CN113382682A - 具有窄光路和询问光束的单糖浓度传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括一个或多个光能源的葡萄糖传感器。在各种实施例中，一个或多个分束器/合束器被实施为从一个或多个光能源接收光能。一个或多个分束器/合束器向检测器提供光能，以确定身体组织中的葡萄糖。

Description

具有窄光路和询问光束的单糖浓度传感器和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月4日提交的、标题为“具有窄光路和询问光束的单糖浓度传感器和方法”的第62/788,587号美国申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入于此，以用于所有目的。
技术领域
本发明涉及流体中单糖(或单糖(monosaccharide))含量的监测。更具体地，本发明使用与偏振器结合的光学能源来确定受试流体的糖水平(例如葡萄糖)相对于基线浓度(例如血液)的变化。
背景技术
单糖根据方程Θ＝α×L×C改变通过它的光能的偏振，其中，L是光能通过糖集中的流体的传播长度，C是糖浓度，α是常数，该常数取决于糖的类型、光能的波长和流体。如果L和α是已知的，通过测量经过含糖流体的光能的偏振相对于基线测量的变化，可以导出流体的糖浓度。
该原理可以用于例如非侵入性地确定人血液的葡萄糖浓度。正常血液的葡萄糖浓度C是非零的，这导致光能经过血液时偏振发生变化。对于葡萄糖浓度为70毫克/分升、α＝45.62(x10-6)度/毫米/(毫克/分升)、光能波长为633纳米以及路径长度为3.0毫米的情况，将有Θ＝0.00958度的旋转。测量由糖引起的旋转变化可以推导出当前的糖浓度。
发明内容
提供了一种用于测量葡萄糖的非侵入式系统。该系统可以包括发射能够穿透身体组织的光的第一光源。可设置分束器/合束器来接收光。可以包括第一检测器，并且第一检测器可以光学耦合到该分束器/合束器。第二检测器可以光学耦合到该分束器/合束器。第一检测器和第二检测器可以被操作以响应于光来测量身体组织中的葡萄糖。
第一检测器和第二检测器可以通过计算第一检测器检测到的光和第二检测器检测到的光的振幅之差来测量身体组织中的葡萄糖。第一检测器和第二检测器中的至少一个可以包括偏振器。
在各种实施例中，该系统具有靠近第一光源的第一偏振器，用于接收从第一光源发射的光的至少一部分并用于提供第一偏振光，以及具有第二偏振器，用于在第一偏振光经过身体组织之后接收第一偏振光的至少一部分并提供第二偏振光。第一检测器可以定位为经由分束器/合束器检测第一偏振光的至少一部分。第二检测器可以定位为经由分束器/合束器检测第二偏振光的至少一部分。第一检测器和第二检测器中的至少一个可以确定第一偏振光和第二偏振光中的至少一个的相对强度。
在非侵入式系统的一些实施例中，提供了第二光源。第二光源可以发射能够穿透身体组织的第二光，第一光源和第二光源都向第二分束器/合束器提供光。第二分束器/合束器可以组合来自第一光源和第二光源的光，以提供给身体组织。
在各种情况下，第一光源是准直光源。在各种情况下，第一光源是准直光源，第二光源是非准直光源。此外，在各种情况下，第一光源是激光器。
提供了另一种用于测量葡萄糖的非侵入式系统。该系统可以具有发射第一光的第一光源、被配置为接收第一光并使第一光偏振的偏振器、发射能够穿透身体组织的第二光的偏振器、由偏振的第一光构成的第二光、以及在第二光穿入、穿过和穿出身体组织之后接收该第二光的第一分束器/合束器。可设有光学耦合到第一分束器/合束器以接收第二光的第一检测器、光学耦合到第一分束器/合束器以接收第二光并发射由另一偏振的第二光构成的第三光的第二偏振器、以及光学耦合到第二偏振器以接收第三光的第二检测器。第一检测器和第二检测器可以通过比较第二光的强度和第三光的强度来测量身体组织中的葡萄糖。
在各种实施例中，该系统具有发射第四光的第二光源、以及接收第二光和第四光并将第二光和第四光提供给身体组织以穿入身体组织中的第二分束器/合束器。第一分束器/合束器还接收穿入、穿过和穿出身体组织的第四光。
