CN110582698A - 简单的糖浓度传感器和方法 - Google Patents

Abstract

一种葡萄糖传感器，包括：光学能量源，具有带有发射图案的发射器；第一偏振器，与所述发射图案相交；第二偏振器，与所述第一偏振器隔开一定距离并与所述发射图案相交，该第二偏振器相对于所述第一偏振器旋转第一旋转量Θ；第一光学检测器，与所述发射图案相交；第二光学检测器，定位在所述第二偏振器附近，所述第一偏振器和所述第二偏振器定位在所述光学能量源和所述第二光学检测器之间，所述第二光学检测器与所述发射图案相交；补偿电路，耦合到所述第二光学检测器；以及减法器电路，耦合到所述补偿电路和所述第一光学检测器。

Description

简单的糖浓度传感器和方法

对相关申请的交叉引用

本申请是于2017年4月28日提交的美国专利申请No.15/582,264的PCT，No.15/582,264是于2016年4月7日提交的美国专利申请No.15/093,547(其现在是美国专利No.9,320,463)的部分继续并要求其权益，No.15/093,547是于2015年8月10日提交的美国专利申请No.14/822,524(其现在是美国专利No.9,320,463)的继续并要求其权益，No.14/822,524是于2014年6月2日提交的美国专利申请No.14/293,356(其现在是美国专利No.9,101,308)的继续并要求其权益，No.14/293,356是于2013年7月24日提交的美国专利申请No.13/950,054(其现在是美国专利No.8,743,355)的继续并要求其权益，No.13/950,054要求于2012年10月16日提交的美国临时专利申请No.61/714,731的权益；所有这些都通过引用整体并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及监视流体中简单糖(simple sugar)(或单糖(monosaccharide))的含量。更具体而言，本发明使用光学能量(optical energy)源与偏振器(polarizer)的组合来确定对象(subject)流体相对于基线浓度(诸如血液)的糖水平(例如，葡萄糖)的改变。

背景技术

简单糖根据等式Θ＝α×L×C改变通过它的光学能量的偏振(polarization)，其中L是能量通过糖在其中浓缩的流体的行进长度，C是糖浓度，并且α是取决于糖的类型、能量的波长和流体的常数。如果L和α已知，那么，通过测量通过含糖流体的能量的偏振相对于基线测量的改变，可以导出流体的糖浓度。

例如，这个原理可以被用于无创地确定人体血液中的葡萄糖浓度。正常血液具有非零的葡萄糖浓度C，这会造成通过血液的能量偏振的改变。对于70mg/dL和α＝45.62(x10^-6)度/mm/(mg/dL)的葡萄糖浓度，波长633nm的能量和3.0mm的路径长度将具有0.00958度的旋转Θ。由糖造成的旋转的改变允许导出当前糖浓度。

发明内容

本发明可以被用于监视流体中的糖(例如，葡萄糖)，并且与依赖标准偏振分析仪的传统技术相比具有许多优点，传统偏振技术需要主动地移动零件(part)并且角分辨率精度达到0.01度。首先，本发明是非侵入性(non-invasive)的，这降低了污染的风险。第二，本发明可以提供流实时、连续数据的能力。第三，本发明提供了低操作成本。

本发明包括一种光学能量(optical energy)源，该光学能量源具有带有发射图案的发射器；与发射图案相交的第一偏振器；与第一偏振器隔开一定距离并与发射图案相交的第二偏振器，该第二偏振器相对于第一偏振器旋转第一旋转量Θ；与发射图案相交的第一光学检测器；位于第二偏振器附近的第二光学检测器，第一偏振器和第二偏振器位于光学能量源和第二光学检测器之间，第二光学检测器与发射图案相交；补偿电路，耦合到第二光学检测器；以及耦合到补偿电路和第一光学检测器的减法器电路。

在一个或多个实施例中，描述了一种用于测量流体中糖浓度相对于基线浓度的改变的装置。该装置包括光学能量的源，所述源具有带有发射图案的发射器。该装置包括与所述源隔开一定距离的第一光学检测器。该装置包括与所述第一光学检测器并置的第二光学检测器。该装置包括光学上在所述源与所述检测器之间的多个偏振器。多个偏振器包括与发射图案相交的第一偏振器。多个偏振器包括相对于第一偏振器旋转第一旋转量Θ、与第一偏振器隔开一定距离并且靠近所述第二光学检测器的第二偏振器，其中所述第一偏振器光学上位于所述源与所述第二偏振器之间。对于该装置，第一偏振器和第二偏振器之间的距离足以使得与所述发射图案相交的液体体积在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间以及光学上在第一偏振器和第一检测器之间光学定位。该装置包括至少一个耦合到所述第一光学检测器和所述第二光学检测器的电路。至少一个电路包括耦合到所述第二光学检测器的补偿电路、耦合到所述补偿电路和所述第一光学检测器的减法器电路，以及耦合到所述减法器电路的增益电路。对于该装置，在一个或多个实施例中，至少一个电路还包括耦合到所述第一光学检测器和所述减法器电路并在其之间的单位增益电路。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ是45.028度。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量源是近红外波长光学能量源。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量源是红波长能量源。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量源是LED。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量源是激光器。对于该装置，在一个或多个实施例中，流体是血液。对于该装置，在一个或多个实施例中，该装置还包括可穿戴在耳朵周围的形状因数(form factor)，所述形状因数容纳光学能量源、第一偏振器、第二偏振器、第一光学检测器和第二光学检测器。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ是从基线旋转的旋转的三十五度至五十五度(包括端点)之间，其中旋转是对于通过所述流体行进长度L的能量由流体中简单糖的基线浓度造成的。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ在四十至五十度(包括端点)之间。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ为四十五度。对于该装置，在一个或多个实施例中，多个偏振器由所述第一偏振器和所述第二偏振器组成。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量未被调制。对于该装置，在一个或多个实施例中，光学能量由一个未调制的光波组成。

