分光镜传感器的制作方法

专利名称：分光镜传感器的制作方法
技术领域：
本公开涉及传感器，特别地，用于测量样品属性的分光镜传感器。
背景技术：
近红外辐射一般可以穿过皮肤和脂肪层以照射肌肉组织中的血管。辐射可以被血红细胞中的血色素、肌纤维中的肌红蛋白、水以及血浆中的其它蛋白质吸收。辐射通过肌纤维和血细胞二者散射，并且散射的辐射可以被检测和分析以确定散射的辐射的波长相关性。肌肉组织中的各种吸收组分的吸收光谱可以通过比较传递到组织的入射辐射的光谱和从组织散射的辐射而得以确定。对于某些样品，吸收光谱中的特定光谱特征可以分配给肌肉组织中的特定组分(例如，某些光谱特征可以被分配来由血色素和/或肌红蛋白吸收)。

发明内容
在此公开的是用于测量包括人体和动物组织的样品的近红外线光谱以及用于基于光谱确定样品的一个或多个属性的装置例如传感器和方法。特别地，在此公开的设备包括基于电路板的传感器，其包括多个辐射源；光谱检测器；以及电子处理器，其控制源和检测器，处理来自检测器的光谱信息以计算样品的吸收光谱，以及基于吸收光谱确定样品属性。传感器可以包括在不同的源-检测器距离的辐射源。特别地，传感器可以包括多个长距离的源，每个源可以照射样品，并且在该照射后从样品散射的辐射可以被测量。来源于样品的长距离源照射的散射的辐射光谱典型地包括来自样品中的肌肉组织以及来自定位在传感器和肌肉组织之间的皮肤和/或脂肪层的光谱贡献。吸收光谱可以通过比较散射的辐射光谱和来自长距离源的入射辐射光谱而从散射的辐射光谱产生。在下面的讨论中，参照样品的吸收光谱。但是，在此公开的设备和方法还可以用于从测量的散射的辐射光谱获取反射光谱。通常，反射和吸收通过简单的数学变换得以相关联，并且在此公开的设备和方法可以可交换地用于从样品得到的反射和/或吸收信息。用于将光谱散射的辐射信息转化为样品的反射和/或吸收光谱被公开在例如美国专利申请出版物No. 2008/0097173中，其整个内容在此被引入作为参考。传感器还典型地包括一个或多个短距离源，其可以照射样品，并且在该照射之后来自样品的散射的辐射可以被测量。典型地，源于样品的短距离源照射的散射的辐射光谱包括实质上仅来自定位在传感器和肌肉组织之间的皮肤和/或脂肪的层的光谱贡献。如上，吸收光谱可以通过比较散射的辐射光谱和来自短距离的源的入射辐射光谱而从散射的辐射光谱产生。而且，通过组合源于长距离和短距离照射源的吸收光谱，吸收光谱可以被修正以减少由于介入皮肤和/或脂肪层所致的光谱贡献。在包括多个长距离源的传感器中，电子处理器可以配置为选择用于样品照射的特定的长距离源。典型地，电子处理器配置为测量样品的多个吸收光谱(对于覆盖皮肤和/或脂肪层，要么是修正的，要么是未修正的)，其中每个吸收光谱在样品通过一个长距离源照射之后进行测量。处理器配置每一吸收光谱到泰勒级数模型，用于样品中的主发色团(例如，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白和水)。处理器然后确定每个配置的均方根误差，并选择产生具有最小测量误差的样品光谱的长距离源，如果样品光谱满足用于进一步样品测量的至少最小适合性标准的话。样品的一个或多个吸收光谱然后能够通过用来自选择的长距离源的辐射照射样品并基于来自样品的散射的辐射确定吸收光谱而获得。替代选择适当的长距离源，或者除了选择适当的长距离源之外，处理器在一些实施例中可以识别(例如测量或者从存储器或者记忆单元检索)样品的预期的光谱和/或在样品的光谱中的特定特征的预期的光谱形，并分析每一测量的吸收光谱以确定预期的和测量的光谱之间(或者预期的和测量的光谱的某些部分之间)的对应性。典型地，处理器然后选择产生对应最接近样品的预期的光谱或者光谱特征形状的测量的吸收光谱或者光谱特征形状的长距离源作为照射源。如上，样品的一个或多个吸收光谱因此能够通过用来自选择的长距离源的辐射照射样品并基于来自样品的散射的辐射确定吸收光谱而获得。总的来说，在第一方面，本发明的特征在于传感器，其包括(a)包括电子处理器的电路板；(b)多个辐射源，每个源附着到电路板；和(c)附着到电路板的光谱检测器，光谱检测器配置为分析源于多个辐射源的一个或多个的辐射。在使用过程中，传感器配置为穿戴在对象身体的一部分上。进一步地，电子处理器配置为致使多个辐射源的两个或多个将入射辐射导向到对象，以致使光谱检测器分析来自对象的辐射，并基于来自对象的辐射确定对象的一个或多个属性。在进一步的方面，本发明的特征在于传感器，其包括(a)柔性安装构件，其包括配置为直接附着到样品并且当它附着到样品时呈现对应样品的至少一部分的形状的粘接表面；和(b)多个辐射源、光谱检测器和附着到安装构件的电子处理器。电子处理器可以配置为致使至少两个辐射源将入射辐射导向到样品，以致使光谱检测器分析来自样品的辐射，并基于来自样品的辐射确定样品的一个或多个属性。在另一方面，本发明的特征在于传感器，其包括(a)多个辐射源，每一辐射源定位为通过入射辐射照射样品；(b)光谱检测器，其配置为响应入射辐射分析从样品散射的辐射；和(c)至少一个电子处理器，其配置为选择多个辐射源的一个并基于来自选取的辐射源的入射辐射测量样品的吸收光谱。选择多个辐射源的一个可以包括测量多个样品吸收光谱，每个吸收光谱对应通过多个辐射源之一的样品照射，并确定多个吸收光谱的每一个中的光谱特征的预期形状和测量的形状之间的相关性。在进一步方面，本发明的特征在于传感器，其包括(a)包括至少一个电子处理器的电路板；(b)附着到电路板的辐射源；(c)和附着到电路板的多个光谱检测器，每个光谱
6检测器配置为分析源于辐射源的辐射电子处理器可以配置为致使辐射源将入射辐射导向到样品，以致使多个光谱检测器的两个或多个分析从样品散射的辐射，并基于散射的辐射确定样品的一个或多个属性。在另一个方面，本发明的特征在于传感器，其包括配置为直接附着到样品并呈现对应至少一部分样品的形状的一次性的安装构件，和多个辐射源、光谱检测器和附着到安装构件的至少一个电子处理器。电子处理器可以配置为致使多个辐射源的两个或多个将入射辐射导向到样品，以致使光谱检测器分析从样品散射的辐射，并基于散射的辐射确定样品的一个或多个属性。在进一步方面，本发明的特征在于设备，其包括包括集成电路板并附着到电路板的可穿戴的组件、多个辐射源、光谱检测器和至少一个电子处理器。在操作过程中组件穿戴在人的身体的一部分上。电子处理器配置为致使多个辐射源的至少一些将辐射导向为入射在身体的该部分上，以导向检测器来分析从身体的该部分散射的辐射，并基于散射的辐射确定身体的该部分的一个或多个属性。传感器和/或设备的实施例可以包括以下特征的一个或多个。电子处理器可以配置为选择性地调节至少一个辐射源以产生入射辐射。电子处理器可以配置为选择性地调节(i)每一辐射源的任务周期和(ii)供应到每一辐射源的电驱动电流的至少一个，以产生具有选取的光谱形的入射辐射。电子处理器可以配置为调节辐射源以补偿对象对入射辐射的吸收其中补偿包括基于对象的吸收光谱调节辐射源。电子处理器可以配置为调节辐射源以(i)修正辐射源中的不同的发射强度，或者(ii)以修正检测器的光谱监测效率的变化。电子处理器可以配置为调节每一辐射源以使得每一辐射源具有选取的光谱轮廓。辐射源可以包括定位在具有检测器9毫米或者更少距离处的短距离源，以及至少两个长距离源，每个定位在距离检测器10毫米或更远的距离处。辐射源可以包括至少两短距离源和至少三个长距离源。电子处理器可以配置为选择长距离源之一以产生至少一部分入射辐射，这是通过用由每一长距离源产生的入射辐射照射对象，对应每一长距离源的照射测量对象的吸收光谱，以及比较测量的吸收光谱以选择一个长距离源。该比较可以包括(a)对于每个长距离源，拟合对应长距离源的吸收光谱到泰勒级数模型用于对象的吸收光谱，并确定吸收光谱和模型之间的平均误差；和(b)选择对应吸收光谱和模型之间的最小平均误差的长距离源。所述比较可以包括在拟合吸收光谱对应长距离源之前，标准化吸收光谱。所述比较可以包括在拟合吸收光谱对应长距离源之前修正对应长距离源的每一吸收光谱以利用源于通过暴露对象到来自短距离源的辐射获得的吸收光谱的信息减小由于对象中的皮肤和脂肪层所引起的光谱影响。选择长距离源可以包括确定选择的长距离源是否满足最小适合性标准。确定选择的长距离源是否满足最小的适合性标准可以包括确定模型拟合误差的平均值(μ)和标准偏差(σ)，其中电子处理器可以配置为选择长距离源，如果模型和对应选择的长距离源的吸收光谱之间的平均误差是在间隔(μ -3 σ，μ +3 σ )之内的话。传感器可以包括辐射源，其包括两个或多个短距离源，电子处理器可以配置为选择短距离源和长距离源的组合以通过以下来产生至少一部分入射辐射(a)通过由每一短距离源产生的入射辐射照射对象；(b)测量对应每一短距离源的吸收光谱；(C)通过对应短距离源的每一光谱修正对应长距离源的每一光谱；(d)拟合修正的光谱到泰勒级数模型用于对象的吸收光谱并确定每一修正的光谱和模型之间的拟合误差；以及(e)识别对应修正的光谱中的最小拟合误差的包括短距离源和长距离源的组合。电子处理器可以配置为测量对象的修正吸收光谱，其是通过基于源于长距离源之一照射对象而从样品产生的辐射测量对象的第一吸收光谱，基于源于一个或多个短距离源照射对象而从样品产生的辐射测量第二吸收光谱，以及基于第二吸收光谱修正第一吸收光
