利用从视网膜回射的光非侵入式地测量物质的血液浓度的装置和方法

专利名称：利用从视网膜回射的光非侵入式地测量物质的血液浓度的装置和方法
技术领域：
本申请总体上涉及非侵入式地测量受试对象血液内的物质浓度的设备和方法，更 具体而言，涉及非侵入式地测量受试对象血液内的葡萄糖浓度的设备和方法。
背景技术：
在过去几十年内提出了用于解决对受试对象血液内的物质(例如葡萄糖)的水平 进行非侵入式测量这一问题的许多系统。所有这些系统的主要缺点是信噪比极差，这要求 计算负担很大的系统，并导致不一致且不可重复的结果。此外，对血液内的物质(例如葡萄糖)进行非侵入式测量的常规系统没有考虑影 响人类组织内的这种测量数据的各种参数。例如，利用了取自眼睛的测量数据的常规系统 没有考虑眼睛参数(诸如瞳孔大小、眼睛的其它材料、在眼球内光的吸收或散射)的变化。 具体地，专利号为6，494，576和5，820，557的美国专利提出了从原始辐射的光的强度中减 去反射光的强度，并将该相减的值与葡萄糖浓度进行相关。

发明内容
在某些实施方式中，一种方法确定了受试对象血液内的物质浓度。该方法包括以 下步骤利用具有第一波长及第一功率的测量光束非侵入式地辐射所述受试对象的眼睛。 所述测量光束的至少一部分从该眼睛的视网膜回射，由此产生具有所述第一波长的测量回 射光束。该方法还包括如下步骤利用具有第二波长及第二功率的基准光束非侵入式地辐 射所述受试对象的眼睛。所述第二波长不同于所述第一波长。所述基准光束的至少一部分 从该眼睛的视网膜回射，由此产生具有所述第二波长的基准回射光束。该方法还包括如下 步骤测量所述受试对象的体温及所述受试对象的环境温度二者中的至少一方。该方法还 包括如下步骤检测所述测量回射光束的功率。该方法还包括如下步骤检测所述基准回 射光束的功率。该方法还包括如下步骤计算所检测到的所述测量回射光束的功率与所述 第一功率的测量比值。该方法还包括如下步骤计算所检测到的所述基准回射光束的功率 与所述第二功率的基准比值。该方法还包括如下步骤计算取决于所述测量比值及所述基 准比值的参数。该方法还包括如下步骤响应于所计算出的参数并响应于所述体温及所述 环境温度二者中的至少一方，来确定所述受试对象血液内的物质浓度。在某些实施方式中，一种装置测量了受试对象血液内的物质浓度的。该装置包括 至少一个光源，其生成具有第一波长的光并生成具有第二波长的光。所述第二波长不同于 所述第一波长。该装置还包括光学系统，其将具有所述第一波长的光的至少一部分导向所 述受试对象的眼睛作为具有第一功率的测量光束。所述测量光束的至少一部分从所述受试 对象的视网膜回射。该光学系统将具有所述第二波长的光的至少一部分导向所述受试对象 的眼睛作为具有第二功率的基准光束。所述基准光束的至少一部分从所述受试对象的视网 膜回射。该装置还包括检测器系统，其接收所述测量光束的回射部分及所述基准光束的回射部分。所述检测器系统通过生成表示所接收的所述测量光束的回射部分的功率的第一信 号对所接收的所述测量光束的回射部分进行响应。所述检测器系统通过生成表示所接收的 所述基准光束的回射部分的功率的第二信号对所接收的所述基准光束的回射部分进行响 应。该装置还包括至少一个温度检测器，其对所述受试对象的体温及所述受试对象的环境 温度二者中的至少一方进行测量，并生成表示所述体温及所述环境温度二者中的至少一方 的至少一个信号。该装置还包括计算系统，其接收所述第一信号、所述第二信号及所述至 少一个信号。所述计算系统计算所述第一功率与所接收的所述测量光束的回射部分的功率 的第一比值。所述计算系统计算所述第二功率与所接收的所述基准光束的回射部分的功率 的第二比值。所述计算系统计算取决于所述第一比值及所述第二比值的参数，并响应于所 计算出的参数及所述至少一个信号来确定所述受试对象血液内的物质浓度。在某些实施方式中，一种计算系统测量了受试对象血液内的物质浓度的。该计算 系统包括一个或更多个输入端，其被配置为接收表示入射到受试对象的眼睛上的测量 光束的第一功率的第一信号；表示入射到受试对象的眼睛上的基准光束的第二功率的第二 信号；表示所述测量光束的从所述受试对象的视网膜回射的部分的第三功率的第三信号； 表示所述基准光束的从所述受试对象的视网膜回射的部分的第四功率的第四信号；以及表 示所述受试对象的体温及所述受试对象的环境温度二者中的至少一方的至少一个信号。所 述测量光束具有第一波长并且所述基准光束具有不同于第一波长的第二波长。该计算系统 还包括电路，其被配置为计算所述第一功率与所述第三功率的第一比值。该电路还被配置 为计算所述第二功率与所述第四功率的第二比值。该电路还被配置为计算取决于所述第一 比值及所述第二比值的参数。该电路还被配置为响应于所计算出的参数及所述受试对象的 体温及所述受试对象的环境温度二者中的至少一方来确定所述受试对象血液内的物质浓 度。在某些实施方式中，一种方法确定了受试对象血液内的物质浓度。该方法包括以 下步骤测量至少一个光束与受试对象身体部位的相互作用。该方法还包括以下步骤计 算光学测量参数的值，该光学测量参数表示所述至少一个光束与所述受试对象身体部位内 的物质的相互作用。该方法还包括以下步骤测量与所述受试对象身体部位的温度相对应 的一个或更多个温度表示参数的值。该方法还包括以下步骤对所述光学测量参数及所述 一个或更多个温度表示参数与血液内的物质浓度之间的经验相关性进行获取。该方法还包 括以下步骤利用所述经验相关性获得所述受试对象血液内的物质浓度。所述浓度对应于 所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值。在某些实施方式中，一种方法确定了人血液内的物质浓度与多个参数之间的相关 性。该方法包括以下步骤在多种条件下对多个人血液内的物质浓度的值进行侵入式测量。 该多个人在统计上代表较大数量的人。该方法还包括以下步骤在所述多种条件下对该多 个人的参数的值进行非侵入式的光学测量。从人体部位测得的该光学测量参数的值表示该 人血液内的物质浓度。该方法还包括以下步骤在该多种条件下对该多个人测量一个或更 多个温度表示参数的值。该一个或更多个温度表示参数对应于所述人体部位的温度。该方 法还包括以下步骤通过将测得的所述光学测量参数的值及测得的所述一个或更多个温度 表示参数的值与测得的该多个人的血液内的物质浓度的值进行相关，以生成相关性。


