專利名稱：傳感器校準的制作方法
技術領域：
本發明涉及對傳感器的校準，更具體而非必需地，涉及對可穿戴 在身上的醫療生物傳感器的校準。
背景技術：
"生物傳感器"已經被定義為結合有整合于物理化學轉換器內或 與物理化學轉換器密切關聯的生物或生物衍生感測元件的分析設備。 盡管不應排除模擬信號的提供，但是通常將生物傳感器設計用于產生 與單個分析物或有關的分析物組成比例的離散或連續的數字電子信號。
存在許多生物傳感器的應用區域，例如包括環境感測、化學感測、 以及食物和飲料的生產和制備。然而，吸引了大量關注的一個應用區 域是醫學診斷、監控或治療。盡管下文討論主要涉及這些醫療應用， 然而可以理解的是，所考慮的問題和解決方案還可以具有非醫療應用。
醫療監控生物傳感器的典型示例是被設計用于產生指示用戶(即 病人)身體系統中的葡萄糖值的電子信號的葡萄糖生物傳感器。現今 的葡萄糖生物傳感器趨向于基于在電極表面固定酶或其它試劑的概
念，從而提供在本質上為pH檢測器的設備。在將試劑暴露于從病人 處獲得的樣本(例如一滴血)時，該設備的電輸出指示該樣本的pH 值，并因此間接地指示葡萄糖值。商業上可用的葡萄糖生物傳感器趨 向于為接受一次性(disposable)測試片或元件的手持型設備。
例如在糖尿病患者的情況下，用戶可能希望在一天中對他或她的 葡萄糖值進行若干次測試，以便提供足夠的反饋度，以允許在所檢測 的值嚴重偏離"正常"值時進行干預。這種生物傳感器具有其局限性。 具體地，由于需要用戶刺入其表皮來獲得血液樣本，然后使用生物傳感器來執行短暫且仍然不便的測試過程，用戶可能不會按照需要的那 樣經常地執行試驗。皮刺還很疼痛，并且較長時間下來會導致嚴重的 皮膚損傷。這些問題同樣會在測量血液中存在的分析物、并因此需要 提供血液樣本的其它類型的生物傳感器上出現；例如氧、乳酸鹽、硝 酸、肌氨酸酐、多巴胺、血清胺、去甲腎上腺素。這些分析物的測量 可有益于了解并監控象心臟病、風濕性關節炎、以及帕金森綜合癥之 類的各種疾病。
實質上已經提出了非入侵式的生物傳感器。這些可以穿戴在皮膚
上，并通過極小的顯微針(micro-needle)來與皮膚表層的組織液接觸， 以提供連續的監控。然而，暴露于污垢和水并遭受侵略性身體接觸(例 如通過用戶的衣服)的這種生物傳感器特性可能需要傳感器為一次性 的、并且只用于相對短的時段。同樣，功耗和電池容量也使處置性 (disposability)成為優選的選擇。己經提出了兩分式(two-part)生 物傳感器系統，其使用射頻無線鏈路在穿戴式生物傳感器和中央控制 器之間傳送數據。可以將這種控制器放入用戶口袋或戴在他或她的皮 帶上。該控制器在顯示屏幕上顯示測量結果，并且可以記錄歷史數據。
典型的生物傳感器系統需要在使用前對生物傳感器進行校準，以 便對設備變化進行補償并確保結果的精度。例如，這可能需要測量已 知流體樣本的參數。在葡萄糖生物傳感器的情況中，可以為用戶提供 包括具有已知葡萄糖濃度的液體的小瓶，用戶打破封條并將液體注入 有源(active)傳感器表面以校準系統。這種方法對于用戶而言既費時 又不便，并且需要為用戶提供針對每個生物傳感器的新的小瓶。
US 6,441,747描述了一種用于醫療監控的無線可編程系統，其包 括設計用于與多個穿戴式生物傳感器收發機通信的基本單元。
US 2004/0096959描述了一種皮膚貼片形式的葡萄糖傳感器，其 具有刺入皮膚以抽取組織液的顯微針。通過無線鏈路，將葡萄糖測量 結果從皮膚貼片發送到遠端顯示單元。
與此領域相關的其它文獻如下
