TWI468688B - 決定分析物濃度的光學感應器 - Google Patents

Description

決定分析物濃度的光學感應器

本發明關係於光學材料分析，及使用光學材料分析來決定分析物的濃度。

糖尿病為一種嚴重影響病患的內部器官、循環系統及視覺以及病患生活起居的病症。有報導指出現行在世上有2億糖尿病患者，並且，在未來十年內的患者數量會倍增。糖尿病患者照顧的第一步為每天24小時監視病患的血糖，因為知道血糖位準可以協助於決定正確飲食及用藥。

現行量測血糖濃度的方法典型需要針刺糖尿病患者的手指以收集一滴血，然後以血糖計分析其化學組成物。由於此程序並非全然不痛並且會傷及皮膚，所以糖尿病患者經常不願依醫師規定經常地檢測其血糖位準，因此，並不足以監視其血糖位準。

現在，多數量測血糖位準的攜帶式裝置需要針刺指尖以取得血液樣本。血液樣本然後放置在表示血糖濃度的測試帶上。一例子為LifeScan公司及Johnson ＆ Johnson公司所販售的及血糖計。這些裝置很輕巧並有合理的準確度，但針刺指尖以取得血液樣本並不方便同時也會痛苦。再者，不當針刺及衛生不良可能對指尖造成感染。

替代傳統指尖針刺方法有Cygnus公司開發生物監視器。該裝置看起來像一手錶並使用微小電流自皮膚抽出間隙體液以萃取葡萄糖至一作為離子電滲感應器的可消耗經皮墊上。所收集的葡萄糖觸動在感應器中之電化學反應，產生電子。感應器量測電子並公式化發射至體液中之葡萄糖濃度的電子發射位準。該裝置每20分檢查體液血糖位準，一直到12小時。在十二小時操作期後，監視器必須以比較良好血糖位準的指尖針刺讀值來校正。因為經皮流體的血糖位準落後血液，所以該裝置有相當量測誤差，部份已經決定約10-30%。然而，為了使人購買，可能購買者必須受到一物理及生物檢測並通過。再者，該裝置也已知對引入電流的敏感皮膚產生嚴重過敏。

因為例如GlucoWatch的替代裝置並沒有成功，所以其他非侵入式量測裝置與方法已經開始開發。很多這些替代非入侵式方法涉及使用光學方法。部份光學方法已經在非入侵式量測替代法中展現希望。例如，部份光學方法已使用非離子化輻射以取得一讀值，提供更快反應，而不必可消耗的試劑。再者，因為有愈來愈多之智慧雷射及光學檢測器可用及使用這些光學裝置的成本降低，所以光學法已變得更能吸引作為非侵入式量測法的形式。

典型非侵入式光學法利用光束以照射人體的部份選定部份，例如手指、前臂、舌尖、脣部、屁股或腹部等等。被透過、反射及散射出皮膚的光包含有有關於被照射組織的組成物的資訊。光然後為光學檢測器所接收並分析，以決定某些分析物，例如氧或血紅素的濃度。然而，該分析本來就會複雜，因為其所接收之信號很微弱並容易為血液中之若干分析物所干擾，同時也容易為包含人類皮膚的變動及不均質性與經常改變的人類生理狀態，甚至是在皮膚旁的外部環境之其他因素所影響。由於參考光束的顯著擴散射之例如人類組織的混濁媒體，因此，並不適傳統材料分析所用的光學方法，例如吸收光質譜儀、Raman質譜儀、及量測極化及反射變化等。

其他非侵入式法利用在間隙液及毛細血間之葡萄糖含量間存在的相關性，但也受到費時的首要缺點。最後，它們只提供葡萄糖濃度的間接量測，它們也是延時。

由於雷射光聲質譜儀所提供的高靈敏度，其已經被用於微量的檢測。在雷射光聲質譜儀的方法中，使用高能雷射束以照射受驗物。該雷射束在物質中產生熱膨脹，藉以產生一聲波。波的特徵不只是由物質的光吸收係數，同時也為例如熱膨脹、比熱及聲波速度之熱物理參數所決定。另外，聲波也可能為光學散射所影響，這也影響了例如壓電晶體、麥克風、光纖感應器、雷射干涉儀或繞射感塵器的高靈敏超音波檢測器所能檢測的物質中之光分佈。

例如，由Chou所領證的美國專利5,941,821及6,049,728描述一種藉由光聲法以非侵入式量測血糖的方法與設備。於照射時，聲能被產生在待測樣本的相當薄層中，並特徵為一熱擴散長度。聲發射被以差分麥克風檢測，其一端係定位於量測格，而另一端係定位於參考格中。一處理器根據所檢測聲信號，來決定被量測的物質的濃度。為了決定在血流中之血糖濃度，激勵源較佳被調整至葡萄糖吸收帶的由約1520-1850nm及約2050-2340nm的頻譜範圍，以造成一強光聲發射。在這些波長範圍中，水吸收係相當地弱及葡萄糖的吸收係相當地強。

由MacKenzie等人所領證的美國專利6,133,540的另一例子中揭示一種量測例如血糖的生物參數之系統，該系統將雷射脈衝由光導而導引入由軟組織構成的身體部，例如指尖，以產生光聲反應。所得之聲音信號係為一換能器所檢測並分析，以提供想要的參數。

所有上述光學技術因為它們教導施加能量至一媒體，而未考量其聲音振盪特性，而需要相當高雷射功率的理由，而變得不利。因此，這些技術的能量應用效率低，並提供不當的靈敏度位準。

