用于测量物质浓度的非侵入式系统和方法
【专利摘要】一种系统包括光源和光检测器。所述系统还包括第一光学系统，所述第一光学系统被配置来将光的透射部分引导到所述检测器上。所述第一光学系统进一步被配置来阻挡所述光的散射部分。所述系统还包括第二光学系统，所述第二光学系统被配置来将所述光的所述透射部分和所述散射部分引导到所述检测器上。
【专利说明】用于测量物质浓度的非侵入式系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本公开要求2014年1月10日提交的标题为“Non-1nvasive Device and Method for Measuring a Substance Concentrat1n in the Blood” 的美国临时专利申请号61/ 925，849的权益，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。[00〇3] 背景
[0004]确定体内葡萄糖的量或浓度对于许多目的可能是有价值的。确定体内葡萄糖的浓度的一些益处包括健康益处(诸如诊断和治疗健康问题)、研究益处、健康监视益处以及更多益处。不幸的是，确定体内葡萄糖浓度可包括侵入式测试，这对于受试者来说可能是痛苦或有害的。
[0005]用于非侵入式测量葡萄糖浓度的系统正在开发中。此类系统通常依赖于穿过身体吸收或透射的光的量与葡萄糖浓度之间的相关性。然而，许多因素和潜在变量可能影响所吸收或透射光的量。用于非侵入式测量身体中的葡萄糖浓度的已知系统可能不太精确，这是因为它们除了穿过身体吸收或透射的光的量之外并不考虑也可能与葡萄糖浓度相关的参数。
[0006]概述
[0007]所公开的是一种用于测量物质浓度的非侵入式系统和方法，所述非侵入式系统和方法减轻以上提及的已知系统的缺点中的一个或多个。在一个实施方案中，系统包括光源和光检测器。所述系统还包括第一光学系统，所述第一光学系统被配置来将光的透射部分引导到检测器上并且进一步被配置来阻挡光的散射部分。所述系统还包括第二光学系统， 所述第二光学系统被配置来将所述光的所述透射部分和所述散射部分引导到所述检测器上。
[0008]在一个实施方案中，一种方法包括通过第一光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的透射光。所述方法还包括通过第二光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的散射光。所述方法还包括基于测量数据与物质浓度之间的预定相关性确定身体中的物质浓度。测量数据与所测量透射光和所测量散射光相关联。
[0009]在一个实施方案中，非暂态计算机可读介质存储指令，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器启动或执行操作。所述操作包括接收通过第一光学系统获得的针对至少一个波长带的来自身体的透射光的测量结果。所述操作还包括接收通过第二光学系统获得的针对至少一个波长带的来自身体的散射光的测量结果。所述操作还包括基于测量数据与葡萄糖浓度之间的预定相关性确定身体中的物质浓度。测量数据与透射光的测量结果和散射光的测量结果相关联。[〇〇1〇]已论述的这些特征、功能以及优点可在各个实施方案中独立实现或者可在其他实施方案中组合，这些实施方案的另外细节可参考以下描述和附图看出。
[0011]附图简述
[0012]下文参考以下附图描述一些实施方案。
[0013]图1A描绘一种用于确定物质浓度的呈第一构型的系统的实施方案。
[0014]图1B描绘用于确定物质浓度的呈第二构型的系统的图1A实施方案。
[0015]图2A描绘一种用于确定物质浓度的呈第一构型的系统的另一个实施方案。[〇〇16]图2B描绘用于确定物质浓度的呈第二构型的系统的图2A实施方案。
[0017]图3描绘一种用于确定物质浓度的方法的实施方案。
[0018]图4描绘一种用于确定物质浓度的方法的实施方案。
[0019]详述
[0020]将理解的是，关于单独实施方案所描述的特征的细节可一致和适当地在本文所描述的其他实施方案的相同特征中使用，即使在描述其他实施方案时未明确指示。
[0021]可使用与小角散射相关联的原理执行对体内物质(诸如葡萄糖)浓度的非侵入式测量。例如，在光穿过身体之后发现在小角散射范围内的光的量可取决于由身体所导致的散射量并且取决于由体内物质所导致的散射量。由物质所导致的散射量可取决于体内的物质浓度。
[0022]为了说明，准直光束可穿过身体或身体的一部分。准直光束的一部分可在不散射的情况下穿过身体，从而产生透射(例如，平行)光。准直光束的另一部分可在小角散射范围内散射，从而产生散射光。小角散射范围的实例为相对于透射光或平行光大0°至10°。准直光束的另一部分可以小角散射范围之外的角度(例如，以大于10°的角)散射。如本文所使用的，透射光包括未被吸收、散射或反射的光。
