CN116075266A - 非侵入式分析物传感器和自动响应系统和方法 - Google Patents
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Abstract
分析物感测和响应系统和方法包括检测介质中的一种或多种分析物的传感器。传感器使用解耦合的发射和接收元件或天线将信号发射到介质中，并接收对发射信号的响应。生成基于分析物的检测的动作，动作可以直接或间接影响介质中检测到的分析物。动作是自动执行的。动作可以是增加或减少来自分析物源或与分析物相互作用的化合物源的流量。动作的示例是控制胰岛素泵，其中分析物是葡萄糖。
Description
技术领域
本公开总体上涉及经由使用诸如电磁频谱的无线电频带或微波频带中的非光学频率的光谱技术非侵入式地检测分析物的装置、系统和方法。更具体地，本公开涉及基于一种或多种分析物的检测的非侵入式分析物检测和自动响应。
背景技术
人们对能够检测和/或测量目标内的分析物感兴趣。一个示例是测量生物组织中的葡萄糖。在测量患者体内的葡萄糖的示例中，当前的分析物测量方法是侵入式的，因为它们对体液(诸如用于手指针刺(fingerstick)或基于实验室的测试的血液)或通常使用侵入式经皮设备从患者抽取的流体进行测量。有一些非侵入式方法声称能够在生物组织中进行葡萄糖测量。然而，这些非侵入式方法中的许多方法通常存在以下问题：对感兴趣的分析物(诸如葡萄糖)缺乏特异性；温度波动的干扰；皮肤化合物(即，汗液)和色素的干扰；以及放置的复杂性(即，感测设备驻留在患者身体上的多个位置上)。
发明内容
本公开总体上涉及经由使用诸如电磁频谱的无线电频带或微波频带中的非光学频率的光谱技术非侵入式地检测分析物的装置、系统和方法。本文所描述的非侵入式分析物传感器包括至少一个发射天线(发射天线也可以被称为发射元件)和至少一个接收天线(接收天线也可以被称为接收元件)，该至少一个发射天线用于将生成的电磁频谱的无线电频率范围或微波频率范围内的发射信号发射到包含感兴趣的分析物的目标中，该至少一个接收天线用于检测由发射天线将发射信号发射到目标中所产生的响应。
发射天线和接收天线彼此解耦合，这有助于提高非侵入式分析物传感器的检测能力。发射天线和接收天线之间的解耦合可以使用任何一种或多种技术来实现，该一种或多种技术使得发射天线发射的信号尽可能多的进入目标，并最小化或甚至消除接收天线从发射天线直接接收而不进入目标中的电磁能量的量。解耦合可以通过发射天线和接收天线之间的足以使发射天线和接收天线彼此解耦合的一种或多种有意制造的配置和/或布置来实现。在一个非限制性实施例中，解耦合可以通过发射天线和接收天线具有彼此有意不同的几何形状来实现。有意不同的几何形状是指发射天线和接收天线的有意不同的几何形状配置，并且不同于可能意外或无意发生的发射天线和接收天线的几何形状的差异(例如由于制造误差或公差)。
实现发射天线和接收天线的解耦合的另一种技术是在每个天线之间使用适当的间距，该适当的间距取决于输出功率、天线尺寸、频率和任何屏蔽的存在等因素，以便迫使发射信号的电磁力线的一部分进入目标，从而使它们到达分析物，从而尽可能地最小化或消除接收天线直接从发射天线直接接收而不进入目标中的电磁能量。该技术有助于确保由接收天线检测到的响应正在测量分析物，而不仅仅是发射信号从发射天线直接流向接收天线。在一个实施例中，传感器可以使用其间具有第一间距的第一对发射天线和接收天线，以及其间具有不同于第一间距的第二间距的第二对发射天线和接收天线。
本文所描述的技术可以用于检测感兴趣的分析物的存在，以及目标内的分析物的量或分析物的浓度。本文所描述的技术可以用于检测单一分析物或多于一种分析物。目标可以是包含人们可能希望检测的(多种)分析物的任何目标，例如人类或非人类、动物或非动物、生物或非生物的。例如，目标可以包括但不限于人类组织、动物组织、植物组织、无生命对象、土壤、流体、遗传物质或微生物。(多种)分析物可以是包含人们可能希望检测的任何分析物，例如人类或非人类、动物或非动物、生物或非生物的。例如，分析物可以包括但不限于血糖、血液酒精、白细胞或促黄体激素中的一种或多种。可以通过控制流量来响应分析物的存在或量，例如控制将一种或多种化合物引入经受检测的介质中、控制介质的流动以开始、停止、增加或减少其流量、或者引导介质的流动(例如，以改变流动路径)。在实施例中，分析物可以是血糖，并且响应可以是胰岛素泵的操作以基于血糖水平控制胰岛素的供应。
在一个实施例中，分析物感测和响应系统包括被配置成用于检测介质中的至少一种感兴趣的分析物的传感器。传感器包括：天线阵列，天线阵列具有至少一个发射天线和至少一个接收天线，其中至少一个发射天线和至少一个接收天线彼此耦合小于95％；发射电路，发射电路可电连接到至少一个发射天线，发射电路被配置成用于生成要由至少一个发射天线发射的发射信号，发射信号在电磁频谱的无线电或微波频率范围内；以及接收电路，接收电路可电连接到至少一个接收天线，接收电路被配置成用于接收由至少一个接收天线检测到的响应，该响应由至少一个发射天线将发射信号发射到介质中而产生。系统进一步包括控制器，控制器被配置成用于基于传感器对至少一种分析物的检测来引导影响介质中的至少一种感兴趣的分析物的水平的动作。
在实施例中，动作包括控制阀以增加或减少感兴趣的分析物进入介质的流量。在实施例中，动作包括控制阀以增加或减少与介质中感兴趣的分析物相互作用的化合物进入介质的流量。在实施例中，系统包括机械设备，该机械设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且机械设备被配置成用于基于从控制器接收的信号来控制介质中的至少一种感兴趣的分析物的水平。在实施例中，系统包括加热或冷却设备，加热或冷却设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且加热和冷却设备被配置成用于影响介质的温度。在实施例中，感兴趣的分析物是葡萄糖，并且动作包括基于传感器对葡萄糖的检测来操作胰岛素泵。
在实施例中，控制器包括在与传感器分离的设备中。在实施例中，与传感器分离的设备被配置成用于从传感器接收关于分析物的信息。
在实施例中，关于分析物的信息是分析物的存在或量，并且控制器被进一步配置成用于基于分析物的存在或量来确定动作。在实施例中，关于分析物的信息包括要由控制器引导的动作。在实施例中，系统进一步包括远程服务器，并且远程服务器被配置成用于从传感器接收关于分析物的信息，并向控制器传送命令。
在另一实施例中，分析物感测和响应系统包括传感器，传感器被配置成用于检测介质中的至少一种感兴趣的分析物，传感器包括传感器壳体和附接到传感器壳体的解耦合的检测器阵列。解耦合的检测器阵列具有至少一个发射元件和至少一个接收元件，并且至少一个发射元件和至少一个接收元件彼此耦合小于95％。至少一个发射元件由导电材料带组成，该导电材料带具有大于其厚度尺寸的其至少一个横向尺寸，并且至少一个发射元件的导电材料带设置在基板上。至少一个接收元件由导电材料带组成，该导电材料带具有大于其厚度尺寸的其至少一个横向尺寸，并且至少一个接收元件的导电材料带设置在基板上。传感器进一步包括发射电路，发射电路附接到传感器壳体。发射电路可电连接到至少一个发射元件。发射电路被配置成用于生成要由至少一个发射元件发射到包含至少一种感兴趣的分析物的目标中的发射信号。发射信号在电磁频谱的无线电或微波频率范围内。传感器还包括接收电路，接收电路附接到传感器壳体。接收电路可电连接到至少一个接收元件。接收元件被配置成用于接收由至少一个接收元件检测到的响应，该响应由至少一个发射元件将发射信号发射到包含至少一种感兴趣的分析物的目标中而产生。系统进一步包括控制器，控制器被配置成用于基于传感器对至少一种分析物的检测来引导影响介质中的至少一种感兴趣的分析物的水平的动作。
在实施例中，动作包括控制阀以增加或减少感兴趣的分析物进入介质的流量。在实施例中，动作包括控制阀以增加或减少与介质中感兴趣的分析物相互作用的化合物进入介质的流量。在实施例中，系统包括机械设备，该机械设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且机械设备被配置成用于基于从控制器接收的信号来控制介质中的至少一种感兴趣的分析物的水平。在实施例中，系统包括加热或冷却设备，加热或冷却设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且加热和冷却设备被配置成用于影响介质的温度。在实施例中，感兴趣的分析物是葡萄糖，并且动作包括基于传感器对葡萄糖的检测来操作胰岛素泵。
在实施例中，控制器包括在与传感器分离的设备中。在实施例中，与传感器分离的设备被配置成用于从传感器接收关于分析物的信息。在实施例中，关于分析物的信息是分析物的存在或量，并且控制器被进一步配置成用于基于分析物的存在或量来确定动作。在实施例中，关于分析物的信息包括要由控制器引导的动作。在实施例中，系统进一步包括远程服务器，其中远程服务器被配置成用于从传感器接收关于分析物的信息，并向控制器传送命令。
