TWI627395B - 葡萄糖濃度的感測系統與感測方法 - Google Patents
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Abstract
一種葡萄糖濃度的感測系統，包括以下元件。光源用以產生光線，偏振狀態產生器包括調變器以改變光線的偏振狀態，之後光線用以射向生物組織。偏振狀態分析器用以接收由生物組織反射的光線。控制模組用以傳送電子訊號至調變器。此電子訊號具有至少4個取樣點，這些取樣點分別對應至不同的偏振狀態，每一個取樣點都可用來計算出對應的史托克斯向量。控制模組根據這些史托克斯向量計算出穆勒矩陣，根據穆勒矩陣計算出至少一參數，並根據參數計算出對應於生物組織的葡萄糖濃度。
Description
本發明是有關於一種非侵入式葡萄糖濃度的感測系統。
偏振(polarization)是光的一種基本性質，在工業或學術領域中具有許多應用。一般來說，光線的偏振狀態可以由四個史托克斯參數(stokes parameters)來描述，並且當光線照射至一個物體時，可用穆勒矩陣(Mueller matrix)來描述這個物體的光學特性。因此，史托克斯-穆勒矩陣的機制可用來分辨許多材料或生物材料。另一方面，如何快速且準確的量測生物組織的葡萄糖濃度，也是研究人員想要解決的問題。
在本發明實施例提出的感測系統與感測方法中，可應用於非侵入式的量測，且可量測低濃度(例如20mg/dl)的葡萄糖濃度。
本發明的實施例提出一種葡萄糖濃度的感測系
統，包括光源、偏振狀態產生器、偏振狀態分析器與控制模組。光源用以產生光線。偏振狀態產生器用以接收光線，並包括光電調變器以改變光線的偏振狀態，其中經過調變器的光線用以射向生物組織。偏振狀態分析器，用以接收由生物組織反射的光線。控制模組用以傳送一電子訊號至調變器。此電子訊號具有n個取樣點，這n個取樣點對應至光線的n個不同的偏振狀態，n為大於等於4的正整數。對於每一個取樣點，控制模組根據偏振狀態分析器所接收的光線計算出對應的史托克斯向量。控制模組根據n個取樣點所對應的史托克斯向量計算出穆勒矩陣，根據穆勒矩陣計算出至少一參數，並根據此參數計算出對應於生物組織的葡萄糖濃度。
在一些實施例中，上述調變器的主要軸為45度，偏振狀態產生器還包括：偏振板(polarizer)，設置於調變器與光源之間，其中偏振板的主要軸為0度；以及四分之一波片(quarter-wave plate)，設置於調變器與生物組織之間，其中四分之一波片的主要軸為0度。
在一些實施例中，上述的偏振狀態產生器還包括：偏振板，設置於調變器與光源之間；四分之一波片，設置於調變器與生物組織之間；以及二分之一波片(half-wave plate)，設置於四分之一波片與生物組織之間。
在一些實施例中，上述的調變器為光電調變器，偏振狀態產生器中的偏振板的主要軸為0度，光電調變器的主要軸為45度，四分之一波片的主要軸為45度，並且二分之一波片的主要軸為45度。偏振狀態產生器所射出的
光線的史拓克斯向量表示為以下方程式(1)、(2)。
其中S'為偏振狀態產生器所射出的光線的史拓克斯向量，V為常數，V λ/2為電子訊號的振幅。
在一些實施例中，偏振狀態分析器包括：第二光電調變器，其主要軸為0度；第三光電調變器，其主要軸為45度，第二光電調變器設置於生物組織與第三光電調變器之間；分析器，其主要軸為0度；以及偵測器。其中分析器設置於第三光電調變器與偵測器之間，偵測器用以接收穿透過第二光電調變器、第三光電調變器與分析器的光線。
在一些實施例中，控制模組用以對偵測器所接收的光線的亮度執行傅立葉轉換以取得多個亮度參數，並根據亮度參數計算出對應的史托克斯向量中的多個史托克斯參數。
在一些實施例中，控制模組根據以下方程式(3)、方程式(4)計算出微分穆勒矩陣。
其中z為光線傳輸的方向，m為微分穆勒矩陣，V M為穆勒矩陣的特性向量，λM為穆勒矩陣的特性值，λ m 為
微分穆勒矩陣的特性值，m λ為特性值λ m 組成的對角矩陣，上述的參數包括γ=(m23-m32)/4。
在一些實施例中，控制模組根據微分穆勒矩陣產生以下方程式(5)的微分穆勒矩陣。
控制模組將方程式(5)中的微分穆勒矩陣帶入方程式(4)以計算出以下方程式(6)的穆勒矩陣。
上述的至少一參數還包括以下方程式(7)的參數△...(7)。
在一些實施例中，控制模組將參數γ輸入至線性遞增函數以計算出葡萄糖濃度，或將參數△輸入至線性遞減函數以計算出葡萄糖濃度。
以另一個角度來說，本發明的實施例提出一種葡萄糖濃度的感測方法，適用於葡萄糖感測系統。此葡萄糖感測系統包括光源、偏振狀態產生器與偏振狀態分析器，光
