用于測量物質濃度的非侵入式系統和方法

用于測量物質濃度的非侵入式系統和方法
【專利摘要】一種系統包括光源和光檢測器。所述系統還包括第一光學系統，所述第一光學系統被配置來將光的透射部分引導到所述檢測器上。所述第一光學系統進一步被配置來阻擋所述光的散射部分。所述系統還包括第二光學系統，所述第二光學系統被配置來將所述光的所述透射部分和所述散射部分引導到所述檢測器上。
【專利說明】用于測量物質濃度的非侵入式系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本公開要求2014年1月10日提交的標題為“Non-1nvasive Device and Method for Measuring a Substance Concentrat1n in the Blood” 的美國臨時專利申請號61/ 925，849的權益，所述專利申請的全部內容以引用的方式并入本文。[00〇3] 背景
[0004]確定體內葡萄糖的量或濃度對于許多目的可能是有價值的。確定體內葡萄糖的濃度的一些益處包括健康益處(諸如診斷和治療健康問題)、研究益處、健康監視益處以及更多益處。不幸的是，確定體內葡萄糖濃度可包括侵入式測試，這對于受試者來說可能是痛苦或有害的。
[0005]用于非侵入式測量葡萄糖濃度的系統正在開發中。此類系統通常依賴于穿過身體吸收或透射的光的量與葡萄糖濃度之間的相關性。然而，許多因素和潛在變量可能影響所吸收或透射光的量。用于非侵入式測量身體中的葡萄糖濃度的已知系統可能不太精確，這是因為它們除了穿過身體吸收或透射的光的量之外并不考慮也可能與葡萄糖濃度相關的參數。
[0006]概述
[0007]所公開的是一種用于測量物質濃度的非侵入式系統和方法，所述非侵入式系統和方法減輕以上提及的已知系統的缺點中的一個或多個。在一個實施方案中，系統包括光源和光檢測器。所述系統還包括第一光學系統，所述第一光學系統被配置來將光的透射部分引導到檢測器上并且進一步被配置來阻擋光的散射部分。所述系統還包括第二光學系統， 所述第二光學系統被配置來將所述光的所述透射部分和所述散射部分引導到所述檢測器上。
[0008]在一個實施方案中，一種方法包括通過第一光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的透射光。所述方法還包括通過第二光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的散射光。所述方法還包括基于測量數據與物質濃度之間的預定相關性確定身體中的物質濃度。測量數據與所測量透射光和所測量散射光相關聯。
[0009]在一個實施方案中，非暫態計算機可讀介質存儲指令，所述指令在由處理器執行時致使所述處理器啟動或執行操作。所述操作包括接收通過第一光學系統獲得的針對至少一個波長帶的來自身體的透射光的測量結果。所述操作還包括接收通過第二光學系統獲得的針對至少一個波長帶的來自身體的散射光的測量結果。所述操作還包括基于測量數據與葡萄糖濃度之間的預定相關性確定身體中的物質濃度。測量數據與透射光的測量結果和散射光的測量結果相關聯。[〇〇1〇]已論述的這些特征、功能以及優點可在各個實施方案中獨立實現或者可在其他實施方案中組合，這些實施方案的另外細節可參考以下描述和附圖看出。
[0011]附圖簡述
[0012]下文參考以下附圖描述一些實施方案。
[0013]圖1A描繪一種用于確定物質濃度的呈第一構型的系統的實施方案。
[0014]圖1B描繪用于確定物質濃度的呈第二構型的系統的圖1A實施方案。
[0015]圖2A描繪一種用于確定物質濃度的呈第一構型的系統的另一個實施方案。[〇〇16]圖2B描繪用于確定物質濃度的呈第二構型的系統的圖2A實施方案。
[0017]圖3描繪一種用于確定物質濃度的方法的實施方案。
[0018]圖4描繪一種用于確定物質濃度的方法的實施方案。
[0019]詳述
[0020]將理解的是，關于單獨實施方案所描述的特征的細節可一致和適當地在本文所描述的其他實施方案的相同特征中使用，即使在描述其他實施方案時未明確指示。
[0021]可使用與小角散射相關聯的原理執行對體內物質(諸如葡萄糖)濃度的非侵入式測量。例如，在光穿過身體之后發現在小角散射范圍內的光的量可取決于由身體所導致的散射量并且取決于由體內物質所導致的散射量。由物質所導致的散射量可取決于體內的物質濃度。
[0022]為了說明，準直光束可穿過身體或身體的一部分。準直光束的一部分可在不散射的情況下穿過身體，從而產生透射(例如，平行)光。準直光束的另一部分可在小角散射范圍內散射，從而產生散射光。小角散射范圍的實例為相對于透射光或平行光大0°至10°。準直光束的另一部分可以小角散射范圍之外的角度(例如，以大于10°的角)散射。如本文所使用的，透射光包括未被吸收、散射或反射的光。
[0023]觀察指出，溶液中的葡萄糖減小小角光散射的角度，這與在沒有葡萄糖的情況下展現出的情況相反。體內更高濃度的一些物質(諸如葡萄糖)可減小由身體所接收光的散射角，從而增加小角散射范圍內所發現的輻射量。例如，準直光束以小角散射范圍之外的角度散射的部分可在葡萄糖濃度增加時減少。因此，小角散射范圍內的輻射量與體內葡萄糖濃度之間可存在相關性。透射輻射的量與體內葡萄糖濃度之間可存在另一個相關性。因此，可通過將散射輻射和透射輻射的組合映射為葡萄糖濃度來確定體內葡萄糖濃度。