在一个或多个实施例中，本文描述了一种检测对象流体中的糖浓度相对于基线浓度的改变量的方法。该方法包括在第一方向上指引光学能量。该方法包括将对象流体定位在第一偏振器和第一检测器之间，在所述第一偏振器和相对于第一偏振器旋转第一旋转量Θ的第二偏振器之间，以及在所述第一偏振器和第二检测器之间，其中所述第二偏振器定位在第一偏振器和所述第二检测器之间。该方法包括使光学能量通过第一偏振器以变成一次偏振的光学能量。该方法包括使一次偏振的光学能量通过对象流体以变成经旋转的一次偏振的光学能量。该方法包括检测经旋转的一次偏振的光学能量的强度。该方法包括使经旋转的一次偏振的光学能量的至少一部分通过第二偏振器以变成二次偏振的光学能量。该方法包括检测二次偏振的光学能量的强度。该方法包括提供表示经旋转的一次偏振的光学能量的强度与二次偏振的光学能量的强度之间的差的信号。该方法包括将该信号与糖浓度相关联。对于该方法，在一个或多个实施例中，光学能量是红波长光学能量。对于该方法，在一个或多个实施例中，光学能量是近红外光学能量。对于该方法，在一个或多个实施例中，第一光学检测器与所述第二光学检测器并置。

在一个或多个实施例中，是一种用于测量流体中的能量的偏振改变的系统。该系统包括用于发射能量的单个源。该系统包括用于使从源发射的能量偏振以提供第一偏振能量的第一偏振器。该系统包括用于使第一偏振能量的至少一部分偏振并提供第二偏振能量的第二偏振器，其中第二偏振器相对于第一偏振器旋转一旋转量。该系统包括用于检测远离第一偏振器的距离接收到的第一偏振能量的第一检测器。该系统包括用于检测第二偏振能量的第二检测器。该系统包括与第一检测器和第二检测器耦合的模块，该模块包括用于接收来自第一检测器的输出的第一单元和用于接收来自第二检测器的输出的第二单元，该模块将第一输出与第二输出进行比较。对于该系统，在一个或多个实施例中，模块的第一单元包括用于减少来自第一检测器的输出的至少一部分的衰减器。对于该系统，在一个或多个实施例中，模块的第二单元包括用于提升来自第二检测器的输出的至少一部分的补偿器。对于该系统，在一个或多个实施例中，该系统包括用于减少来自第一检测器的输出的至少一部分的减法器。对于该系统，在一个或多个实施例中，能量是以近红外频率范围内发射的光的形式。对于该系统，在一个或多个实施例中，偏振器选自膜、线栅、全息线栅和分束器。对于该系统，在一个或多个实施例中，第二偏振器旋转至少约45度或约45度的倍数的旋转量。对于该系统，在一个或多个实施例中，该系统还包括用于放大来自模块的输出的信号放大器。对于该系统，在一个或多个实施例中，该系统安装在耳朵上，使得第一偏振器在耳朵的第一面对表面上，而第二偏振器、第一检测器、第二检测器和模块位于耳朵的相对的第二面对表面上。

在一个或多个实施例中，是一种用于测量在人体部分的一部分上的能量的偏振改变的系统。该系统包括用于偏振从源发射的能量并将第一偏振能量提供给人体部分的第一面对表面的第一偏振器。该系统包括用于当定位在人体部分的相对的第二面对表面上时偏振从第一偏振器接收的第一偏振能量的至少一部分的第二偏振器。该系统包括用于在人体部分的第二相对的面对表面上被接收到时检测第一偏振能量的至少一部分的第一检测器。该系统包括用于在人体部分的第二相对的面对表面上被接收到时检测第二偏振能量的至少一部分的第二检测器。该系统包括在人体部分的第二相对的面对表面上可操作地耦合第一检测器和第二检测器的模块。该模块包括用于接收来自第一检测器的输出的第一单元和用于接收来自第二检测器的输出的第二单元。该模块利用来自第一和第二单元的输出来导出葡萄糖浓度。对于该系统，在一个或多个实施例中，第二偏振器相对于第一偏振器旋转了旋转量。对于该系统，在一个或多个实施例中，旋转量在35度和55度之间并且包括35度和55度。对于该系统，在一个或多个实施例中，该系统还包括至少对来自第一检测器的输出进行滤波的第一带通滤波器和对来自第二检测器的输出进行滤波的第二带通滤波器。