另一先前技術光聲材料分析系統係描述於由GeVa等人所領證的美國專利6,466,806中，其中在媒體中的想要成份的濃度係藉由具有光脈衝串的諧振光聲質譜儀所決定，該光脈衝串包含具有可變持續時間、頻率、數量及功率的等距短脈衝。光波長係被選擇，以為想要成份所吸收。於照射時，聲振盪係為在媒體相當薄層中所吸收的光所產生，其特徵在於熱擴散長度。在脈衝串中之短光脈衝的頻率重覆係被選擇等於可以視為薄膜的媒體的薄層的自然聲振盪頻率，使得聲振盪變成諧振。諧振振盪的振幅及頻率的量測決定想要成份的濃度，使得系統適用以量測血成份，尤其是葡萄糖。

不好的是，上述系統與多數先前技術的光聲材料分析技術相對於本發明是不利的，因為它們教導施加能量至媒體，而未考量不同成份的吸收頻帶的重疊性及例如大類皮膚的媒體之彈性特性的不規則。因此，此等先前技術對於靈敏度提供不當的位準及量測值提供較大的誤差。

依據本發明，提供一種決定在組織內的分析物的濃度之設備，該設備包含：第一輻射源，可操作以發出第一輻射束，以照射組織的測試區並造成輻射的第一散射；第二輻射源，可操作以發射多數第二輻射束，以週期性地照射該測試區並造成多數第二週期性輻射散射；至少兩檢測器，用以檢測輻射的第一與第二散射，並將所檢測的散射轉換為電信號；及處理器，用以根據該電信號決定分析物的濃度。

一種決定組織內的分析物濃度的方法，包含以發出第一輻射束的第一輻射源照射組織的測試區，以造成輻射的啟始回散射，及以週期性地發出第二輻射束的第二輻射源，週期性地照射該測試區，造成輻射的週期性回散射；檢測該啟始及週期性回散射；將該檢測回散射轉換為電信號；及回應於該電信號，決定該分析物的濃度並顯示該濃度。

依據本發明，更提供一種決定分析物的濃度的光學設備之校正方法，包含步驟有：取得包含分析物的流體樣本；使用流體為主的設備，決定分析物的第一濃度；使用光學設備，決定分析物的第二濃度；及決定是否第二濃度等於第一濃度，其中如果第二濃度不等於第一濃度，則抵補該光學設備，使得第二濃度等於該第一濃度。

另外，依據本發明，其中也提供一用於光學設備的探頭，該光學設備用以決定受驗者中之葡萄糖濃度，該探頭包含多數光纖束與第一輻射源、輻射光源、第一檢測器、及第二檢測器相通訊；及一輸入/輸出界面，用以將電信號傳送至該第一輻射源及該第二輻射源，及用以傳送來自該第一檢測器及該第二檢測器的電信號。

依據本發明，也提供一種使用光學激勵及檢測，以非侵入式決定受驗者的葡萄糖濃度的設備，其包含：一第一輻射源，用以發出一激勵光束，以照射受驗者的表面，以在表面中造成物理及化學變化之至少一者；並造成輻射的啟始回散射；一第二輻射源，用以週期地發出探測光束，以照射該受驗者的表面並造成輻射的週期性回散射；至少一檢測器，用以檢測該啟始及週期性回散射，及將該被檢測回散射轉換為該物理及化學變化的振幅、頻率或衰減時間的至少一者的電信號，該回散射係為該物理及化學變化所調變；及一處理器，用以藉由在時間上差分該物理及化學變化的振幅、頻率或衰減時間的至少之一，而決定葡萄糖濃度。

依據本發明，更提供一種使用光學激勵及檢測，以非侵入式決定受驗者的葡萄糖濃度的方法，其包含：發出一激勵光束，以照射受驗者的表面；在表面中造成物理及化學變化；並造成光的啟始回散射；週期性地發出探測光束，以照射該受驗者的表面並造成光的週期性回散射；檢測該啟始及週期性回散射；並轉換所檢測的回散射成為該物理及化學變化的至少振幅、頻率或衰減時間的電信號，該回散射係為該物理及化學變化所調變；及藉由在時間上差分該物理及化學變化的振幅、頻率或衰減時間的至少之一，以決定葡萄糖濃度。

依據本發明之其他特性及優點將配合以下之說明加以描述，並將由以下說明所了解，並可以本發明之實施所學習。依據本發明之特性及優點將藉由隨附申請專利範圍所特別指明的元件及組合而加以實現。

應了解的是，前述一般說明及以下的詳細說明係為例示及解釋用，並不用以限制本發明。

加入並構成本案說明書一部份的附圖顯示本發明之幾個實施例並配合上發明說明而解釋本發明之原理。

以下將參考本發明之例示實施例加以說明，其中之例子係顯示於附圖中。儘可能相同元件符號表示所有圖式中之相同或類似部件。

圖1為依據本發明之決定分析物濃度的光學設備的簡化方塊圖。如圖1所示，光學設備包含連接至光學元件外 殼104的電子外殼102。電子外殼102可以經由導線、電線、無線方式連接至光學元件外殼104，或者，電子外殼102及光學元件外殼104以及其間之電連接可以包含在單一外殼內。依據本發明實施例，光學元件外殼104可以包含如圖3所示之探針。

在光學元件外殼104中之光學元件可以操作以輻射束B₁ 及B₂ 照射表面106，並檢測輻射D₁ 及D₂ 的第一及第二散射。依據本發明，光學設備可以連接至電源108，用以提供電力給電子外殼102及光學元件外殼104，及位於其中之元件。雖然顯示外部交流電源，但電源108可以包含在電子外殼102或光學元件外殼104之任一中，並可以為交流或直流。再者，如果電子外殼102及光學元件外殼104係被無線連接，則一分開之額外電源可以連接至光學元件外殼104。光學設備可以更連接至外部處理裝置110，用以顯示、監視、追蹤結果、並校正光學設備。外部處理裝置可以包含個人電腦(PC)、個人數位助理(PDA)、智慧手機或其他此等裝置。

