本申請是申請日為2013年10月16日、申請?zhí)枮?01380054250.7、發(fā)明名稱為“單糖濃度傳感器和方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年10月16日提交的美國臨時申請序列號61/714,731和2013年7月24日提交的美國非臨時申請序列號13/950,054的權益，二者通過引用并入本文。

本發(fā)明涉及監(jiān)測液體(fluid)中的單糖(simplesugar)(或單糖(monosaccharide))含量。更具體地，本發(fā)明與偏振器結合地使用光能源以確定被試液體(subjectfluid)(諸如，血液)相對于基線濃度的糖水平(例如，葡萄糖)的改變。

背景技術：

單糖根據等式θ＝α×l×c改變通過其的光能的偏振，其中l(wèi)是通過其中糖聚集的液體的能量的行進長度，c是糖濃度，并且α是依賴于糖的類型、能量的波長和液體的常量。如果已知l和α，則通過測量相對于基線測量的通過含糖液體的能量的偏振的改變，可以推導出液體的糖濃度。

例如，可以使用這個原理非入侵地確定人類血液的葡萄糖濃度。正常血液具有非零葡萄糖濃度c，這引起通過血液的能量的偏振的改變。對于70mg/dl的葡萄糖濃度和α＝45.62(x10^-6)度/mm/(mg/dl)，633nm的波長的能量和3.0mm的路徑長度將具有0.00958度的旋轉θ。測量由糖引起的旋轉的改變允許推導出當前糖濃度。

技術實現要素：

本發(fā)明可以用以監(jiān)測液體中的糖(例如，葡萄糖)，并且相對于依賴標準偏振分析儀(該分析儀需要有源移動部分和到0.01度的角分辨率精度)的傳統技術提供很多優(yōu)點。第一，本發(fā)明是非侵入的，這降低感染的風險。第二，本發(fā)明可以提供流實時、連續(xù)數據的能力。第三，本發(fā)明提供低操作成本。

本發(fā)明包括：光能源，具有發(fā)射器，該發(fā)射器具有發(fā)射圖案；第一偏振器，橫切發(fā)射圖案；第二偏振器，與第一偏振器間隔距離并且橫切發(fā)射圖案，第二偏振器相對于第一偏振器旋轉第一旋轉量θ；第一光檢測器，橫切發(fā)射圖案；第二光檢測器，接近第二偏振器定位，第一偏振器和第二偏振器定位在光能源和第二光檢測器之間，第二光檢測器橫切發(fā)射圖案；補償電路，耦合至第二光檢測器；以及減法器電路，耦合至補償電路和第一光檢測器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例的系統圖。

圖2是參考圖1描述的電路的電路圖。

圖3是示出與人類耳朵一起使用的實施例的圖1的系統圖。

圖4a-4c示出來自用以推導三個獨立情況的糖濃度的本發(fā)明的實施例的實際數據。

圖5a-5c示出利用相互施加的非偏振和偏振波形在不同形式下圖4a-4c中所示的相同數據。

具體實施方式

圖1示出本發(fā)明的一個實施例20，其包括：光能源22，第一偏振器24，與第一偏振器24間隔一距離的、具有相對于第一偏振器24的旋轉θ的第二偏振器26，第一光能檢測器28，與第一檢測器28并列的第二光能檢測器30，以及電路46。第一和第二光檢測器28、30中的每個被定向為接收通過空間32的光能。在優(yōu)選實施例中，檢測器28、30是硅檢測器。如本文使用的，“并列”意味著相互鄰近定位，以便在所有其他條件都相同的情況下，來自公共源的光將以近似相等的強度進入每個檢測器。此外，雖然實施例公開了使用硅檢測器，但是可以使用其他類型的檢測器(諸如，光敏電阻器)。

