專利名稱：用于延長光學(xué)傳感器使用壽命的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用放射源、光探測器和指示分子檢測一種特殊物質(zhì)的存在或濃度的傳感器，該放射源、光探測和指示分子具有受該物質(zhì)影響的光學(xué)特性。本文中，這種傳感器被稱為“光學(xué)傳感器”。一方面，本發(fā)明涉及用于延長光學(xué)傳感器使用壽命的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
本文中作為參考并入的美國專利No. 5，517，313的公開中描述了一種包括放射源(如發(fā)光二極管一 “LED”)、熒光指示分子以及光電轉(zhuǎn)換器(如光電二極管、光電晶體管、光電 倍增器或其它光電探測器)。傳感裝置也可以包括高通或帶通濾波器。更廣泛地說，在本發(fā)明所涵蓋的范圍內(nèi)，指示分子是具有一種或多種受存在的特殊物質(zhì)影響的光學(xué)特性的分子。本文作為參考并入的美國專利No. 6，330，464也描述了一種基于光學(xué)的傳感器裝置。在根據(jù)美國專利No. 5，517，313的裝置中，放射源(又名“光”源)放置于使得由放射源發(fā)出的放射(如可見光或其它波長的電磁波)照射熒光指示分子，從而引起指示分子發(fā)出熒光。高通濾波器被配置為在將來自光源的散射放射過濾后，使得由指示分子發(fā)出的放射可以到達光電轉(zhuǎn)換器。裝置中所用的指示分子的熒光受特殊物質(zhì)的局部存在調(diào)制(如衰減或增強)。例如，(4，7-聯(lián)苯-1，10菲咯啉)高氯酸釕(II)絡(luò)合物的橘紅色熒光會由于氧的局部存在而變?nèi)酢晒馓匦允芨鞣N其它物質(zhì)影響的指示分子也是眾所周知的。不僅如此，吸收光的指示分子也是眾所周知的，其吸光能力受特殊物質(zhì)的存在或濃度影響。例如，本文并入作為參考的美國專利No. 5，512，246公開的組合物，其頻譜響應(yīng)由于如糖等多羥基化合物而變?nèi)?。?yōu)選地，該裝置的光電轉(zhuǎn)換元件用于輸出信號，該信號與作用在其上的光量具有已知的函數(shù)關(guān)系。因此，因為高通濾波器只允許來自指示分子的光到達光敏元件，所以光電傳感器輸出的信號與來自指示分子的光量成函數(shù)關(guān)系。并且，因為來自指示分子的光量是局部物質(zhì)的濃度的函數(shù)，所以由光電變換器輸出的信號可被校準(zhǔn)用于指示局部物質(zhì)的濃度。以該方式，可以檢測特殊物質(zhì)的存在或濃度。將上述的光學(xué)傳感器商業(yè)化的一個巨大挑戰(zhàn)是要提供適用期限或使用壽命。通常用于這些傳感器中的標(biāo)準(zhǔn)電子元件具有通常超過10年或更長的使用壽命，這對多數(shù)商品是足夠的。然而，這些混合傳感器的化學(xué)元件(如指示分子)也必須支持延長壽命的產(chǎn)品穩(wěn)定性，以滿足商用的實際標(biāo)準(zhǔn)的需求。不幸地，光致氧化(又名光催化氧化或光退色)是許多指示分子通常發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)。在該反應(yīng)中，當(dāng)指示分子被一定入射波長的電磁能量激發(fā)時，電子被激發(fā)到激發(fā)能態(tài)。當(dāng)在激發(fā)態(tài)時，該分子能(且一定)與周圍的氧氣反應(yīng)，從而導(dǎo)致不可避免地向分子的分子結(jié)構(gòu)中增加氧。氧化的產(chǎn)物通常不再是熒光物，因此不再有用。當(dāng)分子處于這種“不起作用”狀態(tài)時，該分子被稱為光退色的。這種光退色分子的半衰期是在小時的量級。在幾小時中變成光退色的指示分子的實例是蒽(光致氧化產(chǎn)物蒽醌是非熒光物)。利用熒光指示分子作為識別物質(zhì)的存在且將其轉(zhuǎn)化為可測量信號的元件的傳感器，由于光退色(或光致氧化)引起的信號退化以及最終消失，它的使用壽命有限。光學(xué)傳感器的微電子元件可具有超過10年的使用壽命，然而重要的指示化學(xué)元件的半衰期只能持續(xù)幾個小時或幾天。元件使用壽命的不一致最終使產(chǎn)品只具有更短的指示化學(xué)物的使用壽命O因此，需要補償這些產(chǎn)品壽命間的極度不匹配，以使這類產(chǎn)品可商業(yè)化
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述和其它缺點的系統(tǒng)和方法。一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用以增加光學(xué)傳感器的使用壽命，該傳感器在工作時用于為對一個連續(xù)時段，在每X時間間隔內(nèi)(如秒、分、時)內(nèi)至少一次，獲得某個區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的存在或濃度的數(shù)據(jù)。該方法包括步驟(a)配置光學(xué)傳感器，使得當(dāng)光學(xué)傳感器工作的時間段內(nèi)，放射源的占空比大于0%但小于100% ； (b)將光學(xué)傳感器放置在區(qū)域中的一個位置；(C)在執(zhí)行步驟(b)后，使光學(xué)傳感器工作Z時間段，其中Z大于O ;(d)操作放射源，使得在光學(xué)傳感器工作的Z時間段內(nèi)，放射源的占空比大于0%但小于100% ;以及(e)在Z時間段后，使光學(xué)傳感器停止工作。通過根據(jù)本發(fā)明的方法操作傳感器，在傳感器工作期間，光學(xué)傳感器的指示分子不是在整個連續(xù)的時間段都被照亮的。因此，該方法增加了指示分子的使用壽命，因而增加了光學(xué)傳感器產(chǎn)品的使用壽命。