依據本發明，電子外殼102可以包圍一陣列之電子元件，其適用以完成分析物濃度的決定。例如，電子外殼102可以包含一處理器或CPU112、第一輻射驅動器114、第二輻射驅動器116、第一峰檢測器118、第二峰檢測器120、多工器(MUX)122、及類比至數位轉換器(ADC)124。這些元件的操作將進一步配合圖2加以說明。

同樣地，光學元件外殼104也可以包圍一陣列的光學元件，以用以決定分析物的濃度。如圖1所示，光學元件外殼104可以包含第一輻射源126及第二輻射源128，用以以第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 照射表面106上的測試區130。依據本發明，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 可以由能產生第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 的單一輻射源127發出。光學元件外殼104可以更包含一檢測器，用以接收輻射的第一及第二散射D₁ 及D₂ 。依據本發明，單一檢測器132也可以架構以接收第一、第二及任何其他輻射散射。依據本發明，檢測器132可以包含如圖3所示之分開散射輻射檢測器，以分開接收輻射的第一及第二散射D₁ 及D₂ 。依據本發明實施例，並可以包含例如光二極體的光接收感應器，包含有P-本徵-N(PIN)光二極體、突崩光二極體、光電倍增器、或光阻器。一光放大器(未示出)也可以包含在光學元件外殼104中，用以放大第一或第二輻射束的功率。依據本發明，光放大器可以為光纖放大器。光學元件外殼104可以包圍一光轉換器(未示出)，用以轉換第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 的波長。

依據本發明實施例之第一及第二輻射源可以取決例如所需以準確決定分析物的濃度、所需輻射的週期性、大小限制及成本等因素加以選擇。例如，第一輻射源126及第二輻射源128可以為脈衝雷射二極體、光纖耦合二極體雷射陣列、閃光燈或脈衝光纖雷射。第一輻射源126及第二輻射源、或單一輻射源127可以更包含這些類型之輻射源組合。例如，在一實施例中，第一輻射源126或第二輻射源128可以包含為其他二極體雷射所抽送的鉺(Er)-玻璃棒或板雷射。在另一實施例中，第一輻射源126或第二輻射源128可以包含可調Co：MgF₂ 雷射。在另一實施例中，第一輻射源126或第二輻射源128可以包括含Q-開關釹的光媒體雷射。

依據本發明，所用之發射輻射源的特徵將取決於予以檢測的特定分析物而定。即，例如，功率、輻射類型、波長及週期性將影響由第一輻射源126及第二輻射源128所發出之第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 的特性，並且，這些特性將各個不同地影響特定分析物，因此，調整這些特性以最大化光學設備的能力，來決定分析物的濃度是特別重要的。不同材料展現不同反射、透射及吸收特性。當執行決定一特定媒體中之分析物的濃度的光學量測時，分析物及媒體的特性必須列入考慮。為分析物所吸收及散射的輻射量係取決於輻射束的功率及波長。因此，吾人想要發射具特定功率及波長的輻射束，以足以對予以檢測的分析物，產生可量測量的吸收及散射。例如，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 將發射為具有預定波長及預定功率。依據本發明實施例，預定波長及功率可以相同或不同，這係取決於予以檢測的分析物而定。

在依據本發明之特定實施例中，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 係被發射以具有預定波長，該等預定波長係由在特定媒體中之予以檢測之分析物的特性吸收帶加以選擇。在另一實施例中，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 係發射於一波長，該波長係對應於予以檢測的分析物的吸收帶的峰波長。在第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 被以不同波長發射的實施例中，一波束B₁ 或B₂ 可以具有較分析物的吸收帶峰為大的波長，而另一波束B₁ 或B₂ 可以具有較分析物的吸收帶峰為小的波長。依據本發明，在如下所詳述的特定實施例中，第一輻射束B₁ 係發射於功率約1-10瓦及波長約1550nm，及第二輻射束B₂ 係發射於功率0.1至1瓦及波長約1550-1690nm。

如前所述，第一輻射源126及第二輻射源128包含一脈衝輻射源。在使用脈衝輻射源的實施例中，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 也可以有脈衝。例如，當使用脈衝源時，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 也可以發射為單脈衝，在脈衝間具有預定延遲。第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 也可以發射為擬連續(QCW)光的短脈衝，其間具有相等間距，並有可變重覆率。再者，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 可以發射為脈衝串，具有可變頻率、可變脈衝功率、可變脈衝持續時間、及可變數量的脈衝。在一特定實施例中，應注意第二輻射束B₂ 被發射為具有等距的短脈衝，以週期性地照射測試區130。

現參考圖2，其係為依據本發明之決定分析物濃度的方法流程圖。在依據本發明實施例中，圖2所示之方法可以使用圖1所示之光學設備執行。為了顯示此一實施例的目的，圖2的步驟將配合圖1的操作加以描述。

可以為光學元件外殼104的探頭係開始被放置在表面106上與測試區130接觸(S201)。依據本發明，探頭可以與測試區130接觸，或者，探頭可以接近測試區130。依據本發明，測試區130可以在表面106，或可以在表面106下。測試區130係被以來自第一輻射源126的第一輻射束B₁ 照射(S202)，該第一輻射源126可以為激勵脈衝。測試區130隨後被以由第二輻射源128發射的第二輻射束B₂ 照射(S203)，其可以為探測脈衝。

