TWI889585B - 生理特徵測定設備 - Google Patents

Abstract

一種生理特徵測定設備，適於配置於眼睛前方。生理特徵測定設備包括光源模組、感測模組以及處理單元。光源模組被配置以朝眼睛提供入射線偏光，入射線偏光具有第一線偏振。當入射線偏光入射眼睛，感測模組用於感測來自眼睛的待測光。處理單元連接感測模組。處理單元用於提供一光強度比值，光強度比值為待測光的第一線偏光的光強度以及待測光的第二線偏光的光強度的比值，其中第一線偏光具有第二線偏振，第二線偏光具有第一線偏振，第二線偏振垂直第一線偏振。處理單元根據光強度比值的反正切函數提供生理特徵測定值。

Description

生理特徵測定設備

本發明涉及一種光學式的測定設備，尤其是涉及一種生理特徵測定設備。

糖尿病是全球性的疾病，但是目前市面上主要的血糖機(Blood glucose monitor,BGM)都需要採集血液，增加糖尿病患者的不適感。近年來發展出連續血糖監測儀(Continuous glucose monitor，CGM)，其於皮下植入帶有軟針頭的糖氧化酶感測器，量測皮下的血糖數值，以達到連續偵測的目的。

另一方面，光學式的血糖測定設備多採用傅立葉轉換紅外線光譜(Fourier transform infrared spectroscopy)分析法、Raman光譜(Raman spectroscopy)分析法以及近紅外光/中程紅外光光譜(Near infrared/Middle infrared spectroscopy)分析法。然而，血液的採集仍是必須的。

並且，上述的該些光學式的監測儀不易小型化，難以隨身攜帶。

本發明提供一種生理特徵測定設備，不需採集血液，且便於隨身攜帶。

根據本發明一實施例，提供一種生理特徵測定設備，適於配置於眼睛前方。生理特徵測定設備包括光源模組、感測模組以及處理單元。光源模組被配置以朝眼睛提供入射線偏光，入射線偏光具有第一線偏振。當入射線偏光入射眼睛，感測模組用於感測來自眼睛的待測光。處理單元連接感測模組。處理單元用於提供一光強度比值，光強度比值為待測光的第一線偏光的光強度以及待測光的第二線偏光的光強度的比值，其中第一線偏光具有第二線偏振，第二線偏光具有第一線偏振，第二線偏振垂直第一線偏振。處理單元根據光強度比值的反正切函數提供生理特徵測定值。

根據本發明另一實施例，提供一種生理特徵測定設備，適於配置於眼睛前方。生理特徵測定設備包括光源模組、感測模組以及處理單元。光源模組包括光源以及第一線偏振片。光源用於朝眼睛提供入射光，入射光包括在第一時段內的第一入射光以及在第二時段內的第二入射光。在第一時段內，第一偏振片不在入射光的路徑上，且在第二時段內，第一偏振片在入射光的路徑上。感測模組包括第二線偏振片。當入射光入射眼睛，感測模組用於感測來自眼睛的待測光，以產生待測光的光強度。第二線偏振片位於待測光的路徑上，且第一線偏振片的吸收軸垂直第二線偏振片的吸收軸。 處理單元連接感測模組。處理單元用於提供一光強度比值，光強度比值為待測光在第二時段內的光強度以及待測光在第一時段內的光強度的比值。處理單元根據光強度比值的反正弦函數提供生理特徵測定值。

基於上述，本發明實施例提供的生理特徵測定設備利用葡萄糖的旋光性並以偏振光來測定眼睛的房水(Aqueous humor)中的葡萄糖濃度，以得知受測者的血糖濃度。相較於其他侵入式的測定設備，本發明實施例提供的生理特徵測定設備不需採集血液，且便於隨身攜帶。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1、2:生理特徵測定設備

