二輻射源，用于周期性地發(fā)射用于照射該受試者表面的探測光束，并引起輻射的周期性的向后散射；至少一個檢測器，用于檢測初始的和周期性的向后散射，并且將檢測的向后散射轉(zhuǎn)換成物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間其中之一的電信號；以及處理器，用于通過在整個時間對物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間至少其中之一求微分來測定葡萄糖濃度。根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用于利用光學(xué)激發(fā)和光學(xué)檢測非侵入式地測定受試者中的葡萄糖濃度的方法，該方法包括發(fā)射用于照射受試者的表面的激發(fā)光束，在該表面引起物理和化學(xué)變化，并且引起光的初始向后散射；周期性地發(fā)射用于照射該受試者的表面的探測光束，并引起光的周期性的向后散射；檢測初始的和周期性的向后散射，并且將檢測的向后散射轉(zhuǎn)換成該物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間至少其中之一的電信號，該向后散射用物理和化學(xué)變化調(diào)制；以及通過在整個時間對物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間其中之一求微分來測定葡萄糖濃度。根據(jù)本發(fā)明的附加的特征和優(yōu)點部分地在下面的描述中闡述，部分地從該描述中顯而易見，或通過實踐本發(fā)明而得知。根據(jù)本發(fā)明的特征和優(yōu)點將利用所附權(quán)利要求中具體指出的元件和組合來實現(xiàn)并獲得。應(yīng)當理解，前面的總的描述和下面的詳細描述僅僅是示范性和說明性的，并且正如所主張的不限制本發(fā)明。包含在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖示出本發(fā)明的若干實施方式，并且與該說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。


從下面的詳細描述結(jié)合附圖將更充分地明白和理解本發(fā)明，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的用于測定分析物的濃度的光學(xué)設(shè)備的簡化的方塊圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明用于測定分析物的濃度的方法的流程圖。圖3示出圖1的光學(xué)元件外殼(enclosure)的實施方式。圖4是示出由用于實例1中的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備發(fā)射的不同類型輻射的強度和持續(xù)時間的曲線圖。圖5是示出由用于實例2中的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備發(fā)射的不同類型輻射的強度和持續(xù)時間的曲線圖。圖6是示出用于校準根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的方法的流程圖。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的光纖設(shè)置的例子。
具體實施例方式詳細參考本發(fā)明的示例性實施方式，實施方式的例子示于附圖中。凡是可能，在整個附圖中相同的附圖標記將用于相同的或同樣的部件。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明用于測定分析物濃度的光學(xué)設(shè)備的簡化方塊圖。如圖1所示，該光學(xué)設(shè)備包括連接于光學(xué)部件外殼104的電子外殼102。電子外殼102可以通過導(dǎo)體、電線、無線地連接于光學(xué)部件外殼104，或電子外殼102和光學(xué)部件外殼104可以包含在單個外殼中，它們之間具有電連接。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光學(xué)部件外殼104可以包括探頭，這將在圖3中進一步說明。光學(xué)部件外殼104中的光學(xué)部件可以是可操作的，以用輻射光束B1和化照射表面 106，并且檢測輻射的第一和第二散射D1和1)2。