图1示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的示例性配置。图2示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的示例性配置，该装置具 有均耦合至可动元件的第一光源和第二光源。图3示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的示例性配置，该装置具 有彼此间隔开的第一光源和第二光源。图4示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的示例性配置，该装置具 有单个宽带光源。图5示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的示例性配置，该装置具 有两个光检测器。图6示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的示例性电子电路。图7是针对水以及水/葡萄糖混合物的透射测量(transmissionmeasurement)对 温度的依从关系的示例性曲线。图8示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的装置的另一示例性配置。图9示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的示例性多参数查找表。
具体实施例方式如以下更充分地描述的，在现有技术的常规系统中使用的简单的减法方案未能考 虑到(account for)影响受试对象体内的物质浓度测量数据的其它参数。因此，这些简单 的减法方案不能可靠地用作受试对象血液内的物质浓度的测量。此处的某些实施方式提供了用于分离(isolate)可测量参数的装置以及测量和 计算方法，该可测量参数可以与受试对象血液内的物质(例如葡萄糖)的浓度相关。如以 下更充分地描述的，在某些实施方式中，该方法包括对如下几个方面的约束(i)波长和所 使用的光的波长之间的关系；以及(2)计算方法，该计算方法基于利用这些波长进行的测 量以排除或者考虑可能影响测量但与正在被测量的物质(例如葡萄糖)的实际浓度无关的 各种参数。尽管此处在对葡萄糖浓度进行测量的上下文中描述了某些实施方式，但是根据此 处描述的某些实施方式而能够测量的其它物质的浓度包括但不限于胆固醇。尽管此处在红 外或近红外光学吸收测量的上下文中描述了某些实施方式，但是根据此处描述的某些实施 方式能够得到改进的其它近红外光学测量包括但不限于透射测量、反射测量、散射测量、偏 振测量(polarization measurements)和拉曼(Raman)测量。尽管此处在对受试对象眼睛 进行非侵入式光学测量的上下文中描述了某些实施方式，但是根据此处描述的某些实施方 式能够得到改进的其它非侵入式光学测量是针对受试对象身体的其它部位，这些部位包括 但不限于皮肤、耳垂、手指(蹼(web)或角质层)、嘴唇或面颊。此处描述的某些实施方式有利地提供了具有良好信噪比的非侵入式葡萄糖计，因 此使得测量一致、可重复且可靠。此处描述的某些实施方式有利地提供了这样一种用于非 侵入式葡萄糖测量的装置，该装置的特点是用户操作容易且简单，并且尺寸小且廉价。此处 描述的某些实施方式有利地提供了能够在各种环境(室内及室外)中使用的非侵入式葡萄 糖计。
此处描述的某些实施方式使用眼睛的特性作为光学装置。配备有聚焦单元和焦平 面的每种光学装置均展示出回射现象，这意味着该装置在与进入光束所来自的方向相同的 方向上至少将该进入光束的一部分反射回去。此处描述的某些实施方式提供了一种电光 (electro-optical)装置，该电光装置使用眼睛的回射特性来确定在眼液(玻璃体)和/或 血液中的葡萄糖或其它物质的浓度。图1示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的示例性装置10。该装置10包 括生成具有第一波长的光的至少一个光源20。该至少一个光源20还生成具有第二波长的 光。装置10进一步包括光学系统30，该光学系统30将具有第一波长的光的至少一部分导 向受试对象的眼睛40作为具有第一功率的测量光束32，并且对测量光束32的从受试对象 的视网膜42回射的至少一部分进行引导。光学系统30还将具有第二波长的光的至少一部 分导向受试对象的眼睛40作为具有第二功率的基准光束34，并且对基准光束34的从受试 对象的视网膜42回射的至少一部分进行引导。装置10进一步包括检测器系统50，该检测 器系统50接收测量光束32的回射部分以及基准光束34的回射部分。检测器系统50通过 生成表示所接收的测量光束32的回射部分的功率的第一信号，来对所接收的测量光束32 的回射部分进行响应。检测器系统50通过生成表示所接收的基准光束34的回射部分的功 率的第二信号，来对所接收的基准光束34的回射部分进行响应。装置10进一步包括计算 系统60，该计算系统60接收来自于检测器系统50的第一信号和第二信号。计算系统60计 算第一功率与所接收的测量光束32的回射部分的功率的第一比值。计算系统60还计算第 二功率与所接收的基准光束34的回射部分的功率的第二比值。计算系统60还计算取决于 该第一比值和该第二比值的参数(例如该第一比值与该第二比值之差，或者该第一比值的 对数与该第二比值的对数之差)，并响应于所计算出的参数来确定受试对象的血液内的物 质浓度。