源產生的光線傳送至偏振狀態產生器後射向生物組織。偏振狀態分析器接收由生物組織反射的光線。葡萄糖感測方法包括：傳送電子訊號至偏振狀態產生器中的調變器，其中電子訊號具有n個取樣點，n個取樣點對應至光線的n個偏振狀態，n個偏振狀態彼此不相同，n為大於等於4的正整數；對於每一個取樣點，根據偏振狀態分析器所接收的光線計算出對應的史托克斯向量；以及根據n個取樣點所對應的史托克斯向量計算出穆勒矩陣，根據穆勒矩陣計算出至少一參數，並根據此參數計算出對應於生物組織的葡萄糖濃度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧感測系統
110‧‧‧光源
111‧‧‧光線
120‧‧‧偏振狀態產生器
121‧‧‧偏振板
122‧‧‧光電調變器
123‧‧‧四分之一波片
124‧‧‧二分之一波片
125‧‧‧四分之一波片
130‧‧‧生物組織
140‧‧‧偏振狀態分析器
141‧‧‧光電調變器
142‧‧‧光電調變器
143‧‧‧分析器
144‧‧‧偵測器
150‧‧‧控制模組
151‧‧‧連接器
152‧‧‧電腦系統
153‧‧‧波形產生器
154~156‧‧‧光電驅動器
161‧‧‧電子訊號
S601~S603‧‧‧步驟
[圖1]是根據一實施例繪示非侵入式葡萄糖濃度的感測系統的系統示意圖。
[圖2]是根據一實施例繪示用以接收穿透自生物組織的光線的感測系統。
[圖3]是根據一實施例繪示產生線偏振的偏振狀態產生器的示意圖。
[圖4a、4b、5a、5b]是根據一些實施例繪示參數與葡萄糖濃度之間的關係。
[圖6]是根據一實施例繪示葡萄糖濃度的感測方法的流程圖。
關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。
圖1是根據一實施例繪示非侵入式葡萄糖濃度的感測系統的系統示意圖。請參照圖1，感測系統100包括光源110、偏振狀態產生器(polarization state generator，PSG)120、生物組織130、偏振狀態分析器(polarization state analyzer，PSA)140與控制模組150。在一些實施例中，感測系統100可實作為可攜式裝置，其中一或多個元件可以整合在單一個裝置當中，但本發明並不限制感測系統100的形狀與大小。
光源110是用以發出光線111，光源110可為雷射光源或寬頻光源，本發明並不限制光線111的種類與頻率等。在一些實施例中，光源110為氦氖雷射(He-Ne laser)。
偏振狀態產生器120是用以接收光線111，並且改變光線111的偏振狀態。例如，偏振狀態產生器120包括了偏振板121、光電調變器(electro-optic modulator，EO)122、四分之一波片(quarter-wave plate)123與二分之一波片(half-wave plate)124。在此實施例中，偏振板121是設置於光源110與光電調變器122之間，四分之一波片123是設置於光電調變器122與生物組織130之間，二分之一波片124是設置於四分之一波片123與生物組織130之
間。換言之，光線111在依序通過偏振板121、光電調變器122、四分之一波片123與二分之一波片124以後會射向生物組織130。
在一些實施例中，生物組織130為人的手指，光線在射向生物組織以後會反射至偏振狀態產生器140。然而，在其他實施例中生物組織130也可以是任意動物的任意器官或身體部位，或者生物組織130也可以是位於一容器/載體上的血液或其他組織，本發明並不在此限。
偏振狀態分析器140會接收從生物組織130反射的光線。例如，偏振狀態分析器140包括了光電調變器141(亦稱第二光電調變器)、光電調變器142(亦稱第三光電調變器)、分析器(analyzer)143與偵測器144。其中光電調變器141設置於生物組織130與光電調變器142之間，分析器143設置於光電調變器142與偵測器144之間。也就是說，偵測器144是用以接收穿透過光電調變器141、光電調變器142與分析器143的光線。
控制模組150會控制光電調變器122、141、142，並接收來自偵測器144的電子訊號，藉此計算出對應於生物組織130的葡萄糖濃度。在一些實施例中，控制模組150包括連接器151、電腦系統152、波形產生器153與光電驅動器154~156。連接器151是耦接至偵測器144、電腦系統152與波形產生器153。電腦系統152透過連接器151接收來自於偵測器144的訊號，並透過連接器151傳送指令/訊號至波形產生器153，藉此波形產生器153會控制光電驅動器
154~156以產生對應的電子訊號至光電調變器122、141、142。然而，本發明並不在此限，在其他實施例中控制模組150可以實作為任意的硬體、軟體或其組合。
在上述實施例中是使用光電調變器來改變光的偏振狀態，但在其他實施例中也可以使用其他類型的調變器。例如，光電調變器122、141、142其中的一或多者可替換為磁力式、壓力式或任何適當類型的調變器。