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)設(shè)備可以連接于用于向電子外殼102和光學(xué)部件外殼104兩者以及設(shè)置在其中的部件提供功率的電源108。雖然在圖1中示為外部AC電源，但是電源108可以包括在電子外殼102或光學(xué)部件外殼104中，并且可以是AC或DC電源。而且，如果電子外殼102和光學(xué)部件外殼104無線地連接，那么獨立的附加電源可以連接于光學(xué)部件外殼104。該光學(xué)設(shè)備也可以連接于用于顯示、監(jiān)控、跟蹤結(jié)果和校準該光學(xué)設(shè)備的外部處理裝置110。外部處理裝置可以包括個人計算機(PC)、 個人數(shù)字助理(PDA)、智能電話，或其它這種裝置。根據(jù)本發(fā)明，電子外殼102可以容納適合于方便測定分析物濃度的電子元件陣列。例如，電子外殼102可以包含處理器或CPU112、第一輻射驅(qū)動器114、第二輻射驅(qū)動器116、第一峰值檢測器118、第二峰值檢測器120、多路轉(zhuǎn)換器(MUX) 122，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 124。這些元件的運行將結(jié)合圖2的討論進一步討論。同樣，光學(xué)部件外殼104可以容納用于測定分析物濃度的光學(xué)部件陣列。如圖1所示，光學(xué)部件外殼104可以包含用于用第一和第二輻射光束B1和化照射表面106上的測試區(qū)130的第一輻射源1 和第二輻射源128。根據(jù)本發(fā)明，第一和第二輻射光束B1和化可以從能夠產(chǎn)生第一和第二輻射光束A和化的單個輻射源127發(fā)射。光學(xué)電子外殼104還可以包括用于接收輻射的第一和第二散射D1和&的檢測器。根據(jù)本發(fā)明，單個檢測器132 可以構(gòu)造成接收輻射的第一、第二和任何其它散射。而且，根據(jù)本發(fā)明，檢測器132可以包括分開的散射的輻射檢測器，如圖3所示，以分開地接收輻射的第一和第二散射D1和1)2。根據(jù)本發(fā)明的實施例，并且可以包括光學(xué)接收傳感器，例如光電二極管，包括P本征N(PIN)光電二極管、雪崩光電二極管、光電多路乘法器，或光敏電阻器。光學(xué)放大器(未示出)也可以包括在光學(xué)電子外殼104中，用于放大第一和第二輻射光束的功率。光學(xué)電子外殼104 還可以容納光學(xué)轉(zhuǎn)換器(未示出)，用于轉(zhuǎn)換第一和第二輻射光束B1和化的波長。用在根據(jù)本發(fā)明實施方式中的第一和第二輻射源可以根據(jù)這些因素選擇用于精確地測定分析物的濃度所需要的輻射的功率或波長、所需要的輻射的周期性、尺寸限制或成本。例如，第一輻射源1 和第二輻射源1 可以是脈沖激光二極管、光纖耦合的二極管激光器陣列、閃光燈、或脈沖光纖激光器。第一輻射源1 和第二輻射源128，或單個輻射源127還可以包括這些類型輻射源的組合。例如，在一個實施方式中，第一輻射源1 或第二輻射源1 可以包括由附加的二極管激光器泵發(fā)(pumped)的鉺(Er)-玻璃棒或板條形激光器。在另一個實施例中，第一輻射源1 或第二輻射源1 可以包括可調(diào)諧的CO = MgF2 激光器。在再一個實施例中，第一輻射源1 或第二輻射源1 可以包括Q轉(zhuǎn)換含釹光學(xué)介質(zhì)激光器。根據(jù)本發(fā)明，再一次說，使用的發(fā)射的輻射源的特性將取決于被檢查的特定分析物。也就是，例如，功率、輻射類型、波長和周期性，并且將影響從第一輻射源1 和第二輻射源1 發(fā)射的第一和第二輻射光束A和4的性質(zhì)，并且這些性質(zhì)每個將不同地影響特定的分析物，并且因此重要的是使這些性質(zhì)適合于使光學(xué)設(shè)備測定分析物濃度的能力最大化。不同的物質(zhì)存在不同的反射率、透射性以及吸收性質(zhì)。當在特定的介質(zhì)中進行測定分析物濃度的光學(xué)測量時，必需考慮分析物和介質(zhì)兩者的性質(zhì)。被分析物吸收和散射的輻射的量取決于輻射光束的功率和波長。因此，希望以特定的功率和波長發(fā)射輻射光束，足以產(chǎn)生基于被檢查的分析物的并且與任何周圍的介質(zhì)區(qū)分開的可測量的吸收和散射的量。