此外，第一检测器可以光学耦合到分束器/合束器，以进一步接收第四光。第二和/或第一检测器响应于第四光执行校准。第一光源和第二光源可以同时发光。第一光源和第二光源可以同时发光，其中第一光源发射具有第一中心频率的第一光，第二光源发射具有第二频率的第四光，第一中心频率和第二中心频率是不同的频率。此外，第一光源可以发射脉冲的第一光。第一光源可以发射由第一调制进行调制的第一光，并且其中第一检测器和第二检测器中的至少一个检测该第一调制。第一光源可以发射准直光，第二光源可以发射非准直光。第一光源可以发射非准直光，第二光源可以发射准直光。
还提供了一种方法。一种非侵入式葡萄糖测量方法可以包括：提供发射能够穿透身体组织的光的第一光源，以及提供接收光的分束器/合束器。该方法可以包括：提供光学耦合到分束器/合束器的第一检测器，以及提供光学耦合到分束器/合束器的第二检测器。在各种情况下，操作第一检测器和第二检测器来测量身体组织中的葡萄糖。
该方法可以包括其他方面。例如，该方法可以包括：提供靠近第一光源的第一偏振器，用于接收从第一光源发射的光的至少一部分，并用于提供第一偏振光。该方法可以包括：提供第二偏振器，以在第一偏振光通过身体组织之后接收第一偏振光的至少一部分，并提供第二偏振光。在各种实施例中，第一检测器被定位为经由分束器/合束器检测第一偏振光的至少一部分，第二检测器被定位为经由分束器/合束器检测第二偏振光的至少一部分。在各种实施例中，第一检测器和第二检测器中的至少一个确定第一偏振光和第二偏振光中的至少一个的相对强度。
该方法还可以包括：为第一检测器和第二检测器中的至少一个提供偏振器。此外，第一检测器和第二检测器可以通过计算第一检测器检测到的光和第二检测器检测到的光的振幅之差来测量身体组织中的葡萄糖。
附图说明
图1A是本发明实施例的系统图；
图1B是包括反馈方面的本发明实施例的系统图；
图2A是图1A的系统图，示出了人耳使用的实施例；
图2B是图1B的系统图，示出了人耳使用的实施例；
图3是人耳的光学组织模型；
图4是人耳的光学组织模型，描绘了具有相对相似特性的各种光路；
图5是人耳的光学组织模型，描绘了具有相对不同特性的各种光路；
图6描绘了根据各种实施例的具有窄光路的单糖浓度传感器和方法的示例实施例；以及
图7描绘了根据各种实施例的单糖浓度传感器和方法的示例性实施例，其具有窄光路并且还包括询问光束。
具体实施方式
图1A-B示出了本发明的实施例20，其包括光能源22、第一偏振器24、与第一偏振器24间隔一定距离并相对于第一偏振器24具有旋转Θ的第二偏振器26、第一检测器28、与第一检测器28并置的第二检测器30、以及电路46。第一探测器28和第二探测器30中的每一个被定向成接收穿过空间32的光能。在优选实施例中，第一检测器28和第二检测器30是硅检测器。在此使用的“并置”意味着彼此靠近放置，本公开将在下面讨论即使这样的靠近放置、如何也可提供来自公共光源的光，该光由于耳组织的变化而没有以近似相等的强度进入每个检测器，并且将公开解决相关挑战的进一步解决方案。
此外，尽管实施例公开了硅检测器的使用，但是也可以使用其他类型的检测器(例如，光敏电阻)。如图1B所示，在各种情况下，反馈电路99使光能源22和第一检测器28互连，尽管在另外的情况下该反馈电路99可以使光能源22和第二检测器30互连。反馈电路99响应于在第一检测器28、或在另外的情况下在第二检测器30接收到的光能的能量来调节来自光能源22的光能的源光能量值。
当被激励时，光能源22产生具有发射图案36的初始光能34。光能源22优选是红色光源，例如红色发光二极管(LED)或激光器，但是也可以是近红外的。最终，初始光能34的波长必须受到受试流体中糖的存在的影响，并且同时也穿过容纳流体的另一个容器。来自光能源22的初始光能34的量值被称为源光能量值。
第一偏振器24位于光能源22附近，使得初始光能34穿过第一偏振器24并变成偏振能量38。偏振能量38穿过第一偏振器24和第二偏振器26之间的空间32，其中偏振能量38的第一部分40被第一检测器28检测到，偏振能量38的第二部分42穿过第二偏振器26、到达第二检测器30。值得注意的是，第一检测器28和第二检测器30并置，尽管第二偏振器26靠近第二检测器30。因为空间32在图1中是空置的，所以穿过空间32的偏振能量38不会因为例如流体中存在糖而旋转。
优选地，第一偏振器24和第二偏振器26是线性偏振膜，因为这种膜与其他可用的替代物相比是便宜的。然而，这种膜对于可见光谱中的能量波长是最佳的。可以使用其他偏振器，只要选择光能源22的选定波长以最佳地对应即可。例如，替代偏振器可以是线栅或全息偏振器，其被优化配置以用于本发明中，具有近红外和红外波长的能量。