[0024]小角散射范圍內的輻射量與體內物質濃度之間的相關性還可取決于其他參數。例如，精確確定物質濃度還可考慮透射光的量、環境溫度、測量時的體表溫度、以及在每次對光進行測量的整個過程中都不變的身體的部位處測量的體溫。
[0025]參照圖1A，其描繪一種用于確定物質濃度的呈第一構型的系統100的實施方案。系統100可包括光源110、第一光學系統130、第二光學系統140以及檢測器160。
[0026]光源110可包括紅外線(IR)(諸如近紅外線(NIR))激光二極管，用于產生IR光(諸如750nm至6，OOOnm范圍內的NIR光)。此外，在一些實施方案中，光源110可被配置來選擇性地產生第一波長帶和第二波長帶的光。第一波長帶具體在IR區域或NIR區域中可包括其中物質(諸如葡萄糖)對透射光的吸收有作用的波長。例如，第一波長帶可處于約1130nm至約 1190nm范圍內(例如，1160nm工作波長)或處于1300nm至1500nm范圍內(例如，1460nm工作波長)。第二波長帶可包括物質對透射光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用的波長。例如，第二波長帶可處于約800nm至約905nm范圍內(例如，870nm或880nm工作波長)，或可處于包括960nm或1120nm工作波長的范圍內。有利地，第一波長可以是1160nm并且第二波長可以是960nm。一些實施方案可包括兩個光源，如參照圖2A-圖2B所描述的。
[0027]光源110可包括準直透鏡112或被聯接到所述準直透鏡112。準直透鏡112可接收從光源110發出的發散光束并且校準所述發散光束以便形成準直光束120。準直透鏡112的功能可由多個透鏡完成。如上所解釋的，準直光束120可選擇性包括第一波長帶內的光，在所述第一波長帶下，待測量的物質影響光的葡萄糖吸收，或可包括第二波長帶內的光，在所述第二波長帶下，物質對光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用。[0〇28]在圖1A所描述的第一構型中，光源110和第一光學系統130可被配置來將身體122 或所述身體122的一部分接納在其間。例如，如圖1A所描繪的，身體122的部分可包括手指。 在其他實施方案中，可接納身體的不同部分。身體122可在準直光束120穿過身體122時散射所述準直光束120的一部分，從而產生透射光124和散射光126。散射光126可包括在小角散射范圍內散射的光。
[0029]第一光學系統130可包括透鏡132。透鏡132的有效孔徑直徑可經過選擇而使得所述透鏡132捕捉透射光124,而散射光126的至少一部分不由所述透鏡132所捕捉。透鏡132的有效孔徑的準確直徑可取決于透鏡132與光源110之間的距離。透鏡132還可聚焦到無限遠以便捕捉透射光124并且將所述透射光124引導到檢測器160。為了實現這個目標，透鏡132 可具有大于或等于f/3的光圈值。
[0030]第一光學系統130還可包括一個或多個視野限制器134,用于抑制散射光126在透鏡132處的接收。例如，視野限制器134可傳遞一定角度范圍內的光(包括透射光124)并且阻擋更廣泛角度范圍內的光(包括散射光126)。此外，視野限制器134可在第一光學系統130內間隔開以便限制反射光以及來自其他來源的光以其他方式在透鏡132處接收的量。因此，第一光學系統130可將透射光124引導到檢測器160上，同時阻擋散射光126。盡管圖1A描繪兩個視野限制器134,但是其他實施方案可包括比兩個更多或更少的視野限制器。在一些實施方案中，視野限制器134可完全省略。
[0031]第二光學系統140可包括透鏡142,并且可被選擇性定位在光源110與檢測器160之間，可與第一光學系統130互換，如參照圖1B進一步描述的。例如，系統100可包括電機150， 用于將第一光學系統130或第二光學系統140選擇性地定位在光源110與檢測器160之間。因此，透射光124和散射光126可選擇性穿過第一光學系統130或第二光學系統140。[〇〇32] 在圖1A描繪的第一構型中，透射光124可被引導到檢測器160上。檢測器160可以是 IR檢測器或NIR檢測器或包括IR檢測器或NIR檢測器。在一個實施方案中，檢測器160包括硅、砷化鋁鎵、能夠檢測和測量光的另一種材料、或者其組合。
[0033]此外，檢測器160可被聯接到鎖定放大器162并且與所述鎖定放大器162協調起作用。鎖定放大器162可過濾或以其他方式調節由檢測器160所檢測光的測量結果，以便基于參考信號來去除或降低對應于諸如來自外界光和周圍輻射的噪音的數據。作為實例，參考信號可對應于第二波長帶內的光，在所述第二波長帶下物質對光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用。在一些實施方案中，鎖定放大器162可省略。[〇〇34] 系統100還可包括處理器170和存儲器172。所述處理器可與光源110、電機150和檢測器160聯接并且可將指令發送給它們并且從它們接收指令和/或數據。存儲器172可包括處理器可讀指令，所述處理器可讀指令當由處理器170執行時致使所述處理器170執行如本文所述的操作。處理器170可包括微處理器，諸如中央處理單元(CHJ)、數字信號處理器 (DSP)、外圍接口控制器(PIC)、其他處理電路或邏輯、或者其組合。