在实施例中，一种用于基于一种或多种分析物的检测而自动动作的方法包括非侵入式地检测介质中的一种或多种分析物。非侵入式地检测一种或多种分析物包括：生成具有至少两个不同频率的发射信号，至少两个不同频率中的每个频率落在约10kHz到约100GHz之间的范围内；以及从具有第一几何形状的发射元件将发射信号发射到介质中。非侵入式地检测一种或多种分析物进一步包括使用与至少一个发射元件解耦合并且具有几何上不同于第一几何形状的第二几何形状的至少一个接收元件来检测由至少一个发射元件将发射信号发射到介质中所产生的响应，以及基于该响应来确定一种或多种分析物中的每一种分析物的存在或量。方法进一步包括基于一种或多种分析物中的至少一种分析物的存在或量，在处理器处确定影响一种或多种分析物中的所述至少一种分析物的水平的自动动作；以及引导控制设备执行自动动作。
在实施例中，自动动作包括增加或减少一种或多种分析物中的所述至少一种分析物进入介质的流量。在实施例中，自动动作包括增加或减少除了一种或多种分析物中的所述至少一种分析物之外的一种或多种化学物质进入介质的流量。在实施例中，自动动作包括增加或减少介质的温度。在实施例中，自动动作是增加或减少由胰岛素泵提供的胰岛素供应。在实施例中，一种或多种分析物中的至少一种分析物包括胰岛素。
在实施例中，非侵入式地检测一种或多种分析物是使用传感器来执行的，并且控制器和传感器包括在一个设备中。在实施例中，非侵入式地检测一种或多种分析物是使用传感器来执行的，并且控制器在与传感器分离的设备中。在实施例中，与传感器分离的设备是远程服务器。在实施例中，与传感器分离的设备包括控制设备。
在实施例中，介质是流体流(flow of a fluid)。
在实施例中，一种用于基于一种或多种分析物的检测而自动动作的方法包括非侵入式地检测一种或多种分析物。非侵入式地检测一种或多种分析物包括：生成具有至少两个不同频率的发射信号，至少两个不同频率中的每个频率落在约10kHz到约100GHz之间的范围内；以及从具有第一几何形状的发射元件将发射信号发射到介质中。非侵入式地检测一种或多种分析物进一步包括使用至少一个接收元件来检测由至少一个发射元件将发射信号发射到介质中而产生的响应，至少一个接收元件与至少一个发射元件耦合小于95％。方法进一步包括基于响应确定一种或多种分析物中的每一种分析物的存在或量。方法还包括基于一种或多种分析物中的至少一种分析物的存在或量，在控制器处确定自动动作，以及引导控制设备执行自动动作。
在实施例中，自动动作包括增加或减少一种或多种分析物中的所述至少一种分析物进入介质的流量。在实施例中，自动动作包括增加或减少除了一种或多种分析物中的所述至少一种分析物之外的一种或多种化学物质进入介质的流量。在实施例中，自动动作包括增加或减少介质的温度。在实施例中，自动动作是增加或减少由胰岛素泵提供的胰岛素供应。在实施例中，一种或多种分析物中的至少一种分析物包括胰岛素。
在实施例中，非侵入式地检测一种或多种分析物是使用传感器来执行的，并且控制器和传感器包括在一个设备中。在实施例中，非侵入式地检测一种或多种分析物是使用传感器来执行的，并且控制器在与传感器分离的设备中。在实施例中，与传感器分离的设备是远程服务器。在实施例中，与传感器分离的设备包括控制设备。
在实施例中，介质是流体流。
附图说明
参考形成本公开的一部分的附图，附图示出了可以实践本说明书中描述的装置、系统和方法的实施例。
图1是根据实施例的具有相对于目标的非侵入式分析物传感器的非侵入式分析物传感器系统的示意性描绘。
图2A-图2C示出了可以在本文所描述的传感器系统中使用的天线阵列的不同示例取向。
图3A至图3I示出了具有不同几何形状的发射和接收天线的不同示例。
图4A、图4B、图4C和图4D示出了发射和接收天线的端部可以具有的不同形状的附加示例。
图5是根据实施例的传感器设备的示意性描绘。
图6是根据实施例的用于检测分析物的方法的流程图。
图7是根据实施例的响应分析的流程图。
图8是根据实施例的提供对一种或多种分析物的检测的自动响应的方法的流程图。
图9是被配置成用于自动执行动作的系统的一个非限制性示例。
图10是被配置成用于自动控制胰岛素泵的系统的一个非限制性示例。
相同的附图标记通篇表示相同的部分。
具体实施方式
以下是经由使用诸如电磁频谱的无线电频带或微波频带中的非光学频率的光谱技术非侵入式地检测分析物的装置、系统和方法的具体实施方式。非侵入式分析物传感器包括发射天线(发射天线也可以被称为发射元件)和接收天线(接收天线也可以被称为接收元件)，该发射天线用于将电磁频谱的无线电频率范围或微波频率范围内的生成的发射信号发射到包含感兴趣的分析物的目标中，该接收天线用于检测由发射天线将发射信号发射到目标中所产生的响应。发射天线和接收天线彼此解耦合，这提高了传感器的检测性能。
发射天线和接收天线可以位于目标附近并且如本文进一步描述的那样操作，以帮助检测目标中的至少一种分析物。发射天线朝向目标发射信号并将信号发射到目标中，该信号具有无线电频率范围或微波频率范围内的至少两个频率。具有至少两个频率的信号可以由单独的信号部分形成，每个信号部分具有离散的频率，这些信号部分在每个频率处在单独时间单独发射。在另一实施例中，具有至少两个频率的信号可以是包括多个频率的复信号的一部分，所述多个频率包括至少两个频率。可以通过将多个信号混合或多路复用在一起来生成复信号，然后发射复信号，由此同时发射多个频率。用于生成复信号的一种可能的技术包括但不限于使用傅里叶逆变换技术。接收天线检测由发射天线将信号发射到包含至少一种感兴趣的分析物的目标中所产生的响应。
发射天线和接收天线彼此解耦合(也可以被称为去谐(detune)等)。解耦合是指有意地制造发射天线和接收天线的配置和/或布置，以优选地在不存在屏蔽的情况下最小化发射天线和接收天线之间的直接通信。发射天线和接收天线之间的屏蔽可以被利用。然而，即使不存在屏蔽，发射天线和接收天线之间也是解耦合的。
可以分析由接收天线检测到的(多个)信号，以基于接收到的(多个)信号的强度和分析物吸收发射信号的一个或多个频率处的强度降低来检测分析物。在WO 2019/217461中描述了使用在电磁频谱的无线电频率范围或微波频率范围内操作的非侵入式光谱传感器来检测分析物的示例，WO2019/217461的全部内容通过引用并入本文。由接收天线检测到的(多个)信号可以是包括多个信号分量的复信号，每个信号分量处于不同的频率。在实施例中，可以将检测到的复信号例如通过傅里叶变换分解成处于不同频率中的每一个频率的信号分量。在实施例中，只要检测到信号提供足够的信息来进行分析物检测，就可以将接收天线检测到的复信号作为一个整体进行分析(即，不需要对复信号进行解复用)以检测分析物。此外，由接收天线检测到的(多个)信号可以是单独的信号部分，每个信号部分具有离散的频率。
在一个实施例中，本文所描述的传感器可以用于检测目标中至少一种分析物的存在。在另一实施例中，本文所描述的传感器可以检测目标中至少一种分析物的量或浓度。目标可以是包含至少一种人们可能希望检测的感兴趣分析物的任何目标。目标可以是人类或非人类、动物或非动物、生物或非生物的。例如，目标可以包括但不限于人类组织、动物组织、植物组织、无生命对象、土壤、流体、遗传物质或微生物。目标的非限制性示例包括但不限于流体(例如血液、间质液、脑脊髓液、淋巴液或尿液)、人类组织、动物组织、植物组织、无生命对象、土壤、遗传物质或微生物。
(多种)分析物可以是人们可能希望检测的任何分析物。分析物可以是人类或非人类、动物或非动物、生物或非生物的。例如，(多种)分析物可以包括但不限于血糖、血液酒精、白细胞或促黄体激素中的一种或多种。(多种)分析物可以包括但不限于化学物质、化学物质的组合、病毒、细菌等。分析物可以是包括在另一种介质中的化学物质，这种介质的非限制性示例包括包含至少一种分析物的流体，例如血液、间质液、脑脊髓液、淋巴液或尿液、人类组织、动物组织、植物组织、无生命对象、土壤、遗传物质或微生物。(多种)分析物也可以是非人类、非生物颗粒(诸如矿物或污染物)。