[0023]观察指出，溶液中的葡萄糖减小小角光散射的角度，这与在没有葡萄糖的情况下展现出的情况相反。体内更高浓度的一些物质(诸如葡萄糖)可减小由身体所接收光的散射角，从而增加小角散射范围内所发现的辐射量。例如，准直光束以小角散射范围之外的角度散射的部分可在葡萄糖浓度增加时减少。因此，小角散射范围内的辐射量与体内葡萄糖浓度之间可存在相关性。透射辐射的量与体内葡萄糖浓度之间可存在另一个相关性。因此，可通过将散射辐射和透射辐射的组合映射为葡萄糖浓度来确定体内葡萄糖浓度。
[0024]小角散射范围内的辐射量与体内物质浓度之间的相关性还可取决于其他参数。例如，精确确定物质浓度还可考虑透射光的量、环境温度、测量时的体表温度、以及在每次对光进行测量的整个过程中都不变的身体的部位处测量的体温。
[0025]参照图1A，其描绘一种用于确定物质浓度的呈第一构型的系统100的实施方案。系统100可包括光源110、第一光学系统130、第二光学系统140以及检测器160。
[0026]光源110可包括红外线(IR)(诸如近红外线(NIR))激光二极管，用于产生IR光(诸如750nm至6，OOOnm范围内的NIR光)。此外，在一些实施方案中，光源110可被配置来选择性地产生第一波长带和第二波长带的光。第一波长带具体在IR区域或NIR区域中可包括其中物质(诸如葡萄糖)对透射光的吸收有作用的波长。例如，第一波长带可处于约1130nm至约 1190nm范围内(例如，1160nm工作波长)或处于1300nm至1500nm范围内(例如，1460nm工作波长)。第二波长带可包括物质对透射光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用的波长。例如，第二波长带可处于约800nm至约905nm范围内(例如，870nm或880nm工作波长)，或可处于包括960nm或1120nm工作波长的范围内。有利地，第一波长可以是1160nm并且第二波长可以是960nm。一些实施方案可包括两个光源，如参照图2A-图2B所描述的。
[0027]光源110可包括准直透镜112或被联接到所述准直透镜112。准直透镜112可接收从光源110发出的发散光束并且校准所述发散光束以便形成准直光束120。准直透镜112的功能可由多个透镜完成。如上所解释的，准直光束120可选择性包括第一波长带内的光，在所述第一波长带下，待测量的物质影响光的葡萄糖吸收，或可包括第二波长带内的光，在所述第二波长带下，物质对光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用。[0〇28]在图1A所描述的第一构型中，光源110和第一光学系统130可被配置来将身体122 或所述身体122的一部分接纳在其间。例如，如图1A所描绘的，身体122的部分可包括手指。 在其他实施方案中，可接纳身体的不同部分。身体122可在准直光束120穿过身体122时散射所述准直光束120的一部分，从而产生透射光124和散射光126。散射光126可包括在小角散射范围内散射的光。
[0029]第一光学系统130可包括透镜132。透镜132的有效孔径直径可经过选择而使得所述透镜132捕捉透射光124,而散射光126的至少一部分不由所述透镜132所捕捉。透镜132的有效孔径的准确直径可取决于透镜132与光源110之间的距离。透镜132还可聚焦到无限远以便捕捉透射光124并且将所述透射光124引导到检测器160。为了实现这个目标，透镜132 可具有大于或等于f/3的光圈值。
[0030]第一光学系统130还可包括一个或多个视野限制器134,用于抑制散射光126在透镜132处的接收。例如，视野限制器134可传递一定角度范围内的光(包括透射光124)并且阻挡更广泛角度范围内的光(包括散射光126)。此外，视野限制器134可在第一光学系统130内间隔开以便限制反射光以及来自其他来源的光以其他方式在透镜132处接收的量。因此，第一光学系统130可将透射光124引导到检测器160上，同时阻挡散射光126。尽管图1A描绘两个视野限制器134,但是其他实施方案可包括比两个更多或更少的视野限制器。在一些实施方案中，视野限制器134可完全省略。
[0031]第二光学系统140可包括透镜142,并且可被选择性定位在光源110与检测器160之间，可与第一光学系统130互换，如参照图1B进一步描述的。例如，系统100可包括电机150， 用于将第一光学系统130或第二光学系统140选择性地定位在光源110与检测器160之间。因此，透射光124和散射光126可选择性穿过第一光学系统130或第二光学系统140。[〇〇32] 在图1A描绘的第一构型中，透射光124可被引导到检测器160上。检测器160可以是 IR检测器或NIR检测器或包括IR检测器或NIR检测器。在一个实施方案中，检测器160包括硅、砷化铝镓、能够检测和测量光的另一种材料、或者其组合。
[0033]此外，检测器160可被联接到锁定放大器162并且与所述锁定放大器162协调起作用。锁定放大器162可过滤或以其他方式调节由检测器160所检测光的测量结果，以便基于参考信号来去除或降低对应于诸如来自外界光和周围辐射的噪音的数据。作为实例，参考信号可对应于第二波长带内的光，在所述第二波长带下物质对光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用。在一些实施方案中，锁定放大器162可省略。[〇〇34] 系统100还可包括处理器170和存储器172。所述处理器可与光源110、电机150和检测器160联接并且可将指令发送给它们并且从它们接收指令和/或数据。存储器172可包括处理器可读指令，所述处理器可读指令当由处理器170执行时致使所述处理器170执行如本文所述的操作。处理器170可包括微处理器，诸如中央处理单元(CHJ)、数字信号处理器 (DSP)、外围接口控制器(PIC)、其他处理电路或逻辑、或者其组合。