优选地，第一偏振器24和第二偏振器26之间的旋转差是四十五度(或四十五度的整数倍)加上由基线引起的旋转。在这种最佳情况下，相对于基线的浓度变化至少在最初是沿着正弦波的最线性部分移动的，这使得检测旋转变化比进一步远离波的斜率为1的地方和进一步朝向斜率为0的地方(即：正弦波的波峰和波谷)移动更容易。例如，当在长度L上使用100毫克/分升的基线葡萄糖浓度时，Θ等于0.014度。在这种情况下，偏振器之间的旋转应该是45.014度。然而，浓度相对于基线的变化越大，旋转与浓度变化的相关性就越非线性。
第一检测器28和第二检测器30电耦合到电路46。电路46比较第一检测器28和第二检测器30检测到的光的相对强度。
图2A-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。人耳68在空间32内的优选取向是使得偏振能量38大致平行于横向轴(lateral axis)而穿过人耳68，其中L是沿着被测流体的轴的距离。对于大多数人的耳朵来说，L大约是三毫米的富含毛细血管和血管的皮肤。
当被激励时，光能源22产生具有发射图案36的初始光能34。初始光能34穿过第一偏振器24，并且其波长使得人耳68的非糖成分(即皮肤、血液、组织、软骨)至少在某种程度上是透明的。
在穿过第一偏振器24之后，初始光能34变成偏振能量38。然而，人耳68中血液内的葡萄糖将根据Θ＝α×L×C引起偏振能量38的偏振变化，导致离开耳朵的旋转能量70具有第一旋转Θ1。
第一检测器28检测旋转能量70的第一部分72的强度。旋转能量70的第二部分74的强度穿过第二偏振器26，并被第二检测器30检测到。第一检测器28和第二检测器30中的每一个产生代表接收强度的信号。因为由第二检测器30接收的旋转能量70的强度仅仅是穿过第二偏振器26的旋转能量分量的强度，所以通过测量第一检测器28和第二检测器30处的强度差，可以导出人耳68中葡萄糖引起的旋转，由此可以确定葡萄糖浓度相对于基线的变化。
为了确定基线，在使用之前，通过改变电位计以补偿由第一检测器28和第二检测器30接收的能量强度的差异，将实施例20校准到70毫克/分升的基线葡萄糖浓度(人体血液的“正常”浓度)。因此，测得的旋转的任何变化都代表葡萄糖浓度相对于某个基线(例如70毫克/分升)的变化。
通过使用650纳米的波长，本发明的替代实施例被校准到100毫克/分升的基线葡萄糖浓度，这导致第二偏振器相对于第一偏振器旋转45.028度。对于30毫克/分升至300毫克/分升的葡萄糖浓度，这会导致基线旋转±0.2度的范围。因此，30毫克/分升的葡萄糖浓度将导致检测器之间的旋转差为0.0096度，而300毫克/分升的葡萄糖浓度将导致与30毫克/分升浓度方向相反方向的0.0273度的旋转差。
具体参考图2B，值得注意的是，与上面参考图2A的讨论不同，反馈电路99将反馈信号从第一检测器28传送到产生初始光能34的光能源22。反馈电路99调节光能源22，以将旋转能量的第一部分72保持在第一部分校准范围内。更具体地，响应于旋转能量70的第一部分72的强度的能量低于下校准阈值并偏离第一目标强度值，反馈信号引导光能源22增加初始光能34的强度(源光能量值)，直到旋转能量70的第一部分72的强度不再低于下校准阈值而偏离该第一目标强度值。类似地，响应于旋转能量70的第一部分72的强度高于上校准阈值并偏离第一目标强度值，反馈信号引导光能源22降低初始光能34的强度(源光能量值)，直到旋转能量70的第一部分72的强度不再高于上校准阈值而偏离第一目标强度值。上校准阈值和下校准阈值限定了第一部分校准范围的边界。
虽然旋转能量的第一部分72和第二部分74的强度之差的测量类似于上述讨论，但是第一部分72的强度保持在第一目标强度值附近的上校准阈值和下校准阈值之间。因为人耳68的光学透射率随着组织厚度呈指数变化，而第一部分72和第二部分74的强度差根据线性近似而与葡萄糖浓度相关，所以组织厚度的相对小的变化会引起沿着数值近似曲线的相对大的偏移，导致计算误差。因此，这里讨论的反馈机制将该比较保持在该近似曲线的相同或相似的线性区域内，有助于计算精度。
如前所述，为了确定基线，在使用之前，通过改变电位计以补偿由第一检测器28和第二检测器30接收的能量强度的差异，将实施例20校准到70毫克/分升的基线葡萄糖浓度(人体血液的“正常”浓度)。因此，测得的旋转的任何变化都代表葡萄糖浓度相对于某个基线(例如70毫克/分升)的变化。