(多种)分析物可以包括例如天然存在的物质、人工物质、代谢物和/或反应产物。作为非限制性示例，至少一种分析物可以包括但不限于胰岛素、羧基凝血酶原；酰基肉碱；腺嘌呤磷酸核糖转移酶；腺苷脱氨酶；白蛋白；甲胎蛋白；氨基酸谱(精氨酸(克雷布斯循环)、组氨酸/尿苷酸、同型半胱氨酸、苯丙氨酸/酪氨酸、色氨酸)；安地诺二酮；安替比林；阿糖尼托对映体；精氨酸酶；苯甲酰爱康宁(可卡因)；生物素酶；生物蝶呤；c-反应蛋白；肉碱；亲BNP；BNP；肌钙蛋白；肌肽酶；CD4；血浆铜蓝蛋白；鹅去氧胆酸；氯喹；胆固醇；胆碱酯酶；共轭1-β-羟基胆酸；皮质醇；肌酸激酶；肌酸激酶MM同工酶；环孢素A；d-青霉胺；去乙基氯喹；硫酸脱氢表雄酮；DNA(乙酰化多态性、乙醇脱氢酶、α1-抗胰蛋白酶、囊性纤维化、Duchenne/Becker肌营养不良症、分析物6-磷酸脱氢酶、血红蛋白A、血红蛋白S、血红蛋白C、血红蛋白D、血红蛋白E、血红蛋白F、D-Punjab、β-地中海贫血、乙型肝炎病毒、HCMV、HIV-1、HTLV-1、Leber遗传性视神经病变、MCAD、RNA、PKU、间日疟原虫、性别分化、21-脱氧皮质醇)；去丁基卤泛群；二氢蝶啶还原酶；白喉/破伤风抗毒素；红细胞精氨酸酶；红细胞原卟啉；酯酶D；脂肪酸/酰基甘氨酸；游离β-人绒毛膜促性腺激素；游离红细胞卟啉；游离甲状腺素(FT4)；游离三碘甲腺原氨酸(FT3)；富马酰乙酰乙酸酶；半乳糖/gal-1-磷酸；半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶；庆大霉素；分析物6-磷酸脱氢酶；谷胱甘肽；谷胱甘肽过氧化物酶；甘胆酸；糖化血红蛋白；卤泛群；血红蛋白变体；己糖胺酶A；人红细胞碳酸酐酶I；17-α-羟孕酮；次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶；免疫反应性胰蛋白酶；乳酸盐；带领；脂蛋白((a),B/A-1,β)；溶菌酶；甲氟喹；奈替米星；苯巴比妥；苯妥英；植烷酸/鹦鹉螺酸；黄体酮；催乳素；脯氨酸酶；嘌呤核苷磷酸化酶；奎宁；反向三碘甲腺原氨酸(rT3)；硒；血清胰脂肪酶；西索霉素；生长调节素C；特异性抗体(腺病毒、抗核抗体、抗zeta抗体、虫媒病毒、Aujeszky病病毒、登革热病毒、麦地那龙线虫、细粒棘球蚴、溶组织内阿米巴、肠道病毒、十二指肠贾第鞭毛虫、幽门螺杆菌、乙型肝炎病毒、疱疹病毒、HIV-1、IgE(特应性疾病)、流感病毒、杜氏利什曼原虫、钩端螺旋体、麻疹/腮腺炎/风疹、麻风分枝杆菌、肺炎支原体、肌红蛋白、盘尾丝虫、副流感病毒、恶性疟原虫、脊髓灰质炎病毒、铜绿假单胞菌、呼吸道合胞病毒、立克次氏体(丛林斑疹伤寒)、曼氏血吸虫、刚地弓形虫、梅毒螺旋体、克氏锥虫/兰氏锥虫、水泡性口炎病毒、班氏伍切氏菌、黄热病病毒)；特异性抗原(乙型肝炎病毒、HIV-1)；琥珀酰丙酮；磺胺多辛；茶碱；促甲状腺激素(TSH)；甲状腺素(T4)；甲状腺素结合球蛋白；微量元素；转铁蛋白；UDP-半乳糖-4-差向异构酶；尿素；尿卟啉原I合成酶；维生素A；白细胞；以及锌原卟啉。
(多种)分析物还可以包括引入目标中的一种或多种化学物质。(多种)分析物可以包括标记物，诸如造影剂、放射性同位素或其他化学试剂。(多种)分析物可以包括基于氟碳化合物的合成血液。(多种)分析物可以包括药物或药物组合物，非限制性示例包括乙醇；大麻(大麻、四氢大麻酚、大麻)；吸入剂(一氧化二氮、亚硝酸戊酯、亚硝酸丁酯、氯代烃、碳氢化合物)；可卡因(快克可卡因))；兴奋剂(苯丙胺、甲基苯丙胺、利他林、Cylert、Preludin、Didrex、PreState、Voranil、Sandrex、Plegine)；镇静剂(巴比妥类、甲喹酮、镇静剂(诸如Valium、Librium、Miltown、Serax、Equanil、Tranxene))；致幻剂(苯环利定、麦角酸、仙人球毒碱、仙人掌毒碱、裸盖菇素)；麻醉剂(海洛因、可待因、吗啡、鸦片、哌替啶、Percocet、Percodan、Tussionex、Fentanyl、Darvon、Talwin、Lomotil)；设计药物(芬太尼、哌替啶、苯丙胺、甲基苯丙胺和苯环啶的类似物，例如摇头丸)；合成代谢类固醇；以及尼古丁。(多种)分析物可以包括其他药物或药物组合物。(多种)分析物可以包括神经化学物质或体内产生的其他化学物质，诸如例如抗坏血酸、尿酸、多巴胺、去甲肾上腺素、3-甲氧基酪胺(3MT)、3，4-二羟基苯乙酸(DOPAC)、高香草酸(HVA)、5-羟基色胺(5HT)和5-羟基吲哚乙酸(FHIAA)。
现在参考图1，示出了具有非侵入式分析物传感器5的非侵入式分析物传感器系统的实施例。传感器5相对于包含感兴趣的分析物9的目标7被描绘。在该示例中，传感器5被描绘为包括天线阵列，该天线阵列包括发射天线/元件11(在下文中称为“发射天线11”)和接收天线/元件13(在下文中称为“接收天线13”)。传感器5进一步包括发射电路15、接收电路17和控制器19。如下文进一步讨论的，传感器5还可以包括电源，诸如电池(图1中未示出)。
发射天线11被定位、布置和配置成用于将电磁频谱的无线电频率(RF)或微波范围的信号21发射到目标7中。发射天线11可以是电极或任何其他合适的无线电频率(RF)或微波范围内的电磁信号的发射器。发射天线11可以相对于目标7具有足以允许进行分析物感测的任何布置和取向。在一个非限制性实施例中，发射天线11可以被布置成面向基本上朝向目标7的方向。
由发射天线11发射的信号21由可电连接到发射天线11的发射电路15生成。发射电路15可以具有适合于生成要由发射天线11发射的发射信号的任何配置。用于生成RF或微波频率范围内的发射信号的发射电路在本领域中是众所周知的。在一个实施例中，发射电路15可以包括例如，到电源的连接、频率生成器、以及可选的滤波器、放大器或用于生成RF或微波频率电磁信号的电路的任何其他合适的元件。在实施例中，由发射电路15生成的信号可以具有至少两个离散频率(即，多个离散频率)，该至少两个离散频率中的每个离散频率在大约10kHz到大约100GHz的范围内。在另一实施例中，至少两个离散频率中的每个离散频率可以在大约300MHz到大约6000MHz的范围内。在实施例中，发射电路15可以被配置成用于扫过大约10kHz到大约100GHz的范围内的频率范围，或者在另一实施例中扫过大约300Mhz到大约6000MHz的范围。在实施例中，发射电路15可以被配置成用于产生复发射信号，复信号包括多个信号分量，信号分量中的每个信号分量具有不同的频率。可以通过将多个信号混合或多路复用在一起来生成复信号，然后发射复信号，由此同时发射多个频率。
接收天线13被定位、布置和配置成用于检测一个或多个电磁响应信号23，该一个或多个电磁响应信号23由发射天线11将发射信号21发射到目标7中并撞击(impinge)在分析物9上而产生。接收天线13可以是电极或任何其他合适的无线电频率(RF)或微波范围内的电磁信号的接收器。在实施例中，接收天线13被配置成用于检测具有至少两个频率的电磁信号，该至少两个频率中的每个频率在约10kHz到约100GHz的范围内，或在另一实施例中在大约300MHz到大约6000MHz的范围内。发射天线13可以相对于目标7具有足以允许检测(多个)响应信号23以允许进行分析物感测的任何布置和取向。在一个非限制性实施例中，接收天线13可以被布置成面向基本上朝向目标7的方向。
接收电路17可电连接到接收天线13，并且将接收到的响应从接收天线13传送到控制器19。接收电路17可以具有适合于与接收天线13对接(interface)的任何配置，以将由接收天线13检测到的电磁能量转换为反映(多个)响应信号23的一个或多个信号。接收电路的构造在本领域中是众所周知的。接收电路17可以被配置成用于在向控制器19提供(多个)信号之前调节信号，例如通过放大(多个)信号、对(多个)信号进行滤波等。因此，接收电路17可以包括滤波器、放大器、或用于调节提供给控制器19的(多个)信号的任何其他合适的部件。在实施例中，接收电路17或控制器19中的至少一者可以被配置成用于将由接收天线13检测到的复信号(包括各自处于不同频率的多个信号分量)分解或解复用为组成信号分量中的每一个。在实施例中，分解复信号可以包括对检测到的复信号应用傅里叶变换。然而，分解或解复用接收到的复信号是可选的。替代地，在实施例中，只要检测到信号提供足够的信息来进行分析物检测，就可以将接收天线检测到的复信号作为一个整体进行分析(即，不需要对复信号进行解复用)以检测分析物。
控制器19控制传感器5的操作。例如，控制器19可以指示发射电路15生成要由发射天线11发射的发射信号。控制器19进一步从接收电路17接收信号。控制器19可以可选地处理来自接收电路17的信号以检测目标7中的(多种)分析物。在一个实施例中，控制器19可以可选地例如通过一个或多个无线连续(诸如蓝牙)、无线数据连接(诸如4G、5G、LTE等)、或Wi-Fi与至少一个外部设备25(诸如用户设备和/或远程服务器27)通信。如果提供外部设备25和/或远程服务器27，则外部设备25和/或远程服务器27可以处理(或进一步处理)控制器19从接收电路17接收的信号，例如以检测(多种)分析物9。如果提供外部设备25，则外部设备25可以用于提供传感器5和远程服务器27之间的通信，例如使用有线数据连接或经由外部设备25的无线数据连接或Wi-Fi来提供到远程服务器27的连接。在实施例中，控制器19被进一步配置成用于响应于对感兴趣的一种或多种分析物9的检测而确定要采取的动作。在实施例中，与控制器19分离的另一个控制器(未示出)可以确定动作。