在本發(fā)明的另一實施例中，提供用以增加光學(xué)傳感器的使用壽命的方法，該光學(xué)傳感器提供區(qū)域中物質(zhì)的存在或濃度的數(shù)據(jù)，其中光學(xué)傳感器包括(i)具有受物質(zhì)的存在影響的光學(xué)特性的指示分子、(ii)放射源以及(iii)光電探測器，該方法包括步驟(a)將光學(xué)傳感器放置在區(qū)域中的位置；(b)使傳感器工作，從而使傳感器處于工作狀態(tài)；(c)在進行步驟(b)后，配置放射源，使得放射源輸出具有某個頻率范圍內(nèi)的頻率且具有某個振幅范圍內(nèi)的振幅的電磁波；(d)在進行步驟(c)后，在某個時刻取得來自光電探測器輸出的第一次測量數(shù)據(jù)；(e)在進行步驟(C)后過了 Y時間段后，而且傳感器仍然在工作狀態(tài)時，配置放射源，使得放射源不再輸出電磁波，或者配置放射源，使得放射源輸出的電磁波的頻率小于一定頻率范圍的最低頻率且/或其幅度小于一定的振幅范圍的最小振幅；(f)在進行步驟(C)后過了 X時間段后，而且傳感器仍然在工作狀態(tài)時，配置放射源，使得放射源輸出頻率在一定頻率范圍內(nèi)的頻率且幅度在一定振幅范圍內(nèi)的振幅的電磁波，其中X大于O且大于Y ;(g)在進行步驟(f)后，在某個時刻取得來自光電探測器輸出的第二次測量數(shù)據(jù)；以及(h)在進行步驟(f)后過了 N時間段后，而且傳感器仍然在工作狀態(tài)時，配置放射源，使得放射源不再輸出電磁波，或配置放射源，使得放射源輸出的電磁波頻率小于某頻率范圍的最低頻率且/或其幅度小于一定振幅范圍的最小振幅，其中N小于X。有益地，在上述的方法中，Y和N可以小于或等于X/2。通過根據(jù)本發(fā)明的方法操作傳感器，在傳感器工作時，在每兩次光電檢測器測量中間，“關(guān)斷”或熄滅放射源一段時間，這樣，光學(xué)傳感器的指示分子就沒有被連續(xù)照射，從而增加了指示分子的壽命。在另一實施例中，提供用以增加光學(xué)傳感器的使用壽命的方法，該傳感器在工作時，在連續(xù)時間段Z內(nèi)每X時間段獲取標(biāo)志物質(zhì)的存在或濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)至少一次。其中，光學(xué)傳感器包括具有受物質(zhì)的存在影響的光學(xué)特性的指示分子和激活指示分子的光源，該方法包括步驟將光學(xué)傳感器放置在區(qū)域中的位置；在時間段Z期間，激活指示分子的總時間不多于Y，其中Y小于Z。另一方面，本發(fā)明提供了具有占空比控制器的光學(xué)傳感器，控制器用來控制傳感器放射源的占空比。在傳感器工作期間，將傳感器放射源的占空比由100%減少到低于100%的某百分比，指示分子的累計照亮?xí)r間會被減少，因此降低了光致氧化率，從而增加了指示分子的壽命。另一方面，本發(fā)明提供了具有冷卻系統(tǒng)的光學(xué)傳感器，冷卻系統(tǒng)用來降低的溫度。降低指示分子的溫度減少了光致氧化率，從而增加了指示分子的使用壽命。 另一方面，本發(fā)明提供了確定光學(xué)傳感器光源最大占空比的方法。在一個實施例中，該方法包括下列步驟(a)將指示分子在與光學(xué)傳感器相同或基本相同的光源發(fā)出的光中連續(xù)曝光；(b)周期性確定指示分子的輸出強度；(C)確定指示分子的輸出強度變差預(yù)定量的時間長度；(d)確定傳感器的總累計工作時間；(e)將(C)步驟確定的時間除以(d)步驟中確定的時間來確定最大占空比。另一方面，本發(fā)明提供了確定光學(xué)傳感器使用壽命的方法。在一個實施例中，該方法包括下列步驟(a)將指示分子在光學(xué)傳感器同樣光源或基本相同的光源發(fā)出的光中連續(xù)曝光；(b)周期性確定指示分子的輸出強度；(C)確定指示分子的輸出強度變差預(yù)定量的時間長度；(d)確定光學(xué)傳感器中使用的光源每天平均期望工作的時間；e)將(C)步驟確定的時間除以(d )步驟中確定的時間來確定產(chǎn)品的使用壽命。本發(fā)明的上述和其他特點和優(yōu)點，以及本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和優(yōu)選的實施例操作都在下面結(jié)合附圖進行詳細描述。


所有的附圖都并入說明書并形成其一部分，其對本發(fā)明的各種實施例進行說明，而且用于解釋本發(fā)明的原理以使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以使用本發(fā)明。在附圖中，附圖標(biāo)記用于標(biāo)志同一或功能相近的組件。而且，附圖標(biāo)號最左一位數(shù)字表示該附圖最先出現(xiàn)的圖。圖I是示例性光學(xué)傳感器的某些構(gòu)件示意圖。圖2是示意典型操作條件下傳統(tǒng)指示分子的典型信號衰退示意簡圖。圖3是背景噪聲分布的示例簡圖。圖4 (A)圖2和圖3的重疊圖。圖4 (B)是SNR隨時間變化的曲線圖。圖5是溫度升高對傳感器信號衰退的影響示意圖。圖6是固定操作時間內(nèi)傳感器SNR隨溫度變化的曲線圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的光學(xué)傳感器某些構(gòu)件的圖示。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例的光學(xué)傳感器某些構(gòu)件的示意圖。圖9是示例驅(qū)動電流和源強度之間的關(guān)系簡圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例的光學(xué)傳感器某些構(gòu)件的示意圖。