[0035]存储器172可包括能够存储处理器可读指令的任何装置，所述装置包括能够存储处理器可读数据的任何类型的存储器装置，诸如光盘(例如BLU-RAY DISC存储器、数字视频光盘(DVD)存储器、光盘(CD)存储器等)、硬盘(例如，磁盘存储器、固态存储器等)、只读存储器(例如，可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存等)、随机存取存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、磁随机存取存储器(MRAM)等)、能够存储计算机可读数据的另一种类型的存储器、或者其组合。
[0036] 在系统100的操作过程中，在第一构型中，光源110单独或结合准直透镜112可产生准直光束120。准直光束120可穿透身体122。在穿透身体122时，所述准直光束120的一部分可散射以便形成散射光126和透射光124。视野限制器134可阻挡散射光126并且可传递透射光，所述透射光124可在透镜124处被接收。透镜132可将透射光124聚焦到检测器160上。在实施方案中，透镜132足够小以便防止散射光在透镜132处被接收。检测器160可测量透射光 124并且测量结果可作为测量数据被传输到处理器170。
[0037]参照图1B，描绘用于确定物质浓度的呈第二构型的系统100的实施方案。系统100 可通过激活电机150而置于第二构型中以便将第一光学系统130与第二光学系统140互换。 在第二构型中，第二光学系统140可在光源110与检测器160之间对准。在系统100的操作过程中，在第二构型中，散射光126和透射光124可在透镜142处被接收并且被引导到检测器 160上。透镜142可具有孔径直径，所述孔径直径充分足够大以便捕捉小角散射范围内散射的光。例如，透镜142的有效孔径可足够大以便接收由身体122所散射不超过10°的光。因此， 将理解的是，透镜142的有效孔径的准确大小可取决于身体122与透镜142之间的距离。此夕卜，透镜142可包括具有f/1或更小光圈值的透镜。因此，透镜142可接收透射光124和散射光 126并且将所述透射光124和所述散射光126引导到检测器160上。检测器160可测量透射光 124和散射光126的组合并且测量结果可作为测量数据的一部分被传输到处理器170。
[0038]可针对第一波长带和第二波长带执行本文参照图1A-图1B所描述的操作。例如，在图1A所描绘的第一构型中，可通过发射包括来自光源110的第一波长带的光来在检测器160 处测量透射光的第一波长带。可通过发射包括来自光源110的第二波长带的光来针对第二波长带测量透射光。类似地，在图1B所描绘的第二构型中，可在检测器160处针对第一波长带和针对第二波长带测量散射光。测量结果可作为测量数据被传输到处理器170。
[0039]为了进一步说明，光源110可在发射第一波长带内的光与第二波长带内的光之间切换，从而调制光源110。第一波长带可对应于物质对在传输过程中的光吸收有作用的波长。第二波长带可对应于物质对在传输过程中的光吸收没有作用或具有可忽略不计的作用的波长。
[0040]处理器170可基于所接收测量数据与物质浓度之间的预定相关性来确定身体中的物质浓度。作为确定的一部分，对应于散射光和透射光的测量结果可相对于它们的相应入射光束标准化，以便产生一定百分比经传递的光。[0041 ]此外，在校准过程中(例如，在限定预定相关性时)，当查看每个葡萄糖水平时，来自第一波长带和第二波长带两者的测量结果可用来估计葡萄糖。从第一波长带取得的测量结果可示出葡萄糖的变化并且从第二波长带取得的测量结果可用作参考点。两个波长带都可在测量散射光和透射光的过程中使用并且第一波长带(例如，其中葡萄糖影响光的吸收) 的变化可相对于参考波长带(例如，其中葡萄糖对光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用)标准化。
[0042] —种计算葡萄糖的方法是确定散射光(处于两个波长带内)与葡萄糖之间的相关性并且单独确定经传递光(同样处于两个波长带内)之间的相关性。接着，可确定两个相关性之间的加权平均系数以便实现整个葡萄糖范围内的葡萄糖测量。这个系数可以是函数而不是信号常数。
[0043]如本领域普通技术人员将认识到，上述用于确定预定相关性的过程还可用来基于所述预定相关性确定体内葡萄糖的浓度。例如，可使用预定相关性将两个相关性的加权平均值映射为体内葡萄糖的浓度。