■i並曰ο传感器可以包括非一次性部分和一次性部分，其中一次性部分接触非一次性部分并包括具有配置来直接附着到样品的粘接表面的柔性层。传感器可以包括定位在传感器的非一次性部分上的短距离辐射源，和定位在传感器的一次性部分上的两个或多个长距离辐射源。传感器可以包括显示单元，其中显示单元定位在传感器的表面上，传感器的该表面与另一表面相对，通过该另一表面入射辐射通过多个辐射源发出。显示单元可以配置为显示对象的一个或多个属性的至少一些的值。所述显示可以进一步配置为显示对象的一个或多个属性的以前测定的值。传感器可以包括通信接口，该通信接口包括配置为传输数据到传感器和从传感器传输数据的无线发射器和接收器，其中传感器配置为通过网络传输数据。一个或多个属性可以包括对象的氧饱和、氧张力、pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈、含水率和氧消耗的至少一个。电子处理器可以配置为在分析来自对象的辐射的过程中保持非零测量的检测器信号强度在预定的信号强度范围内。保持检测器信号强度在预定范围内可以包括调节检测器的电子增益和信号采集时间的至少一个以控制信号强度。保持检测器信号强度在预定范围之内可以包括选择多个辐射源的不同的一个以导向入射辐射到对象。选择多个辐射源的不同的一个可以包括从定位在距离检测器10毫米或更远处的辐射源中选择不同的辐射源。选择多个辐射源的不同的一个可以包括从定位在距离检测器9毫米或者更短距离处的辐射源中选择不同的辐射源。电子处理器可以配置为提供关于对象的一个或多个属性的信息到治疗装置以控制治疗装置。安装构件可以包括接触样品的第一一次性部分和第二非一次性部分，多个辐射源、检测器和电子处理器附着到第二非一次性部分，其中一次性部分至少部分地可被近红外辐射穿透并形成一窗口，通过辐射源产生的入射辐射通过该窗口到达样品。在一些实施例中，多个辐射源可以直接附着到电路板。在某些实施例中，多个辐射源可以固定地附着到电路板。在一些实施例中，多个辐射源可以附着到电路板以使得在使用过程中多个辐射源直接接触对象，湖综合直接接触定位在传感器和对象之间的材料层 (例如，粘接层)。辐射源可以直接电接触电路板。在某些实施例中，传感器可以包括多个光谱检测器和一个或多个辐射源。传感器可以包括附着到电路板的电源。电源可以包括电池。电池可以是可再充电电池和一次性电池之一。例如，电池可以是可再充电电池，传感器可以包括配置为在电池的充电过程中支撑传感器的设备。传感器可以配置为直接附着到样品。至少一部分传感器可以是柔性的，并且传感器可以配置为适合样品的形状。检测器可以包括电荷耦合器件。替代地，或者额外地，检测器可以包括基于互补金属氧化物半导体的装置。检测器可以包括可线性变化的过滤器。传感器的最大尺寸可以小于15厘米(例如，小于8厘米)。检测器的光谱分辨率的半最大值全宽(FffHM)可以是10. Onm或者更小(例如，2. Onm或者更小、0. 5nm或者更小)。多个辐射源的至少一些可以包括发光二极管。例如，多个辐射源的每个可以包括一个或多个发光二极管。多个辐射源的至少一些可以包括多个发光二极管。替代地，或者额外地，多个辐射源的至少一些可以包括白炽光源。通过发光二极管发出的辐射可以包括近红外辐射。近红外辐射可以包括这样的辐射，即包括600nm和IlOOnm之间的波长的辐射。多个发光二极管可以配置为产生具有25nm 更更大(例如，IOOnm或更大，500nm或更大)的半最大值全宽(FWHM)光谱带宽。电子处理器可以配置为选择性地调节发光二极管的至少一些以产生入射辐射。选择性地调节发光二极管的至少一些可以包括调节由发光二极管发出的辐射强度。发光二极管可以通过调节发光二极管的任务周期进行调节。发光二极管可以通过调节提供给发光二极管的驱动电流而进行调节。发光二极管可以被调节以增大或者减小来自多个辐射源的总输出辐射强度。发光二极管可以被调节以补偿通过样品对入射辐射的吸收。对吸收的补偿可以包括基于选取的在样品的辐射吸收光谱内的吸收带调节至少一些发光二极管。电子处理器可以配置为调节多个发光二极管的至少一些的输出强度以产生具有选择的光谱形的入射辐射。入射辐射的光谱形可以被选取来至少部分地修正用于样品对入射辐射的吸收。入射辐射的光谱形可以被选择来以至少部分地修正用于多个发光二极管中的不同发射强度。入射辐射的光谱形可以被选择来至少部分地修正用于检测器的光谱检测效率的变化。至少一些辐射源可以包括定位在距离检测器9毫米或者更短(例如距离检测器8 毫米或者更短，7毫米或者更短，6毫米或者更短，5或者更短，4毫米或者更短，3毫米或者更短，2. 5毫米或者更短)距离处的短距离源。传感器可以包括一个或多个短距离源(例如， 两个或多个短距离源、三个或多个短距离源、五个或多个短距离源、七个或多个短距离源、 超过七个短距离源)。至少一些辐射源可以包括定位在距离检测器10毫米或更远(例如距离检测器20 毫米或更远、距离检测器50毫米或更远)距离处的长距离源。每一长距离源相对于另一个长距离源可以定位在距离检测器的不同的距离处。多个辐射源的至少一些可以包括包括多个辐射发射元件的包。多个辐射源的至少一些的每个可以包括两个或多个包。至少一些包可以包括两个或多个辐射发射元件。电子处理器可以配置为选择两个或多个长距离源的一个以产生入射辐射。电子处理器可以配置为基于样品的吸收光谱中的光谱特征选择长距离源或者基于样品光谱中的吸收光谱带的预期形状和测量形状之间的相关性选择长距离源。吸收光谱带的测量形状可以通过从长距离源导向入射辐射到样品并测量从样品散射的辐射而确定。在其它实施例中，电子处理器可以配置为选择长距离源，其是通过用由每一长距
9离源产生的入射辐射照射样品，基于来自每一长距离源的入射辐射测量样品的吸收光谱， 和比较吸收光谱以选择一个长距离源。所述比较可以包括(i)对于每个长距离源，拟合对应长距离源的吸收光谱到模型(例如，泰勒级数模型，或者另一个另一类型的模型)用于吸收光谱，并确定吸收光谱和模型之间的误差；和(ii)选择对应吸收光谱和模型之间的最小平均误差的长距离源。所述比较还可以包括，在拟合之前，基于通过用由一个或多个短距离源产生的入射辐射照射样品而测量的吸收信息修正对应长距离源的每一光谱。在其它的实施例中，所述比较还可以包括选择长距离源，对于该长距离源，对应光谱和模型之间的误差满足最小适合性标准。最小适合性标准可以包括具有在误差平均值的3ο内的相对于模型的误差的光谱。在又另一实施例中，电子处理器可以配置为测量样品的修正的吸收光谱，其是通过基于源于一个长距离源的散射照射辐射测量样品的第一吸收光谱，基于源于一个或多个短距离源的散射的照射辐射测量样品的第二吸收光谱，和基于第二吸收光谱修正第一吸收光谱。第一吸收光谱可以被修正以减少样品中的皮肤色素沉着的光谱效果。替代地，或者额外地，第一吸收光谱可以被修正以减少样品中的脂肪的光谱效果。电子处理器还可以配置为基于从至少三个长距离源散射的照射辐射测量样品的至少三个修正的吸收光谱。在某些实施例中，传感器可以包括定位来附着传感器到样品的粘接元件。粘接元件可以是一次性的。在其它实施例中，传感器可以是一次性的或者非一次性的。或者，传感器可以包括非一次性的部分和连接到非一次性部分的一次性部分。多个辐射源可以包括相对于检测器位置的一个或多个短距离辐射源和一个或多个长距离辐射源，并且每一短距离源可以定位在非一次性部分上，而每一长距离源可以定位在一次性部分上。传感器可以包括电源，电源包括一次性电池，其中一次性电池定位在一次性部分上。或者，传感器可以包括电源，电源包括一次性电池，其中一次性电池定位在非一次性部分上。在各个实施例中，传感器可以包括配置为附着到样品的套筒，所述套筒包括配置为容纳传感器的袋。套筒可以是能至少部分地被近红外辐射穿透的。传感器可以包括显示单元。显示单元可以定位在传感器的表面上，传感器的该表面与另一表面相对，通过该另一表面入射辐射通过多个辐射源发出。在某些实施例中，传感器可以包括，或者还包括，通信接口。通信接口可以包括配置为发送来自传感器的数据或者接收发送到传感器的数据的无线发射器和接收器。通信接口可以包括配置为发送来自传感器的数据或者接收发送到传感器的数据的端口。传感器可以配置为通过通信接口发送数据到外部装置。传感器可以配置为通过通信接口发送数据到网络。网络可以是因特网。网络可以是移动电话网络。支持设备可以包括通信接口，传感器可以配置为在电池充电过程中发送数据到支持设备。一个或多个属性可以包括样品的氧饱和、氧张力、pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈、含水率和氧消耗的至少一个。样品可以包括肌肉组织。样品可以包括人体或者动物的一部分。样品可以包括定位在传感器和肌肉组织之间的皮肤和脂肪层。传感器可以包括围绕电路板的壳体、多个辐射源和检测器，其中壳体配置为附着到包括样品的对象。
传感器可以配置为将氧饱和、氧张力、pH、含水率和血细胞容量计的至少一个传送到外部系统，外部系统可以配置为控制包括样品的对象中的氧饱和、氧张力、PH、含水率和血细胞容量计的至少一个。在各个实施例中，选择多个辐射源的一个可以包括用由多个源的每一个产生的入射辐射照射样品，基于来自每一源的入射辐射测量样品的吸收光谱，并比较吸收光谱以选择一个源。选择多个辐射源的一个可以包括选择对应光谱特征的预期形状和测量形状之间的最相关的辐射源。光谱特征可以是吸收光谱带。传感器和/或设备的实施例还可以根据情况包括在这里公开的其它特征。在另一个方面，本发明的特征在于用于测量一个或多个样品属性的方法，所述方法包括选择多个辐射源之一并将来自选取的源的辐射导向来入射在样品上，检测来自样品的辐射，和基于检测的辐射确定一个或多个样品属性。所述选择包括(a)对于多个辐射源的每一个，通过暴露样品到来自辐射源的辐射测量样品的吸收光谱；(b)拟合吸收光谱到用于样品吸收的模型，并确定每个光谱相对于模型的平均拟合误差；以及(c)选择对应具有最小平均拟合误差的光谱的源。所述方法的实施例可以包括以下特征的一个或多个。模型可以是泰勒级数模型。所述选择可以包括在确定平均拟合误差之前标准化每一吸收光谱。所述选择可以包括在确定平均拟合误差之前修正每一吸收光谱以减少样品中的皮肤和脂肪层所致的光谱效果。所述选择可以包括确定与拟合误差相关的平均值μ和标准偏差值ο，并选择这样的源，即从对应该源的吸收光谱确定的平均拟合误差是在间隔 (μ -3 σ , μ +3 σ )的范围内。所述方法可以包括，在检测来自样品的辐射的过程中，保持检测到的辐射信号的强度大于零或者在预定的信号强度范围内。保持信号强度在预定范围内可以包括调节检测器的电子增益和信号采集时间的至少之一，其中在所述信号采集时间的过程中辐射被检测以控制信号强度。保持信号强度在预定范围内可以包括选择多个辐射源的不同个来导向辐射到样品。所述方法可以包括传输氧饱和、氧张力、pH、含水率和血细胞容量计的至少一个的值到外部系统，其中外部系统配置为控制包括样品的对象中的氧饱和、氧张力、PH、含水率和血细胞容量计的至少一个。所述方法的实施例还可以根据情况包括在这里公开的其它步骤和/或特征的任