在圖1中，感測系統100為非侵入式的，所感測的是反射自生物組織130的光線，但在其他實施例中也可以感測穿透自生物組織130的光線。例如，請參照圖2，圖2與圖1相似的元件並不再重複贅述，在圖2中光線111在經過偏振狀態產生器120以後會射向生物組織130並穿透生物組織130，而偏振狀態分析器140會接收穿透過生物組織130的光線。然而，不論所感測的是反射或是穿透的光線，都不影響後續關於葡萄糖的計算。
以下將說明如何計算出葡萄糖濃度，首先須說明的是史托克斯向量(stokes vector)與穆勒矩陣(Mueller matrix)。一個史托克斯向量具有4個參數，一般表示為S0、S1、S2、S3，參數S0指的是光線(電磁波)中電場在兩個相互垂直的方向上的能量的相加，而參數S1指的是電場在這兩個方向上能量的相減，而參數S2、S3是用以補足偏振的角度與旋轉方向等資訊。然而，本領域具有通常知識者當可理解史托克斯向量的定義，在此不再詳細贅述。
一般的光學取樣可表示為Sout=M×Sin，其中
Sin為射向生物組織的光線的史托克斯向量，Sout為從生物組織反射或穿透的光線的史托克斯向量，而生物組織的光學特性可以表示為穆勒矩陣M(以下亦稱宏觀穆勒矩陣)，如以下方程式(1)所示。
穆勒矩陣M可以進一步透過多個微分穆勒矩陣來描述不同的光學性質。在此假設光線是沿著右手笛卡爾(right-handed Cartesian)座標系統的Z軸傳遞。微分穆勒矩陣可由以下方程式(2)所計算。
其中m表示微分穆勒矩陣。另外，穆勒矩陣M與微分穆勒矩陣m的特性向量(eigenvectors)分別表示為V M和V m；穆勒矩陣M與微分穆勒矩陣m的特性值(eigenvalues)分別表示為λM和λ m 。假設初始狀態的穆勒矩陣M Z=0具有單位矩陣的形式，則特性值λM和λ m 會有以下方程式(3)的關係，藉此可以算出特性值λ m 。
若把多個特性值λ m 組成對角矩陣m λ，則可以根據以下方程式(4)對於穆勒矩陣M進行特性分析以計算出微分穆勒矩陣m。
根據上述的微分穆勒矩陣分析，一般的非等向性(anistropic)樣本可以被分為16種不同的元素(elements)，而每個元素是用不同的角度來描述基本的光學行為。在此，M LB、M CB、M LD、M CD是分別用來描述線性雙折射(linear birefringence，LB)、旋性雙折射(circular birefringence，CB)、線性雙衰減(linear dichroism，LD)與旋性雙衰減(circular dichroism，CD)等光學特性的宏觀穆勒矩陣。微分矩陣 m BD所表示的是結合LB、CB、LD、CD光學特性的複合樣本，可表示如以下方程式(5)。
其中d表示樣本的厚度，α與β分別是LB特性的旋轉角度(orientation angle)與相位延遲(phase retardation)。γ是CB特性的光學旋轉角(optical rotation angle)。θd與D分別是LD特性的旋轉角度與線性雙衰減。R是CD特性的旋性振幅異向(circular amplitude anisotropy)，R是大於等於-1且小於等於1。更具體來說，R=(rR-r L )/(r R +r L )，其中rR與r L 分別是右旋圓偏振光與左旋圓偏振光的吸收率(absorption)。
此外，在非偏振非等向性(depolarizing anisotropic)的介質中，描述非偏振效應的微分穆勒矩陣可
表示為以下方程式(6)。
其中對角化的非偏振可表示為不同的參數、、。而異常雙衰減(anomalous dichroism)與異常非偏振(anomalous depolarization)則分別表示為參數與。
將上述方程式(5)、(6)相加，則用來描述非等向性光學樣本的LB、CB、LD、CD與非偏振等光學特性的微分穆勒矩陣可表示為以下方程式(7)。
在系統操作中，宏觀的穆勒矩陣M可透過以上方程式(1)來計算出，而微分穆勒矩陣可根據方程式(4)來計算出。方程式(4)所計算出的微分穆勒矩陣會相等於方程式(7)的微分矩陣，藉此可以計算出多個光學參數來描述樣本的非等向性行為。透過這樣的作法，旋轉角度α、相位延遲β、光學旋轉角γ、旋轉角度θd、線性雙衰減D與旋性振幅異向R
可分別表示為以下方程式(8)~(13)。
類似地，描述非偏振效應的微分穆勒矩陣可表示為以下方程式(14)。
根據上述方程式(4)，對微分矩陣m △執行反向的微分計算以後，宏觀的穆勒矩陣M △可表示為以下方程式(15)。
其中K22與K33分別是線性非偏振的程度(degree of linear depolarization)，而K44是旋性非偏振的程度。一般來說，非偏振的程度是量化為非偏振指數(depolarization index，△)，當此非偏振指數為0時表示非偏振樣本，當此非偏振指數為1時表示理想的非偏振器(depolarizer)。此非偏振指數可表示為以下方程式(16)。