[0044]在一个实施方案中，可在测量数据用来确定物质浓度之前对其进行修改或调整。 例如，可考虑附加参数并且可基于所述附加参数对测量数据进行调整。为了说明，处理器 170可接收环境温度的测量结果、体表温度的测量结果、在每次对光进行测量的整个过程中都不变的身体的部位处的体温的测量结果、或者其组合。在确定物质浓度之前，处理器170 可基于环境温度、体表温度、体温、或者其组合来修改测量数据、预定相关性或两者。对测量数据的修改可根据2013年3月19日发布的美国专利号8，401，604以及2013年12月17日发布的美国专利号8,611，975中的本发明人的教义发生，所述专利以引用的方式并入本文。
[0045]与不包括第一和第二光学系统的系统不同，与系统100相关联的益处在于在小角散射范围内散射的光的量可用来确定体内物质浓度。例如，基于小角散射范围内的光的预定相关性，所检测散射光和透射光的量可被映射为对应的物质浓度，从而产生体内物质浓度的精确或更精确的确定。系统100的其他益处对于受益于本公开的本领域技术人员可为显而易见的。
[0046]参照图2A，描绘一种用于确定物质浓度的呈第一构型的系统200的第二实施方案。 系统200可包括第一光源210、第二光源214、第一光学系统230、第二光学系统240、第一滤波器280、第二滤波器282以及检测器160。
[0047]第一光源210可包括红外线(IR)(诸如近红外线(NIR))激光二极管，以产生IR，诸如第一波长带内的NIR光。第一波长带具体在IR区域或NIR区域中可包括其中物质(诸如葡萄糖)对光吸收有作用的波长。此外，第一光源210可包括第一准直透镜212或被联接到所述第一准直透镜212。第一光源210结合准直透镜212可产生第一波长带内同时在第一构型中的准直光束220。
[0048]第二光源214可包括红外线(IR)或近红外线(NIR)激光二极管，以产生第二波长带内的IR光或NIR光。第二波长带可包括其中物质对光吸收没有作用或具有可忽略不计的作用的波长。第二光源214可包括第二准直透镜216或被联接到所述第二准直透镜216。在第二构型中，参照图2B进一步描述的，第二光源214结合第二准直透镜216可产生第二波长带内的准直光束220。
[0049]系统200可包括电机218,用于将第一光源210或第二光源214选择性定位成与检测器260对准。尽管图2A描绘第一光源210和第二光源114,但是在一些实施方案中，系统200可包括单个光源，所述单个光源被配置来选择性产生第一波长带和第二波长带内的光，如参照图1A-图1B的光源110所描述的。
[0050]在图2A所描述的第一构型中，光源210和第一光学系统230可被配置来将身体222 或所述身体222的一部分接纳在其间。例如，如图2A所描绘的，身体222的部分可包括手指。 在其他实施方案中，可接纳身体的另一部分。身体222可在准直光束220穿过身体222时散射所述准直光束220的一部分，从而产生透射光224和散射光226。散射光226可包括在小角散射范围内散射的光。[0051 ]第一光学系统230可包括透镜232。透镜232的有效孔径直径可经过选择而使得所述透镜232捕捉透射光224,而散射光226的至少一部分不由所述透镜232所捕捉。透镜232的有效孔径的准确直径可取决于透镜232与光源210或光源214之间的距离。透镜232还可聚焦到无限远以便捕捉透射光224并且将所述透射光224引导到检测器260。为了实现这个目标， 透镜232可具有大于或等于f/3的光圈值。[〇〇52] 第一光学系统230还可包括一个或多个视野限制器234,用于抑制散射光226在透镜232处被接收。例如，视野限制器234可传递一定角度范围内的光(包括透射光224)并且阻挡更广泛角度范围内的光(包括散射光226)。此外，视野限制器234可在第一光学系统230内间隔开以便限制反射光以及来自其他来源的光在透镜232处被接收的量。因此，第一光学系统230可将透射光224引导到检测器260上，同时阻挡散射光226。尽管图2A描绘两个视野限制器234,但是其他实施方案可包括比两个更多或更少的视野限制器。在一些实施方案中， 视野限制器234可省略。[〇〇53]第二光学系统240可包括透镜242,并且可被选择性定位在光源210与检测器260之间，可与第一光学系统230互换。例如，系统200可包括电机250,用于选择性将第一光学系统 230或第二光学系统240定位在光源210与检测器260之间。因此，可使由第一波长带内的第一光源210所产生的透射光224和散射光226选择性穿过第一光学系统230或第二光学系统 240。参照图2B进一步描述第二光学系统240。[〇〇54]第一滤波器280可包括干扰滤波器，所述干扰滤波器被配置来传递第一波长带内的光。第一波长带可对应于由第一光源210发出的光的波长带并且可包括其中物质影响身体222对光的吸收的波长。此外，第一滤波器280可阻挡第二波长带内的光，在所述第二波长带下物质对身体222对光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用。通过阻挡第二波长内的光，第一滤波器280可减少检测器260处来自第二波长带内的光的干扰。此外，第一滤波器 280可阻挡周围光，从而同样减少检测器260处来自周围光的干扰。第一滤波器280的功能可由多个滤波器完成。