ο公开的各实施例可以包括以下优点的一个或多个。在一些实施例中，在此公开的传感器并不使用光纤以耦合来自照射源的入射辐射到样品和/或耦合从样品散射的辐射到检测器。典型地，光纤会是易碎的并在使用过程中受到破坏。制造光纤到精确的公差会是困难的、耗时的以及昂贵的。进一步地，包括在源、 样品和检测器之间耦合辐射的光纤的传感器可以受益于周期性的再校准以应对光纤随着时间的退化。在这里公开的传感器通过样品、通过空气以及通过各种大体积的光学元件耦合辐射从源到样品以及从样品到检测器。这些辐射传播介质不会受到光纤典型地会受到的相同制造限制、成本和降级。
在某些实施例中，在这里公开的传感器包括所有的固态部件，既包括电子部件也包括光学部件。结果，部件可以典型地可靠地和/或便宜地进行制造，如有必要大规模地进行生产。部件的批量生产可以产生足够便宜以在使用后部分地或者完全地一次性的传感器。在一些实施例中，例如，传感器通过一次性的粘接垫附着到身体部分。在一些实施例中， 整个传感器形成为密封的一件式的单元，并且为使用后一次性的。在一些实施例中，传感器的一部分(例如，仅包括长距离照射源的部分)是一次性的，而传感器的其它部分是可再用的。在一些实施例中，一些或者全部的传感器的辐射源包括多个发光二极管(LED)，并且传感器的电子处理器可以调节一些或者全部LED的集成输出强度以产生具有选取的光谱特性的入射辐射。例如，一些或者全部的LED的强度可以调节以补偿在某些波长比在其它波长样品对入射辐射的吸收更强；在检测器中的可变的取决于波长的检测效率；以及可变的取决于波长和二极管的发射强度。结果，入射辐射的光谱特性可以调节以提供电磁波光谱的样品强烈吸收入射辐射的部分中的提高的灵敏度。典型地，传感器包括配置为集体地发射具有相对宽的频带宽度的入射辐射多个 LED。相应地，光谱检测器可以配置为在相对大量的波长下采样散射的辐射，并因此可以提供相对高的光谱分辨率。此外，因为样品的吸收光谱可以在相对大量的波长下确定，所以吸收光谱可以被修正以减少和/或消除由于样品中的皮肤和脂肪层引起的光谱贡献。在某些实施例中，传感器包括光谱检测器，该光谱检测器包括可线性变化的过滤器(LVF)或者可变的Fabry Perot校准器(FPE)，其具有相对高的温度稳定性。例如，由于 LVF的结构，LVF的温度稳定性典型地高于某些其它类型的光谱检测器例如基于光栅的系统的温度稳定性。结果，在这里公开的传感器可以典型地在宽范围的温度上使用，而不必再校准检测器。在这里公开的传感器可以是便携的甚至是可穿戴的，并可以包括电路板，包括多个辐射源、光谱检测器、电子处理器、通信接口和电源的传感器部件可以安装在该电路板上。结果，传感器可以穿戴在衣服下或者作为衣服的一部分，并可以用于例如体育训练过程中、患者监测、修复和场医学以及患者转运过程中的环境中，对穿戴者施加相对少的干扰或者负担。传感器还可以由动物穿戴，相对于更多的传统的监控装置具有相对少的不适性。除非另有说明，在此使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。尽管与在此描述的类似或等同的方法和材料可以用于本公开的实施或者测试中，但是适当的方法和材料描述如下。所有的出版物、专利申请、专利以及其它在此提及的参考文献被全文引入作为参考。如果存在冲突，以包括定义的本描述为准。此外，材料、方法和例子仅仅是示例性的，并不意在为限制性的。—个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。其它的特征和优点将从描述、附图和权利要求变得明显。


图IA和IB分别是传感器的实施例的底部和顶部示意图。图IC是传感器的另一实施例的底部示意图。图2是示出附着到样品表面的传感器的示意图。
图3A和;3B是示出传感器壳体的传感器的视图。图4是示出检测器的实施例的示意图。图5是示出包括准直元件的检测器的侧视图的示意图。图6A是示出传感器通过粘接垫附着到样品的示意图。图6B是示出传感器通过辐射源安装在其上的一次性构件附着到样品的示意图。图7是示出通过粘接贴片固定到样品的传感器的示意图。图8是示出用于附着传感器到样品的套筒的示意图。图9是示出用于传感器的充电托架的实施例的示意图。图10是示出用于传感器的校准检查和源选择程序的步骤的流程图。图11是示出使用传感器的测量程序的步骤的流程图。图12A-D是在对象身体上的不同位置测量的用于人体测试对象的反射光谱的图形。图13A是比较基于在对象身体的不同位置以及以不同的源-检测器间隔执行的光谱反射测量的用于测试对象的氧饱和的计算值的条形图。图1 是示出与图13A所示的氧饱和的值相关的泰勒级数模型拟合误差的条形图。图14A是示出对测试对象测量的反射光谱的暂时时间序列的图形。图14B是示出与图14A所示的光谱的暂时时间序列相关的泰勒级数模型拟合误差的图形。图15是从多个LED测量的发射辐射光谱，其中每个LED从电源接收相同百分数的驱动电流。图16是从多个LED测量的发射辐射光谱，其中一些LED从电源接收不同百分数的驱动电流。图17是示出在从样品测量反射光谱的过程中作为时间函数的样品温度的图形。图18是示出确定用于传感器的平均增益水平的图形。图19A-B是示出利用长的源-检测器距离的用于光纤探针和传感器的作为名义反射标准的函数的测量的光强的图形。图20A-B是示出利用短的源-检测器距离用于光纤探针和传感器的作为名义反射标准的函数的测量的光强的图形。图21是示出利用不同的传感器校准方法测量的波长校准曲线的图形。图22是示出在动脉阻塞测试协议过程中随着时间推移获得的一系列反射光谱的图形。图23是在血液闭塞测试协议过程中作为源于图22的反射光谱的时间的函数的氧饱和的图形。图M是示出用于一系列组织的假想图(phantom)的作为脂肪厚度函数的预测的反射辐射强度的图表。图25A-B是分别示出利用短的源-检测器间隔用于中等色调和深色调组织的假想图的作为脂肪厚度函数的传感器测量的反射辐射强度的图形。图26A-B是分别示出利用长的源-检测器间隔的用于中等和深色调组织的假想图
13的作为脂肪厚度的函数的传感器测量的反射辐射强度的图形。图27是利用短的源-检测器间隔的用于中等和深色调组织的假想图的作为脂肪厚度函数的光纤探针测量的反射辐射强度的图形。图观是示出利用长的源-检测器间隔的用于中等和深色调组织的假想图的作为脂肪厚度函数的光纤探针测量的反射辐射强度的图形。图四是示出用于光纤探针和传感器的在测试协议过程中在不同点的肌肉氧饱和的计算值的条形图。图30是示出在测试对象中的已知的肌肉pH值和通过传感器测量的反射光谱得出的肌肉PH值之间的对应性的图形。图31是包括在检测器的相对侧面上的短距离和长距离辐射源的传感器的实施例的示意图。图32是包括沿着不同的方向从检测器间隔开的短距离和长距离辐射源的传感器的实施例的示意图。图33是包括环形的辐射源的传感器的实施例的示意图。图34是包括一个辐射源和多个检测器的传感器的实施例的示意图。图35是包括多个短距离源的传感器的实施例的示意图。在各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式在这里公开的是用于确定特别地包括人体对象的样品的属性的传感器和相关方法。传感器典型地但非排他地配置为测量样品的近红外吸收或者从样品反射的光谱，并基于吸收或者反射光谱计算一个或多个样品参数。传感器是相对小的，并可以包括电路板，全部的传感器部件在该电路板上。结果，传感器特别地能够由人体对象磨损更长的时间，即使是在相对高的物理应力期间。图IA和IB是分别示出传感器10的底部表面和顶部表面的示意图。传感器10包括光谱检测器12、两个短距离辐射源1 和14b和六个长距离辐射源16a、16b、16c、16d、 16e和16f。检测器12和辐射源14a-b和16a-f安装到电路板18。短距离辐射源14a和 14b的每一个可以包括一个或多个包，每个包可以包括产生照射辐射的一个或多个元件。类似地，长距离辐射源16a-f的每个可以包括一个或多个包，每个包可以包括产生照射辐射的一个或多个元件。图IA和IB示出包括两个短距离源14a和14b和六个长距离源16a_f的传感器 10的实施例，但是，更一般地，传感器10可以包括任何数量的短距离辐射源和任何数量的长距离辐射源。例如，在一些实施例中，传感器10可以包括一个或多个短距离辐射源(例如，两个或更多的短距离辐射源，三个或更多的短距离，四个或更多的短距离辐射源，五个或更多的短距离辐射源，六个或更多的短距离辐射源，八个或更多的短距离辐射源，或者甚至更多的短距离辐射源)。在某些实施例中，传感器10可以包括一个或多个长距离辐射源 (例如，两个或更多的长距离辐射源，三个或更多的长距离辐射源，四个或更多的长距离辐射源，五个或更多的长距离辐射源，六个或更多的长距离辐射源，八个或更多的长距离辐射源，或者甚至更多的长距离辐射源)。
