CN108209940A - 光声、无创且连续的血糖测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声、无创且连续的血糖测量装置，其包括：二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射生物体；以及超声波传感器，其用于以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。

Description

光声、无创且连续的血糖测量装置

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2016年12月14日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2016-0170567的韩国专利的优先权的权益，其公开内容通过引用而整体并入本文。

技术领域

本公开涉及一种光声、无创且连续的血糖测量装置，更具体地，涉及一种通过将便宜的、无创的且连续的血糖传感器引入车辆而在行驶时短时间内测量驾驶员的血糖的技术。

背景技术

随着糖尿病患者数量的增加和糖尿病并发症风险的增加，对用于长期血糖控制的血糖测量装置的需求不断增加。特别地，如果驾驶员由于低血糖等而在驾驶时变得无意识，则可能引起事故的发生，因此需要在驾驶车辆时测量驾驶员的血糖。

血糖测量方法通常分为有创方法、微创方法和无创方法。有创方法是通过葡萄糖与酶的反应测量血液中的葡萄糖浓度来进行。然而，这种方法不能连续进行测量，并且其需要从患者收集少量的血液进行测量，会对患者造成疼痛。最小程度地微创方法包括反向离子电渗法，并且通过测量存在于皮下组织液中的葡萄糖浓度而不是测量在血管中流动的血液中的葡萄糖浓度来进行。皮下组织液中的葡萄糖浓度与血液中的葡萄糖浓度相似，但两种浓度之间存在六分钟的滞后时间。

无创方法分为非光学方法和光学方法。对于非光学方法，体温的变化和身体移动的变化可能导致测量值误差较大。光学方法包括使用光声效应测量血糖的方法。根据现有技术的使用光声效应的血糖测量方法使用钕掺杂的钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器或非常昂贵且尺寸大的光参量振荡器(OPO)可调谐激光器。

发明内容

本公开在完整保持现有技术获得的优点的同时，解决了现有技术中出现的上述问题。

本公开的一个方面提供一种光声、无创且连续的血糖测量装置，其能够在驾驶期间的短时间内精确地测量车辆中驾驶员的血糖。

更具体地，便宜且简洁的部件，例如通过其允许近红外脉冲二极管激光器或脉冲激光器和光声波处于同轴共焦阵列中的光声组合器，或光纤和聚焦超声换能器可以应用于本公开的示例性实施例。

本发明的构思要解决的技术问题不限于上述问题，并且本公开所属领域的技术人员将从以下描述中清楚地理解本文未提及的任何其它技术问题。

根据本公开的一个方面，一种光声、无创且连续的血糖测量装置包括：二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射生物体；和超声换能器，其用于以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。

装置进一步可以包括控制器，其用于控制二极管激光器的操作并且利用由超声换能器测量的光声信号来计算血糖水平。

控制器可以控制二极管激光器的脉冲宽度、能量照射和/或脉冲重复率中的至少一个。

装置进一步可以包括用于放大由超声换能器测量的光声信号的放大器。

超声换能器可以具有孔，该孔可以具有连接到二极管激光器的光纤。

装置进一步可以包括：一个或多个棱镜，其被配置为允许从二极管激光器照射的脉冲激光信号通过其传播；和硅油，其设置在一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许脉冲激光信号通过其传播，同时允许光声信号被反射。

当超声换能器是未聚焦的超声换能器时，该装置可以进一步包括声透镜。

声透镜可以被设置在一个或多个棱镜的边缘处。

二极管激光器可以包括：第一二极管激光器，其具有第一脉冲波长；和第二二极管激光器，其具有与第一脉冲波长不同的第二脉冲波长。

控制器可以将通过利用来自第一二极管激光器的脉冲激光信号测量的血糖值与通过利用来自第二二极管激光器的脉冲激光信号测量的血糖值进行比较，以允许校正所测量的血糖值。

二极管激光器和超声换能器可以设置在方向盘、变速杆、扶手、头靠和/或后座中的至少一个中。

二极管激光器和超声换能器可以以项链或入耳式可穿戴装置的形式佩戴在生物体上。

根据本公开的另一方面，一种光声、无创且连续的血糖测量装置包括：接触部分，其配置为允许生物体的一部分接触；二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射生物体的一部分；超声换能器，其用于以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号；一个或多个棱镜，其被配置为允许来自二极管激光器的脉冲激光信号和光声信号通过其传播，使得脉冲激光信号和光声信号处于同轴共焦阵列中；硅油，其设置在所述一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许脉冲激光信号通过其传播，同时允许光声信号被反射；以及介质部分，其设置在接触部分和一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许脉冲激光信号和光声信号通过其传播。

