專利名稱：濃度測量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量溶解在溶液中的旋光性物質(zhì)的濃度的技術(shù)，該技術(shù)不使用任何機械移動部件并且只依賴于一種利用一個電子可控的旋光控制元件的純電子控制方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明實現(xiàn)一種安全測量血糖濃度、管理測出的濃度并且通知報警狀態(tài)的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)理想地通過非侵入式地測量人體中的血糖濃度或以不接觸方式學光地測量尿中的血糖濃度，或者通過都植入在人體中的一個線性偏振光發(fā)光元件以及一個小巧液晶低電壓低功耗型旋光角檢測元件，以穩(wěn)定和無傷害方式長期地測量血糖濃度。
尤其對于有糖尿病的總在日常生活中管理他們的血糖水平的人們，本發(fā)明通過實現(xiàn)一種以可聽或可視方式發(fā)出告警的系統(tǒng)或者實現(xiàn)一種自動地管理胰島素或葡萄糖的系統(tǒng)，作為在預(yù)期會嚴重影響人體時的一種應(yīng)急和臨時處理手段，從而提供一種幫助他們的社會活動的支持工具。如果達到非侵入式血糖監(jiān)視，可以保證不必抽血的社會活動，尤其是對于幾乎占人口的10％的可能的糖尿病人，并且從而提供一種有用的保健設(shè)備。
在現(xiàn)有技術(shù)中，為了檢測液體溶液里的糖濃度，把線性偏振光射到該溶液中，在改變分析儀上的線性偏振器的轉(zhuǎn)動角時，測量{旋光角/光徑長度}，并且從測量值計算糖的濃度，但是，這種周知的用于測量血糖濃度的測量溶液中的旋光角的方法需要從人體抽取出相對大量的血液樣本，從而涉及采血時的疼痛并且涉及潛在感染的風險。
為了緩解疼痛和感染風險，在美國已經(jīng)在某種程度的日常生活中實行只需要少許血液并且使用酶傳感器的血檢。但是，這仍是一種皮膚侵入式方法，其需要刺破皮膚以便采血，并且從而仍涉及潛在感染的風險，這種侵入式血糖測量總是要求患者攜帶消毒棉球從而在采血前消毒皮膚。另外，當患者必須消毒皮膚并且在有其他人的情況下采血時，患者的心理負擔增大。
除了上面的方法之外，已經(jīng)在一些范圍內(nèi)提出并實行一種把一個溫暖的加熱器放在皮膚上以造成局部出汗并分析汗的組成的非侵入式測量方法。但是，這種導(dǎo)汗加熱器需要加熱功率，并且如果將該加熱器包含在一個便攜式設(shè)備中，用戶可能發(fā)現(xiàn)更換電池組是麻煩的，另外，可能出現(xiàn)因加熱皮膚出現(xiàn)燒傷的問題，并且還可能出現(xiàn)由于皮膚和導(dǎo)汗加熱器之間的接觸故障而不能測量的情況。事實上，在手表式加熱器的情況下，表帶的記緊程度在不同的人之間變化很大，并且從而，不同的人中皮膚和加熱器之間的接觸程度明顯變化。結(jié)果是，在使用要求和皮膚足夠接觸的糖濃度感測手表時，取決于用戶常常發(fā)生皮膚和加熱器之間的接觸故障。出于這些和其它原因，在社會活動期間達到血糖濃度的實時安全自動監(jiān)視是特別困難的。
如果能得到一種可以不必更換部件而長期使用的小巧低功耗可植入血糖檢測器，即使它不是非侵入式糖濃度測量設(shè)備，仍會提供一種有用的裝置。在這種情況下還必須在人體和測量設(shè)備之間提供隔離結(jié)構(gòu)，從而能使測量探子在不影響血液的情況下留在人體內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是實現(xiàn)一種不必抽取血液樣本而測量人體內(nèi)的糖濃度的非侵入式血糖監(jiān)視設(shè)備。為達到此目的，必須通過在不使用任何移動部件的情況下測量人體中的透光度來計算糖濃度。
已經(jīng)提出一種通過利用人體中特定波長光的透射度的波長依從性(dependence)隨糖濃度改變的特性計算血糖濃度的方法；但是，難以從含有各種類型的成分的人體血液高精確地檢測糖濃度，并且迄今尚未成功地實現(xiàn)實用的非侵入式血液監(jiān)視器。取決于狀態(tài)，經(jīng)歷低血糖水平患者可覺察到的癥狀程度可能是弱的。從而，在患者自己不能注意到癥狀的情況下，不可能在恰當?shù)臅r刻測量血糖水平，并且這會威脅他的生命。為了在患者自己未注意到任何癥狀時也測量血糖水平，唯一可使用的方法是在時鐘的控制下自動測量，但是當測量失敗時無法提供可靠測量。
如果實現(xiàn)一種非侵入式血液監(jiān)視器，可以在時鐘的控制下測量血糖，并且把結(jié)果反饋給患者。為了預(yù)防不能及時向患者施予糖或胰島素的情況，可以和該自動血糖測量設(shè)備相組合地使用一個自動給藥設(shè)備，從而可以自動地施予安全的糖或胰島素量作為一種可靠地防止患者無知覺的措施。
上述設(shè)備方便糖尿病人和潛在的糖尿病人的社會活動。即使得到的非侵入式血糖測量含有一定程度的誤差，只要它在由于血糖降到正常水平之下造成事故之前向患者提供警告，如果尚未引起真正傷害則是有好處的。在社會活動支持應(yīng)用中，和用于診斷或科學分析的精確血糖測量設(shè)備不同，強烈需要一種簡單、易于使用并且允許有限程度的誤差的血糖預(yù)測測量系統(tǒng)。從而社會上需要提供一種便攜手提式非侵入式血糖濃度估計設(shè)備。
本發(fā)明的配置的重點是通過一個扭轉(zhuǎn)向列液晶元件產(chǎn)生旋光的光電調(diào)制。理論上，可以通過該液晶元件和一個線性偏振器以及一個光接收元件的組合來測量糖的濃度。如果對上述組合添加一個從平行對準液晶元件構(gòu)建的光電相位調(diào)制元件，并且通過把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光來測量光量，可進一步提高旋光測量的精度。更具體地，把線性偏振光發(fā)射到一個旋光性樣本上，通過用扭轉(zhuǎn)向列液晶元件構(gòu)建的光電旋光調(diào)制元件來補償從該樣本發(fā)出的橢圓偏振光，通過該光電相位調(diào)制元件該橢圓偏振光轉(zhuǎn)換回到線性偏振光，讀出檢測到的光強的極值，反饋控制該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件以及該相位調(diào)制平行對準液晶元件的驅(qū)動電壓，并且通過從該控制電壓的測定計算溶液中旋光物質(zhì)的濃度。
為了改進信噪比(以下簡寫成S/N)，在短時間內(nèi)并行地或順序地進行發(fā)射光強度的測量以及旋光的測量，并且例如從糖濃度測量波長范圍內(nèi)的旋光值和光強之間的預(yù)定關(guān)系估計血糖的濃度。為了防止由于外部光而使S/N下降，還使用一個和測量光的波長對應(yīng)的波長選擇濾光器，或者按時間序列方式進行編碼調(diào)制是有效的，從而對和被檢測光對應(yīng)的電信號輸出的編碼施加適當?shù)臑V波，并由此通過減小外部干擾光的影響測量血糖濃度。
在一具體例子中，一個能發(fā)出線性偏振光的激光二極管或者一個發(fā)光二極管和一個線性偏振器的組合充當光源，并且利用用來控制旋光角的扭轉(zhuǎn)向列液晶元件和用來控制雙折射光的二個分量之間的相位差的平行對準液晶元件的組合進行自動控制，從而在反方向上校正樣本產(chǎn)生的旋光角以便向回轉(zhuǎn)動旋光角并恢復(fù)原始的線性偏振光，而且從上述旋轉(zhuǎn)角控制所需的液晶驅(qū)動電壓值估算血糖濃度。