依據本發明，第二輻射源128可以發射多數第二輻射束B₂ ，各個輻射束之間被發射有預定週期。第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 將照射測試區130，及取決於表面106的反射率，預定量的輻射將由測試區回散射，分別被顯示為第一散射D₁ 及第二散射D₂ 。再者，第一及第二輻射束B₁ 及B₂ 可以造成在表面106中之週期性或非週期性的暫態處理，這可以至少部份調整輻射散射D₁ 及D₂ 。

輻射散射D₁ 及D₂ 可以然後為檢測器132所檢測(S204)。檢測器132將所檢測的散射D₁ 及D₂ 轉換為用以處理的電信號。依據本發明，電信號可以代表可以產生在表面106中之任意暫態處理的振幅、頻率或衰減時間之至少之一。電信然後由第一及第二峰檢測器118及120傳送至多工器122。多工器122將來自第一及第二峰檢測器118及120的電信號組合，並輸出單一組合電信號至類比至數位轉換器124。類比至數位轉換器124將輸入類比電信號轉換為數位電信號並輸出數位電信號至處理器112。

處理器112接收數位電信號並執行儲存於內部記憶體(未示出)內的指令，用以使用數位電信號執行計算。例如，處理器112可以計算輻射散射D₁ 及D₂ (未示出)的強度變化，由第二輻射束B₂ 的重覆發射所造成的強度變化，及可能發生於表面106中之後續暫態處理作為發射第一或第二輻射束B₁ 及B₂ 的結果。由強度的計算變化，處理器112將然後執行指令，以執行計算出現在測試區130的分析物的濃度之演算法(S206)。依據本發明，計算也可為例如包含在PC110中之處理器的外部處理器所執行。計算濃度可以被顯示供使用者觀看(S207)。依據本發明，濃度可以顯示於附在電子外殼102或電腦110上的顯示螢幕上。再者，濃度也可以在電腦110中被表格化，以作趨勢及即時分析。

依據本發明，影像分析技術可以配合於此所述之光學設備。更明確地說，影像分析技術可以被用以確定第一或第二輻射束B₁ 及B₂ 係恆定地入射在測試區130上，不會變動。影像分析技術可以包含附加及/或內藏於光學設備中之視訊硬體及軟體，以允許使用者準確地定位光學設備，以使得第一或第二輻射束B₁ 及B₂ 被恆定地入射在測試區130上。依據本發明，可攜式攝影機可以被安裝，使得即時視訊饋送可以顯示使用者將光學設備定位在表面106上。可以在測試區130上放置標示號，使得使用者可以使用視訊饋送可靠地將光學設備對準至測試區130，以確保其上的入射。

圖3顯示圖1之光學元件外殼的實施例。在此實施例中，圖1中之光學元件外殼104係被形成為探頭、或探頭304內。探頭304包含：可包括有第一輻射源126及第二輻射源128的至少一輻射發射器；可包括有第一及第二散射輻射檢測器332及334的至少一輻射發射器132，該檢測器332及334具有相對於檢測器132內的表面106之不同間隔。探頭304也可以包含一第一透鏡306，用以將第一及第二輻射發射器所發射的輻射束對焦至測試區130。探頭304也可以包含第二透鏡308及第三透鏡310，用以分別對焦來自表面106的散射輻射至第二檢測器334及第一檢測器332。雖然未於圖3示出，但探頭304可以進一步連接至其他電子處理元件，例如包含在圖1所示之電子外殼102之內的元件。

如於圖3所示，在依據本發明的實施例中，檢測器132係設在離開表面106一預定距離。依據本發明，第二散射輻射檢測器334可以設在探頭304中，離開表面106一距離，該距離係大於第一散射輻射檢測器332與表面106間之距離。藉由設置第二散射輻射檢測器334於離開表面106較大的距離，光學設備可以產生額外資料點，用以執行差動分析，因此，增加濃度讀值的準確性。例如，對於一為第一輻射束B₁ 及第二輻射束B₂ 所激勵的給定系統，在第二散射輻射檢測器334之檢出散射的大小將小於在第一散射輻射檢測器332所檢測的大小，並可以用以計算在兩檢測器間之檢測散射間之相對振幅。此相對振幅然後可以用以抵補為定位、壓力或輻射源強度所造成的誤差。雖然所檢測的振幅已經被描述為檢測參數，但依據本發明參數也可以有關於散射的頻率或衰減時間。

在本發明另一實施例中，探頭304也可以包含閘控感應器302，其可以為接觸、接近或壓力感應器。在使用接觸感應器作為閘控感應器302的實施例中，接觸感應器必須測試允許開始前，檢測於探頭304與測試前之表面106間之接觸，作為一閘。在使用接近感應器作為閘控感應器的實施例中，接近感應器必須檢測在合理接近探頭304中的表面。即，在使用接近感應器的實施例中，在測試被允許開始前，接近感應器決定在表面106與探頭304間之預定距離。

在使用壓力感應器之實施例中，感應器302必須在開始測試前檢測一預定壓力。如以上參考圖1及2所述，檢測在散射束D₁ 及D₂ 之強度化可能為第一或第二輻射束B₁ 及B₂ 所造成之暫態處理所影響。當將探頭304放置與表面106接觸時，額外暫態處理可能引入表面106中，更影響散射束D₁ 及D₂ 中的強度變化，因此，同時也影響分析物的計算濃度。然而，為探頭所施加至表面106上之部份壓力可以使用作為抵補，使得當計算分析物的濃度時，已知壓力及其影響可以列入考慮並校正。當第一輻射源126發射第一輻射束B₁ 之前，為壓力感應器302所感應在探頭304與表面106間的壓力將必須等於一預定壓力。壓力感應器302可以包含光纖壓力探頭。

