單糖濃度傳感器和方法
【專利說明】單糖濃度傳感器和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]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。
技術領域
[0003]本發明涉及監測液體(fluid)中的單糖(simple sugar)(或單糖(monosaccharide))含量。更具體地，本發明與偏振器結合地使用光能源以確定被試液體(subject fluid)(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】
[0004]單糖根據等式Θ = a XLXC改變通過其的光能的偏振，其中L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。
[0005]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 (χ10_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。
【發明內容】
[0006]本發明可以用以監測液體中的糖(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點。第一，本發明是非侵入的，這降低感染的風險。第二，本發明可以提供流實時、連續數據的能力。第三，本發明提供低操作成本。
[0007]本發明包括:光能源，具有發射器，該發射器具有發射圖案；第一偏振器，橫切發射圖案；第二偏振器，與第一偏振器間隔距離并且橫切發射圖案，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】
[0008]圖1是本發明的實施例的系統圖。
[0009]圖2是參考圖1描述的電路的電路圖。
[0010]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。
[0011]圖4A-4C示出來自用以推導三個獨立情況的糖濃度的本發明的實施例的實際數據。
[0012]圖5A_5C;^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中所不的相同數據。
【具體實施方式】
[0013]圖1不出本發明的一個實施例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)。
[0014]當被激勵時，能量源22產生具有發射圖案36的初始光能34。能量源22優選是諸如紅色發光二極管(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。
[0015]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。
[0016]優選地，第一和第二偏振器28、30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的。可以使用其他偏振器，只要選取能量源22的選擇波長以最優地對應。例如，替代偏振器可以是線柵(wire-grid)或者全息的，其最優地配置用于具有近紅外或者紅外波長的能量的本發明中。
[0017]優選地，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I的地方并且進一步朝向斜率是O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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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Rol的補償電路48、減法器電路50、包括Rol和Cl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 OPA 211KP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、R13和R14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。
[0021]圖3示出與人耳68—起使用的實施例20，人耳68的至少一部分占據空間32。空間32內的耳朵68的優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。
[0022]當被激勵時，能量源22產生具有發射圖案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(S卩，皮膚、血液、組織、軟骨)至少在某種程度上對于其透明的波長。
[0023]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，