在上述原理的一個修改例子中，事先通過旋轉(zhuǎn)角控制液晶元件在與樣本產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動方向相反的方向上旋轉(zhuǎn)線性偏振光；這樣，向該轉(zhuǎn)動角控制液晶元件施加一個電壓，從而當光通過樣本時光的偏振角會回到原始偏振角。在橢圓偏振光的情況下，通過相位調(diào)制液晶元件把該橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光以改進S/N比。


圖1是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖2是曲線圖，示出旋光液晶元件的施加電壓和光檢測元件的輸出之間的關(guān)系；圖3是曲線圖，示出糖濃度和施加電壓之間的關(guān)系；圖4是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖5是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第三實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖6是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第四實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖7是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第五實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖8是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第六實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖9是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第七實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖10A是用于解釋依據(jù)本發(fā)明的濃度測量設(shè)備的操作的圖；圖10B是用于解釋依據(jù)本發(fā)明的濃度測量設(shè)備的操作的圖；圖11是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第八實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖12是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第九實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖13是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第十實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖14是一個方塊圖，示出依據(jù)本發(fā)明的第十一實施例的濃度測量設(shè)備的配置；圖15示出本發(fā)明的濃度測量設(shè)備中使用的旋光控制液晶元件的旋光控制特性的一個例子；圖16A示出說明通過利用圖1中示出的濃度測量設(shè)備測量溶液中的糖濃度的過程的流程圖的第一部分；圖16B示出說明通過利用圖1中示出的濃度測量設(shè)備測量溶液中的糖濃度的過程的流程圖的第二部分。
具體實施例方式
圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的濃度測量設(shè)備的配置的方塊圖。在該圖中，參考數(shù)字1是一個光源，它發(fā)射線性偏振光并且例如用激光二極管等構(gòu)成。參考數(shù)字2是一個樣本，通過本發(fā)明的設(shè)備為該樣本測量溶液中某旋光物質(zhì)的濃度。如果該樣本是血，并且該旋光物質(zhì)是糖，則該分析物是右旋糖。參考數(shù)字3是一個用扭轉(zhuǎn)向列液晶形成的旋光液晶元件。
當把本發(fā)明的濃度測量設(shè)備用作為旋光補償型設(shè)備時，使用一個左扭轉(zhuǎn)向列液晶元件，而當把它用作為旋光添加型設(shè)備時，使用一個右扭轉(zhuǎn)向列液晶元件。參考數(shù)字4是一個線性偏振器，5是一個用光電二極管或一個光接收元件構(gòu)成的光檢測元件，而6是一個光強檢測電路。另外，參考數(shù)字7是一個控制電路，它根據(jù)來自光檢測元件5的檢測值確定要施加到旋光液晶元件3上的電壓。參考數(shù)字8是一個電源電路，其根據(jù)該控制電路的輸出向旋光液晶元件3提供所需電壓并且提供驅(qū)動光源1所需的電壓。參考數(shù)字9是一個根據(jù)控制電路7的控制輸出計算溶液中旋光物質(zhì)濃度的濃度計算電路。當把反偏置光電二極管用作為光檢測元件時，電源電路8可配置成提供該反偏置電壓。
下面說明這樣配置的濃度測量設(shè)備的操作。
當樣本2中旋光物質(zhì)的分子以隨機方向取向時，從光源1發(fā)出的線性偏振光的偏振面在通過樣本2時旋轉(zhuǎn)并且作為橢圓偏振光出射。從而，當設(shè)置在和從該樣本射出的光的旋轉(zhuǎn)方面相反的方向上產(chǎn)生旋光的扭轉(zhuǎn)向列液晶元件3時，該穿過該液晶元件3的橢圓偏振光在一個轉(zhuǎn)回到該偏振面的方向上被調(diào)制。這里，考慮把純水作為樣本并且對該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件3施加例如10V電壓的情況(不產(chǎn)生旋光的狀態(tài))；在這種狀態(tài)下，如果把線性偏振器4排列成使它的偏振面和光源1的偏振面成直角，則由于來自該光源的偏振光在不被該樣本調(diào)制的情況下到達偏振器4，該光由偏振器4阻擋。從而，光檢測元件5的輸出呈現(xiàn)最低值。
接著，當引入右旋葡萄糖溶液代替純水作為樣本2時，通過樣本2的右旋光本領(lǐng)使來自光源的線性偏振光向右旋轉(zhuǎn)，從而該光通過偏振器4并且作為亮光出射。當降低施加到左扭轉(zhuǎn)液晶元件3上的電壓時，液晶元件3的旋光本領(lǐng)被恢復(fù)，這補償右旋葡萄糖產(chǎn)生的旋光；結(jié)果是，從偏振器4出射的光再次變暗。當把施加到液晶元件3的電壓調(diào)整到用于該最小出射光時，為最暗光施加的電壓變成右旋葡萄糖濃度的函數(shù)。