更进一步描述了一种用于测量对象流体中的糖浓度改变的装置。该装置包括能量的源，该源具有带有发射图案的发射器。该装置包括与源隔开一定距离的第一检测器。该装置包括与所述第一检测器并置的第二检测器。该装置包括在源与检测器之间的多个偏振器。多个偏振器包括与发射图案相交的至少第一偏振器。多个偏振器包括至少相对于第一偏振器旋转第一旋转量Θ、与第一偏振器隔开一定距离并靠近第二检测器的第二偏振器，其中第一偏振器位于源和第二偏振器之间。对于该装置，在一个或多个实施例中，第一偏振器和第二偏振器之间的距离使得能够在第一偏振器和第二偏振器之间以及光学上在第一偏振器和第一检测器之间定位与发射图案相交的一定量的液体。对于该装置，在一个或多个实施例中，该装置还包括至少一个耦合到第一检测器和第二检测器的电路。对于该装置，该至少一个电路包括耦合到第二检测器的补偿电路、耦合到补偿电路和所述第一检测器的减法器电路，以及耦合到减法器电路的增益电路。对于该装置，在一个或多个实施例中，补偿电路包括耦合到第二检测器和减法器电路并在其之间的单位增益电路。对于该装置，在一个或多个实施例中，补偿电路包括耦合到第一检测器和减法器电路并在其之间的衰减器。对于该装置，在一个或多个实施例中，多个偏振器由第一偏振器和在第二偏振器组成。对于该装置，在一个或多个实施例中，能量未调制。对于该装置，在一个或多个实施例中，能量源是LED。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ是从基线旋转的旋转的三十五度至五十五度(包括端点)之间，其中旋转是对于通过所述流体行进长度L的能量由流体中简单糖的基线浓度造成的。对于该装置，在一个或多个实施例中，Θ在四十到五十度之间并且包括端点。

本文还描述了一种用于测量流体中糖浓度相对于基线浓度的改变的装置。该装置包括能量的源，所述源具有带有发射模式的发射器。该装置包括与所述源隔开一定距离的第一检测器。该装置包括与所述第一检测器并置的第二检测器。该装置包括与发射图案相交的第一偏振器。该装置包括相对于第一偏振器旋转第一旋转量Θ、与第一偏振器隔开一定距离并靠近所述第二检测器的第二偏振器，其中所述第一偏振器光学上位于所述源和所述第二偏振器之间。该装置包括一定体积的液体，所述体积与所述发射图案相交并且定位在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间以及所述第一偏振器和所述第一检测器之间。该装置包括至少一个耦合到所述第一检测器和所述第二检测器的电路。至少一个电路包括耦合到所述第二检测器的补偿电路。至少一个电路包括耦合到所述补偿电路和所述第一检测器的减法器电路。至少一个电路包括耦合到所述减法器电路的增益电路。

如所提到的，以上提供并讨论了一种用于测量葡萄糖的非侵入性系统。该系统还可以包括反馈电路，该反馈电路连接光源和第一检测器并且被配置为调整能够穿透身体组织的光的强度，以将由第一检测器检测到的第一偏振光的至少一些或全部维持在第一部分校准范围内。

在各种情况下，第一部分校准范围由大于第一目标强度值的上校准阈值和小于第一目标强度值的下校准阈值定义。

而且如所讨论的，提供了一种用于测量葡萄糖的方法。在各种情况下，该方法还包括提供反馈电路，该反馈电路连接光源和第一检测器并且被配置为调整能够穿透身体组织的光的强度，以将由第一检测器检测到的第一偏振光的至少一些或全部维持在第一部分校准范围内。

还附加地提及，提供了一种用于测量葡萄糖的方法。该方法也可以提供用于通过连接光源和第一检测器的反馈电路并响应于第一输出而调整从光源发射的光的强度，其中该调整将第一输出维持在第一部分校准范围内。

