CN102512175A - 用于测定分析物浓度的光学传感器 - Google Patents

Abstract

用于测定分析物浓度的光学传感器。提供一种用于利用光学激发和光学检测非侵入式地测定受试者中的血糖浓度的方法和设备。该方法包括发射用于照射受试者的组织的一部分(130)的激发光束(B1)，在该表面中引起物理和化学变化，并且引起光的初始向后散射(D1)。该方法还包括周期性地发射用于照射该组织的该部分的探测光束(B2)，并引起光的周期性的向后散射(D2)。检测初始的和周期性的向后散射，并且将检测的散射转换成该物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间至少其中之一的电信号，该向后散射用该物理和化学变化调制。通过在整个时间对该物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间至少其中之一求微分可以测定定血糖浓度。

Description

用于测定分析物浓度的光学传感器

相关申请

本申请要求2007年11月5日提交的美国临时专利申请No.61/001,960的优先权，其整个内容并入于此。

技术领域

本发明涉及光学物质分析，和利用光学物质分析测定分析物的浓度。

背景技术

糖尿病是一种严重的疾病，不仅影响病人的内部器官、循环系统和视力，而且还影响病人的生活方式。据报道目前全世界有两亿多糖尿病人，并且预计这个数字在未来十年内将翻一番。糖尿病护理的第一步是一天24小时监控病人的血糖水平，因为了解血糖水平有助于确定正确的饮食和药物治疗。

当前测量血糖浓度的方法通常需要刺破糖尿病人的手指以收集血滴，然后用血糖计分析其化学成分。由于这种方法不是完全无痛的并且伤害皮肤，因此糖尿病人通常不愿意按照医生嘱咐的那样经常检查血糖水平，因此不能充分监控病人的血糖水平。

目前，用于测量血糖水平的大多数便携式装置需要刺破病人的指尖以获得血样。然后将血样放在指示血糖浓度的试纸上。血糖计的一个例子是由LifeScan Inc.和Johnson&Johnson company销售的OneTouch

Ultra

血糖计。这些装置非常紧凑并且适当的精确，但是刺破指尖以获得血样是不方便的并且可能是痛苦的。而且，不正确的刺破和不卫生可能会造成指尖感染的危险。

作为传统的指尖刺破方法的一种替代方法，Cygnus Inc.已经研制出GlucoWatch

Biographer监视器。看起来像手表的这种装置利用很小的电流从皮肤获得间质体液，以将血糖提取到消耗性的经皮垫上，该经皮垫用作离子电渗疗法传感器。收集的血糖在该传感器中引起产生电子的电化学反应。传感器测量电子，并且把电子发射水平等同于体液中的葡萄糖浓度。这种装置在长达12小时内每20分钟检查体液葡萄糖浓度。运行12小时之后，该监控器必需用用于比较血糖浓度的手指刺穿读数来校准。该装置具有经测定为大约10-30％相对测量误差，部分地因为间质体液的葡萄糖水平滞后于血液。但是，为了能够设置购买一台这种装置，潜在的购买者也必需进行并通过物理和生化检查。而且，业已知道在引入电流的情况下该装置也严重刺激一些具有敏感皮肤的病人的皮肤。

由于诸如GlucoWatch的替代装置不成功，因此已经开始研制其它非侵入式测量。许多这些替代的非侵入式方法包括利用光学方法。这种光学方法中的一些在提供非侵入式测量替代方法中已经显露出希望。例如，一些光学方法利用非离子化的辐射以获得读数，提供快速响应而不需要消耗性的试剂。而且，由于更复杂的激光器和光学检测器的利用度增加，并且与利用这些光学装置相关的成本减少，光学方法可能成为更吸引人的非侵入式测量的替代形式。

一般的非侵入式光学方法利用光束照射人体的一些选择部分，例如手指、前臂、舌头、嘴唇、股或腹等。透过皮肤传输、从皮肤反射或散射出的光包含关于被照射组织的组成的信息。这种光然后被光学检测器接收并分析，以测定诸如氧或血红蛋白的某种分析物的浓度。然而，该分析固有地复杂，因为接收的信号通常非常微弱，并且不仅容易被血液中的许多分析物干扰，而且容易受其它因素的干扰，包括人体皮肤的可变性和非均向性和不断变化的人的生理、以及甚至皮肤周围的外部环境。诸如吸收和发光光谱术、拉曼光谱术，以及测量偏振和反射率变化的物质分析的常规光学方法，由于参考光束的明显的漫散射，不完全适合诸如人体组织的混浊的介质。