通过使用650纳米的波长，本发明的替代实施例被校准到100毫克/分升的基线葡萄糖浓度，导致第二偏振器相对于第一偏振器旋转45.028度。对于30毫克/分升至300毫克/分升的葡萄糖浓度，这会导致基线旋转±0.2度的范围。因此，30毫克/分升的葡萄糖浓度将导致检测器之间的旋转差为0.0096度，而300毫克/分升的葡萄糖浓度将导致与30毫克/分升浓度方向相反方向的0.0273度的旋转差。
值得注意的是，在各种情况下，反馈电路99的操作使得所确定的基线可以被进一步调整，以补偿由第一检测器28检测到的旋转能量70的第一部分72的强度的变化和/或补偿通过第二偏振器26并由第二检测器30检测到的旋转能量70的第二部分74的强度的变化。例如，人耳68的至少一部分占据空间32的位置的变化可能导致第一部分72的强度和/或第二部分74的强度的变化。这样，在各种情况下，电路46的反馈电路99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处或附近，而不管人耳68上的定位的相对不一致性。其结果是，可以导出人耳68中葡萄糖所引起的旋转。如上所述，因为由第二检测器30接收的旋转能量70的强度仅仅是穿过第二偏振器26的旋转能量分量的强度，所以通过测量第一检测器28和第二检测器30处的强度差，可以导出人耳68中葡萄糖引起的旋转，由此可以确定葡萄糖浓度相对于基线的变化。
为了补偿由第一检测器28和第二检测器30接收的能量强度的差异以将实施例20校准到70毫克/分升的基线葡萄糖浓度(人体血液的“正常”浓度)，该装置可以通过反馈电路99主动实施反馈，以连续或间歇地重新校准，使得测得的旋转的任何变化都表示葡萄糖浓度相对于某个基线(例如，70毫克/分升)的变化。通过控制反馈电路99，电路46可以学习补偿偏移值，并且可以将这些值存储在存储器中，而不需要改变电位计。以这种方式，可操作反馈电路99以考虑电路变化，并允许重新校准测得的旋转和葡萄糖浓度相对于基线的变化之间的关系。以这种方式，可以操作反馈电路99，使得斜率截距计算可以不受人耳68的厚度的线性变化引起的人耳68的光子透射率的指数效应(以及检测到的光的强度的相关指数效应)的影响。因此，反馈电路99可以是多用途的。
然而，在各种情况下，会出现特殊的挑战。例如，即使第一检测器28和第二检测器30靠近放置，从光能源到第一检测器28和第二检测器30的光路也可能足够不同，使得到达第一检测器28和第二检测器30的能量的光路之间存在明显的路径差异，从而导致不希望的结果。例如，参考图3，提供了人耳68的光学组织模型。在各种情况下，人耳68包括包含第一类型组织的第一外部组织区域101-1，以及也包含第一类型组织的第二外部组织区域101-2。耳朵还可以具有包括第二类型组织的内部组织区域102。
在各种情况下，第一外部组织区域101-1和第二外部组织区域101-2包括富血组织，而内部组织区域102可以包括贫血组织。在各种情况下，内部组织区域102夹在第一外部组织区域101-1和第二外部组织区域101-2之间。因此，可将贫血组织称为富血组织的间质。
可以理解，如图3所示，在耳朵的不同区域，第一外部组织区域101-1包括一定的厚度，第二外部组织区域101-2和内部组织区域102也是如此。每个不同的组织区域都有自己的厚度。此外，在耳朵上的不同位置，不同的组织区域各自具有不同的绝对厚度，以及与彼此相比不同的相对厚度。因此，由于组织厚度的这些变化，光能的光路在耳朵上的不同入口和出口位置具有不同的特性。同样，组织密度的差异可能会因位置而异，导致光路的进一步变化。
参考图4，描绘了三个用例。在情况1中，光能源22沿着光路场104传输光能。光路场104包括由光能源22照明的区域。放置在光路场104内的各位置处的检测器可以检测光能。因为光路场104具有足够的宽度来照射第一检测器28和第二检测器30，所以在光路场104内存在采取不同路径通过耳朵的光能的不同部分。例如，从光能源22通过光路场104传播到第一检测器28的光能可以沿着与从光能源22通过光路场104传播到第二检测器30的光能稍微不同的路径传播，因此，暂时参考图5-7，除了图4之外，传播到每个检测器的光能可能遇到具有不同厚度和/或不同密度的不同组织。