請參照圖1，在此說明如何計算穆勒矩陣。在一些實施例中，偏振板121的主要軸(principal axis)為0度，光電調變器122的主要軸為45度，四分之一波片123的主要軸為45度，並且二分之一波片124的主要軸為45度。此外，光源110射出的光線表示為史托克斯向量Sin，而偏振狀態產生器的120所射出的光線可表示為史托克斯向量S'，這兩者的關係如以下方程式(17)。
S'=H(45°)Q(45°)EO(45°)P(0°)Sin…(17)
方程式(17)可以進一步表示為以下方程式(18)。
其中a為光電調變器122中調整相位延遲的參數。光電驅動器154會輸出一個電子訊號161給光電調變器122以改變參數a。具體來說，參數a可表示為以下方程式(19)。
其中V為常數，V λ/2為電子訊號161的振幅。在一些實施例中，電子訊號161為週期性的鋸齒(sawtooth)訊號，但本發明並不在此限，在其他實施例中也可以採用正弦、餘弦、方波或其他具有任意波形的訊號。另外，在此實施例中電子訊號161為週期性訊號，但在其他實施例中也可以為非週期性訊號。
在圖1的實施例中偏振狀態產生器120是用以產生旋性偏振(circular polarization)的光線，但在其他實施例中偏振狀態產生器120也可以用來產生線偏振(linear polarization)的光線。舉例來說，請參照圖3，偏振狀態產生器120可包括偏振板121、光電調變器122與四分之一波
片125，其中偏振板121的主要軸為0度，光電調變器122的主要軸為45度，四分之一波片125的主要軸為45度。在圖3的實施例中，史托克斯向量Sin和史托克斯向量S'之間的關係如以下方程式(20)、(21)。
S'=Q(0°)EO(45°)Sin…(20)
同樣的，光電驅動器154會輸出電子訊號161給光電調變器122以改變參數a。不論是旋性偏振或是線性偏振，光電調變器122都是用來改變光線的偏振狀態。由於某一偏振狀態的光線具有四個史托克斯參數，但穆勒矩陣中有16個未知數，因此至少需要4道不同偏振狀態的光線才可以解出穆勒矩陣。在此實施例中，在電子訊號161的一個週期中具有n個取樣點，這n個取樣點都是對應至不同的參數a，也就是說這n個取樣點是對應至n個彼此不相同的偏振狀態。此外，n為大於等於4的正整數，例如n可為200，但本發明並不在此限。在其他實施例中，正整數n也可以是大於50、100或300的任意數值。
這些不同偏振狀態的光線都會射向生物組織130，經由反射或穿透以後由偏振狀態分析器140所接收。在一些實施例中，光電調變器141的主要軸為0度，光電調變器142的主要軸為45度，分析器143的主要軸為0度。因此，偵測器144所接收到的光線的史托克斯向量SOUT可表示為以下方程式(22)。
SOUT=A(0°)EO(45°)EO(0°)S'…(22)
方程式(22)可以再進一步表示為以下方程式(23)。
其中β1與β2分別是光電調變器141、142中調整相位延遲的參數，同樣可以用上述方程式(19)來控制。也就是說，光電驅動器155、156會分別傳送電子訊號至光電調變器141、142，而這兩個電子訊號的振幅便是上述方程式(19)中的V λ/2。因此，偵測器144所接收到的光線的亮度可以表示為以下方程式(24)。
I(β1,β2)=A+B cos β2+C sin β1 sin β2+D cos β1 sin β2…(24)
如果參數β1與β2相同，則方程式(24)可改寫為以下方程式(25)。
I(β1)=A+B cos(β1)+C sin(2β1)+D sin(2β1)…(25)
其中亮度參數A=0.5S0-0.25S 2，B=0.5S1，C=0.25S2，D=0.25S3。控制模組150可以對偵測器144所接收到的光線的亮度執行傅立葉轉換以取得亮度參數A、B、C、D，並根據這些亮度參數計算出對應的史托克斯向量中的史托克斯參數。具體來說，亮度參數A、B、C、D是分別
用以下方程式(24)~(27)來計算。
其中β λ/2為產生的半波延遲(induced half-wave retardation)。在計算出亮度參數A、B、C、D以後，便可以計算出史托克斯參數S0~S3。