其它非侵入式方法利用存在于间质体液和毛细血管血液中的葡萄糖含量之间关联性，但是具有耗时的主要缺点。而且，遗憾的是，这些方法只提供时间延迟的葡萄糖浓度的间接测量。

由于激光光声光谱学技术具有高灵敏度它已经用在痕量检测中。在激光光声光谱学技术中，高能激光光束用于照射所研究的物质。该光束在物质中产生热膨胀，因而产生声波。该波的特性不仅由该物质的光吸收系数测定，而且还由诸如热膨胀、比热和声速的热物理参数测定。此外，声波还可能受影响光在物质中分布的光散射的影响，该物质能够被诸如压电晶体、传声器、光纤传感器、激光干涉仪或衍射传感器的高灵敏度超声检测器测量。

例如，授予Chou的美国专利No.5,941,821和6,049,728公开了一种用于利用光声学的非侵入式性血糖测量的方法和设备。当照射时，在被测量的相当薄的样品层中产生以热扩散长度为特征的声能。声发射用差示传声器检测，差示传声器的一端设置在测量室，而其另一端设置在参照室。处理器根据检测的声学信号测定被测量物质的浓度。为了确定血液中的血糖浓度，优选激发源被调谐到在光谱范围内的血糖的吸收波段，从约1520-1850nm和约2050-2340nm，以诱发强光声发射。在这些波长范围内，水吸收相对弱而血糖吸收相对强。

作为另一个例子，授予Mackenzie等人的美国专利No.6,833,540公开了一种用于测量诸如血糖的生物参数的系统，该系统将激光脉冲从光波导引向包括诸如指尖的由软组织组成的身体部分，以产生光声交互作用。所得到的声学信号由换能器检测并分析，以提供想要的参数。

所有的上述光学技术至少由于下述理由是不利的，即这些技术公开了将能量应用于介质而不考虑其声学振动性质，因此需要相当高的激光功率。因此，这种技术能量效率低，并且其灵敏度不够高。

另一种现有技术光声物质分析系统公开在授予Geva等人的美国专利No.6,466,806中，其中介质中的感兴趣的成分的浓度由具有光脉冲列的谐振光声光谱学来确定，该光脉冲列包括具有可变的持续时间、频率、数目和功率的等距离短脉冲。该光波长被选择成以便被感兴趣的成分吸收。当照射时，由在相当薄的介质层中被吸收的光产生以热扩散长度为特征的声学振动。在脉冲列中的短光脉冲的频率重复被选择成等于能够当作薄膜的薄介质层的天然声学振动频率，使得声学振动变成谐振。谐振振动的振幅和频率的测量确定感兴趣的成分的浓度，使得系统适合于监控血液成分，特别是葡萄糖。

遗憾的是，上述系统以及大多数现有技术光声物质分析方法是不利的。与本发明相反，它们教导了将能量应用于介质而没有考虑不同成分的吸收波段的重叠，和诸如人的皮肤的介质的弹性性质的不规则性。因此，这种现有技术的灵敏度不够高并且具有大测量误差。

发明内容

根据本发明，提供一种用于测定组织中的分析物浓度的设备，该设备包括第一辐射源，其工作发射第一辐射光束，以照射组织的测试区并且引起辐射的第一散射；第二辐射源，其工作发射多个第二辐射光束，以周期性地照射测试区并且引起辐射的多个第二周期性的散射；至少两个检测器，用于检测辐射的第一和第二散射并且将检测的散射转换成电信号；以及处理器，用于根据所述电信号测定分析物的浓度。

一种用于测定组织中的分析物的浓度的方法，包括用第一辐射源和第二辐射源照射组织的测试区，第一辐射源发射第一辐射光束，并引起辐射的初始向后散射，第二辐射源周期性地发射第二辐射光束，以周期性地照射测试区，引起辐射的周期性的向后散射；检测初始的和周期性的向后散射；将检测的向后散射转换成电信号；以及根据所述的电信号测定分析物浓度并显示该浓度。

