用于减少测量期间的传感器稳定化时间的电化学传感器的待机偏置的制作方法【专利说明】用于减少测量期间的传感器稳定化时间的电化学传感器的待机偏直【
背景技术：
】[0001]除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。[0002]电化学安培传感器通过在传感器的工作电极处测量通过分析物的电化学氧化或还原反应生成的电流来测量分析物的浓度。还原反应发生在电子被从电极转移到分析物时，而氧化反应发生在电子被从分析物转移到电极时。电子转移的方向取决于施加到工作电极的电势。对电极和/或参比电极用于与工作电极完成电路并允许生成的电流流动。当工作电极被适当地偏置时，输出电流可与反应速率成比例，以提供工作电极周围的分析物的浓度的度量。[0003]在一些示例中，一种试剂被定位在工作电极附近以选择性地与期望的分析物反应。例如，葡萄糖氧化酶可被固定在工作电极附近以与葡萄糖反应并释放过氧化氢，过氧化氢随后被工作电极以电化学方式检测到以指示葡萄糖的存在。其他酶和/或试剂可用于检测其他分析物。【
发明内容】[0004]本公开的一些实施例提供了一种方法，包括在可眼戴设备（eye-mountabledevice)中在工作电极与参比电极之间施加稳定化电压。稳定化电压可足以使得分析物在工作电极处经历电化学反应。该方法可包括当稳定化电压被施加时在可眼戴设备中的天线处无线地接收测量信号。该方法可包括响应于接收到测量信号激活可眼戴设备中的测量电子器件以将测量电子器件从待机模式转变到活跃模式。测量电子器件在活跃模式中可以比待机模式中消耗更多电力。该方法可包括：在活跃模式期间，操作测量电子器件来（i)通过工作电极测量安培电流，其中安培电流与分析物有关，并且（ii)经由天线无线地传达测量到的安培电流。[0005]本公开的一些实施例提供了一种方法，包括在稳定化时段期间由读取器无线地发送稳定化信号。稳定化信号可被发送到包括工作电极、稳定化电子器件、测量电子器件和天线的可眼戴设备。稳定化信号可被配置为使得稳定化电子器件在工作电极和参比电极之间施加稳定化电压。稳定化电压可足以使得分析物在工作电极处经历电化学反应。该方法可包括在稳定化时段之后的测量时段期间由读取器发送测量信号。测量信号可被发送到可眼戴设备。测量信号可被配置为：（i)使得测量电子器件通过工作电极测量安培电流，（ii)使得测量电子器件经由天线无线地传达测量到的安培电流，并且（iii)供应为测量电子器件供电的电力。安培电流可与分析物有关。该方法可包括由读取器接收测量到的安培电流的指示。测量到的安培电流的指示可以是从可眼戴设备无线地传达的。[0006]本公开的一些实施例提供了一种可眼戴设备，其包括透明聚合物材料、天线、电化学传感器、稳定化电子器件、测量电子器件和控制器。透明聚合物材料可具有凹表面和凸表面。凹表面可被配置为可移除地安装在角膜表面上并且凸表面可被配置为在凹表面被如此安装时与眼睑运动相容。电化学传感器可包括工作电极和参比电极。稳定化电子器件可操作来在工作电极和参比电极之间施加稳定化电压。稳定化电压可足以使得分析物在工作电极处经历电化学反应。测量电子器件可被配置为当被激活时：（i)在工作电极和参比电极之间施加测量电压，（ii)通过工作电极测量安培电流，以及（iii)使用天线来传达测量到的安培电流。安培电流可与分析物有关。控制器可被配置为操作稳定化电子器件以在稳定化时段期间施加稳定化电压并且响应于经由天线接收到测量信号在测量时段期间激活测量电子器件。[0007]通过酌情参考附图阅读以下详细描述，本领域普通技术人员将清楚这些以及其他方面、优点和替换方案。【附图说明】[0008]图1是包括与外部读取器进行无线通信的可眼戴设备的示例系统的框图。[0009]图2A是示例可眼戴设备的底视图。