[0035]存儲器172可包括能夠存儲處理器可讀指令的任何裝置，所述裝置包括能夠存儲處理器可讀數據的任何類型的存儲器裝置，諸如光盤(例如BLU-RAY DISC存儲器、數字視頻光盤(DVD)存儲器、光盤(CD)存儲器等)、硬盤(例如，磁盤存儲器、固態存儲器等)、只讀存儲器(例如，可編程只讀存儲器(PROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、閃存等)、隨機存取存儲器(例如，動態隨機存取存儲器(DRAM)、磁隨機存取存儲器(MRAM)等)、能夠存儲計算機可讀數據的另一種類型的存儲器、或者其組合。
[0036] 在系統100的操作過程中，在第一構型中，光源110單獨或結合準直透鏡112可產生準直光束120。準直光束120可穿透身體122。在穿透身體122時，所述準直光束120的一部分可散射以便形成散射光126和透射光124。視野限制器134可阻擋散射光126并且可傳遞透射光，所述透射光124可在透鏡124處被接收。透鏡132可將透射光124聚焦到檢測器160上。在實施方案中，透鏡132足夠小以便防止散射光在透鏡132處被接收。檢測器160可測量透射光 124并且測量結果可作為測量數據被傳輸到處理器170。
[0037]參照圖1B，描繪用于確定物質濃度的呈第二構型的系統100的實施方案。系統100 可通過激活電機150而置于第二構型中以便將第一光學系統130與第二光學系統140互換。 在第二構型中，第二光學系統140可在光源110與檢測器160之間對準。在系統100的操作過程中，在第二構型中，散射光126和透射光124可在透鏡142處被接收并且被引導到檢測器 160上。透鏡142可具有孔徑直徑，所述孔徑直徑充分足夠大以便捕捉小角散射范圍內散射的光。例如，透鏡142的有效孔徑可足夠大以便接收由身體122所散射不超過10°的光。因此， 將理解的是，透鏡142的有效孔徑的準確大小可取決于身體122與透鏡142之間的距離。此夕卜，透鏡142可包括具有f/1或更小光圈值的透鏡。因此，透鏡142可接收透射光124和散射光 126并且將所述透射光124和所述散射光126引導到檢測器160上。檢測器160可測量透射光 124和散射光126的組合并且測量結果可作為測量數據的一部分被傳輸到處理器170。
[0038]可針對第一波長帶和第二波長帶執行本文參照圖1A-圖1B所描述的操作。例如，在圖1A所描繪的第一構型中，可通過發射包括來自光源110的第一波長帶的光來在檢測器160 處測量透射光的第一波長帶。可通過發射包括來自光源110的第二波長帶的光來針對第二波長帶測量透射光。類似地，在圖1B所描繪的第二構型中，可在檢測器160處針對第一波長帶和針對第二波長帶測量散射光。測量結果可作為測量數據被傳輸到處理器170。
[0039]為了進一步說明，光源110可在發射第一波長帶內的光與第二波長帶內的光之間切換，從而調制光源110。第一波長帶可對應于物質對在傳輸過程中的光吸收有作用的波長。第二波長帶可對應于物質對在傳輸過程中的光吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用的波長。
[0040]處理器170可基于所接收測量數據與物質濃度之間的預定相關性來確定身體中的物質濃度。作為確定的一部分，對應于散射光和透射光的測量結果可相對于它們的相應入射光束標準化，以便產生一定百分比經傳遞的光。[0041 ]此外，在校準過程中(例如，在限定預定相關性時)，當查看每個葡萄糖水平時，來自第一波長帶和第二波長帶兩者的測量結果可用來估計葡萄糖。從第一波長帶取得的測量結果可示出葡萄糖的變化并且從第二波長帶取得的測量結果可用作參考點。兩個波長帶都可在測量散射光和透射光的過程中使用并且第一波長帶(例如，其中葡萄糖影響光的吸收) 的變化可相對于參考波長帶(例如，其中葡萄糖對光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用)標準化。
[0042] —種計算葡萄糖的方法是確定散射光(處于兩個波長帶內)與葡萄糖之間的相關性并且單獨確定經傳遞光(同樣處于兩個波長帶內)之間的相關性。接著，可確定兩個相關性之間的加權平均系數以便實現整個葡萄糖范圍內的葡萄糖測量。這個系數可以是函數而不是信號常數。
[0043]如本領域普通技術人員將認識到，上述用于確定預定相關性的過程還可用來基于所述預定相關性確定體內葡萄糖的濃度。例如，可使用預定相關性將兩個相關性的加權平均值映射為體內葡萄糖的濃度。
