CN110613461A - 葡萄糖浓度的感测系统与感测方法 - Google Patents

葡萄糖浓度的感测系统与感测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种葡萄糖浓度的感测系统与感测方法。葡萄糖浓度的感测系统包括以下元件。光源用以产生光线，偏振状态产生器用以改变光线的偏振状态，之后光线用以射向生物组织。偏振状态分析器用以接收由生物组织反射的光线，此光线用以计算史托克斯向量与穆勒矩阵。在一些实施例中，感测系统包括光学同调断层扫描装置以根据感测到的信号来计算穆勒矩阵。接着，根据微分穆勒矩阵计算出光学旋转角与非偏振指数，再借此计算出葡萄糖浓度。借此，可以用非侵入式的方式准确地计算出葡萄糖浓度。

Description

葡萄糖浓度的感测系统与感测方法
技术领域
本发明是有关于一种非侵入式葡萄糖浓度的感测系统。
背景技术
偏振(polarization)是光的一种基本性质，在工业或学术领域中具有许多应用。一般来说，光线的偏振状态可以由四个史托克斯参数(stokes parameters)来描述，并且当光线照射至一个物体时，可用穆勒矩阵(Mueller matrix)来描述这个物体的光学特性。因此，史托克斯-穆勒矩阵的机制可用来分辨许多材料或生物材料。另一方面，如何快速且准确的量测生物组织的葡萄糖浓度，也是研究人员想要解决的问题。
发明内容
在本发明实施例提出的感测系统与感测方法中，可应用于非侵入式的量测，且可量测低浓度(例如20mg/dl)的葡萄糖浓度。
本发明的实施例提出一种葡萄糖浓度的感测系统，包括光源、偏振状态产生器、偏振状态分析器与控制模块。光源用以产生光线。偏振状态产生器用以接收光线，并包括光电调变器以改变光线的偏振状态，其中经过调变器的光线用以射向生物组织。偏振状态分析器，用以接收由生物组织反射的光线。控制模块用以传送一电子信号至调变器。此电子信号具有n个取样点，这n个取样点对应至光线的n个不同的偏振状态，n为大于等于4的正整数。对于每一个取样点，控制模块根据偏振状态分析器所接收的光线计算出对应的史托克斯向量。控制模块根据n个取样点所对应的史托克斯向量计算出穆勒矩阵，根据穆勒矩阵计算出至少一参数，并根据此参数计算出对应于生物组织的葡萄糖浓度。
在一些实施例中，上述调变器的主要轴为45度，偏振状态产生器还包括：偏光片(polarizer)，设置于调变器与光源之间，其中偏光片的主要轴为0度；以及四分之一波片(quarter-wave plate)，设置于调变器与生物组织之间，其中四分之一波片的主要轴为0度。
在一些实施例中，上述的偏振状态产生器还包括：偏光片，设置于调变器与光源之间；四分之一波片，设置于调变器与生物组织之间；以及二分之一波片(half-wave plate)，设置于四分之一波片与生物组织之间。
在一些实施例中，上述的调变器为光电调变器，偏振状态产生器中的偏光片的主要轴为0度，光电调变器的主要轴为45度，四分之一波片的主要轴为45度，并且二分之一波片的主要轴为45度。偏振状态产生器所射出的光线的史托克斯向量表示为以下方程式(1)、(2)。
其中S′为偏振状态产生器所射出的光线的史托克斯向量，V为常数，Vλ/2为电子信号的振幅。
在一些实施例中，偏振状态分析器包括：第二光电调变器，其主要轴为0度；第三光电调变器，其主要轴为45度，第二光电调变器设置于生物组织与第三光电调变器之间；分析器，其主要轴为0度；以及侦测器。其中分析器设置于第三光电调变器与侦测器之间，侦测器用以接收穿透过第二光电调变器、第三光电调变器与分析器的光线。
在一些实施例中，控制模块用以对侦测器所接收的光线的亮度执行傅立叶转换以取得多个亮度参数，并根据亮度参数计算出对应的史托克斯向量中的多个史托克斯参数。
在一些实施例中，控制模块根据以下方程式(3)、方程式(4)计算出微分穆勒矩阵。
λm＝ln(λM)/z …(3)
其中z为光线传输的方向，m为微分穆勒矩阵，VM为穆勒矩阵的特性向量，λM为穆勒矩阵的特性值，λm为微分穆勒矩阵的特性值，mλ为特性值λm组成的对角矩阵，上述的参数包括γ＝(m23-m32)/4。
在一些实施例中，控制模块根据微分穆勒矩阵产生以下方程式(5)的微分穆勒矩阵：
控制模块将方程式(5)中的微分穆勒矩阵带入方程式(4)以计算出以下方程式(6)的穆勒矩阵：
上述的至少一参数还包括以下方程式(7)的参数Δ…(7)：
在一些实施例中，控制模块将参数γ输入至线性递增函数以计算出葡萄糖浓度，或将参数Δ输入至线性递减函数以计算出葡萄糖浓度。
在一些实施例中，控制模块根据以下方程式(8)取得光学路径长度。
Δ＝e-L/l …(8)
其中Δ为非偏振指数，L为生物组织的长度，l为光学路径长度。控制模块计算根据以下方程式(9)计算对应至生物组织的该葡萄糖浓度。
其中C为葡萄糖浓度，γ为光学旋转角，是在室温T下生物组织的光学旋转角，λ是光线的波长。
以另一个角度来说，本发明的实施例提出一种葡萄糖浓度的感测方法，适用于葡萄糖感测系统。此葡萄糖感测系统包括光源、偏振状态产生器与偏振状态分析器，光源产生的光线传送至偏振状态产生器后射向生物组织。偏振状态分析器接收由生物组织反射的光线。葡萄糖感测方法包括：传送电子信号至偏振状态产生器中的调变器，其中电子信号具有n个取样点，n个取样点对应至光线的n个偏振状态，n个偏振状态彼此不相同，n为大于等于4的正整数；对于每一个取样点，根据偏振状态分析器所接收的光线计算出对应的史托克斯向量；以及根据n个取样点所对应的史托克斯向量计算出穆勒矩阵，根据穆勒矩阵计算出至少一参数，并根据此参数计算出对应于生物组织的葡萄糖浓度。