圖11是光學(xué)傳感器壽命隨源驅(qū)動電流變化曲線，其中，隔離距離(d)和系統(tǒng)溫度(T)都保持恒定。圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例的光學(xué)傳感器某些構(gòu)件的示意圖。圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例的過程的流程圖。圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例的過程的流程圖。圖15是根據(jù)本發(fā)明的示例實施例操作光學(xué)傳感器光源占空比的簡圖。圖16是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例實施例的過程的流程圖。圖17是可用于控制傳感器光源的示例電路的電路圖。圖18是說明確定占空比過程的流程圖。圖19是說明確定廣品使用壽命過程的流程圖。具體實施過程圖I示出了用于檢測物質(zhì)101的存在或濃度的代表性傳統(tǒng)光學(xué)傳感器100的示意圖。傳感器包括指示分子102，光源104和光電轉(zhuǎn)換器106 (或“光電探測器”106)。從圖I可以看出，在將物質(zhì)的存在和濃度轉(zhuǎn)換為可測量信號(如來自光電探測器106的可測量電流輸出108)過程中，指示分子102是關(guān)鍵元件。如上所討論，光致氧化使指示分子成為傳感器100上最“薄弱”的部件。就是說，光致氧化使指示分子比傳感器100上的其他部件衰退更快。周圍的構(gòu)件，如光源104和光電探測器106，典型地具有10年以上的使用壽命。然而，指示分子在典型的操作條件下，在幾小時或幾天里，就可能衰退變差。這一點在圖2中進行了說明，圖2是傳統(tǒng)指示分子在典型的運行條件下(如恒定溫度，恒定照明和恒定的環(huán)境氧氣濃度)的典型信號衰退曲線圖。如圖2所示，指示分子發(fā)射強度在短期內(nèi)就會顯著降低。因為指示分子是最薄弱的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)傳感器的壽命也只有幾小時或幾天。而本發(fā)明提供延長使用壽命的光學(xué)傳感器和方法。在典型的光學(xué)傳感器中(例如，傳感器100)，電光部件都是傳統(tǒng)的宏/微電子分立器件。這些部件和其他傳感器的非化學(xué)部件，以及后端放大電路，在電路設(shè)計中都具有基本的本征電噪聲電平。在這種系統(tǒng)中還存在一些背景光學(xué)噪聲。這種噪聲是隨機的，但通常保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。圖3是背景噪聲特性的示例圖。在這種恒定的噪聲背景下，必須能夠以足夠高的清晰度來區(qū)分和物質(zhì)濃度直接成正比的信號。信號幅度的平均值與噪聲幅度的平均值之比就是信噪比(SNR)。SNR數(shù)值足夠的特定應(yīng)用，該數(shù)值還依賴于整個系統(tǒng)設(shè)計中其他因素?？偟恼f來，高SNR優(yōu)于低SNR。重要的是，設(shè)計中得到的SNR級別確立了可以使用設(shè)備來測量的精度和分辨率。圖4 (A)是圖2和圖3的重疊圖。圖4 (A)出示在相對恒定的噪聲背景下，隨著光化學(xué)效應(yīng)衰退下降的信號。該兩個曲線的比在圖4 (B)示為SNR隨時間的變化。從圖4 (B)可以看出，SNR的變化和光致氧化成直接比例關(guān)系，光致氧化使信號變差。在沿下降的SNR曲線的時間點T的SNR的特定值，傳感器變得不可用，因為其不再能滿足分辨率和準(zhǔn)確性的指標(biāo)要求。該時間點(T)就是傳感器的使用壽命，它取決于系統(tǒng)中最不穩(wěn)定的指示分子部件。我們已經(jīng)考察了幾個影響傳感器SNR衰減的因素。每個因素的優(yōu)選范圍或設(shè)置可以定義傳感器操作的優(yōu)選分布。然后，該分布確定可以延長設(shè)備壽命的操作參數(shù)。下面對這些因素進行討論。因素I :溫度。溫度是決定指示分子使用壽命的基本的和直接的影響因素，因此也是光學(xué)傳感器壽命的基本的和直接的影響因素。因為光致氧化是一種化學(xué)反應(yīng)，和其他化學(xué)反應(yīng)一樣，描述溫度影響的最基本的模型是阿倫紐斯方程式。我們發(fā)現(xiàn)了溫度升高增加了反應(yīng)的速度，從而導(dǎo)致指示分子的衰退得更快。圖5表明了溫度升高對傳感器信號衰退的影響。從圖5可以看出，當(dāng)溫度升高時，熒光元素和氧氣之間的光化學(xué)反應(yīng)增強了，因此，基于熒光強度的信號幅度成比例降低。圖6是固定操作時間內(nèi)，傳感器SNR隨溫度變化 的曲線圖。因此，一方面，本發(fā)明提供了具有冷卻系統(tǒng)702的傳感器700 (見圖7)，用以將傳感器的溫度，或指示分子102的溫度保持在一個固定值，給定傳感器設(shè)計的其他約束，該固定值長的使用壽命提供化條件。例如，特定要求指定傳感器700必須在50到70 T溫度下工作，這時冷卻系統(tǒng)702被配置為保持50 0F的溫度，在50到70 °F范圍內(nèi)，50 °F對于壽命是優(yōu)選的溫度。對于沒有針對設(shè)備低溫限制的應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)溫度能降到一 20 T。在一個實施例中，冷卻系統(tǒng)702可以包括或由用于半導(dǎo)體構(gòu)件冷卻的柏耳帖型芯片設(shè)備組成。在其他的實施例中，冷卻系統(tǒng)702可以包括或由液態(tài)氮或其他冷卻劑。因素2 :光源和指示分子之間的間隔距離。在光學(xué)傳感器中，如在圖8所描繪的光學(xué)傳感器800中，光通量密度是指在表面一點的單位面積上的光通量。