如图4所示，情况1、2和3各自示出了不同的潜在光路场104。然而，值得注意的是，在情况1中，第一外部组织区域101-1的厚度在整个光路场104中相对恒定，第二外部组织区域101-2的厚度在整个光路场104中相对恒定，并且内部组织区域102的厚度在整个光路场104中相对恒定。
参考图4中的情况2，很明显，第一外部组织区域101-1和第二外部组织区域101-2的厚度相对大于情况1中的厚度，并且内部组织区域102的厚度相对小于情况1中的厚度，但同样地，第一外部组织区域101-1的厚度在整个光路场104中相对恒定，第二外部组织区域101-2的厚度在整个光路场104中相对恒定，并且内部组织区域102的厚度在整个光路场104中相对恒定。
参考图4中的情况3，再次显而易见的是，虽然在光路场104内不同组织区域的厚度存在一些局部变化，但同样地，第一外部组织区域101-1的厚度在整个光路场104中相对恒定，第二外部组织区域101-2的厚度在整个光路场104中相对恒定，并且内部组织区域102的厚度在整个光路场104中相对恒定。
其结果是，在图4中的情况1中，来自光能源22的光能到达第一检测器28和第二检测器30，在穿过耳部材料的传播过程中，其通过的富血材料和贫血材料的数量是相对相似的。
在图4中的情况2中，来自光能源22的光能到达第一检测器28和第二检测器30，在穿过耳部材料的传播过程中，其通过的富血材料和贫血材料的数量是相对相似的。值得注意的是，光能的传播长度的更大部分是通过富血材料而不是通过贫血材料，因此如果先前的校准是针对富血与贫血材料的比率不同的情况1的场景，则校准可能是必要的。可替换地，经由所讨论的反馈系统来使用反馈可以实现动态校准。然而，值得注意的是，第一检测器28和第二检测器30受到情况1和情况2之间差异的影响是相对相同的，使得照射到每个检测器的光能的路径在情况2中是相对相似的。
同样，在图4中的情况3中，来自光能源22的光能到达第一检测器28和第二检测器30，在穿过耳部材料的传播过程中，其通过的富血材料和贫血材料的数量是相对相似的。
因此，可以说图4描绘了三种情况，情况1、情况2和情况3，其中第一检测器28和第二检测器30相对于彼此享有匹配的光路。
在进一步的实例中，例如参考图5，第一检测器28和第二检测器30不享有匹配的光路。例如，在情况4中，来自光能源22的光能到达第一检测器28，与来自光能源22的到达第二检测器30的光能相比，该到达第一检测器28的光能已经通过了相对较少量的富血材料和相对较多量的贫血材料。在光路场104的整个范围内，第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102的厚度在不同的光路上有显著的变化。此外，虽然在附图中描绘了组织厚度，但是本领域普通技术人员也将理解，组织厚度变化的讨论也适用于组织密度、不透明度等变化的情况。
类似地，参考图5中的情况5，与来自光能源22的到达第二检测器30的光能相比，来自光能源22的到达第一检测器28的光能已经通过了相对较多量的富血材料和相对较少量的贫血材料。因此，第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102在通过光路场104的范围的不同光路处时厚度的显著变化再次影响了传感器系统和方法的性能，这是由于入射到第一检测器28和第二检测器30的光能的路径不同。
参考图6，各种实施例设想了对参考图4和5讨论的挑战的一种响应。例如，提供了光能源22。光源可以包括非准直光源，例如发光二极管。发光二极管可以用占据光路场104的光能照射耳朵组织，例如第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102。此外，光路场104中不同点处的光路可能存在显著变化，这是例如由于第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102的绝对和相对密度、不透明度和/或厚度的变化。