[0044]在一個實施方案中，可在測量數據用來確定物質濃度之前對其進行修改或調整。 例如，可考慮附加參數并且可基于所述附加參數對測量數據進行調整。為了說明，處理器 170可接收環境溫度的測量結果、體表溫度的測量結果、在每次對光進行測量的整個過程中都不變的身體的部位處的體溫的測量結果、或者其組合。在確定物質濃度之前，處理器170 可基于環境溫度、體表溫度、體溫、或者其組合來修改測量數據、預定相關性或兩者。對測量數據的修改可根據2013年3月19日發布的美國專利號8，401，604以及2013年12月17日發布的美國專利號8,611，975中的本發明人的教義發生，所述專利以引用的方式并入本文。
[0045]與不包括第一和第二光學系統的系統不同，與系統100相關聯的益處在于在小角散射范圍內散射的光的量可用來確定體內物質濃度。例如，基于小角散射范圍內的光的預定相關性，所檢測散射光和透射光的量可被映射為對應的物質濃度，從而產生體內物質濃度的精確或更精確的確定。系統100的其他益處對于受益于本公開的本領域技術人員可為顯而易見的。
[0046]參照圖2A，描繪一種用于確定物質濃度的呈第一構型的系統200的第二實施方案。 系統200可包括第一光源210、第二光源214、第一光學系統230、第二光學系統240、第一濾波器280、第二濾波器282以及檢測器160。
[0047]第一光源210可包括紅外線(IR)(諸如近紅外線(NIR))激光二極管，以產生IR，諸如第一波長帶內的NIR光。第一波長帶具體在IR區域或NIR區域中可包括其中物質(諸如葡萄糖)對光吸收有作用的波長。此外，第一光源210可包括第一準直透鏡212或被聯接到所述第一準直透鏡212。第一光源210結合準直透鏡212可產生第一波長帶內同時在第一構型中的準直光束220。
[0048]第二光源214可包括紅外線(IR)或近紅外線(NIR)激光二極管，以產生第二波長帶內的IR光或NIR光。第二波長帶可包括其中物質對光吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用的波長。第二光源214可包括第二準直透鏡216或被聯接到所述第二準直透鏡216。在第二構型中，參照圖2B進一步描述的，第二光源214結合第二準直透鏡216可產生第二波長帶內的準直光束220。
[0049]系統200可包括電機218,用于將第一光源210或第二光源214選擇性定位成與檢測器260對準。盡管圖2A描繪第一光源210和第二光源114,但是在一些實施方案中，系統200可包括單個光源，所述單個光源被配置來選擇性產生第一波長帶和第二波長帶內的光，如參照圖1A-圖1B的光源110所描述的。
[0050]在圖2A所描述的第一構型中，光源210和第一光學系統230可被配置來將身體222 或所述身體222的一部分接納在其間。例如，如圖2A所描繪的，身體222的部分可包括手指。 在其他實施方案中，可接納身體的另一部分。身體222可在準直光束220穿過身體222時散射所述準直光束220的一部分，從而產生透射光224和散射光226。散射光226可包括在小角散射范圍內散射的光。[0051 ]第一光學系統230可包括透鏡232。透鏡232的有效孔徑直徑可經過選擇而使得所述透鏡232捕捉透射光224,而散射光226的至少一部分不由所述透鏡232所捕捉。透鏡232的有效孔徑的準確直徑可取決于透鏡232與光源210或光源214之間的距離。透鏡232還可聚焦到無限遠以便捕捉透射光224并且將所述透射光224引導到檢測器260。為了實現這個目標， 透鏡232可具有大于或等于f/3的光圈值。[〇〇52] 第一光學系統230還可包括一個或多個視野限制器234,用于抑制散射光226在透鏡232處被接收。例如，視野限制器234可傳遞一定角度范圍內的光(包括透射光224)并且阻擋更廣泛角度范圍內的光(包括散射光226)。此外，視野限制器234可在第一光學系統230內間隔開以便限制反射光以及來自其他來源的光在透鏡232處被接收的量。因此，第一光學系統230可將透射光224引導到檢測器260上，同時阻擋散射光226。盡管圖2A描繪兩個視野限制器234,但是其他實施方案可包括比兩個更多或更少的視野限制器。在一些實施方案中， 視野限制器234可省略。[〇〇53]第二光學系統240可包括透鏡242,并且可被選擇性定位在光源210與檢測器260之間，可與第一光學系統230互換。例如，系統200可包括電機250,用于選擇性將第一光學系統 230或第二光學系統240定位在光源210與檢測器260之間。因此，可使由第一波長帶內的第一光源210所產生的透射光224和散射光226選擇性穿過第一光學系統230或第二光學系統 240。參照圖2B進一步描述第二光學系統240。[〇〇54]第一濾波器280可包括干擾濾波器，所述干擾濾波器被配置來傳遞第一波長帶內的光。第一波長帶可對應于由第一光源210發出的光的波長帶并且可包括其中物質影響身體222對光的吸收的波長。此外，第一濾波器280可阻擋第二波長帶內的光，在所述第二波長帶下物質對身體222對光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用。通過阻擋第二波長內的光，第一濾波器280可減少檢測器260處來自第二波長帶內的光的干擾。此外，第一濾波器 280可阻擋周圍光，從而同樣減少檢測器260處來自周圍光的干擾。