根据本发明还提供一种校准用于测定分析物浓度的光学设备的方法，该方法包括如下步骤：获得包含分析物的流体的样品；利用基于流体的设备测定分析物的第一浓度；利用光学设备测定分析物的第二浓度；以及确定第二浓度是否相等于第一浓度，其中如果第二浓度不相等于第一浓度，偏置光学设备使得第二浓度相等于第一浓度。

此外，根据本发明，还提供一种用在用于测定受试者的葡萄糖(血糖)浓度的光学设备中的探头，该探头包括能够与第一辐射源、辐射光源、第一检测器和第二检测器连通的多个光纤束；以及输入/输出接口，用于将电信号传输给第一辐射源和第二辐射源，和用于从第一检测器和第二检测器传输信号。

根据本发明，还提供一种用于利用光学激发和光学检测非侵入式地测定受试者的葡萄糖浓度的设备，该设备包括第一辐射源，用于发射用于照射受试者的表面的激发光束，在该表面中至少产生物理和化学变化其中之一，并且引起辐射的初始向后散射；第二辐射源，用于周期性地发射用于照射该受试者表面的探测光束，并引起辐射的周期性的向后散射；至少一个检测器，用于检测初始的和周期性的向后散射，并且将检测的向后散射转换成物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间其中之一的电信号；以及处理器，用于通过在整个时间对物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间至少其中之一求微分来测定葡萄糖浓度。

根据本发明，还提供一种用于利用光学激发和光学检测非侵入式地测定受试者中的葡萄糖浓度的方法，该方法包括发射用于照射受试者的表面的激发光束，在该表面引起物理和化学变化，并且引起光的初始向后散射；周期性地发射用于照射该受试者的表面的探测光束，并引起光的周期性的向后散射；检测初始的和周期性的向后散射，并且将检测的向后散射转换成该物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间至少其中之一的电信号，该向后散射用物理和化学变化调制；以及通过在整个时间对物理和化学变化的振幅、频率或衰减时间其中之一求微分来测定葡萄糖浓度。

根据本发明的附加的特征和优点部分地在下面的描述中阐述，部分地从该描述中显而易见，或通过实践本发明而得知。根据本发明的特征和优点将利用所附权利要求中具体指出的元件和组合来实现并获得。

应当理解，前面的总的描述和下面的详细描述仅仅是示范性和说明性的，并且正如所主张的不限制本发明。

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出本发明的若干实施方式，并且与该说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

从下面的详细描述结合附图将更充分地明白和理解本发明，其中：

图1是示出根据本发明的用于测定分析物的浓度的光学设备的简化的方块图。

图2是示出根据本发明用于测定分析物的浓度的方法的流程图。

图3示出图1的光学元件外壳(enclosure)的实施方式。

图4是示出由用于实例1中的根据本发明的光学设备发射的不同类型辐射的强度和持续时间的曲线图。

图5是示出由用于实例2中的根据本发明的光学设备发射的不同类型辐射的强度和持续时间的曲线图。

图6是示出用于校准根据本发明的光学设备的方法的流程图。

图7示出根据本发明的光纤设置的例子。

具体实施方式

详细参考本发明的示例性实施方式，实施方式的例子示于附图中。凡是可能，在整个附图中相同的附图标记将用于相同的或同样的部件。

图1是示出根据本发明用于测定分析物浓度的光学设备的简化方块图。如图1所示，该光学设备包括连接于光学部件外壳104的电子外壳102。电子外壳102可以通过导体、电线、无线地连接于光学部件外壳104，或电子外壳102和光学部件外壳104可以包含在单个外壳中，它们之间具有电连接。根据本发明的实施方式，光学部件外壳104可以包括探头，这将在图3中进一步说明。

光学部件外壳104中的光学部件可以是可操作的，以用辐射光束B₁和B₂照射表面106，并且检测辐射的第一和第二散射D₁和D₂。根据本发明，光学设备可以连接于用于向电子外壳102和光学部件外壳104两者以及设置在其中的部件提供功率的电源108。虽然在图1中示为外部AC电源，但是电源108可以包括在电子外壳102或光学部件外壳104中，并且可以是AC或DC电源。而且，如果电子外壳102和光学部件外壳104无线地连接，那么独立的附加电源可以连接于光学部件外壳104。该光学设备也可以连接于用于显示、监控、跟踪结果和校准该光学设备的外部处理装置110。外部处理装置可以包括个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、智能电话，或其它这种装置。