以另外一个角度来说，本发明的实施例提出一种葡萄糖浓度的感测系统，此感测系统包括以下元件。光源用以产生光线。光学同调断层扫描装置用以接收光线，其中光学同调断层扫描包括至少一个感测器。控制模块根据感测器所接收到的信号来计算穆勒矩阵，根据穆勒矩阵来计算光学旋转角以及非偏振指数，并根据光学旋转角与非偏振指数计算对应至一样本的葡萄糖浓度。
在一些实施例中，光学同调断层扫描装置包括：偏振状态产生器，用以接收光线并改变光线的偏振状态；第一侦测模块，用以补偿光线且分光光线；第二侦测模块，耦接至第一侦测模块且用以分光光线；参照臂，设置于第二侦测模块的一侧；以及量测臂，设置于第二侦测模块的另一侧。
在一些实施例中，偏振状态产生器包括：偏光片与四分之一波片，用以接收光线；以及多个第一透镜，设置于光源与偏光片与四分之一波片之间。第一侦测模块包括：第一非偏振分光器，具有第一侧、第二侧、第三侧与第四侧，其中第一侧是相对于第三侧，第二侧是相对于第四侧，并且偏光片与四分之一波片是设置于第一非偏振分光器的第一侧；第一反射镜，设置于第一非偏振分光器的第二侧；第一色散补偿器，设置于第一反射镜与第一非偏振分光器之间；第一感测器，设置于第一非偏振分光器的第四侧；以及第二透镜，设置于第一非偏振分光器与第一感测器之间。其中第二侦测模块包括：第二非偏振分光器，设置于第一非偏振分光器的第三侧并具有第一侧、第二侧、第三侧与第四侧，其中第二非偏振分光器的第一侧是相对于第二非偏振分光器的第三侧，第二非偏振分光器的第二侧是相对于第二非偏振分光器的第四侧；第二感测器，设置于第二非偏振分光器的第四侧；第三透镜，设置于第二非偏振分光器与第二感测器之间；以及第一补偿器，设置于第二非偏振分光器与第三透镜之间。参照臂包括：扫描台，设置于第二非偏振分光器的第二侧；第二反射镜，设置于扫描台与第二非偏振分光器之间；可变波片，设置于第二反射镜与第二非偏振分光器之间；以及第二补偿器，设置于第二非偏振分光器与可变波片之间。量测臂包括：样本台，设置于第二非偏振分光器的第三侧；第三反射镜，设置于第二非偏振分光器与样本台之间；样本，设置于第三反射镜与第二非偏振分光器之间；以及第二色散补偿器，设置于第二非偏振分光器与样本之间。
在一些实施例中，第一补偿器包括两个四分之一波片与一个二分之一波片，第二补偿器包括两个四分之一波片与一个二分之一波片。
在一些实施例中，控制模块旋转偏光片与四分之一波片，并且调整可变波片以产生由第二感测器感测到的16个干涉信号。控制模块根据这16个干涉信号计算穆勒矩阵。
在一些实施例中，控制模块根据上述方程式(8)取得光学路径长度，并根据上述方程式(9)计算对应至样本的葡萄糖浓度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是根据一实施例绘示非侵入式葡萄糖浓度的感测系统的系统示意图；
图2是根据一实施例绘示用以接收穿透自生物组织的光线的感测系统；
图3是根据一实施例绘示产生线偏振的偏振状态产生器的示意图；
图4a、4b、5a、5b是根据一些实施例绘示参数与葡萄糖浓度之间的关系；
图6是根据一实施例绘示葡萄糖浓度的感测方法的流程图；
图7是根据一些实施例绘示葡萄糖浓度的感测系统700的示意图；
图8是根据一实施例绘示非偏振指数与光学路径长度之间关系的示意图；
图9是根据一实施例绘示计算出的葡萄糖浓度与真实的葡萄糖浓度之间的关系曲线图。
具体实施方式
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
图1是根据一实施例绘示非侵入式葡萄糖浓度的感测系统的系统示意图。请参照图1，感测系统100包括光源110、偏振状态产生器(偏振状态产生器，PSG)120、生物组织130、偏振状态分析器(polarization state analyzer，PSA)140与控制模块150。在一些实施例中，感测系统100可实作为可携式装置，其中一或多个元件可以整合在单一个装置当中，但本发明并不限制感测系统100的形状与大小。
光源110是用以发出光线111，光源110可为激光光源或宽频光源，本发明并不限制光线111的种类与频率等。在一些实施例中，光源110为氦氖激光(He-Ne laser)。
偏振状态产生器120是用以接收光线111，并且改变光线111的偏振状态。例如，偏振状态产生器120包括了偏光片121、光电调变器(electro-optic modulator，EO)122、四分之一波片(quarter-wave plate)123与二分之一波片(half-wave plate)124。在此实施例中，偏光片121是设置于光源110与光电调变器122之间，四分之一波片123是设置于光电调变器122与生物组织130之间，二分之一波片124是设置于四分之一波片123与生物组织130之间。换言之，光线111在依序通过偏光片121、光电调变器122、四分之一波片123与二分之一波片124以后会射向生物组织130。
在一些实施例中，生物组织130为人的手指，光线在射向生物组织以后会反射至偏振状态产生器140。然而，在其他实施例中生物组织130也可以是任意动物的任意器官或身体部位，或者生物组织130也可以是位于一容器/载体上的血液或其他组织，本发明并不在此限。