附图说明

图1A是本发明的实施例的系统图。

图1B是包括反馈方面的本发明的实施例的系统图。

图2A是参考图1A描述的电路的电路图。

图2B是参考图1B描述的电路的电路图。

图3A是图1A的系统图，示出了与人耳一起使用的实施例。

图3B是图1B的系统图，示出了与人耳一起使用的实施例。

图4A-4C示出了来自本发明的实施例的实际数据，用于导出三种不同情况下的糖浓度。

图5A–5C以不同的形式示出了图4A–4C中所示的相同数据，并且非偏振和偏振波形相互叠加

图6A-C示出了来自本发明的实施例的数据，该数据证明了根据图1B、2B和3B的反馈方面的效果。

具体实施方式

图1A-B示出了本发明的实施例20，其包括光学能量源22、第一偏振器24、与第一偏振器24隔开一定距离并且相对于第一偏振器24具有旋转Θ的第二偏振器26、第一光学能量检测器28、与第一检测器28并置的第二光学能量检测器30，以及电路46。第一光学检测器28和第二光学检测器30中的每一个被定向为接收通过空间32的光学能量。在优选实施例中，检测器28、30是硅检测器。如本文所使用的，“并置”是指彼此相邻定位，使得，在所有其它条件相同的情况下，来自公共源的光将以大致相等的强度进入每个检测器。此外，虽然该实施例公开了硅检测器的使用，但是也可以使用其它类型的检测器(例如，光敏电阻)。如图1B中所示，在各种情况下，反馈电路101互连光学能量源22和第一光学能量检测器28，但是在进一步的情况下，反馈电路101可以互连光学能量源22和第二光学能量检测器30。响应于在第一光学能量检测器28处或在另外的情况下在第二光学能量检测器30处接收的光学能量的能量，反馈电路101操作以调整来自光学能量源22的光学能量的源光学能量值(magnitude)。

当被致动时，能量源22产生具有发射图案36的初始光学能量34。能量源22优选地是红色光源，诸如红色发光二极管(LED)或激光器，但是可以可替代地是近红外。最终，初始光学能量34必须具有一定的波长，该波长可以受对象流体中糖的存在的影响，同时还通过包含该流体的另一个容器。来自光学能量源22的初始光学能量34具有被称为源光学能量值的量值。

第一偏振器24定位在源22的近侧，使得初始光学能量34通过第一偏振器24并变为偏振能量38。偏振能量38横穿第一偏振器24与第二偏振器26之间的空间32，其中偏振能量38的第一部分40由第一光学检测器28检测，并且偏振能量38的第二部分42通过第二偏振器26到达第二光学能量检测器30。值得注意的是，尽管第二偏振器26接近第二检测器30，但是第一检测器28和第二检测器30并置。因为在图1中空间32是空的，所以通过空间32的偏振能量38不会由于例如流体中糖的存在而旋转。

优选地，第一和第二偏振器24、26是线性偏振膜，因为这种膜与其它可用的替代品相比是廉价的。但是，这种膜对于可见光谱中的能量波长是最佳的。只要选择能量源22的选定波长以最佳地对应，就可以使用其它偏振器。例如，替代的偏振器可以是线栅或全息的，其被最佳地配置用在本发明中，具有近红外和红外波长的能量。

在各种实施例中，第一和第二偏振器24、26每个都包括键控槽口(keying notch)。键控槽口可以包括与壳体中的凸片对应的偏振器的切口。在各种实施例中，键控槽口和/或凸片可以被定位成在偏振器24、26之间建立旋转差。而且，在各种情况下，第一和第二偏振器24、26是通过CNC切割制备的线性偏振膜。因此，在各种实施例中，线性偏振膜可以具有通过CNC切割制备的键控槽口。

优选地，偏振器24、26之间的旋转差是四十五度(或四十五度的整数倍)加上由基线造成的旋转。在这种最佳情况下，相对于基线的浓度改变至少最初沿着正弦波的最线性部分移动，这使得，与远离波的斜率为1的位置并进一步朝着斜率为0的位置(即，正弦波的波峰和波谷)移动相比，更容易检测旋转的改变。例如，当在长度L上使用基线葡萄糖浓度100mg/dL时，Θ等于.014度。在这种情况下，偏振器之间的旋转应当是45.014度。但是，浓度相对于基线的改变越大，旋转与浓度改变的相关性越非线性。

第一和第二检测器28、30电耦合到电路46。电路46具有补偿电路48、减法器电路50和增益电路52。第一检测器28直接耦合到减法器电路50。第二检测器30耦合到补偿电路48，补偿电路48将由第二检测器30产生的信号的增益提升足以补偿归因于通过偏振膜的偏振能量38的部分42的强度损失和由于流体中的基线浓度引起的偏振效果的量，但是补偿电路48不补偿由于某个基线本身的浓度改变引起的偏振改变所产生的强度损失。减法器电路50产生作为从第一和第二检测器28、30接收到的信号之差的信号。增益电路52将信号放大到可用的电平。

值得注意的是，在替代实施例中，补偿电路48可以是耦合到第一检测器28的衰减器，以使接收到的光学能量的强度相等，目的是使第一检测器28和第二检测器30看到的能量之差与能量的旋转而不是其振幅相关。类似地，减法器电路50可以由惠斯通(Wheatstone)或类似的电桥代替。