根据本发明，电子外壳102可以容纳适合于方便测定分析物浓度的电子元件阵列。例如，电子外壳102可以包含处理器或CPU112、第一辐射驱动器114、第二辐射驱动器116、第一峰值检测器118、第二峰值检测器120、多路转换器(MUX)122，以及模数转换器(ADC)124。这些元件的运行将结合图2的讨论进一步讨论。

同样，光学部件外壳104可以容纳用于测定分析物浓度的光学部件阵列。如图1所示，光学部件外壳104可以包含用于用第一和第二辐射光束B₁和B₂照射表面106上的测试区130的第一辐射源126和第二辐射源128。根据本发明，第一和第二辐射光束B₁和B₂可以从能够产生第一和第二辐射光束B₁和B₂的单个辐射源127发射。光学电子外壳104还可以包括用于接收辐射的第一和第二散射D₁和D₂的检测器。根据本发明，单个检测器132可以构造成接收辐射的第一、第二和任何其它散射。而且，根据本发明，检测器132可以包括分开的散射的辐射检测器，如图3所示，以分开地接收辐射的第一和第二散射D₁和D₂。根据本发明的实施例，并且可以包括光学接收传感器，例如光电二极管，包括P本征N(PIN)光电二极管、雪崩光电二极管、光电多路乘法器，或光敏电阻器。光学放大器(未示出)也可以包括在光学电子外壳104中，用于放大第一和第二辐射光束的功率。光学电子外壳104还可以容纳光学转换器(未示出)，用于转换第一和第二辐射光束B₁和B₂的波长。

用在根据本发明实施方式中的第一和第二辐射源可以根据这些因素选择：用于精确地测定分析物的浓度所需要的辐射的功率或波长、所需要的辐射的周期性、尺寸限制或成本。例如，第一辐射源126和第二辐射源128可以是脉冲激光二极管、光纤耦合的二极管激光器阵列、闪光灯、或脉冲光纤激光器。第一辐射源126和第二辐射源128，或单个辐射源127还可以包括这些类型辐射源的组合。例如，在一个实施方式中，第一辐射源126或第二辐射源128可以包括由附加的二极管激光器泵发(pumped)的铒(Er)-玻璃棒或板条形激光器。在另一个实施例中，第一辐射源126或第二辐射源128可以包括可调谐的CO:MgF₂激光器。在再一个实施例中，第一辐射源126或第二辐射源128可以包括Q转换含钕光学介质激光器。

根据本发明，再一次说，使用的发射的辐射源的特性将取决于被检查的特定分析物。也就是，例如，功率、辐射类型、波长和周期性，并且将影响从第一辐射源126和第二辐射源128发射的第一和第二辐射光束B₁和B₂的性质，并且这些性质每个将不同地影响特定的分析物，并且因此重要的是使这些性质适合于使光学设备测定分析物浓度的能力最大化。不同的物质存在不同的反射率、透射性以及吸收性质。当在特定的介质中进行测定分析物浓度的光学测量时，必需考虑分析物和介质两者的性质。被分析物吸收和散射的辐射的量取决于辐射光束的功率和波长。因此，希望以特定的功率和波长发射辐射光束，足以产生基于被检查的分析物的并且与任何周围的介质区分开的可测量的吸收和散射的量。例如，将发射具有预定波长和预定功率的第一和第二辐射光束B₁和B₂。根据本发明的各实施方式，取决于被检查的分析物，预定的波长和功率可以是相同的或不同的。

在根据本发明的具体的实施方式中，发射具有预定的波长的第一和第二辐射光束B₁和B₂，该预定的波长从在特定介质中被检查的分析物的特征吸收波段选择。在另一个实施例中，以对应于被检查的分析物的吸收波段的峰值波长的波长发射第一和第二辐射光束B₁和B₂。在以不同波长发射第一和第二辐射光束B₁和B₂的实施方式中，一个辐射光束B₁或B₂可以具有大于该分析物的吸收波段峰值的波长，而另一个辐射光束B₁或B₂可以具有小于该分析物的吸收波段峰值的波长。正如将在下面详细描述的，在根据本发明的特定的实施方式中，第一辐射光束B₁以大约1-10W的功率和大约1550nm的波长发射，而第二辐射光束B₂以0.1-1W的功率和约1550-1690nm的波长发射。