继续参考图1，传感器5可以包括限定内部空间31的传感器壳体29(以虚线示出)。传感器5的部件可以附接到壳体29和/或设置在壳体29内。例如，发射天线11和接收天线13附接到壳体29。在一些实施例中，天线11、13可以完全或部分地位于壳体29的内部空间31内。在一些实施例中，天线11、13可以附接到壳体29，但至少部分地或完全地位于内部空间31的外部。在一些实施例中，发射电路15、接收电路17和控制器19附接到壳体29，并且完全设置在传感器壳体29内。
接收天线13相对于发射天线11解耦合或去谐，使得发射天线11和接收天线13之间的电磁耦合减少。发射天线11和接收天线13的解耦合增加了由接收天线13检测到的(多个)信号的部分(即来自目标7的(多个)响应信号)，并且最小化了接收天线13对发射信号21的直接接收。与具有耦合的发射天线和接收天线的天线系统相比，发射天线11和接收天线13的解耦合导致从发射天线11到接收天线13的发射具有减少的前向增益(S21)和输出处(S22)增加的反射。
在实施例中，发射天线11和接收天线13之间的耦合为95％或更小。在另一实施例中，发射天线11和接收天线13之间的耦合为90％或更小。在另一实施例中，发射天线11和接收天线13之间的耦合为85％或更小。在另一实施例中，发射天线11和接收天线13之间的耦合为75％或更小。
可以使用用于减少发射天线11和接收天线13之间的耦合的任何技术。例如，发射天线11和接收天线13之间的解耦合可以通过发射天线11和接收天线13之间的足以使发射天线11和接收天线13彼此解耦合的一个或多个有意制造的配置和/或布置来实现。
例如，在下文进一步描述的一个实施例中，发射天线11和接收天线13的解耦合可以通过有意地将发射天线11和接收天线13配置为具有彼此不同的几何形状来实现。有意不同的几何形状是指发射天线11和接收天线13的有意的不同几何形状配置。有意的几何形状差异不同于发射天线和接收天线的可能偶然或无意发生的几何形状差异，例如，由于制造误差或公差。
实现发射天线11和接收天线13的解耦合的另一种技术是在每个天线11、13之间提供适当的间距，该适当的间距足以使天线11、13解耦合并迫使发射信号21的电磁力线的一部分进入目标7中，从而尽可能地减少或消除接收天线13直接从发射天线11直接接收而不进入目标7的电磁能量。每个天线11、13之间的适当的间距可以基于包括但不限于来自发射天线11的信号的输出功率、天线11、13的尺寸、发射信号的一个或多个频率以及天线之间任何屏蔽的存在的因素来确定。该技术有助于确保由接收天线13检测到的响应正在测量分析物9，而不仅仅是发射信号21从发射天线11直接流向接收天线13。在一些实施例中，天线11、13之间的适当的间距可以与天线11、13的几何形状的有意差异一起使用，以实现解耦合。
在一个实施例中，由发射天线11发射的发射信号可以具有至少两个不同的频率，例如，往上的7到12个不同且离散的频率。在另一实施例中，发射信号可以一系列离散的、单独的信号，每个单独的信号具有单个频率或多个不同的频率。
在一个实施例中，发射信号(或发射信号中的每一个发射信号)可以在小于、等于或大于约300ms的发射时间内被发射。在另一实施例中，发射时间可以小于、等于或大于约200ms。在又另一实施例中，发射时间可以小于、等于或大于约30ms。发射时间也可以具有以秒为单位测量的幅度，例如，1秒、5秒、10秒或更多秒。在实施例中，可以将同一个发射信号发射多次，然后可以对发射时间进行平均。在另一实施例中，发射信号(或发射信号中的每一个发射信号)可以以小于或等于50％的占空比被发射。
图2A至图2C示出了可以在传感器系统5中使用的天线阵列33的示例以及可以如何定向天线阵列33。天线阵列33的许多取向是可能的，并且可以使用任何取向，只要传感器5可以执行其感测分析物9的主要功能。
在图2A中，天线阵列33包括设置在基板35上的发射天线11和接收天线13，基板35可以基本上是平面的。该示例描绘了基本上设置在X-Y平面中的阵列33。在该示例中，天线11、13在X轴和Y轴方向上的尺寸可以被认为是横向尺寸，而天线11、13在Z轴方向上的尺寸可以被认为是厚度尺寸。在该示例中，天线11、13中的每个天线具有至少一个横向尺寸(在X轴方向和/或在Y轴方向上测量)，该横向尺寸大于天线的厚度尺寸(在Z轴方向上)。换句话说，与在X轴方向和/或Y轴方向上测量的至少一个其他横向尺寸相比，发射天线11和接收天线13各自在Z轴方向上相对平坦或具有相对小的厚度。
在使用图2A中的实施例时，传感器和阵列33可以相对于目标7定位，使得目标7在Z轴方向上处于阵列33下方，或在Z轴方向上处于阵列33上方，由此天线11、13的面中的一个面朝向目标7。替代地，目标7可以在X轴方向上被定位在阵列33的左侧或右侧，由此天线11、13中的每一个天线的端部中的一个端部面向目标7。替代地，目标7可以在Y轴方向上被定位在阵列33的侧面，由此天线11、13中的每一个天线的侧面中的一个侧面面向目标7。
除了天线阵列33之外，传感器5还可以设置有一个或多个附加天线阵列。例如，图2A还描绘了可选的第二天线阵列33a，第二天线阵列33a包括设置在基板35a上的发射天线11和接收天线13，基板35a可以基本上是平面的。与阵列33一样，阵列33a也可以基本上设置在X-Y平面中，阵列33、33a在X轴方向上彼此间距开。
在图2B中，天线阵列33被描绘为基本上设置在Y-Z平面中。在该示例中，天线11、13在Y轴和Z轴方向上的尺寸可以被认为是横向尺寸，而天线11、13在X轴方向上的尺寸可以被认为是厚度尺寸。在该示例中，天线11、13中的每个天线具有至少一个横向尺寸(在Y轴方向和/或在Z轴方向上测量)，该横向尺寸大于天线的厚度尺寸(在X轴方向上)。换句话说，与在Y轴方向和/或Z轴方向上测量的至少一个其他横向尺寸相比，发射天线11和接收天线13各自在X轴方向上相对平坦或具有相对小的厚度。
在使用图2B中的实施例时，传感器和阵列33可以相对于目标7定位，使得目标7在Z轴方向上处于阵列33下方，或在Z轴方向上处于阵列33上方，由此天线11、13中的每一个天线的一个端部面向目标7。替代地，目标7可以在X轴方向上被定位在阵列33的前面或后面，由此天线11、13中的每一个天线的一个面朝向目标7。替代地，目标7可以在Y轴方向上被定位在阵列33的一个侧面，由此天线11、13中的每一个天线的一个侧面面向目标7。
在图2C中，天线阵列33被描绘为基本上设置在X-Z平面中。在该示例中，天线11、13在X轴和Z轴方向上的尺寸可以被认为是横向尺寸，而天线11、13在Y轴方向上的尺寸可以被认为是厚度尺寸。在该示例中，天线11、13中的每个天线具有至少一个横向尺寸(在X轴方向和/或在Z轴方向上测量)，该横向尺寸大于天线的厚度尺寸(在Y轴方向上)。换句话说，与在X轴方向和/或Z轴方向上测量的至少一个其他横向尺寸相比，发射天线11和接收天线13各自在Y轴方向上相对平坦或具有相对小的厚度。
在使用图2C中的实施例时，传感器和阵列33可以相对于目标7定位，使得目标7在Z轴方向上处于阵列33下方，或在Z轴方向上处于阵列33上方，由此天线11、13中的每一个天线的一端面向目标7。替代地，目标7可以在X轴方向上被定位在阵列33的左侧或右侧，由此天线11、13中的每一个天线的一侧面向目标7。替代地，目标7可以在Y轴方向上被定位在阵列33的前面或后面，由此天线11、13中的每一个天线的一个面朝向目标7。
图2A至图2C中的阵列33、33a不需要完全在诸如X-Y平面、Y-Z平面或X-Z平面的平面内定向。相反，阵列33、33a可以与X-Y平面、Y-Z平面和X-Z平面成角度设置。
使用天线几何形状的差异来解耦合天线
如上所述，用于将发射天线11与接收天线13解耦合的一种技术是有意地将发射天线11和接收天线13配置为具有有意不同的几何形状。有意不同的几何形状是指发射天线11和接收天线13的几何形状配置的有意差异，并且不同于可能意外或无意发生的发射天线11和接收天线13的几何形状的差异(例如由于制造天线11、13时的制造误差或公差)。
天线11、13的不同几何形状可以以多种不同方式表现出来，并且可以被描述。例如，在天线11、13中的每个天线的平面图中(诸如图3A至图3I中)，天线11、13的周边边缘的形状可以彼此不同。不同的几何形状可以导致天线11、13在平面图中具有不同的表面积。不同的几何形状可以导致天线11、13在平面中具有不同的纵横比(即，它们在不同维度上的尺寸的比率；例如，如下面进一步详细讨论的，天线11的长度除以宽度的比率可以与天线13的长度除以宽度的比率不同)。在一些实施例中，不同的几何形状可以导致天线11、13具有平面图中的不同周边边缘形状、平面图中的不同表面积和/或不同纵横比的任何组合。在一些实施例中，天线11、13可以具有在周边边缘边界内形成的一个或多个孔(参见图2B)，或者在周边边缘中形成的一个或多个凹口(参见图2B)。