在上面的配置中，考慮其中該液晶元件為右90度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件，施加電壓為0V并且樣本為純水的情況。由于該偏振器定位成相對于光源1的偏振面成90度，光檢測元件5的輸出強度代表最亮的狀態(tài)，因為由于扭轉(zhuǎn)向列液晶元件3的旋光本領(lǐng)光旋轉(zhuǎn)了90度。當用右旋葡萄糖溶液代替純水時，由于該溶液的右旋性質(zhì)光檢測部件5的輸出強度下降。當加大施加給90度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件3的電壓時，由液晶元件3產(chǎn)生的旋光下降，并且當電壓達到使右旋溶液產(chǎn)生的旋光角以及液晶元件3產(chǎn)生的旋光角的總合等于90度的那一點時，光變成最亮。由于可以避免電路飽和問題，檢測最暗狀態(tài)與檢測最亮狀態(tài)相比可以減少設(shè)計限制；因而，把偏振器放在轉(zhuǎn)動90度的位置上。在這樣的情況下，當施加到90度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的電壓為0并且樣本為純水時，產(chǎn)生最暗狀態(tài)，并且隨著右旋葡萄糖溶液中的糖濃度的提高施加電壓加大。但是，由于穿過樣本的光線是按橢圓偏振光出射的，并且穿過該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的光也按橢圓偏振光出射，故不能達到全暗狀態(tài)，并且這可能在糖濃度測量中引起誤差。另外，由于最暗狀態(tài)的施加電壓是通過獲得最小化緩和函數(shù)(gentle function)(＝接收到的光強)的變量(＝施加電壓)確定的，所以必須通過利用一種從最暗點附近的多個測量值逼近一個容易分析的函數(shù)并且計算出使該近似函數(shù)最小化的施加電壓的技術(shù)來確定最暗狀態(tài)下的旋加電壓。
通過采用上面的配置，和右旋葡萄糖被分析物溶液結(jié)合地使用90度右扭轉(zhuǎn)向列液晶元件，并且把線性偏振器4排列成使它的偏振面定位成產(chǎn)生純水樣本的最暗狀態(tài)；接著改變施加給該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的電壓以在未使用相位校正對準液晶元件的情況下提供在純水樣本下產(chǎn)生最暗狀態(tài)的角度。圖2中示出上述方案中的實際測量數(shù)據(jù)，并且在圖3中示出從這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出的分析曲線。在圖2中示出的葡萄糖探測器特征曲線中，橫坐標代表施加到扭轉(zhuǎn)向列液晶元件上的電壓(伏)，而縱坐標代表光強檢測電路的輸出(伏)。在圖3中示出的葡萄糖傳感器分析曲線中，橫坐標代表用重量百分比表達的糖濃度，而縱坐標代表使光強最小的液晶驅(qū)動電壓(伏)。從該曲線可以看出，可以借助圖1的設(shè)備通過檢測施加到旋光液晶元件3上使得光檢測元件5的輸出最小的電壓計算出溶液中的糖濃度。圖1中的濃度計算電路9是一個根據(jù)例如圖3中所示的預(yù)存儲數(shù)據(jù)從由控制電路7確定的對旋光液晶元件3施加的電壓獲得溶液中的旋光性物質(zhì)的濃度的電路。
在圖1中示出的實施例中，如果把旋光液晶元件3放在光源1和樣本2之間，可以按和上面說明的相同的方式測量濃度。
圖4是示出依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的濃度測量設(shè)備的配置的方塊圖。該實施例和圖1中示出的配置的不同之處在于包括一個位于光源1的出口側(cè)上的光波長選擇濾光器10和一個放置在偏振器4和光檢測元件5之間用于只發(fā)送穿過波長選擇濾光器10的光的第二波長選擇濾光器11。利用這種方案，由于只有特定波長的光用于測量，所以可以改進測量的信噪(S/N)比。
圖5是示出依據(jù)本發(fā)明的第三實施例的濃度測量設(shè)備的配置的方塊圖。該實施例和圖1中示出的配置不同之處在于，控制電路7包括一個用特定代碼或頻率來調(diào)制光源1的光發(fā)射強度的調(diào)制電路71，一個用于提取光強檢測電路5的電輸出信號中所包含的調(diào)制信號的濾波電路72，和一個用于向各個電路生成計時命令的計時電路73。利用這種配置，由于可以通過濾波電路72只分離出來自調(diào)制光源的光信號供檢測用，改進了信號的S/N比。
圖6是示出依據(jù)本發(fā)明的第四實施例的濃度測量設(shè)備的配置方塊圖。該實施例和圖5中所示的配置不同之處在于設(shè)置一個發(fā)射器12和一個接收器13，從而能夠遙控由光源1、旋光液晶元件3、光檢測元件5，光強檢測電路6、控制電路7和電源電路8構(gòu)成的傳感器部分。該配置適用于把本發(fā)明的濃度測量設(shè)備戴在人體上或者植入體內(nèi)的應(yīng)用。也就是說，可以把光源1，旋光液晶元件3、偏振器4、光檢測元件5、光強檢測電路6，控制電路7、電源電路8和發(fā)射器12植入人體內(nèi)，在該情況下，通過發(fā)射器12發(fā)送控制電路7的輸出并且接收器13在體外控制并分析該設(shè)備。以這種方式，通過使植入體內(nèi)的部分的尺寸為最小，可以減輕人體的負擔。在圖6中，當把發(fā)射器12和接收器13構(gòu)建成單個收發(fā)器單元時，可以把控制電路7放在人體的外面。
圖7是解釋本發(fā)明的第五實施例的配置的功能方塊圖。圖中，參考數(shù)字122是一個線性偏振光源裝置。例如可以通過組合發(fā)光二極管和線性偏振器102構(gòu)建該光源裝置。替代地，可以把能發(fā)射線性偏振光的激光二極管用作為光源101。在后一種情況下，可以省略掉線性偏振器102。參考數(shù)字103是一個旋光性樣本，112是一個光電旋光調(diào)制裝置，用于補償旋光性樣本造成的旋光，而124是一個線性偏振光強檢測裝置。如果樣本103是人的血液或者是含有光散射顆粒的溶液，則出現(xiàn)光的偏振或散射擾動。另外，在體液的情況下，光透射率是時間的函數(shù)。
旋光補償裝置是一個執(zhí)行用來補償旋光角的調(diào)制和執(zhí)行用來把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光的相位補償調(diào)制的裝置，以便能夠以高S/N比(信噪比)用光強檢測裝置124檢測樣本中的通過受到旋轉(zhuǎn)角調(diào)制及雙折射而被橢圓偏振的光。
為了進行旋光調(diào)制，使用一個展示扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的液晶元件，在這種扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中液晶分子按扭轉(zhuǎn)方式取向。在該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件中，允許和基片定位方向匹配的偏振分量進入并且該偏振分量轉(zhuǎn)動和該扭轉(zhuǎn)角相等的角度。當施加高電壓時，旋光本領(lǐng)下降，從而改變旋光角。利用這種特性電氣地調(diào)整旋光角。對于相位調(diào)制，使用一個平行對準液晶元件?；亩ㄎ环较蛟O(shè)置成相對于橢圓偏振光的主軸約為45度，并且通過調(diào)整對該液晶元件施加的電壓把入射的橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光，從而通過該液晶元件產(chǎn)生的相位差調(diào)整尋常光和異常光之間的相位差。