例如，如果光單位是愛因斯坦(定義為I摩爾的光子，或I阿伏加得羅數(shù)量的光子)，那么，I愛因斯坦每單位面積表示光通量。在這里，指示分子102點上單位面積內(nèi)光子數(shù)的密度是有效通量密度。倒推回去，通量密度和成為光出射度(見下文)的項相關(guān)，該項實際上就是光源強度。根據(jù)反平方律，光子的強度(或通量)隨指示分子102安裝于其上的表面到光源104的間隔距離(d)而平方減少。作為整體“矩陣”或因子組中的一個因子，我們確定，有效的、實用而優(yōu)選的間隔距離(d)范圍為O到2. 5厘米(cm)。該范圍的低端O表示指示分子直接安裝在光源104的表面上或其內(nèi)部。范圍的遠端(2. 5cm)表示適于極易受光子影響的熒光元素的設(shè)計，這是為了將光通量保持在較低的級別。然而，根據(jù)本發(fā)明的傳感器并不受限于此指定范圍。因素3 :光出射度，源強度，電源或驅(qū)動電流。光源的光出射度是指在發(fā)射源(白熾燈，固態(tài)的，有機的，無機的，LED或任何其他光源燈)表面的通量密度。如上所述，通量密度可以針對離光源任何距離(d)處的任何實際的或虛擬表面的進行定義。光出射度是在發(fā)射源表面定義的通量密度，即d=0。這使光源的強度和在(d)處定義的通量密度相關(guān)。由于電子或光電光源的強度和該源的驅(qū)動電流直接相關(guān)，因此通過控制光源的驅(qū)動電流來控制光源強度是可能的而且是可行的(特別需要強調(diào)的是，其他不是電子的源也是可用的)。圖9說明了驅(qū)動電流和光源強度之間的簡單關(guān)系O圖9說明的關(guān)系也稱為減額定曲線，其對光源和光源制造是唯一的。然而，制造商針對選擇特殊的光源獲得該數(shù)據(jù)。需要著重注意的是，驅(qū)動電流也可以控制光源的功率。光功率常用的表示單位是瓦特(也可以用其他單位)。根據(jù)電流和減額定曲線，例中的固態(tài)電子源的功率通常位于毫瓦倒微瓦的范圍內(nèi)。和標(biāo)準(zhǔn)的家用調(diào)光器一樣，在光源的性能限制內(nèi)，可以通過限制驅(qū)動電流來控制光源的功率。如上所述，通過簡單的轉(zhuǎn)換，功率可以和光致氧化率直接相關(guān)(雖然這樣單位會變得混亂)。在給定的距離(d)的情況下，考慮到驅(qū)動電流和光致氧化率的上述關(guān)系，驅(qū)動電流的優(yōu)選值是提供溫度光源輸出的最低驅(qū)動電流。對于典型的固態(tài)光源如二極發(fā)光管(LED)，目前，該值可低至O. 5毫安。隨著這些設(shè)備效率得提高，該門限驅(qū)動電流可以變得更小。
在進一步討論影響光學(xué)傳感器的壽命的因素之前，進一步說明在傳感器系統(tǒng)1000(見圖10)中迄今為止討論的因素(例如，溫度(T)、間隔距離(d)、驅(qū)動電流)是有益的。圖10的圖解將迄今為止討論的概念聯(lián)系在一起。圖10是傳感器系統(tǒng)1000的圖解說明，其具有被表面802封閉或部分封閉的光源104，在該表面上或表面內(nèi)放置有指示分子102。傳感器系統(tǒng)1000還包括用于給傳感器104供電的電源1012(如電池或其他電源)，和用于調(diào)節(jié)提供給光源104的驅(qū)動電流的電流控制器1014。傳感器1000也可以包括冷卻系統(tǒng)702 (如圖7所示)。操作員或處理設(shè)備可以配置電流控制器1014，由此設(shè)置驅(qū)動電流大小。如上所述，驅(qū)動電流決定光源強度，光源強度通過距離(d)和反平方律決定通量密度，而且通量密度和指示分子的光致氧化率直接成比例。調(diào)節(jié)供給光源104的驅(qū)動電流以設(shè)定光源強度，光源強度通過固定的距離(d)，根據(jù)反平方定律來確定光通量，光通量決定光致氧化率，并由此決定信號衰減速率。圖11是當(dāng)間隔距離(d)、系統(tǒng)溫度(T)保持恒定時，傳感器系統(tǒng)1000的壽命隨源驅(qū)動電流變化的曲線簡圖。圖11提供對實現(xiàn)延長光學(xué)傳感器壽命的一個因子的簡單但明了的認(rèn)識。在很多情況下，“d”設(shè)計為一個固定值，即光學(xué)傳感器應(yīng)用確定d的可接受范圍，在一些情況下，d是很小的范圍。例如，如果光學(xué)傳感器被用于ViVO中，那傳感器的適當(dāng)尺寸是一定的，因此d受到限制。一旦固定了 d，就可以使用該值來討論其他因素(如驅(qū)動電流)，以提供其他的設(shè)計和優(yōu)化操作參數(shù)。常數(shù)d確定了熒光元素表面的通量。注意在通量和由d在表面定義的功率是同義詞。如上所述，我們確定了 d的優(yōu)選范圍，其中d固定在O到2.5厘米之間。利用這一點來設(shè)置驅(qū)動電流，我們確定使代表性的LED源從門限值開始(圖9)、到制造商針對固態(tài)源提供的額定電流2倍的電流，從門限值開始的電流是是激活源的最低電流。以典型的炭化硅或氮化鎵LED為例，驅(qū)動電流強度近似在O. 5微安到40微安的范圍之內(nèi)。在另一實施例中，驅(qū)動電流為O. 8到3微安比較適宜，在I到2微安最適宜。將來，隨著光源制造商制造出更高效的光源，這些范圍會發(fā)生變化。影響使用指示分子的光學(xué)傳感器的使用壽命的另外兩個因素是(I)輸入光源能量和(2)占空比。下面對這兩個因素依次進行討論。因素4 :輸入光源能量(或波長)根據(jù)公式E=hf，光能量和它的頻率相關(guān)，式中“E”是光子的能量，“h”為普朗克常數(shù)，“f”是頻率。頻率和波長成反比。因此，短波光子的能量比長波光子的能量高。典型的熒光激勵發(fā)生在波長為從月200納米到500納米(盡管已知可以激勵接近紅外光波長的分子和方法)。