在某些实施方式中，装置10的大小为便携式的并且易于由用户(例如医务人员或 受试对象本人)手持。如下面更充分地描述的，装置10可以包括内部电源(例如电池或燃 料电池)，并且可以包括显示器(例如液晶显示器)，该显示器用于从计算系统60接收表 示浓度值的信号，并向用户呈现与该浓度值有关的信息(例如浓度值本身，或者浓度值是 高于还是低于预定值的指示)。装置10还可以包括存储器系统(例如闪速存储器、动态随 机存取存储器)，该存储器系统被配置为从计算系统60接收表示与浓度值有关的信息的信 号，并对信息进行存储以供将来使用或者向用户显示。在某些实施方式中，计算机系统60 可以包括显示器和/或存储器系统。在某些实施方式中，装置10被构造成在工作期间(例如在将测量光束32和基准 光束34导向受试对象的视网膜42期间)位于离受试对象的眼睛至少IOOmm的距离处。在 某些实施方式中，装置10被构造为如下地定位使得从受试对象的眼睛40到检测器系统 50的测量光束32的回射部分的光路长度以及基准光束34的回射部分的光路长度至少为 100mm。对于某些实施方式，从受试对象的眼睛40到检测器系统50的光路长度足够长，使 得检测器系统50主要接收测量光束32和基准光束34 二者的回射部分，并有利地避免接收 到可能被装置10解释为噪声的其它反射(例如来自于受试对象的角膜)。该至少一个光源20被构造成向光学系统30输出具有第一波长的光，并向光学系 统30输出具有第二波长的光。在某些实施方式中，该至少一个光源20包括至少两个红外(IR)发射器，该至少两个IR发射器发出位于两个不同波长带内的光。例如，图2示意性例 示了根据此处描述的某些实施方式的具有第一光源21和第二光源22的示例性装置10。与 此处描述的某些实施方式兼容的光源的示例包括但不限于具有带通滤波器的灯泡、激光二 极管以及高功率红外发光二极管。在图2示意性示出的装置10中，第一光源21和第二光源22耦合至可动元件(例 如马达)，可以启动该可动元件以定位于第一光源21或第二光源22处以向光学系统30发 出光。因此，在某些这种实施方式中，将测量光束32和基准光束34相继地依次导向受试对 象的眼睛40。在某些实施方式中，具有第一波长的光和具有第二波长的光沿着彼此相同的 路径向着光学系统30传播，如图2示意性例示的。在某些实施方式中，该至少一个光源20 包括至少一个光学元件24 (例如透镜)，该至少一个光学元件24将光从该至少一个光源20 导向光学系统30。在图3示意性例示的装置10中，第一光源21和第二光源22彼此间隔开但分别定 位成向光学系统30发射光。因此，在某些这样的实施方式中，测量光束32和基准光束34 被彼此同时地导向受试对象的眼睛40。在某些实施方式中，具有第一波长的光和具有第二 波长的光沿着可能彼此平行或不平行的不同路径向着光学系统30传播。例如，第一光源21 和对应的光学元件24 (例如透镜)位于光学系统30的一侧，而第二光源22和对应的光学 元件25位于光学系统30的另一侧。第一光源21、第二光源22以及该至少一个光源20的 光学元件的其它构造也可以与此处描述的某些实施方式兼容。在某些实施方式中，如图4示意性例示的，该至少一个光源20包括发出宽波长带 内的光的单个宽带光源26 (例如微型灯)、光学元件27 (例如透镜)以及滤光轮28，该滤 光轮28包括两个或更多个将来自宽带光源26的光滤波到两个不同波长带内的窄带滤波 器。有利的是，使用某些这种实施方式来提供多于两个的波长以分析葡萄糖或其它物质的 浓度。在某些实施方式中，滤光轮28包括马达，可启动该马达在来自宽带光源26的光的路 径中定位滤光轮28的所选择的滤波器，由此从该至少一个光源20发出的光中滤出所选中 的波长。虽然图4示意性例示了光学元件27位于宽带光源26与滤光轮28之间的实施方 式，但在某些其它实施方式中，滤光轮28位于宽带光源26与光学元件27之间。在某些实施方式中，该至少一个光源20发出的具有第一波长的光包括被光学系 统30导向受试对象的眼睛40作为测量光束32的光束(例如近乎平行的、大致平行的或准 直(collimated)的光束)，而该至少一个光源20发出的具有第二波长的光包括被光学系统 30导向受试对象的眼睛40作为基准光束34的光束(例如近乎平行、大致平行或者准直的 光束)。在某些其它实施方式中，该至少一个光源20发出的光包括非平行或非准直光束， 但光学系统30被构造成接收具有第一波长的光并生成近乎平行的、大致平行的或准直的 测量光束32，并且接收具有第二波长的光并生成近乎平行的、大致平行的或准直的基准光 束34。在某些不同的实施方式中，测量光束32具有小于或等于5度、小于或等于3度、或者 小于或等于1度的光束发散度。在某些不同的实施方式中，基准光束34具有小于或等于5 度、小于或等于3度、或者小于或等于1度的光束发散度。在某些实施方式中，测量光束32 和基准光束34彼此大致平行。在某些实施方式中，测量光束32和基准光束34彼此平行， 使得这两个光束之间的角小于或等于0. 1度。在某些实施方式中，测量光束32和基准光束 34彼此大致共线。例如，某些实施方式的测量光束32和基准光束34彼此平行并且彼此之间的间隔小于0. 2mm。在某些实施方式中，第一波长处于待测物质(例如葡萄糖)具有高吸收系数的波 长范围内，而第二波长处于待测物质具有低吸收系数的波长范围内。在某些实施方式中，第 一波长处于红外(IR)或近红外(近IR)波长范围内，且第二波长处于红外(IR)或近红外 (近IR)波长范围内。在对葡萄糖进行测量的某些不同实施方式中，可以将第一波长选择为 处于大约920纳米与大约980纳米之间的范围内(例如950纳米)，处于大约1130纳米与 大约1190纳米之间的范围内(例如1160纳米)，或者处于大约1.3微米与大约1.5微米 之间的范围内(例如1460纳米)。在对葡萄糖进行测量的某些不同实施方式中，第二波长 被选择为接近于第一波长，但由于葡萄糖而大致不被吸收。