正如前面所指出的，第一辐射源126或第二辐射源128可以包括脉冲辐射源。在利用脉冲辐射源的实施方式中，第一和第二辐射光束B₁和B₂也可以是脉冲的。例如，当利用脉冲源时，第一和第二辐射光束B₁和B₂可以作为在脉冲之间具有预定延迟的单脉冲发射。第一和第二辐射光束B₁和B₂也可以作为在其之间具有相等间隔和可变的重复频率的准连续(QCW)光的短脉冲发射。而且，第一和第二辐射光束B₁和B₂也可以作为脉冲列发射，并且具有可变的频率、可变的脉冲功率、可变的脉冲持续时间以及可变的脉冲数目。在下面指出的具体实施方式中，第二辐射光束B₂作为具有相等间隔的短脉冲发射，以周期性的照射测试区130。

现在参考图2，图2是示出根据本发明用于测定分析物浓度的方法的流程图。在根据本发明的实施方式中，图2所示的方法可以利用图1所示的光学设备来进行。为了说明这种实施方式的目的，图2的步骤将结合图1的操作进行描述。

可以是光学部件外壳104的探头最初安放成与表面106的测试区130接触(S201)。根据本发明，该探头可以与测试区130接触，或者探头可以靠近测试区130。而且根据本发明，测试区130可以在表面106上，或可以在表面106下面。测试区130用从第一辐射源126发射的其可以是激发脉冲的第一辐射光束B₁照射(S202)。随后测试区130用从第二辐射源128发射的其可以是探测脉冲的第二辐射光束B₂照射(S203)。

根据本发明，第二辐射源128可以发射多个第二辐射光束B₂，在其之间每个辐射的光束具有预定的时间间隔。第一和第二辐射光束B₁和B₂将照射测试区130，并且根据该表面106的反射率，预定的辐射量将从该测试区向后散射，示为第一散射D₁和第二散射D₂。而且，第一和第二辐射光束B₁和B₂还可以在表面106上引起周期性的或非周期性的瞬态过程，该过程至少部分地调制辐射的散射D₁和D₂。

然后辐射的散射D₁和D₂可以由检测器132检测(S204)。检测器132将检测的散射D₁和D₂转换成用于处理的电信号。根据本发明，该电信号可以表示可以在表面106产生的任何瞬态过程的振幅、频率或衰变时间至少其中之一。然后该电信号从第一和第二峰值检测器118和120传输给多路转换器122。多路转换器122组合来自第一和第二峰值检测器118和120的电信号，并且将单个组合的电信号输出给模数转换器124。模数转换器124将输入的模拟电信号转换成数字电信号，并将该数字电信号输出给处理器112。

处理器112接收数字电信号，并执行可以存储在内部存储器(未示出)中的指令，用于利用数字电信号进行计算。例如，处理器112可以计算辐射的散射D₁和D₂的强度变化(S205)，该强度变化通过第二辐射光束B₂的重复发射而引起，并且可能在表面106中发生的任何随后的瞬态过程作为发射的第一和第二辐射光束B₁和B₂的结果。从所计算的强度变化，处理器112将执行指令，以进行用于计算存在于测试区130的分析物浓度的算法(S206)。根据本发明，该计算也可以由外部处理器进行，例如，包含在PC110中的处理器。然后为了使用者观察可以显示该计算的浓度(S207)。根据本发明，该浓度可以显示在连接于电子外壳102的显示屏上，或计算机110上。而且，为了趋势和整个时间分析，该浓度也可以在计算机110上列表。

根据本发明，图像分析技术可以与这里所描述的光学设备一起用，具体说，图像分析技术可以用于确保第一和第二辐射光束B₁和B₂在测试区130上始终是入射的而没有变化。图像分析技术可以包括连接于和/或植入光学设备上的视频硬件和软件，其使使用者能够精确的定位光学设备，使得辐射光束B₁和B₂在测试区上始终是入射的。根据本发明，可以安装便携式视频摄像机，以便实时视频馈给(feed)能够示出使用者在表面106上定位光学设备。记号可以设置在测试区130以便使用者能够容易利用视频馈给，将光学设备与测试区130对准，以确保在其上的入射。

