专利名称：用光谱数据分析进行无创的光学血糖检测的方法和系统的制作方法
用光谱数据分析进行无创的光学血糖检测的方法和系统
本申请是于2009年4月17日提交的、题为“用光谱数据分析进行无创的光学血糖检测的方法和系统”的发明申请第200980126116. 7号的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2008年5月22日提交的申请号为61/055，303的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用被合并在此，本专利申请还要求 2008年8月15日提交的申请号为61/089，152的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用也被合并在此。
背景技术：
糖尿病是一种慢性疾病，当不对其进行控制的时候，随着时间的流逝会对许多身体系统(包括神经、血管、眼睛、肾脏和心脏)造成严重的损害。美国国家糖尿病、消化系统病、肾疾病研究所(NIDDK)估计2007年在美国有2360万人或者美国总人口的7. 8%患有糖尿病。在全世界，世界卫生组织(WHO)估计超过1. 8亿人患有糖尿病，到2030年他们预计这个数字将增加到3. 66亿，美国占3030万。根据WH0，在2005年估计有110万人死于糖尿病。他们预测2006年到2015年，糖尿病致死率将总的增加超过50%且在中上收入国家增加超过80%。
糖尿病对个人和整个社会造成的经济负担是重大的。根据美国糖尿病协会,2007 年美国糖尿病总年度经济成本估计达到1740亿美元。自2002年以来这个数字增加了 420 亿美元。这32%的增长意味着美元数量每年提升超过了 80亿美元。
糖尿病管理一个很重要的要素就是糖尿病患者在家庭环境下自我监测血糖 (SMBG)浓度。通过经常测试血糖水平，糖尿病患者能更好地管理用药、饮食和运动以持续控制和预防长期不良健康结果。实际上，糖尿病控制与并发症实验(DCCT)若干年来密切关注了 1441名 糖尿病患者，结果表明，与标准治疗组比较，那些每天按照强化控制方案进行多种血糖测试的患者中只有1/4的人发展为糖尿病性眼疾病，1/2的人发展为肾脏疾病，1/3 的人发展为神经性疾病，且已经有这三种并发症早期形态的患者中极少数人恶化。
然而，由于在分析之前通过皮肤抽取血液不方便并且带来痛苦，这使得许多糖尿病患者做不到为了很好地控制血糖而应当做的那样勤奋，因此目前的监测技术阻碍了正常的使用。结果，无创测量葡萄糖浓度是糖尿病管理的一种可取和有利的发展。无创监测将使每天的多次测试没有痛苦且更加受到儿童糖尿病患者的欢迎。根据2005年刊登的一篇研究(J, Wagner, C. Malchoff, and G. Abbott, Diabetes Technology&Therapeutics (糖尿病技术和疗法)，7(4)2005，612-619)，患有糖尿病的人利用无创血糖监测装置更频繁地执行 SMBG,并且已经改善生活质量。
存在许多用于血糖确定的无创方法。一种无创的血液化学检测技术涉及收集和分析光谱数据。
由于在正被感测的区域中除了血液之外还存在其它成分(比如，皮肤、脂肪、肌肉、 骨头、胞间液)，所以从根据光谱学获得的光谱数据或其它数据提取关于血液特性的信息(例如葡萄糖浓度)是一个复杂的问题。这样的其它成分能够以改变读数(reading)这样的方式影响这些信号。具体地讲，作为结果而获得的信号的幅度可以比信号中与血液对应的部分的幅度大很多，因此，限制了精确提取血液特性信息的能力。
本发明旨在克服上述的一个或多个问题。发明内容
在本发明的一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流(time dependent current)； 和处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号，以至少20:1的信噪比计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率，并基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流；和处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号，以归一化因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率，并基于计算的衰减率确定与存 在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流；和处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号，以比例因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的裳减率，并基于计算的裳减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流；和处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率并消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响，并且，基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器包括具有反馈电阻器的前置放大器，被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流；和处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率并消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响，并且，基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的系统。