由于在旋光液晶元件中如前面所說明不僅出現(xiàn)旋光還出現(xiàn)橢圓偏振，通過利用為調(diào)整雙折射光的二個分量之間的相位差而提供的平行對準液晶元件把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換回到線性偏振光。
線性偏振光強度檢測裝置124是通過線性偏振器106和光強檢測元件107的組合構(gòu)建的。穿過線性偏振器的光進入光檢測元件107；利用和旋光無關(guān)的光檢測元件107可以得到和線性偏振光的強度成比例的輸出。對于光檢測元件，可以利用反偏置硅半導(dǎo)體PN結(jié)元件、光敏晶體管、硫化鎘光電導(dǎo)元件等等?？梢岳帽阋说氖袌錾峡少I到的50％吸收型線性偏振器構(gòu)成該線性偏振器。
利用旋光調(diào)制液晶元件以及相位調(diào)制液晶元件來補償樣本所施加的旋光調(diào)制的上述系統(tǒng)可以實現(xiàn)為采用零值方法的系統(tǒng)或者替代地實現(xiàn)為采用最大值跟蹤方法的系統(tǒng)。在該零值方法中檢測出檢測光的漏泄光并且進行補償以使漏泄光最小，而在該最大值跟蹤方法中檢測入射到檢測元件上的光量并且執(zhí)行補償以使入射的光量最大。
當把固態(tài)激光二極管用作為光源101時，可以省略聚光部件，從而可以簡化結(jié)構(gòu)。樣本103是人體的一個部位，例如手指、耳垂或手臂的一部分。旋光控制元件104是一個旋光控制扭轉(zhuǎn)液晶元件，它包括一對彼此相對排列的透明基片并且基片上形成透明電極，處理這些基片使其具有一個接近與基片平行的小傾斜角。扭轉(zhuǎn)角不必必須設(shè)置為90度，而是可以設(shè)置成在從大致等于樣本造成的旋光角到大約360度的范圍內(nèi)。當二個基片之間施加的電壓為0時，進入該液晶元件的光的偏振面轉(zhuǎn)動與扭轉(zhuǎn)角相等的角度。當進入光的偏振面角度不和液晶分子取向角匹配時，由于和該分子取向匹配的光分量以及和它垂直的光分量以不同的速度傳播，所以同時出現(xiàn)旋光調(diào)制和橢圓偏振。當施加電壓明顯高于液晶元件的閾值時，液晶元件中的液晶分子排成垂直于基片，從而失去旋光本領(lǐng)并且旋光角為0。當旋加電壓在該閾值附近時，旋光角以及橢圓偏振程度根據(jù)旋加電壓改變。
平行對準液晶元件105是通過在一對被處理成使它們的準直方向指向相同方向從而對準而且彼此相對的透明基片上形成透明電極而構(gòu)建的液晶元件，其中還注入液晶材料以填充二片基片之間的間隙。當施加電壓為0時，在和分子取向平行的光分量以及和它垂直的光分量之間出現(xiàn)相位差，并且當在夾著液晶層的透明電極之間施加高于閾值的電壓時，液晶分子排列成垂直于基片，從而相位差變?yōu)?。當以RMS來表示的施加電壓在該閾值附近時，相位差的程度隨施加的RMS電壓改變。
調(diào)整施加到每個液晶元件上的RMS電壓，從而穿過樣本103而轉(zhuǎn)動并且橢圓偏振的光在經(jīng)過旋光補償元件104以及相位控制元件105時會轉(zhuǎn)回到它的原始取向，即線性偏振光。取決于配置，可以加大旋光角度從而提供一個垂直于線性偏振光源122的輸出光的偏振面的角度。線性偏振器106被設(shè)置為使它的面取向為在沒有施加電壓時與穿過偏振器102以及旋光控制元件的光的偏振面成直角，從而當去掉樣本103時發(fā)射的光量為最小。
一種旋光測量方法是零值方法，其中把來自光檢測元件107的光電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且通過用來驅(qū)動每個控制元件的RMS(均方根值或有效值)電壓的負反饋來控制旋光控制元件104和相位控制元件105，以便使輸出電壓值變?yōu)樽钚　?br> 在另一種方法中，偏振器102和106排列成使它們的偏振面取向成彼此平行，從而當去掉樣本103時發(fā)射的光量為最大，并且通過對驅(qū)動相位控制元件105和旋光檢測元件104的RMS電壓的反饋控制來調(diào)節(jié)施加給相位調(diào)制液晶元件和旋光調(diào)制液晶元件的電壓，以使當引入樣本時光檢測元件107的輸出電流變?yōu)樽畲笠怨y量。
第一種方法具有當外部干擾光相對小時可達到高精確測量的優(yōu)點，而第二種方法具有當來自光源的光量小時可利用來自電路的大信號電壓進行控制的優(yōu)點。
在通過旋光調(diào)制液晶元件使樣本產(chǎn)生的旋光角超前90度以替代使光轉(zhuǎn)回到原始取向的配置中，通過轉(zhuǎn)動分析器的偏振面90度，可以使用前面說明的零值方法或者最大值跟蹤方法。
通過作為時間的函數(shù)改變來自光源的光量并且放大產(chǎn)生的差，可以消除外部干擾光的影響。外部干擾光的影響包括光檢測元件107的飽和或者從對差動放大器電路的過大輸入以及從S/N比增大的觀點所造成的飽和，在不造成飽加的范圍內(nèi)提高光源101的功率是有效的，從而光不會埋沒在外部光中。
在按時分方式操作差動放大器電路的配置下，在把光源功率置為小值LO時得到的光檢測信號的電壓電平被作為SO存儲在一個采樣保持電路中，而在光源功率增大到L1時得到的光檢測信號的電壓電平用S1表示；這樣，當把信號S1和S0耦接到差動放大器電路的二個差動輸入端時，檢測并且放大該差值。利用這種方法可以減輕外部干擾光的影響。
另外，由于檢測到的信號分量可以通過隨時間進行調(diào)制而轉(zhuǎn)換成交流，所以可以使用交流放大器電路，并且可以采用執(zhí)行頻率過濾的帶有良好S/N比的同步放大器技術(shù)，以便只讓接近時間調(diào)制信號分量的放大信號的頻率通過，從而檢測和該頻率同步的信號。
由于活的人體中的血液是脈動的。從提高糖檢測的S/N的立場講，從檢測到的光強的時間變化中提取脈動分量并且和脈動頻率同步地采樣糖濃度是有效的。上面說明的各種方法是生物信號過濾的一種實施方法。為了穩(wěn)定和低功率地操作上面的系統(tǒng)，采用通過晶體振蕩器的低功率振蕩和通過CMOS集成電路的信號處理并且結(jié)合通過液晶顯示部件的低功率顯示以及通過話音的告警指示是有效的。
可以對圖7的配置做出修改。例如，用來把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換回線性偏振光的旋光反向被償液晶元件104和相位補償液晶元件可以放在樣本103的前面。
圖8是示出依據(jù)本發(fā)明的第六實施例的濃度測量設(shè)備配置的方塊圖。參考數(shù)字222是一個線性偏振光源，201是一個光發(fā)射元件，而202是一個線性偏振器，如果光發(fā)射元件201是激光二極管則可以省掉202。參考數(shù)字204是一個旋光控制元件；該旋光控制元件中的液晶分子的取向和該線性偏振光源的偏振面對齊。旋光控制元件204的輸出是線性偏振光，當施加電壓為零時它的偏振面轉(zhuǎn)動等于扭轉(zhuǎn)角的角度；隨著施加電壓的加大，偏振面的轉(zhuǎn)動角度減小。調(diào)節(jié)旋光控制元件204的驅(qū)動電壓，以使由旋光控制元件204產(chǎn)生的偏振面轉(zhuǎn)動的角度幅值上和由樣本203產(chǎn)生的旋光角度相等，但符號相反。穿過旋光控制元件204并且從樣本203出射的光的偏振面被校正并被定位，從而包含光源222的偏振面以及它的光軸，但是該光是橢圓偏振的。可以通過調(diào)節(jié)施加到相位調(diào)制元件205的驅(qū)動電壓來調(diào)整該橢圓偏振光。相位調(diào)制元件205排列成使它的面取向成相對于該光源的偏振面為45度。