偏振状态分析器140会接收从生物组织130反射的光线。例如，偏振状态分析器140包括了光电调变器141(亦称第二光电调变器)、光电调变器142(亦称第三光电调变器)、分析器(analyzer)143与侦测器144。其中光电调变器141设置于生物组织130与光电调变器142之间，分析器143设置于光电调变器142与侦测器144之间。也就是说，侦测器144是用以接收穿透过光电调变器141、光电调变器142与分析器143的光线。
控制模块150会控制光电调变器122、141、142，并接收来自侦测器144的电子信号，借此计算出对应于生物组织130的葡萄糖浓度。在一些实施例中，控制模块150包括连接器151、计算机系统152、波形产生器153与光电驱动器154～156。连接器151是耦接至侦测器144、计算机系统152与波形产生器153。计算机系统152透过连接器151接收来自于侦测器144的信号，并透过连接器151传送指令/信号至波形产生器153，借此波形产生器153会控制光电驱动器154～156以产生对应的电子信号至光电调变器122、141、142。然而，本发明并不在此限，在其他实施例中控制模块150可以实作为任意的硬件、软件或其组合。
在上述实施例中是使用光电调变器来改变光的偏振状态，但在其他实施例中也可以使用其他类型的调变器。例如，光电调变器122、141、142其中的一或多者可替换为磁力式、压力式或任何适当类型的调变器。
在图1中，感测系统100为非侵入式的，所感测的是反射自生物组织130的光线，但在其他实施例中也可以感测穿透自生物组织130的光线。例如，请参照图2，图2与图1相似的元件并不再重复赘述，在图2中光线111在经过偏振状态产生器120以后会射向生物组织130并穿透生物组织130，而偏振状态分析器140会接收穿透过生物组织130的光线。然而，不论所感测的是反射或是穿透的光线，都不影响后续关于葡萄糖的计算。
以下将说明如何计算出葡萄糖浓度，首先须说明的是史托克斯向量(stokesvector)与穆勒矩阵(Mueller matrix)。一个史托克斯向量具有4个参数，一般表示为S0、S1、S2、S3，参数S0指的是光线(电磁波)中电场在两个相互垂直的方向上的能量的相加，而参数S1指的是电场在这两个方向上能量的相减，而参数S2、S3是用以补足偏振的角度与旋转方向等信息。然而，本领域具有通常知识者当可理解史托克斯向量的定义，在此不再详细赘述。
一般的光学取样可表示为Sout＝M×Sin，其中Sin为射向生物组织的光线的史托克斯向量，Sout为从生物组织反射或穿透的光线的史托克斯向量，而生物组织的光学特性可以表示为穆勒矩阵M(以下亦称宏观穆勒矩阵)，如以下方程式(1)所示。
穆勒矩阵M可以进一步透过多个微分穆勒矩阵来描述不同的光学性质。在此假设光线是沿着右手笛卡尔(right-handed Cartesian)座标系统的Z轴传递。微分穆勒矩阵可由以下方程式(2)所计算。
m＝(dM/dz)M-1 …(2)
其中m表示微分穆勒矩阵。另外，穆勒矩阵M与微分穆勒矩阵m的特性向量(eigenvectors)分别表示为VM和Vm；穆勒矩阵M与微分穆勒矩阵m的特性值(eigenvalues)分别表示为λM和λm。假设初始状态的穆勒矩阵MZ＝0具有单位矩阵的形式，则特性值λM和λm会有以下方程式(3)的关系，借此可以算出特性值λm。
λm＝ln(λM)/Z …(3)
若把多个特性值λm组成对角矩阵mλ，则可以根据以下方程式(4)对于穆勒矩阵M进行特性分析以计算出微分穆勒矩阵m。
根据上述的微分穆勒矩阵分析，一般的非等向性(anistropic)样本可以被分为16种不同的元素(elements)，而每个元素是用不同的角度来描述基本的光学行为。在此，MLB、MCB、MLD、MCD是分别用来描述线性双折射(linear birefringence，LB)、旋性双折射(circular birefringence，CB)、线性双衰减(linear dichroism，LD)与旋性双衰减(circular dichroism，CD)等光学特性的宏观穆勒矩阵。微分矩阵mBD所表示的是结合LB、CB、LD、CD光学特性的复合样本，可表示如以下方程式(5)。
其中d表示样本的厚度，α与β分别是LB特性的旋转角度(orientation angle)与相位延迟(phase retardation)。γ是CB特性的光学旋转角(光学旋转角)。θd与D分别是LD特性的旋转角度与线性双衰减。R是CD特性的旋性振幅异向(circular amplitudeanisotropy)，R是大于等于-1且小于等于1。更具体来说，R＝(rR-rL)/(rR+rL)，其中rR与rL分别是右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的吸收率(absorption)。
此外，在非偏振非等向性(depolarizing anisotropic)的介质中，描述非偏振效应的微分穆勒矩阵可表示为以下方程式(6)。
其中对角化的非偏振可表示为不同的参数K'iq、K'iu、K'iv。而异常双衰减(anomalous dichroism)与异常非偏振(anomalous depolarization)则分别表示为参数K'q，u，v与η'q，u，v。