依據本發明之實施例，探頭304包含一光纖探頭。在此實施例中，探頭304係由很多光纖作成，這些光纖係與至少一輻射源及至少一檢測器作光學通訊。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及第二檢測器334作光學通訊。光纖束作為發射輻射進出表面106的導管或波導。依據此實施例，很多光纖可以被排列如圖7所示。使用光纖以允許提供很小、質輕、及容易放置與表面106接觸的探頭304。

圖7顯示依據本發明之光纖配置例。圖7(a)顯示光纖配置，其包含用以傳送來自輻射源126及/或128的輻射、及多數拾取纖維732，用以傳送來自表面106的散射輻射至輻射檢測器，其可以包含輻射檢測器132。圖7(b)顯示光纖配置，其包含用以將來自輻射源126及/或128的輻射傳送，及多數拾取光纖752，用以傳送來自表面106的散射輻射至輻射檢測器，其可以包含輻射檢測器132。圖7(c)顯示光纖配置，其包含兩光纖726，用以傳送來自輻射源126及/或128的輻射，及多數近端拾取光纖732，用以傳送來自表面106的散射輻射至輻射檢測器，其包含輻射檢測器132或輻射檢測器332，及多數遠端拾取光纖734，用以傳送被散射輻射至輻射檢測器334，如圖3所示。

於此所述之光學設備可以用於部份實施例中，以檢測在人體組織中之葡萄糖的濃度。依據本發明，用以檢測人體組織中之葡萄糖的實施例發出一短高功率輻射束B₁ 作為激勵脈衝至表面106的測試區130上，該表面106在此實施例為組織。部份的輻射係為表面106所吸收並在表面106中產生暫態處理，而改變了表面106的光學、機械及其他物理與化學特性。在這些特性上的變化隨後改變散射輻射D₁ 及D₂ 的振幅、頻率、及衰減時間，及在表面106中之光聲振盪。

在輻射束B₁ 啟始發射後，第二輻射源128週期性地發射第二輻射束B₂ ，以作動為探頭脈衝。這些探頭脈衝典型以較第一輻射束B₁ 為低之功率，使得它們在表面106中只包含最小暫態處理。當表面106隨時間放鬆時，探頭脈衝作用以產生輻射D₁ 及D₂ 的額外散射，其可以為檢測器132所檢測。因為表面106由啟始高功率輻射束B₁ 放鬆，所以，檢測器132將能取得可以被處理的讀值，以由啟始激勵脈衝及隨後探頭脈衝，決定散射光的振幅；散射光隨時間的振幅變動；發生於引入暫態處理的調變的振幅及頻率；表面106的衰減常數；及由探頭脈衝散射光的振幅調變中之相位延遲，這允許在表面106中之音波傳遞的速度之計算。由這些處理值中，在表面106中之葡萄糖的濃度可以被決定。依據本發明之使用光學設備的特定例子將討論如下。

例子1

在依據本發明實施例中，如上參考圖1所述之光學設備例如被用於決定在人體受驗者中之葡萄糖濃度，使得圖1之表面106為人類組織。圖4顯示依據本實施例之為光學設備所能發射的不同類型輻射的強度與持續時間。於此實施例中，第一及第二輻射源126及128係被選擇以對應於具有峰約1590nm的葡萄糖吸收帶。在此實施例中，光學設備係被提供使得第一輻射源126係為發射波長1550nm的激勵束B₁ 的雷射，其功率為1.0至10.0瓦，及脈衝寬100ns。第二輻射源128為一雷射，其被設置以發射具有波長1550nm、功率0.1至1.0瓦、及脈衝寬度80ns的多數週期探頭脈衝B₂ 。

在操作時，依據光聲原理，激勵束B₁ 在組織表面106中，產生機械變化及快衰退振盪。激勵束B₁ 同時也產生光D₁ 或D₂ 的啟始散射。在激勵束B₁ 發射後，探頭脈衝B₂ 被週期地發射，產生光D₁ 或D₂ 的額外散射。光D₁ 及D₂ 的散射為檢測器132所檢測，並轉換為電信號，以表示光D₁ 及D₂ 散射的大小之強度，並被送至電子外殼102作處理。

由於在組織106中之機械變化及快衰振盪，光D₁ 及D₂ 的額外散射振幅隨時間變化。CPU112處理表示振幅變化的電信號，並將結果送給PC110。PC110使用專屬演算法儲存電信號並計算在組織106中之葡萄糖濃度。

例子2

在依據本發明之另一實施例中，如上參考圖3所述之光學設備係用以決定在人體受驗者中之葡萄糖濃度，使得圖3的表面106為人類組織。圖5為依據此實施例之以光 學設備發射的不同類型輻射的強度與持續時間圖表。在此實施例中，第一及第二輻射源126及第二輻射源128係被選擇以對應具有峰值約1590nm的葡萄糖吸收帶。在此實施例中，光學設備被設置以使得第一輻射源126為發出波長1550nm、5瓦功率及脈衝寬度100ns的激勵雷射束B₁ 。第二輻射源128係為一雷射，被提供以發出多數週期性探頭脈衝B₂ ，以具有約1610-1690nm的波長、0.25-0.5瓦及80ns的脈衝寬度。

替代或依據本發明，激勵束B₁ 可以被發射為約1550nm的波長及10瓦的功率，及週期性探頭脈衝B₂ 可以由與激勵束B₁ 相同的輻射源發射，於1550nm的波長及0.25-0.5瓦的功率，並且，週期性探頭脈衝B₂ 係被發射使得在各個脈衝間約有25微秒的延遲。