10:人眼

11:水晶體

12:虹膜

13:房水

14:角膜

100:感測模組

101、102:感測裝置

103、104、202:線偏振片

105、203、500:分光鏡

110:頂點

200:光源模組

201:光源

300:處理單元

400:攝像裝置

C1:光軸

L0:光線

L1:入射線偏光

L2、L21、L22:待測光

L23、L24:線偏光

L1:曲率半徑

L3、L2:距離

P1、P2、P3:線偏振

θ1:入射角

θ3:折射角

α:夾角

圖1示出人眼的構造示意圖；圖2A示出根據本發明實施例的生理特徵測定設備的示意圖；圖2B示出根據本發明實施例的生理特徵測定方法的示意圖；圖3示出根據本發明實施例的生理特徵測定設備的示意圖。

參照圖1、圖2A以及圖2B，圖1示出人眼的構造示意圖，圖2A示出根據本發明實施例的生理特徵測定設備的示意圖， 圖2B示出根據本發明實施例的生理特徵測定方法的示意圖。如圖1所示，在人眼10的水晶體11前方有虹膜(Iris)12、房水13以及角膜(Cornea)14。本實施例的生理特徵測定設備1可以用於對房水13中的葡萄糖濃度進行測定。具體而言，葡萄糖在人體內甚至是自然界，皆是以右旋結構呈現。因此，當偏振光經過葡萄糖溶液，其電場會發生旋轉。因此，根據本發明實施例的生理特徵測定設備1即針對上述現象，利用偏振光來測定房水13中的葡萄糖濃度。

參照圖2A，生理特徵測定設備1包括光源模組200、感測模組100以及處理單元300。

光源模組200包括光源201以及線偏振片202，光源201用於提供光線L0，光線L0在穿透線偏振片202後形成為入射線偏光L1。入射線偏光L1具有第一線偏振P1。入射線偏光L1的波長落在460nm至940nm的範圍內，以避免房水13中的水分體積改變或吸收特定波長的入射線偏光L1，改變訊號強度，但不以此為限。入射線偏光L1入射眼睛10後，在水晶體11的表面被反射，產生待測光L2。

感測模組100用於感測來自眼睛10的待測光L2。光源201可以包括雷射源以及發光二極體，但不以此為限。感測模組100包括線偏振片103、線偏振片104、分光鏡105、感測裝置101以及感測裝置102，分光鏡105配置於待測光L2的路徑上，且感測裝置101以及感測裝置102連接處理單元300。

在一些實施例中，處理單元300例如為中央處理單元(central processing unit,CPU)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(programmable logic device,PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一些實施例中，處理單元300的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由處理單元300來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，處理單元300的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作處理單元300的各功能。

入射線偏光L1以及待測光L2定義一光學平面(即，X-Y平面)，第一線偏振P1平行所述光學平面。部份的待測光L2在穿透分光鏡105後形成為第一待測光L21。分光鏡105反射部份的待測光L2後，產生第二待測光L22。第一待測光L21穿透線偏振片103後產生線偏光L23，線偏光L23具有第二線偏振P2。第二待測光L22穿透偏振片104後產生線偏光L24，線偏光L24具有第三線偏振P3。線偏光L23的線偏方向平行光學平面(平行X-Y平面)，線偏光L24的線偏方向垂直光學平面(垂直X-Y平面)，如圖2A所示。總的來說，第一線偏振P1以及第二線偏振P2皆平行X-Y平面，第三線偏振P3垂直X-Y平面。換句話說，第一線偏振P1以及第二線偏振P2對於X-Y平面而言皆為水平偏振，第三線偏振P3對於X-Y平面而言為垂直偏振。應當說明的是，第一 線偏振P1不以平行X-Y平面為限。在一些實施例中，第一線偏振P1垂直X-Y平面。