将上述方程式(5)、(6)相加，则用来描述非等向性光学样本的LB、CB、LD、CD与非偏振等光学特性的微分穆勒矩阵可表示为以下方程式(7)。
在系统操作中，宏观的穆勒矩阵M可透过以上方程式(1)来计算出，而微分穆勒矩阵可根据方程式(4)来计算出。方程式(4)所计算出的微分穆勒矩阵会相等于方程式(7)的微分矩阵，借此可以计算出多个光学参数来描述样本的非等向性行为。透过这样的作法，旋转角度α、相位延迟β、光学旋转角γ、旋转角度θd、线性双衰减D与旋性振幅异向R可分别表示为以下方程式(8)～(13)。
类似地，描述非偏振效应的微分穆勒矩阵可表示为以下方程式(14)。
根据上述方程式(4)，对微分矩阵mΔ执行反向的微分计算以后，宏观的穆勒矩阵MΔ可表示为以下方程式(15)。
其中K22与K33分别是线性非偏振的程度(degree of linear depolarization)，而K44是旋性非偏振的程度。一般来说，非偏振的程度是量化为非偏振指数(非偏振指数，Δ)，当此非偏振指数为0时表示非偏振样本，当此非偏振指数为1时表示理想的非偏振器(depolarizer)。此非偏振指数可表示为以下方程式(16)。
请参照图1，在此说明如何计算穆勒矩阵。在一些实施例中，偏光片121的主要轴(principal axis)为0度，光电调变器122的主要轴为45度，四分之一波片123的主要轴为45度，并且二分之一波片124的主要轴为45度。此外，光源110射出的光线表示为史托克斯向量Sin，而偏振状态产生器的120所射出的光线可表示为史托克斯向量S′，这两者的关系如以下方程式(17)。
S′＝H(45°)Q(45°)EO(45°)P(0°)Sin…(17)。
方程式(17)可以进一步表示为以下方程式(18)。
其中a为光电调变器122中调整相位延迟的参数。光电驱动器154会输出一个电子信号161给光电调变器122以改变参数a。具体来说，参数a可表示为以下方程式(19)。
其中V为常数，Vλ/2为电子信号161的振幅。在一些实施例中，电子信号161为周期性的锯齿(sawtooth)信号，但本发明并不在此限，在其他实施例中也可以采用正弦、余弦、方波或其他具有任意波形的信号。另外，在此实施例中电子信号161为周期性信号，但在其他实施例中也可以为非周期性信号。
在图1的实施例中偏振状态产生器120是用以产生旋性偏振(circularpolarization)的光线，但在其他实施例中偏振状态产生器120也可以用来产生线偏振(linear polarization)的光线。举例来说，请参照图3，偏振状态产生器120可包括偏光片121、光电调变器122与四分之一波片125，其中偏光片121的主要轴为0度，光电调变器122的主要轴为45度，四分之一波片125的主要轴为45度。在图3的实施例中，史托克斯向量Sin和史托克斯向量S′之间的关系如以下方程式(20)、(21)。
S′＝Q(0°)EO(45°)Sin…(20)
同样的，光电驱动器154会输出电子信号161给光电调变器122以改变参数a。不论是旋性偏振或是线性偏振，光电调变器122都是用来改变光线的偏振状态。由于某一偏振状态的光线具有四个史托克斯参数，但穆勒矩阵中有16个未知数，因此至少需要4道不同偏振状态的光线才可以解出穆勒矩阵。在此实施例中，在电子信号161的一个周期中具有n个取样点，这n个取样点都是对应至不同的参数a，也就是说这n个取样点是对应至n个彼此不相同的偏振状态。此外，n为大于等于4的正整数，例如n可为200，但本发明并不在此限。在其他实施例中，正整数n也可以是大于50、100或300的任意数值。
这些不同偏振状态的光线都会射向生物组织130，经由反射或穿透以后由偏振状态分析器140所接收。在一些实施例中，光电调变器141的主要轴为0度，光电调变器142的主要轴为45度，分析器143的主要轴为0度。因此，侦测器144所接收到的光线的史托克斯向量SOUT可表示为以下方程式(22)。
SOUT＝A(0°)EO(45°)EO(0°)S'…(22)
方程式(22)可以再进一步表示为以下方程式(23)。
其中β1与β2分别是光电调变器141、142中调整相位延迟的参数，同样可以用上述方程式(19)来控制。也就是说，光电驱动器155、156会分别传送电子信号至光电调变器141、142，而这两个电子信号的振幅便是上述方程式(19)中的Vλ/2。因此，侦测器144所接收到的光线的亮度可以表示为以下方程式(24)。
I(β1，β2)＝A+B cosβ2+C sinβ1sinβ2+D cosβ1sinβ2…(24)
如果参数β1与β2相同，则方程式(24)可改写为以下方程式(25)。
I(β1)＝A+B cos(β1)+C sin(2β1)+D sin(2β1)…(25)
其中亮度参数A＝0.5S0-0.25S2，B＝0.5S1，C＝0.25S2，D＝0.25S3。控制模块150可以对侦测器144所接收到的光线的亮度执行傅立叶转换以取得亮度参数A、B、C、D，并根据这些亮度参数计算出对应的史托克斯向量中的史托克斯参数。具体来说，亮度参数A、B、C、D是分别用以下方程式(26)～(29)来计算。
其中βλ/2为产生的半波延迟(induced half-wave retardation)。在计算出亮度参数A、B、C、D以后，便可以计算出史托克斯参数S0～S3。