在进一步的实施例中，电路46被配置为经由反馈方面来集成数值模型改进以增加稳定性和对葡萄糖的一致响应(诸如开环反馈方法)。因此，如图1B中所示，可以包括反馈电路101作为电路46的一个方面，并且如上面所解释的。例如，在各种情况下，电路46将主要涉及耦合在参考检测器(诸如第一检测器28)处检测到的透射的光量，并调整提供给光学能量源22的LED驱动电流，以在第一检测器28处维持恒定的检测到的振幅。控制光学能量源22以及，更具体而言，与光学能量源相关联的LED的能力将落入LED驱动器电路的能力范围内。在这个实施例中还实现的另一方面涉及解决在高范围葡萄糖值处识别出的观察到的“滚降(roll-off)”的方面。伪像可以被预测为基于具体组成部分选择的组合，诸如可以通过公差叠加或标称值漂移而发展。照此，电路46可以包括允许对光电二极管和放大的部件两者进行校正的偏移校正。通过在第一检测器28处维持恒定的检测到的振幅，由于改变至少最初沿着正弦波的最线性部分移动，因此相对于基线的浓度改变可以被更准确地检测，因为恒定检测到的振幅的维持补偿了由于光学能量源34和/或第一检测器28和/或第二检测器30相对于被测组织(诸如人耳组织)的放置不一致而引起的共模路径衰减和/或差模路径衰减(参见图3B)。

通过将第一检测器28和/或第二检测器30处的光的差分强度/偏振与被测组织的血液中的葡萄糖量进行比较，光的衰减可以使线的斜率变平。通过实现反馈电路101以将其中一个检测器(诸如第一检测器28)处光的强度维持在目标值或接近目标值，血液中葡萄糖与第一检测器28和/或第二检测器30处光的差分强度/偏振的关系可以通过将强度维持在响应曲线的已知区域内来更准确地测量。而且，电路46可以实现计算模型，其中可以将通过组织的光的体(bulk)组织散射视为包括三个组成部分：(1)通过反馈来补偿的体衰减(光功率损耗)、(2)非偏振透射光(散射光)和(3)偏振光(弹道光子分数)。

参考图2A，第一和第二检测器28、30的输出被提供给电路46。电路46包括具有电位计Ro1的补偿电路48、减法器电路50、包括Ro1和C1以及Ro2和C2的第一和第二30-Hz低通滤波器，以及增益电路52。减法器电路50和增益电路52结合OPA 211KP运算放大器IC 66。低通滤波器拒绝检测器28、30处的任何噪声。非偏振输出55被馈送到包括Ro3、Ro4、Rl3和Rl4的减法器电路50。然后将减法器电路输出54提供给包括Ro5和C3的增益电路52。最终信号在增益电路输出端56处提供。该实施例包括用于相位匹配目的的可选的单位增益电路57。在各个实施例中，电路46和/或补偿电路48的全部或一部分包括专用集成电路(ASIC)。例如，可以将多个部件包装为单个集成电路，从而使电路46进一步小型化。

参考图2B，描绘了包括反馈电路101的电路40的进一步的示例实施例。参考图2A和图2B，图2B的反馈电路101的操作类似于(参考图2A)在第一检测器28上维持恒定的光学检测功率(例如，检测器接收通过偏振器24的光而不是检测器接收通过两个偏振器24和30的光)。第一检测器28的功率改变将导致更改从图2A中未示出的光源22(LED、激光器和/或类似的源)入射到整个检测系统上的供应光学能量的信号。

图3A-B示出了与人耳68一起使用的实施例20，人耳68的至少一部分占据空间32。耳朵68在空间32内的优选朝向是使得偏振能量38大体上平行于横轴通过耳朵68，其中L是沿着被测流体轴的距离。对于大多数人的耳朵，L是大约是三毫米的毛细血管和血管丰富的皮肤。

当被致动时，能量源22产生具有发射图案36的初始光学能量34。初始能量34通过第一偏振器24，并且具有耳朵68的非糖组成部分(即，皮肤、血液、组织、软骨)至少在一定程度上对其透明的波长。

在通过第一偏振器24之后，初始能量34变为偏振能量38。但是，耳朵68内血液中的葡萄糖会根据Θ＝α×L×C造成能量38的偏振改变，使得离开耳朵的旋转能量70具有第一旋转Θ₁。

旋转能量70的第一部分72的强度由第一检测器28检测。旋转能量70的第二部分74的强度通过第二偏振器26并由第二检测器30检测。第一和第二检测器28、30中的每一个产生代表接收强度的信号。因为第二检测器30接收到的旋转能量70的强度仅仅是通过第二偏振器26的经旋转的能量分量的强度，所以通过测量检测器28、30处的强度之差，可以导出由耳朵70中的葡萄糖造成的旋转，由此可以确定葡萄糖浓度相对于基线的改变。

为了确定基线，在使用之前，通过改变电位计(诸如电位计60(图2A))以补偿由第一和第二检测器28、30接收到的能量的强度差，将实施例20校准到七十mg/dL(人血的“正常”浓度)的基线葡萄糖浓度。因此，测得的旋转中的任何改变都表示葡萄糖浓度从某个基线(例如，70mg/dL)的改变。