例如，將發(fā)射具有預(yù)定波長和預(yù)定功率的第一和第二輻射光束B1和4。根據(jù)本發(fā)明的各實施方式，取決于被檢查的分析物，預(yù)定的波長和功率可以是相同的或不同的。在根據(jù)本發(fā)明的具體的實施方式中，發(fā)射具有預(yù)定的波長的第一和第二輻射光束 B1和化，該預(yù)定的波長從在特定介質(zhì)中被檢查的分析物的特征吸收波段選擇。在另一個實施例中，以對應(yīng)于被檢查的分析物的吸收波段的峰值波長的波長發(fā)射第一和第二輻射光束 B1和4。在以不同波長發(fā)射第一和第二輻射光束B1和4的實施方式中，一個輻射光束B1 或4可以具有大于該分析物的吸收波段峰值的波長，而另一個輻射光束A或4可以具有小于該分析物的吸收波段峰值的波長。正如將在下面詳細描述的，在根據(jù)本發(fā)明的特定的實施方式中，第一輻射光束A以大約1-10W的功率和大約1550nm的波長發(fā)射，而第二輻射光束化以0. I-Iff的功率和約1550-1690nm的波長發(fā)射。正如前面所指出的，第一輻射源1 或第二輻射源1 可以包括脈沖輻射源。在利用脈沖輻射源的實施方式中，第一和第二輻射光束B1和4也可以是脈沖的。例如，當利用脈沖源時，第一和第二輻射光束A和4可以作為在脈沖之間具有預(yù)定延遲的單脈沖發(fā)射。 第一和第二輻射光束A和4也可以作為在其之間具有相等間隔和可變的重復(fù)頻率的準連續(xù)Oicw)光的短脈沖發(fā)射。而且，第一和第二輻射光束&和化也可以作為脈沖列發(fā)射，并且具有可變的頻率、可變的脈沖功率、可變的脈沖持續(xù)時間以及可變的脈沖數(shù)目。在下面指出的具體實施方式
中，第二輻射光束4作為具有相等間隔的短脈沖發(fā)射，以周期性的照射測試區(qū)130?，F(xiàn)在參考圖2，圖2是示出根據(jù)本發(fā)明用于測定分析物濃度的方法的流程圖。在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，圖2所示的方法可以利用圖1所示的光學(xué)設(shè)備來進行。為了說明這種實施方式的目的，圖2的步驟將結(jié)合圖1的操作進行描述?？梢允枪鈱W(xué)部件外殼104的探頭最初安放成與表面106的測試區(qū)130接觸 (S201)。根據(jù)本發(fā)明，該探頭可以與測試區(qū)130接觸，或者探頭可以靠近測試區(qū)130。而且根據(jù)本發(fā)明，測試區(qū)130可以在表面106上，或可以在表面106下面。測試區(qū)130用從第一輻射源126發(fā)射的其可以是激發(fā)脈沖的第一輻射光束B1照射620 。隨后測試區(qū)130用從第二輻射源1 發(fā)射的其可以是探測脈沖的第二輻射光束B2照射(S203)。根據(jù)本發(fā)明，第二輻射源1 可以發(fā)射多個第二輻射光束化，在其之間每個輻射的光束具有預(yù)定的時間間隔。第一和第二輻射光束B1和4將照射測試區(qū)130，并且根據(jù)該表面106的反射率，預(yù)定的輻射量將從該測試區(qū)向后散射，示為第一散射D1和第二散射D2。 而且，第一和第二輻射光束B1和化還可以在表面106上引起周期性的或非周期性的瞬態(tài)過程，該過程至少部分地調(diào)制輻射的散射D1和D2。然后輻射的散射D1和&可以由檢測器132檢測(S204)。檢測器132將檢測的散射D1和A轉(zhuǎn)換成用于處理的電信號。根據(jù)本發(fā)明，該電信號可以表示可以在表面106產(chǎn)生的任何瞬態(tài)過程的振幅、頻率或衰變時間至少其中之一。然后該電信號從第一和第二峰值檢測器118和120傳輸給多路轉(zhuǎn)換器122。多路轉(zhuǎn)換器122組合來自第一和第二峰值檢測器118和120的電信號，并且將單個組合的電信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器124。模數(shù)轉(zhuǎn)換器124 將輸入的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，并將該數(shù)字電信號輸出給處理器112。處理器112接收數(shù)字電信號，并執(zhí)行可以存儲在內(nèi)部存儲器(未示出)中的指令， 用于利用數(shù)字電信號進行計算。