该装置进一步可以包括设置在介质部分内的一个或多个棱镜的顶部边缘处的声透镜。

超声换能器可以包括未聚焦的超声换能器。

根据本公开的另一方面，一种光声、无创且连续的血糖测量装置包括：接触部分，其配置为允许生物体的一部分接触；二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射生物体的一部分；超声换能器，其用于以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号，并且被配置为允许脉冲激光信号和光声信号在同轴共焦阵列中；介质部分，其设置在接触部分和超声换能器之间，并且被配置为允许脉冲激光信号和光声信号通过其传播；以及光纤，其用于穿过超声换能器以连接到二极管激光器。

超声换能器可以包括聚焦的超声换能器。

超声换能器、介质部分和接触部分可以被插入到车辆的方向盘内，并且光纤和二极管激光器可以设置在方向盘的外部。

超声换能器、介质部分和接触部分可以被插入到入耳式装置内，并且光纤和二极管激光器可以被设置在入耳式装置的外部的远距离处。

附图说明

结合附图，从以下的详细描述中，本公开的上述和其它目的、特征和优点将更加明显：

图1A示出了根据本公开的示例性实施例的使用脉冲二极管激光器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置；

图1B是示出关于图1A的葡萄糖水溶液的样品测量光声信号的结果的曲线图；

图2示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用光声组合器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置；

图3示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用光纤和聚焦超声换能器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置；

图4A示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用具有不同波长的多个二极管激光器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置；

图4B是示出了通过具有图4A的不同波长的多个二极管激光器测量光声信号的结果的曲线图；

图5示出了根据本公开的示例性实施例的安装在车辆中的光声、无创且连续的血糖测量装置的位置；

图6示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在方向盘中的血糖测量装置测量血糖水平的示例；

图7示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在变速杆中的血糖测量装置测量血糖水平的示例；

图8示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在后座中的血糖测量装置测量血糖水平的示例；

图9A示出了根据本公开的示例性实施例的入耳式血糖测量装置的配置；

图9B示出了佩戴图9A的入耳式血糖测量装置的驾驶员；以及

图10示出了通过其执行根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量方法的计算系统的配置。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。在附图中，相同的附图标记将用于表示相同或相当的元件。此外，将省去相关已知功能或配置的详细描述，以免不必要地模糊本发明的要点。

诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语可以用于描述本公开的示例性实施例中的元件。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开，并且相应元件的固有特征、序列或顺序等不受术语限制。除非另有定义，否则，本文使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本公开所属领域中具有普通知识的人员普遍理解的含义相同的含义。在通常使用的字典中定义的这种术语应被解释为具有等同于相关领域的语境意义的含义，并且不被解释为具有理想化或过分正式的含义，除非在现有申请中被明确地定义。

在下文中，将参照图1A至图10详细地描述本公开的示例性实施例。

本公开涉及一种无创且连续的血糖测量中的光声血糖测量技术。当将特定波长的脉冲激光照射在生物体的内部时，相对于相应波长的具有高吸收光的物质可以选择性地与生物体的内部反应，引起短时间段内温度升高并且通过热膨胀引起被称为“光声信号”的超声波(超声)。因此，通过以超声波的形式测量光声信号，可以回溯根据波幅(信号)吸收光的物质的浓度。

图1A示出了根据本公开的示例性实施例的使用脉冲二极管激光器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置。

参照图1A，根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量装置包括二极管激光器110、控制器120、超声换能器130和放大器140。

二极管激光器110可以用特定波长的脉冲激光(信号)照射生物体。

控制器120可以是计算机。控制器120可以控制二极管激光器110的脉冲宽度、能量照射、脉冲重复率等，并且使用由超声换能器130测量的光声信号来计算血糖水平。换句话说，控制器120可以通过根据光声信号的振幅回溯吸收光的物质的浓度来计算血糖水平。

超声换能器130可以以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。

放大器140可以放大由超声换能器130测量的光声信号。这里，由二极管激光器110产生的单个脉冲可以产生单个光声信号，并且为了增加噪声比(SNR)，可以对1000个光声信号进行平均以获得最终结果。