对于电子信号中每一个取样点，控制模块都会根据偏振状态分析器所接收的光线计算出对应的史托克斯向量。在此实施例中，在一个周期中具有200个史托克斯向量，因此可以根据上述方程式(1)计算出穆勒矩阵M，接着再根据方程式(3)、(4)计算出对应的微分穆勒矩阵m。在取得微分穆勒矩阵以后，便可以根据上述的方程式(8)～(13)计算出旋转角度α、相位延迟β、光学旋转角γ、旋转角度θd、线性双衰减D与旋性振幅异向R等参数。在一些实施例中，可能不存在一组参数α、β、γ、θd、D、R使得上述的方程式(4)与方程式(7)完全相等，因此在一些实施例中可以透过一些数值方法找到一组参数α、β、γ、θd、D、R使得方程式(4)与方程式(7)之间的误差最小。举例来说，可以把方程式(4)与方程式(7)之间各元素的方均根差当作目标函数，并把参数α、β、γ、θd、D、R当作DNA来执行基因演算法。然而，本发明并不限制如何找到参数α、β、γ、θd、D、R。另一方面，根据上述方程式(14)～(16)可计算出非偏振指数Δ。在此实施例中，光学旋转角γ与非偏振指数Δ可用来计算出葡萄糖浓度。
具体来说，图4a、4b、5a、5b是根据一些实施例绘示参数与葡萄糖浓度之间的关系。在图4a所绘示的是光学旋转角γ与葡萄糖浓度之间的关系，可以看出两者之间的关系是线性的递增。在图4b所绘示的是非偏振指数Δ与葡萄糖浓度之间的关系，可以看出两者之间的关系是线性的递减。图5a与图4a类似，图5b与图4b类似，但葡萄糖的浓度并不相同，值得一提的是，从图5a、5b中可以看出可以量测出约20mg/dl的葡萄糖浓度。
在一些实施例中，控制模块150可以将参数γ输入至一个线性递增函数以计算出葡萄糖浓度，或将参数Δ输入至一个线性递减函数以计算出葡萄糖浓度。上述的线性递增函数或线性递减函数可表示为y＝ax+b，其中y为葡萄糖浓度，x为参数γ或Δ，a、b为常数。然而，本发明并不在此限，在其他实施例中也可以将参数γ、Δ、或其组合当作输入，把已知的葡萄糖浓度当作输出来做回归分析以取得一个数学模型中的常数，此数学模型可以是线性(如本实施例所示)、多项式函数、指数函数等其他函数，本发明也不限制数学模型中要使用几个常数。例如，若使用多项式函数，则可以表示为y＝ax2+bx+c，其中a、b、c为常数，而x为参数γ或Δ。本领域具有通常知识者当可理解回归分析而设计出不同的数学模型。或者，也可以将参数γ、Δ、或其组合当作输入，把已知的葡萄糖浓度当作输出来训练一个机器学习的模型，此模型可以是类神经网路、支持向量机(support vector machine)等。在一些实施例中，参数γ、Δ、或其组合也可以仅是输入的一部分。
在上述实施例中是利用微分穆勒矩阵来计算出参数γ、Δ，然而在其他实施例中也可以透过将穆勒矩阵分解的方式来计算出参数γ、Δ，本发明并不限制使用何种演算法来计算出参数γ、Δ。举例来说，可参照Thi-Thu-Hien Pham和Yu-Lung Lo发表的学术论文“Extraction of effective parameters of turbid media utilizing Mueller matrixapproach：study of glucose sensing”，Journal of Biomedical Optics 17(9)，097002(2012)，其中揭示了另一种计算参数γ、Δ的演算法，也可以适用于本申请案的感测系统。另一方面，在上述实施例中偏振状态分析器140中是使用傅立叶转换来计算出史托克斯向量，但在其他实施例中也可以采用其他合适的装置与演算法来计算出史托克斯向量，本发明并不在此限。
在上述实施例中，在电子信号的一个周期内便可以计算出葡萄糖浓度，此周期例如是1/80k秒，因此可以在很短的时间内完成量测，此较短的时间可以避免外在因素的干扰，进而增加量测的准确度。在一些实施例中，可以在每个周期都计算出一个葡萄糖浓度，并且在一段时间(例如为1秒)以后将所计算出的葡萄糖浓度取平均值。然而，本领域具有通常知识者当可对上述的周期与时间等参数做调整，本发明并不在此限。或者，也可以将所计算出的多个葡萄糖浓度做一些数值处理，例如去除杂讯，去除极端值等，本发明也不限制后续要使用什么数值处理。
图6是根据一实施例绘示葡萄糖浓度的感测方法的流程图，此方法可应用于图1、图2或图3的实施例。在步骤S601中，传送电子信号至偏振状态产生器中的调变器，其中电子信号具有n个取样点。在步骤S602中，对于每一个取样点，根据偏振状态分析器所接收的光线计算出对应的史托克斯向量。在步骤S603中，根据n个取样点所对应的史托克斯向量计算出穆勒矩阵，根据穆勒矩阵计算出至少一参数，并根据参数计算出对应于生物组织的葡萄糖浓度。然而，图6中各步骤已详细说明如上，在此便不再赘述。值得注意的是，图6中各步骤可以实作为多个程式码或是电路，本发明并不在此限。此外，图6的方法可以搭配以上实施例使用，也可以单独使用，换言之，图6的各步骤之间也可以加入其他的步骤。
在本发明实施例提出的葡萄糖感测方法与系统中，可以量测到20mg/dl这么低的葡萄糖浓度。此外，上述的葡萄糖感测系统可以是非侵入式的量测，仅需要将光线照射在人的手指上，使得葡萄糖的量测非常简易方便。