例如，在第一波长处于大约920 纳米与大约980纳米之间的范围内的某些实施方式中，第二波长可以处于大约800纳米与 大约905纳米之间的范围内(例如870纳米或880纳米)。在另一示例中，在某些实施方式 中，第一波长为大约1160纳米，而第二波长为大约1120纳米。为了测量在受试对象的眼液 和/或血液内其它物质的浓度，有利的是使用其它波长。在某些实施方式中，基准光束34 被用作可用于对瞳孔和/或虹膜的变化进行补偿的基准光束，因此使得在各种光线条件下 都能够使用装置10。在某些实施方式中，光学系统30接收来自该至少一个光源20的光，并将测量光束 32和基准光束34导向受试对象的眼睛40。在某些实施方式中，光学系统30位于装置10 的中央。图2和图3示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的示例性光学系统30。图 2和图3的光学系统30包括二向色涂层(dichroic coating layer) 36、光学玻璃层37、全 息分束器层(holographic beam splitter layer) 38、盖玻层39。在某些实施方式中，该四 层的组合用作光组合器。某些实施方式的二向色涂层36被涂敷在光学玻璃层37的至少一 个表面上。在某些实施方式中，二向色涂层36具有与第一光源21的波长相对应或者与第 二光源22的波长相对应的中心波长。某些实施方式的二向色涂层36使得来自该至少一个 光源20的IR光的50-60%能够通过，并使得来自该至少一个光源20的IR光的40-50%以 90°角向受试对象的眼睛40反射。在某些实施方式中，全息分束器层38位于光学玻璃层37的其它表面上并由盖玻 层39覆盖。某些实施方式的全息分束器层38具有与第一光源21或者第二光源22的波长 相对应的中心波长。在某些实施方式中，全息分束器层38使得来自该至少一个光源20并 具有该中心波长的光的50-60%能够通过，并且使得来自该至少一个光源20并具有该中心 波长的光的40-50%以270°角向受试对象的眼睛40反射。在某些实施方式中，光学系统30仅包括单个二向色涂层36。例如，在某些这样的 实施方式中，第一光源21和第二光源22改变位置以(例如通过启动可动元件或马达23以 使第一光源21和第二光源22如图2所示地移动)间歇地向光学系统30发出光。某些这 样的实施方式的二向色涂层36是第一光源21和第二光源22 二者的波长的宽带涂层。在某些实施方式中，该至少一个光源20包括如下光学元件(例如透镜24、25)，该 光学元件使得测量光束32是近乎平行的、大致平行的或准直的光束，且基准光束34是近 乎平行的、大致平行的或准直的光束。在某些其它实施方式中，光学系统30包括如下光学 元件(例如透镜)，该光学元件使得测量光束32是近乎平行的、大致平行的或准直的光束， 且基准光束34是近乎平行的、大致平行的或准直的光束。在某些实施方式中，测量光束32和基准光束34在彼此相同的光路上。在某些实施方式中，测量光束32和基准光束34的直 径(例如最大直径的一半时的全宽)分别为大约2mm。在某些实施方式中，测量光束32和 基准光束34分别通常具有高斯光束强度分布并具有大致圆形或大致椭圆形的束斑(beam spot)形状。在某些实施方式中，测量光束32和基准光束34是连续波光束，而在某些其它 实施方式中，测量光束32和基准光束34是脉冲光束。测量光束32和基准光束34穿过角膜、瞳孔、和/或虹膜、眼晶状体(eye lens)以 及眼液而被导向并进入受试对象的眼睛40。这两个光束32、34在焦点44处大致聚焦在视 网膜42上。测量光束32的一部分从视网膜42反射，该所反射的光的回射部分在与入射的 测量光束32完全相同的光路上但沿着相反的方向从同一焦点44出射到受试对象的眼睛40 之外。测量光束32的该回射部分向装置10传播，并被装置10接收。类似地，基准光束34 的一部分从视网膜42反射，该所反射的光的回射部分在与入射的基准光束34完全相同的 光路上但沿着相反的方向从同一焦点44出射到受试对象的眼睛40之外。基准光束34的 该回射部分向装置10传播，并被装置10接收。在某些实施方式中，测量光束32的回射部分和基准光束34的回射部分均穿过眼 睛40两次，首先穿过角膜、眼晶状体和眼液(玻璃体)，接着聚焦在视网膜42上，并随后通 过眼液、眼晶状体和角膜朝着光学系统30被反射回。在某些实施方式中，测量光束32的回射部分和基准光束34的回射部分由检测器 系统50直接从眼睛40接收。在某些其它实施方式中，光学系统30直接从眼睛40接收测 量光束32的回射部分和基准光束34的回射部分，并将这些回射部分发射到检测器系统50。 如图2、3和4示意性例示的，检测器系统50与测量光束32及基准光束34位于同一光路上， 使得测量光束32的回射部分和基准光束34的回射部分穿过光学系统30的部件(例如穿 过分束器层38)到达检测器系统50。例如，在某些实施方式中，测量光束32和基准光束34 二者的回射部分的50-60%可穿过分束器层38到达检测器系统50。在某些实施方式中，检测器系统50包括至少一个光学元件52 (例如透镜)和至少 一个光检测器54。如图2、3和4示例性例示的，某些实施方式的该至少一个光学元件52接 收回射光并将该回射光聚焦在该至少一个光检测器54处。某些实施方式的该至少一个光 检测器54被配置为生成表示所接收的测量光束32的回射部分的功率的第一信号，并生成 表示所接收的基准光束34的回射部分的功率的第二信号。与此处所描述的某些实施方式 兼容的光检测器的示例包括但不限于硅检测器、PbS检测器或者现有技术中已知的任何其 它类型的IR检测器。图5示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的具有两个光学元件52、56以及 两个光检测器54、58的装置的示例性配置。光学元件52和光检测器54接收两个回射光束， 光检测器54被配置为生成与回射光束的功率相对应的信号。光学元件56和光检测器58 接收由该至少一个光源20生成的光的一部分，且光检测器58被配置为生成与入射到受试 对象的眼睛40上的测量光束32及基准光束34的功率相对应的信号。某些这样的实施方 式提供该入射光束的功率的测量数据以与回射光束的功率进行比较。该至少一个光源20、 光学系统30及检测器系统50的其它配置也可以与此处描述的某些实施方式兼容。图6示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的示例性装置10的电路图。在 某些实施方式中，计算系统60包括中央处理单元(CPU)61 (例如由日本Epson公司生产的