[〇〇55] 第二过滤器282还可包括干扰滤波器。例如，第二滤波器282可被配置来阻挡第一波长带内的光，所述第一波长带对应于其中物质影响身体222对光的吸收的波长带。此外， 第二滤波器282可传递第二波长带内的光，在所述第二波长带下物质对身体222对光的吸收没有作用或具有可忽略不计的作用。通过阻挡第一波长内的光，第二滤波器282可减少检测器260处来自第一波长带内的光的干扰，如参照图2B进一步描述的。第二滤波器282还可阻挡周围光，从而同样减少检测器260处来自周围光的干扰。第二滤波器282的功能可由多个滤波器完成。[〇〇56]系统200可包括电机284,用于将第一滤波器280或第二滤波器282选择性定位在光源210与检测器260之间，如本文所描述的。尽管图2A和图2B将系统200描绘为包括两个滤波器，但是在一些实施方案中，系统200可包括单个滤波器280。在这些实施方案中，第一波长带可包括其中葡萄糖影响光的吸收的波长带，并且第二波长带可以是由光源210或光源220 所发射的整个NIR光谱。可使用滤波器280执行第一波长带内的测量，并且在滤波器280被移除时，可诸如通过电机284执行第二波长带内的测量。此外，在一些实施方案中，第一滤波器 280和第二滤波器282都可省略。在这些实施方案中，第一光源210和第二光源214可使用单个波长激光器来向第一光源210施加仅落入第一波长带内的那些波长并且向第二光源214 施加仅落入第二波长带内的那些波长。如本文所描述的，在一些实施方案中，单个光源可选择性施加落入第一波长带的波长和落入第二波长带内的波长。[〇〇57] 在第一构型中，透射光224可被引导到检测器260上。检测器260可包括IR检测器或 NIR检测器。在实施方案中，检测器260包括硅、砷化铝镓、能够检测和测量光的另一种材料、 或者其组合。[〇〇58]此外，检测器260可被联接到锁定放大器262并且与所述锁定放大器262协调起作用。锁定放大器262可过滤或以其他方式调节由检测器260所检测光的测量结果，以便基于参考信号来去除或降低对应于诸如来自外界光和周围辐射的噪音的数据。例如，参考信号可对应于第二波长带内的光，在所述第二波长带下物质对光吸收没有作用或具有可忽略不计的作用。在一些实施方案中，锁定放大器262可省略。[〇〇59] 系统200还可包括处理器270和存储器272。处理器270可与第一光源210,第二光源 214,电机218、250、284以及检测器260联接并且可将指令发送给它们并且从它们接收指令或数据。存储器272可包括处理器可读指令，所述处理器可读指令当由处理器执行时致使所述处理器执行如本文所述的操作。处理器270可包括微处理器，诸如中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、外围接口控制器(PIC)、另一个处理电路或逻辑、或者其组合。
[0060]存储器272可包括能够存储处理器可读指令的任何装置，所述装置包括诸如光盘 (例如BLU-RAY DISC存储器、数字视频光盘(DVD)存储器、光盘(CD)存储器等)、硬盘(例如磁盘存储器、固态存储器等)、只读存储器(例如，可编程只读存储器(PR0M)、电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)、闪存等)、随机存取存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、磁随机存取存储器(MRAM)等)、能够存储计算机可读数据的另一种类型的存储器、或者其组合。
[0061]尽管图2A和图2B描绘两种构型，但是如受益于本公开的本领域技术人员将认识至IJ，另外构型是可能的。例如，在第一构型中，光源210、光学系统230以及滤波器280与身体 222和检测器260对准，如图2A所描绘的。在第二构型中，光源210、光学系统230以及滤波器 282与身体222和检测器260对准。在第三构型中，光源210、光学系统240以及滤波器280与身体222和检测器260对准。在第四构型中，光源210、光学系统240以及滤波器282与身体222和检测器260对准。在第五构型中，光源214、光学系统230以及滤波器280与身体222和检测器 260对准。在第六构型中，光源214、光学系统230以及滤波器282与身体222和检测器260对准。在第七构型中，光源214、光学系统240以及滤波器280与身体222和检测器260对准。在第八构型中，光源214、光学系统240以及滤波器282与身体222和检测器260对准，如图2B所描绘的。[〇〇62]在系统200的操作过程中，光源210可单独或结合准直透镜212产生第一波长带内的准直光束220。第一波长带可对应于其中物质(诸如葡萄糖)对光吸收有作用的波长。准直光束220可穿过身体222。在穿过身体222时，所述准直光束220的一部分可散射以便形成散射光226和透射光224。散射光226和透射光224可在第一光学系统230处被接收。视野限制器 234可阻挡散射光226并且可传递透射光224。透射光224可在透镜232处被接收。透镜232可通过干扰滤波器280将透射光224聚焦到检测器260上。在实施方案中，透镜232足够小以便防止散射光在透镜232处被接收。检测器260可测量第一波长带内的透射光224并且测量结果可作为数据被传输到处理器270。