當被激勵時，能量源22產生具有發(fā)射圖案36的初始光能34。能量源22優(yōu)選是諸如紅色發(fā)光二極管(led)或者激光器的紅色光源，但替代地可以是近紅外的。最終，初始光能34必須有可以受到被試液體中存在糖影響。同時也通過包含該液體的其他容器的波長。

第一偏振器24接近源22定位，以便初始光能34通過第一偏振器24并且變成偏振能量38。偏振能量38橫穿第一和第二偏振器24、26之間的空間32，其中偏振能量38的第一部分40由第一光檢測器28檢測，并且偏振能量38的第二部分42通過第二偏振器26到第二光能檢測器30。值得注意地，第一檢測器和第二檢測器28、30并列，盡管第二偏振器26接近第二檢測器30。因為在圖1中空間32是空的，所以通過空間32的偏振能量38不由于例如液體中糖的存在而旋轉。

優(yōu)選地，第一和第二偏振器24、26是線性偏振膜，因為這樣的膜相比于其他可用替代物便宜。然而，這樣的膜對于可見光譜中的能量波長是最優(yōu)的?？梢允褂闷渌衿?，只要選取能量源22的選擇波長以最優(yōu)地對應。例如，替代偏振器可以是線柵(wire-grid)或者全息的，其最優(yōu)地配置用于具有近紅外或者紅外波長的能量的本發(fā)明中。

優(yōu)選地，偏振器24、26之間的旋轉的差是45度(或者四十五度的整數倍)加上由基線引起的旋轉。在該最優(yōu)情況下，相對于基線的濃度的改變至少初始地沿著正弦波的最線性部分移動，這使得與移動進一步遠離波的斜率是1的地方并且進一步朝向斜率是0的地方(即，正弦波的波峰和波谷)相比，更容易地檢測旋轉的改變。例如，當以基線葡萄糖濃度100mg/dl在長度l上使用時，θ等于0.014度。在該情況下，偏振器之間的旋轉應該是45.014度。然而，從基線的濃度的改變越大，旋轉與濃度的改變的相關性越非線性。

第一和第二檢測器28、30電耦合到電路46。電路46具有補償電路48、減法器電路50和增益電路52。第一檢測器28直接耦合到減法器電路50。第二檢測器30耦合到補償電路48，其將由第二檢測器30產生的信號的增益升高足夠的量，以補償可歸因于偏振能量38的部分42通過偏振膜、以及由于液體中的基線濃度引起的偏振效應的強度的損失，但是，補償電路48不補償由于從某一基線本身的濃度改變引起的偏振的改變所產生的強度的損失。減法器電路50產生作為從第一和第二檢測器28、30接收到的信號之間的差異的信號。增益電路52將信號放大至可使用的電平。

值得注意地，在替代實施例中，補償電路48可以是耦合到第一檢測器28的衰減器，均衡接收到的光能的強度，其目的在于由第一檢測器28和第二檢測器30看到的能量的差異與能量的旋轉而不是其幅度有關。類似地，減法器電路50可以由惠斯通(wheatstone)或者類似電橋取代。

參考圖2，第一和第二檢測器28、30的輸出提供到電路46。電路46包括具有電位計ro1的補償電路48、減法器電路50、包括ro1和c1以及ro2和c2的第一和第二30hz低通濾波器和增益電路52。減法器電路50和增益電路52并入了opa211kp運算放大器ic66。低通濾波器排除在檢測器28、30處的任何噪聲。偏振輸出53和非偏振輸出55饋送到包括ro3、ro4、rl3和rl4的減法器電路50。減法器電路輸出54然后提供到包括ro5和c3的增益電路52。最終信號提供在增益電路輸出56。實施例包括用于相位匹配的目的可選單位增益電路57。

圖3示出與人耳68一起使用的實施例20，人耳68的至少一部分占據空間32?？臻g32內的耳朵68的優(yōu)選定向使得偏振能量38通常平行于橫軸地通過耳朵68，其中l(wèi)是沿著測量液體的軸的距離。對于大多數人耳，l接近富毛細血管和富血管的皮膚的三毫米。