图3示出图1的光学部件外壳的实施方式。在这个实施方式中，图1的光学部件外壳104形成为探针或探头304。探头304包括至少一个辐射发射体，该辐射发射体可以包括第一和第二辐射发射体126和128，至少一个检测器132，该检测器132在检测器132内可以包括相对于表面106具有不同间隔的第一和第二散射的辐射检测器332和334。探头304也可以包括第一透镜306，用于将从第一和第二辐射发射体发射的辐射光束聚焦在测试区130上。探头304还可以包括第二透镜308和第三透镜310，用于将来自表面106的散射的辐射分别聚焦在第二检测器334和第一检测器332中。尽管在图3中没有示出，但是探头304还可以被连接于其它电子处理元件，例如包含在图1所示的电子外壳102中的那些电子处理元件。

如图3所示，在根据本发明的实施方式中，检测器132设置在距表面106预定的距离处。根据本发明，第二散射的辐射检测器334可以设置在探头304中在距表面106一定距离处，该距离大于第一散射的辐射检测器332与表面106之间的距离。通过以距表面106较大的距离设置第二散射的辐射检测器334，该光学设备能够产生用于对浓度读数的精度进行差示分析的额外的数据点，并且因此增加浓度读数的精度。例如，对于由第一辐射光束B₁和第二辐射B₂激发的给定的系统，在第二散射的辐射检测器334检测的散射的振幅将小于在第一散射的辐射检测器332检测的振幅，并且能够用于计算在两个检测器检测的散射之间的相对振幅。这个相对振幅然后可以用于补偿由定位、压力或辐射源不稳定性引起的误差。虽然根据本发明检测的散射的振幅已经被描述为检测的参数，但是该参数也可以与该散射的频率或衰变时间有关。

在本发明的另一个实施例中，探头304也还可以包括门控传感器(dating sensor)302，传感器302可以是接触、接近或压力传感器。在利用接触传感器作为门控传感器302的各实施方式中，在能够开始测试之前该接触传感器必需检测探头304和表面106之间的接触，因此用作门。在利用接近传感器作为门控传感器的各实施方式中，该接近感器必需检测表面106处于合理地接近探头304。也就是，在利用接近传感器的各实施方式中，在能够开始测试之前该接近传感器确定在表面106和探头304之间存在预定的距离。

在利用压力传感器的实施方式中，在进行测试之前传感器302必需检测预定的压力。正如上面关于图1和图2所讨论的，检测的散射的光束D₁和D₂的强度变化可能受由第一和第二辐射光束B₁和B₂引起的瞬态过程的影响。当将探头304放置在与表面106接触时，另一个瞬态过程可能被引入表面106中，进一步影响散射的光束D₁和D₂的强度变化，并且因此影响计算的分析物浓度。然而，由探头施加于表面106上的一定的压力可以用作偏置(offset)，使得当计算分析物的浓度时，能够考虑并修正已知的压力和其作用。在第一辐射发射器126发射第一辐射光束B₁之前，由压力传感器302检测的探头304和表面106之间的压力必需等于预定的压力。压力传感器302可以包括光纤压力探头。

根据本发明的实施方式，探头304包括光纤探头。在这个实施方式中，探头304由许多光纤制造，该光纤与至少一个辐射源和至少一个检测器连通。例如，光纤可以与第一辐射源126、第二辐射源128、第一检测器332以及第二检测器134光学连通。该光纤束用作导管或波导，用于向表面106并从表面106传输辐射。根据这样的实施方式，可以设置许多光纤，如图7所示。光纤的利用能够提供小的、轻质的探头304，并且能够容易放置成与表面106接触。

图7示出根据本发明的光纤设置的例子。图7(a)示出一种光纤设置，该设置包括用于从辐射源126和/或128传输辐射的三个光纤726，和用于从表面106向辐射检测器传输散射的辐射的多个拾取光纤732，该检测器可以包括辐射检测器132。图7(b)示出一种光纤设置，该设置包括用于从辐射源126和/或128传输辐射的两个光纤726，和用于从表面106向辐射检测器传输散射的辐射的多个拾取光纤752，该检测器可以包括辐射检测器132。图7(c)示出一种光纤设置，该设置包括用于从辐射源126和/或128传输辐射的两个光纤726，和用于从表面106向辐射检测器传输散射的辐射的多个临近拾取光纤732，该检测器可以包括辐射检测器132或332，以及用于将散射的辐射传输给辐射检测器334的多个远距离拾取光纤734，如图3所示的。