使用波长650nm将本发明的另一个实施例校准到100mg/dL的基线葡萄糖浓度，使得第二偏振器相对于第一偏振器旋转45.028度。对于30mg/dL和300mg/dL之间的葡萄糖浓度，这产生基线加减0.2度的结果旋转范围。因此，葡萄糖浓度为30mg/dL将导致检测器之间0.0096度的旋转差，而葡萄糖浓度为300mg/dL将导致与30mg/dL浓度方向相反的方向上.0273度的旋转差。

结合图2B具体地参考图3B，值得注意的是，并且与上面参考图2A和图3A的讨论不同，反馈电路101将反馈信号从第一检测器28传送到产生初始光学能量的能量源22。反馈电路101调整能量源22以将经旋转的能量的第一部分72维持在第一部分校准范围内。更具体而言，响应于经旋转的能量70的第一部分72的强度从第一目标强度值偏离低于下校准阈值，反馈信号指示能量源22增加初始光学能量34的强度(源光学能量值)，直到经旋转的能量70的第一部分72的强度不再从第一目标强度值降至低于下校准阈值为止。类似地，响应于经旋转的能量70的第一部分72的强度从第一目标强度值偏离高于上校准阈值，反馈信号指示能量源22减小初始光学能量34的强度(源光学能量值)，直到经旋转的能量70的第一部分72的强度不再从第一目标强度值高于上校准阈值为止。上校准阈值和下校准阈值限定第一部分校准范围的边界。

虽然类似于上面所讨论的那样测量经旋转的能量的第一部分72与第二部分74的强度之差，但是第一部分72的强度被维持在关于第一目标强度值的上校准阈值和下校准阈值之间。因为耳朵70的光透射率随组织厚度呈指数改变，但是第一部分72与第二部分74的强度差根据线性逼近与葡萄糖浓度相关，所以组织厚度相对小的改变会导致沿着数值逼近曲线的相对大的移位，从而造成计算错误。因此，本文讨论的反馈机制将比较维持在逼近曲线的相同或相似线性区域内，从而有助于计算准确度。

如前面所提到的，为了确定基线，在使用之前，通过改变电位计(诸如电位计60(图2A))以补偿由第一和第二检测器28、30接收到的能量的强度差，将实施例20校准到七十mg/dL(人血的“正常”浓度)的基线葡萄糖浓度。因此，测得的旋转中的任何改变都表示葡萄糖浓度从某个基线(例如，70mg/dL)的改变。

使用波长650nm将本发明的替代实施例校准到100mg/dL的基线葡萄糖浓度，使得第二偏振器相对于第一偏振器旋转45.028度。对于30mg/dL和300mg/dL之间的葡萄糖浓度，这产生基线加减0.2度的结果旋转范围。因此，葡萄糖浓度为30mg/dL将导致检测器之间0.0096度的旋转差，而葡萄糖浓度为300mg/dL将导致与30mg/dL浓度方向相反的方向上.0273度的旋转差。

值得注意的是，在各种情况下，反馈电路101进行操作，使得可以进一步调整确定的基线，以补偿由第一检测器28检测到的经旋转的能量70的第一部分72的强度和/或通过第二偏振器26并由第二检测器30检测到的经旋转的能量70的第二部分74的强度的变化。例如，人耳68(其至少一部分占据空间32)的放置的变化会造成第一部分72的强度和/或第二部分74的强度的变化。照此，在各种情况下，电路46的反馈电路101可以使第一部分72的强度或第二部分74的强度返回到所确定的基线或其附近，而不管在人耳68上定位的相对不一致性。因此，可以导出由耳朵70中的葡萄糖造成的旋转。如上面所提到的，因为第二检测器30接收到的经旋转的能量70的强度仅仅是通过第二偏振器26的经旋转的能量分量的强度，所以通过测量检测器28、30处的强度之差，可以导出由耳朵70中的葡萄糖造成的旋转，由此可以确定葡萄糖浓度相对于基线的改变。

不是改变电位计60以补偿由第一和第二检测器28、30接收到的能量的强度的差异以将实施例20校准到七十mg/dL(人血的“正常”浓度)的基线葡萄糖浓度，代替地，设备可以经由反馈电路101主动实现反馈，以持续或间歇地重新校准，使得测得的旋转中的任何改变都表示葡萄糖浓度从某个基线(例如，70mg/dL)的改变。通过控制反馈电路101，电路46可以学习补偿偏移量值并且可以将这些值存储在存储器中，而不需要改变电位计60。以这种方式，反馈电路101可以进行操作，以考虑电路变化并允许重新校准测得的旋转与葡萄糖浓度从基线的改变之间的关系。以这种方式，反馈电路101可以进行操作，使得斜率截距计算可以保持不受耳朵70的光子透射率的指数效应(以及对于检测到的光的强度的相关联的指数效应)的阻碍，该效应是由耳朵70的厚度的线性改变造成的。因此，反馈电路101可以是多用途的。