IEEE Trans Biomed Eng, vol 35, no 7， Jul 1988, p 526-532; Diabetes Technol Ther， vol 1 ， no 3, 1999， p 261-6;
Med Eng Phys， vol 18, no 8, 1996 Dec, p 632-40;
US20010041831;以及
WO2000067633。
發明內容
本發明源于以下認識兩分式傳感器系統提供了一種通過從舊傳 感器傳入數據來校準新的傳感器的裝置。并非每個傳感器都需要使用 一些對照樣本(control sample)進行校準。
根據本發明的第一方面，提供了一種校準傳感器系統的方法，該 傳感器系統包括一次性傳感器和計算機設備，所述傳感器和所述計算 機設備兩者都具有便于在其間通過無線通信鏈路進行數據傳輸的電 路，該方法包括
把使用第一一次性傳感器所獲得的被監測參數的最終值、或者可 由所述最終值推導出的一些其它值存儲在所述計算機設備的存儲器 中；以及
使用所述最終值或所述其它值，對新的一次性傳感器系統進行校準。
使用所述最終值或其它值來計算針對新的傳感器的校準因數。所 述因數可以是用于根據被測量值而估計被監測參數的常數。可以將所 述最終值或所述其它值、或所述校準因數從所述計算機設備發送到所 述一次性傳感器，在所述傳感器處執行對被監測參數的估計、或者該 估計的一部分。另一方面，可以將所述最終值或所述其它值、或所述 校準因數存儲在所述計算機設備中，在所述計算機設備處執行對被監 測參數的估計、或者該估計的一部分。
本發明尤其適用于醫療傳感器系統，其中該傳感器是穿戴式的。 該傳感器可以是pH傳感器。更具體地，所述傳感器是基于ISFET的 生物傳感器，而且所述被測量值是ISFET的柵-源電壓或穿過漏極/源 極的電壓或電流。
根據本發明的第二方案，提供了一種傳感器系統，包括
一次性傳感器，其至少一部分在使用中被設置為與實體相接觸；
以及
計算機設備，
所述傳感器和所述計算機設備兩者都具有便于在其間通過無線 通信鏈路進行數據傳輸的電路，所述計算機設備還包括存儲器，用 于存儲針對第一一次性傳感器而監測的參數的最終值、或可從所述最
終值推導出的一些其它值；以及處理裝置，用于使用所述最終值或其 它值來校準新的一次性傳感器。
圖1示意性地示出了用戶所攜帶的傳感器系統； 圖2示出了附著在用戶皮膚上的圖1中的系統的生物傳感器貼片 的橫截面；
圖3示意性地示出了圖2中的生物傳感器的電子元件；
圖4示意性地示出了圖1中的系統的控制器；
圖5示出了包括ISFET的圖2中的生物傳感器貼片的電子電路；
以及
圖6是示出了用于操作圖1中的系統的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1中示出了一種人類可穿戴的傳感器系統。例如，該傳感器系 統適用于持續監控患有糖尿病的用戶的葡萄糖值。該系統包括兩個主 要元件以貼片的形式存在的一次性傳感器1，附在用戶皮膚上，例 如附在手臂2上；以及控制器3，在所述示例中附在用戶皮帶4上。
控制器3包括用戶接口，該用戶接口包括液晶顯示器(LCD) 5和小 鍵盤6。
圖2示出了固定在用戶皮膚上的傳感器貼片1的橫截面視圖。該 貼片1包括靈活的載體7，其可以是塑料或織物材料或者金屬箔。如 果該載體本身不夠"粘性"，則可以在該載體的下面涂上粘合劑，以允 許將該貼片固定到皮膚上。從該貼片的底面凸出的是例如顯微針8的 陣列(array),例如100。典型地，它們的直徑為1-1000微米，并具
有皮下注射針的形式，即具有貫穿其中部的管道，該管道在底部尖端 開口。當將該貼片壓在皮膚上時，該針刺入皮膚表面直到皮層