進一步的，感測裝置101以及感測裝置102分別用於量測線偏光L23的光強度I1以及線偏光L24的光強度I2。處理單元300可以計算光強度I2以及光強度I1的比值，該比值即為待測光L2在對於X-Y平面而言的垂直方向上的電場強度以及在對於X-Y平面而言的水平方向上的電場強度的比值。處理單元300還進一步計算該強度比值的反正切函數，該反正切函數即為待測光L2的電場相對於X-Y平面的角度θ(式1)，也就是對於X-Y平面而言的水平偏振光L1的電場在經過眼睛後的旋轉角度θ。上述的旋轉角度θ會根據房水13內的葡萄糖濃度而改變。換言之，可以根據上述的旋轉角度θ來測定房水13內的葡萄糖濃度。

式1：θ=tan^-1 I2/I1

應當說明的是，在一些實施例中，第一線偏振P1垂直X-Y平面。在這樣的狀況下，式1中的光強度I1為線偏光L24的光強度，光強度I2為線偏光L23光強度。式1所示的反正切函數為對於X-Y平面而言的垂直偏振光L1的電場在經過眼睛後的旋轉角度θ。

生理特徵測定設備1還可以包括攝像裝置400，攝像裝置400連接處理單元300。攝像裝置400可以對眼睛10進行攝像。

在一些實施例中，攝像裝置400可以用於定位生理特徵 測定設備1，在這樣的狀況下，攝像裝置400的光軸C1被配置在光學平面(X-Y平面)上，以利於提高定位精確度，其中入射線偏光L1與攝像裝置400的光軸C1之間具備一夾角，該夾角可以落在0度至90度的範圍內。具體而言，生理特徵測定設備1可以頭戴式設備來實施，且進一步包括一移動機構(未繪示)。移動機構連接處理單元300，處理單元300根據攝像裝置400提供的影像判斷生理特徵測定設備1是否被配戴於適當的位置，若生理特徵測定設備1未被配戴於適當的位置，處理單元300可以控制移動機構以移動光源模組200、感測模組100以及攝像裝置400，以提高測定的精確度。

參照圖2B，當光源201所產生的入射線偏光L1在角膜14表面的入射角θ₁以及在角膜表面的位置符合下列條件式(式2)，則入射線偏光L1可以到達水晶體11的頂點110，並且可以進一步形成為進入感測裝置101以及感測裝置102的待測光L2。

在式2以及圖2B中，θ₃為入射線偏光L1進入房水13時的折射角，1.33為房水13的折射率，L₃為入射線偏光L1於角膜 14的內層至水晶體11的頂點110之間的距離，L₁為角膜14的內層的曲率半徑，L₂為水晶體11的頂點110至角膜14的內層的曲率半徑中心O的距離，α為入射線偏光L1於角膜14的內層至曲率半徑中心O的連線與水晶體11的頂點110至曲率半徑中心O的連線之間的夾角。

為了充分說明本發明的各種實施態樣，將在下文描述本發明的其他實施例。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

參照圖1以及圖3，圖3示出根據本發明實施例的生理特徵測定設備的示意圖。

生理特徵測定設備2包括光源模組200、感測模組100、分光鏡500以及處理單元(未繪示)。

光源模組200包括光源201以及分光鏡203，並用於提供光線L0。感測模組100包括線偏振片103、線偏振片104、分光鏡105、感測裝置101以及感測裝置102。感測裝置101以及感測裝置102連接處理單元。線偏振片103的吸收軸垂直線偏振片104的吸收軸。

光線L0在穿透線偏振片103後形成為入射線偏光L1，入射線偏光L1的偏振方向平行X-Y平面。入射線偏光L1入射眼睛10後，在水晶體11的表面被反射，產生待測光L2，其中入射 線偏光L1以及待測光L2相重疊。為了理解的方便，在圖3中，入射線偏光L1以及待測光L2被繪示為不相重疊。