[0063]另外在系统200的操作过程中，电机218可互换光源212、214(例如，用与检测器260 对准的第二光源216替换第一光源210)。光源214可单独或结合准直透镜216产生第二波长带内的准直光束220。第二波长带可对应于其中物质对光吸收没有作用或具有可忽略不计的作用的波长。第一光学系统230可通过第二滤波器282将第二波长带内的透射光224引导到检测器260上。电机284可互换滤波器280、282(例如，用与检测器260对准的第二滤波器 282替换第一滤波器280)。检测器260可测量第二波长带内的透射光224并且测量结果可作为数据的一部分被传输到处理器270。[〇〇64]参照图2B，描绘用于确定物质浓度的呈第二构型的系统200的实施方案。系统200 可通过激活电机250而置于第二构型中以便将第一光学系统130与第二光学系统140互换。 在第二构型中，第二光学系统240可在光源214与检测器260之间对准。在这个构型中，光源 214可产生第二波长带内的准直光束220。散射光226和透射光224可在透镜242处被接收并且被引导到检测器260上。透镜242的有效孔径可充分足够大以便捕捉小角散射范围内散射的光。例如，透镜242的有效孔径可足够大以便接收由身体222所散射不超过10°的光。因此， 将理解的是，透镜242的有效孔径的准确直径可取决于身体222与透镜242之间的距离。透镜 242可包括具有f/1或更小光圈值的透镜。因此，透镜可接收透射光224和散射光226并且将所述透射光224和所述散射光226引导到检测器260上。检测器260可测量散射光226并且测量结果可作为数据的一部分被传输到处理器270。[〇〇65] 在系统200的操作过程中，在图2B的构型中，电机218可互换光源210、214(例如，用检测器260对准的第一光源210替换第二光源214)，并且电机284可互换滤波器280、282(例如，用与检测器260对准的第一滤波器280替换第二滤波器282)。光源210可单独或结合准直透镜212产生第一波长带内的准直光束220。第二光学系统240可通过第二滤波器282将第二波长带内的透射光224和散射光226引导到检测器260上。检测器260可测量第二波长带内的透射光224和散射光226并且测量结果可作为数据的一部分被传输到处理器270。
[0066]处理器270可基于测量数据与物质浓度之间的预定相关性确定身体中的物质浓度，如本文所描述的。在一些实施方案中，可修改或调整测量数据。例如，可考虑附加参数以便确定物质浓度。为了说明，处理器270可进一步接收环境温度的测量结果、体表温度的测量结果、在每次对光进行测量的整个过程中都不变的身体的部位处的体温的测量结果、或者其组合。在确定物质浓度之前，处理器170可基于环境温度、体表温度、体温、或者其组合来修改测量数据、预定相关性或两者。
[0067]与不包括第一和第二光学系统的系统不同，与系统200相关联的益处在于在小角散射范围内散射的光的量可用来确定体内物质的浓度。可通过标准化所测量散射光和所测量透射光两者来获得进一步的精度。例如，标准化所测量散射光可包括基于针对第一波长带的所测量散射光与针对第二波长带的所测量散射光的比率计算出散射光比率参数，并且标准化所测量透射光可包括基于针对第一波长带的所测量透射光与针对第二波长带的所测量透射光的比率计算出透射光比率参数。因此，系统200可比不包括第二光源214和滤波器280、282的系统更精确。系统200的其他益处对于受益于本公开的本领域的技术人员可为显而易见的。
[0068]参照图3,描绘一种用于确定物质浓度的方法的实施方案并且一般将其指定为 300。方法300可包括在302处通过第一光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的透射光。例如，光源110可产生至少一个波长带中的准直光束120。可使准直光束穿过身体122,从而产生透射光124和散射光126。第一光学系统130可将透射光124引导到检测器160上，并且可阻挡散射光126。检测器160可测量透射光124。[〇〇69]方法300还可包括在304处通过第二光学系统针对至少一个波长带测量穿过身体的透射光和散射光。例如，第二光学系统140可将透射光124和散射光126引导到检测器160 上。检测器160可测量透射光124和散射光126。
[0070]所述方法300还可包括在306处基于测量数据与葡萄糖浓度之间的预定相关性来确定身体中的物质浓度，测量数据与所测量透射光和所测量散射光相关联。例如，检测器 160可将对应于所测量透射光124以及所测量透射光124和散射光126的测量数据发送给处理器170。处理器170可基于测量数据与葡萄糖浓度之间的预定相关性确定身体122中的物质浓度。[〇〇71]方法300的益处在于与不产生透射光测量结果以及透射光和散射光测量结果的方法相比，可非侵入式确定或更精确地确定体内葡萄糖水平。透射光和散射光的测量结果可包括在小角散射范围内散射的光。方法300的其他益处对于受益于本公开的本领域的技术人员可为显而易见的。