这里描述的光学设备可以用在一些实施方式例中以检测人体组织的葡萄糖浓度。根据本发明，用于检测人体组织的葡萄糖浓度的实施方式发射短的、高功率辐射光束B1作为激发脉冲到表面106的测试区130上，在这个实施方式中，表面106是组织。辐射的一部分被组织106吸收并且在表面106中产生改变表面106的光学、机械和其它物理和化学性质的瞬态过程。这些性质的变化接着也改变散射的辐射D₁和D₂的振幅、频率和衰变时间以及表面106中的光声振荡。

在辐射光束B₁的初始发射之后，第二辐射源128周期性地发射用作探测脉冲的第二辐射光束B₂。这些探测脉冲的功率通常低于第一辐射光束B₁，使得它在表面106仅仅引起最小的瞬态过程。当表面106整个时间松弛时，探测脉冲用来产生能够被检测器132检测的附加的辐射的散射D₁和D₂。由于表面106从初始的高功率辐射光束B1松弛，检测器132将能够得到读数，该读数能够被处理，以确定来自初始激发脉冲和随后的探测脉冲的散射光的振幅、整个时间散射光的振幅变化、作为引入的瞬态过程的结果发生的调制的振幅和频率、表面106的衰变常数，和来自探测脉冲的散射光的振幅调制的相延迟，这能够用于计算在表面106上的声波传播的速度。从这些处理值，可以测定存在于表面106的葡萄糖浓度。利用根据本发明的光学设备的具体例子将在下面详细地讨论。

实施例1

在根据本发明的实施方式中，上面关于图1所描述的光学设备，例如，用来测定人体对象中的葡萄糖浓度，使得图1的表面106是人体组织。图4是示出由根据这个实施方式的光学设备发射的不同类型辐射的强度和持续时间的曲线图。对于这个实施方式，第一和第二辐射源126和128选择成对应于具有约1590nm峰值的葡萄糖吸收波段。在这个实施方式中，光学设备设置成使得第一辐射源126是以1550nm的波长、1.0-10.0W的功率和100nm的脉冲宽度发射激发光束B₁的激光器。第二辐射源提供为以1550nm的波长、0.1-1.0W的功率和80nm的脉冲宽度发射多个周期性探测脉冲B₂的激光器。

在操作中，根据光声原理，激发光束B₁在组织106中产生机械变化和快速衰减振荡。激发光束B₁还产生初始的光散射D₁或D₂。在激发光束B₁发射之后，探测脉冲B₂被周期地发射，产生附加的光散射D₁或D₂。光散射D₁或D₂由检测器132检测，转换成表示光散射D₁或D₂的振幅强度的电信号，并且该电信号发送给电子外壳102用于处理。

由于组织106中的机械变化和快速衰减振荡，附加的光散射D₁或D₂的振幅在整个时间变化。CPU 112处理表示振幅变化的电信号，并且发送结果给PC 110。PC 110利用专用算法，储存电信号并计算组织106中的葡萄糖的浓度。

实施例2

在根据本发明的另一个实施方式中，上面关于图3所描述的光学设备，例如，用于测定人体对象中的葡萄糖的浓度，使得图3的表面106是人体组织。图5是示出由根据这个实施方式的光学设备发射的不同类型辐射的强度和持续时间的曲线图。对于这个实施方式，第一和第二辐射源126和128选择成对应于具有大约1590nm峰值的葡萄糖吸收波段。在这个实施方式中，光学设备设置成使得第一辐射源126是以1550nm的波长、5W的功率，和100nm的脉冲宽度发射激发光束B₁的激光器。第二辐射源提供为以1610-1690nm的波长、0.25-0.5W的功率和80nm的脉冲宽度发射多个周期性探测脉冲B₂的激光器。

根据本发明且备选地，激发光束B₁可以以约1550nm的波长和10W的功率发射，而周期性的探测脉冲B₂可以以约1550nm的波长、约0.25-0.5W的功率从与激发光束B₁相同的辐射源发射，其中周期性探测脉冲B₂发射成使得在每个脉冲之间存在约25微秒的延迟。