因此，如本文所使用的，天线11、13的几何图形差异或几何形状差异是指当在平面中观察各个天线11、13时，在图形、长度、宽度、尺寸、形状、由边界(即，周边边缘)封闭的区域等方面的任何有意差异。
天线11、13可以具有任何配置，并且可以由允许它们执行如本文所述的天线11、13的功能的任何合适的材料形成。在一个实施例中，天线11、13可以由材料带形成。材料带可以包括这样的配置，其中当在平面图中观察天线时，带的至少一个横向尺寸大于其厚度尺寸(换句话说，与至少一个其他横向尺寸(诸如当在图3A至图3I的平面图中观察天线时的长度或宽度)相比，带相对平坦或具有相对较小的厚度)。材料带可以包括导线。天线11、13可以由任何合适的(多种)导电材料形成，包括金属和导电非金属材料。可以使用的金属的示例包括但不限于铜或金。可以使用的材料的另一示例是掺杂有金属材料的非金属材料，以使非金属材料导电。
在图2A至图2C中，阵列33、33a中的每一个内的天线11、13具有彼此不同的几何形状。此外，图3A至图3I示出了具有彼此不同的几何形状的天线11、13的附加示例的平面图。图2A至图2C和图3A至图3I中的示例并不是穷尽的，并且许多不同的配置是可能的。
首先参考图3A，示出了具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的平面图。在该示例(以及图2A至图2C和图3B至图3I中的示例)中，为了方便描述本文中的概念，一个天线被标记为发射天线11，另一个天线被标记为接收天线13。然而，被标记为发射天线11的天线可以是接收天线13，而被标记为接收天线13的天线可以是发射天线11。天线11、13中的每一个天线设置在具有平坦表面37的基板35上。
天线11、13可以形成为表面37上的线性带或迹线。在该示例中，天线11通常为U形，并具有第一线性腿40a、垂直于第一腿40a延伸的第二线性腿40b、以及平行于腿40a延伸的第三线性腿40c。同样，天线13由平行于腿40a、40c并在腿40a和40c之间延伸的单个腿形成。
在图3A所描绘的示例中，天线11、13中的每一个天线具有大于其厚度尺寸的至少一个横向尺寸(在图3A中，当查看图3A时，厚度尺寸将延伸到页面中/从页面中延伸)。例如，天线11的腿40a在一个方向(即，横向尺寸)上延伸的范围大于腿40a延伸进页面中或延伸出页面外的厚度尺寸；天线11的腿40b在一方向(即，横向尺寸)上延伸的范围大于腿40b延伸进页面中或延伸出页面外的厚度尺寸；并且天线11的腿40c在一个方向(即，横向尺寸)上延伸的范围大于腿40c延伸进页面中或延伸出页面外的厚度尺寸；同样，天线13在一个方向(即，横向尺寸)上延伸的范围大于天线13延伸进页面中或延伸出页面外的厚度尺寸。
天线11、13在几何形状上也彼此不同，因为当在平面图中观察时，天线11的总线性长度(通过将腿40a至40c的各个长度L1、L2、L3相加而确定)大于当在平面图观察时天线13的长度L13。
图3B示出了具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11、13被示出为基本上线性的带，每个带具有横向长度L11、L13、横向宽度W11、W13以及外周边缘E11、E13。外周边缘E11、E13围绕天线11、13的整个外周延伸，并在平面图中界定区域。在该示例中，当观察图3B时，横向长度L11、L13和/或横向宽度W11、W13大于天线11、13延伸进页面中/从页面延伸的厚度尺寸。在该示例中，天线11、13在几何形状上彼此不同，因为天线11、13的端部的形状彼此不同。例如，当观察图3B时，天线11的右端42具有与天线13的右端44不同的形状。类似地，天线11的左端46可以具有与右端42相似的形状，但不同于天线13的左端48，天线13的左端48可以具有与右端44相似的形状。也可能的是，天线11、13的横向长度L11、L13和/或横向宽度W11、W13可以彼此不同。
图3C示出了与图3B有些相似的具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一个平面图。在该示例中，天线11、13被示出为基本上线性的带，每个带具有横向长度L11、L13、横向宽度W11、W13以及外周边缘E11、E13。外周边缘E11、E13围绕天线11、13的整个外周延伸，并在平面图中界定区域。在该示例中，当观察图3C时，横向长度L11、L13和/或横向宽度W11、W13大于天线11、13延伸进页面中/从页面延伸的厚度尺寸。在该示例中，天线11、13在几何形状上彼此不同，因为天线11、13的端部的形状彼此不同。例如，当观察图3C时，天线11的右端42具有与天线13的右端44不同的形状。类似地，天线11的左端46可以具有与右端42相似的形状，但不同于天线13的左端48，天线13的左端48可以具有与右端44相似的形状。此外，天线11、13的横向宽度W11、W13彼此不同。也可能的是，天线11、13的横向长度L11、L13可以彼此不同。
图3D示出了与图3B和图3C有些相似的具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一个平面图。在该示例中，天线11、13被示出为基本上线性的带，每个带具有横向长度L11、L13、横向宽度W11、W13以及外周边缘E11、E13。外周边缘E11、E13围绕天线11、13的整个外周延伸，并在平面图中界定区域。在该示例中，当观察图3D时，横向长度L11、L13和/或横向宽度W11、W13大于天线11、13延伸进页面中/从页面延伸的厚度尺寸。在该示例中，天线11、13在几何形状上彼此不同，因为天线11、13的端部的形状彼此不同。例如，当观察图3D时，天线11的右端42具有与天线13的右端44不同的形状。类似地，天线11的左端46可以具有与右端42相似的形状，但不同于天线13的左端48，天线13的左端48可以具有与右端44相似的形状。此外，天线11、13的横向宽度W11、W13彼此不同。也可能的是，天线11、13的横向长度L11、L13可以彼此不同。
图3E示出了基板上具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11被示出为具有大致马蹄形的材料带，而天线13被示出为基本上线性的材料带。天线11、13的平面形状(即，几何形状)彼此不同。此外，当在平面图中观察时天线11的(从一端到另一端测量的)总长度大于在平面中观察时天线13的长度。
图3F示出了基板上具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11被示出为形成直角的材料带，而天线13也被示出为形成较大直角的材料带。天线11、13的平面形状(即，几何形状)彼此不同，因为天线13的平面图中的总面积大于天线11的平面图中的总面积。此外，当在平面图中观察时天线11的(从一端到另一端测量的)总长度小于在平面中观察时天线13的长度。
图3G示出了基板上具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11被示出为形成正方形的材料带，而天线13被示出为形成矩形的材料带。天线11、13的平面形状(即，几何形状)彼此不同。此外，当在平面中观察时天线11的宽度/长度中的至少一个小于当在平面中观察时天线13的宽度/长度中的一个。
图3H示出了基板上具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11被示出为当在平面中观察时形成圆形的材料带，并且天线13也被示出为当在平面中观察时形成被天线11形成的圆形包围的较小圆形的材料带。由于圆形的不同尺寸，天线11、13的平面形状(即，几何形状)彼此不同。
图3I示出了基板上具有两个有着不同几何形状的天线的天线阵列的另一平面图。在该示例中，天线11被示出为线性材料带，而天线13被示出为当在平面中观察时形成半圆形的材料带。由于天线11、13的不同形状/几何形状，天线11、13的平面形状(即，几何形状)彼此不同。
图4A至4D是发射天线11和接收天线13的端部可以具有以实现几何形状差异的不同形状的附加示例的平面图。天线11、13的端部中的任一个或两个可以具有图4A至图4D中的形状，包括图3A至图3I中的实施例中的形状。图4A将端部描绘为大致矩形。图4B将端部描绘为具有一个圆角，而另一个角保持直角。图4C将整个端部描绘为圆形或向外凸起。图4D将端部描绘为向内凹入。许多其他形状也是可能的。
实现天线11、13的解耦合的另一种技术是在每个天线11、13之间使用适当的间距，该间距足以迫使发射天线11发射的(多个)信号中的大部分或全部信号进入目标，从而最小化接收天线13直接从发射天线11直接接收的电磁能量。适当的间距可以单独实现天线11、13的解耦合。在另一实施例中，适当的间距可以与天线11、13的几何形状的差异一起使用以实现解耦合。