(cutaneous level),這允許通過該針將組織液向上傳導至該貼片中。 相對小尺寸的針不會給用戶造成任何疼痛，并且明顯導致幾乎沒有或 不長時間的皮膚損傷。[參見"ENDOPORATOR " ( EU FP5 IST-2001-33141)]
提供了一些裝置(附圖中未示出)，用于將流體從針傳導至有源
(active)生物傳感器元件9。例如，此裝置可以是毛細管或毛細管組、 或者某種通過毛細作用傳送的裝置(wick)。例如，該生物傳感器元件 9可以是具有 "Weak Inversion ISFETs for ultra low power biochemical sensing and real time analysis", Leila Shephard and Chris Toumazou， Sensors and Actuators 2004, Elsevier BV中所描述類型的基于離子感測 場效應晶體管(ISFET)的生物傳感器。不論所使用的生物傳感器的 類型如何，該傳感器將在輸出端處提供指示所抽取流體中的葡萄糖值 的電信號。
現在參照圖3，示意性地示出了傳感器貼片1中的各種元件。處 理器10的輸入端耦合至生物傳感器9的輸出端。處理器10還與存儲 器11以及射頻收發機12相耦合。該收發機與射頻天線13相耦合。在 各種元件9-13可以由分立元件提供時，在優選實現中，將它們全部整 合到單片硅上。提供電源14來為各種電子元件供電。例如，電源14 可以是電池。針對新的貼片，用戶可通過把封條從該貼片上撕下以激 活電池，所述封條將電池端子與供電引線隔開。
由于提供一次性貼片的要求所驅動的對小尺寸和低成本的需求， 必須將貼片電子儀器的復雜度保持為絕對最小。這個目標還對滿足極 低功耗的要求大有幫助。典型地，貼片電子儀器幾乎不對原始的監測 數據進行處理。原始的數據可以僅由處理器10進行數字化，并由收發 機12通過無線鏈路發送到控制器3。
在圖4中示意性地示出了控制器3的主要元件。這些元件包括 與收發機16相耦合的微處理器15、存儲器17、以及用戶接口 5和6。 將收發機16與天線18相耦合。這些元件都由電池19供電。可以理解
的是，對控制器的尺寸和功耗的要求明顯小于對傳感器1的那些要求。 因此，此系統中所使用的方法把對所監測的信號執行的大部分處理放
在控制器3中執行。這將利用作為程序代碼存儲于存儲器17中、并由 處理器15所訪問的處理程序。
在某種程度上，傳感器系統可由用戶通過控制器3中的用戶接口 來配置。例如，當用戶激活新的傳感器貼片時，他或她能夠通過輸入 使用手指血液取樣測試所獲得的血液葡萄糖讀數來重置校準處理，勝 過(over-riding)下文所述的缺省的"推進式(cany-forward)"校準處理。
還考慮了生物傳感器貼片中的ISFET，在圖5中示意性地示出了 典型的ISFET及其相關聯的偏壓和測量電路。與ISFET的離子感測柵 極接觸的液體中的pH的改變導致ISFET閾值電壓的改變。通過檢測 閾值電壓的改變，可以測量pH值。[參見'ISFET sensor coupled with CMOS read-out circuit microsystem', L. Ravezzi and P. Conchi， IEE Electronics Letters, 1998， 34(23)， pp.2234-2235]。 ISFET在線性區中被 偏壓，因此漏極電流為
Ids = K[(VGS - VT) - (VDS/2)]VDS蘭K(VGS - VT) VDS (1)
其中lDS-漏極電流，VGf柵-源電壓，V產閾值電壓，Vds 漏-源
電壓以及K-器件跨導。
可以將方程式(1)改寫為