在各种情况下，存在至少两种方法来校准本发明。首先并且是优选地，在每个传感器的制造期间，将能将偏振态旋转已知量的样本对照物(control)血清或类似部件插入空间中。这种对照物将提供模拟的已知葡萄糖浓度，用于将设备调整到适当的校准设置。可替代地，用户/穿戴者可以用传感器取得初始读数，并且附加地用另一个葡萄糖传感器(例如，血棒仪)取得接近同时的读数。来自另一个传感器的这个值将利用用户输入手段(诸如连接到微控制器的旋钮、按钮等)输入到传感器中。

图4A-4C示出了来自本发明实施例的用于检测75mg/dL、150mg/dL和300mg/dL的葡萄糖浓度的实际数据。每个示例的左侧示出了从偏振的检测器28和非偏振的检测器30接收的实际信号。每个示例的右侧示出了减法器电路的输出。该实施例针对75mg/dL的基线进行了校准。在图4A中，减法器电路平均为零，指示与基线没有改变。在图4B中，减法器电路平均大致为.00005伏特。在图4C中，减法器电路的输出平均大致为.0001伏特，或者是中间示例的两倍，这有望使底部示例的浓度是图4B中所示浓度的两倍。

图5A-5C示出了与图4A-4C中描绘的相同的数据，但在同一曲线图上具有非偏振和偏振波形。图5A与图4A中所示的数据对应。图5B与图4B中所示的数据对应。图5C与图4C中所示的数据对应。

图6A-C图示了反馈电路101的操作效果。图6A描绘了由检测器接收的光的强度(如由通过检测器传导的电流的mA表示的)相对于葡萄糖的mg/dL浓度的线性关系。图6B图示了由光学能量的未补偿衰减引起的这种线性关系的发散，而图6C示出了由反馈电路101补偿光学能量的衰减引起的这种线性关系的校准效果。

本公开包括其中描述了具体传感器和方法的优选或说明性实施例。此类传感器的替代实施例可以被用于执行所要求保护的本发明，并且此类替代实施例仅由权利要求本身限制。通过研究本公开和附图以及所附权利要求，可以获得本发明的其它方面和优点。

Claims (31)

1.一种用于测量葡萄糖的非侵入性系统，所述系统包括：

光源，发射能够穿透身体组织的光；

第一偏振器，靠近所述光源，用于接收从所述光源发射的光的全部或至少一部分，并用于提供第一偏振光；

第二偏振器，提供第二偏振光；

第一检测器，以检测所述第一偏振光的至少一些或全部的方式定位；以及

第二检测器，以检测所述第二偏振光的至少一些或全部的方式定位；

所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个被如此调整，以确定所述第一偏振光或所述第二偏振光的相对强度。

2.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中所述第一偏振器和所述第二偏振器中的一个或多个是线性偏振膜。

3.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括反馈电路，所述反馈电路连接所述光源和所述第一检测器，并且被配置为调整能够穿透身体组织的光的强度，以将由所述第一检测器检测到的所述第一偏振光的至少一部分或全部维持在第一部分校准范围内。

4.如权利要求3所述的非侵入性系统，其中所述第一部分校准范围由大于第一目标强度值的上校准阈值和小于第一目标强度值的下校准阈值限定。

5.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中所述第一偏振器和所述第二偏振器被不同地旋转。

6.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中所述第一偏振器相对于所述第二偏振器旋转一旋转，所述旋转包括约四十五度或其倍数。

7.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中，除了相对于所述第二偏振器的第二旋转之外，所述第一偏振器还相对于所述第二偏振器旋转第一旋转，所述旋转包括约四十五度或其倍数，所述第二旋转是由于定位在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的对照物的测量以建立所述系统的基线测量导致，所述对照物能够被来自所述光源的光穿透或吸收。

8.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中，除了相对于所述第二偏振器的第二旋转之外，所述第一偏振器还相对于所述第二偏振器旋转第一旋转，所述第一旋转包括相对于所述第二偏振器约四十五度或其倍数，所述第二旋转是由于定位在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的对照物的测量以建立所述系统的基线测量导致，所述对照物包括浓度被认为对于人类是正常的葡萄糖。

9.如权利要求5所述的非侵入性系统，其中所述旋转是从35度至55度，或其倍数，并且包括35度和55度，及其倍数。

10.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路包括用于产生至少第三输出的减法器，所述第三输出作为所述第一输出与所述第二输出之间的差。

11.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路包括用于产生至少第三输出的惠斯通(Wheatstone)电桥，所述第三输出作为所述第一输出与所述第二输出之间的差。

12.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路包括用于提升所述第一输出的至少一部分或者所述第二输出的至少一部分的补偿器。

13.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路提供第三输出，并且还包括放大所述第三输出的增益。