例如，處理器112可以計算輻射的散射D1和&的強度變化(S205)，該強度變化通過第二輻射光束化的重復(fù)發(fā)射而引起，并且可能在表面106中發(fā)生的任何隨后的瞬態(tài)過程作為發(fā)射的第一和第二輻射光束&和化的結(jié)果。從所計算的強度變化，處理器112將執(zhí)行指令，以進行用于計算存在于測試區(qū)130的分析物濃度的算法 (S206)。根據(jù)本發(fā)明，該計算也可以由外部處理器進行，例如，包含在PCl 10中的處理器。然后為了使用者觀察可以顯示該計算的濃度(S207)。根據(jù)本發(fā)明，該濃度可以顯示在連接于電子外殼102的顯示屏上，或計算機110上。而且，為了趨勢和整個時間分析，該濃度也可以在計算機110上列表。根據(jù)本發(fā)明，圖像分析技術(shù)可以與這里所描述的光學(xué)設(shè)備一起用，具體說，圖像分析技術(shù)可以用于確保第一和第二輻射光束A和4在測試區(qū)130上始終是入射的而沒有變化。圖像分析技術(shù)可以包括連接于和/或植入光學(xué)設(shè)備上的視頻硬件和軟件，其使使用者能夠精確的定位光學(xué)設(shè)備，使得輻射光束A和4在測試區(qū)上始終是入射的。根據(jù)本發(fā)明， 可以安裝便攜式視頻攝像機，以便實時視頻饋給(feed)能夠示出使用者在表面106上定位光學(xué)設(shè)備。記號可以設(shè)置在測試區(qū)130以便使用者能夠容易利用視頻饋給，將光學(xué)設(shè)備與測試區(qū)130對準，以確保在其上的入射。
圖3示出圖1的光學(xué)部件外殼的實施方式。在這個實施方式中，圖1的光學(xué)部件外殼104形成為探針或探頭304。探頭304包括至少一個輻射發(fā)射體，該輻射發(fā)射體可以包括第一和第二輻射發(fā)射體126和128，至少一個檢測器132，該檢測器132在檢測器132 內(nèi)可以包括相對于表面106具有不同間隔的第一和第二散射的輻射檢測器332和334。探頭304也可以包括第一透鏡306，用于將從第一和第二輻射發(fā)射體發(fā)射的輻射光束聚焦在測試區(qū)130上。探頭304還可以包括第二透鏡308和第三透鏡310，用于將來自表面106的散射的輻射分別聚焦在第二檢測器334和第一檢測器332中。盡管在圖3中沒有示出，但是探頭304還可以被連接于其它電子處理元件，例如包含在圖1所示的電子外殼102中的那些電子處理元件。如圖3所示，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，檢測器132設(shè)置在距表面106預(yù)定的距離處。根據(jù)本發(fā)明，第二散射的輻射檢測器334可以設(shè)置在探頭304中在距表面106 —定距離處，該距離大于第一散射的輻射檢測器332與表面106之間的距離。通過以距表面106 較大的距離設(shè)置第二散射的輻射檢測器334，該光學(xué)設(shè)備能夠產(chǎn)生用于對濃度讀數(shù)的精度進行差示分析的額外的數(shù)據(jù)點，并且因此增加濃度讀數(shù)的精度。例如，對于由第一輻射光束 B1和第二輻射化激發(fā)的給定的系統(tǒng)，在第二散射的輻射檢測器334檢測的散射的振幅將小于在第一散射的輻射檢測器332檢測的振幅，并且能夠用于計算在兩個檢測器檢測的散射之間的相對振幅。這個相對振幅然后可以用于補償由定位、壓力或輻射源不穩(wěn)定性引起的誤差。雖然根據(jù)本發(fā)明檢測的散射的振幅已經(jīng)被描述為檢測的參數(shù)，但是該參數(shù)也可以與該散射的頻率或衰變時間有關(guān)。在本發(fā)明的另一個實施例中，探頭304也還可以包括門控傳感器(dating sensor) 302，傳感器302可以是接觸、接近或壓力傳感器。在利用接觸傳感器作為門控傳感器302的各實施方式中，在能夠開始測試之前該接觸傳感器必需檢測探頭304和表面106 之間的接觸，因此用作門。在利用接近傳感器作為門控傳感器的各實施方式中，該接近感器必需檢測表面106處于合理地接近探頭304。也就是，在利用接近傳感器的各實施方式中， 在能夠開始測試之前該接近傳感器確定在表面106和探頭304之間存在預(yù)定的距離。在利用壓力傳感器的實施方式中，在進行測試之前傳感器302必需檢測預(yù)定的壓力。正如上面關(guān)于圖1和圖2所討論的，檢測的散射的光束D1和D2的強度變化可能受由第一和第二輻射光束A和化引起的瞬態(tài)過程的影響。當將探頭304放置在與表面106接觸時，另一個瞬態(tài)過程可能被引入表面106中，進一步影響散射的光束D1* &的強度變化，并且因此影響計算的分析物濃度。