第一濾波器280的功能可由多個濾波器完成。[〇〇55] 第二過濾器282還可包括干擾濾波器。例如，第二濾波器282可被配置來阻擋第一波長帶內的光，所述第一波長帶對應于其中物質影響身體222對光的吸收的波長帶。此外， 第二濾波器282可傳遞第二波長帶內的光，在所述第二波長帶下物質對身體222對光的吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用。通過阻擋第一波長內的光，第二濾波器282可減少檢測器260處來自第一波長帶內的光的干擾，如參照圖2B進一步描述的。第二濾波器282還可阻擋周圍光，從而同樣減少檢測器260處來自周圍光的干擾。第二濾波器282的功能可由多個濾波器完成。[〇〇56]系統200可包括電機284,用于將第一濾波器280或第二濾波器282選擇性定位在光源210與檢測器260之間，如本文所描述的。盡管圖2A和圖2B將系統200描繪為包括兩個濾波器，但是在一些實施方案中，系統200可包括單個濾波器280。在這些實施方案中，第一波長帶可包括其中葡萄糖影響光的吸收的波長帶，并且第二波長帶可以是由光源210或光源220 所發射的整個NIR光譜。可使用濾波器280執行第一波長帶內的測量，并且在濾波器280被移除時，可諸如通過電機284執行第二波長帶內的測量。此外，在一些實施方案中，第一濾波器 280和第二濾波器282都可省略。在這些實施方案中，第一光源210和第二光源214可使用單個波長激光器來向第一光源210施加僅落入第一波長帶內的那些波長并且向第二光源214 施加僅落入第二波長帶內的那些波長。如本文所描述的，在一些實施方案中，單個光源可選擇性施加落入第一波長帶的波長和落入第二波長帶內的波長。[〇〇57] 在第一構型中，透射光224可被引導到檢測器260上。檢測器260可包括IR檢測器或 NIR檢測器。在實施方案中，檢測器260包括硅、砷化鋁鎵、能夠檢測和測量光的另一種材料、 或者其組合。[〇〇58]此外，檢測器260可被聯接到鎖定放大器262并且與所述鎖定放大器262協調起作用。鎖定放大器262可過濾或以其他方式調節由檢測器260所檢測光的測量結果，以便基于參考信號來去除或降低對應于諸如來自外界光和周圍輻射的噪音的數據。例如，參考信號可對應于第二波長帶內的光，在所述第二波長帶下物質對光吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用。在一些實施方案中，鎖定放大器262可省略。[〇〇59] 系統200還可包括處理器270和存儲器272。處理器270可與第一光源210,第二光源 214,電機218、250、284以及檢測器260聯接并且可將指令發送給它們并且從它們接收指令或數據。存儲器272可包括處理器可讀指令，所述處理器可讀指令當由處理器執行時致使所述處理器執行如本文所述的操作。處理器270可包括微處理器，諸如中央處理單元(CPU)、數字信號處理器(DSP)、外圍接口控制器(PIC)、另一個處理電路或邏輯、或者其組合。
[0060]存儲器272可包括能夠存儲處理器可讀指令的任何裝置，所述裝置包括諸如光盤 (例如BLU-RAY DISC存儲器、數字視頻光盤(DVD)存儲器、光盤(CD)存儲器等)、硬盤(例如磁盤存儲器、固態存儲器等)、只讀存儲器(例如，可編程只讀存儲器(PR0M)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPR0M)、閃存等)、隨機存取存儲器(例如，動態隨機存取存儲器(DRAM)、磁隨機存取存儲器(MRAM)等)、能夠存儲計算機可讀數據的另一種類型的存儲器、或者其組合。
[0061]盡管圖2A和圖2B描繪兩種構型，但是如受益于本公開的本領域技術人員將認識至IJ，另外構型是可能的。例如，在第一構型中，光源210、光學系統230以及濾波器280與身體 222和檢測器260對準，如圖2A所描繪的。在第二構型中，光源210、光學系統230以及濾波器 282與身體222和檢測器260對準。在第三構型中，光源210、光學系統240以及濾波器280與身體222和檢測器260對準。在第四構型中，光源210、光學系統240以及濾波器282與身體222和檢測器260對準。在第五構型中，光源214、光學系統230以及濾波器280與身體222和檢測器 260對準。在第六構型中，光源214、光學系統230以及濾波器282與身體222和檢測器260對準。在第七構型中，光源214、光學系統240以及濾波器280與身體222和檢測器260對準。在第八構型中，光源214、光學系統240以及濾波器282與身體222和檢測器260對準，如圖2B所描繪的。[〇〇62]在系統200的操作過程中，光源210可單獨或結合準直透鏡212產生第一波長帶內的準直光束220。第一波長帶可對應于其中物質(諸如葡萄糖)對光吸收有作用的波長。準直光束220可穿過身體222。在穿過身體222時，所述準直光束220的一部分可散射以便形成散射光226和透射光224。散射光226和透射光224可在第一光學系統230處被接收。視野限制器 234可阻擋散射光226并且可傳遞透射光224。透射光224可在透鏡232處被接收。透鏡232可通過干擾濾波器280將透射光224聚焦到檢測器260上。在實施方案中，透鏡232足夠小以便防止散射光在透鏡232處被接收。檢測器260可測量第一波長帶內的透射光224并且測量結果可作為數據被傳輸到處理器270。