图1B是示出关于图1A的葡萄糖水溶液的样品测量光声信号的结果的曲线图。参照图1B，作为测量和分析在0至600mg/dL范围内改变葡萄糖溶液的浓度时产生的光声信号的峰值-峰值电压的结果，信号的振幅随着葡萄糖溶液的浓度增大而增大，如图1B的曲线图所示。特别地，在200mg/dL或更低的临床有效浓度下，信号变化可能更加显著。

使用光声信号的血糖测量方法可以使用对人体无害的波长的光来提高安全性，并且与通常的光学测量方法相比，可以测量超声波信号以使得能够测量更深的皮肤组织。此外，与通常的光学测量方法不同，该方法可以直接测量葡萄糖对光的吸收，从而实现高测量灵敏度。

图2示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用光声组合器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置。

根据本公开的示例性实施例，使用光声组合器的光声、无创且连续的血糖测量装置包括接触部分21、介质部分20、二极管激光器210、多个棱镜220、硅油230、未聚焦的超声换能器240和声透镜250。

接触部分21可允许与生物体10的一部分接触。

介质部分20可以设置在接触部分21和棱镜220之间，以允许脉冲激光信号和光声信号通过其传播。这里，介质部分20包括诸如水的介质。

二极管激光器210可以位于棱镜220下方以与之隔开预定间隙，并用特定波长的脉冲激光信号照射生物体10的一部分。

多个棱镜220可以设置在介质部分20的下方。一个或多个棱镜可允许来自二极管激光器210的脉冲激光信号和光声信号通过其传播，使得脉冲激光信号和光声信号处于同轴共焦阵列中。这里，同轴共焦阵列是指其中激光信号的路径11与光声信号的路径12相同的阵列，并且其可以使SNR最大化。

硅油230可以设置在多个棱镜220之间，以允许脉冲激光信号通过其传播并允许光声信号被反射。

未聚焦的超声换能器240可以以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。

即使当使用便宜的未聚焦的换能器时，声透镜250也能够实现超声波信号的聚焦。

由未聚焦的超声换能器240测量的光声信号可以用于通过如图1A所示的放大器140和控制器120来测量血糖水平。

图3示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用光纤和聚焦超声换能器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置。

根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量装置包括接触部分21、介质部分20、二极管激光器310、超声换能器320和光纤330。

接触部21可允许生物体10的一部分接触。

介质部分20可以设置在接触部分21和超声换能器320之间，以允许脉冲激光信号和光声信号通过其传播。

二极管激光器310可以位于超声换能器320下方以与之隔开预定间隙，并利用特定波长的脉冲激光信号照射生物体10的一部分。

超声换能器320可以以由生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。超声换能器320可以在其中心孔中具有光纤330。

光纤330可以通过介质部分20将二极管激光器310的光传播到生物体10。

通过使用光纤330，可以允许激光信号从远处通过光纤330传播。换句话说，二极管激光器可以设置在较长距离处，并且该装置的空间使用可以被最小化使得接触部分可以设置在方向盘的内部，并且二极管激光器可以设置在方向盘的外部。如图3所示，脉冲激光信号的路径13可以与光声信号的路径14相同，使得SNR可以最大化。

此外，根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量装置可以允许接触部分21、介质部分20、二极管激光器310、超声换能器320、光和超声波信号处于同轴共焦阵列中，从而增大SNR。

由超声换能器320测量的光声信号可以用于通过如图1A所示的放大器140和控制器120来测量血糖水平。

图4A示出了根据本公开的另一示例性实施例的使用具有不同波长的多个二极管激光器的光声、无创且连续的血糖测量装置的配置，图4B是示出通过具有图4A的不同波长的多个二极管激光器测量光声信号的结果的曲线图。

参照图4A，根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量装置包括接触部分21、介质部分20和设置在介质部分20内的不同位置的第一二极管激光器410、第二二极管激光器420以及超声换能器430。

第一二极管激光器410可以提供波长905nm的脉冲激光信号15。

第二二极管激光器420可以提供波长1550nm的脉冲激光信号16。

超声换能器430可以以通过生物体与脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号17。

通过同时使用提供葡萄糖对光的吸收不同的不同波长的激光的第一二极管激光器410和第二二极管激光器420，可以允许对葡萄糖浓度测量值进行校正。换句话说，使用来自第一二极管激光器410的脉冲激光信号测量的血糖水平和使用来自第二二极管激光器420的脉冲激光信号测量的血糖水平可以彼此进行比较以确定误差值，并因此可以进行适当的校正。