14.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路包括耦合至所述第一输出的衰减器。

15.如权利要求1所述的非侵入性系统，还包括电路，其中来自所述第一检测器的第一输出和来自所述第二检测器的第二输出的每一个被提供给所述电路，所述电路包括用于产生作为所述第一输出与所述第二输出之间的差的至少第三输出的至少减法器、用于提升所述第二输出的至少一部分的补偿器，以及放大至少所述第三输出的增益。

16.如权利要求15所述的非侵入性系统，还包括与所述电路相关联的低通滤波器，以减少来自所述第一检测器和所述第二检测器的噪声。

17.如权利要求15所述的非侵入性系统，还包括单位增益电路。

18.如权利要求1所述的非侵入性系统，其中所述系统用于测量身体组织中的葡萄糖，所述身体组织定位在所述第一偏振器附近和所述第二偏振器附近，并且定位在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间。

19.一种用于测量葡萄糖的方法，所述方法包括：

以将从光源发射的光提供给第一偏振器的方式，将能够穿透身体组织的光的所述光源定位在所述第一偏振器附近，并且所述第一偏振器提供第一偏振光；

以接收所述第一偏振光的一部分的方式，将第一检测器定位为与所述第一偏振器分开，所述第一检测器提供第一输出；

将第二偏振器定位为与所述第一偏振器分开，所述第二偏振器提供第二偏振光；

将第二检测器定位在所述第二检测器附近，并且以接收由所述第二偏振器提供的第二偏振光的全部或一部分的方式，所述第二检测器提供第二输出；以及

调整所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个，以确定所述第一偏振光或所述第二偏振光的相对强度。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：

提供用于接收所述第一输出和所述第二输出的电路，所述电路包括用于产生作为所述第一输出与所述第二输出之差的至少第三输出的至少减法器、用于提升所述第二输出的至少一部分的补偿器，以及放大至少所述第三输出的增益。

21.如权利要求19所述的方法，还包括提供反馈电路，所述反馈电路连接所述光源和所述第一检测器，并且被配置为调整能够穿透身体组织的光的强度，以将由所述第一检测器检测到的所述第一偏振光的至少一部分或全部维持在第一部分校准范围内。

22.如权利要求19所述的方法，其中，当在所述第一偏振器附近和所述第二偏振器附近，并且在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间提供对照物时，执行调整所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个，所述对照物具有第一葡萄糖浓度。

23.如权利要求19所述的方法，其中，在提供对照物时执行调整所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个，所述对照物靠近所述第一偏振器并且靠近所述第二偏振器，并且在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，以及调整与所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个相关联的电位计，使得到达所述第一检测器的所述偏振光的强度类似于或等于到达所述第二检测器的所述第二偏振光的强度。

24.一种用于测量葡萄糖的非侵入性系统，所述系统包括：

光源，发射光；

第一偏振器，用于接收从所述光源发射的光；

第二偏振器，用于接收从所述光源发射的光；

第一检测器，以检测来自所述第一偏振器的偏振光的方式定位；以及

第二检测器，以检测来自所述第二偏振器的偏振光的方式定位；以及

所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个被如此调整，使得到达所述第一检测器的所述偏振光类似于到达所述第二检测器的所述第二偏振光的强度。

25.如权利要求24所述的非侵入性系统，其中所述第一偏振器和所述第二偏振器被不同地旋转。

26.如权利要求24所述的非侵入性系统，其中所述第一偏振器相对于所述第二偏振器旋转一旋转，所述旋转包括约四十五度或其倍数。

27.如权利要求24所述的非侵入性系统，其中所述系统用于测量身体组织中的葡萄糖，所述身体组织定位在所述第一偏振器附近和所述第二偏振器附近。

28.如权利要求24所述的非侵入性系统，还包括反馈电路，所述反馈电路连接所述光源和所述第一检测器，并且被配置为调整能够穿透身体组织的光的强度，以将由所述第一检测器检测到的所述第一偏振光的至少一些或全部维持在第一部分校准范围内。

29.一种用于测量葡萄糖的方法，所述方法包括：

以从光源发射的光被提供给第一偏振器和第二偏振器的方式，将所述光源定位在所述第一偏振器和所述第二偏振器附近；

定位第一检测器以接收由所述第一偏振器提供的偏振光，所述第一检测器提供第一输出；

定位第二检测器以接收由所述第二偏振器提供的偏振光，所述第二检测器提供第二输出；

调整所述第一检测器和所述第二检测器中的一个或多个，以确定所述第一偏振光或所述第二偏振光的相对强度。

30.如权利要求29所述的用于测量葡萄糖的方法，其中所述第一偏振器直接从所述光源接收偏振光，并且所述第二偏振器从所述第一偏振器接收偏振光。

31.如权利要求29所述的方法，还包括通过连接所述光源和所述第一检测器的反馈电路并且响应于所述第一输出而调整从所述光源发射的光的强度，其中所述调整将所述第一输出维持在第一部分校准范围内。