當被激勵時，能量源22產生具有發(fā)射圖案36的初始光能34。初始能量34通過第一偏振器24，并且是耳朵68的非糖成分(即，皮膚、血液、組織、軟骨)至少在某種程度上對于其透明的波長。

在通過第一偏振器24之后，初始能量34變成偏振能量38。然而，耳朵68中的血液內的葡萄糖將根據θ＝α×l×c使得能量38的偏振改變，使得退出耳朵的旋轉能量70具有第一旋轉θ1。

旋轉能量70的第一部分72的強度由第一檢測器28檢測。旋轉能量70的第二部分74的強度通過第二偏振器26并且由第二檢測器30檢測。第一和第二檢測器28、30的每個產生代表接收到的強度的信號。因為由第二檢測器30接收到的旋轉能量70的強度只是通過第二偏振器26的旋轉能量分量的強度，所以通過測量檢測器28、30處的強度的差異，可以推導出由耳朵68中的葡萄糖引起的旋轉，從該旋轉可以確定相對于基線的葡萄糖濃度的改變。

為了確定基線，在使用之前，通過改變電位計60以補償由第一和第二檢測器28、30接收到的能量的強度的差異，將實施例20校準為70mg/dl的基線葡萄糖濃度(對于人類血液的“正?！睗舛?。因此，測量到的旋轉的任何改變代表從某一基線(例如，70mg/dl)的葡萄糖濃度的改變。

本發(fā)明的替代實施例使用650nm的波長校準為100mg/dl的基線葡萄糖濃度，導致第二偏振器相對于第一偏振器的45.028度的旋轉。這導致對于30mg/dl和300mg/dl之間的葡萄糖濃度，加上或者減去0.2度的產生的基線的旋轉的范圍。因此，30mg/dl的葡萄糖濃度將導致0.0096度的檢測器之間的旋轉差異，而300mg/dl的葡萄糖濃度將導致在30mg/dl濃度的方向的相反方向上的.0273度的旋轉差異。

存在至少兩個用于校準本發(fā)明的方法。首先并且優(yōu)選地，在每個傳感器的制造期間，將旋轉偏振狀態(tài)已知量的樣本對照(samplecontrol)血清或者類似成分將被插入空間。該對照將提供仿真的已知葡萄糖濃度，用于調整設備為適當校準設置?？商娲兀脩?佩戴者可以利用傳感器取得初始讀數，并且另外地利用另一葡萄糖傳感器(例如，血液棒計(bloodstickmeter))取得接近同時的讀數。來自另一傳感器的該值將利用用戶輸入部件(例如，連接到微控制器的旋鈕、按鈕等)被輸入到傳感器。

圖4a-4c示出來自用以檢測75mg/dl、150mg/dl和300mg/dl的葡萄糖濃度的本發(fā)明的實施例的實際數據。每個示例的左側示出從偏振檢測器28和非偏振檢測器30接收到的實際信號。每個示例的右側示出減法器電路的輸出。對于75mg/dl的基線校準該實施例。在圖4a中，減法器電路平均化為零，以指示沒有從基線的改變。在圖4b中，減法器電路平均化為接近.00005伏。在圖4c中，減法器電路的輸出平均化為接近.0001伏或者中間示例的兩倍，只要底部示例的濃度是圖4b所示的濃度的兩倍就預期這一點。

圖5a-5c示出圖4a-4c中描繪的相同數據，但非偏振和偏振波形在相同圖形上。圖5a與圖4a所示的數據對應。圖5b與圖4b所示的數據對應。圖5c與圖4c所示的數據對應。

本公開包括其中描述特定傳感器和方法的優(yōu)選或者說明性實施例。這樣的傳感器的替代實施例可以用于實現要求保護的發(fā)明，并且這樣的替代實施例僅由權利要求本身限制?？梢赃B同所附權利要求，從本公開和附圖的研究獲得本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點。