熒光吸收和發(fā)射譜實質(zhì)上是能量分布，其中頻譜是分布在最優(yōu)吸收或發(fā)射峰值波長的高斯分布，該最優(yōu)吸收或發(fā)射峰值波長對應(yīng)于熒光元素的特定分子結(jié)構(gòu)的能量最大值。對于大多可用于傳感器中的熒光元素而言，最優(yōu)波長(或若干波段)由指示分子本身決定。因此，傳感器的使用者和設(shè)計者選擇光源波長的自由受到限制。因素5:光源的占空比。和光源的波長不同，光源的占空比是設(shè)計光學(xué)傳感器的另一能量分量，并且不同于上述的光能量(與之相關(guān))，它是可由設(shè)計者/使用者控制的變量。光源的占空比是為了從指示分子獲取讀數(shù)時光源用于照亮指示分子的時間百分比。在大于某個最小的占空比值時，改變占空比，與數(shù)據(jù)輸出相關(guān)的光學(xué)傳感器性能不會受大的影響，或者一點影響也不受。因此，光學(xué)傳感器的設(shè)計者/使用者在選擇光源的占空比時非常自由，而不必?fù)?dān)心對光學(xué)傳感器的性能產(chǎn)生不利影響。如下所論，降低光源的占空比能夠極大地增加指示分子的有效壽命，從而增加了傳感器的壽命。 在光學(xué)傳感器里，由光源輸出的總的累計輻射能量控制顯示分子的光致氧化程度。換言之，沒有光時，也就沒有光致氧化。在時間上累計的功率(或表面通量)就是能量。輻射能量的標(biāo)準(zhǔn)單位是焦耳，其中能量(焦耳)=瓦特(功率)X秒。注意到功率(能量/時間)是光源發(fā)光時消耗的能量，它與指示分子的光致氧化速率直接相關(guān)。相應(yīng)地，較高功率的源比較低功率的源更快地光漂白指示分子。從上面的公式可以看出，控制功率的一種方法是控制向系統(tǒng)輸入能量的速率。在光學(xué)傳感器的例子中，控制功率的一種方法就是控制光源的占空比。在光學(xué)傳感器是“工作的”(如消耗能量)的整個時間段期間，我們發(fā)現(xiàn)，在光學(xué)傳感器中通常不必使光源一直處于運行或“開態(tài)”。在很多應(yīng)用中，每天光學(xué)傳感器只需要工作幾次，且每次持續(xù)的時間很短。例如，在一個實施例中，光學(xué)傳感器每天大約工作5次，每次大約7分鐘。然而，在一些實施例中，光學(xué)傳感器需要每天工作24小時(如，連續(xù)工作)。例如，如果在光學(xué)傳感器工作的時間段期間，每隔一秒需要一次來自光探測器106的讀數(shù)，那么當(dāng)在光學(xué)傳感器工作的時間段期間，就不需要光源一直處于開狀態(tài)。相反，根據(jù)傳感器電路，光源每秒只需要開啟1/10秒就足夠。在這種情況下，傳感器的壽命期內(nèi)，累計輸入到系統(tǒng)的能量將減少為原來的1/10。同樣，如果每秒內(nèi)光源只開1/100秒，那么輸入到系統(tǒng)的能量將減少為1/100。因為功率和累計光致氧化率直接相關(guān)，并因此與信號幅度的衰退相關(guān)，以及因此與SNR的衰減相關(guān)，就此單個因素而言，輸入的能量減少為1/100，設(shè)備的壽命將增加100倍。在傳感器工作期間，光源的合適的占空比視應(yīng)用情況而定。在一種應(yīng)用中，在傳感器工作時，大約每2分鐘從光探測器106獲得一個讀數(shù)。傳感器及其支持電路(如光探測器106)足夠快，使得在100毫秒或1/10秒的時間段內(nèi)可以取得一個精確的讀數(shù)。每2分鐘間隔對傳感器光源加電1/10秒，這可以提供120秒/0. I秒=1200倍的能量減少因子。相對于連續(xù)運行時熒光元素的光致氧化信號衰退而言，這個因素直接將傳感器產(chǎn)品壽命延長1200 倍。占空比通常表示為開狀態(tài)的時間百分比。因此上例中占空比約為O. 08%。對不同的產(chǎn)品、不同的設(shè)計、不同的指示分子，約50%以及更高的占空比都是有用的。在低端，甚至如I X 10 (exp-5) %這樣低的小數(shù)百分比也是有用的。在本發(fā)明的其它實施例中，傳感器大約每2分鐘開一次，每次LED大約工作50毫秒。該實施例可用于葡萄糖傳感器。圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的光學(xué)傳感器1200的示意圖。除傳感器1200包括占空比控制器1202和電流控制器104外，傳感器1200和傳感器700是相同的。傳感器1200的構(gòu)件優(yōu)選地包括在殼體(未示出)內(nèi)，指示分子可以放置在殼的表面上或其內(nèi)。占空比控制器1202可以單獨由硬件實現(xiàn)，或者軟件和硬件結(jié)合實現(xiàn)。占空比控制器1202控制光源104的占空比。在一些實施例中，傳感器1200的使用者可以通過配置占空比控制器1202來設(shè)置光源104的占空比。在這些實施例中，占空比控制器1202具有接口 1204，使使用者能夠配置或設(shè)置控制器。圖17是可用于控制光源104運行的示例電路的不意電路圖。
圖13是示意根據(jù)本發(fā)明一個實施例的過程的流程圖1300。過程1300是增加光學(xué)傳感器(如傳感器1200)的壽命的過程，傳感器在工作時，被配置為，在連續(xù)Z時間里，每X單位時間至少獲取一次標(biāo)志區(qū)域內(nèi)物質(zhì)存在或濃度的數(shù)據(jù)。X和Z可以為從秒到分到小時的任意值。過程1300可以從步驟1302開始，在步驟1302中，配置傳感器，在每X單位時間內(nèi)至少獲取一次數(shù)據(jù)的Z時間里，使得放射源的占空比低于100%。在步驟1304中，將傳感器放置在區(qū)域內(nèi)的一個位置。步驟1304可以在步驟1302之前或之后進行。在一些光學(xué)傳感器的應(yīng)用中，X約為I秒，Z約為7分鐘。在其它的應(yīng)用中，X可以大于或小于I秒，Z可以大于或小于7分鐘。