[0010]图2B是图2A所示的示例可眼戴设备的侧视图。[0011]图2C是图2A和2B所示的示例可眼戴设备在安装到眼睛的角膜表面时的侧截面图。[0012]图2D是被增强来示出当如图2C所示安装示例可眼戴设备时围绕该示例可眼戴设备的表面的泪膜层的侧截面图。[0013]图3是用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的示例系统的功能框图。[0014]图4A是用于操作可眼戴设备中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的示例过程的流程图。[0015]图4B是用于操作外部读取器来询问可眼戴设备中的安培传感器以测量泪膜分析物浓度的示例过程的流程图。[0016]图5A是包括双模式电力供应源的示例电化学传感器系统的功能框图。[0017]图5B是在获得测量之前以启动偏置模式操作图5A的示例电化学传感器的示例过程的流程图。[0018]图5C是在待机模式中操作的图5A所示的示例电化学传感器的功能框图。[0019]图f5D是在活跃模式中操作的图5A所示的示例电化学传感器的功能框图。[0020]图6A-6D图示了示例测量周期的传感器电压、传感器电流、电子器件供应电压和电力消耗。[0021]图7A-7E图示了示例重复测量周期的传感器电压、传感器电流、电子器件供应电压、入射辐射和电力消耗。[0022]图8A是包括测量电子器件电力供应源和待机偏置电力供应源的示例电化学传感器系统的功能框图。[0023]图8B是待机偏置电力供应源包括光伏电池的示例实施例的功能框图。[0024]图8C是在获得测量之前以启动偏置模式操作图8A的示例电化学传感器的示例过程的流程图。[0025]图9A-9E图示了示例重复测量周期的传感器电压、传感器电流、电子器件供应电压、入射辐射和电力消耗。[0026]图IOA是被外部读取器操作来随着时间的流逝获得一系列安培电流测量的眼科电化学传感器系统的框图。[0027]图IOB是联系图IOA描述的眼科电化学传感器系统的框图。[0028]图IOC是操作图IOA所示的眼科电化学传感器系统的示例过程的流程图。[0029]图11描绘了根据示例实施例配置的计算机可读介质。【具体实施方式】[0030]在以下详细描述中，参考形成描述的一部分的附图。在附图中，相似的符号通常标识相似的组件，除非上下文另有指示。详细描述、附图和权利要求中描述的例示性实施例并不欲进行限定。可以利用其他实施例，并且可以作出其他改变，而不脱离本文给出的主题的范围。容易理解，本文概括描述并且在附图中图示的本公开的各方面可按许多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在这里都明确地设想到了。[0031]I.概述[0032]眼科感测平台或可植入感测平台可包括传感器、控制电子器件和天线，它们全都位于嵌入在聚合物材料中的基板上。聚合物材料可被包含在眼科设备中，例如可眼戴设备或可植入医疗设备。控制电子器件可操作传感器以执行读数并且可操作天线以将读数从传感器经由天线无线地传达到外部读取器。[0033]在一些示例中，聚合物材料可以是圆形镜片的形式，该圆形镜片具有被配置为安装到眼睛的角膜表面的凹曲率。基板可被嵌入在聚合物材料的周界附近以避免与在更靠近角膜的中央区域处接收的入射光发生干扰。传感器可被布置在基板上面向内、朝着角膜表面，以生成来自角膜的表面附近和/或来自介于聚合物材料与角膜表面之间的泪液的临床上相关的读数。额外地或替换地，传感器可被布置在基板上面向外，远离角膜表面并且朝着暴露于大气的覆盖聚合物材料的表面的泪液层。在一些示例中，传感器被完全嵌入在聚合物材料内。