然而，由探頭施加于表面106上的一定的壓力可以用作偏置(offset)，使得當計算分析物的濃度時，能夠考慮并修正已知的壓力和其作用。在第一輻射發(fā)射器1 發(fā)射第一輻射光束B1之前，由壓力傳感器302檢測的探頭304和表面106之間的壓力必需等于預(yù)定的壓力。壓力傳感器302可以包括光纖壓力探頭。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，探頭304包括光纖探頭。在這個實施方式中，探頭304由許多光纖制造，該光纖與至少一個輻射源和至少一個檢測器連通。例如，光纖可以與第一輻射源126、第二輻射源128、第一檢測器332以及第二檢測器134光學(xué)連通。該光纖束用作導(dǎo)管或波導(dǎo)，用于向表面106并從表面106傳輸輻射。根據(jù)這樣的實施方式，可以設(shè)置許多光纖，如圖7所示。光纖的利用能夠提供小的、輕質(zhì)的探頭304，并且能夠容易放置成與表面 106接觸。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的光纖設(shè)置的例子。圖7(a)示出一種光纖設(shè)置，該設(shè)置包括用于從輻射源126和/或1 傳輸輻射的三個光纖726，和用于從表面106向輻射檢測器傳輸散射的輻射的多個拾取光纖732，該檢測器可以包括輻射檢測器132。圖7(b)示出一種光纖設(shè)置，該設(shè)置包括用于從輻射源126和/或1 傳輸輻射的兩個光纖726，和用于從表面106向輻射檢測器傳輸散射的輻射的多個拾取光纖752，該檢測器可以包括輻射檢測器 132。圖7 (c)示出一種光纖設(shè)置，該設(shè)置包括用于從輻射源1 和/或1 傳輸輻射的兩個光纖726，和用于從表面106向輻射檢測器傳輸散射的輻射的多個臨近拾取光纖732，該檢測器可以包括輻射檢測器132或332，以及用于將散射的輻射傳輸給輻射檢測器334的多個遠距離拾取光纖734，如圖3所示的。這里描述的光學(xué)設(shè)備可以用在一些實施方式例中以檢測人體組織的葡萄糖濃度。 根據(jù)本發(fā)明，用于檢測人體組織的葡萄糖濃度的實施方式發(fā)射短的、高功率輻射光束Bl作為激發(fā)脈沖到表面106的測試區(qū)130上，在這個實施方式中，表面106是組織。輻射的一部分被組織106吸收并且在表面106中產(chǎn)生改變表面106的光學(xué)、機械和其它物理和化學(xué)性質(zhì)的瞬態(tài)過程。這些性質(zhì)的變化接著也改變散射的輻射D1和&的振幅、頻率和衰變時間以及表面106中的光聲振蕩。在輻射光束B1的初始發(fā)射之后，第二輻射源1 周期性地發(fā)射用作探測脈沖的第二輻射光束4。這些探測脈沖的功率通常低于第一輻射光束4，使得它在表面106僅僅引起最小的瞬態(tài)過程。當表面106整個時間松弛時，探測脈沖用來產(chǎn)生能夠被檢測器132檢測的附加的輻射的散射D1和1)2。由于表面106從初始的高功率輻射光束Bl松弛，檢測器 132將能夠得到讀數(shù)，該讀數(shù)能夠被處理，以確定來自初始激發(fā)脈沖和隨后的探測脈沖的散射光的振幅、整個時間散射光的振幅變化、作為引入的瞬態(tài)過程的結(jié)果發(fā)生的調(diào)制的振幅和頻率、表面106的衰變常數(shù)，和來自探測脈沖的散射光的振幅調(diào)制的相延遲，這能夠用于計算在表面106上的聲波傳播的速度。從這些處理值，可以測定存在于表面106的葡萄糖濃度。利用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的具體例子將在下面詳細地討論。實施例1在根據(jù)本發(fā)明的實施方式中，上面關(guān)于圖1所描述的光學(xué)設(shè)備，例如，用來測定人體對象中的葡萄糖濃度，使得圖1的表面106是人體組織。圖4是示出由根據(jù)這個實施方式的光學(xué)設(shè)備發(fā)射的不同類型輻射的強度和持續(xù)時間的曲線圖。對于這個實施方式，第一和第二輻射源126和1 選擇成對應(yīng)于具有約1590nm峰值的葡萄糖吸收波段。在這個實施方式中，光學(xué)設(shè)備設(shè)置成使得第一輻射源1 是以1550nm的波長、1. 0-10. Off的功率和IOOnm 的脈沖寬度發(fā)射激發(fā)光束A的激光器。