该系统包括具有前置放大器和反馈电阻器的至少一个光检测器。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的方法。该方法包括利用被配置为入射在样品的目标区域上的至少一个光源；利用被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号的至少一个光检测器，该输出信号具有与时间相关的电流；用处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，并基于接收到的输出信号，以至少20 1的信噪比计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的裳减率；以及用处理器基于计算的裳减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的方法。该方法包括利用被配置为入射在样品的目标区域上的至少一个光源；利用被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号的至少一个光检测器，该输出信号具有与时间相关的电流；用处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，并基于接收到的输出信号，用处理器以归一化因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的裳减率；以及用处理器基于计算的裳减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的方法。该方法包括利用被配置为入射在样品的目标区域上的至少一个光源；利用被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号的至少一个光检测器，该输出信号具有与时间相关的电流；用处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号；用处理器基于接收到的输出信号，以比例因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的裳减率；以及用处理器基于计算的裳减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于检测生物样品中的葡萄糖的方法。该方法包括利用被配置为入射在样品的目标区域上的至少一个光源；利用被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号的至少一个光检测器，该输出信号具有与时间相关的电流；用处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，并用处理器基于接收到的输出信号，以比例因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率；用处理器消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响；以及用处理器基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
这些只是本发明的众多方面中的一些，且不应被看作是关于本发明的众多方面的 全部清单。
为了更好地理解本发明，可以参考附图，其中
图1示出根据示例性实施例的对应于动脉血的光吸收的脉冲波图2示出用于获得光谱数据的示例性系统；
图3示出用图1中的数据根据公式(9)计算的A(t)的图；以及
图4是在数字化之前将光电流转换为电压的前置放大器电路的基本示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，为了提供对本发明的全面的理解，阐述了大量的示例性的具体细节。然而，本领域技术人员将会理解，本发明可以在没有这些具体细节或者对所述细节的各种修改的情况下实施。在其他示例中，没有详细描述众所周知的方法、工艺和部件， 以避免使本发明模糊。
可用光谱学确定被生物样品(例如人的手指)所吸收和散射(即衰减)的光量。通过测量被样品吸收的光量，可无创地确定被检者的葡萄糖、胆固醇和血红素水平。由于指尖中的毛细血管的密集度大并且在指尖发生从动脉血到静脉血的转换，所以通常优选指尖测量。然而，本发明的方法并不限于用指尖。例如，生物样品可以是人的耳垂。
当光透射穿过生物样品(例如人的手指)时，光被手指的各种成分(包括皮肤、肌肉、骨头、脂肪、胞间液和血液)所衰减。然而，观察到，通过人的手指的光衰减表现出与心跳对应的小范围的循环模式。人们相信，这种循环模式将存在于许多其他的身体部位(耳垂是众多例子中的一个)的测量中。