例如，包括工作电极和参比电极的电化学传感器可被嵌入在聚合物材料中并且被定位成使得传感器电极与被配置为安装到角膜的聚合物表面相距小于10微米。传感器可生成指示通过镜片材料扩散到传感器电极的分析物的浓度的输出信号。[0034]眼科感测平台可经由在该感测平台处采集的辐射能量来供电。电力可由感测平台上包括的光供能光伏电池来提供。额外地或替换地，电力可由从天线采集的射频能量来提供。整流器和/或调节器可与控制电子器件相结合来生成稳定的DC电压以从采集的能量对感测平台供电。天线可被布置为具有连接到控制电子器件的引线的导电材料的环。在一些实施例中，这种环状天线也可通过修改环状天线的阻抗以修改来自天线的反向散射辐射来将传感器读数无线地传达到外部读取器。[0035]泪液包含可用于诊断健康状态的多种无机电解质（例如，Ca2+、Mg2+、Cl)、有机成分(例如，葡萄糖、乳酸盐、蛋白质、脂肪等），等等。被配置为测量这些分析物中的一个或多个的眼科感测平台从而可提供可用于诊断和/或监视健康状态的一种方便的非侵入性平台。例如，眼科感测平台可被配置为感测葡萄糖并且可被糖尿病患者个人用来测量/监视其血糖水平。[0036]在本公开的一些实施例中，当电压最初被施加到电化学传感器中的电极时，由于在没有施加电压的时间期间分析物在电极处的聚积，可生成大的初始安培电流。一旦初始的分析物聚积被消耗，电化学反应速率就稳定在稳态值（例如，其中分析物扩散对电化学分析物消耗进行补偿），此时反应速率与分析物浓度大致成比例。从而，当非连续地（即，间歇地）对分析物浓度采样时，每次读数可要求先经过稳定化时间，然后安培电流才稳定在稳态值。[0037]本公开的一些实施例因此提供了用于通过首先向电化学传感器电极施加电压以允许电流稳定化，然后读取电流，来间歇地对电化学传感器采样的系统和方法。这种间歇测量方案降低了总电力消耗，因为测量电子器件只在执行测量读数时才被供电，而在初始稳定化时段期间不被供电。在稳定化时段期间，电压被施加在电化学传感器电极上，但并不也对测量电子器件供电。在一些示例中，单个电力供应系统既可在高电力设定中操作（在测量期间），也可在低设定中操作（在稳定化期间）。在其他示例中，两个分开的电力供应源可分别在高电力设定和低电力设定中对电化学传感器供电。例如，第一电力供应源可在测量之前的稳定化时段期间在传感器电极之间施加电压。第二电力供应源单独地或者与第一电力供应源相结合随后可在测量事件期间对测量电子器件供电以既感测稳定化的安培电流，也传达结果。[0038]本文描述的用于间歇地测量来自预充电的传感器电极的预稳定化的安培电流的技术相对于在传感器电流达到稳定值期间对测量电子器件供电的系统降低了电化学传感器中的总电力消耗。该技术可用在具有严格的电力预算的应用中，例如用在可植入医疗设备中或者用在可眼戴设备中包括的电化学传感器中。[0039]感测平台可由捕捉来自入射辐射的能量的能量采集系统供电，而不是由要求更多空间的内部能量存储设备供电。例如，电力可由感测平台上包括的光供能光伏电池来提供。电力也可由经由环状天线采集的射频（radiofrequency，RF)能量提供。整流器和/或调节器可与控制电子器件相结合来生成稳定的DC电压以从采集的RF能量对感测平台供电。另外，控制电子器件可通过修改环状天线的阻抗以便以表征特性的方式修改来自天线的反向散射来将传感器读数无线地传达到外部读取器。[0040]除了用于对控制电子器件（即，测量和通信电路）供电的DC电压以外，能量采集系统也可生成电压来施加到电化学传感器的传感器电极，而并不也对测量电子器件供电。施加到传感器电极的电压可被称为稳定化电压并且可用于在执行安培电流测量之前对传感器电极预充电。最终的安培电流测量从而避免了以上描述的在向传感器电极施加电压之后立即发生的安培电流中的瞬态效应。