在一些應(yīng)用中，Z時間內(nèi)的占空比也可以小于50%，而在其它的應(yīng)用中，占空比可以低于O. 00001%或更低。在步驟1306中，傳感器工作并保持工作狀態(tài)Z時間。傳感器可以由外部電源供電使其工作。在步驟1308中，在傳感器工作的Z時間內(nèi)，放射源開關(guān)幾次。也就是，操作放射源，使其占空比大于0%而低于100%。在一些特殊的實施例中，占空比小于50%。在步驟1310中，在執(zhí)行步驟1306后Z時間過去后，使傳感器不工作。接著，傳感器在一段時間內(nèi)什么也不做(步驟1312)。在步驟1312后，過程可以返回步驟1306。圖14是示意根據(jù)本發(fā)明另一實施例的處理過程的流程圖1400，該過程用于檢測特定環(huán)境中物質(zhì)的存在或濃度。過程1400可以從步驟1402開始，其中，光學(xué)傳感器放置在標(biāo)志區(qū)域的所需的位置(例如植入vivo中)。在步驟1403中，使傳感器工作。例如，傳感器可以通過外部電源供電使其工作。在步驟1404中，在傳感器工作后，打開傳感器光源(如光源具有最小的光出射度)。在步驟1405中，在打開光源后的某時間點，確定并優(yōu)選地記錄光探測器的輸出。在步驟1406中，該步驟在步驟1404執(zhí)行Y時間后被執(zhí)行，關(guān)斷光源。在步驟1408中，確定過程1400是否結(jié)束。例如，過程1400可以在從步驟1404首次運行后的Z時間過去后結(jié)束。如果過程完成，則使傳感器停止工作(步驟1410)。在使傳感器停止工作后，在后面的時間里，可以使傳感器再工作。例如，在一些實施例中，傳感器一年中每天需要工作5次。因此，在這些實施例中，傳感器停止工作約5小時后再工作。如果過程沒有結(jié)束，該過程返回到步驟1404，但只是在步驟1404上一次執(zhí)行X時間后進行(步驟1412)。
步驟1404—1406通常周期重復(fù)給定時間Z (即在被停止工作前，傳感器工作約Z時間)。在過程1400中，X大于零(0)，Y優(yōu)選地小于X，X小于Z。在一些應(yīng)用中，Y小于或等于X/2。在其他應(yīng)用中，Y可以效應(yīng)或等于X/10在Z時間內(nèi)(傳感器工作的時間內(nèi)內(nèi))，放射源的配置在圖15中示出。如圖15所示，在時間點t=0，t=x，t=2x等，光源工作Y時間，然后停止工作X-Y時間。盡管圖15示出的是周函數(shù)，但該函數(shù)并不需是周期的，而且不要求X和Y在時間Z內(nèi)保持恒定。通過執(zhí)行過程1400，因為光學(xué)傳感器工作期間，光源沒有連續(xù)“開”，所以光學(xué)傳感器的指示分子的使用壽命能夠增加。圖16是說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的過程的流程圖1600，其用于檢測物質(zhì)的存在或濃度。過程從步驟1602開始，其中將光學(xué)傳感器放置在期望位置。在步驟1603，使傳感器開始工作。在步驟1604，光學(xué)傳感器的光源被配置為輸出頻率在一定頻率范圍且幅度在一定 幅度范圍內(nèi)(即強度)的電磁波。在步驟1605，在執(zhí)行步驟1604之后，而且優(yōu)選地在執(zhí)行步驟1606之前，在一些時間點上得到光學(xué)傳感器的光探測器輸出測量數(shù)據(jù)。在步驟1606,該步驟在步驟1604執(zhí)行后經(jīng)歷Y時間后執(zhí)行,光源配置為使它不再輸出電磁波，或者配置為輸出電磁波的頻率不在一定頻率范圍之內(nèi)和/或者幅度低于一定幅度范圍的最低幅度。優(yōu)選地，如果在步驟1606發(fā)射了電磁波，其幅度小于一定幅度范圍的最低幅度。在步驟1608，確定傳感器是否已經(jīng)運行足夠長時間。如果已經(jīng)運行足夠的時間，可以使傳感器停止工作，如果沒有，從步驟1606執(zhí)行后盡管X時間的延時后，過程返回到步驟1604。步驟1610后，過程在經(jīng)歷一定時間后可以返回1603。和過程1400 —樣，過程1600能夠極大地增加光學(xué)傳感器指示分子的使用壽命，特別是在步驟1606將源配置為不輸出任何電磁波或輸出相對小幅度和/或低頻率的電磁波的情況下。圖17是可以用于控制傳感器光源的示例電路的電路圖。在該非限定性的例子中，電阻Rl和R2都是電壓分壓器，它們和濾波電容C2共同給比較器Ul輸入管腳5提供比較電源。當(dāng)電源首次給電路供電時，電容Cl放電。比較器Ul的證輸入管腳5的電位高于負(fù)輸入管腳6的電位，輸出管腳7經(jīng)過限硫電阻R4供電，以點亮LED Dl0電容Cl通過電阻R3向供電電壓充電。當(dāng)Cl電壓高于參考電壓時，Ul負(fù)輸入管腳6的電位高于正輸入管腳5的電位。Ul輸出管腳7的電位變?yōu)橐?V，因此關(guān)閉LED Dl.也能使用其他參考電壓。例如商用集成電路參考電壓或齊納二極管都能使用。其他設(shè)備，如運算放大器也能用于替代圖17中的比較器電路。在上述關(guān)于操作光學(xué)傳感器的過程之外，本發(fā)明還提供確定期望的光源占空比的過程以及確定光傳感產(chǎn)品使用壽命的過程。圖18是說明確定光學(xué)傳感器的LED理想的占空比的過程1800的流程圖，其中LED用Y毫安的電流驅(qū)動。過程1800可以從步驟1802開始，在這里，先確定光學(xué)傳感器使用的指示分子。在步驟1804，當(dāng)指示分子在有Y毫安的電流驅(qū)動的LED發(fā)射的光連續(xù)照射時，確定指示分子的輸出強度衰退到X%的初始輸出強度所花費的時間，其中Y毫安是在光學(xué)傳感器工作期間所使用的驅(qū)動電流。