由超声换能器430测量的光声信号可用于通过如图1A所示的放大器140和控制器120测量血糖水平。

图5示出了根据本公开的示例性实施例的安装在车辆中的光声、无创且连续的血糖测量装置的位置。

参照图5，在车辆行驶时可以进行血糖测量的驾驶员身体的一部分可以是总是暴露出皮肤的手部和面部。适于容易地安装血糖测量装置以便从手测量光声信号的位置可以是方向盘31、变速杆32和扶手34。为了从一部分面部测量光声信号，适于安装血糖测量装置的位置可以是驾驶员座椅的头靠33。当从面部的一部分测量光声信号时，可以准确地测量血糖值，其原因在于，由于身体固定驾驶员在驾驶时进行最少的移动量。此外，为了测量车辆中的乘客的血糖，可以将血糖测量装置设置在后座椅的中间的扶手35上。

图6示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在方向盘中的血糖测量装置测量血糖水平的示例。参照图6，为了使驾驶车辆时的糖尿病患者能够连续地测量血糖值，可以将血糖值测定装置安装在裸露皮肤暴露最长时间的方向盘30内。这里，通过允许光纤330穿过超声换能器320的中心孔以传播光，接触部分、介质部分和超声换能器可以安装在方向盘内，而二极管激光器和信号放大器可以设置在方向盘外的单独空间中。

图7示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在变速杆中的血糖测量装置来测量血糖水平的示例，图8示出了根据本公开的示例性实施例的使用安装在后座中的血糖测量装置来测量血糖水平的示例。

参照图7和图8，根据图2的示例性实施例的血糖测量装置可以安装在变速杆40和后座椅扶手50中。或者，具有图3或图4A所示结构的血糖测量装置也可以安装在变速杆40和后排座椅扶手50中。

通过安装包括图2所示的光声组合器的血糖测量装置，其易于固定到上述位置，光声信号的路径和激光信号的路径可以处于同轴共焦阵列中，并因此可以增大SNR。

图9A示出了根据本公开的示例性实施例的入耳式血糖测量装置，图9B示出佩戴图9A的入耳式血糖测量装置的驾驶员。

除了驾驶员的手之外，可以从驾驶员在驾驶期间长时间暴露的面部、耳朵和/或颈部的一部分测量光声信号。驾驶员可以在生物体的相应部分上佩戴入耳式或项链式可穿戴装置形式的血糖测量装置，以在驾驶时测量血糖浓度。

参照图9A，包括光纤的血糖测量装置可以插入入耳式可穿戴装置，其包括耳钩60、固定部61和连接到装置主体的线缆62。

如上所述，本公开涉及一种使用光声效应的无创且连续的血糖测量技术，其允许驾驶员快速、方便且准确地测量血糖水平。

图10示出了通过其执行根据本公开的示例性实施例的光声、无创且连续的血糖测量方法的计算系统的配置。

参照图10，计算系统1000包括至少一个处理器1100、总线1200、内存1300、用户界面输入装置1400、用户界面输出装置1500、存储器1600和网络接口1700，其中这些元件通过总线1200连接。

处理器1100可以是中央处理单元(CPU)或处理存储在内存1300和/或存储器1600中的命令的半导体装置。内存1300和存储器1600包括各种类型的易失性或非易失性存储介质。例如，内存1300包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。

因此，结合本文公开的示例性实施例描述的方法或算法的步骤可以直接体现在由处理器1100执行的硬件模块或软件模块中，或两者的组合中。软件模块可以存在于存储介质中，即内存1300和/或存储器1600，诸如RAM、闪速存储器、ROM、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘和CD-ROM。

示例性存储介质可以联接到处理器1100，使得处理器1100可以从存储介质中读取信息并将信息写入存储介质。或者，存储介质可以与处理器1100集成。处理器1100和存储介质可以存在于专用集成电路(ASIC)中。ASIC可以存在于用户终端中。或者，处理器1100和存储介质可以作为单独的组件存在于用户终端中。