1Epson 6200)。某些实施方式的CPU 61电耦合至该至少一个光源20、光学系统30和检测器 系统50中的一个或更多个，以控制装置10的操作。在某些实施方式中，该至少一个光源20包括该第一光源21、该第二光源22、电耦 合至该第一光源21的第一放大器62、电耦合至该第二光源22的第二放大器63，如图6所 示意性例示的。该第一放大器62和该第二放大器63从计算系统60接收信号，并进行响应 以(顺序地或同时地)启动该第一光源21及第二光源22。在某些实施方式中，该至少一个 光源20进一步包括可动元件23 (例如马达)和电耦合至该可动元件23的第三放大器64， 如图6示意性例示的。第三放大器64从计算系统60接收信号，并进行响应以启动可动元 件23从而对第一光源21及第二光源22进行定位以向光学系统30发射光。在某些实施方式中，检测器系统50包括至少一个光检测器54、放大器65、滤波器 66及模数(A/D)转换器67，如图6示意性例示的。例如在某些实施方式中，A/D转换器67 包括快速12位转换器。来自该至少一个光检测器54并与检测到的测量光束32及基准光束 34 二者的回射部分的功率相对应的模拟信号被放大、滤波、转换为数字信号，并被发送到计 算系统60。在检测器系统50包括第二光检测器58 (例如，如图5示意性例示的)的某些实 施方式中，来自第二光检测器58并与入射光束的功率相对应的信号以类似的方式被放大、 滤波并转换为数字信号。如此处进一步描述的，这些数字信号随后可以由计算系统60使 用。在某些实施方式中，由开关68开启装置10，该开关68将电源69 (例如锂电池)连 接至电路。在自检后，某些实施方式的CPU 61在显示单元70 (例如液晶显示器(IXD))上 显示“Ready (就绪)”。在某些实施方式中，为了执行测量，开关71被启动，并且作为响应， CPU 61开始测量过程。在某些实施方式中，CPU 61顺序地通过第一放大器62启动第一光 源21，通过第二放大器63启动第二光源22，并且在使用可动元件23的某些实施方式中，通 过第三放大器64启动该可动元件23。从眼睛40检测到的测量光束32及基准光束34 二者 的回射部分被该至少一个光检测器54 (例如IR检测器)转换为模拟电压信号，该模拟电压 信号被放大器65放大并被滤波器66滤波。该模拟信号被A/D转换器67转换为数字形式并 且被CPU 61接收并存储(例如存储在存储器72中)。在接收到与两个波长相对应的测量 数据后，CPU 61根据利用存储在存储器72 (例如可电擦除可编程只读存储器或E2PROM)中 的校准参数而计算出的吸收水平来计算物质(例如葡萄糖)的浓度。某些实施方式的CPU 61还向显示器70发送信号以向用户提供该计算结果。由于眼睛40内的物质在测量光束32或基准光束34的波长下具有不可忽略的吸
收系数α λ而导致的对光束32、34的吸收与(αλχ)的幂相关，其中χ是眼睛40内的光路
/12
长度。因此，吸收的大小与Pa^a成比例，其中χ是通过吸收介质的光路长度，α λ是波长
>11
为λ时待测物质(例如葡萄糖)的吸收系数。在某些实施方式中，由于眼睛40内的光路长度较长，即使被测物质(例如葡萄糖) 浓度较低，该吸收也会非常大。由于光束穿过眼睛40两次，因此吸收介质内的光路较长，且 与并非主要利用了光束的回射部分的常规系统相比，与(αλχ)的幂相关的吸收信号将强 得多。通过利用来自眼睛并在吸收介质内行进了较长光路的回射光，此处描述的某些实施 方式有利地克服了所有先前提出的系统的主要缺点，并且具有固有的良好信噪比。如此处所述，某些实施方式的装置10非常简单，并且由于良好的信噪比，对信号的处理也简单且 廉价。有利的是，此处描述的某些实施方式利用非侵入式光学测量并结合对可能影响物 质(例如葡萄糖)浓度测量的其它参数(例如温度)的测量，改进了受试对象血液内的物 质浓度的确定。在某些实施方式中，受试对象的血液内的物质浓度的确定方法包括以下步 骤测量至少一个光束与受试对象身体的一个部位的相互作用，并计算光学测量参数的值， 该光学测量参数表示该至少一个光束与受试对象身体的该部位的相互作用。某些实施方 式的该方法进一步包括以下步骤非侵入式地测量与受试对象身体的该部位的温度相对 应的一个或更多个温度表示参数的值。某些实施方式的该方法进一步包括以下步骤对 该光学测量参数及该一个或更多个温度表示参数与血液内物质的浓度之间的经验相关性 (empirical correlation)进行获取(access)。某些实施方式的该方法进一步包括以下步 骤由该经验相关性获得血液内的物质的浓度。该浓度对应于该光学测量参数的值以及该 一个或更多个温度表示参数的值。图7是针对水及针对水/葡萄糖混合物的透射测量对温度的依从关系的曲线。通 过在各种温度下使波长为1160纳米的光透射穿过含有蒸馏水(由方形数据点表示)或具 有已知浓度(1分升蒸馏水中250毫克)葡萄糖(由圆形数据点表示)的蒸馏水且光路长 度为大约25mm的透明容器，得到图7的测量数据。如图7所示，测得的近红外透射随着液体温度的变化而显著变化。