在传感器10中的短和长距离源可以直接附着到电路板18。也就是，这些源可以直接安装到电路板18，而不是经由电线或者电缆或者光纤连接到电路板18。在一些实施例中，短和长距离源可以直接焊接到电路板18 (例如，没有分隔这些源和电路板18的间隔器或者其它元件)。在某些实施例中，短和长距离源还可以固定地附着到电路板(例如，安装在电路板18上以使得在源和电路板18之间存在固定的空间关系)。通过固定附着，这些源并不独立于电路板18运动，而如果这些源是通过电缆或者光纤附着，则这些源会独立于电路板18运动。相反地，这些源刚性地附着到电路板18以使得这些源关于电路板18的位置并不改变。通常，短距离和长距离辐射源的每一个可以包括一个或多个包(例如，两个或更多的包，两个或更多的包，三个或更多的包，四个或更多的包，五个或更多的包，六个或更多的包，或者甚至更多的包)。每一包可以包括产生照射辐射的一个或多个元件(例如，两个或更多的元件，三个或更多的元件，四个或更多的元件，或者甚至更多的元件)。进一步地， 放射不同波长的辐射的元件可以定位在不同的空间位置，其取决于样品和检测器。例如，如果检测器12配置为在不同的空间位置分辨不同的波长，那么短和长距离源的一些或者全部中的元件和/或包可以定位为直接地或者相对地对应检测器12的构型。在一些实施例中，在短和/或长距离辐射源的一些中的包的数量可以变化。例如， 定位为更远离检测器12的源可以包括更多数量的包，以保证足够的散射辐射强度由检测器12测量。通常，短和/或长距离源的任一可以包括任何数量的包，包的数量选择来保证样品通过期望分布的入射辐射充分照射，并保证检测器12获得从样品散射的辐射的适当的测量。例如，在一些实施例中，定位为最远离检测器12的长距离源可以包括定位为最靠近检测器12的长距离源的1. 5倍数量的包(例如，2. 0倍数量的包，2. 5倍数量的包，3. 0倍数量的包，3. 5倍数量的包，4. 0倍数量的包)。在每个短和长距离辐射源的包中的元件典型地选择为以使得当元件被促动(例如，发射光线)时，通过这些元件集体地产生的光的光谱对应于光谱分布的期望照射辐射。 光谱分布可以通过定位特定元件在短和/或长距离源中而改变，以使得样品可以根据特定的光谱分布进行照射。在一些实施例中，例如，用于一个或多个短和/或长距离源的照射光谱可以选取为以使得在光谱的特定区域中传感器10的测量敏感度提高，如前所述。如图IA所示，辐射源Ha-b和16a_f的发射窗以及检测器12的辐射入口表面暴露在传感器10的底面上。传感器10还包括电子处理器20、任选的应用处理器22、任选的显示单元24、电源沈和通信接口 28。处理器20和22、显示单元对、电源沈和接口观安装到电路板18的上表面，如图IB所示。在一些实施例中，处理器22并不包括在传感器10中；而是，处理器22 是经由通信接口观与传感器10通信的外部计算装置(例如，个人计算机)的一部分，并执行在这里公开的处理器22 (或者处理器20)的一些或者全部功能。在一些实施例中，长距离辐射源的一些(或者全部)可以安装在经由适当的连接器接口到电路板18的单独的电路板上。图IC示出传感器10的底部的示意图，传感器10包括第一电路板18和第二电路板19。第一电路板18包括检测器12和两个短距离源Ha-b。 第二电路板19包括五个长距离源16a_e。连接器21连接第一和第二电路板，并允许这些电路板之间的通信(例如，交换数据和控制信号)。典型地，例如，处理器20 (和任选地，处理器22)位于第一电路板18上，并经由连接器21与长距离源16a-e通信。在某些实施例中，电源沈安装在第一电路板18上，并还可以经由连接器21与源 16a_e通信。电源沈可以包括例如可再充电电池。在一些实施例中，电源沈可以包括一次性电池。在例如如图IC所示的实施例中，一次性电池可以定位在第一电路板18上或者连接到第一电路板18。或者，一次性电池定位在第二电路板19上或者连接到第二电路板19。 如果第二电路板19是一次性的电路板，电池可以随着第二电路板19同时处理掉。图2示出安装在样品30上的传感器10的示意图。样品30包括一层或多层皮肤 32、皮下脂肪层34和下面的肌肉组织36。传感器10配置为通过导向由至少一个(例如全部的)辐射源14ab和至少一个辐射源16a-f产生的辐射38以入射在肌肉组织36上而询问(interrogate)肌肉组织36。散射的辐射40通过检测器12 (未示出)接收和分析以确定散射的辐射的光谱。散射的辐射光谱然后通过电子处理器20和/或处理器22 (未示出) 处理以确定肌肉组织36的吸收光谱。基于吸收光谱，电子处理器20和/或22可以确定样品30(和特别地样品30中的肌肉组织36)的一个或多个属性。通常，通过检测器12测量的散射的辐射光谱，其典型地包括关于从样品30散射的辐射的波长依赖的信息，可以利用熟知的方法通过电子处理器转换到肌肉组织36的吸收光谱。如前所述，在下面的讨论中，参照样品例如样品30的吸收光谱。但是，在这里公开的设备和方法也可以用于从测量的散射的辐射获得反射光谱；反射和吸收通过简单的数学变换相关联。用于转化光谱散射辐射信息为关于样品的反射和吸收光谱的方法公开在例如美国专利申请公开号US 2008/0097173中。除转化散射的辐射信息到吸收和/或反射光谱之外，处理器20和/或22可以配置(例如，利用存储在记忆单元、磁存储单元和/或光存储单元中的校准等式和/或数据) 为分析吸收光谱以获得关于样品30的生理重要参数的测量。通常，处理器20和/或22可以配置为执行在这里讨论的任何分析步骤。在一些实施例中，关于样品30的一个或多个吸收光谱可以被分析以确定样品中的pH(例如，肌肉组织pH)。用于确定组织pH的系统和方法公开在例如标题为“Optical Measurement of Tissue pH”的美国专利No. 5，813，403中，该美国专利的整个内容在此被引入作为参考。在某些实施例中，关于样品30的一个或多个吸收光谱可以被分析以确定样品中的血细胞容量计。用于确定血液血细胞容量计的系统和方法公开在例如标题为 "Noninvasive Optical Measurement of Blood Hematocrit” 白勺禾!J No. 6，006，119 中，该美国专利的整个内容在此被引入作为参考。在一些实施例中，关于样品30的一个或多个吸收光谱可以被分析以确定例如血红蛋白浓度和/或含水率和/或氧张力和/或组织氧饱和的量。用于确定这些量的系统和方法公开在例如美国专利申请公开号US2008/0097173中以及美国专利No. 6，766，188中， 该美国专利申请和该美国专利的整个内容在此被引入作为参考。在某些实施例中，关于样品30的一个或多个吸收光谱可以被分析以确定例如样品中的厌氧阈和/或代谢率(例如耗氧率)的量。用于确定这些量的系统和方法公开在于 2008 年 7 月 14 日提交的例如标题为“Physical Performance Monitoring and Monitors” 的美国专利申请序列号No. 12/172，942中，该美国专利申请的整个内容在此被引入作为参考。在一些实施例中，关于样品30的一个或多个吸收光谱可以被分析以确定其它量， 例如样品30内的感兴趣的组织的温度。此外，处理器20和/或22可以包括基于硬件的温度监测器，其有效地监测例如传感器10附着到其上的样品表面的温度。典型地，传感器10包括壳体，壳体围绕部件例如电路板18并且还包括孔，所述孔允许由短和长距离源产生的辐射从壳体出来，并允许从样品散射的辐射入射在检测器12 上。图3A和3B分别示出包括壳体11的传感器10的底部视图和顶部视图。形成在壳体11 的底面上的孔暴露长距离源16a_e、短距离源14a_b和检测器12，如图3A所示。形成在壳体11的侧表面上的孔17a和17b允许分别连接到通信接口 28和电源26。环15允许紧固件例如带(例如，Velcro 带或者其它类型的带)固定壳体11到样品(例如，对象的臂或者腿)。典型地，传感器10的尺度小于传统的光谱装置的相应尺度。参照图3B，传感器10 的壳体包括底面，该底面具有最大尺度L、在垂直于最大尺度L方向测量的最大宽度W和在垂直于最大尺寸L和最大宽度W 二者的方向测量的厚度T。传感器10的尺度L、W和T可以根据包括在传感器10中的各部件(例如，辐射源、 处理器、显示单元、电源的数量和空间位置)而变化。在图3A和3B所示的实施例中，尺度 L、W和T分别为大约110毫米、55毫米和20毫米。但是，通常，传感器10的尺度L、W和T可以在不同实施例中不同。在一些实施例中，最大尺度L可以是15毫米或更大(例如，20毫米或更大，30毫米或更大，40毫米或更大，50毫米或更大，60毫米或更大，70毫米或更大，80毫米或更大)和/或150毫米或者更小(例如，140毫米或者更小，130毫米或者更小，120毫米或者更小，110毫米或者更小，100 毫米或者更小，90毫米或者更小)。在某些实施例中，最大宽度W可以是10毫米或者更大 (例如，15毫米或者更大，20毫米或者更大，25毫米或者更大，30毫米或者更大，35毫米或者更大，40毫米或者更大)和/或75毫米或者更小(例如，70毫米或者更小，65毫米或者更小，60毫米或者更小，55毫米或者更小，50毫米或者更小，45毫米或者更小)。在一些实施例中，厚度T可以是5毫米或者更大(例如，10毫米或者更大，15毫米或者更大，20毫米或者更大)和/或30毫米或者更小(25毫米或者更小)。典型地，传感器10是足够薄的(例如，厚度T是足够小的)以使得传感器10可以由人体或者动物对象舒适地穿戴而不会导致不当的不适。对于人体对象，这样的传感器可以舒适地穿戴在例如衣服下面。检测器12是配置为分析作为波长函数的输入辐射的光谱检测器。在某些实施例中，例如，检测器12可以包括可线性变化的过滤器或者可变FabryPerot校准器(FPE)，其耦合到辐射检测器例如线性光电二极管阵列、电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)装置。图4是包括耦合到线性阵列CXD检测器50的可线性变化的过滤器(LVF) 54 的检测器12的示意图。LVF54实质上为楔形带通过滤器，并包括镜子层42和44、间隔器层 46和基板48，其集体地用作校准器或者干涉带通过滤器。辐射52(例如，准直辐射)沿着如图4所示的ζ方向入射在检测器12上。带通干涉滤光器和可变带通过滤器例如LVF的设计、 操作和功能公开在例如由JDSUniphase (再版)出版的“ Interference Filter Handbook” 中，其整个内容在此被弓丨入作为参考。