對於電子訊號中每一個取樣點，控制模組都會根據偏振狀態分析器所接收的光線計算出對應的史托克斯向量。在此實施例中，在一個週期中具有200個史托克斯向量，因此可以根據上述方程式(1)計算出穆勒矩陣M，接著再根據方程式(3)、(4)計算出對應的微分穆勒矩陣m。在取得微分穆勒矩陣以後，便可以根據上述的方程式(8)~(13)計算出旋轉角度α、相位延遲β、光學旋轉角γ、旋轉角度θd、線性雙衰減D與旋性振幅異向R等參數。在一些實施例中，可能不存在一組參數α、β、γ、θd、D、R使得上述的方程式(4)與方程式(7)完全相等，因此在一些實施例中可以透過一些數值方法找到一組參數α、β、γ、θd、D、R使得方程式(4)與方程式(7)之間的誤差最小。舉例來說，可以把方程式(4)與方程式(7)之間各元素的方均根差當作目標函數，並把參數α、β、γ、θd、D、R當作DNA來執行基因演算法。
然而，本發明並不限制如何找到參數α、β、γ、θd、D、R。另一方面，根據上述方程式(14)~(16)可計算出非偏振指數△。在此實施例中，光學旋轉角γ與非偏振指數△可用來計算出葡萄糖濃度。
具體來說，圖4a、4b、5a、5b是根據一些實施例繪示參數與葡萄糖濃度之間的關係。在圖4a所繪示的是光學旋轉角γ與葡萄糖濃度之間的關係，可以看出兩者之間的關係是線性的遞增。在圖4b所繪示的是非偏振指數△與葡萄糖濃度之間的關係，可以看出兩者之間的關係是線性的遞減。圖5a與圖4a類似，圖5b與圖4b類似，但葡萄糖的濃度並不相同，值得一提的是，從圖5a、5b中可以看出可以量測出約20mg/dl的葡萄糖濃度。
在一些實施例中，控制模組150可以將參數γ輸入至一個線性遞增函數以計算出葡萄糖濃度，或將參數△輸入至一個線性遞減函數以計算出葡萄糖濃度。上述的線性遞增函數或線性遞減函數可表示為y=ax+b，其中y為葡萄糖濃度，x為參數γ或△，a、b為常數。然而，本發明並不在此限，在其他實施例中也可以將參數γ、△、或其組合當作輸入，把已知的葡萄糖濃度當作輸出來做迴歸分析以取得一個數學模型中的常數，此數學模型可以是線性(如本實施例所示)、多項式函數、指數函數等其他函數，本發明也不限制數學模型中要使用幾個常數。例如，若使用多項式函數，則可以表示為y=ax2+bx+c，其中a、b、c為常數，而x為參數γ或△。本領域具有通常知識者當可理解迴歸分析而設計出不
同的數學模型。或者，也可以將參數γ、△、或其組合當作輸入，把已知的葡萄糖濃度當作輸出來訓練一個機器學習的模型，此模型可以是類神經網路、支持向量機(support vector machine)等。在一些實施例中，參數γ、△、或其組合也可以僅是輸入的一部分。
在上述實施例中是利用微分穆勒矩陣來計算出參數γ、△，然而在其他實施例中也可以透過將穆勒矩陣分解的方式來計算出參數γ、△，本發明並不限制使用何種演算法來計算出參數γ、△。舉例來說，可參照Thi-Thu-Hien Pham和Yu-Lung Lo發表的學術論文“Extraction of effective parameters of turbid media utilizing Mueller matrix approach：study of glucose sensing”，Journal of Biomedical Optics 17(9),097002(2012)，其中揭示了另一種計算參數γ、△的演算法，也可以適用於本申請案的感測系統。另一方面，在上述實施例中偏振狀態分析器140中是使用傅立葉轉換來計算出史托克斯向量，但在其他實施例中也可以採用其他合適的裝置與演算法來計算出史托克斯向量，本發明並不在此限。
在上述實施例中，在電子訊號的一個週期內便可以計算出葡萄糖濃度，此週期例如是1/80k秒，因此可以在很短的時間內完成量測，此較短的時間可以避免外在因素的干擾，進而增加量測的準確度。在一些實施例中，可以在每個週期都計算出一個葡萄糖濃度，並且在一段時間(例如為1秒)以後將所計算出的葡萄糖濃度取平均值。然而，本領
域具有通常知識者當可對上述的週期與時間等參數做調整，本發明並不在此限。或者，也可以將所計算出的多個葡萄糖濃度做一些數值處理，例如去除雜訊，去除極端值等，本發明也不限制後續要使用什麼數值處理。
圖6是根據一實施例繪示葡萄糖濃度的感測方法的流程圖，此方法可應用於圖1、圖2或圖3的實施例。在步驟S601中，傳送電子訊號至偏振狀態產生器中的調變器，其中電子訊號具有n個取樣點。在步驟S602中，對於每一個取樣點，根據偏振狀態分析器所接收的光線計算出對應的史托克斯向量。在步驟S603中，根據n個取樣點所對應的史托克斯向量計算出穆勒矩陣，根據穆勒矩陣計算出至少一參數，並根據參數計算出對應於生物組織的葡萄糖濃度。然而，圖6中各步驟已詳細說明如上，在此便不再贅述。值得注意的是，圖6中各步驟可以實作為多個程式碼或是電路，本發明並不在此限。此外，圖6的方法可以搭配以上實施例使用，也可以單獨使用，換言之，圖6的各步驟之間也可以加入其他的步驟。
在本發明實施例提出的葡萄糖感測方法與系統中，可以量測到20mg/dl這麼低的葡萄糖濃度。此外，上述的葡萄糖感測系統可以是非侵入式的量測，僅需要將光線照射在人的手指上，使得葡萄糖的量測非常簡易方便。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故