圖9是示出依據(jù)本發(fā)明的第七實施例的濃度測量設(shè)備配置的方塊圖。參考數(shù)字322是一個線性偏振光源，301是一個光發(fā)射元件，而302是一個若光發(fā)射元件301為激光二極管時可省略的線性偏振器。參考數(shù)字304是一個旋光控制元件；該旋光控制元件中的液晶分子的取向和該線性偏振光源的偏振面對齊。在旋光控制元件304的輸出側(cè)上放置一個相位控制元件，從而該線性偏振光從該相位控制元件按橢圓偏振光出射；在這里，控制旋光控制元件304和相位控制元件305，從而從樣本303出射的光接近線性偏振光。穿過二個控制元件被橢圓偏振的光通過經(jīng)由樣本303變成接近線性調(diào)制光，并且檢測旋光角度。參考數(shù)字306是一個線性偏振器，307是一個光檢測元件，而324是一個線性偏振光檢測裝置。調(diào)節(jié)旋光控制元件304的驅(qū)動電壓以使由旋光控制元件304產(chǎn)生的偏振面轉(zhuǎn)動角度在幅值上等于由樣本303產(chǎn)生的旋光角，但符號相反。穿過旋光控制元件304并且從樣本303出射的光的偏振面被校正并被定位，從而包含光源322的偏振面以及它的光軸，但是該光是橢圓偏振的。可以通過調(diào)節(jié)施加到相位調(diào)制元件305上的驅(qū)動電壓把該橢圓偏振光調(diào)整到線性偏振光。相位調(diào)制元件305排列成使它的面取向成相對于該光源的偏振面為45度。
現(xiàn)參照圖10A和10B分別解釋圖7和8中所示配置的偏振波前的控制。在圖10A中，來自線性偏振光源的輸出光408穿過線性偏振器401并進入樣本402；接著，在該出口側(cè)的旋光控制元件403中補償該光的偏振面角度并且轉(zhuǎn)回到和光源輸出光408相同的方向上，并且通過雙折射相位差調(diào)制元件404將產(chǎn)生的橢圓偏振光轉(zhuǎn)換回到線性偏振光。
在圖10B中，來自線性偏振光源的輸出光428穿過線性偏振器421并進入旋光控制元件422，其中在進入樣本423之前于調(diào)整偏振面的角度；由于該補償，偏振面被取向成和光源輸出光428的偏振面取向相同，所產(chǎn)生的橢圓偏振光通過雙折射相位差調(diào)制元件424被修正成線性偏振光，該光接著穿過線性偏振器425并且由檢測光強的光檢測元件426檢測。
下面參照圖8的配置說明一種實現(xiàn)通過自動補償樣本造成旋光的方法的實施例。由樣本203產(chǎn)生的旋光角用θ1表示，而由補償元件產(chǎn)生的旋光角用θ2表示。
假定隨著樣本中旋光性物質(zhì)的濃度X的增加出現(xiàn)右旋光。
θ1(X)＝a·x ……a為常數(shù)初始，X＝0(＝濃度0)由旋光補償元件產(chǎn)生的旋光角θ(V)是旋光控制液晶元件204的驅(qū)動電壓e1的函數(shù)。當e1＝0時的旋光角用θ0表示，該旋光角由以下方程表示θ2(e1)＝θ0-b·e1 ……b為常數(shù)當穿過旋光補償元件204和樣本203時的光的旋光角用θS表示時，則θs＝θ2(e1)+θ1(x)＝θ0-b·e1+a·x對于光檢測裝置224的輸出電壓Vdt，把偏振器的轉(zhuǎn)動位置選擇成增強控制靈敏性而且設(shè)定成當樣本產(chǎn)生的旋光為0時發(fā)射的光量為0。從而，偏振器206的轉(zhuǎn)動角的初始位置是{θ0+90度}。
如果X＝0并且e1＝0，入射到光檢測元件207上的光量為0，并且從而光檢測元件207的電輸出Vdt為0。
當旋光性樣本的濃度x增加，即x＞0時，穿過旋光能力補償元件204以及樣本203后的光的旋光角θs大于θ0，從而光檢測元件207的電輸出Vdt＞0。通過放大Vdt產(chǎn)生用來驅(qū)動旋光控制液晶元件204的電壓e1，并且應(yīng)用負反饋。當逐步增加e1的值時，旋光角的改變量θs＝{a·x-b·e1}在數(shù)值上逐步加大，但是當入射到線性偏振光檢測元件224的光是橢圓偏振光時，Vdt不變成0。在該狀態(tài)下，Vdt被放大以產(chǎn)生用來驅(qū)動旋光控制液晶元件204的電壓e1，并且當增大e1以把Vdt減小到0時，θs0降到低于最小點，并且然后，控制進入隨著e1的增加Vdt增加的正反饋區(qū)域。從而，通過順序地控制旋光控制元件204和相位補償元件205預(yù)先調(diào)節(jié)線性偏振光檢測元件224的輸出實現(xiàn)補償控制操作。在對旋光控制液晶元件204的驅(qū)動電壓e1的負反饋中通過相繼地增大和減小該驅(qū)動電壓找到其上Vdt為最小的一個e1點，并且在該點上通過相繼地增大或減小相位控制元件205的驅(qū)動電壓找到其上Vdt為最小的一個極值e2；然后，細調(diào)使Vdt為最小的e1和e2。
如果不存在外部光線的干擾，旋光角和樣本中的糖濃度以及樣本的光徑長度成比例。保持光徑長度不變的最簡單方法是固定圖1中的樣本的物理尺寸。另外，為了保持對固定體積樣本中的血量的控制，如果測量穿過樣本的光的衰減量并且用該衰減量除以旋光角，可以減小被測部位中血量變化的影響。
如果存在來自外部光的干擾，最重要和最有用的是去掉和用來測量血糖濃度的激光二極管光源的波長不同波長的光。為此，如果該激光二極管是紅色光發(fā)射型，則在偏振光強度檢測裝置的前面附著一個阻擋和該紅色光不同的波長的光的裝置是有用的。當使用紅外光源時，使用一個阻擋或吸收比該光源的波長短的波長的光的濾光器。
圖11示出依據(jù)本發(fā)明一實施例的用來測量旋光性物質(zhì)濃度的一種控制系統(tǒng)的配置。整個系統(tǒng)包括包括一個激光二極管的線性偏振光源504；旋光控制液晶元件506；相位調(diào)制液晶元件508；由一個線性偏振器和一個光檢測元件組合構(gòu)成的光檢測裝置510；用于頻率或編碼調(diào)制線性偏振光源504中的激光二極管的驅(qū)動控制電路516；驅(qū)動激光二極管的驅(qū)動電路502；用于分析光檢測裝置510的輸出信號和用于提取旋光信息的檢測電路518；用于驅(qū)動旋光控制液晶元件506和相位調(diào)制液晶元件508的液晶驅(qū)動電路512；以及振蕩電路514，用于提供公共使用用來控制驅(qū)動電路502、512和檢測電路518的公用時間基準。
根據(jù)由晶體振蕩器電路等構(gòu)成的振蕩電路514建立的恒定、準確頻率的時鐘信號，驅(qū)動控制電路516產(chǎn)生用于調(diào)制線性偏振光源504的輸出光的控制信號并且通過光源驅(qū)動電路502驅(qū)動光源504。在通過利用由同一振蕩器514產(chǎn)生的同步時間基準信號提取旋光信息的檢測電路518中，分析光檢測裝置510的檢測信號并且計算旋光性樣本濃度。
例如借助根據(jù)一預(yù)定規(guī)則頻率調(diào)制光源504，通過一個和該光源調(diào)制頻率匹配的窄帶提取濾波器在檢測電路518里提取該檢測信號并且通過以相同頻率的時鐘信號同步檢測該信號，可以高S/N比提取檢測信號分量。同步檢測方法以及編碼調(diào)制/解調(diào)方法通過消除掉被測人所碰到的各種電噪音和光噪音的影響而在測量旋光性物質(zhì)的濃度中是有效的，而且產(chǎn)生和使用公用時鐘信號也是有效的。