[0063]另外在系統200的操作過程中，電機218可互換光源212、214(例如，用與檢測器260 對準的第二光源216替換第一光源210)。光源214可單獨或結合準直透鏡216產生第二波長帶內的準直光束220。第二波長帶可對應于其中物質對光吸收沒有作用或具有可忽略不計的作用的波長。第一光學系統230可通過第二濾波器282將第二波長帶內的透射光224引導到檢測器260上。電機284可互換濾波器280、282(例如，用與檢測器260對準的第二濾波器 282替換第一濾波器280)。檢測器260可測量第二波長帶內的透射光224并且測量結果可作為數據的一部分被傳輸到處理器270。[〇〇64]參照圖2B，描繪用于確定物質濃度的呈第二構型的系統200的實施方案。系統200 可通過激活電機250而置于第二構型中以便將第一光學系統130與第二光學系統140互換。 在第二構型中，第二光學系統240可在光源214與檢測器260之間對準。在這個構型中，光源 214可產生第二波長帶內的準直光束220。散射光226和透射光224可在透鏡242處被接收并且被引導到檢測器260上。透鏡242的有效孔徑可充分足夠大以便捕捉小角散射范圍內散射的光。例如，透鏡242的有效孔徑可足夠大以便接收由身體222所散射不超過10°的光。因此， 將理解的是，透鏡242的有效孔徑的準確直徑可取決于身體222與透鏡242之間的距離。透鏡 242可包括具有f/1或更小光圈值的透鏡。因此，透鏡可接收透射光224和散射光226并且將所述透射光224和所述散射光226引導到檢測器260上。檢測器260可測量散射光226并且測量結果可作為數據的一部分被傳輸到處理器270。[〇〇65] 在系統200的操作過程中，在圖2B的構型中，電機218可互換光源210、214(例如，用檢測器260對準的第一光源210替換第二光源214)，并且電機284可互換濾波器280、282(例如，用與檢測器260對準的第一濾波器280替換第二濾波器282)。光源210可單獨或結合準直透鏡212產生第一波長帶內的準直光束220。第二光學系統240可通過第二濾波器282將第二波長帶內的透射光224和散射光226引導到檢測器260上。檢測器260可測量第二波長帶內的透射光224和散射光226并且測量結果可作為數據的一部分被傳輸到處理器270。
[0066]處理器270可基于測量數據與物質濃度之間的預定相關性確定身體中的物質濃度，如本文所描述的。在一些實施方案中，可修改或調整測量數據。例如，可考慮附加參數以便確定物質濃度。為了說明，處理器270可進一步接收環境溫度的測量結果、體表溫度的測量結果、在每次對光進行測量的整個過程中都不變的身體的部位處的體溫的測量結果、或者其組合。在確定物質濃度之前，處理器170可基于環境溫度、體表溫度、體溫、或者其組合來修改測量數據、預定相關性或兩者。
[0067]與不包括第一和第二光學系統的系統不同，與系統200相關聯的益處在于在小角散射范圍內散射的光的量可用來確定體內物質的濃度。可通過標準化所測量散射光和所測量透射光兩者來獲得進一步的精度。例如，標準化所測量散射光可包括基于針對第一波長帶的所測量散射光與針對第二波長帶的所測量散射光的比率計算出散射光比率參數，并且標準化所測量透射光可包括基于針對第一波長帶的所測量透射光與針對第二波長帶的所測量透射光的比率計算出透射光比率參數。因此，系統200可比不包括第二光源214和濾波器280、282的系統更精確。系統200的其他益處對于受益于本公開的本領域的技術人員可為顯而易見的。
[0068]參照圖3,描繪一種用于確定物質濃度的方法的實施方案并且一般將其指定為 300。方法300可包括在302處通過第一光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的透射光。例如，光源110可產生至少一個波長帶中的準直光束120。可使準直光束穿過身體122,從而產生透射光124和散射光126。第一光學系統130可將透射光124引導到檢測器160上，并且可阻擋散射光126。檢測器160可測量透射光124。[〇〇69]方法300還可包括在304處通過第二光學系統針對至少一個波長帶測量穿過身體的透射光和散射光。例如，第二光學系統140可將透射光124和散射光126引導到檢測器160 上。檢測器160可測量透射光124和散射光126。
[0070]所述方法300還可包括在306處基于測量數據與葡萄糖濃度之間的預定相關性來確定身體中的物質濃度，測量數據與所測量透射光和所測量散射光相關聯。例如，檢測器 160可將對應于所測量透射光124以及所測量透射光124和散射光126的測量數據發送給處理器170。處理器170可基于測量數據與葡萄糖濃度之間的預定相關性確定身體122中的物質濃度。[〇〇71]方法300的益處在于與不產生透射光測量結果以及透射光和散射光測量結果的方法相比，可非侵入式確定或更精確地確定體內葡萄糖水平。透射光和散射光的測量結果可包括在小角散射范圍內散射的光。方法300的其他益處對于受益于本公開的本領域的技術人員可為顯而易見的。