针对蒸馏水及 针对水/葡萄糖混合物而测得的数据点大体上均可由在图7中表示为实线的线性函数来拟 合。这些线性函数大体上彼此偏移大约2摄氏度的温度。例如，在30摄氏度的温度下测得 的穿过蒸馏水的透射近似等于在32摄氏度的温度下测得的穿过水/葡萄糖混合物的透射。 因此，测得的近红外透射本身并不足以作为用于确定所探测材料的葡萄糖浓度的信息。具 体而言，为了以10毫克/分升或更优的容限(tolerance)来测量血液内的葡萄糖浓度，有 利的是，以0. 05摄氏度或更优的精度对温度进行测量。这样的结果使得在利用近红外光学 测量(例如吸收、透射)来精确地确定材料内的物质(例如葡萄糖)浓度时，突出了精确地 说明由光所探测的材料的温度的重要性。在对受试对象身体的一个部位进行探测的某些实施方式中，利用温度检测器(例 如热电偶、热敏电阻、红外检测器(例如热电堆(thermopile))或者本领域技术人员知晓的 任意其它类型的温度计)直接(例如非侵入式地或侵入式地)测量所探测的部位的温度。 在某些实施方式中，并不测量所探测的部位的温度，而是代之以使用被认为表示所探测部 位的温度的其它参数(例如其它温度)的测量。例如，对于针对受试对象的眼睛进行的光 学测量，受试对象眼睛的温度可以用于以所希望的精度确定葡萄糖浓度。然而，在获得受试 对象眼睛的温度测量可能不切实际的某些实施方式中，可以代之以测量受试对象的体温和 环境温度并将它们用于说明(account for)光学测量对温度的依从关系。图8示意性例示了根据此处描述的某些实施方式的另一种示例性装置10。尽管结 合对受试对象眼睛进行的光学吸收测量描述了该示例性装置10，但本领域技术人员应认识 到，此处描述的某些实施方式同样可应用于对受试对象身体的其它部位进行的其它类型的 近红外光学测量。例如，根据此处描述的某些实施方式能够得到改进的其它近红外光学测 量包括但不限于透射测量、反射测量、散射测量、偏振测量和拉曼测量。在某些实施方式中，这些测量是对除了眼睛以外的受试对象身体的其它部位进行，包括但不限于皮肤、耳垂、手 指(蹼或角质层)、嘴唇或面颊。在某些实施方式中，装置10包括至少一个光源20、光学系统30、检测器系统50、至 少一个温度检测器80以及计算系统60。某些实施方式的该至少一个光源20 (例如第一光 源21和第二光源22)被配置为生成具有第一波长的光以及具有与该第一波长不同的第二 波长的光。此处描述的该至少一个光源20的各种配置与图8的示例性装置10兼容。在某些实施方式中，光学系统30被配置为将至少一个光束导向受试对象身体的 一个部位。例如，某些实施方式的光学系统30被配置为将具有第一波长的光的至少一部分 导向受试对象的眼睛40作 为具有第一功率的测量光束32，其中测量光束32的至少一部分 从受试对象的视网膜42回射。某些实施方式的光学系统30进一步被配置为将具有第二波 长的光的至少一部分导向受试对象的眼睛40作为具有第二功率的基准光束34，其中基准 光束34的至少一部分从受试对象的视网膜42回射。在某些实施方式中，测量光束32是近 乎平行的光束，且基准光束34是近乎平行的光束。此处描述的光学系统30的各种配置与 图8的示例性装置10兼容。在某些实施方式中，装置10进一步包括如下检测器系统50，该检测器系统50被配 置为在该至少一个光束与受试对象身体的该部位相互作用之后接收该至少一个光束的至 少一部分，并生成至少一个相应信号。例如，在某些实施方式中，检测器系统50被配置为接 收测量光束32的回射部分及基准光束34的回射部分。某些实施方式的检测器系统50被 配置为通过生成表示所接收的测量光束32的回射部分的功率的第一信号，来对所接收的 测量光束32的回射部分进行响应。某些实施方式的检测器系统50被配置为通过生成表示 所接收的基准光束34的回射部分的功率的第二信号，来对所接收的基准光束34的回射部 分进行响应。此处描述的检测器系统50的各种配置与图8的示例性装置10兼容。在某些实施方式中，装置10进一步包括与受试对象的身体的一个部位的温度相 对应的一个或更多个温度表示参数的至少一个检测器，并且装置10被配置为生成与测得 的该一个或更多个温度表示参数的值相对应的至少一个信号。例如，在某些实施方式中，装 置10包括至少一个温度检测器80，该至少一个温度检测器80被配置为对受试对象的体温 和受试对象的环境温度二者中的至少一方进行测量。该至少一个温度检测器80进一步被 配置为生成表示受试对象的体温和受试对象的环境温度二者中的至少一方的至少一个信 号。在某些实施方式中，该至少一个温度检测器80可以包括热电偶、热敏电阻、红外检测器 (例如热电堆(thermopile))或者本领域技术人员知晓的其它类型的温度计。在某些实施 方式中，该至少一个温度检测器80以0. 05摄氏度或更佳的精度来测量温度。在某些实施方式中，该至少一个温度检测器80被配置为对受试对象的体温和受 试对象的环境温度都进行测量。在某些实施方式中，与对测量光束32的回射部分的功率的 检测或者与对基准光束34的回射部分的检测同时地执行对该体温和该环境温度二者中至 少一方的测量。在某些实施方式中，与对测量光束32的回射部分的功率的检测以及与对基 准光束34的回射部分的检测二者同时地执行对该体温和该环境温度二者中至少一方的测 量。如此处使用的术语“体温”具有其最广泛的合理含义，包括但不限于，受试对象身 体的至少一个部位的温度。例如，在某些实施方式中，该体温可以是受试对象的口腔温度、瞬时动脉或前额温度、耳膜(eardrum)温度、耳垂温度、手指温度、皮肤温度或腋下温度。在某些实施方式中，从进行光学测量的受试对象身体的同一部位测量体温。在某些其它实施 方式中，从与进行光学测量的受试对象身体的部位间隔开的受试对象身体部位测量体温。 如此处使用的术语“环境温度”具有其最广泛的合理含义，包括但不限于，受试对象附近的 或大致围绕受试对象的区域的温度。