在操作中，探頭304係被放置與組織106接觸。在此例子中包含壓力感應器的閘控感應器302量測在探頭304與組織106間之壓力。當壓力感應器302決定在探頭304與組織106間之壓力係為可接受值，則第一輻射源發出激勵束。依據光聲原理，激勵束在組織106中，產生機械變化及快衰振盪，及光的啟始散射。在激勵束被發射後，探頭脈衝被第二輻射源128所週期性地發射，產生光的額外散射。光的散射係為第一及第二檢測器332及334所檢測，轉換為表示光散射的振幅強度的電信號，並被送至電子外殼102(圖1所示)作進一步處理。

由於在組織106中之機械變化及快衰振盪，光的額外散射的振幅隨時間調變。CPU102(示於圖1)處理表示振幅變化的電信號，並執行一演算法，以比較在時間上彼此於光散射上振幅，以找出不只是在振幅，同時也在聲音振盪擴散的頻率上、衰減時間及速度之差動變化。這些差動變化係被儲存於內部記憶體(未示出)，然後，用於演算法中，以計算在組織106中之葡萄糖的濃度。

依據本發明，雖然不必然需要，但在圖1或3中所述之光學設備可以被校正，以提供分析物濃度的最佳決定。圖6為依據本發明之校正光學設備的方法流程圖，如果被測試的分析物為如上所述之葡萄糖，則對於使用者健康而言，取得濃度的準確並配合測試葡萄糖濃度的可接受平均值是很重要。因此，於執行校正處理時，標準血糖測試的結果係與光學設備的結果進行比較，光學設備係被抵補以匹配血測試。雖然此校正程序已經相對於葡萄糖測試被總結，但以下所詳述之校正程序也可以當依據本發明使用光學設備以決定葡萄糖以外之分析物濃度時被使用。

首先，取得流體樣本(S401)，並使用流體濃度決定機構，決定分析物的第一濃度(S402)。第一濃度被記錄，然後依據本發明之光學設備被使用以進行一濃度量測(S403)。光學設備執行如圖2所示之方法，並決定分析物的第二濃度(S404)。第一濃度與第二濃度係彼此相比較，以決定它們是否匹配於預定準確度內(S405)。如果第一濃度及第二濃度匹配，則不必再校正(S406)。然而，如果第一濃度及第二濃度並不匹配，則光學設備抵補一預定量，使得第二濃度將匹配第一濃度(S407)。在此步驟後，校正完成(S408)。依據本發明之實施例，在光學設備或板上光學設備外的電腦可以執行濃度的記錄、匹配決定、及抵補。

雖然於此揭示的方法與設備可以可不參考特定硬體或軟體，但以此方式所述之方法與設備已經足以使熟習於本技藝者迅速採用商用硬體及軟體，以實施本發明之實施例，而不必多餘實驗及使用傳統技術。另外，雖然本發明已經參考少數特定實施例加以描述，但該說明係想要作為本發明之例示用，而並不用以限定本發明於所示之實施例。可以了解的是，對於熟習於本技藝者可以想出在本發明精神及範圍內的各種修改。

本發明之其他實施例將為熟習於本技藝者由於此所揭示之本發明說明書加以了解。說明書及例子係只作例示，本發明之精神及範圍係由以下之申請專利範圍所決定。

102．．．電子外殼

104．．．光學元件外殼

106．．．表面

108．．．電源

110．．．外部處理裝置

112．．．處理器

114．．．第一輻射驅動器

116．．．第二輻射驅動器

118．．．峰檢測器

120．．．峰檢測器

122．．．多工器

124．．．類比至數位轉換器

126．．．輻射源

128．．．輻射源

130．．．測試區

132．．．檢測器

127．．．單輻射源

302．．．閘控感應器

304．．．探頭

306．．．第一透鏡

308．．．第二透鏡

310．．．第三透鏡

332．．．第一散射輻射檢測器

334．．．第二散射輻射檢測器

726．．．光纖

732．．．拾取光纖

734．．．拾取光纖

本發明將由以下之詳細說明配合上附圖加以完全了解。

圖1為依據本發明之決定分析物濃度的光學設備的簡化方塊圖。

圖2為依據本發明之決定分析物濃度的方法流程圖。

圖3為圖1的光學元件外殼實施例。

圖4為依據例子1中所用之依據本發明光學設備所發出的不同類型輻射的強度及持續時間。

圖5為依據例子2中所用之依據本發明光學設備所發出的不同類型輻射的強度及持續時間。

圖6為依據本發明之校正光學設備的方法流程圖。

圖7為依據本發明之光纖配置例。

102．．．電子外殼

104．．．光學元件外殼

106．．．表面

108．．．電源

110．．．外部處理裝置

112．．．處理器

114．．．第一輻射驅動器

116．．．第二輻射驅動器

118．．．峰檢測器

120．．．峰檢測器

122．．．多工器

124．．．類比至數位轉換器

126．．．輻射源

128．．．輻射源

130．．．測試區

132．．．檢測器

127．．．單輻射源

Claims (73)