在步驟1806，識別傳感器總的累計工作時間。例如，如果傳感器設(shè)計為365天每天工作5次，每次7分鐘，那么該傳感器總的累計時間是(7x5x365 = 12775分鐘)。在步驟1808，將步驟1804中確定的時間除以步驟1806中確定的時間來確定LED的占空比。從而，占空比是在傳感器工作期間LED打開的時間百分比。圖19是確定光學(xué)傳感器產(chǎn)品使用壽命的過程1900的流程圖，其中，光學(xué)傳感器的LED工作時驅(qū)動電流為Y毫安，每天LED工作相同的時間，產(chǎn)品的使用壽命定義為傳感器指示分子輸出強度衰退到它初始輸出強度X%時所花費的時間。過程1900可以從步驟1902開始，在這里，先識別光學(xué)傳感器使用的指示分子。在步驟1904，當(dāng)指示分子在被Y毫安電流驅(qū)動的LED發(fā)射的光連續(xù)照射時，確定指示分子輸出強度衰退到X%的初始輸出強度所花費的時間，其中Y毫安是在光學(xué)傳感器工作期間所使用的驅(qū)動電流。在步驟1906，確定每天的LED總的累計工作時間。在步驟1908，將步驟1904中 確定的時間除以步驟1906中確定的時間來確定產(chǎn)品的使用壽命。例如，如果步驟4中確定的時間時10000分鐘，每天LED工作不超過10分鐘，那么傳感器的產(chǎn)品使用壽命近似為10000/10 = 1000 天。非限定性的確定光學(xué)傳感器理想占空比的例子描述如下。根據(jù)該示例，光學(xué)傳感器每天工作5次，每次使用7分鐘，持續(xù)365天(I年)。每次使用期間，每次采樣LED開150毫秒，在使用期間每秒進行一次采樣。LED由方波驅(qū)動，因此其占空比為50%。該應(yīng)用要求傳感器的輸出強度在一年時間內(nèi)為初始輸出強度同等條件的10%。此例中LED開時間計算如下。I) 一年中，(365天每年)X (5次每天)=1，825次使用每年。2)每秒采樣一次，每分鐘采樣60次。3)(每分鐘60次采樣)X (每次工作7分鐘)=420次采樣每次使用。4)使用上面公式I和3，傳感器每年使用(420采樣每次使用)X (I, 825次使用每年)=766，500次采用每年。5)每次米樣，傳感器LED開250毫秒。6)從公式4和5，LED開時間為(766，500次采樣每年)X (150毫秒每次采樣)=114，975，000毫秒每年。7)從公式6，以50%的占空比，114，975，000毫秒每年=114，975秒每年=31.94小時LED的開時間每年。因而，該應(yīng)用的要求為，LED能夠以50%的占空比連續(xù)運行31. 94小時，同時傳感器輸出強度保持在初始輸出的10%以上。在這個示例中，以50%的占空比，傳感器輸出強度隨以I毫安驅(qū)動的LED工作時間的變化，表明連續(xù)使用23小時后，傳感器的輸出強度衰退到它的原始輸出強度的90%。對于該特定的應(yīng)用而言，LED開時間是不夠的，因此只能改變占空比值來補償。如果將占空比調(diào)整到25% (原來值的一半)使LED開時間減半，從而減少指示分子的光漂白。在該例中傳感器的壽命會延長一倍。50%的占空比來自使用方波驅(qū)動LED。對于方波的每個周期而言，LED驅(qū)動信號開一定的時間，“t”秒，然后開關(guān)關(guān)斷同樣長的時間“t”秒，然后開關(guān)開“t”秒，如此周而復(fù)始。一半的時間開一半的時間關(guān)。這是可以改變的，比如，在開始的1/4周期開，在后面的3/4周期關(guān)。這樣，對于同樣的使用要求而言，LED開時間減半，從而在10%的衰退限制內(nèi)，運行更長的時間。如果減少本例所列的任何時間，就可以減少LED的開時間，因而能夠在保持指示分子的輸出強度情況下，延長傳感器的壽命。例如，減少每年設(shè)備使用的天數(shù)，減少每天使用次數(shù)，減少每次使用的采樣次數(shù)，減少LED驅(qū)動的占空比都可以延長傳感器的使用壽命。LED每年的開時間可以由一個簡單的公式計算總的LED每年的開時間=(每年設(shè)備的使用天數(shù))X (每天設(shè)備的使用次數(shù))X (每次使用的采樣次數(shù))X (每次采樣期間LED開的時間長度)X (LED驅(qū)動的占空比)本文所述的光學(xué)傳感器不受限于任何特殊應(yīng)用或運行環(huán)境。例如，根據(jù)本發(fā)明的傳感器可植入人體，用于測量人體中各種生物學(xué)的分析物(如葡萄糖、氧氣、毒素等)。雖然前文描述了本發(fā)明的各種實施例/變型，應(yīng)該理解這些實施例/變型只是用 于說明本發(fā)明，但非用于限定本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍和界限不受限于上述的任何示例實施例，而應(yīng)該由所附的權(quán)利要求及其等價物確定。
權(quán)利要求
1.一種增加光學(xué)傳感器壽命的方法，光學(xué)傳感器在工作時用于獲取關(guān)于區(qū)域內(nèi)物質(zhì)存在或濃度的數(shù)據(jù)，其中，該光學(xué)傳感器包括(i)光學(xué)特性受該物質(zhì)的存在影響的指示分子以及(i i )放射源，所述方法包括 (a)在所述光學(xué)傳感器工作期間，利用所述光學(xué)傳感器，使得該放射源的占空比大于0%小于 100% ； (b)在該區(qū)域內(nèi)的一個位置放置該光學(xué)傳感器； Ce)在執(zhí)行步驟(b)后，使該光學(xué)傳感器工作Z時間段，其中Z大于O ; Cd)操作該放射源，在該光學(xué)傳感器工作的Z時間段內(nèi)，使該放射源的占空比大于0%小于100% ； Ce)在經(jīng)歷了所述Z時間段后，使該光學(xué)傳感器停止工作；以及(f)在執(zhí)行步驟(e)后經(jīng)歷了一時間段后，使所述光學(xué)傳感器工作Z時間段并重復(fù)步驟(d)和(e)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述占空比小于或等于50%。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述占空比小于或等于10%。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述占空比小于或等于1%。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中Z約為O.5到20分鐘。