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在一些实施例中，检测器12具有在传感器10的宽度W方向测量的长度，该长度为 2毫米或者更大(例如，4毫米或者更大，6毫米或者更大，8毫米或者更大，10毫米或者更大，12毫米或者更大)和/或20毫米或者更小(例如，18毫米或者更小，16毫米或者更小， 14毫米或者更小)。在某些实施例中，检测器12具有在传感器10的厚度T方向测量的厚度，其为0. 1毫米或者更大(例如，0. 2毫米或者更大，0. 3毫米或者更大，0. 5毫米或者更大，1. 0毫米或者更大，2. 0毫米或者更大)和/或5. 0毫米或者更小(例如，4. 0毫米或者更小，3. 0毫米或者更小，2. 5毫米或者更小)。在一些实施例中，检测器12具有在传感器10的长度L方向测量的宽度，其为1. 0 毫米或者更大(例如，1. 5毫米或者更大，2. 0毫米或者更大，2. 5毫米或者更大)和/或4. 0 毫米或者更小(例如，3. 5毫米或者更小，3. 0毫米或者更小)。装置例如LVF、FPE和CXD检测器通常具有鲁棒性，不会随着时间明显降级。结果， 这些装置的光谱属性典型地保持相对恒定，从而消除随着时间推移执行检测器12的再校准的需要，此外，LVF、FPE和CCD检测器在温度波动的影响下是相对稳定的。典型地，LVFM 的层由各种非晶形或者晶体材料形成，其在温度温和变化下不会明显膨胀或者收缩。结果， LVF54的光谱过滤属性对于温和的温度变化保持相对无变化，并且检测器12并不典型地必须校准用于可变温度操作。通常，检测器12可以包括各种类型的光谱检测器。例如，检测器12可以包括这样的检测器，即，包括耦合到波长分散元件例如一个或多个衍射光栅和/或棱柱的辐射敏感元件(例如，光电二极管阵列和/或CCD和/或CMOS装置)的检测器。此外，检测器12可以包括其它类型的分散和/或过滤元件(例如衍射光学元件、基于液晶的过滤器、带通过滤器、可调校准器)，其用于提供入射辐射的波长敏感检测和/或分析。在某些实施例中，检测器12的半最大值全宽(FWHM)光谱分辨率是10. Onm或者更小(例如，8. Onm或者更小，6. Onm或者更小，5. Onm或者更小，4. Onm或者更小，3. Onm或者更小，2. Onm或者更小，1. Onm或者更小，0. 5nm或者更小，0. 25nm或者更小)。通常，FffHM光谱分辨率取决于有源检测器元件的数量(例如，在CCD检测器上的像素)和在检测器中的光学元件的波长分散能力。在一些实施例中，传感器10可以包括配置为有效控制散射的辐射从样品30入射在检测器12上的角度范围的一个或多个光学元件。例如，图5示出包括附着到检测器12的表面(例如，接收从样品30散射的辐射的检测器12的表面)的准直元件56的传感器10。 检测器12可以包括例如LVF，并且准直元件56可以直接附着成连接到LVF。检测器12还可以包括例如耦合到LVF的相对表面的CXD检测器。整个组件-准直元件56、LVF和CXD 检测器-可以安装在电路板18上，如图5所示。准直元件56用以准直从样品30散射的辐射40以控制散射的辐射入射在检测器12上的角度的范围。LVFM的光谱带通属性，例如LVFM的光谱通频带的FWHM光谱宽和/或形状，取决于入射辐射的入射角。特别地，在 LVFM上的散射的辐射的入射角的变化可以导致沿着CCD检测器50在一个或多个位置的带通波长的蓝色-偏移(blue-shift)，和/或LVFM中的光谱分辨率的损失(例如，通带宽度增加)。通过控制经由准直元件56入射的角度范围，检测器12的光谱属性可以在相对长的使用周期为可再生的。通常，各种不同的准直元件56可被用于传感器10。示例性的准直元件包括光纤面板(例如，光纤窗)、准直孔装置、梯度指数(GRIN)透镜、纤维束、透镜阵列、光学窗口(包括整形的光学窗口)及其他类似装置。传感器10典型地包括多个辐射源。在一些实施例中，一些或者全部辐射源包括发光二极管(LED)。传感器10的一些(或者全部的)辐射源可以提供相对宽的带宽入射辐射用于照射样品30。为了提供这样的辐射，辐射源可以包括一个或多个LED。例如，在某些实施例中，一些辐射源可以包括单一宽带的LED。在一些实施例中，某些辐射源可以包括多个 LED。多个LED可以每个发射具有不同中心波长和/或光谱带宽的辐射。在一些实施例中， 多个LED的一些可以发射具有相同的中心波长和/或频带宽度的辐射。在如图IA所示的实施例中，例如，每个源Ha-b和16a_f包括六个LED，其分别具有735nm、780nm、810nm、850nm、890nm和940nm的中心发射波长。六个LED —起可以被给电以传递高至大约500mW的总辐射功率，其取决于用于驱动/给电LED的方法。在如图IA所示的实施例中，LED定制包装为表面安装技术装置，具有大约2mm的宽度。每个包可以配置为保持多至三个LED模(辐射发射元件)。六个LED分布在两个LED包中；一个包包括三个LED模，其他个包括两个LED模。LED典型地由来自电源沈的在3. 5V和5V之间的稳定电源供电。在一些实施例中，电源沈可以是例如递送6V或者更大电压的变压器组。在一些实施例中，辐射源Ha-b和16a_f的任何一个或者更多可以包括其它类型的辐射发射元件。例如，辐射源可以包括白炽(例如，钨丝)灯。适当的灯包括例如 Gilway 型号 T-I 和 T-11/4，其可以从 International Light Technologies (Peabody，ΜΑ) 获得。这些灯具有相对低的工作电压(5V)、工作电流(0.06々)，并可以提供高至200，000 小时的工作时间。此外，灯可以在3. 5V下操作，具有相对少的近红外辐射输出降低，并具有稳定性和寿命的相对大的提高。类似的灯型号也是可以可用的，例如，来自例如Welch Allyn(Skaneateles Falls, NY)公司的。通常，传感器10的一些或者全部的辐射源可以包括任何数量的辐射发射元件(例如，LED、钨丝灯)。在一些实施例中，例如辐射源可以包括一个或多个辐射发射元件(例如， 两个或多个辐射发射元件，三个或者更多辐射发射元件，五个或者更多辐射发射元件，七个或者更多的辐射发射元件，九个或者更多的辐射发射元件)。在一些实施例中，在一些短和/或长距离辐射源(和/或在短和/或长距离辐射源中的一些包)的辐射发射元件的数量可以变化。例如，定位为更远离检测器12的源可以包括具有更多数量的辐射发射元件的包，以保证整个的散射的辐射强度通过检测器12测量。通常，短和/或长距离源的包的任何可以包括任何数量的辐射发射元件，从而元件数量选择为保证样品通过期望分布的入射辐射进行充分照射，并保证检测器12获得从样品散射的辐射的适当的测量。当传感器10的一些或者全部的辐射源包括多个辐射发射元件时，电子处理器20 可以配置为调节辐射发射元件以控制通过多个元件产生的输出辐射的属性。特别地，例如， 当传感器10的某些辐射源包括多个LED时，处理器20可以控制从各个LED的每一个发射的辐射强度以控制通过所述源产生的辐射的总体分布。发射辐射强度的控制可以例如通过数字-模拟变换器(DAC)实现，该变换器将来自处理器20和/或22的数字控制信号转换为施加到给定辐射源元件的模拟控制电压。对于适当分辨率的(例如14位的)DAC，可以实现对各个LED的发射强度的相对精细的控制，并且可以实现连续波发射。
或者，在一些实施例中，各个LED的直接数字控制可以通过处理器20和/或22经由LED的脉宽调制(PWM)实现。脉宽调制提供调整的(例如脉冲的)LED输出。在PWM控制下，在选择的临时窗口上的LED输出的累积强度被控制，从最大值(总是打开)到零(总是关闭)，根据调制信号的任务周期限定。这些极限之间的发射强度通过处理器20和/或 22通过LED的高频脉冲而实现。通过控制LED发出脉冲的速率，LED的任务周期可以得以调节。例如，为了减小特定LED的发射强度从它的最大值到半最大值，LED的任务周期减小到 50%。在某些实施例中，各个LED的发射强度是固定的。也就是，对于每个LED的适当的发射强度基于特定测量场合而确定，并且供应到每一 LED以实现对每一 LED的期望强度的输出的电流被确定(如在例子3中进一步讨论的)。在用于每个LED的适当的驱动电流已经确定之后，电阻器可以被引入到用于每一 LED的驱动电路中以保持用于每一 LED的适当的驱动电流。用于LED的特定选择的适当的驱动电流(和电阻器)的确定可以利用校准传感器一次性完成，并且利用相同的LED组合构建的随后的传感器可以包括一套预定的电阻器；并不要求单独校准每个传感器。处理器20和/或22可以配置为基于各种原因控制从多个辐射发射元件发射的辐射强度。例如，在某些实施例中，一些辐射发射元件的强度可以高于其它辐射发射元件的强度。通过控制(例如，减小)某些辐射发射元件的强度，导向到样品的照射辐射的光谱轮廓可以更加均一，例如，或者可以被修改以使得光谱轮廓更通常地呈现期望(并且已知的)形状。通过利用具有已知形状的照射辐射，它可以更易于识别例如在测量的从样品散射的辐射中的感兴趣的光谱特征。