第二輻射源提供為以1550nm的波長、0. 1-1. OW的功率和SOnm的脈沖寬度發(fā)射多個周期性探測脈沖化的激光器。在操作中，根據(jù)光聲原理，激發(fā)光束B1在組織106中產(chǎn)生機械變化和快速衰減振蕩。激發(fā)光束B1還產(chǎn)生初始的光散射D1或1)2。在激發(fā)光束B1發(fā)射之后，探測脈沖化被周期地發(fā)射，產(chǎn)生附加的光散射D1或D2。光散射D1或&由檢測器132檢測，轉(zhuǎn)換成表示光散射D1或&的振幅強度的電信號，并且該電信號發(fā)送給電子外殼102用于處理。由于組織106中的機械變化和快速衰減振蕩，附加的光散射D1或&的振幅在整個時間變化。CPU 112處理表示振幅變化的電信號，并且發(fā)送結(jié)果給PC 110。PC 110利用專用算法，儲存電信號并計算組織106中的葡萄糖的濃度。
實施例2在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式中，上面關(guān)于圖3所描述的光學(xué)設(shè)備，例如，用于測定人體對象中的葡萄糖的濃度，使得圖3的表面106是人體組織。圖5是示出由根據(jù)這個實施方式的光學(xué)設(shè)備發(fā)射的不同類型輻射的強度和持續(xù)時間的曲線圖。對于這個實施方式，第一和第二輻射源126和1 選擇成對應(yīng)于具有大約1590nm峰值的葡萄糖吸收波段。 在這個實施方式中，光學(xué)設(shè)備設(shè)置成使得第一輻射源1 是以1550nm的波長、5W的功率，和 IOOnm的脈沖寬度發(fā)射激發(fā)光束&的激光器。第二輻射源提供為以1610-1690nm的波長、 0. 25-0. 5W的功率和SOnm的脈沖寬度發(fā)射多個周期性探測脈沖化的激光器。根據(jù)本發(fā)明且備選地，激發(fā)光束B1可以以約1550nm的波長和IOW的功率發(fā)射，而周期性的探測脈沖化可以以約1550nm的波長、約0. 25-0. 5W的功率從與激發(fā)光束B1相同的輻射源發(fā)射，其中周期性探測脈沖化發(fā)射成使得在每個脈沖之間存在約25微秒的延遲。在操作中，探頭304放置成與組織106接觸。在這個實施例中包括壓力傳感器的門控傳感器302測量探頭304和組織106之間的壓力。當壓力傳感器302確定探頭304和組織106之間的壓力為可接受的值時，第一輻射源發(fā)射激發(fā)光束。根據(jù)光聲原理激發(fā)光束在組織106中產(chǎn)生機械變化和快速衰減振蕩，和光的初始散射。在發(fā)射激發(fā)光束之后，由第二輻射源1 周期地發(fā)射探測脈沖，產(chǎn)生附加的光散射。光散射由第一和第二檢測器332 和334檢測，轉(zhuǎn)換成表示光散射的振幅強度的電信號，并且發(fā)送給電子外殼102 (圖1所示) 進行處理。由于組織106中的機械變化和快速衰減振蕩，附加的光散射的振幅在整個時間調(diào)制。CPU 102(圖1所示)處理表示振幅變化的電信號，并且在整個時間進行用于相互比較光散射的振幅的算法，以尋求聲學(xué)振蕩漫射的振幅、頻率、衰變時間和速度的微分變化。這些微分變化儲存在內(nèi)部存儲器(未示出)中，并且用在計算組織106中的葡萄糖濃度的算法中。根據(jù)本發(fā)明，雖然不是必需要求，圖1或圖3所示的光學(xué)設(shè)備被校準以便提供分析物的濃度的最佳測定。圖6是示出用于校準根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的方法的流程圖。如果如上所述被測試的分析物是葡萄糖，那么重要的是，為了使用者的健康獲得的濃度是準確的，并且與另一種驗收合格的測試葡萄糖濃度的方法一致。因此，在進行校準的過程中，標準血液測試的結(jié)果與光學(xué)設(shè)備的結(jié)果進行比較，并且偏置光學(xué)設(shè)備以匹配該血液測試。雖然已經(jīng)關(guān)于血糖測試小總結(jié)了這個校準過程，但是當利用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備測定不同于血糖的分析物的濃度時，也可以利用下面詳細描述的校準過程。首先，獲得流體樣品(S401)，并且利用流體濃度測定裝置來測定分析物的第一濃度640 。記錄這個第一濃度，并且然后根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備用來進行濃濃度測量 (S40;3)。