待測光L2在被分光鏡500反射後在分光鏡105上發生部份穿透以及部份反射。穿透線偏振片104的待測光L2進入感測裝置102，感測裝置102測得該待測光L2的光強度I2。穿透線偏振片103的待測光L2被分光鏡203反射，並進入感測裝置101，感測裝置101測得該待測光L2的光強度I1。處理單元根據前述式1計算光強度I2以及光強度I1的比值，該比值即為來自眼睛的待測光L2在對於X-Y平面而言的垂直方向上的電場強度以及在對於X-Y平面而言的水平方向上的電場強度的比值。處理單元進一步計算該強度比值的反正切函數，該反正切函數即為來自眼睛的待測光L2的電場相對於X-Y平面的角度θ(式1)，也就是水平偏振光L1的電場在經過眼睛後對於X-Y平面而言的旋轉角度θ。根據上述的旋轉角度θ可以測定房水13內的葡萄糖濃度。

在本實施例中，入射線偏光L1以及待測光L2皆通過分光鏡105以及分光鏡500。通過配置分光鏡105以及分光鏡500，提高了生理特徵測定設備2的設計裕度。

除此之外，生理特徵測定設備2還可以包括攝像裝置400，入射線偏光L1以及待測光L2皆重疊攝像裝置400的光軸C1。攝像裝置400的功能如前述實施例所述，於此不贅述。

請重新參照圖1以及圖2A，在本發明的另一實施例中，可以通過生理特徵測定設備1搭配另一種測定方法來測定電場旋 轉角度θ，其中，線偏振片202的吸收軸垂直線偏振片104的吸收軸且垂直X-Y平面，如圖2A所示。具體而言，在本實施例中，生理特徵測定設備1的線偏振片202在一第一時段內不在光線L0的路徑上(例如，被移出光線L0的行進路徑)，並在一第二時段內被配置在光線L0的路徑上(如圖2A所示)。感測裝置102在該第一時段內測得光強度I3，並在該第二時段內測得光強度I4。因為由房水13中的葡萄糖所導致的電場旋轉角度θ非常小，因此可以利用近似方法，以式3定義旋轉角度θ，式3：θ=sin^-1 I4/I3

在本發明的再一實施例中，線偏振片202的吸收軸垂直線偏振片103的吸收軸且平行X-Y平面。生理特徵測定設備1的線偏振片202在一第一時段內不在光線L0的路徑上，並在一第二時段內被配置在光線L0的路徑上。感測裝置101在該第一時段內測得光強度I5，並在該第二時段內測得光強度I6。因為由房水13中的葡萄糖所導致的電場旋轉角度θ非常小，因此可以利用近似方法，以式4定義旋轉角度θ，式4：θ=sin^-1 I6/I5

基於上述，本發明實施例提供的生理特徵測定設備利用葡萄糖的旋光性並以偏振光來測定房水中的葡萄糖濃度，可以根據房水中的葡萄糖濃度與血糖濃度之間的關係得知受測者的血糖濃度。相較於其他侵入式的測定設備，本發明實施例提供的生理特徵測定設備不需採集血液，且便於隨身攜帶。

1:生理特徵測定設備

10:人眼

11:水晶體

100:感測模組

101、102:感測裝置

103、104、202:線偏振片

105:分光鏡

200:光源模組

201:光源

300:處理單元

400:攝像裝置

C1:光軸

L0:光線

L1:入射線偏光

L2、L21、L22:待測光

L23、L24:線偏光

P1、P2、P3:線偏振

Claims (16)