作为另一例子，在一些实施例中，检测器12对入射辐射的敏感度可以作为辐射的波长的函数变化。相应地，照射辐射的光谱轮廓可以选择为减小或者消除在测量的散射的辐射光谱中由于检测器灵敏度的该变化引起的光谱特征。如上，选择照射辐射的光谱轮廓可以包括增大和/或减小在处理器20和/或22控制下相对于其它的辐射发射体从某些辐射发射器发射的辐射强度。作为其它例子，在一些实施例中，样品(例如，样品30)可以包括吸收在一个或更多公知波长下的入射辐射的半体。为了提高在测量的散射的辐射中的信噪比(以及甚至为了使得能够测量在吸收波长的散射的辐射)某些辐射发射器的发射强度可以相对于其它辐射放射器增大和/或减小。特别地，发射落在吸收光谱带中的辐射的辐射发射器的发射强度可以相对于其它发射器的发射强度增大(或者其它发射器的强度可以相对于在吸收光谱带内发射的发射器的发射强度减小)。典型地，例如，传感器10的每个辐射源发射包括多个辐射波长的辐射。在一些实施例中，从每个源发射的辐射的FWHM光谱带宽是IOnm或者更大(例如，15nm或者更大， 20nm或者更大，50nm或者更大，IOOnm或者更大，200nm或者更大，300nm或者更大，400nm或者更大，500nm或者更大，700nm或者更大)。通过每个源发射的辐射的可用范围可以由检测器12的传输范围确定。在某些实施例中，例如，检测器12包括具有从600nm到IlOOnm传输范围的LVF。发射的辐射的可用范围在一些实施例中也可以取决于耦合到检测器12中的波长发散元件的检测器的光谱响应。例如，由硅形成的光电二极管阵列、CCD阵列和CMOS 阵列典型地具有达到大约IlOOnm上限的可用光谱响应。由其它材料形成的检测器可用于在甚至更长的波长测量样品响应。通常，传感器10的每个辐射源发射具有中心波长的辐射。从每个源发射的辐射的中心波长可以在600nm和IlOOnm之间(例如在650nm和1050nm之间，在700nm和IOOOnm 之间，在750nm和IOOOnm之间，在800nm和IOOOnm之间，在800nm和IlOOnm之间)。每个辐射源(例如，源Ha-b和16a_f)包括一个或多个辐射发射器例如LED和/ 或钨丝灯。辐射发射器可以全部在相同的中心发射波长发射，或者一些发射器可以在不同波长发射。替代地，或者额外地，辐射发射器可以全部具有不同的FWHM发射带宽，或者至少一些发射器可以具有相同的频带宽度。通常，每个发射器发射具有在600nm和IlOOnm之间(例如，在650nm和1050nm之间，在700nm和IOOOnm之间，在750nm和IOOOnm之间，在800nm和IOOOnm之间，在800nm和 IlOOnm之间)的中心发射波长的辐射。典型地，例如，每个发射器具有3nm或者更大(例如， 5nm或者更大，IOnm或者更大，15nm或者更大，20nm或者更大，30nm或者更大，40nm或者更大，50nm或者更大，60nm或者更大，80nm或者更大，IOOnm或者更大，150nm或者更大，200nm 或者更大)的FWHM发射带宽。传感器10包括短距离源Ha-b和长距离源16a-f。短距离源定位在沿着如图IA 所示的X方向测量的距离检测器12距离S处。典型地，例如，S为大约2. 5毫米。但是，通常，s可以为0. 5毫米或者更大(例如，1. 0毫米或者更大，1. 5毫米或者更大，2. 0毫米或者更大，2. 5毫米或者更大，3. 0毫米或者更大，4. 0毫米或者更大，5. 0毫米或者更大)和/或 10. 0毫米或者更小(例如，9. 0毫米或者更小，8. 0毫米或者更小，7. 0毫米或者更小，6. 0毫米或者更小)。如图IA所示，在某些实施例中，传感器10包括两个短距离源Ha-b。短距离源的数量典型地选择来保证当短距离源用于照射样品时检测器12被从样品散射的辐射相对地均一地照射。相应地，通常，传感器10可以包括一个或多个短距离源。例如，在一些实施例中，传感器10可以包括定位在检测器12的一侧上的零至四个短距离源。零至四个短距离源还可以定位在检测器12的另一侧上。每一源可以包括一个或多个包，如上所述，并且每一包可以包括一个或多个辐射发射元件。在某些实施例中-例如，其中传感器10具有延长的长度L-在检测器12的每个侧面上的短距离源的数量可以甚至更大(例如，五个或者更大，六个或者更大，七个或者更大，八个或者更大，九个或者更大，十个或者更大)。传感器10还包括多个长距离源16a_f。在一些实施例中，如图IA所示，传感器10 包括六个长距离源16a-f。从特定辐射源入射的辐射穿透样品并在那里产生检测的从感兴趣的组织散射的辐射的深度总体上与辐射源和检测器之间的直线距离相关。传感器10的每一长距离源因此大致对应对样品表面下面一定深度的样品询问。典型地，适当的长距离源被选取来照射样品30中的肌肉组织36，其是通过选取产生能够穿透下面的层以充分照射在样品30表面之下的肌肉组织36的长距离源以使得从肌肉反射的光线可以由检测器12 充分测量。传感器10通常可以包括任何数量的长距离源以使得能够在样品的表面之下的各种深度进行组织的测量。在某些实施例中，例如，传感器10可以包括一个或多个长距离源(例如，两个或更多的长距离源，三个或者更多的长距离源，四个或者更多的长距离源， 五个或者更多的长距离源，七个或者更多的长距离源，九个或者更多的长距离源，或者甚至更多的长距离源)。所有的长距离源可以定位在沿着Χ方向从检测器12测量的不同距离处，如图IA所示，或者至少一些源可以定位在距离检测器12相同距离处。典型地，任何长距离源和检测器12之间的最短距离为d，如图IA所示。每一短距离源定位在距离检测器12小于d的距离处，并且每一长距离源定位在距离检测器为12d或者更大距离处，该距离是在χ方向测量的。在一些实施例中，d是5毫米或者更大(例如6 毫米或者更大，8毫米或者更大，10毫米或者更大，12毫米或者更大，毫米或者更大，16毫米或者更大，18毫米或者更大，20毫米或者更大，22. 5毫米或者更大，25毫米或者更大，27. 5 毫米或者更大，30. 0毫米或者更大，35. 0毫米或者更大，40毫米或者更大，50毫米或者更大)。再一次参照图1A，在一些实施例中，每一长距离源之间的间隔h是相同的，以使得每个连续的长距离源从检测器12位移额外的距离增量h。在如图IA所示的实施例中，例如，六个长距离源16a-f分别定位在沿着χ方向测量的距离检测器12为25毫米、30毫米、 35毫米、40毫米和45毫米距离处。在某些实施例中，每一长距离源之间的间隔并不是全部相同的。例如，传感器10 可以包括第一组长距离源和第二组长距离源，其中第一和第二组的每个构件定位为相对紧靠相同组的其它构件，但是相对远离另一组中的源。通常，任何两长距离辐射源元件之间的间隔h可以是0. 5毫米或者更大(例如， 1. 0毫米或者更大，2. 0毫米或者更大，3. 0毫米或者更大，4. 0毫米或者更大，5. 0毫米或者更大，7. 5毫米或者更大，10. 0毫米或者更大，12. 5毫米或者更大，15. 0毫米或者更大，17. 5 毫米或者更大，20. 0毫米或者更大，30. 0毫米或者更大，40. 0毫米或者更大，50. 0毫米或者更大，60. 0毫米或者更大，70. 0毫米或者更大，100毫米或者更大，150毫米或者更大，或者甚至更大)。典型地，短距离源从检测器12间隔开距离s，其是沿着如图IA所示的χ方向测量的。通常，间隔s可以是0. 5毫米或者更大(例如，1. 0毫米或者更大，2. 0毫米或者更大， 3. 0毫米或者更大，4. 0毫米或者更大，6. 0毫米或者更大，8. 0毫米或者更大，10. 0毫米或者更大，15. 0毫米或者更大，20. 0毫米或者更大，或者甚至更大)。当多个短距离源实施在传感器10中时，多个短距离源可以沿着χ方向均一地间隔开，或者在一些或者全部的短距离源之间的间隔可以不同。通常，在任何两个短距离源之间的间隔可以是0. 5毫米或者更大 (例如，1. 0毫米或者更大，2. 0毫米或者更大，3. 0毫米或者更大，4. 0毫米或者更大，6. 0毫米或者更大，8. 0毫米或者更大，10. 0毫米或者更大，15. 0毫米或者更大，20. 0毫米或者更大，或者甚至更大)。在一些实施例中，电路板18可以是柔性的并且当附着到样品的表面时可以变形， 从而呈现与样品的形状至少部分地互补的形状。在某些实施例中，例如，电路板18可以是柔性电路板。在一些实施例中，电路板18可以由一种或者多种可变形材料例如一种或者多种柔性塑料材料形成。在某些实施例中，电路板18可以是相对刚性的并耐变形。电路板18可以是由某些类型的刚性塑料材料形成，例如，所示材料保持相对刚性以保证各个传感器辐射源和检测器12之间的距离不会由于电路板18的变形而明显扭曲。在一些实施例中，电路板18可以形成为以使得电路板沿着一个方向-图IA中的