图7是根据一些实施例绘示葡萄糖浓度的感测系统700的示意图。请参照图7，系统700包括了光源701与光学同调断层扫描(optical coherence tomography，OCT)装置。光源701(例如采用热光源来增进轴向的分辨率)是用以产生光线。上述的光学同调断层扫描装置包括了：偏振状态产生器730，用以接收光线并改变光线的偏振状态；第一侦测模块740，用以补偿并分光(split)此光线；第二侦测模块750耦接至第一侦测模块740，用以再次的分光此光线；参照臂760，设置在第二侦测模块750的一侧；量测臂770，设置在第二侦测模块750的另一侧。
具体来说，光线会穿过透镜702、703，接着射向组合在一起的偏光片与四分之一波片704。第一非偏振分光器(non-polarizing beam splitter，NPBS)705具有第一侧705a、第二侧705b、第三侧705c与第四侧705d，其中第一侧705a是相对于第三侧705c，而第二侧705b是相对于第四侧705d。偏光片与四分之一波片704是设置在第一非偏振分光器705的第一侧705a。固定的反射镜706是设置在第二侧705b。色散补偿器(dispersion compensator)707是设置在反射镜706与第一非偏振分光器705之间。感测器708设置在第一非偏振分光器705的第四侧705d。透镜709是设置在感测器708与第一非偏振分光器705之间。第二非偏振分光器710设置在第一非偏振分光器705的第三侧705c。非偏振分光器710具有第一侧710a、第二侧710b、第三侧710c与第四侧710d，其中第一侧710a是相对于第三侧710c，而第二侧710b是相对于第四侧710d。扫描台711是设置在第二侧710b。反射镜712是设置在扫描台711与非偏振分光器710之间。可变波片713是设置在反射镜712与非偏振分光器710之间。补偿器714是设置在可变波片713与非偏振分光器710之间，补偿器714包括了两个四分之一波片与一个二分之一波片。感测器715设置在第四侧710d。透镜716是设置在感测器715与非偏振分光器710之间。补偿器717是设置在透镜716与非偏振分光器710之间。补偿器717包括了两个四分之一波片与一个二分之一波片。样本台718设置在第三侧710c。反射镜719设置在样本台718与非偏振分光器710之间。样本720(例如生物组织)是设置在反射镜719与非偏振分光器710之间。色散补偿器721设置在样本720与非偏振分光器710之间。控制模块722是耦接至感测器708、715。
从光源701射出的光线会被非偏振分光器705分为两道光线，其中一道光线会往上射向反射镜706，另一道光线射向非偏振分光器710并且再次被分为两道光线，分别称为参照光线731与量测光线732。参照光线731会经过可变波片713，其是设计来控制偏振状态，接下来光线会被扫描台711上的反射镜712反射，其中扫描台711是用来执行路径长度的扫瞄。同时，量测光线732会经过色散补偿器721，色散补偿器721是用来补偿色散效应，接下来光线绘射向样本720。
控制模块722会根据感测器708、715接受到的信号来计算穆勒矩阵。具体来说，感测器708所接受到的信号是用来进行校正，而感测器715所接收到的信号是用来计算光线的强度。上述校正以及计算强度的程序可参照论文"Measurement of Multiple OpticalParameters of Birefringent Sample Using Polarization-Sensitive OpticalCoherence Tomography",C.-C.Liao,Y.-L.Lo,and C.-Y.Yeh,Journal of LightwaveTechnology,vol.27,pp.483-493,2009。
为了计算样本720的穆勒矩阵，偏光片与四分之一波片704会被旋转以产生四种不同偏振状态的光线给样本720，在此分别表示为H(水平的线偏振)、V(垂直的线偏振)、P(45°的线偏振)、以及R(右旋圆偏振)。此外，也可以调整可变波片713以改变参照光线731的偏振状态，依序表示为H、V、P、R以作为四道入射光线。如此一来，总共可以产生16个干涉信号来勘测样本720，并且感测器715会感测到这16个干涉信号。穆勒矩阵中的16个元素则可以根据以下方程式(30)来计算。
其中Mij是穆勒矩阵中第i行(row)第j列(column)的元素。在每个双偏振状态的记号中，左记号与右记号分别表示量测光线732与参照光线731的偏振状态。举例来说，记号HV指的是当量测光线732具有水平线偏振、参照光线731具有垂直线偏振时所对应到的干涉信号。
控制模块722也会根据方程式(30)所计算出的穆勒矩阵来计算出非偏振指数Δ。具体来说，量测光线732会穿过样本720两次(前向以及反向)。如图7所示，量测光线732会穿过非偏振分光器710，之后前向地射进样本720，由反射镜719反射，反向地射向样本720，最后由非偏振分光器710反射，并且由感测器715所感测。因此，图7的光学设置可用以下的穆勒矩阵表示方法来描述。
MCB/Dep,OCT＝MR,BSMCB/DepMMirrorMCB/DepMT,BS…(31)
MMirror是反射镜719的穆勒矩阵。MT,BS与MR,BS分别是非偏振分光器710在前向与反向时的穆勒矩阵。MCB/Dep是具有CB与非偏振光学特性的穆勒矩阵。对于方程式(31)中这些光学元件的穆勒矩阵，一般来说可以表示为以下方程式(32)～(34)。
因此，具有CB与非偏振光学特性的样本的穆勒矩阵(描述了旋性双折射与散射效应)可以表示为以下方程式(35)与(36)。