[0072]參照圖4,描繪一種用于確定物質濃度的方法的實施方案并且一般將其指定為 400。方法400可包括在402處通過第一光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的透射光。例如，光源210可產生至少一個波長帶中的準直光束220。可使準直光束穿過身體222，從而產生透射光224和散射光226。第一光學系統230可將透射光224引導到檢測器260上，并且可阻擋散射光226。檢測器260可測量透射光224。[〇〇73]所述方法400還可包括在404處通過第一光學系統針對第二波長帶測量來自身體的其他透射光。例如，光源210可與光源216互換。光源216可產生其他光作為第二波長帶中的準直光束220。或者，光源210可產生第二波長帶中的準直光束220。準直光束220可穿過身體222,從而產生透射光224和散射光226。第一光學系統230可將透射光224引導到檢測器 260上，并且可阻擋散射光226。檢測器260可針對第二波長帶測量透射光224。[〇〇74]所述方法400還可包括在406處通過第二光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的散射光。例如，光源210可產生至少一個波長帶中的準直光束220。準直光束可穿過身體222,從而產生透射光224和散射光226。第二光學系統240可將透射光224和散射光226引導到檢測器260上。檢測器260可測量至少一個波長中的透射光224和散射光226。[〇〇75]所述方法400可包括在408處通過第二光學系統針對第二波長帶測量來自身體的其他散射光。例如，光源210可與光源216互換。光源216可產生其他光作為第二波長帶中的準直光束220。相反，光源210可產生第二波長帶中的準直光束220。準直光束可穿過身體 222,從而產生透射光224和散射光226。第二光學系統240可將透射光124和散射光226引導到檢測器260上。檢測器260可測量第二波長中的透射光224和散射光226。將理解的是，圖4 中所示的402、404、406和408將以不同順序完成。[〇〇76]所述方法400還可包括在410處基于針對至少一個波長的所測量散射光與針對第二波長的所測量其他散射光的比率來計算散射光比率參數。例如，針對至少一個波長的所測量散射光和針對第二波長的所測量散射光可作為測量數據被發送給處理器270。處理器 270可基于測量結果計算出散射光比率。
[0077]方法400還可包括在412處基于針對至少一個波長的所測量透射光與針對第二波長的所測量其他透射光的比率來計算透射光比率參數。例如，針對至少一個波長的所測量透射光和針對第二波長的所測量透射光可作為測量數據被發送給處理器270。處理器270可基于測量結果計算出透射光比率。
[0078]所述方法400可包括在414處基于測量數據與物質濃度之間的預定相關性確定身體中的物質濃度，所述測量數據與所測量透射光、所測量散射光、所測量其他透射光以及所測量其他散射光相關聯并且包括散射光比率參數和透射光比率參數。例如，處理器270可基于在410和412處計算出的散射光比率參數和透射光比率參數來確定身體222中的物質濃度。
[0079]本文所描述的方法中的一種或多種(諸如方法300和400)可由處理器(諸如處理器170和270)響應于存儲在非暫態計算機可讀介質(諸如存儲器172和272)處的指令來執行或啟動。非暫態計算機可讀介質可包括能夠存儲計算機可讀數據的任何類型的存儲器裝置，諸如光盤(例如BLU-RAY DISC存儲器、數字視頻光盤(DVD)存儲器、光盤(CD)存儲器等)、硬盤(例如，磁盤存儲器、固態存儲器等)、只讀存儲器(例如，可編程只讀存儲器(PR0M)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、閃存等)、隨機存取存儲器(例如，動態隨機存取存儲器(DRAM)、磁隨機存取存儲器(MRAM)等)、能夠存儲計算機可讀數據的另一種類型的存儲器、或者其組合。
[0080]依照條例，已經大體上具體關于結構和方法特征用語言描述實施方案。然而，應理解的是，實施方案不限于所示和所描述的具體特征。因此，根據等同原則，要求保護在適當解釋的所附權利要求書的適當范圍內呈任何實施方案形式或修改的實施方案。
[0081 ]附圖參考數字的表格
[0082]100 系統
[0083]HO 光源
[0084]112準直透鏡
[0085]120準直光束
[0086]122 身體
[0087]124透射光
[0088]126散射光
[0089]130光學系統
[0090]132 透鏡
[0091]140光學系統
[0092]142 透鏡
[0093]144視野限制器
[0094]150 電機
[0095]160檢測器
[0096]162鎖定放大器
[0097]170處理器
[0098]172存儲器
[0099]200 系統
[0100]210光源
[0101]212透鏡