参考图2A，在所指示的位置处，发射天线11和接收天线13存在间距D。天线11、13之间的间距D可以在每个天线11、13的整个长度上(例如在X轴方向上)是恒定的，或者天线11、13之间的间距D可以变化。可以使用任何间距D，只要间距D足以导致发射天线11发射的(多个)信号中的大部分或全部信号到达目标，并最小化接收天线13直接从发射天线11直接接收的电磁能量，从而使天线11、13彼此解耦合。
参考图5，示出了传感器设备5的示例配置。在图5中，与图1中的元件相同或相似的元件用相同的附图标记表示。在图5中，天线11、13设置在基板50的一个表面上，基板50可以是例如印刷电路板。基板50上方设有至少一个电池52(诸如可再充电电池)，至少一个电池52用于向传感器设备5提供电力。此外，提供了数字印刷电路板54，其上可以设置发射电路15、接收电路17和控制器19以及第二设备5的其他电子器件。基板50和数字印刷电路板54经由任何合适的电气连接(诸如柔性连接器56)电连接。RF屏蔽件58可以可选地定位在天线11、13和电池52之间，或者定位在天线11、13和数字印刷电路板54之间，以屏蔽电路和电气部件免受RF干扰。
如图5中所描绘的，传感器设备5的所有元件(包括天线11、13、发射电路15、接收电路17、控制器19、电池52等)完全包含在壳体29的内部空间31内。在替代实施例中，每个天线11、13的一部分或全部可以突出到壳体29的底壁60下方。在另一实施例中，每个天线11、13的底部可以与底壁60齐平，或者它们可以从底壁60稍微凹陷。
传感器设备5的壳体29可以具有人们认为适合用于在非侵入式传感器设备中采用的任何配置和尺寸。在一个实施例中，对于不大于约62.5cm3的总内部体积，壳体29可以具有不大于50mm的最大长度尺寸LH，不大于50mm的最大宽度尺寸WH、以及不大于25mm的最大厚度尺寸TH。
此外，继续参考图5以及图3A至3I，发射天线11和接收天线13之间优选地存在最大间距Dmax和最小间距Dmin。最大间距Dmax可以由壳体29的最大尺寸决定。在一个实施例中，最大间距Dmax可以是约50mm。在一个实施例中，最小间距Dmin可以是从约1.0mm到约5.0mm。
现在参考图6以及图1，描绘了用于检测目标中的至少一种分析物的方法70的一个实施例。图6中的方法可以使用本文所描述的传感器设备5的任何实施例来实践。为了检测分析物，传感器设备5被放置在相对紧邻近目标的位置。相对紧邻意味着传感器设备5可以接近但不与目标直接物理接触，或者替代地，传感器设备5可以被放置为与目标直接、紧密物理接触。传感器设备5和目标7之间的间距可以取决于许多因素，诸如发射信号的功率。假设传感器设备5相对于目标7被正确地定位，则在框72处，例如由发射电路15生成发射信号。发射信号然后被提供给发射天线11，在框74处，发射天线11朝向目标发射发射信号并将发射信号发射到目标中。在框76处，接收天线13然后检测由发射信号接触(多种)分析物产生的响应。接收电路17从接收天线13获得检测到的响应，并将检测到的响应提供给控制器19。在框78处，然后可以分析检测到的响应以检测至少一种分析物。分析可以由控制器19和/或由外部设备25和/或由远程服务器27执行。
参考图7，方法700中的框78处的分析可以采取多种形式。在一个实施例中，在框80处，分析可以简单地检测分析物的存在，即，目标中是否存在分析物。替代地，在框82处，分析可以确定存在的分析物的量。
在一些情况下，发射信号和分析物之间的相互作用可以增加由接收天线检测到的(多个)信号的强度，而在其他情况下，可以降低由接收天线检测到的(多个)信号的强度。例如，在一个非限制性实施例中，当分析检测到的响应时，目标中的化合物(包括正在被检测的感兴趣的分析物)可以吸收发射信号中的一些发射信号，其中吸收基于发射信号的频率而变化。接收天线检测到的响应信号可以包括在目标中的化合物(诸如分析物)吸收发射信号的频率处的强度下降。吸收的频率对于不同的分析物是特定的。基于这种信号强度下降是否是在与感兴趣的分析物的吸收相对应的频率处观察到的，可以在与感兴趣的分析物相关联的频率处分析由接收天线检测到的(多个)响应信号，以基于与分析物的吸收相对应的信号强度下降来检测分析物。对于由分析物引起的(多个)信号强度的增加，可以采用类似的技术。
例如，可以通过标识接收天线在与分析物相关联的已知频率处检测到的信号强度变化来实现对分析物存在的检测。该变化可以是信号强度的降低或信号强度的增加，这取决于发射信号如何与分析物相互作用。可以例如通过测试已知包含分析物的溶液来建立与分析物相关联的已知频率。例如，分析物的量的确定可以例如通过标识已知频率处的信号变化的幅度来实现，例如使用输入变量是信号变化的幅度且输出变量是分析物的量的函数。分析物的量的确定可以进一步用于确定浓度，例如基于目标的已知质量或体积。在实施例中，分析物的存在和分析物的量的确定都可以被确定，例如通过首先标识检测到的信号的变化以检测分析物的存在，然后对(多个)检测到的信号进行处理以标识变化幅度以确定量。
对检测到的分析物的自动响应
图8是根据实施例的提供对一种或多种分析物的检测的自动响应的方法的流程图。方法90可以包括检测一种或多种分析物92、确定要采取的动作94、提供引导所确定的动作的指令96、以及采取动作98。方法90可以连续地、迭代地重复、根据预定时间表或采样频率执行，或者当事件或用户提示触发时执行。
在92处，检测一种或多种分析物。一种或多种分析物可以包括本文所描述的任何分析物。在92处的一种或多种分析物的检测可以使用本文所描述的任何传感器来执行。一种或多种分析物的检测可以包括一种或多种分析物中的每一种分析物的存在和/或量的检测。一种或多种分析物中的每一种都可以根据本文所描述的任何方法进行检测。
在94处，确定要采取的动作。动作可以是对一种或多种分析物的检测的任何合适的响应，该响应可以由一个或多个控制设备实现。动作可以修改介质或其组分(诸如至少一种感兴趣的分析物)的一个或多个性质。可以受在94处确定的动作影响的性质包括例如，物理性质(诸如密度、形状、不同材料的分布、或粘度)、化学性质(诸如一种或多种材料的立体化学、温度)、电气性质(诸如电阻率)等。可以例如通过以下来改变性质使用机械设备移动或搅拌材料或改变包含介质的容器的形状；向介质中添加添加剂；引导介质通过一个或多个过滤器；或基于对至少一种分析物的检测的期望响应、要在此类响应中受影响的一种或多种性质、以及可用于对一种或多种性质产生影响的机械作用和/或化学相互作用的任何其他此类合适的动作。
可以在94处基于特定应用、被检测的一种或多种分析物以及自动控制的能力来确定动作。例如，在一种或多种分析物包括血糖并且控制设备是胰岛素泵的情况下，动作可以是胰岛素供应的量或速率。在实施例中，该动作直接影响一种或多种分析物的量，例如，增加或减少分析物通过例如提供分析物的管线上的阀进入介质的流量。在实施例中，动作是对分析物的检测的响应，例如，当分析物的存在指示介质中存在污染时，使用例如阀、可控导管等来切断介质的流动。在实施例中，动作可以间接影响分析物中的一种或多种分析物的量，例如，当血糖高于上边界时操作胰岛素泵以供应胰岛素或当血糖低于下边界时减少胰岛素的供应。间接影响一种或多种分析物的水平的控制的其他非限制性示例可以包括控制向反应混合物中添加前体或催化剂、添加杀生物剂以减少细菌或其他生物污染物、或不直接控制一种或多种分析物的供应但是可以触发介质中的那些分析物水平的变化的任何其他合适的控制。
可以在94处基于与在92处检测到的一种或多种分析物的存在和/量相关的逻辑来确定动作。例如，可以在包括用于在92处检测一种或多种分析物的传感器的设备、与包括传感器的设备分离但位于其附近的本地设备、诸如云服务器之类的远程服务器、或包括被配置成用于确定动作的控制器的任何其他合适的设备处执行动作的确定。逻辑可以包括例如一种或多种分析物的上边界和/或下边界、一种或多种分析物的一个或多个目标量、基于在92处检测到的一种或多种分析物的存在或不存在的条件逻辑、或允许控制器将在92处检测到的一种或多种分析物与响应于检测的动作相关联的任何其他合适的逻辑。逻辑可以包括与一种或多种分析物的不同量或存在相关联的多个不同动作。例如，逻辑可以包括上边界和下边界两者，每个边界具有不同的关联动作。在实施例中，逻辑可以包括特定参数的特定值，该特定参数的特定值例如将可变控制的特定设置(诸如通过可控阀的流速或孔径尺寸、医疗成分(诸如胰岛素或药物)的特定剂量等)与一种或多种分析物的特定水平相关联。可以例如通过公式、查找表或任何其他合适的方法，将一种或多种分析物的水平与可变控制的特定设置相关联。