本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (10)
- 一種葡萄糖濃度的感測系統，包括：一光源，用以產生一光線；一偏振狀態產生器，用以接收該光線，該偏振狀態產生器包括一調變器，該調變器用以改變該光線的偏振狀態，其中經過該調變器的該光線用以射向一生物組織；一偏振狀態分析器，用以接收由該生物組織反射的該光線；以及一控制模組，用以傳送一電子訊號至該調變器，其中該電子訊號具有n個取樣點，該n個取樣點對應至該光線的n個偏振狀態，該n個偏振狀態彼此不相同，n為大於等於4的正整數，對於每一該n個取樣點，該控制模組根據該偏振狀態分析器所接收的該光線計算出對應的一史托克斯向量，其中該控制模組根據該n個取樣點所對應的該些史托克斯向量計算出一穆勒矩陣，根據該穆勒矩陣計算出至少一參數，其中該控制模組根據該至少一參數計算出對應於該生物組織的一葡萄糖濃度，其中該至少一參數包括光學旋轉角或非偏振指數。
- 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，其中該偏振狀態產生器還包括： 一偏振板(polarizer)，設置於該調變器與該光源之間，其中該偏振板的主要軸為0度；以及一四分之一波片(quarter-wave plate)，設置於該調變器與該生物組織之間，其中該四分之一波片的主要軸為0度，其中該調變器的主要軸為45度。
- 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，其中該偏振狀態產生器還包括：一偏振板，設置於該調變器與該光源之間；一四分之一波片(quarter-wave plate)，設置於該調變器與該生物組織之間；以及一二分之一波片(half-wave plate)，設置於該四分之一波片與該生物組織之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之感測系統，其中該調變器為一光電調變器，該偏振板的主要軸為0度，該光電調變器的主要軸為45度，該四分之一波片的主要軸為45度，並且該二分之一波片的主要軸為45度，其中該偏振狀態產生器所射出的該光線的史拓克斯向量表示為以下方程式(1)、(2)：
- 如申請專利範圍第2項或第3項所述之感測系統，其中該偏振狀態分析器包括：一第二光電調變器，其主要軸為0度；一第三光電調變器，其主要軸為45度，其中該第二光電調變器設置於該生物組織與該第三光電調變器之間；一分析器，其主要軸為0度；以及一偵測器，其中該分析器設置於該第三光電調變器與該偵測器之間，該偵測器用以接收穿透過該第二光電調變器、該第三光電調變器與該分析器的該光線。
- 如申請專利範圍第5項所述之感測系統，其中該控制模組用以對該偵測器所接收的該光線的亮度執行傅立葉轉換以取得多個亮度參數，並根據該些亮度參數計算出對應的該史托克斯向量中的多個史托克斯參數。
- 如申請專利範圍第6項所述之感測系統，其中該控制模組根據以下方程式(3)、方程式(4)計算出該微分穆勒矩陣：
- 如申請專利範圍第7項所述之感測系統，其中該控制模組根據該微分穆勒矩陣產生以下方程式(5)的微分穆勒矩陣：
- 如申請專利範圍第8項所述之感測系統， 其中該控制模組將該光學旋轉角γ輸入至一線性遞增函數以計算出該葡萄糖濃度，或將該非偏振指數△輸入至一線性遞減函數以計算出該葡萄糖濃度。
- 一種葡萄糖濃度的感測方法，適用於一葡萄糖感測系統，該葡萄糖感測系統包括一光源、一偏振狀態產生器與偏振狀態分析器，該光源產生的一光線傳送至該偏振狀態產生器後射向一生物組織，該偏振狀態分析器接收由該生物組織反射的該光線，該葡萄糖感測方法包括：傳送一電子訊號至該偏振狀態產生器中的一調變器，其中該電子訊號具有n個取樣點，該n個取樣點對應至該光線的n個偏振狀態，該n個偏振狀態彼此不相同，n為大於等於4的正整數；對於每一該n個取樣點，根據該偏振狀態分析器所接收的該光線計算出對應的一史托克斯向量；以及根據該n個取樣點所對應的該些史托克斯向量計算出一穆勒矩陣，根據該穆勒矩陣計算出至少一參數，並根據該至少一參數計算出對應於該生物組織的一葡萄糖濃度，其中該至少一參數包括光學旋轉角或非偏振指數。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109901281B (zh) * | 2019-03-12 | 2021-08-24 | 清华大学深圳研究生院 | 一种穆勒显微偏振像差校准方法及装置 |
| CN110186873B (zh) * | 2019-06-25 | 2021-09-24 | 东北大学秦皇岛分校 | 一种磁动式光学相干层析成像的降噪装置 |