6.如權(quán)利要求I所述的方法,其中Z約為I到10分鐘。
7.
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中Z為2分鐘。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述光學(xué)傳感器每2分鐘內(nèi)工作近似200微秒。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述光學(xué)傳感器工作的200微秒內(nèi)所述放射源工作近似100微秒。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述指示分子是熒光的。
12.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述放射源包括發(fā)光二極管(LED)。
13.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述用于驅(qū)動所述LED的所述驅(qū)動電流小于或等于3暈安。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述用于驅(qū)動所述LED的所述驅(qū)動電流小于或等于2暈安。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述用于驅(qū)動所述LED的所述驅(qū)動電流小于或等于I暈安。
16.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述傳感器還包括冷卻單元。
17.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述指示分子是吸收型指示分子。
18.—種增加光學(xué)傳感器使用壽命的方法，該光學(xué)傳感器在工作時，在連續(xù)的Z時間段內(nèi)，每X時間至少獲取關(guān)于一區(qū)域內(nèi)物質(zhì)存在或濃度的數(shù)據(jù)一次，其中所述光學(xué)傳感器包括光學(xué)特性受該物質(zhì)的存在影響的指示分子，以及用于激活所述指示分子的光源，所述方法包括 將所述光學(xué)傳感器放置在所述區(qū)域的一個位置； 在等于所述Z時間段的第一時段的開始時使所述光學(xué)傳感器工作； 在每個X時間內(nèi)激活所述指示分子總共不超過Y時間，其中Y小于X ；在等于所述Z時間段的所述第一時段的結(jié)束時使所述光學(xué)傳感器停止工作； 在經(jīng)歷了一時間段后，在等于所述Z時間段的第二時段的開始時使所述光學(xué)傳感器工作； 在每個X時間內(nèi)激活所述指示分子總共不超過Y時間，其中Y小于X ;以及 在等于所述Z時間段的第二時段的結(jié)束時使所述光學(xué)傳感器停止工作。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中X小于5分鐘。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中Y小于X/2。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中Y小于或等于X/10。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中Y小于I秒。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述指示分子是熒光的。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述放射源包括發(fā)光二極管(LED)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中激活所述指示分子包括用驅(qū)動電流驅(qū)動所述LED，其中所述驅(qū)動電流等于所述LED的門限驅(qū)動電流。
26.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述使傳感器工作包括給所述傳感器的電部件供電。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種增加光學(xué)傳感器壽命的方法。一方面，該方法包括了配置光學(xué)傳感器的步驟，當(dāng)光學(xué)傳感器在連續(xù)時間段內(nèi)周期性地獲取相關(guān)分析物的數(shù)據(jù)時，使傳感器放射源的占空比少于100％。通過根據(jù)本發(fā)明的方法運行傳感器，在傳感器被用于提供相關(guān)物質(zhì)的存在或濃度的數(shù)據(jù)期間，光學(xué)傳感器的指示分子不總被激活。因此，該方法增加了指示分子的壽命。
文檔編號A61B5/00GK102940496SQ20121037585
公開日2013年2月27日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者阿瑟·E·小科爾文, 杰弗里·C·萊紹, 卡麗·R·洛倫茨 申請人:醫(yī)藥及科學(xué)傳感器公司