1. 一種生理特徵測定設備，適於配置於眼睛前方，所述生理特徵測定設備包括： 光源模組，配置以朝所述眼睛提供入射線偏光，所述入射線偏光具有第一線偏振； 感測模組，其中當所述入射線偏光入射所述眼睛，所述感測模組用於感測來自所述眼睛的待測光；以及 處理單元，連接所述感測模組，其中所述處理單元用於提供一光強度比值，所述光強度比值為所述待測光的第一線偏光的光強度以及所述待測光的第二線偏光的光強度的比值，其中所述第一線偏光具有第二線偏振，所述第二線偏光具有所述第一線偏振，其中所述第二線偏振垂直所述第一線偏振，其中 所述處理單元根據所述光強度比值的反正切函數提供一生理特徵測定值。
2. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述入射線偏光以及所述待測光定義一光學平面，所述第一線偏振平行所述光學平面，且所述第二線偏振垂直所述光學平面。
3. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述入射線偏光以及所述待測光定義一光學平面，所述第一線偏振垂直所述光學平面，且所述第二線偏振平行所述光學平面。
4. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述光源模組包括雷射源以及第一線偏振片，所述雷射源提供雷射以入射所述第一線偏振片。
5. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述感測模組包括分光鏡、第一感測裝置以及第二感測裝置，所述分光鏡配置於所述待測光的路徑上，且所述第一感測裝置以及所述第二感測裝置連接所述處理單元。
6. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，還包括攝像裝置，連接所述處理單元，所述入射線偏光以及所述待測光定義一光學平面，所述攝像裝置用於對所述眼睛進行攝像，且所述攝像裝置的光軸位在所述光學平面上。
7. 如請求項6所述的生理特徵測定設備，還包括移動機構，連接所述處理單元，所述處理單元根據所述攝像裝置提供的影像控制所述移動機構移動所述光源模組、所述感測模組以及所述攝像裝置。
8. 如請求項6所述的生理特徵測定設備，其中所述光源模組包括雷射源以及第一線偏振片，所述雷射源提供雷射，所述雷射入射所述第一線偏振片以產生所述入射線偏光，所述入射線偏光與所述攝像裝置的所述光軸之間具備一夾角，所述夾角落在0度至90度的範圍內。
9. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述入射線偏光的波長落在460 nm至940 nm的範圍內。
10. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，其中所述入射線偏光以及所述待測光相重疊。
11. 如請求項1所述的生理特徵測定設備，還包括至少一分光鏡，所述入射線偏光以及所述待測光皆通過所述至少一分光鏡。
12. 如請求項11所述的生理特徵測定設備，其中所述至少一分光鏡的數量為2。
13. 如請求項6所述的生理特徵測定設備，其中所述入射線偏光以及所述待測光皆重疊所述攝像裝置的所述光軸。
14. 一種生理特徵測定設備，適於配置於眼睛前方，所述生理特徵測定設備包括： 光源模組，包括光源以及第一線偏振片，所述光源用於朝所述眼睛提供入射光，所述入射光包括在第一時段內的第一入射光以及在第二時段內的第二入射光，其中在所述第一時段內，所述第一線偏振片不在所述入射光的路徑上，且在所述第二時段內，所述第一線偏振片在所述入射光的路徑上； 感測模組，包括第二線偏振片，其中當所述入射光入射所述眼睛，所述感測模組用於感測來自所述眼睛的待測光，以產生所述待測光的光強度，所述第二線偏振片位於所述待測光的路徑上，且所述第一線偏振片的吸收軸垂直所述第二線偏振片的吸收軸；以及 處理單元，連接所述感測模組，其中所述處理單元用於提供一光強度比值，所述光強度比值為所述待測光在所述第二時段內的所述光強度以及所述待測光在所述第一時段內的所述光強度的比值，其中 所述處理單元根據所述光強度比值的反正弦函數提供一生理特徵測定值。
15. 如請求項14所述的生理特徵測定設備，其中所述入射光以及所述待測光定義一光學平面，所述第一線偏振片的所述吸收軸平行所述光學平面，且所述第二線偏振片的所述吸收軸垂直所述光學平面。
16. 如請求項14所述的生理特徵測定設備，其中所述入射光以及所述待測光定義一光學平面，所述第一線偏振片的所述吸收軸垂直所述光學平面，且所述第二線偏振片的所述吸收軸平行所述光學平面。

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