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| CN111366536A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-07-03 | 华东师范大学 | 垂直式单光学元件旋转型穆勒矩阵成像的测量装置及方法 |
| US11796466B2 (en) * | 2020-07-17 | 2023-10-24 | The Board of Regents for the Oklahoma Agricultural and Mechanical Colleges | System and method of non-contact glucose sensing |
| CN113589315B (zh) * | 2021-07-26 | 2023-12-26 | 中国科学院烟台海岸带研究所 | 一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法 |
| CN113702296B (zh) * | 2021-09-29 | 2022-03-04 | 长春理工大学 | 大气-海雾模拟装置中水雾附着的抑制系统 |
| CN115060659B (zh) * | 2022-08-18 | 2022-10-25 | 天津大学 | 基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法 |
| CN116188946B (zh) * | 2023-04-24 | 2023-07-11 | 简阳市人民医院 | 一种基于神经网络的血糖浓度预测系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997034521A1 (en) * | 1996-03-19 | 1997-09-25 | Abbott Laboratories | Non-invasive measurement of optically active compounds |
| CN102539119A (zh) * | 2011-12-27 | 2012-07-04 | 上海大学 | 基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法 |
| TW201235655A (en) * | 2011-02-18 | 2012-09-01 | Univ Nat Cheng Kung | Optical parameter measuring apparatus and optical parameter measuring method |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4242232C2 (de) * | 1992-12-15 | 1998-12-10 | Burkhard Kuhls | Vorrichtung und Verfahren zur nicht-invasiven Konzentrationsbestimmung polarisierender Stoffe im menschlichen Körper |
| US5383452A (en) * | 1993-07-01 | 1995-01-24 | Buchert; Janusz | Method, apparatus and procedure for non-invasive monitoring blood glucose by measuring the polarization ratio of blood luminescence |
| US5553616A (en) * | 1993-11-30 | 1996-09-10 | Florida Institute Of Technology | Determination of concentrations of biological substances using raman spectroscopy and artificial neural network discriminator |
| US5920393A (en) * | 1995-11-22 | 1999-07-06 | Kaplan; Milton R. | Methods and apparatus for identifying and quantifying constituent compounds in a specimen using modulated polychromatic partially polarized light |