22χ方向-的变形不易在使用过程中发生。结果，检测器12和短和长距离源之间的相对距离可以得以维持，从而保证可以执行测量的光谱的精确的和可再现的修正以减小下面的皮肤和脂肪层的影响。此外，但是，电路板18可以在它的边缘变形以符合样品(例如，对象的臂或者腿)的形状，以使得传感器10可以由对象舒适地并且无障碍地穿戴。在一些实施例中，电路板18由两种不同的电路板部件形成。相对刚性的第一部件对应传感器10的各个部件包括处理器、辐射源、检测器、电源、接口和显示器附着到其上的安装构件。相对柔性的第二部件附着到第一部件并且也接触样品。通过利用两件式的结构， 传感器10确保各个辐射源和检测器12之间的距离在使用过程中保持相对恒定，并且还呈现与传感器附着到其上的样品的表面至少部分地互补的形状。在某些实施例中，传感器10可以经由粘接元件例如粘接垫或者层附着到样品30。 图6A示出通过粘结层58附着到样品30的示意图。粘结层58定位在传感器10 (例如壳体 11的底面)和样品30的表面之间。在一些实施例中，层58可以由浆糊或者另一类似物质形成，其可以施加到样品的表面和/或传感器10的底面以附着传感器10到样品。在一些实施例中，粘结层58可以是一次性的，并可以形成两层传感器10的一部分。例如，如图6B所示，传感器10可以包括非一次性的第一部分，其包括电路板18和安装到其上围绕在壳体11中的部件；以及一次性的第二部分，其包括粘结层58(以及可能的其它层)。在使用后，传感器10的一次性的部分可以丢弃，而非一次性的部分可以保留用于将来之用。粘结层58可以实施为柔性材料，一些辐射源(例如，长距离源)安装在该柔性材料上。短距离源可以安装在电路板18上并围绕在壳体11中。当层58在使用后丢弃后， 短距离源保留在壳体11中。新的层58可以在利用传感器10进行额外的测量之前附着到壳体11。定位在壳体11和样品30之间的粘结层58对于近红外辐射至少部分地为可穿透的。例如，当图6的传感器在用时，通过传感器10的一个或多个辐射源产生的辐射通过粘结层58并入射在样品30上。从样品30散射的辐射同样在入射在检测器12上之前通过粘结层58。在某些实施例中，层58可以实施为多层结构。例如，层58可以包括两层第一层是相对非柔性的并支撑传感器10的一些或者全部部件(例如辐射源、处理器、检测器及其他电路)，而第二层接触第一层并且同样配置为接触样品。第二层可以是粘结层，并可以是柔性的以使得当施加到样品时第二层变形以匹配样品的表面。许多不同的材料可用于形成第一和第二层。例如，第一层可以包括一种或多种金属、塑料(例如高密度塑料)、聚合物材料和基于纸张和/或木材的材料(例如纤维板)。第二层可以包括一种或多种塑料材料、聚合物材料、橡胶、乳胶、凝胶及其他类型的柔性材料。各种不同的一次性和非一次性构型都是可能的。在一些实施例中，例如，第一和第二层都是一次性的(例如，传感器10的全部都是一次性的)。在某些实施例中，所有层都不是一次性的。又再者，在一些实施例中，层之一(例如第二层)是一次性的，而另一层(例如第一层)不是一次性的。典型地，在两层结构中，第一和第二层的至少一部分对于近红外辐射是至少部分地可穿透的，如上所述，或者包括定位在层中的窗口以允许近红外辐射通过层。在一些实施例中，如图7所示，传感器10可以通过粘结贴片60附着到样品30。粘结贴片60包括粘接部分6 和62b，其粘接到样品30的表面，从而保持传感器10和样品 30的表面之间的接触。粘结贴片60可以对于由通信接口观传输的无线通信信号为至少部分地可穿透的。在一些实施例中，传感器10可以是完全一次性的。在传感器10附着到样品30、一个或多个吸收光谱的测量以及样品30的一个或多个属性的计算之后，传感器10可以从样品分开并丢弃。在一些实施例中，一部分传感器10可以是一次性的。例如，参照图1C，传感器10可以包括第一电路板18，其包括检测器12和短距离源；和第二电路板19，其包括长距离源。 第二电路板19可以是一次性的电路板。在使用传感器10之后，第二电路板19(包括长距离源)可以从第一电路板18分开并丢弃，而第一电路板18保留用于随后的使用。在某些实施例中，大多数或者全部的电子元件可以定位在传感器10的一次性的部分上。例如，传感器10可以包括一次性的电路板，短和长距离源都与处理器(例如处理器20和/或22)、 电子存储器、电源(例如一次性电池)和/或以前公开的其它的电子元件一起附着到其上。 在使用传感器10之后，一次性的电路板以及所有的附着的电子部件可以丢弃，传感器10的其余部分可以保留用于随后的使用。在某些实施例中，传感器10可以通过互补套筒附着到样品。图8示出附着到样品 30的表面的套筒64的示意性视图。例如，套筒64可以附着到在进行锻炼或者执行有氧运动或接受医疗的患者的臂或者腿。套筒64包括内部袋68，其尺度适合以容纳传感器。传感器10可以通过沿着箭头 66所示的方向插入传感器10到袋68中而附着到样品30。典型地，套筒64由柔性材料例如塑料材料形成。至少一部分套筒64 (例如，下部分70)可以对于由传感器10的一个或多个辐射源产生的辐射和/或由通信接口观产生的无线通信信号为至少部分地可穿透的。在操作过程中，从一个或者多个源入射的辐射通过套筒64的下部分70并进入到样品30中。 从样品30散射的辐射在入射在检测器12上之前通过部分70。传感器10包括电源沈。在一些实施例中，例如，电源沈可以是连接器(例如插头)，其从外部源例如医院或者治疗中心的电源和/或传统的墙装插座接收电力，其包括变压器块。在某些实施例中，电源沈可以是连接器例如传统的电力连接器或者连接外部处理装置例如计算机的USB连接器。传感器10可以配置为从外部处理装置通过连接器接收电力。电源沈还可以总体上包括各种类型的电力调节装置例如变压器、电阻器、电容器、感应器、晶体管及其他电路元件。在某些实施例中，电源沈可以是自包含电源例如电池、光伏电池、燃料电池或者其它类型的独立源。用于电源26的适当类型的电池包括例如镍金属氢化物电池、锂离子电池和固体电解质(主)电池。在一些实施例中，电源电池可以是可再充电的，并且当传感器 10未处于在用时可以再充电。在某些实施例中，电源电池可以是各种类型的一次性电池。在某些实施例中，电源沈可以包括连接到便携电源例如由患者穿戴(例如，穿戴在患者的臂或者腿上，或者经由一个或多个带附着到患者)的电池的连接器。该配置可以允许利用具有比如果电池直接附着到电路板18所能用的电池更大、更高容量的电池的传感器10。在一些实施例中，电源沈可以包括类似于例如移动式电话电池的可替换的电池。传感器10可以包括与可替换的电池的一部分配合以使得电池能够供应电流到附着到电路板18的部件的连接器。连接器可以形成支撑可替换的电池的托架的一部分。一个可替换的电池因此能够容易地被另一个电池替换，例如通过移除老的电池并滑动新的电池到托架中。在某些实施例中，当电源沈包括可再充电的部件例如电池时，充电托架可以配置为在可再充电的部件充电时支撑传感器10。图9示出包括支撑构件76和电力连接器74的充电托架72的示意图。支撑构件76包括竖直凹槽，传感器10的边缘容纳到该凹槽中，从而保持传感器10在关于充电托架72相对固定的位置。电力连接器74接合传感器10的电源沈上的配合连接器；电源沈典型地为例如可再充电电池。电力通过电力连接器74供应到电源沈以对电源沈再充电。托架72可以包括例如电力限制电路，其传感电源沈何时接近完全充电状态，以及然后限制到电源26的电力流以防止过充电。传感器10包括电子处理器20，并且任选地包括一个或多个额外的应用处理器(例如，应用处理器22)。处理器一般协调全部传感器的工作，包括导向辐射源以产生入射辐射， 导向检测器12以接收和分析散射的辐射，以及对从检测器12接收的数据执行各种数学操作。处理器还通常负责递送控制信号到各个传感器部件，从而从传感器部件接收状态信号， 监测到传感器部件的操作电力的递送以及从电源26的电力供应，发送数据到显示器M以被显示，以及经由通信接口观发射和接收通信信号到外部装置。如果传感器10包括一个或多个应用处理器22，这些功能的一些可以通过应用处理器提供。特别地，应用处理器可以配置为对从检测器12接收的数据执行数学操作以从数据获得一个或多个样品属性，如上所述。通常，处理器功能可以根据需要在各个处理器之间进行分配；通常管理处理器功能的分配的主要标准包括保持相对有效的传感器操作，其中可能没有显著的处理器相关的滞后； 以及保持功率消耗相对低(例如，通过保持处理器时钟速率相对低并避免使用冷却装置)。通常，在这里公开的方法通过处理器20和/或一个或多个应用处理器22执行。特别地，任何构型、控制或者分析步骤可以通过传感器10的一个或多个处理器自动执行。处理器20和/或一个或多个应用处理器22可以配置为测量样品30的吸收光谱，以及从吸收光谱获取样品30的一个或多个属性，包括样品的氧张力、氧饱和、pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈和氧消耗。在某些实施例中，传感器10并不包括处理器。例如，传感器10可以包括连接器， 控制信号、构型信号、数据和分析结果可以通过连接器递送到另一装置(例如，另一计算装置例如计算机、个人数字助手、控制器、移动电话、远程控制或者其它这样的装置)中的处理器。在一些实施例中，传感器10可以包括显示器对。显示器M可以通常为任何类型的显示器，例如低电力液晶或者有机LED显示器。显示器M可以从处理器20或者任何的应用处理器22接收数据，并可以显示数据给穿戴传感器的对象或者监测对象的操作员。接收和显示的数据可以包括样本信息、校准信息、从样品的吸收光谱计算的各个参数的值及其他类型的数据。显示器可以集成到壳体11中和/或可以定位为远离壳体11并配置为经由通信接口观与传感器10的一个或多个处理器通信(例如，其可以包括信号电缆和/或无线发射器-接收器组合)。在某些实施例中，传感器10可以配置为利用显示器M显示趋势信息。在一定时