光學(xué)設(shè)備進行諸如圖2所示的方法，并且確定分析物的第二濃度(S404)。該第一濃度和第二濃度相互進行比較以確定它們是否在預(yù)定的精度范圍內(nèi)匹配。如果第一濃濃度和第二濃度匹配，則不需要另外的校準(S406)。但是，如果第一濃度和第二濃度不匹配，則將光學(xué)設(shè)備偏置預(yù)定的量，使得第二濃度將匹配第一濃度(S407)。這個步驟之后，校準完成 (S408)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光學(xué)設(shè)備外部或光學(xué)設(shè)備上的計算機，可以進行濃度的記錄、匹配確定和偏置。雖然在這里公開的方法和設(shè)備可以或可以不參考具體硬件和軟件進行描述，但是以足以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠容易采用市場上可得到的硬件和軟件的方式描述方法和設(shè)備，該硬件和軟件可能需要以減少實踐本發(fā)明的任何實施方式，而無需過多實驗， 并且利用常規(guī)的技術(shù)。此外，雖然已經(jīng)參考幾個具體實施方式
描述了本發(fā)明，但是該描述旨在整體上說明本發(fā)明，而不是解釋為將本發(fā)明限制于所示的這些實施方式。應(yīng)當理解，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，能夠進行各種修改，雖然這里沒有具體示出各種修改，但是無論如何各種修改都在本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)。 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，考慮到在這里公開的本發(fā)明的說明書和本發(fā)明的實踐，本發(fā)明的其它實施方式將是現(xiàn)而易見的。意圖是在權(quán)利要求所指出本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)，說明書和實施例被認為僅僅是示范性的。
權(quán)利要求
1.一種用在用于測定受試者的葡萄糖濃度的光學(xué)設(shè)備中的探頭，所述探頭包括 與至少一個輻射源和至少一個檢測器耦合的多個光纖束；以及輸入/輸出接口，用于將電信號傳輸給所述至少一個輻射源，并用于從所述至少一個檢測器傳輸電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其中所述多個光纖設(shè)置成使得耦合于至少一個輻射源的光纖被耦合于至少一個檢測器的光纖所圍繞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，還包括連接于所述探頭的一部分的壓力傳感器，所述壓力傳感器檢測所述探頭和與所述探頭接觸的表面之間的壓力，其中，所述光學(xué)設(shè)備將不測定受試者的葡萄糖濃度，除非所述檢測的壓力等于預(yù)定的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其中所述探頭是便攜的并且是手提式的。
全文摘要
用于測定分析物濃度的光學(xué)傳感器。提供一種用于利用光學(xué)激發(fā)和光學(xué)檢測非侵入式地測定受試者中的血糖濃度的方法和設(shè)備。該方法包括發(fā)射用于照射受試者的組織的一部分(130)的激發(fā)光束(B1)，在該表面中引起物理和化學(xué)變化，并且引起光的初始向后散射(D1)。該方法還包括周期性地發(fā)射用于照射該組織的該部分的探測光束(B2)，并引起光的周期性的向后散射(D2)。檢測初始的和周期性的向后散射，并且將檢測的散射轉(zhuǎn)換成該物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間至少其中之一的電信號，該向后散射用該物理和化學(xué)變化調(diào)制。通過在整個時間對該物理和化學(xué)變化的振幅、頻率或衰減時間至少其中之一求微分可以測定定血糖濃度。
文檔編號A61B5/1455GK102512175SQ201110391618
公開日2012年6月27日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者A·阿莫索夫, N·伊茲瓦里娜, P·舒爾茨, S·克拉維奇 申請人:生物傳感器公司