在操作中，探头304放置成与组织106接触。在这个实施例中包括压力传感器的门控传感器302测量探头304和组织106之间的压力。当压力传感器302确定探头304和组织106之间的压力为可接受的值时，第一辐射源发射激发光束。根据光声原理激发光束在组织106中产生机械变化和快速衰减振荡，和光的初始散射。在发射激发光束之后，由第二辐射源128周期地发射探测脉冲，产生附加的光散射。光散射由第一和第二检测器332和334检测，转换成表示光散射的振幅强度的电信号，并且发送给电子外壳102(图1所示)进行处理。

由于组织106中的机械变化和快速衰减振荡，附加的光散射的振幅在整个时间调制。CPU 102(图1所示)处理表示振幅变化的电信号，并且在整个时间进行用于相互比较光散射的振幅的算法，以寻求声学振荡漫射的振幅、频率、衰变时间和速度的微分变化。这些微分变化储存在内部存储器(未示出)中，并且用在计算组织106中的葡萄糖浓度的算法中。

根据本发明，虽然不是必需要求，图1或图3所示的光学设备被校准以便提供分析物的浓度的最佳测定。图6是示出用于校准根据本发明的光学设备的方法的流程图。如果如上所述被测试的分析物是葡萄糖，那么重要的是，为了使用者的健康获得的浓度是准确的，并且与另一种验收合格的测试葡萄糖浓度的方法一致。因此，在进行校准的过程中，标准血液测试的结果与光学设备的结果进行比较，并且偏置光学设备以匹配该血液测试。虽然已经关于血糖测试小总结了这个校准过程，但是当利用根据本发明的光学设备测定不同于血糖的分析物的浓度时，也可以利用下面详细描述的校准过程。

首先，获得流体样品(S401)，并且利用流体浓度测定装置来测定分析物的第一浓度(S402)。记录这个第一浓度，并且然后根据本发明的光学设备用来进行浓浓度测量(S403)。光学设备进行诸如图2所示的方法，并且确定分析物的第二浓度(S404)。该第一浓度和第二浓度相互进行比较以确定它们是否在预定的精度范围内匹配。如果第一浓浓度和第二浓度匹配，则不需要另外的校准(S406)。但是，如果第一浓度和第二浓度不匹配，则将光学设备偏置预定的量，使得第二浓度将匹配第一浓度(S407)。这个步骤之后，校准完成(S408)。根据本发明的实施方式，光学设备外部或光学设备上的计算机，可以进行浓度的记录、匹配确定和偏置。

虽然在这里公开的方法和设备可以或可以不参考具体硬件和软件进行描述，但是以足以使得本领域的普通技术人员能够容易采用市场上可得到的硬件和软件的方式描述方法和设备，该硬件和软件可能需要以减少实践本发明的任何实施方式，而无需过多实验，并且利用常规的技术。此外，虽然已经参考几个具体实施方式描述了本发明，但是该描述旨在整体上说明本发明，而不是解释为将本发明限制于所示的这些实施方式。应当理解，对于本领域的技术人员来说，能够进行各种修改，虽然这里没有具体示出各种修改，但是无论如何各种修改都在本发明的精神实质和范围内。

对于本领域的技术人员而言，考虑到在这里公开的本发明的说明书和本发明的实践，本发明的其它实施方式将是现而易见的。意图是在权利要求所指出本发明的精神实质和范围内，说明书和实施例被认为仅仅是示范性的。

Claims (4)

1.一种用在用于测定受试者的葡萄糖浓度的光学设备中的探头，所述探头包括：

与至少一个辐射源和至少一个检测器耦合的多个光纤束；以及

输入/输出接口，用于将电信号传输给所述至少一个辐射源，并用于从所述至少一个检测器传输电信号。

2.根据权利要求1所述的探头，其中所述多个光纤设置成使得耦合于至少一个辐射源的光纤被耦合于至少一个检测器的光纤所围绕。

3.根据权利要求1所述的探头，还包括：

连接于所述探头的一部分的压力传感器，所述压力传感器检测所述探头和与所述探头接触的表面之间的压力，其中，所述光学设备将不测定受试者的葡萄糖浓度，除非所述检测的压力等于预定的压力。

4.根据权利要求1所述的探头，其中所述探头是便携的并且是手提式的。

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