1. 一種決定在組織中之分析物濃度的設備，包含：至少一輻射源，可操作以發出第一輻射束及至少一第二輻射束，該第一輻射束照射組織的測試區並造成輻射的第一散射，及該至少一第二輻射束具有較該第一輻射束為低之強度，並週期性地照射該測試區，造成輻射的週期性第二散射；包含第一幅射檢測器及第二幅射檢測器的至少一檢測器，該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器組態以檢測輻射的該第一及第二散射，並將該檢測散射轉換為電信號，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係位於距離該測試區的不同距離；及處理器，用以根據該等電信號，決定該分析物的該濃度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中：該第一及第二輻射束具有由在預定媒體中之該分析物的特性吸收帶所選出的預定波長。
3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中：該第一及第二輻射束具有預定波長，其中該第一輻射束的該預定波長對應於在預定媒體中的該分析物的吸收帶峰，及其中該第一輻射束與該組織反應，造成與該分析物的該濃度有關的至少一暫態處理。
4. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一與第二輻射束具有相同波長。
5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一與第二輻射束具有不同波長。
6. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中該第一及第二輻射束之一具有大於在預定媒體中之該分析物的吸收帶峰為大的波長，及該第一及第二輻射束之一具有小於在預定媒體中之該分析物的該吸收帶峰為小的波長。
7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一輻射束在該組織中激勵至少一週期性或非週期性暫態處理，及其中輻射的該第一及第二散射的至少之一係至少部份為該至少一暫態處理所調變。
8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該至少一暫態處理包含光聲振盪。
9. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該等電信號表示該至少一暫態處理的該振幅、頻率或衰減時間的至少之一。
10. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一及第二輻射束包含多數單脈衝，在該等脈衝間具有延遲。
11. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二輻射束包含具有可變重覆率的擬連續波(QCW)實質等距分隔短脈衝。
12. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二輻射束包含具有可變頻率、可變脈衝功率、可變脈衝持續時間、及可變脈衝數量的脈衝串。
13. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一 及第二輻射束係對焦於該測試區的實質相同點。
14. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一輻射束具有約1-10瓦的功率。
15. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一輻射束具有約5瓦的功率。
16. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一輻射束具有約1550nm的波長。
17. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二輻射束具有約0.1至1瓦的功率。
18. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二輻射束具有約0.25至0.5瓦的功率。
19. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二輻射束具有約1610nm至1690nm的波長。
20. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包含一脈衝雷射二極體。
21. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包含光纖耦合二極體雷射陣列。
22. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包含一脈衝光纖雷射。
23. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包含為二極體雷射或閃光燈所抽送的Er-玻璃棒或板雷射。
24. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包含可調Co：MgF₂ 雷射。
25. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一輻射源包括含Q-開關釹的光媒體雷射，並提供擬連續波產生，給出具有可變持續時間、頻率、數量及功率的等距短脈衝。
26. 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含：光學轉換器，用以轉換該第一及第二輻射束的至少之一的波長。
27. 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含：光纖放大器，用以增加該第一及第二輻射束的至少之一的功率。
28. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該至少一檢測器包含光二極體。
29. 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含一光學外殼及一電子外殼，其中：該至少一輻射源及該至少一檢測器被包圍在該光學外殼中；該處理器被包圍在該電子外殼中；及該光學外殼係可操作地連接至該電子外殼。
30. 如申請專利範圍第29項所述之設備，其中該光學外殼包含光纖探頭。
31. 如申請專利範圍第29項所述之設備，其中該光纖探頭包含：多數光纖形成一束，其中該等光纖之至少之一包含該至少一輻射源，及該光纖的至少之一包含該至少一檢測 器。
32. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該設備係被封裝於一攜帶式、手持或桌上型裝置中。
33. 如申請專利範圍第32項所述之設備，其中該攜帶式裝置包含無線通訊裝置。
34. 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含一光學外殼，其包含該至少一輻射源及該至少一檢測器。
35. 如申請專利範圍第34項所述之設備，其中該光學外殼包含探頭。
36. 如申請專利範圍第35項所述之設備，其中該探頭更包含：接觸感應器，附接至該探頭，該接觸感應器致能在該探頭與該測試區間之接合的檢測，其中如果該接合未被檢出，則該第一及第二輻射源並未發射第一及第二輻射源。
37. 如申請專利範圍第35項所述之設備，其中該探頭更包含：一壓力感應器，附接至該探頭，該壓力感應器致能該探頭與該測試區間之壓力的檢測，其中如果該檢測壓力並未等於一預定壓力，則該第一及第二輻射源並未發射第一及第二輻射束。
38. 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包含影像分析硬體或軟體的至少之一，用以監視該測試區，以確保該第一及第二輻射束入射在預定位置。
39. 如申請專利範圍第38項所述之設備，其中該影像 分析硬體或軟體的至少之一包含攜帶式攝影機，及成像軟體。
40. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該分析物為葡萄糖。