因此，在各种实施例中，可以实现检测器分束器/合束器103，而不是将单独的光路与关于第一检测器28的光能源22和关于第二检测器30的光能源22相关联。例如，光能源22可以靠近耳朵的一侧，比如第一外部组织区域101-1的外表面，而检测器分束器/合束器103可以靠近耳朵的相对侧，比如第二外部组织区域101-2的外表面。因此，光能可以沿着光路场104内的单个路径和/或窄路径105、从光能源22传递到检测器分束器/合束器103。因为窄路径105比光路场104窄得多，所以跨越窄路径105的第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102的(相对和绝对)厚度变化得到改善。第一检测器28和第二检测器30光学耦合到检测器分束器/合束器103，并且都接收来自光能源22的已经通过了窄路径105的光能。在各种实施例中，窄路径105太窄，不利于相邻的第一检测器28和第二检测器30的照明。以这种方式，光能源22与第一检测器28和第二检测器30之间的光路特性的变化得到改善，因为第一检测器28和第二检测器30中的每一个都接收沿着相同光路传播到检测器分束器/合束器103的照明。
此外，在进一步的实施例中，光源可以包括准直光源，例如激光器。在各种情况下，至少部分由于准直效应，准直光源(例如激光器)照射窄路径105而不是宽的光路场104。
在各种实施例中，激光可以用占据窄路径105的光能来照明耳朵组织，例如第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102。因为在靠近窄路径105的不同点处，光路可能有显著变化，所以使用准直光源可以使照明区域变窄，使得只有耳朵的狭窄部分被照明。在各种情况下，第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102的照明部分的狭窄使得照明区域不够宽，不允许第一检测器28和第二检测器30都被放置在沿窄路径105接收光能的位置。此外，如果路径足够宽以照明第一检测器28和第二检测器30，那么由于不同组织的绝对和/或相对不透明度、密度和/或厚度的变化，第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102的绝对和相对厚度的变化将导致第一检测器28和第二检测器30处的光学照明具有不同的特性。因此，在各种实施例中，可以结合检测器分束器/合束器103来实现沿着窄路径105产生光能的准直光源，而不是将单独的光路与关于第一检测器28的光能源22和关于第二检测器30的光能源22相关联。
例如，包括激光器的光能源22可以靠近耳朵的一侧，比如第一外部组织区域101-1的外表面，而检测器分束器/合束器103可以靠近耳朵的相对侧，比如第二外部组织区域101-2的外表面。因此，光能可以沿着单一路径和/或窄路径105、从光能源22传递到检测器分束器/合束器103。因为窄路径105足够窄，所以第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和内部组织区域102跨过该窄路径105的(相对和绝对)密度、不透明度和/或厚度的变化得到改善。第一检测器28和第二检测器30光学耦合到检测器分束器/合束器103，并且二者都接收来自光能源22的已经通过了窄路径105的光能，其中窄路径105太窄，不利于相邻的第一检测器28和第二检测器30的照明。以这种方式，光能源22与第一检测器28和第二检测器30之间的光路特性的变化得到改善，因为第一检测器28和第二检测器30中的每一个都接收沿着相同光路传播到检测器分束器/合束器103的照明。
最后，参考图7，公开了其他方面。在各种情况下，可能希望组合多种不同类型的光能源。然而，正如将第一检测器28和第二检测器30靠近耳朵放置会导致导向第一检测器28的光能相对于导向第二检测器30的光能的一些路径变化一样，将不同的光能源靠近放置会导致源自第一光能源的光能相对于源自第二光能源的光能的路径变化。例如，在各种实施例中，光能源22结合滤光器工作，以向耳朵提供偏振光。然而，在各种情况下，也可以使用非偏振光来生成用于校准系统的校准数据，如本文所述。例如，相对于耳朵的位置变化可能导致与能量通过具有不同不透明度、密度和/或厚度的耳朵组织相关的特性变化。例如，变化可能导致光能衰减的变化。非偏振光源的测量对于表征这些变化可能是有用的。例如，第一外部组织区域101-1、第二外部组织区域101-2和/或内部组织区域102可以在不同位置具有不同的衰减特性。因此，使非偏振光通过耳组织来测量这些相对衰减特性可能也是有用的。