圖12示出人體上戴上本發(fā)明的糖濃度檢測設(shè)備的一個例子。為了保持測量光徑長度不變，使用一個可按固定厚度夾著人體某部分的機械部件是有效的。例如，利用一個諸如衣夾的彈簧機構(gòu)夾住樣本；在這種情況下，在彈簧側(cè)或在夾持側(cè)設(shè)置一個用來限制夾子行程的凸出物或夾持件，以便保持被夾部件的厚度基本恒定。在圖12中，參考數(shù)字602是一個夾在耳垂上的濃度測量設(shè)備，而604是一個其中集成偏振光發(fā)射元件和偏振光檢測元件的模塊；夾持件的背面是一個鏡面。從該光發(fā)射元件發(fā)射出的偏振光穿過該人體部位并由該鏡面反射，反射光再次穿過該人體部位并且進入該偏振光檢測元件。參考數(shù)字608是一個含有信號處理電路，電池和無線發(fā)射器的電路模塊，并且其包含在該耳垂夾型濃度測量設(shè)備中。參考數(shù)字606是耳垂。參考數(shù)字610是用來夾住耳垂的衣夾狀部件，而612是一個產(chǎn)生夾住力的彈簧。耳垂夾子型設(shè)備的優(yōu)點是，不僅通過耳垂的血液循環(huán)是相對穩(wěn)定的，而且該設(shè)備不會對把它戴在耳垂上的人造成妨礙。對于不希望被看出戴著該設(shè)備的人，可以把該設(shè)備戴在其它人體部位上，例如衣服蓋著的腹部、腿部或臂部。
為了減小功耗，測量是按預(yù)定的時間間隔或者按時鐘控制的預(yù)定時刻間歇進行的，并且測量數(shù)據(jù)被存儲并且根據(jù)需要讀出使用。
圖13示出當在人體上戴著本發(fā)明的糖濃度檢測設(shè)備時的系統(tǒng)配置的一個例子。在圖13中，考慮到可戴性，傳感器部分是由包含電源的最少必要數(shù)量的部件組成的，并且通過短程無線鏈路把收集到的檢測信息發(fā)送到主便攜式設(shè)備。該主便攜式設(shè)備構(gòu)建成能夠通過公共無線電話網(wǎng)把信息發(fā)送到一個患者生理信息數(shù)據(jù)庫，從而醫(yī)生可以診斷信息。
在圖13中，參考數(shù)字708是一個傳感器模塊，更具體地說，是一個無線檢測模塊，例如象圖12中所示那樣的耳垂夾子型模塊或者手鐲式或腹帶式模塊。參考數(shù)字702是樣本，706是本發(fā)明的旋光性物質(zhì)濃度測量元件，并且704是一個和主便攜式設(shè)備712中包含的時鐘同步的內(nèi)置時鐘。參考數(shù)字714是一個短程無線鏈路，其使用低于10千赫的弱無線電波或低頻電磁波。參考數(shù)字716是一個包含在主便攜式傳感設(shè)備里的短程接收器，而718是一個包括信號分析器/處理器和無線傳輸/接收接口單元的主處理單元，其中該接口單元用于和公共無線電話網(wǎng)絡(luò)接口。參考數(shù)字728是公共無線電話網(wǎng)，而724是一個帶有患者跟蹤管理/診斷功能的醫(yī)院系統(tǒng)。該醫(yī)院系統(tǒng)還備有使用公共無線電話網(wǎng)的醫(yī)院無線基站功能，從而該系統(tǒng)可以和大量便攜式檢測設(shè)備鏈接，并且當被患者訪問時可提供服務(wù)，或者可以通過對患者的跟蹤監(jiān)視和管理相聯(lián)系的患者的狀態(tài)。該通信基站功能可委托給電話公司。通過在該便攜式設(shè)備和蜂窩發(fā)射器/接收器之間建立的雙向鏈接經(jīng)由通信鏈路728發(fā)送信息，并且在醫(yī)療診斷單元720中提供的檔案存儲器726中存儲患者的數(shù)據(jù)。如可從上面說明的劃分成三個部分的保健系統(tǒng)可看出那樣，生理探測不限于局部癥狀治療，而是可以和一個信息分析/比較診斷系統(tǒng)連接以提供其它好處。還可能實現(xiàn)一種不對該探測模塊施加過分功能或能量負擔的機構(gòu)。本發(fā)明的不使用任何移動部件的濃度檢測系統(tǒng)允許特別小的和低功率的結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)于應(yīng)用到可戴式無線濃度檢測設(shè)備或者可植入血糖濃度檢測設(shè)備。測量是間斷式的或者通過控制測量周期以便降低平均功耗。
圖14示出當把本發(fā)明的糖濃度檢測設(shè)備植入人體內(nèi)時的系統(tǒng)配置的一個例子。在圖14中，示出可植入血糖濃度檢測設(shè)備的一個配置的例子。參考數(shù)字802是樣本，808是檢測設(shè)備，806是傳感器元件，804是內(nèi)置時鐘，822是可充電電池，824是充電線圈。這些部件和一個包含天線的發(fā)射器826一起構(gòu)成一個將被植入人體的可植入傳感器設(shè)備850。
參考數(shù)字844是一個在人體外面的糖水平監(jiān)視設(shè)備。設(shè)備844是一個信息交換設(shè)備并且還充當電池充電器，它位于人體的外面。參考數(shù)字834是一個低頻電磁波發(fā)生器，它產(chǎn)生頻率低于10千赫的電磁波并且向植入的傳感器設(shè)備850提供電能。參考數(shù)字836是一個用于電池充電器的能源，它從電池或從商業(yè)電源得到電能。參考數(shù)字838是一個數(shù)字分析/告警部件，其分析通過發(fā)射器/接收器828輸入的生理數(shù)據(jù)并且當這些數(shù)據(jù)指示人體中的異常時發(fā)出告警；該部件具有一個和植入的傳感器設(shè)備內(nèi)設(shè)置的時鐘同步的內(nèi)置時鐘。例如可以利用一個顯示部件或者通過話音或振動來指示該告警狀態(tài)。發(fā)射器/接收器828利用弱電磁波向植入設(shè)備發(fā)送信息并且從該設(shè)備收集信息。參考數(shù)字814是短程通信鏈路。
植入的傳感器設(shè)備850通過不會對人體產(chǎn)生過敏反應(yīng)的鈦金屬盒或者藍寶石或石英光徑在人體內(nèi)持續(xù)測量血糖濃度，并且該植入的設(shè)備可以在安全方式下把測量結(jié)果發(fā)送到人體外的設(shè)備。
如果在上述系統(tǒng)中增加自動注射部件860以及胰島素備用儲器862和糖備用儲器864，可以自動管理緊急情況下的胰島素或糖的注入。自動注射部件以及胰島素和糖備用儲器放置在人體的外面，根據(jù)從植入的探測器設(shè)備850接收到生理信息，糖水平監(jiān)視設(shè)備844中的數(shù)據(jù)分析/告警部件838通過發(fā)射器/接收器828向患者發(fā)出警告，或者驅(qū)動自動注射部件860以自動管理胰島素或糖的注入，替代地，糖水平監(jiān)視設(shè)備844可被配置成按預(yù)定時間間隔監(jiān)視植入的傳感器設(shè)備850，并且如果檢測出任何異常則發(fā)出告警或者驅(qū)動該自動注射部件。
圖15示出本發(fā)明中使用的旋光控制元件的特性的一個例子。該曲線示出當向施加電壓為0時顯示45度扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的液晶元件施加32千赫交流脈沖時的特性。當施加電壓不高于1.5伏時，該液晶產(chǎn)生45度的旋光，但是當驅(qū)動電壓超過1.5伏時，在電壓達到約2伏之前旋光角單調(diào)減小。