例如，在某些实施方式中，环境温度可以是受试对象所 在房间的室温、容纳有装置10及受试对象的区域的温度、或者受试对象两米以内的温度。 某些实施方式的体温和环境温度是表示进行光学测量的受试对象身体部位的温度的参数。 因此，在某些实施方式中，体温和环境温度被用来代替进行光学测量的受试对象身体部位 (例如受试对象的眼睛)的温度。在某些实施方式中，装置10进一步包括被配置为接收该第一信号、该第二信号及 该至少一个信号的计算系统60。例如，计算系统60可以包括被配置为接收该第一信号、该 第二信号及该至少一个信号的一个或更多个输入端。在某些实施方式中，计算系统60的该 一个或更多个输入端也可以被配置为接收表示入射到受试对象的眼睛40上的测量光束 32的功率的信号，并接收表示入射到受试对象的眼睛40上的基准光束34的功率的信号。某些实施方式的计算系统60被配置为计算如下光学测量参数的值，该光学测量 参数表示该至少一个光束与受试对象身体的该部位的相互作用。例如，在某些实施方式中， 计算系统60包括如下电路，该电路被配置为计算该第一功率与测量光束32的回射部分 的功率的第一比值，计算该第二功率与基准光束34的回射部分的功率的第二比值，计算取 决于该第一比值和第二比值的参数(例如第一比值与第二比值之差，或者该第一比值的对 数与该第二比值的对数之差)，并响应于该计算出的参数和该至少一个信号，来确定受试对 象的血液内的物质浓度。此处描述的计算系统60的各种配置与图6中的示例性装置10兼 容。当使用近红外波长来测量眼睛内的物质浓度时，由于水及可能的其它物质导致的 吸收会影响该测量。为了确定所希望的浓度，有利的是，此处描述的某些实施方式将由于所 关注的物质导致的吸收与其它材料(主要是水)导致的吸收分离开。此处描述的某些实施 方式利用具有主要被水和所关注物质(例如葡萄糖)吸收的一个或更多个波长的光。此处 描述的某些实施方式考虑如下情况第二物质在与由所关注物质吸收的波长的区域接近或 相同的波长区域中具有吸收。在某些实施方式中，将Ι。( λ)定义为入射到受试对象的眼睛40并具有波长λ的 光束的功率(例如由检测器系统50测得)，并将Ικ( λ)定义为从受试对象的眼睛40接收 并具有波长λ的回射光束的功率(例如由检测器系统50测得)。该回射功率Ικ(λ)可以 表示为ΙΕ(λ) =R. I0(A) · e"a(A'c)'x(1)其中，R是光学系数，该光学系数包括在进行测量时影响回射功率的参数(例如在 波长为λ时视网膜的反射率、瞳孔大小等)，a (A,c)是作为波长λ及浓度c的函数的物 质(例如葡萄糖)的吸收系数，χ是穿过包含该物质的材料的光路长度。这一关系可以用 于表示如下的透射率Τλ
权利要求
一种确定受试对象血液内的物质浓度的方法，该方法包括以下步骤测量至少一个光束与受试对象身体部位的相互作用；计算光学测量参数的值，该光学测量参数表示所述至少一个光束与所述受试对象身体部位内的物质的相互作用；测量与所述受试对象身体部位的温度相对应的一个或更多个温度表示参数的值；对所述光学测量参数及所述一个或更多个温度表示参数与血液内的物质浓度之间的经验相关性进行获取；利用所述经验相关性获得所述受试对象血液内的物质浓度，其中所述浓度对应于所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个光束的相互作用的测量包括如 下步骤测量所述受试对象身体部位对所述至少一个光束的吸收。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个光束的相互作用的测量包括如 下步骤测量所述至少一个光束穿过所述受试对象身体部位的透射。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个光束的相互作用的测量包括如 下步骤测量所述至少一个光束从所述受试对象身体部位的反射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个光束的相互作用的测量包括如 下步骤对所述受试对象身体部位执行拉曼光谱法。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括所述受试 对象的体温及所述受试对象的环境温度二者中的至少一方。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括所述受试 对象的体温及所述受试对象的环境温度二者。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经验相关性包括查找表，该查找表将人血液 内的物质浓度与所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值关联起来。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经验相关性包括一个或更多个公式，该一个 或更多个公式将人血液内的物质浓度与所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度 表示参数的值关联起来。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，以非侵入的方式来执行对所述一个或更多个温 度表示参数的值的测量。