VGS = lDS/(K,VDS) + VT (2)
在圖5中，使用固定的漏極電流lDS和固定的漏-源電壓Vds対 ISFET進行偏壓。由于器件跨導K是固定參數，閾值電壓VT中的任 何變化都將造成柵-源電壓Vcs的改變，在輸出端對此進行測量。
ISFET的閾值電壓可以寫成
VT = Vos + 2,3a Vth,pH (3)
其中，Vth-熱電壓-kT/q，而Vos是各個器件之間有所不同的與工藝和化學有關的偏移電壓。a定義如下
<formula>formula see original document page 10</formula> (4)
其中，Cd是取決于樣本的電解液密度的ISFET雙層電容，而yS是 ISFET柵氧化物表面的固有緩沖容量(intrinsic buffer capacity)。通過 選擇呈現出極高緩沖容量的諸如Ta205之類的柵氧化物材料，可以忽
略等式(4)中第二項的值，即2.3kTCd/J3q2 1 ，因此"^，艮卩
<formula>formula see original document page 10</formula> (5)
為了校準ISFET以使得可以根據VT的改變來計算pH的改變，必 須確定偏移電壓Vos。這可以按照如下來進行。
Ids和VDs的值由如圖5所示的適當的偏壓電路來確定。由于K 可以從ISFET規格和工藝數據中獲知，因此Vcs的測量允許確定VT。 [如果需要以更高的精確度來獲知K，則可以改變Ids和VDS，以允許 對Vcs進行兩次或更多次測量，從而確定K和Vt二者的準摘但。]
可以使用等式(5)中的VT來計算Vos的值。通過使溫度傳感器 靠近ISFET以獲得熱電壓Vth。如果樣本的pH值也已知，那么可以計 算Vos的值。
如已經討論的，最初可以使用pH已知的流體樣本來校準ISFET。 然而，不適于對每個新的傳感器貼片都進行這樣的處理。因此，這里 建議僅使用該過程對第一傳感器貼片進行校準，之后將校準數據從一 個傳感器傳遞到下一個。如果在除去先前貼片后的非常短的時間內將 新的傳感器貼片貼到用戶皮膚上(比如說在5分鐘內對血液葡萄糖進 行監測)，則可以假設先前傳感器的最后的pH值讀數仍然有效，并且 可用于校準新的傳感器。
參照上述等式(3)，可以使用舊傳感器貼片的最終pH值、以及 新傳感器貼片的VT的當前測量值來計算新貼片的Vos。之后，對于使 用新貼片的每次連續測量，都可以使用等式(3)來確定當前的pH。
可以在傳感器貼片1或控制器3處執行等式(3)的估計(這將 取決于對貼片處的處理所造成的功耗和大數據分組通過無線鏈路傳輸 所造成的功耗之間的折衷的估計)。在前者情況下，這需要將先前傳感 器貼片的最終pH讀數從控制器發送到新的傳感器貼片。這個交換可 以在新貼片與控制器的注冊過程期間執行，通過新傳感器的上電而觸 發。
圖6是示出了用于校準傳感器系統的一般操作過程的流程圖，每 次都使用新的貼片。
本領域的技術人員將理解，可以在不偏離本發明的范圍的前提下
對上述實施例進行各種修改。例如，在將貼片1和控制器3中的電子
儀器和電子元件示出為分立的功能實體(例如處理器收發機、存儲器) 時，可以將這些實體結合在一起，至少是在某種程序度上。例如，可 以通過處理器來實現收發機的特定功能。
1權利要求
1.一種用于校準傳感器系統的方法，所述傳感器系統包括一次性傳感器和計算機設備，所述傳感器和所述計算機設備兩者都具有便于在其間通過無線通信鏈路進行數據傳輸的電路，所述方法包括把使用第一一次性傳感器所獲得的被監測參數的最終值、或者可由所述最終值推導出的一些其它值存儲在所述計算機設備的存儲器中；以及使用所述最終值或所述其它值，對新的一次性傳感器的系統進行校準。