[0072]参照图4,描绘一种用于确定物质浓度的方法的实施方案并且一般将其指定为 400。方法400可包括在402处通过第一光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的透射光。例如，光源210可产生至少一个波长带中的准直光束220。可使准直光束穿过身体222，从而产生透射光224和散射光226。第一光学系统230可将透射光224引导到检测器260上，并且可阻挡散射光226。检测器260可测量透射光224。[〇〇73]所述方法400还可包括在404处通过第一光学系统针对第二波长带测量来自身体的其他透射光。例如，光源210可与光源216互换。光源216可产生其他光作为第二波长带中的准直光束220。或者，光源210可产生第二波长带中的准直光束220。准直光束220可穿过身体222,从而产生透射光224和散射光226。第一光学系统230可将透射光224引导到检测器 260上，并且可阻挡散射光226。检测器260可针对第二波长带测量透射光224。[〇〇74]所述方法400还可包括在406处通过第二光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的散射光。例如，光源210可产生至少一个波长带中的准直光束220。准直光束可穿过身体222,从而产生透射光224和散射光226。第二光学系统240可将透射光224和散射光226引导到检测器260上。检测器260可测量至少一个波长中的透射光224和散射光226。[〇〇75]所述方法400可包括在408处通过第二光学系统针对第二波长带测量来自身体的其他散射光。例如，光源210可与光源216互换。光源216可产生其他光作为第二波长带中的准直光束220。相反，光源210可产生第二波长带中的准直光束220。准直光束可穿过身体 222,从而产生透射光224和散射光226。第二光学系统240可将透射光124和散射光226引导到检测器260上。检测器260可测量第二波长中的透射光224和散射光226。将理解的是，图4 中所示的402、404、406和408将以不同顺序完成。[〇〇76]所述方法400还可包括在410处基于针对至少一个波长的所测量散射光与针对第二波长的所测量其他散射光的比率来计算散射光比率参数。例如，针对至少一个波长的所测量散射光和针对第二波长的所测量散射光可作为测量数据被发送给处理器270。处理器 270可基于测量结果计算出散射光比率。
[0077]方法400还可包括在412处基于针对至少一个波长的所测量透射光与针对第二波长的所测量其他透射光的比率来计算透射光比率参数。例如，针对至少一个波长的所测量透射光和针对第二波长的所测量透射光可作为测量数据被发送给处理器270。处理器270可基于测量结果计算出透射光比率。
[0078]所述方法400可包括在414处基于测量数据与物质浓度之间的预定相关性确定身体中的物质浓度，所述测量数据与所测量透射光、所测量散射光、所测量其他透射光以及所测量其他散射光相关联并且包括散射光比率参数和透射光比率参数。例如，处理器270可基于在410和412处计算出的散射光比率参数和透射光比率参数来确定身体222中的物质浓度。
[0079]本文所描述的方法中的一种或多种(诸如方法300和400)可由处理器(诸如处理器170和270)响应于存储在非暂态计算机可读介质(诸如存储器172和272)处的指令来执行或启动。非暂态计算机可读介质可包括能够存储计算机可读数据的任何类型的存储器装置，诸如光盘(例如BLU-RAY DISC存储器、数字视频光盘(DVD)存储器、光盘(CD)存储器等)、硬盘(例如，磁盘存储器、固态存储器等)、只读存储器(例如，可编程只读存储器(PR0M)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存等)、随机存取存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、磁随机存取存储器(MRAM)等)、能够存储计算机可读数据的另一种类型的存储器、或者其组合。
[0080]依照条例，已经大体上具体关于结构和方法特征用语言描述实施方案。然而，应理解的是，实施方案不限于所示和所描述的具体特征。因此，根据等同原则，要求保护在适当解释的所附权利要求书的适当范围内呈任何实施方案形式或修改的实施方案。
[0081 ]附图参考数字的表格
[0082]100 系统
[0083]HO 光源
[0084]112准直透镜
[0085]120准直光束
[0086]122 身体
[0087]124透射光
[0088]126散射光
[0089]130光学系统
[0090]132 透镜
[0091]140光学系统
[0092]142 透镜
[0093]144视野限制器
[0094]150 电机
[0095]160检测器
[0096]162锁定放大器
[0097]170处理器
[0098]172存储器
[0099]200 系统
[0100]210光源
[0101]212透镜
[0102]214光源