11.一种确定人血液内的物质浓度与多个参数之间的相关性的方法，该方法包括以下 步骤在多种条件下对多个人血液内的物质浓度的值进行侵入式测量，该多个人在统计上代 表较大数量的人；在所述多种条件下对该多个人的参数的值进行非侵入式的光学测量，其中，从人体部 位测得的该光学测量参数的值表示该人血液内的物质浓度；在该多种条件下对该多个人测量一个或更多个温度表示参数的值，该一个或更多个温 度表示参数对应于所述人体部位的温度；通过将测得的所述光学测量参数的值及测得的所述一个或更多个温度表示参数的值 与测得的该多个人的血液内的物质浓度的值进行相关，以生成相关性。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，对血液内物质浓度的值进行侵入式测量包括如下步骤测量从该多个人提取的血液样本的葡萄糖浓度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，从所述人体部位测得的所述光学测量参数的 值表示所述人体部位的光吸收、穿过所述人体部位的光透射、来自所述人体部位的光反射、 或者光与所述人体部位的拉曼相互作用。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括该人的 体温及该人的环境温度二者中的至少一方。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括该人的 体温及该人的环境温度二者。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述相关性代表平均个体。
17.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括以下步骤制备包括所述相关性 的至少一部分的查找表。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括以下步骤将所述查找表存储在 计算机可读介质中。
19.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括以下步骤制备包括所述相关性 的至少一部分的一个或更多个公式。
20.根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括以下步骤将所述公式存储在计 算机可读介质中。
21.根据权利要求11所述的方法，其中，以非侵入的方式执行对所述一个或更多个温 度表示参数的值的测量。
22.一种确定受试对象血液内的物质浓度的方法，该方法包括以下步骤计算光学测量参数的值，该光学测量参数表示至少一个光束与受试对象身体部位内的 物质的相互作用；接收与所述受试对象身体部位的温度相对应的一个或更多个温度表示参数的值；对所述光学测量参数及所述一个或更多个温度表示参数与血液内的物质浓度之间的 经验相关性进行获取；以及利用所述经验相关性获得受试对象血液内的物质浓度，其中，所述浓度对应于所述光 学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括所述受 试对象的体温及所述受试对象的环境温度二者中的至少一方。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或更多个温度表示参数包括所述受 试对象的体温及所述受试对象的环境温度二者。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述经验相关性包括查找表，该查找表将人血 液内的物质浓度与所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值关联起 来。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述经验相关性包括一个或更多个公式，该一 个或更多个公式将人血液内的物质浓度与所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温 度表示参数的值关联起来。
27.一种确定受试对象血液内的物质浓度的计算系统，该计算系统包括计算装置，其用于计算光学测量参数的值，该光学测量参数表示至少一个光束与受试对象身体部位内的物质的相互作用；接收装置，其用于接收与所述受试对象身体部位的温度相对应的一个或更多个温度表 示参数的值；获取装置，其用于对所述光学测量参数及所述一个或更多个温度表示参数与血液内的 物质浓度之间的经验相关性进行获取并利用所述经验相关性获得受试对象血液内的物质 浓度，其中，所述浓度对应于所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值。
28.根据权利要求27所述的计算系统，其中，所述计算装置包括电路。
29.根据权利要求27所述的计算系统，其中，所述计算装置包括中央处理单元。
30.根据权利要求27所述的计算系统，其中，所述接收装置包括一个或更多个输入端， 该一个或更多个输入端被配置为接收表示所述一个或更多个温度表示参数的值的信号。
31.根据权利要求27所述的计算系统，其中，所述获取装置包括存储有所述经验相关 性的计算机可读介质。
32.根据权利要求30所述的计算系统，其中，所述经验相关性在所述计算机可读介质 中被存储为查找表。
33.根据权利要求30所述的计算系统，其中，所述经验相关性在所述计算机可读介质 中被存储为一个或更多个公式。
全文摘要
一种方法确定了受试对象血液内的物质浓度。该方法包括以下步骤测量至少一个光束与受试对象身体部位的相互作用。该方法还包括以下步骤计算光学测量参数的值，该光学测量参数表示所述至少一个光束与所述受试对象身体部位内的物质的相互作用。该方法还包括以下步骤测量与所述受试对象身体部位的温度相对应的一个或更多个温度表示参数的值。该方法还包括以下步骤对所述光学测量参数及所述一个或更多个温度表示参数与血液内的物质浓度之间的经验相关性进行获取。该方法还包括以下步骤利用所述经验相关性获得所述受试对象血液内的物质浓度。所述浓度对应于所述光学测量参数的值及所述一个或更多个温度表示参数的值。
文档编号A61B5/00GK101969837SQ200980108816
公开日2011年2月9日 申请日期2009年1月26日 优先权日2008年2月11日
发明者乔纳森·格利茨 申请人:格鲁克维斯塔有限责任公司