在各种实施例中，非偏振光能源106经由源分束器/合束器107与光能源22组合。在各种情况下，非偏振光能源106包括红外光或近红外光，其与光能源22的光穿过相同的偏振滤光器，但由于其波长较长，当其穿过时不会经受偏振滤光器的明显偏振效应。
因此，光能源22和非偏振光能源106都可以照明源分束器/合束器107。源分束器/合束器107可以使来自每个源的光沿着光路场104照明耳朵。与光能源22相关联的第一光路场104-1和与非偏振光能源106相关联的第二光路场104-2可以是重合的，或者基本重合的，这例如是由于它们来自同一个源分束器/合束器107，尽管可能出现一些微小的变化。例如，由于依赖于波长的折射变化，可能会出现轻微的变化。在各种情况下，虽然第一光路场104-1和第二光路场104-2都被示为相对重合，但是在各种情况下，其中一个或两个可以对应于窄路径105(类似于图6所示)。
第一检测器28和第二检测器30都与检测器分束器/合束器103相关联。因此，来自光能源22或非偏振光能源106的由源分束器/合束器107提供的光照明沿着基本相同的路径传播到检测器分束器/合束器103。光能可从检测器分束器/合束器103被提供给第一检测器28和第二检测器30，如本文别处所述。
此外，在各种实施例中，光能源22和非偏振光能源106可以是时分复用的并且在不同时间传输光能，或者是频分复用的并且可以同时传输光能。可替换地，光能源22和非偏振光能源106中的一个可以是脉冲的，而另一个不是脉冲的。此外，根据需要，可以调制光能源22和/或非偏振光能源106，用于以后的电子隔离。在各种实施例中，非偏振光能源106是占空循环的(duty cycled)，以便例如提供光学深度密度测量，该测量可以用于向用户提供关于装置相对于耳朵的放置对于系统和方法的正确运行是“好”的放置还是“坏”的放置的反馈，和/或，进一步可以促进装置在非理想位置的放置的软件补偿。在各种实施例中，光能源22和非偏振光能源106中的一个或两个可以被AC耦合和/或编码，以例如改善噪声。
此外，尽管在各种照明路径的一端或两端描绘了分束器，但是在各种实施例中，使用例如通过透镜的光束形成，和/或，使用准直光，可以代替一个或多个分束器/合束器的使用。
因此，应理解的是，光能发射源可以被调节以改变光能的强度，例如补偿在光路场104或窄路径105上均匀或非均匀出现的变化的光学厚度、密度和/或不透明度。此外，与分束器、准直光、窄路径105等的实施相关联的检测器覆盖区的减少可以减轻不同位置和不同耳朵之间的变化。
如这里所讨论的，在各种实施例中，分束器的实施可以被称为“折叠光学装置”的实施。
如这里所讨论的，非偏振光能源106的实施可以被称为“询问光束”的实施，例如询问组织以确定物理特性，例如衰减。
本公开包括描述特定传感器和方法的优选或说明性实施例。这种传感器的替代实施例可以用于实现所要求的本发明，并且这种替代实施例仅由权利要求本身限定。本发明的其他方面和优点可以从对本公开和附图以及所附权利要求的研究中获得。

Claims (20)

1.一种用于测量葡萄糖的非侵入式系统，包括：
第一光源，发射能够穿透身体组织的光；
分束器/合束器，接收所述光；
第一检测器，光学耦合到所述分束器/合束器；以及
第二检测器，光学耦合到所述分束器/合束器，
其中，所述第一检测器和所述第二检测器被操作以响应于所述光测量身体组织中的葡萄糖。
2.根据权利要求1所述的非侵入式系统，其中，所述第一检测器和所述第二检测器通过计算由所述第一检测器检测到的光的振幅和由所述第二检测器检测到的光的振幅之差来测量身体组织中的葡萄糖。
3.根据权利要求1所述的非侵入式系统，其中所述第一检测器和所述第二检测器中的至少一个包括偏振器。
4.根据权利要求1所述的非侵入式系统，进一步包括：
第一偏振器，靠近所述第一光源，用于接收从所述第一光源发射的光的至少一部分，并用于提供第一偏振光；以及
第二偏振器，在所述第一偏振光通过身体组织之后接收所述第一偏振光的至少一部分，并提供第二偏振光，
其中，所述第一检测器被定位为经由所述分束器/合束器检测所述第一偏振光的至少一部分；并且
其中，所述第二检测器被定位为经由所述分束器/合束器检测所述第二偏振光的至少一部分，
其中，所述第一检测器和所述第二检测器中的至少一个确定所述第一偏振光和所述第二偏振光中的至少一个的相对强度。
5.根据权利要求4所述的非侵入式系统，进一步包括：
第二光源，发射能够穿透身体组织的第二光，所述第一光源和所述第二光源都向第二分束器/合束器提供光，