MCB/Dep＝MCBMΔ…(35)
其中γ是光学旋转角。值得注意的是，具有散射效应的微分穆勒矩阵可以表示为以下方程式(37)。
其中d1-3分别是在x-y、45度与圆轴上的非等向性吸收系数。ηv参数是非非偏振(nondepolarizing)特性的平均值。在执行微分计算的反函数以后，描述散射效应的宏观穆勒矩阵MΔ可表示为以下方程式(38)。
由于方程式(31)与方程式(30)中的穆勒矩阵会相等，因此可以得到方程式(36)、(38)中的变数。例如，可采用基因演算法来寻找这些变数，但本发明并不在此限。接下来，可根据以下方程式(39)来计算非偏振指数Δ。
接下来，控制模块722可根据光学旋转角与非偏振指数来计算样本的葡萄糖浓度。
图8是根据一实施例绘示非偏振指数与光学路径长度之间关系的示意图。首先，光学路径长度是根据非偏振指数来取得。请参照图8，当粒子的大小是远小于光线的波长时，瑞利(Rayleigh)模型描述了光线的散射。对于任意数值的平均自由路径(l)(mean freepath)与样本的长度(L)来说，有些光线可能会通过样本而不会遭遇到散体散射。由于光线在样本内传递距离x时会有累加的机率被散射，如以下方程式(40)，因此可以计算出非散射光(或非偏振指数)的比率。
p(x)＝1.0-e-x/l…(40)
因此，当光线在样本内传递距离x时，光线没有被散射的机率是表示为以下方程式(41)。
1-p(x)＝e-x/l…(41)
设定x＝L，可以根据以下方程式(42)计算出光线穿过整个样本且没有被散射的机率。因此，将非偏振指数带入方程式(42)以后便可以得到光学路径长度(l)。
Δ＝e-L/l…(42)
根据以下方程式(43)便可以计算出葡萄糖浓度。
其中γ是在实验中计算出的光学旋转角。L是根据方程式(40)计算出的光学路径长度。是样本在室温T下的光学旋转角，λ是光线的波长，此计算可以参考论文“Newoptical scheme for a polarimetric based glucose sensor”by R.R.Ansari,S.Bockleand L.Rovati,J.Biomed.Opt.9,pp.103-115(2204)。请参照图9，所计算出的葡萄糖浓度非常接近真实的葡萄糖浓度。值得注意的是，上述方程式(40)～(43)也可以应用在图1至图6的实施例中。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种葡萄糖浓度的感测系统，其特征在于，包括：
一光源，用以产生一光线；
一偏振状态产生器，用以接收该光线，该偏振状态产生器包括一调变器，该调变器用以改变该光线的偏振状态，其中经过该调变器的该光线用以射向一生物组织；
一偏振状态分析器，用以接收由该生物组织反射的该光线；以及
一控制模块，用以传送一电子信号至该调变器，其中该电子信号具有n个取样点，该n个取样点对应至该光线的n个偏振状态，该n个偏振状态彼此不相同，n为大于等于4的正整数，
对于每一该n个取样点，该控制模块根据该偏振状态分析器所接收的该光线计算出对应的史托克斯向量，
其中该控制模块根据该n个取样点所对应的该些史托克斯向量计算出一穆勒矩阵，根据该穆勒矩阵计算出至少一参数，
其中该控制模块根据该至少一参数计算出对应于该生物组织的一葡萄糖浓度，其中该至少一参数包括光学旋转角或非偏振指数。
2.根据权利要求1所述的感测系统，其特征在于，其中该偏振状态产生器还包括：
一偏光片，设置于该调变器与该光源之间，其中该偏光片的主要轴为0度；以及
一四分之一波片，设置于该调变器与该生物组织之间，其中该四分之一波片的主要轴为0度，
其中该调变器的主要轴为45度。
3.根据权利要求1所述的感测系统，其特征在于，其中该偏振状态产生器还包括：
一偏光片，设置于该调变器与该光源之间；
一四分之一波片，设置于该调变器与该生物组织之间；以及
一二分之一波片，设置于该四分之一波片与该生物组织之间。
4.根据权利要求3所述的感测系统，其特征在于，其中该调变器为一光电调变器，该偏光片的主要轴为0度，该光电调变器的主要轴为45度，该四分之一波片的主要轴为45度，并且该二分之一波片的主要轴为45度，
其中该偏振状态产生器所射出的该光线的史托克斯向量表示为以下方程式(1)、(2)：
其中S′为该偏振状态产生器所射出的该光线的该史托克斯向量，V为常数，Vλ/2为该电子信号的振幅。
5.根据权利要求2或3所述的感测系统，其特征在于，其中该偏振状态分析器包括：
一第二光电调变器，其主要轴为0度；
一第三光电调变器，其主要轴为45度，其中该第二光电调变器设置于该生物组织与该第三光电调变器之间；
一分析器，其主要轴为0度；以及
一侦测器，其中该分析器设置于该第三光电调变器与该侦测器之间，该侦测器用以接收穿透过该第二光电调变器、该第三光电调变器与该分析器的该光线。
6.根据权利要求5所述的感测系统，其特征在于，其中该控制模块用以对该侦测器所接收的该光线的亮度执行傅立叶转换以取得多个亮度参数，并根据该些亮度参数计算出对应的该史托克斯向量中的多个史托克斯参数。
7.根据权利要求6所述的感测系统，其特征在于，其中该控制模块根据以下方程式(3)、方程式(4)计算出该微分穆勒矩阵：
λm＝ln(λM)/z…(3)
其中z为该光线传输的方向，m为该微分穆勒矩阵，VM为该穆勒矩阵的特性向量，λM为该穆勒矩阵的特性值，λm为该微分穆勒矩阵的特性值，mλ为特性值λm组成的对角矩阵，该至少一参数包括该光学旋转角γ＝(m23-m32)/4。