如上所述，本发明构思可以允许驾驶员通过将便宜的无创且连续的血糖测量装置安装在车辆中来准确地测量血糖水平，从而防止驾驶期间可能由于驾驶员的低血糖休克导致的事故。

在上文中，虽然已经参考示例性实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，而是可以由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变，而不背离所附权利要求所要求保护的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种光声、无创且连续的血糖测量装置，其包括：

二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射生物体；和

超声换能器，其用于以通过所述生物体与所述脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号。

2.根据权利要求1所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，进一步包括控制器，所述控制器用于控制所述二极管激光器的操作并且利用由所述超声换能器测量的所述光声信号来计算血糖水平。

3.根据权利要求2所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述控制器控制所述二极管激光器的脉冲宽度、能量照射和/或脉冲重复率中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，进一步包括放大器，所述放大器用于放大由所述超声换能器测量的所述光声信号。

5.根据权利要求1所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述超声换能器具有孔，并且

其中所述孔具有连接到所述二极管激光器的光纤。

6.根据权利要求1所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，进一步包括：

一个或多个棱镜，其被配置为允许从所述二极管激光器照射的所述脉冲激光信号通过其传播；和

硅油，其设置在所述一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许所述脉冲激光信号通过其传播，同时允许所述光声信号被反射。

7.根据权利要求6所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，当所述超声换能器是未聚焦的超声换能器时，进一步包括声透镜。

8.根据权利要求7所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述声透镜被设置在所述一个或多个棱镜的边缘处。

9.根据权利要求2所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述二极管激光器包括：

第一二极管激光器，其具有第一脉冲波长；和

第二二极管激光器，其具有与第一脉冲波长不同的第二脉冲波长。

10.根据权利要求9所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中，所述控制器将通过利用来自所述第一二极管激光器的脉冲激光信号测量的血糖值与通过利用来自所述第二二极管激光器的脉冲激光信号测量的血糖值进行比较，以允许校正所测量的血糖值。

11.根据权利要求1所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述二极管激光器和所述超声换能器设置在方向盘、变速杆、扶手，头靠和/或后座椅中的至少一个中。

12.根据权利要求1所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述二极管激光器和所述超声换能器以项链或入耳式可穿戴装置的形式佩戴在所述生物体上。

13.一种光声、无创且连续的血糖测量装置，其包括：

接触部分，其被配置为允许生物体的一部分接触；

二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射所述生物体的一部分；

超声换能器，其用于以由所述生物体与所述脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号；

一个或多个棱镜，其被配置为允许来自所述二极管激光器的所述脉冲激光信号和所述光声信号通过其传播，使得所述脉冲激光信号和所述光声信号处于同轴共焦阵列中；

硅油，其设置在所述一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许所述脉冲激光信号通过其传播，同时允许所述光声信号被反射；和

介质部分，其设置在所述接触部分和所述一个或多个棱镜之间，并且被配置为允许所述脉冲激光信号和所述光声信号通过其传播。

14.根据权利要求13所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，进一步包括设置在所述介质部分内的所述一个或多个棱镜的顶部边缘处的声透镜。

15.根据权利要求14所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述超声换能器是未聚焦的超声换能器。

16.一种光声、无创和连续的血糖测量装置，其包括：

接触部分，其被配置为允许生物体的一部分接触；

二极管激光器，其用于利用具有特定波长的脉冲激光信号照射所述生物体的一部分；

超声换能器，其用于以通过所述生物体与所述脉冲激光信号的反应产生的超声波的形式测量光声信号，并且被配置为允许所述脉冲激光信号和所述光声信号处于同轴共焦阵列中；

介质部分，其设置在所述接触部分和所述超声换能器之间，并且被配置为允许所述脉冲激光信号和所述光声信号通过其传播；和

光纤，其用于穿过所述超声换能器以连接到所述二极管激光器。

17.根据权利要求16所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述超声换能器是聚焦的超声换能器。

18.根据权利要求16所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述超声换能器、所述介质部分和所述接触部分插入到车辆的方向盘中，并且

所述光纤和所述二极管激光器设置在所述方向盘的外部。

19.根据权利要求16所述的光声、无创且连续的血糖测量装置，其中所述超声换能器、所述介质部分和所述接触部分被插入到入耳式装置内，并且

所述光纤和所述二极管激光器被设置在所述入耳式装置的外部的远距离处。