2. 根據權利要求1所述的方法，包括使用所述最終值或其它值來 計算針對新的傳感器的校準因數。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述因數是用于根據被測量值而估計被監測參數的常數。
4. 根據之前的任一權利要求所述的方法，其中，將所述最終值或 所述其它值、或所述校準因數從所述計算機設備發送到所述一次性傳 感器，在所述傳感器處執行對被監測參數的估計、或者該估計的一部 分。
5. 根據權利要求1到4中的任一所述的方法，其中，將所述最終 值或所述其它值、或所述校準因數存儲在所述計算機設備中，在所述 計算機設備處執行對被監測參數的估計、或者該估計的一部分。
6. 根據之前任一權利要求所述的方法，其中，所述傳感器是穿戴 式的。
7. 根據之前任一權利要求所述的方法，其中，所述傳感器是pH傳 感器。
8. 根據之前任一權利要求所述的方法，其中，所述傳感器是基于 ISFET的生物傳感器，而且所述被測量值是ISFET的柵-源電壓或穿過 漏極/源極的電壓或電流。
9. 根據之前任一權利要求所述的方法，其中，將所述系統設置用于確定血液葡萄糖值。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述最終值是血液葡萄糖值。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中，血液葡萄糖值是pH的函數，所述pH可從以下等式中推導出VT = Vos + 2.3a Vth.pH其中Vth-熱電壓-kT/q，Vos是各個器件之間有所不同的與工藝和 化學有關的偏移電壓，而"是與溫度和器件有關的常數，對系統進行校準的步驟包括基于對所述新的傳感器的測量以及 針對所述先前的傳感器而獲得的最終pH值來確定Vos。
12. 根據之前任一權利要求所述的方法，其中，在對所述一次性貼 片上電時，執行所述對新的一次性傳感器的系統進行校準的步驟。
13. —種傳感器系統，包括一次性傳感器，其至少一部分在使用中被設置為與實體相接觸；以及計算機設備，所述傳感器和所述計算機設備兩者都具有便于在其間通過無線 通信鏈路進行數據傳輸的電路，所述計算機設備還包括存儲器，用于存儲針對第一一次性傳感器而監測的參數的最終值、或可從所述最終值推導出的一些其它值；以及處理裝置，用于使用所述最終值或其 它值來校準新的一次性傳感器。
14. 根據權利要求13所述的系統，所述系統被設置用于確定用戶的 血液葡萄糖值。
15. 根據權利要求13或14所述的系統，所述一次性傳感器包括用于 向所述計算機設備發消息通知需要校準的裝置，在所述計算機設備接 收到所發送的信息時，執行所述對系統進行校準的步驟。
16. 根據權利要求13到15之一所述的系統，所述一次性傳感器包括 用于通過無線鏈路從所述計算機設備接收被監測參數的所述最終值的 裝置。
全文摘要
一種用于校準傳感器系統的方法，該傳感器系統包括一次性傳感器和計算機設備，兩者都具有便于于在其間通過無線通信鏈路進行數據傳輸的電路。該方法包括把使用第一一次性傳感器所獲得的被監測參數的最終值、或者可由所述最終值推導出的一些其它值存儲在所述計算機設備的存儲器中；以及使用所述最終值或所述其它值，對新的一次性傳感器的系統進行校準。
文檔編號A61B5/00GK101193585SQ200680016729
公開日2008年6月4日 申請日期2006年5月16日 優先權日2005年5月17日
發明者保羅·帕登, 艾莉森·伯德特 申請人:生物納米傳感科技有限公司