一旦在94处确定了要采取的动作，就在96处提供引导所确定的动作的指令。指令可以是引导采取在94处确定的动作的任何合适的命令。可以在96处通过向采取动作的设备传送命令(例如，通过有线连接、任何合适的无线通信或其组合)来提供指令。一个或多个设备可以参与传送命令，诸如远程服务器将命令传送到本地设备，然后本地设备将指令传送给采取动作的设备。一旦在96处提供了指令，就可以在98处采取动作。可以在98处通过根据在96处提供的指令操作任何合适的设备来采取动作，诸如打开或关闭一个或多个阀、移动一个或多个叶片、更换过滤器、或调节材料进入介质的流量。在实施例中，材料可以是与介质中的组分(诸如至少一种感兴趣的分析物)反应的材料。在实施例中，材料可以是能够影响介质的性质(诸如介质的密度、粘度或电阻率)的材料(诸如添加剂)。在实施例中，动作可以是加热或冷却介质。例如，动作可以包括使用加热元件、加热灯或任何其他合适的热源来加热介质。在实施例中，动作可以包括冷却介质，例如使用制冷回路、在比介质相对低的温度下添加材料、或用于冷却介质的其他合适的设备或技术。在实施例中，采取的动作是调节胰岛素泵提供的胰岛素的输出速率或量。
如上所述，需要分析由传感器5获得的数据，例如如上所描述的，通过基于所述数据确定要采取的动作并使该动作自动执行。分析可以在传感器5上或在与传感器5分离的一个或多个设备或系统上进行。除非申请人另有说明，否则术语“设备”或“系统”旨在广义地解释为涵盖可以分析由传感器5获得的数据的任何类型的设备或系统。可以用于分析数据的设备或系统的示例包括但不限于基于硬件的计算设备或系统；基于云的计算设备或系统；机器学习设备或系统(包括主动学习设备或系统)；基于人工智能的设备或系统；基于神经网络的设备或系统；它们的组合；以及适用于分析数据的任何其他类型的设备和系统。设备可以位于任何合适的位置、并入包括传感器5的设备中、或者在位于传感器5本地或远离传感器5的分离设备中。
然后生成由分析产生或基于分析的一个或多个输出信号。在一些实施例中，(多个)输出信号由分析数据的(多个)设备或(多个)系统生成。(多个)输出信号被引导到基于(多个)输出信号实现动作的一个或多个其他设备或系统。在一个实施例中，(多个)输出信号被引导到一个或多个机器或系统，例如阀或医疗设备(诸如胰岛素泵)，(多个)输出信号修改(多个)机器或(多个)系统的操作。在一个实施例中，(多个)输出信号可以与被发送到一个或多个机器或系统分开地或附加地存储在合适的数据存储中，例如以记录由系统指示的动作。
图9是被配置成用于自动执行动作的系统100的一个非限制性示例。在该示例中，传感器5分析介质102并生成输出信号，该输出信号被发送到被包括在系统100中的控制设备104。在实施例中，输出信号可以在到达控制设备104之前传递到远程设备106。
介质102是其中可以存在一种或多种分析物的介质。介质102可以是可能包含一种或多种分析物的任何介质。介质102可以包括但不限于人类组织、动物组织、植物组织、无生命对象、土壤、流体、遗传物质或微生物。在实施例中，介质102是流体流，诸如通过流体管线的化合物流、人或动物体内的血液流等。在实施例中，介质102是位于容器内的流体，容器诸如烧杯、比色皿、样本储存容器、反应袋或容器、或用于包含流体的任何其他这样的合适容器。介质102的非限制性示例可以包括，例如用于分析或筛选的样本(诸如血液样本)、反应混合物或其添加物(诸如化学原料)、过程输出(诸如来自化学反应物的输出流)、用于给患者施用的药物(诸如用于静脉内(IV)递送的流体)、过滤器上游和/或下游的流体、或者可以通过自动控制对分析物的存在或量作出响应的任何其他介质。
控制设备104被配置成用于响应于命令而动作。控制设备104可以直接或间接连接到系统100。在图9所示的实施例中，控制设备104被配置成用于无线地接收来自传感器5或分离设备106的命令。控制设备可以是任何合适的设备，诸如机械设备、加热或冷却设备等，用于执行基于一种或多种分析物的检测或量而确定的动作。控制设备104的非限制性示例包括例如阀、泵、导流器、流体测定设备、风扇、热交换器、加热元件等。在实施例中，控制设备104可以控制随后与介质102相互作用的流。例如，在一个实施例中，介质102可以是反应混合物，并且控制设备104可以控制被添加到介质102的化合物(诸如反应混合物中使用的特定试剂)的流量。在其他实施例中，控制设备104可以控制介质102自身的流量。例如，如果在介质102中检测到污染物，则控制介质102的流量的控制设备104可以操作以停止介质102的流量。在一个实施例中，控制设备104是胰岛素泵。控制设备104可以对命令进行响应，以基于一种或多种分析物的检测自动执行动作。动作可以是控制设备104要采取的任何合适的动作。控制设备104采取的动作的非限制性示例包括打开或关闭阀、将可调节阀移动到特定的孔径尺寸或流量设置、启动或停用泵、设置泵的流速、选择导流器允许流体进入的管道或流体管线、为介质102提供加热或冷却、为受控IV滴注或胰岛素泵设置输送速率等。在实施例中，多个控制设备104可以各自基于一种或多种分析物的检测而采取特定动作，从而产生复合响应。
在实施例中，控制设备104可以与传感器5位于同一设备中。在另一实施例中，控制设备104可以与传感器5物理分离。在实施例中，可以在包括传感器5的设备处执行对来自传感器5的信号的处理，以确定要在控制设备104处采取的动作。在实施例中，可以在控制设备104中包括的控制器处执行对来自传感器5的信号的处理，以确定要在控制设备104处采取的动作。在实施例中，可以在与控制设备104和传感器5两者分离的分离设备106中所包括的控制器处执行对信号的处理。在实施例中，分离设备106远离传感器5和控制设备104两者，例如是云服务器。在实施例中，分离设备可以在物理上靠近传感器5或控制设备104，例如是用于位于同一建筑物中或沿着传感器5所在的生产线的过程的控制器，或者作为进一步的非限制性示例，是诸如智能电话、平板电脑、计算机等的移动设备。对来自传感器5的信号的处理导致控制设备104实现的命令。传感器5、控制设备104和可选的分离设备106可以分别通过任何合适的有线连接或如图9中所示的无线通信或数据连接(诸如蓝牙)、蜂窝数据通信(诸如4G、5G、LTE等)或Wi-Fi彼此通信。
图10是被配置成用于自动控制胰岛素泵的系统的一个非限制性示例。传感器5靠近对象140，例如，在戴在对象140手腕上的带子上。在图10所示的实施例中，传感器5被配置成用于检测对象140体内的葡萄糖水平。对象140具有胰岛素泵142，胰岛素泵142被配置成用于当对象140需要胰岛素时输送胰岛素。胰岛素泵142被配置成用于接收数据并基于该数据控制胰岛素的施用。数据可以是由传感器5测量的血糖水平，或者是基于由传感器5测量的血糖水平的关于胰岛素施用的命令。在实施例中，可以在胰岛素泵142处直接从传感器5接收数据。在该实施例中，数据可以是要在胰岛素泵142处进行处理的血糖测量值，或者是在传感器5和胰岛素泵142中的一个或两个处进行处理以确定胰岛素泵142对胰岛素的施用的控制的信号。在实施例中，传感器5可以与分离设备106通信，分离设备106可以从传感器5接收数据，并将数据传送到胰岛素泵142。分离设备106可以执行数据的至少一些处理，例如，从传感器5接收血糖水平并处理血糖水平以确定用于从胰岛素泵142施用胰岛素的命令。传感器5、胰岛素泵142和可选的分离设备106可以分别通过任何合适的有线连接或如图10中所示的无线通信或数据连接(诸如蓝牙)、蜂窝数据通信(诸如4G、5G、LTE等)或Wi-Fi彼此通信。
以下是可能的附加系统和方法。
分析物感测和响应系统可以包括：
传感器，传感器被配置成用于检测介质中的至少一种分析物，所述传感器包括：
传感器壳体；
解耦合的检测器阵列，解耦合的检测器阵列附接到传感器壳体，解耦合的检测器阵列具有至少一个发射元件和至少一个接收元件；
至少一个发射元件由导电材料带组成，该导电材料带具有大于其厚度尺寸的其至少一个横向尺寸，至少一个发射元件的导电材料带设置在基板上；
至少一个接收元件由导电材料带组成，该导电材料带具有大于其厚度尺寸的其至少一个横向尺寸，至少一个接收元件的导电材料带设置在基板上；
发射电路，发射电路附接到传感器壳体，发射电路可电连接到至少一个发射元件，发射电路被配置成用于生成要由至少一个发射元件发射到介质中的发射信号，发射信号在电磁频谱的无线电或微波频率范围内；以及
接收电路，接收电路附接到传感器壳体，接收电路可电连接到至少一个接收元件，接收电路被配置成用于接收由至少一个接收元件检测到的响应，该响应由至少一个发射元件将发射信号发射到介质中而产生；以及
控制器，控制器与接收电路通信，控制器被配置成用于基于传感器对至少一种分析物的检测而自动引导影响至少一种分析物或介质的性质的动作。
分析物感测和响应系统还可以包括：
阀，该阀连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且阀控制至少一种分析物进入介质的流量，并且其中动作包括控制器控制阀以增加或减少至少一种分析物进入介质的流量；
阀，该阀连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且阀控制与至少一种分析物相互作用的一种或多种化学物质进入介质的流量，以影响至少一种分析物或介质的性质，并且其中动作包括控制器控制阀以增加或减少一种或多种化学物质进入介质的流量；