[0041]能量采集系统因此可在待机模式中操作，其中稳定化电压被施加在传感器电极上，而并不也对控制电子器件供电。系统也可在测量模式中操作，其中DC电压被供应到控制电子器件以使得感测平台执行电流测量并传达结果。在高电力模式期间，可通过控制电子器件维持传感器电极上的电压，例如由同时在电极上施加电压并通过工作电极测量所产生的安培电流的恒电势器来维持。另外，能量采集系统可包括多个能量采集设备，其中一个专用于提供稳定化电压，另一个专用于为了测量和通信给感测平台供电。例如，天线可用于从入射射频辐射采集能量，并且光伏电池可用于从入射光采集能量。在一个示例中，光伏电池可用于在低电力模式期间提供稳定化电压，并且天线可用于在高电力模式期间对控制电子器件供电（例如，恒电势器和反向散射通信电路）。[0042]外部读取器可辐射射频辐射来经由能量采集系统对传感器供电。外部读取器从而可通过控制对感测平台的电力供应来控制感测平台的操作。在一些示例中，外部读取器可进行操作以通过辐射出足以对感测平台供电以获得测量并传达结果的辐射来间歇地询问感测平台提供读数。外部读取器也可存储由感测平台传达的传感器结果。这样，外部读取器可随着时间的流逝获取一系列分析物浓度测量，而不连续对感测平台供电。[0043]在本公开的一些实施例中，外部读取器被配置为使得感测平台根据本文描述的传感器电极预充电技术来操作。例如，外部读取器可首先向感测平台发送稳定化信号以发起低电力稳定化模式，然后向感测平台发送测量信号以发起测量。在测量之后，外部读取器可完全停止辐射，并且感测平台可进入空闲模式，直到外部读取器发送下一个稳定化信号来预充电传感器为止。[0044]在感测平台响应于来自外部读取器的控制信号而进入稳定化模式和测量模式的示例中，稳定化模式的持续时间可由外部读取器来控制。也就是说，传感器电极在获得测量之前被预充电的时段可由外部读取器通过调整稳定化模式的发起和测量模式的发起之间的时间来调整。读取器从而可设定稳定化时段以允许安培电流有充分的时间达到稳定值并且可基于系统的占空比、后续测量模式之间的空闲时段的持续时间和/或经验确定的因素来确定。[0045]在一些示例中，感测平台可传达两个传感器读数以允许读取器判定安培电流是否处于稳定值。例如，如果两个传感器读数大致相等，则读取器可判定测量到的电流处于其稳定值，因此读数可用于估计分析物浓度水平。读取器也可断定这种稳态读数之前的稳定化时间的持续时间足以允许电流达到稳定值并且因此在类似的情况下可采用类似的持续时间。另一方面，如果两个传感器读数不是大致相等，则读取器可判定测量到的电流仍在经历瞬态变动并且尚未达到稳态水平。在这种情况下，读取器可断定稳定化时间的持续时间不足以允许电流达到稳定值。[0046]II.示例眼科电子器件平台[0047]图1是包括与外部读取器180进行无线通信的可眼戴设备110的系统100的框图。可眼戴设备110的暴露区域由被形成为接触式安装到眼睛的角膜表面的聚合物材料120构成。基板130被嵌入在聚合物材料120中以为电力供应源140、控制器150、生物交互电子器件160和通信天线170提供安装表面。生物交互电子器件160由控制器150操作。电力供应源140向控制器150和/或生物交互电子器件160供应操作电压。天线170被控制器150操作来向和/或从可眼戴设备110传达信息。天线170、控制器150、电力供应源140和生物交互电子器件160可全都位于嵌入的基板130上。因为可眼戴设备110包括电子器件并且被配置为接触式安装到眼睛，所以其在本文中也被称为眼科电子器件平台。[0048]为了促进接触式安装，聚合物材料120可具有被配置为粘着（"安装"）到润湿的角膜表面的凹表面（例如当前第1页1 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