8.根据权利要求7所述的感测系统，其特征在于，其中该控制模块根据该微分穆勒矩阵产生以下方程式(5)的微分穆勒矩阵：
该控制模块将该方程式(5)中的微分穆勒矩阵带入该方程式(4)以计算出以下方程式(6)的穆勒矩阵：
该至少一参数还包括以下方程式(7)的该非偏振指数Δ：
9.根据权利要求8所述的感测系统，其特征在于，其中该控制模块将该光学旋转角γ输入至一线性递增函数以计算出该葡萄糖浓度，或将该非偏振指数Δ输入至一线性递减函数以计算出该葡萄糖浓度。
10.根据权利要求8所述的感测系统，其特征在于，其中该控制模块根据以下方程式(8)取得一光学路径长度：
Δ＝e-L/l…(8)
其中Δ为该非偏振指数，L为该生物组织的长度，l为该光学路径长度，
其中该控制模块计算根据以下方程式(9)计算对应至该生物组织的该葡萄糖浓度：
其中C为该葡萄糖浓度，γ为该光学旋转角，是在室温T下该生物组织的光学旋转角，λ是该光线的波长。
11.一种葡萄糖浓度的感测方法，其特征在于，适用于一葡萄糖感测系统，该葡萄糖感测系统包括一光源、一偏振状态产生器与偏振状态分析器，该光源产生的一光线传送至该偏振状态产生器后射向一生物组织，该偏振状态分析器接收由该生物组织反射的该光线，该葡萄糖感测方法包括：
传送一电子信号至该偏振状态产生器中的一调变器，其中该电子信号具有n个取样点，该n个取样点对应至该光线的n个偏振状态，该n个偏振状态彼此不相同，n为大于等于4的正整数；
对于每一该n个取样点，根据该偏振状态分析器所接收的该光线计算出对应的一史托克斯向量；以及
根据该n个取样点所对应的该些史托克斯向量计算出一穆勒矩阵，根据该穆勒矩阵计算出至少一参数，并根据该至少一参数计算出对应于该生物组织的一葡萄糖浓度，其中该至少一参数包括光学旋转角或非偏振指数。
12.一种葡萄糖浓度的感测系统，其特征在于，该感测系统包括：
一光源，用以产生光线；
一光学同调断层扫描装置，用以接收该光线，其中该光学同调断层扫描包括至少一感测器；以及
一控制模块，根据该至少一感测器所接收到的信号来计算一穆勒矩阵，根据该穆勒矩阵来计算一光学旋转角以及一非偏振指数，并根据该光学旋转角与该非偏振指数计算对应至一样本的葡萄糖浓度。
13.根据权利要求12所述的感测系统，其特征在于，该光学同调断层扫描装置包括：
一偏振状态产生器，用以接收该光线并改变该光线的偏振状态；
第一侦测模块，用以补偿该光线且分光该光线；
第二侦测模块，耦接至该第一侦测模块且用以分光该光线；
一参照臂，设置于该第二侦测模块的一侧；以及
一量测臂，设置于该第二侦测模块的另一侧。
14.根据权利要求13所述的感测系统，其特征在于，其中该偏振状态产生器包括：
偏光片与四分之一波片，用以接收该光线；以及
多个第一透镜，设置于该光源与该偏光片与四分之一波片之间，
其中该第一侦测模块包括：
第一非偏振分光器，具有第一侧、第二侧、第三侧与第四侧，其中该第一侧是相对于该第三侧，该第二侧是相对于该第四侧，并且该偏光片与四分之一波片是设置于该第一非偏振分光器的该第一侧；
第一反射镜，设置于该第一非偏振分光器的该第二侧；
第一色散补偿器，设置于该第一反射镜与该第一非偏振分光器之间；
第一感测器，设置于该第一非偏振分光器的该第四侧；以及
第二透镜，设置于该第一非偏振分光器与该第一感测器之间，
其中该第二侦测模块包括：
第二非偏振分光器，设置于该第一非偏振分光器的该第三侧并具有第一侧、第二侧、第三侧与第四侧，其中该第二非偏振分光器的该第一侧是相对于该第二非偏振分光器的该第三侧，该第二非偏振分光器的该第二侧是相对于该第二非偏振分光器的该第四侧；
第二感测器，设置于该第二非偏振分光器的该第四侧；
第三透镜，设置于该第二非偏振分光器与该第二感测器之间；以及
第一补偿器，设置于该第二非偏振分光器与该第三透镜之间，
其中该参照臂包括：
扫描台，设置于该第二非偏振分光器的该第二侧；
第二反射镜，设置于该扫描台与该第二非偏振分光器之间；
可变波片，设置于该第二反射镜与该第二非偏振分光器之间；以及
第二补偿器，设置于该第二非偏振分光器与该可变波片之间，
其中该量测臂包括：
样本台，设置于该第二非偏振分光器的该第三侧；
第三反射镜，设置于该第二非偏振分光器与该样本台之间；
该样本，设置于该第三反射镜与该第二非偏振分光器之间；以及
第二色散补偿器，设置于该第二非偏振分光器与该样本之间。
15.根据权利要求14所述的感测系统，其特征在于，该第一补偿器包括两个四分之一波片与一个二分之一波片，
其中该第二补偿器包括两个四分之一波片与一个二分之一波片。
16.根据权利要求15所述的感测系统，其特征在于，该控制模块旋转该偏光片与四分之一波片，并且调整该可变波片以产生由该第二感测器感测到的16个干涉信号，
其中该控制模块根据该16个干涉信号计算该穆勒矩阵。
17.根据权利要求16所述的感测系统，其特征在于，该控制模块根据以下方程式(1)取得光学路径长度：
Δ＝e-L/l…(1)
其中Δ是该非偏振指数，L是该样本的长度，l是该光学路径长度，
其中该控制模块根据以下方程式(2)计算对应至该样本的该葡萄糖浓度：
其中C是该葡萄糖浓度，γ是该光学旋转角，是该样本在室温T下的光学旋转角，λ是该光线的波长。
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