圖16是一個流程圖，示出通過利用圖1中示出的濃度測量設(shè)備測量溶液中的糖濃度的過程。圖16A示出該流程圖的第一部分，而圖16B示出第二部分。下面將參照該流程圖說明濃度測量過程。
首先說明開始測量之前的測量系統(tǒng)設(shè)置。在該測量設(shè)備中，激光二極管，即線性偏振光源放在從光發(fā)射方向看過去的光源上游側(cè)的位置上，含有被分析物溶液的透明容器排列成使它的平面和該二極管的輸出光垂直。激光的線性偏振面角度暫時假定為0度。含有右旋被分析物溶液的容器的后面是一個具有左扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的-α度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件。該-α度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件后面跟著一個其偏振面和該-α度扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的出射偏振器的偏振面成直角的線性偏振器，以及一個位于該線性偏振器的出射側(cè)上的光檢測元件。
若該容器是空的，當施加電壓為0時，該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件阻擋檢測光；此刻，該光檢測電路輸出指示光強度為0的信號。(在存儲電路中該0電平信號的值按VLO存儲)。在這種狀態(tài)下，向該容器引入被分析物溶液。
當把該被分析物溶液引入到該容器中時，由于旋光性分子在該溶液中隨機取向，其長軸方向和該線性偏振光的偏振方向一致的分子完全地產(chǎn)生旋光本領(lǐng)，但是其長軸定位成和該偏振方向成直角的分子不產(chǎn)生旋光本領(lǐng)，而定位在二者之間的分子產(chǎn)生中間的旋光本領(lǐng)；平均上，產(chǎn)生和濃度成比例的+β度旋光和橢圓偏振。在右旋性糖溶液的情況下，為了便于使用，左旋扭轉(zhuǎn)向列液晶是對該液晶元件的合理選擇。
當如上述設(shè)置該測量設(shè)備后，在圖16中的步驟S1開始濃度測量。此刻，初始化該測量設(shè)備中的各個存儲器。同時，把計數(shù)器的值置為0。
在下一個步驟S2中，接通發(fā)光二極管，并且檢查和存儲該測量系統(tǒng)的各個初始值。接著，在步驟S3，測量光測量電路的輸出值VL，并且存儲它的初始值VLO。
接著，在步驟S4和S5中，按步長把施加到扭轉(zhuǎn)向列液晶元件(其在施加電壓為0對產(chǎn)生幾十度的旋光)的交流驅(qū)動電壓從V1(＝0伏)逐漸增加到V2(＝2伏)。即，在步驟S5判定驅(qū)動電壓VT是否達到2伏，并且如果該電壓尚未達到2伏(否)，處理返回到步驟S3以及時測量此刻的光強。測得值VL和作為它的地址值的施加電壓VT被一并存儲。
在施加電壓為0時，由于被分析物溶液的旋光性偏振面轉(zhuǎn)動β度并且產(chǎn)生橢圓偏振，這造成光的漏泄。在這里，當增大對該-α扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的施加電壓時，該-α旋光分量減小，結(jié)果，從該液晶元件出射的光是橢圓偏振光。隨著施加電壓的增加，由于上述效應(yīng)，穿過該線性偏振器的該光分量首先減少，并且接著增加。使透射光為最小值的對該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件的施加電壓隨糖濃度加大而增大。
隨著施加電壓從V1掃到V2，幾乎已確定使測量值取最小值的扭轉(zhuǎn)向列液晶驅(qū)動電壓VTm。由于測量誤差，不容易準確確定該使透射光取最小值的扭轉(zhuǎn)向列液晶驅(qū)動電壓。一種相對簡單的方法利用事先確定逐漸提高驅(qū)動電壓的步長大小的事實，以及應(yīng)用在21個相鄰的點上取液晶驅(qū)動電壓的移動均值的平滑，并且把和該平均值對應(yīng)的測得的光強值確定為這21個點范圍的中間點上的第十一個點的校正測量值；接著，把使該校正的測量值為最小的驅(qū)動電壓定義為產(chǎn)生該光強最小值VLm的扭轉(zhuǎn)向列液晶驅(qū)動電壓VTm，并且對該扭轉(zhuǎn)向列液晶元件施加該電壓VTm(步驟S6)。
當如上述那樣把液晶元件設(shè)置成使透射的光量為最小時，如果在扭轉(zhuǎn)向列液晶元件和偏振器之間設(shè)置一個相位調(diào)制液晶元件以調(diào)節(jié)相位差，則進一步減小透射光的最小值。為了在確定該扭轉(zhuǎn)向列液晶的光透射率的最小值時提高精度，應(yīng)用這種相位補償，但是在不使用該相位調(diào)制液晶元件的設(shè)備的情況下，例如圖1中所示的第一實施例設(shè)備，則省略下面的步驟X。
在獲得最優(yōu)相位調(diào)制電壓VPm的步驟X中，在步驟S7存儲當扭轉(zhuǎn)向列液晶驅(qū)動電壓為VTm時光檢測電路的輸出電壓為VL。接著，在步驟S8至S10，逐步地把加到相位調(diào)制液晶元件上的電壓VP從0伏增大到6伏，并且檢測使輸出電壓VL為最小的電壓值VPm并且向該相位調(diào)制液晶元件施加該電壓VPm。
在步驟S11，存儲測量次數(shù)n以及在上面的步驟中得到的電壓值VTm(n)和輸出電壓值VLm(n)。
接著，在步驟S12中，檢查收斂度。更具體地說，在第(n-1)次和第n次測量中得到VLm(n)-VLm(n-1)，并且重復(fù)該測量直至得到的值收斂在預(yù)定誤差ξ內(nèi)。也就是說，只要使透射光保持在最小值上的扭轉(zhuǎn)向列液晶驅(qū)動電壓VTm的數(shù)據(jù)隨著測量次數(shù)n的增加在各次測量之間變化大，則處理返回到步驟S3以重復(fù)測量，并且沒測量的結(jié)果在預(yù)定誤差ξ內(nèi)時，停止測量(步驟S12中的“是”)。
接著，在步驟S13中，按“VTme”存儲此刻的施加電壓VTm的值，并且在步驟S14，從值VTme和糖濃度的變換表中計算和值VTme對應(yīng)的糖溶液濃度。在步驟S15，輸出這樣算出的糖濃度數(shù)據(jù)G。
上面說明了糖濃度測量過程的一個例子。
在上面的測量中，疊加在測量值上的噪音信號、光強測量誤差、人體上所戴的傳感器的位置改變以及來自人體外面的光噪音是約束糖濃度測量的一些因素。為了消除這些限制因素的影響，執(zhí)行基于時間平均的平滑操作以及適合于被測值附近的條件的平均操作。在該移動平均法中，當以步長10毫伏在200步中液晶驅(qū)動電壓從0伏跨越到20伏時，取11個相鄰數(shù)據(jù)點的平均值并且用11個相鄰數(shù)據(jù)點的平均值替代這11個點跨度中點處的第六個數(shù)據(jù)點；當采用這種移動平均方法時，通過上述移動平均處理平滑后的數(shù)據(jù)代替從第六個數(shù)據(jù)點至第194個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)。每個移動平均數(shù)據(jù)的誤差大約是測量時出現(xiàn)的誤差的十分之一。由此在該點并不獲得最小值本身但是可準確地確定產(chǎn)生該最小值的施加電壓的值，因此上述平滑在消除偶發(fā)噪音中是有效的。另外，如果選擇平滑后的188個數(shù)據(jù)值的極值附近的相鄰數(shù)據(jù)，并且施加采用最小二乘法的簡單函數(shù)例如二次函數(shù)，則通過對該函數(shù)微分可以準確地估計出現(xiàn)極值時的施加電壓的值，通過這種做法，可以基于平滑后的數(shù)據(jù)以簡單方式算出最小值。