[0102]214光源
[0103]216透鏡
[0104]218電機
[0105]220準直光束
[0106]222身體
[0107]224透射光
[0108]226散射光
[0109]230光學系統
[0110]232透鏡
[0111]240光學系統
[0112]242透鏡
[0113]244視野限制器
[0114]250電機
[0115]260檢測器
[0116]262鎖定放大器
[0117]270處理器
[0118]272存儲器
[0119]280濾波器
[0120]282濾波器
[0121]284電機
【主權項】
1.一種方法，其包括:通過第一光學系統針對至少一個波長帶測量來自身體的透射光；通過第二光學系統針對至少一個波長帶測量來自所述身體的散射光；基于測量數據與物質濃度之間的預定相關性來確定所述身體中的所述物質濃度，所述 測量數據與所述測量的透射光和所述測量的散射光相關聯。2.如權利要求1所述的方法，其還包括:通過所述第一光學系統針對第二波長帶測量來自所述身體的其他透射光；通過所述第二光學系統針對所述第二波長帶測量來自所述身體的其他散射光，所述測 量數據進一步與所述測量的其他散射光和所述測量的其他透射光相關聯。3.如權利要求2所述的方法，其還包括:基于針對所述至少一個波長的所述測量的散射光與針對所述第二波長的所述測量的 其他散射光的比率來計算散射光比率參數；基于針對所述至少一個波長的所述測量的透射光與針對所述第二波長的所述測量的 其他透射光的比率來計算透射光比率參數，所述測量數據包括所述散射光比率參數和所述 透射光比率參數。4.如權利要求1所述的方法，其還包括:測量環境溫度；測量體表溫度；測量體溫；以及在確定所述物質濃度之前，基于所述環境溫度、所述體表溫度以及所述體溫來修改所 述測量數據、所述預定相關性或者兩者。5.如權利要求1所述的方法，其還包括調制所述光源。6.如權利要求1所述的方法，其中所述物質為葡萄糖。7.—種存儲指令的非暫態計算機可讀介質，所述指令在由處理器執行時致使所述處理 器啟動或執行操作，所述操作包括:接收通過第一光學系統獲得的針對至少一個波長帶的來自身體的透射光的測量結果； 接收通過第二光學系統獲得的針對所述至少一個波長帶的來自所述身體的散射光的 測量結果；以及基于測量數據與葡萄糖濃度之間的預定相關性來確定所述身體中的物質濃度，所述測 量數據與所述透射光的測量結果和所述散射光的測量結果相關聯。8.—種系統，其包括:光源；光檢測器；第一光學系統，其被配置來將光的透射部分引導到所述檢測器上并且進一步被配置來 阻擋所述光的散射部分；以及第二光學系統，其被配置來將光的所述透射部分和所述散射部分引導到所述檢測器上。9.如權利要求8所述的系統，所述光源包括近紅外線(NIR)激光二極管和準直透鏡，其 被配置來選擇性產生至少第一波長帶和第二波長帶中的準直NIR光束。10.如權利要求8所述的系統，所述光源包括第一NIR激光二極管和第二NIR激光二極 管，所述第一 NIR激光二極管被配置來產生第一波長帶中的準直NIR光束，所述第二NIR激光 二極管被配置來產生第二波長帶中的準直NIR光束。11.如權利要求8所述的系統，所述第一光學系統包括具有f/3或更大光圈值的透鏡。12.如權利要求11所述的系統，所述第一光學系統還包括一個或多個視野限制器，用于 抑制所述光的所述散射部分在所述透鏡處的接收。13.如權利要求8所述的系統，所述第二光學系統包括具有f/1或更小光圈值的透鏡。14.如權利要求8所述的系統，所述散射光包括由身體在小角散射范圍內所散射的光。15.如權利要求8所述的系統，其還包括電機，所述電機被配置來將所述第一光學系統 或所述第二光學系統選擇性定位在所述光源與所述光檢測器之間。16.如權利要求8所述的系統，其還包括干擾濾波器，所述干擾濾波器被配置來傳遞第 一波長帶內的光，物質影響所述身體對所述第一波長帶內的光的吸收，并且阻擋第二波長 帶內的光，所述物質對所述身體對所述第二波長帶內的光的吸收沒有作用或具有可忽略不 計的作用。17.如權利要求16所述的系統，其還包括電機，所述電機被配置來將所述干擾濾波器選 擇性定位在所述光源與所述光檢測器之間。18.如權利要求8所述的系統，所述檢測器包括選自硅、砷化鋁鎵及其組合的至少一種 材料。19.如權利要求8所述的系統，所述檢測器被聯接到鎖定放大器以便減少對來自其他光 源的光噪音的檢測。20.如權利要求8所述的系統，其還包括處理器和存儲器，其中所述存儲器包括指令，所 述指令當由所述處理器執行時致使所述處理器啟動或執行操作，所述操作包括:接收通過第一光學系統獲得的針對至少一個波長帶的來自身體的透射光的測量結果；接收通過第二光學系統獲得的針對所述至少一個波長帶的來自所述身體的散射光的 測量結果；基于測量數據與物質濃度之間的預定相關性來確定所述身體中的所述物質濃度，所述 測量數據與所述透射光的測量結果和所述散射光的測量結果相關聯。
【文檔編號】G01N21/47GK105979871SQ201580007043
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年1月12日
【發明人】Y·格爾麗茲
【申請人】格魯科威斯塔公司