| US5871442A (en) * | 1996-09-10 | 1999-02-16 | International Diagnostics Technologies, Inc. | Photonic molecular probe |
| US6636752B1 (en) * | 1996-09-10 | 2003-10-21 | Xoetronics Llc | Measurement, data acquistion, and signal processing for a photonic molecular probe |
| US6591121B1 (en) * | 1996-09-10 | 2003-07-08 | Xoetronics Llc | Measurement, data acquisition, and signal processing |
| US6070093A (en) * | 1997-12-02 | 2000-05-30 | Abbott Laboratories | Multiplex sensor and method of use |
| JP2004077466A (ja) * | 2002-06-17 | 2004-03-11 | Citizen Watch Co Ltd | 濃度測定装置および濃度測定方法 |
| JP5006049B2 (ja) | 2004-01-13 | 2012-08-22 | ザ・ユニバーシティ・オブ・トレド | 非侵襲複屈折補償感知旋光計 |
| US20110184260A1 (en) | 2005-02-09 | 2011-07-28 | Robinson M Ries | Methods and Apparatuses for Noninvasive Determinations of Analytes |
| WO2009061993A1 (en) | 2007-11-07 | 2009-05-14 | University Of Toledo | Non-invasive polarimetric apparatus and method for analyte sensing in birefringent media |
| TW200928348A (en) | 2007-12-31 | 2009-07-01 | Univ Far East | Device for synchronous measurement of optical rotation angle and phase delay and method thereof |
-
2017
- 2017-02-16 TW TW106105137A patent/TWI627395B/zh active
-
2018
- 2018-01-04 US US15/862,611 patent/US10188332B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997034521A1 (en) * | 1996-03-19 | 1997-09-25 | Abbott Laboratories | Non-invasive measurement of optically active compounds |
| TW201235655A (en) * | 2011-02-18 | 2012-09-01 | Univ Nat Cheng Kung | Optical parameter measuring apparatus and optical parameter measuring method |
| CN102539119A (zh) * | 2011-12-27 | 2012-07-04 | 上海大学 | 基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11300560B1 (en) | 2020-09-30 | 2022-04-12 | National Cheng Kung University | System and method for sensing concentration of matter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10188332B2 (en) | 2019-01-29 |
| US20180228415A1 (en) | 2018-08-16 |
| TW201831882A (zh) | 2018-09-01 |
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