图1描绘了检测器光电流Id⑴的图102，该光电流对应于在光穿过被检者的手指后被检测器接收的光功率。可以看出，检测器光电流表现出循环模式。该循环模式是由于被检者的心跳而引起的，且这种心跳循环地增加并减少被检者的毛细血管(或其他结构)中的血量。尽管该循环模式的大小相比于检测器产生的总光电流而言小，但是可以从图102 的循环模式中提取出大量的信息。例如，假定人的心率是60次每分钟，S卩，任何脉搏的开始和结束之间的时间是一秒钟。在这一秒钟的期间内，光电流将具有最大值或峰值读数104 和最小值或谷值读数106。图的峰值读数104对应于当毛细血管中有最小量的血时，谷值读数106对应于当毛细血管中有最大量的血时。通过使用所述循环图中的峰值和谷值提供的信息，排除不在毛细血管中的主要的手指成分(例如皮肤、脂肪、骨头、肌肉、胞间液)所造成的光吸收和散射。排除这些不在毛细血管中的主要成分是由于其在一个心跳的时间间隔期间内不可能变化。换句话说，可基于图102的峰值和谷值检测被血液吸收和散射(B卩，衰减) 的光。
假定光感测装置产生的循环光电流的峰值是IP，循环光电流的相邻的谷值是Iv， 在没有人手指的情况下光感测装置产生的光电流是Itl，对应于峰值和谷值光电流的透射率可定义为
权利要求
1.一种用于检测生物样品中的血糖的方法，包括利用被配置为入射在样品的目标区域上的至少一个光源；利用被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号的至少一个光检测器，该输出信号具有与时间相关的电流；用处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号；基于接收到的输出信号用处理器以比例因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率；用处理器消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响；以及用处理器基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
2.根据权利要求1所述的用于检测生物样品中的血糖的方法，其中，用处理器消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响进一步包括 用处理器计算与时间相关的电流的对数的标准差。
3.根据权利要求1所述的用于检测生物样品中的血糖的方法，其中，所述至少一个光检测器包括具有反馈电阻器的前置放大器。
4.根据权利要求3所述的用于检测生物样品中的血糖的方法，进一步包括用处理器计算归一化因数Qi(C，T)和比例因数Yij(QT)中的至少一个基于作为时间的函数的前置放
5.根据权利要求3所述的用于检测生物样品中的血糖的方法，进一步包括使用具有数字化的电压输出的模数转换器。
6.根据权利要求5所述的用于检测生物样品中的血糖的方法，进一步包括用处理器计算归一化因数Qi(C，T)和比例因数Yij(QT)中的至少一个基于模数转换器电压输出Δ (ADC),根据公式猛
7.一种用于检测生物样品中的血糖的系统，包括至少一个光源，所述至少一个光源被配置为入射在样品的目标区域上；至少一个光检测器，所述至少一个光检测器被定位为接收来自所述至少一个光源的光并产生指示被检测的光的功率的输出信号，该输出信号具有与时间相关的电流；处理器，该处理器从所述至少一个光检测器接收输出信号，基于接收到的输出信号以比例因数计算由于存在于目标区域中的样品中的血液引起的衰减率，消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器响应所引起的不确定性的影响，并且基于计算的衰减率确定与存在于目标区域中的样品相关的血糖水平。
8.根据权利要求7所述的用于检测生物样品中的血糖的系统，其中，处理器通过计算 与时间相关的电流的对数的标准差消除由所述至少一个光检测器的与温度相关的检测器 响应所引起的不确定性的影响。
9.根据权利要求7所述的用于检测生物样品中的血糖的系统，其中，所述至少一个光 检测器包括具有反馈电阻器的前置放大器。
10.根据权利要求9所述的用于检测生物样品中的血糖的系统，其中，处理器计 算归一化因数Qi(C，T)和比例因数YU(C，T)中的至少一个基于作为时间的函数的前置放大器输出电压Vi(t)和标准差0根据公式
11.根据权利要求7所述的用于检测生物样品中的血糖的系统，进一步包括具有数字 化的电压输出的模数转换器。
12.根据权利要求11所述的用于检测生物样品中的血糖的系统，其中，处理器计算归 一化因数仏⑴，！')和比例因数Yij(C，T)中的至少一个基于模数转换器电压输出A (ADCh根据公式
全文摘要
本发明公开了一种基于光谱数据无创测量生物样品中的血糖水平的系统和方法。公开了在光谱数据的采集中提高信噪比和计算由于样品中的血液引起的光的衰减率的各种技术。公开的技术包括(1)与对数函数结合使用标准差运算，(2)使用归一化因数，(3)使用比例因数，(4)解决温度对例如电阻器的各种系统部件的影响，(5)通过执行校准来解决光检测器中的暗电流。
文档编号A61B5/1455GK102988061SQ20121041981
公开日2013年3月27日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年5月22日
发明者徐智 申请人:密苏里大学董事会