[0103]216透镜
[0104]218电机
[0105]220准直光束
[0106]222身体
[0107]224透射光
[0108]226散射光
[0109]230光学系统
[0110]232透镜
[0111]240光学系统
[0112]242透镜
[0113]244视野限制器
[0114]250电机
[0115]260检测器
[0116]262锁定放大器
[0117]270处理器
[0118]272存储器
[0119]280滤波器
[0120]282滤波器
[0121]284电机
【主权项】
1.一种方法，其包括:通过第一光学系统针对至少一个波长带测量来自身体的透射光；通过第二光学系统针对至少一个波长带测量来自所述身体的散射光；基于测量数据与物质浓度之间的预定相关性来确定所述身体中的所述物质浓度，所述 测量数据与所述测量的透射光和所述测量的散射光相关联。2.如权利要求1所述的方法，其还包括:通过所述第一光学系统针对第二波长带测量来自所述身体的其他透射光；通过所述第二光学系统针对所述第二波长带测量来自所述身体的其他散射光，所述测 量数据进一步与所述测量的其他散射光和所述测量的其他透射光相关联。3.如权利要求2所述的方法，其还包括:基于针对所述至少一个波长的所述测量的散射光与针对所述第二波长的所述测量的 其他散射光的比率来计算散射光比率参数；基于针对所述至少一个波长的所述测量的透射光与针对所述第二波长的所述测量的 其他透射光的比率来计算透射光比率参数，所述测量数据包括所述散射光比率参数和所述 透射光比率参数。4.如权利要求1所述的方法，其还包括:测量环境温度；测量体表温度；测量体温；以及在确定所述物质浓度之前，基于所述环境温度、所述体表温度以及所述体温来修改所 述测量数据、所述预定相关性或者两者。5.如权利要求1所述的方法，其还包括调制所述光源。6.如权利要求1所述的方法，其中所述物质为葡萄糖。7.—种存储指令的非暂态计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时致使所述处理 器启动或执行操作，所述操作包括:接收通过第一光学系统获得的针对至少一个波长带的来自身体的透射光的测量结果； 接收通过第二光学系统获得的针对所述至少一个波长带的来自所述身体的散射光的 测量结果；以及基于测量数据与葡萄糖浓度之间的预定相关性来确定所述身体中的物质浓度，所述测 量数据与所述透射光的测量结果和所述散射光的测量结果相关联。8.—种系统，其包括:光源；光检测器；第一光学系统，其被配置来将光的透射部分引导到所述检测器上并且进一步被配置来 阻挡所述光的散射部分；以及第二光学系统，其被配置来将光的所述透射部分和所述散射部分引导到所述检测器上。9.如权利要求8所述的系统，所述光源包括近红外线(NIR)激光二极管和准直透镜，其 被配置来选择性产生至少第一波长带和第二波长带中的准直NIR光束。10.如权利要求8所述的系统，所述光源包括第一NIR激光二极管和第二NIR激光二极 管，所述第一 NIR激光二极管被配置来产生第一波长带中的准直NIR光束，所述第二NIR激光 二极管被配置来产生第二波长带中的准直NIR光束。11.如权利要求8所述的系统，所述第一光学系统包括具有f/3或更大光圈值的透镜。12.如权利要求11所述的系统，所述第一光学系统还包括一个或多个视野限制器，用于 抑制所述光的所述散射部分在所述透镜处的接收。13.如权利要求8所述的系统，所述第二光学系统包括具有f/1或更小光圈值的透镜。14.如权利要求8所述的系统，所述散射光包括由身体在小角散射范围内所散射的光。15.如权利要求8所述的系统，其还包括电机，所述电机被配置来将所述第一光学系统 或所述第二光学系统选择性定位在所述光源与所述光检测器之间。16.如权利要求8所述的系统，其还包括干扰滤波器，所述干扰滤波器被配置来传递第 一波长带内的光，物质影响所述身体对所述第一波长带内的光的吸收，并且阻挡第二波长 带内的光，所述物质对所述身体对所述第二波长带内的光的吸收没有作用或具有可忽略不 计的作用。17.如权利要求16所述的系统，其还包括电机，所述电机被配置来将所述干扰滤波器选 择性定位在所述光源与所述光检测器之间。18.如权利要求8所述的系统，所述检测器包括选自硅、砷化铝镓及其组合的至少一种 材料。19.如权利要求8所述的系统，所述检测器被联接到锁定放大器以便减少对来自其他光 源的光噪音的检测。20.如权利要求8所述的系统，其还包括处理器和存储器，其中所述存储器包括指令，所 述指令当由所述处理器执行时致使所述处理器启动或执行操作，所述操作包括:接收通过第一光学系统获得的针对至少一个波长带的来自身体的透射光的测量结果；接收通过第二光学系统获得的针对所述至少一个波长带的来自所述身体的散射光的 测量结果；基于测量数据与物质浓度之间的预定相关性来确定所述身体中的所述物质浓度，所述 测量数据与所述透射光的测量结果和所述散射光的测量结果相关联。
【文档编号】G01N21/47GK105979871SQ201580007043
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】Y·格尔丽兹
【申请人】格鲁科威斯塔公司