机械设备，该机械设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且机械设备被配置成用于基于从控制器接收的信号来控制介质中的至少一种分析物的水平；
加热或冷却设备，该加热或冷却设备连接到控制器并由来自控制器的信号控制，并且加热和冷却设备被配置成用于影响介质和/或至少一种分析物的温度；或者
胰岛素泵，该胰岛素泵连接到控制器并由来自控制器的信号控制，至少一种分析物是葡萄糖，并且动作包括基于来自控制器的由传感器对葡萄糖的检测而产生的信号来改变胰岛素泵的操作。
在分析物感测和响应系统中，控制器可以包括在与传感器分离的设备中。与传感器分离的设备可以被配置成用于从传感器接收关于至少一种分析物的信息。关于至少一种分析物的信息可以是至少一种分析物的存在或量，并且控制器可以被进一步配置成用于基于至少一种分析物的存在或量来确定动作。此外，传感器可以包括第二控制器，第二控制器被配置成用于确定要由控制器引导的动作，并且关于至少一种分析物的信息包括要由控制器引导的动作。此外，可以存在与传感器通信的远程服务器，其中远程服务器被配置成用于从传感器接收关于至少一种分析物的信息，并向控制器传送命令。
方法可以包括非侵入式地检测介质中的至少一种分析物，其中非侵入式地检测至少一种分析物包括：
生成具有至少两个不同频率的发射信号，至少两个不同频率中的每个频率落在约10kHz到约100GHz之间的范围内；
从至少一个发射天线将发射信号发射到介质中；以及
使用至少一个接收天线来检测响应，该响应由至少一个发射天线将发射信号发射到介质中而产生；
基于响应确定至少一种分析物的存在或量；
基于至少一种分析物的存在或量，在控制器处确定自动动作；以及
引导控制设备执行自动动作。
方法还可以包括：
增加或减少至少一种分析物进入介质的流量的自动动作；
增加或减少至少一种除分析物之外的一种或多种化学物质进入介质的流量的自动动作；
增加或减少介质和/或至少一种分析物的温度的自动动作；
增加或减少由胰岛素泵提供的胰岛素供应的自动动作。
在方法中，被检测的分析物可以包括葡萄糖，并且包含分析物的介质可以是间质液。
非侵入式地检测至少一种分析物可以包括使用传感器，并且控制器和传感器包括在一个设备中。此外，非侵入式地检测至少一种分析物可以包括使用传感器，并且控制器在与传感器分离的设备中。此外，与传感器分离的设备可以是远程服务器。与传感器分离的设备可以包括控制设备。
本说明书中使用的术语旨在描述特定的实施例，并且不旨在限制。除非另有明确说明，术语“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”也包括复数形式。当在本说明书中使用术语“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”时，其指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在或添加。
本申请中公开的示例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而并非由前述描述指示；并且落入权利要求的等效方案的含义和范围内的所有改变旨在被涵盖在其中。
Claims (15)
1.一种分析物感测和响应系统，所述分析物感测和响应系统包括：
传感器，所述传感器被配置成用于检测介质中的至少一种分析物，所述传感器包括：
天线阵列，所述天线阵列具有至少一个发射天线和至少一个接收天线；
发射电路，所述发射电路能电连接到所述至少一个发射天线，所述发射电路被配置成用于生成要由所述至少一个发射天线发射的发射信号，所述发射信号在电磁频谱的无线电或微波频率范围内；以及
接收电路，所述接收电路能电连接到所述至少一个接收天线，所述接收电路被配置成用于接收由所述至少一个接收天线检测到的响应，所述响应由所述至少一个发射天线将所述发射信号发射到所述介质中而产生，以及
控制器，所述控制器与所述接收电路通信，所述控制器被配置成用于基于所述传感器对所述至少一种分析物的检测来自动引导影响所述至少一种分析物或所述介质的性质的动作。
2.如权利要求1所述的分析物感测和响应系统，进一步包括：
a)阀，所述阀连接到所述控制器并由来自所述控制器的信号控制，并且所述阀控制所述至少一种分析物进入所述介质的流量，并且其中所述动作包括所述控制器控制所述阀以增加或减少所述至少一种分析物进入所述介质的所述流量；
b)阀，所述阀连接到所述控制器并由来自所述控制器的信号控制，并且所述阀控制与所述至少一种分析物相互作用的一种或多种化学物质进入所述介质的流量，以影响所述至少一种分析物或所述介质的所述性质，并且其中所述动作包括所述控制器控制所述阀以增加或减少所述一种或多种化学物质进入所述介质的所述流量；
c)机械设备，所述机械设备连接到所述控制器并由来自所述控制器的信号控制，并且所述机械设备被配置成用于基于从所述控制器接收的所述信号来控制所述介质中的所述至少一种分析物的水平；
d)加热或冷却设备，所述加热或冷却设备连接到所述控制器并由来自所述控制器的信号控制，并且所述加热和冷却设备被配置成用于影响所述介质和/或所述至少一种分析物的温度；或者
e)胰岛素泵，所述胰岛素泵连接到所述控制器并由来自所述控制器的信号控制，所述至少一种分析物包括葡萄糖，并且所述动作包括基于来自所述控制器的由所述传感器对所述葡萄糖的检测而产生的所述信号来改变所述胰岛素泵的操作。
3.如权利要求1所述的分析物感测和响应系统，其特征在于，所述控制器包括在与所述传感器分离的设备中。
4.如权利要求3所述的分析物感测和响应系统，其特征在于，与所述传感器分离的所述设备被配置成用于从所述传感器接收关于所述至少一种分析物的信息。
5.如权利要求4所述的分析物感测和响应系统，其特征在于，关于所述至少一种分析物的所述信息是所述至少一种分析物的存在或量，并且所述控制器被进一步配置成用于基于所述至少一种分析物的存在或量来确定所述动作。
6.如权利要求4所述的分析物感测和响应系统，其特征在于，所述传感器包括第二控制器，所述第二控制器被配置成用于确定要由所述控制器引导的所述动作，并且关于所述至少一种分析物的所述信息包括要由所述控制器引导的所述动作。
7.如权利要求3所述的分析物感测和响应系统，进一步包括与所述传感器通信的远程服务器，其中所述远程服务器被配置成用于从所述传感器接收关于所述至少一种分析物的信息，并向所述控制器传送命令。
8.一种方法，所述方法包括：
非侵入式地检测介质中的至少一种分析物，其中非侵入式地检测所述至少一种分析物包括：
生成具有至少两个不同频率的发射信号，所述至少两个不同频率中的每个频率落在约10kHz到约100GHz之间的范围内；
从至少一个发射天线将所述发射信号发射到所述介质中；以及
使用至少一个接收天线来检测响应，所述响应由所述至少一个发射天线将所述发射信号发射到所述介质中而产生；
基于所述响应确定所述至少一种分析物的存在或量；
基于所述至少一种分析物的所述存在或所述量，在控制器处确定影响所述介质和/或所述至少一种分析物的性质的自动动作；以及
引导控制设备执行所述自动动作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述自动动作包括：
a)增加或减少所述至少一种分析物进入所述介质的流量；
b)增加或减少除所述至少一种分析物之外的一种或多种化学物质进入所述介质的流量；
c)增加或减少所述介质和/或所述至少一种分析物的温度；或者
d)增加或减少由胰岛素泵提供的胰岛素供应。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一种分析物包括葡萄糖。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，非侵入式地检测所述至少一种分析物包括使用传感器，并且所述控制器和所述传感器包括在一个设备中。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，非侵入式地检测所述至少一种分析物包括使用传感器，并且所述控制器在与所述传感器分离的设备中。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，与所述传感器分离的所述设备是远程服务器。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，与所述传感器分离的所述设备包括所述控制设备。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述介质是间质液。
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