41. 一種決定組織中之分析物濃度的方法，包含：以至少一輻射源照射組織的測試區，該至少一輻射源發出第一輻射束，造成輻射的啟始回散射，及第二輻射束週期性地照射該測試區，造成輻射的週期性回散射；以第一幅射檢測器及第二幅射檢測器檢測該啟始回散射和該週期性回散射，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係位於距離該測試區的不同距離；將該被檢測的回散射轉換為電信號；及回應於該等電信號，決定該分析物的該濃度作為一決定濃度。
42. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中照射該測試區包含：以具有預定波長的第一及第二輻射束照射該測試區，該等預定波長係在媒體中的該分析物的吸收帶範圍內，該束為該分析物的該吸收造成暫態處理。
43. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中照射該測試區包含：以具有預定波長的第一及第二輻射束照射該測試區，該等預定波長對應於該分析物的吸收帶的峰，該束為該分析物外的成份的該吸收造成有關於該分析物的該濃度的暫 態處理。
44. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中照射該測試區包含：以具有相同波長的第一及第二輻射束照射該測試區。
45. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該第一及第二輻射束具有不同波長。
46. 如申請專利範圍第45項所述之方法，更包含：照射該測試區，使得該第一及第二輻射束之一具有大於該分析物之該吸收帶峰的波長，及該第一及第二輻射束之一具有小於該分析物的該吸收帶峰的波長。
47. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中照射該測試區更包含：發出該第一輻射束，以激勵在該組織中之至少一週期性或非週期性暫態處理，其中該回散射的至少之一係至少部份為該至少一暫態處理所調變。
48. 如申請專利範圍第47項所述之方法，其中該至少一暫態處理包含光聲振盪。
49. 如申請專利範圍第47項所述之方法，其中轉換該檢測回散射為電信號包含轉換該檢測回散射成為電信號，以對應於該暫態處理的振幅、頻率或衰減時間之一。
50. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第一及第二輻射束包含發出短單脈衝，其間具有可變時間延遲。
51. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該 第一及第二輻射束包含發出具有可變重覆率的擬連續波(QCW)光的等距短脈衝。
52. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第一及第二輻射束包含發出一脈衝串的等距短脈衝，其中該頻率、脈衝功率、脈衝持續時間、及脈衝數之至少之一為可變。
53. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該照射該測試區包含對焦該第一及第二輻射束至一共享點，其係離開該測試區預定距離。
54. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第一輻射束包含發出功率約1-10瓦的該第一輻射束。
55. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第一輻射束包含發出約5瓦功率的該第一輻射束。
56. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第一輻射束包含發出約1550nm波長的該第一輻射束。
57. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第二輻射束包含發出約0.1至1瓦功率的該第二輻射束。
58. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第二輻射束包含發出約0.25瓦至0.5瓦功率的該第二輻射束。
59. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中發出該第二輻射束包含發出約1610nm至1690nm波長的該第二輻射束。
60. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含： 放大該第一及第二輻射束的該功率。
61. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器包含光學接收感應器。
62. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含：檢測用以照射想要區域的探頭與該想要區域間之壓力，其中如果該檢測壓力並不等於預定壓力時，則該第一及第二輻射束並未發出。
63. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該分析物包含葡萄糖。
64. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含：校正，其中該校正包含：取得包含分析物的流體的樣本；使用流體為主之設備，決定該分析物的參考濃度；決定是否該決定濃度等於該參考濃度，其中如果該決定濃度不等於該參考濃度，則抵補該檢測電信號，使得該決定濃度係等於該參考濃度。
65. 如申請專利範圍第64項所述之方法，更包含：重覆該等步驟多數次，直到該決定濃度係等於該參考濃度。
66. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含：顯示該決定濃度。
67. 如申請專利範圍第41項所述之方法，更包含：使用影像分析硬體或軟體之至少之一，監視該第一及 第二輻射束的照射位置。
68. 一種用於決定受驗者的葡萄糖濃度的光學設備中的探頭，該探頭包含：多數光纖，耦接至少一輻射源及至少一檢測器，該至少一輻射源操作以發射第一幅射束和至少一第二幅射束，該第一幅射束照射組織的測試區且造成輻射的第一散射，且該至少一第二幅射束週期性地照射該測試區，造成輻射的週期性第二散射；包含第一幅射檢測器及第二幅射檢測器的該至少一檢測器，該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係組態以檢測輻射的該第一及第二散射，且該些檢測器將該檢測散射轉換為電信號，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係位於距離該測試區的不同距離；及輸入/輸出介面，用以傳送電信號至該至少一輻射源，及用以傳送來自該至少一檢測器的電信號。
69. 如申請專利範圍第68項所述之探頭，其中該多數光纖係被安排以使得耦接至該至少一輻射源的該等光纖係為耦接至該至少一檢測器的光纖所包圍。
70. 如申請專利範圍第68項所述之探頭，更包含：壓力感應器，附接至該探頭的一部份，該壓力感應器檢測該探頭以及與該探頭接觸的表面間之壓力，其中該光學設備不會決定受驗者的葡萄糖濃度，除非該檢測壓力係等於預定壓力。
71. 如申請專利範圍第68項所述之探頭，其中該探頭 為可攜帶並手持。
72. 一種使用光學激勵及檢測以非侵入式決定受驗者的葡萄糖濃度的設備，包含：第一輻射源，用以發射激勵束，用以照射該受驗者的一部份組織，造成該部份組織的至少一物理及化學變化，並造成輻射的啟始回散射；第二輻射源，用以週期性地發射探測束，用以照射該部份組織並造成週期性回散射輻射；包含第一幅射檢測器及第二幅射檢測器的至少一檢測器，用以檢測該啟始及週期性回散射，並將該檢測回散射轉換成該物理及化學變化的該振幅、頻率或衰減時間的至少之一的電信號，該回散射係為該物理與化學變化所調變，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係位於距離該部份組織的不同距離；及處理器，用以在時間上差動該物理及化學變化的至少該振幅、頻率或衰減時間，而決定該葡萄糖濃度。
73. 一種使用光學激勵及檢測以非侵入式決定受驗者的葡萄糖濃度的方法，包含：發射激勵束，用以照射該受驗者的部份組織，造成表面中的物理及化學變化，並造成光的啟始回散射；週期性地發射探測束，用以照射該部份組織並造成光的週期性回散射；以第一幅射檢測器及第二幅射檢測器檢測該啟始及週期性回散射，並將該檢測回散射轉換成該物理及化學變化 的至少該振幅、頻率或衰減時間的電信號，該回散射係為該物理與化學變化所調變，其中該第一幅射檢測器及該第二幅射檢測器係位於距離該部份組織的不同距離；及在時間上差動該物理及化學變化的該振幅、頻率或衰減時間之至少之一，而決定該葡萄糖濃度。