可以對其中把激光發(fā)射部件和激光反射部件安裝在馬桶上并且通過扭轉(zhuǎn)向列液晶元件和光檢測元件檢測反射光從而測量旋光角的系統(tǒng)應(yīng)用上述測量過程。由于每用一次抽水馬桶就沖水一次，并且由于馬桶內(nèi)總是保存一定量的水，所以可以通過測量水的高度估計尿的稀釋程度，并且從而可正校正糖濃度。
前面的說明可以概括如下。即，由于展現(xiàn)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的液晶元件具有轉(zhuǎn)動位于分子取向主軸上的光分量的能力，所以可以把它用作可電控的旋光性元件。當施加電壓時，該光被橢圓偏振；因此，可通過利用一個控制二個雙折射分量之間相位差的平行對準液晶元件把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光。
借助其定位方向相對于該橢圓偏振光的主軸扭轉(zhuǎn)幾十度，例如45度的平行對準液晶元件，利用通過平行對準液晶元件以不同速度傳播的主軸分量和短軸分量之間的速度差，可以通過電氣調(diào)整橢圓偏振光的主軸和短軸分量之間的相位差把該橢圓偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光。
通過組合上面的二種光控制元件，可以關(guān)聯(lián)方式測量溶解在溶液中的旋光性物質(zhì)的濃度。即使旋光的測量淹沒在噪音中，例如對人體的血糖濃度的測量，也可以提取出有關(guān)偏振面的信息，因為它是和光強度信息不同的。
當把本發(fā)明的設(shè)備用作為個人健康管理支持工具時，如果個人可以對照他的正常健康狀態(tài)檢查他的健康狀況，即使測量含有某種程序的誤差，該設(shè)備對于健康管理的用途也是足夠的。通過對旋光液晶元件的電氣控制實現(xiàn)的血糖檢測允許小型和低功率的結(jié)構(gòu)，并且它適用于可戴的或可植入的設(shè)備。
為了提取埋在噪音里的測量信號，使用只發(fā)送測量激光源的波長并且阻擋或吸收其它降低測量靈敏度的波長的波長濾光器是有效的。另外，還通過使用基于編碼時間平均方法的軟件處理并且因此改進測量的信噪比，可以從皮下血液提取埋沒在噪音的偏振分量信息。
在不需要提高精確度但是可用簡單測量完成的應(yīng)用中，可以利用本發(fā)明的方法以簡單的方式測量尿中的糖濃度等。如果本發(fā)明的測量設(shè)備適用于可植入人體內(nèi)，則可以準確地測量血糖濃度，這是非常有用的。
由于可以通過電氣控制液晶光學元件來測量溶液中的旋光性物質(zhì)的濃度，本發(fā)明實現(xiàn)一種具有出色便攜性和結(jié)構(gòu)緊湊的糖濃度測量設(shè)備。低功率設(shè)計使得能構(gòu)建可戴式或可植入式設(shè)備。由于不存在移動部件，該設(shè)備不產(chǎn)生灰塵并且能夠長時間穩(wěn)定操作。
權(quán)利要求
1.一種濃度測量設(shè)備，包括一個用于輸出線性偏振光的光源；一個位于所述光源的對面的光強檢測元件，二者之間放置著一個樣本；一個位于所述光源和所述光強檢測電路之間的旋光性液晶元件；一個控制施加給所述旋光性液晶元件的電壓的控制電路，從而事實上將使所述光強檢測元件的一個輸出值取極值；以及一個濃度計算電路，用于根據(jù)所述控制電路的輸出計算所述樣本內(nèi)一旋光性物質(zhì)的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，還包括一個由液晶構(gòu)成的且位于所述光源和所述光強檢測元件之間的相位調(diào)制元件。
3.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，其中所述控制電路包括一個編碼調(diào)制電路，用于按照使從所述光源輸出的光利用某特定編碼被調(diào)制的方式來控制所述光源；以及一個濾波器電路，用于從所述光強檢測元件的輸出提取所述被調(diào)制的光分量。
4.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，其中所述控制電路包括一個編碼調(diào)制電路，用于按照使從所述光源輸出的光利用某特定頻率被調(diào)制的方式控制所述光源；以及一個濾波器電路，用于從所述光強檢測元件的輸出提取所述被調(diào)制的光分量。
5.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，還包括第一波長選擇濾光器，用于選擇所述光源的具有特定頻率的輸出光；以及第二波長選擇濾光器，用于只允許通過所述第一波長選擇濾光器的光到達所述光強檢測元件。
6.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，其中所述光源是發(fā)射線性偏振光的固態(tài)激光器元件。
7.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，其中所述樣本是血液并且所述旋光性物質(zhì)是糖。
8.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，還包括一個監(jiān)視電路，用于按預(yù)定時間間隔監(jiān)視所述濃度計算電路的輸出，并且用于當所述被監(jiān)視的濃度值超過一預(yù)定值時產(chǎn)生告警信號。
9.如權(quán)利要求1所述的濃度測量設(shè)備，還包括一個用于發(fā)送所述控制電路的輸出的發(fā)射器；以及一個用于接收從所述發(fā)射器發(fā)送的信號并且用于把所述接收到的信號提供給所述計算電路的接收器；并且其中所述光源、所述光強檢測電路，所述旋光性液晶元件、所述控制電路以及所述發(fā)射器植入在人體內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的濃度測量設(shè)備，還包括一個由所述告警信號驅(qū)動的自動胰島素注射裝置。
11.如權(quán)利要求8所述的濃度測量設(shè)備，還包括一個由所述告警信號驅(qū)動的自動糖注射裝置。
全文摘要
為了在不和溶液接觸的情況下測量溶液中的旋光性物質(zhì)的濃度，本發(fā)明的濃度測量設(shè)備包括一個用于輸出線性偏振光的光源；一個位于該光源的對面的光強檢測元件，二者之間設(shè)置著一個樣本；一個位于該光源和該光強檢測電路之間的旋光性液晶元件；一個用于控制施加給該旋光性液晶元件的電壓的控制電路，從而事實上會使該光強檢測元件的一個輸出值取極值；一個濃度計算電路，用于根據(jù)該控制電路的輸出計算該樣本內(nèi)一旋光性物質(zhì)的濃度。
文檔編號G01N21/21GK1473021SQ01818611
公開日2004年2月4日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者諸川滋, 矢野敬和, 松本健志, 植松宏之, 之, 和, 志 申請人:西鐵城時計株式會社