所述第二分束器/合束器组合来自所述第一光源和所述第二光源的光，以提供给身体组织。
6.根据权利要求4所述的非侵入式系统，其中所述第一光源包括准直光源。
7.根据权利要求5所述的非侵入式系统，其中所述第一光源包括准直光源，所述第二光源包括非准直光源。
8.根据权利要求5所述的非侵入式系统，其中所述第一光源包括激光器。
9.一种用于测量葡萄糖的非侵入式系统，包括：
第一光源，发射第一光；
偏振器，被配置为接收所述第一光并偏振所述第一光，所述偏振器发射能够穿透身体组织的第二光，所述第二光包括偏振的第一光；
第一分束器/合束器，在所述第二光穿入、穿过和穿出身体组织之后接收所述第二光；
第一检测器，光学耦合到所述第一分束器/合束器以接收所述第二光；
第二偏振器，光学耦合到所述第一分束器/合束器，以接收所述第二光并发射第三光，所述第三光包括进一步偏振的第二光；以及
第二检测器，光学耦合到所述第二偏振器以接收所述第三光，
其中所述第一检测器和所述第二检测器被操作，以通过比较所述第二光的强度和所述第三光的强度来测量身体组织中的葡萄糖。
10.根据权利要求9所述的非侵入式系统，进一步包括：
第二光源，发射第四光；
第二分束器/合束器，接收所述第二光和所述第四光，并将所述第二光和所述第四光提供给身体组织以穿入身体组织中；
其中所述第一分束器/合束器还在所述第四光穿入、穿过和穿出身体组织之后接收所述第四光。
11.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中光学耦合到所述第一分束器/合束器的所述第一检测器进一步接收所述第四光。
12.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中所述第二检测器和所述第一检测器中的至少一个响应于所述第四光执行校准。
13.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中所述第一光源和所述第二光源同时发光。
14.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中所述第一光源和所述第二光源同时发光，所述第一光源发射具有第一中心频率的所述第一光，所述第二光源发射具有第二中心频率的所述第四光，所述第一中心频率和所述第二中心频率是不同的频率。
15.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中所述第一光源发射由第一调制所调制的第一光，并且其中所述第一检测器和所述第二检测器中的至少一个检测所述第一调制。
16.根据权利要求10所述的非侵入式系统，其中所述第一光源发射准直光，所述第二光源发射非准直光。
17.一种非侵入式葡萄糖测量方法，包括：
提供发射能够穿透身体组织的光的第一光源；
提供分束器/合束器以接收光；
提供光学耦合到所述分束器/合束器的第一检测器；以及
提供光学耦合到所述分束器/合束器的第二检测器，
其中所述第一检测器和所述第二检测器被操作以响应于所述光测量身体组织中的葡萄糖。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
提供靠近所述第一光源的第一偏振器，用于接收从所述第一光源发射的所述光的至少一部分并提供第一偏振光；以及
提供第二偏振器，以在所述第一偏振光通过身体组织之后接收所述第一偏振光的至少一部分，并提供第二偏振光，
其中所述第一检测器被定位为经由所述分束器/合束器检测所述第一偏振光的至少一部分；并且
其中所述第二检测器被定位为经由所述分束器/合束器检测所述第二偏振光的至少一部分，
其中所述第一检测器和所述第二检测器中的至少一个确定所述第一偏振光和所述第二偏振光中的至少一个的相对强度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括为所述第一检测器和所述第二检测器中的至少一个提供偏振器。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一检测器和所述第二检测器被操作，以通过计算由所述第一检测器检测到的光的振幅和由所述第二检测器检测到的光的振幅之差来测量身体组织中的葡萄糖。
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