25期(其可以由用户选择)内测量的一个或多个参数的以前测量的值可以以例如图像格式显示以表明一个或多个参数随着时间的演变。对于各个参数的趋势信息可以显示在不同的轴上。替代地，或者额外地，关于某些参数的趋势信息可以例如显示在共同的轴上(例如，以不同的颜色，和/或利用不同的符号)以表明这些参数之间的关系。传感器10可以配置为拟合趋势线以测量对于任何参数的数据点。进一步地，当一个或多个参数的趋势线满足某些标准(例如，更靠近地接近某一距离、相交、分叉超过一定量、某些方向的斜率变化、曲率变化超过一定量)时，传感器10可以给予警报给系统操作员(例如，声响警报、目视警报， 或者二者)。当一个或多个参数值满足某些标准(例如，达到预定和/或用户可选择的阈) 时，传感器10可以给予系统操作员警报。传感器10还包括通信接口观。通常，传感器10可以包括各种不同类型的通信接口，并可以包括超过一种类型的通信接口。例如，在某些实施例中，通信接口观包括串行通信接口和/或端口例如USB接口。在一些实施例中，通信接口观包括并行通信接口，或者混合的串行/并行通信接口。在一些实施例中，通信接口观可以包括无线通信接口，包括单独的无线发射器， 或者包括无线发射器和接收器。在传感器10上的无线通信接口可以配置为在射频、红外线频率、微波频率及其他频率发射和/或接收数据。传感器10可以配置为通过无线和有线通信接口发射和接收数据到各种外部装置。例如，数据可以传输到外部处理装置例如计算机、个人数字助手、蜂窝式电话和/或智能电话及其他专用处理装置。数据还可以传输到存储单元，包括闪存驱动装置和磁性的和/ 或光学的存储装置。存储装置还可以是便携存储装置，其例如可以由对象穿戴，(例如，围绕对象的腰)，或者植入在对象衣服中(例如，植入在对象鞋中的基于芯片的存储装置)。进一步地，数据可以通过一种或者多种网络包括私人网络、公共网络、局域网和/或广域网、 移动电话和/或数据网络和因特网传输到装置。数据还可以传输到一个或多个显示装置，该显示装置可以由医务人员、运动训练师、对象穿戴传感器10及其他人员使用以观察分析的数据。典型地，传输到显示装置的数据包括从样品的吸收光谱导出的一个或多个参数。传输到网络和/或存储装置的数据可以包括一个或多个计算的参数并还可以包括例如测量的吸收光谱和传感器校准和/或构型 fn息ο在提供用于传感器10的充电托架的场合，如图9所示，充电托架还可以包括用于接收来自传感器10的数据的通信接口(例如，在电源沈的充电过程中)。充电托架的通信接口可以配置为传输接收到的数据到存储装置、显示装置和各种网络。在传感器10上的用于传输数据到包括用于传输数据到其它装置的更高功率的通信接口的充电托架72的相对低功率的通信接口的使用可以降低传感器10的整体功率消耗。如上所述，传感器10典型地包括多个长距离辐射源，每个长距离辐射源对应在样品30的表面下不同深度处的组织(例如肌肉组织36)的询问(interrogation)。在使用之前，传感器10典型地相对于标准被校准(例如，通过执行标准化检查程序，然后附着到样品(例如对象身体的一部分)并被促动以便使用。传感器10典型地在初始测量步骤中配置为选择用于样品照射的适当的长距离辐射源。图10是示出用于传感器10的标准化或者基准检查和源选择过程的各个步骤的流程图100。在第一步102，在传感器10上的短距离和长距离辐射源的每一个被校准以修正用于辐射发射属性随着时间的变化。校准典型地包括布置相对于传感器10的底面(例如， 在使用过程中接触样品30的表面)的参考标准的步骤。每个短距离和长距离辐射源然后依次促动选取的持续时间，并且来自每个源的辐射入射在参考标准上。对于每个辐射源从参考标准反射的辐射的强度通过检测器12测量并且测量的强度值被存储。检测器12的暗流信号(例如，没有辐射入射在检测器12上)同样被测量和存储。测量的反射辐射强度值然后与存储在例如应用处理器22中的关于每个辐射源的参考强度值比较。参考强度值可以对应在传感器10制造时测量的值。如果任何辐射源的累积辐射强度和/或波长依赖强度已经变化，则可以计算和存储修正因子以便在测量数据的后续处理过程中使用，所述测量数据是通过来自具有变化的发射属性的源的辐射照射样品而获得的。在标准化辐射源之后，在步骤104，传感器附着到样品(例如，人体对象的臂或者腿)并且系统优化程序通过电子处理器20执行。传感器10通常可以利用前面讨论的任何附着装置附着到对象的身体。系统优化保证至少指定量的辐射强度量由检测器12测量，但是不高于最大指定强度。典型地，例如，系统优化被执行以使得检测器的动态范围的实质部分用于测量散射的辐射信号。系统优化可以包括调节由检测器12测量的信号的电子放大(例如，检测器增益)， 调节检测器12上的信号采集时间(例如，测量累积时间)，调节选取的短和/或长距离辐射源的和/或在那里的辐射发射器的发射强度，以及这些各种技术的组合。从样品30散射的辐射光谱可以基于检测器电子增益、信号采集时间和照射时间(例如任务周期)根据需要标准化。如果足够的散射辐射强度可以在期望的用于对象的光谱带内进行测量，通过检测器12的电子信号放大可以实施起来特别简单。典型地，上面的调节的一些或者全部可以通过电子处理器20执行以在从样品收集测量数据之前定位传感器在适当的操作构型。调节可以以替代的方式执行，其中一个参数被调节(例如，检测器增益)，然后调节另一参数(例如，辐射源的强度的一个或多个)。 每一参数可以通过电子处理器20调节不止一次以实现用于传感器的适当的操作构型。例如，为了调节用于一个或多个辐射源的信号采集时间，电子处理器20可以通过来自短或者长距离源的光线选择性地照射样品预定的时间间隔，然后利用检测器12测量散射的光线。 通过测量对应预定时间间隔的散射的辐射的强度，用于选取的短或者长距离源的适当的信号采集时间可以得以确定。通常，对于任何特定源，期望测量几乎然而并非完全充填检测器 12的动态范围的散射光线。例如，如果检测器12具有高达4000强度量的动态范围，电子处理器20可以配置为调节用于每一源的信号采集时间以使得对应通过来自任何一个源的辐射照射样品的测量的散射光具有大约3500的测量强度量。处理器20通过施加适当的比例因子到预定时间间隔而确定用于每个源的适当的信号采集时间，其中比例因子是基于在预定时间间隔过程中散射的辐射的强度。例如，对于选取的辐射源，样品暴露50毫秒的预定时间间隔并在该时间间隔期间中测量从样品散射的辐射可以产生总共700的辐射强度量。为了对于选取的辐射源达到大约3500的强度量， 处理器20计算3500/700 = 5的比例因子应当施加到预定时间间隔。相应地，处理器20确定对于选取的辐射源适当的信号采集时间是5X50毫秒=250ms。处理器20可以重复用于在传感器上的其它短和/或长距离源的一些或全部的适当的信号采集时间的确定。预定时间间隔和/或目标散射辐射强度(例如，3500的量)可以通过处理器20自动选取，或者该信息可以通过系统操作员手动输入。对于一些样品，会发生加热，特别是当信号采集时间变得相对长时。在一些实施例中，用于特定源的信号采集时间的选择可以与检测器12的电子增益的调节相关联以保证适当的散射辐射强度被测量而没有不适当的样品加热。在一些实施例中传感器可以包括手动或者自动确定的最大信号采集时间(例如，1000ms或者500ms)。如果对于特定辐射源的信号采集时间超过最大信号采集时间，当检测对应通过来自选取的源的辐射的照射的散射辐射时检测器12的电子增益可以增大。特别地，检测器12的电子增益可以逐步增大，并且上述程序可以重复用于选取的辐射源以确定在更高增益设定下的新(例如更低)的信号采集时间。对于任何短和/或长距离源，增大检测器12的增益或者再次确定信号采集时间的过程可以重复直到在特定的检测器12增益设定下适当的采集时间(例如，低于最大信号采集时间)被确定。通常，最大信号采集时间可以相应于不同的辐射源进行改变，因为来自特定源的辐射会比来自其它源的辐射加热样品到更大的程度。最大信号采集时间、电子增益设定和确定的用于每一辐射源的信号采集时间可以例如存储在传感器的板上数据存储单元中或者外部存储装置或者介质中。在一些实施例中，传感器可以包括温度监测器，其可以用于测量样品温度以防止在测量过程中不适当的样品加热。如上所述，处理器20和/或处理器22可以包括内部温度传感器，其可用于监测样品的温度。内部温度传感器可以包括例如具有随着电路元件的温度改变而以可再生的方式改变的电阻的电路元件。当电路元件的电阻变化时，通过电路元件传送的电信号同样变化。处理器20和/或处理器22可以检测电信号中的这样的变化， 并可以包括软件指令，该软件指令将电信号的变化转换为电路元件的温度测量(以及例如当传感器附着到样品时样品的温度测量)。或者，如图IA所示，温度传感器15可以安装在传感器10的底面上。温度传感器 15可以电子耦合到处理器20，并可以提供关于样品的温度的信息到处理器20。处理器20 可以使用该温度信息以调节信号采集时间、检测器增益和光源选择以保证样品在暴露到入射辐射的过程中不会遭受不当的加热。在某些实施例中，系统优化步骤还可以包括调节每一源中的包和/或LED产生的辐射的强度。例如，特定源中的各个LED和/或包的输出辐射强度可以调节以保证特定源提供来照射样品的入射辐射具有特定的光谱分布。在一些实施例中，包和/或LED可以调节以产生具有在特定范围的光谱波长上几乎恒定的强度的入射辐射光谱分布。在某些实施例中，包和/或LED可以调节以产生在某些光谱区域比其它区域更加强的入射辐射光谱分布；例如，在对应强的样品吸收的光谱区域中的入射辐射的强度可以调节为大于在非吸收光谱区域中，以使得在强吸收的区域中的散射的辐射足够强以通过检测器12进行测量。在一些实施例中，检测器12的检测效率可以作为波长函数而变化。入射辐射的强度可以调节以补偿检测效率的所述变化；例如，在其中检测效率低的光谱区域中，入射辐射强度可以相应提高以增大在这些区域中测量的散射辐射。在一些实施例中，通过包和/或LED产生的辐射的强度的调节还可以包括促动或者禁用在某些光谱区域发射入射辐射的某些包。例如，短距离源可以调节以通过促动在这些波长范围发射的包和/或LED而提供在某些波长范围中(例如，在产生用于修正用于介入皮肤和脂肪层的散射的辐射的波长范围中)的额外的入射辐射。替代地，或者额外地，短距离源可以配置为禁用在不产生用于修正用于介入皮肤和脂肪层的散射的辐射的波长区域中发射辐射的包和/或LED。通常，来自包和/或LED的发射辐射强度可以通过改变施加到包和/或LED的控制电压和/或通过改变包和/或LED的任务周期而得以调节，如之前公开的。在一些实施例中，各短和长距离源可以调节以使得短和长距离源二者都产生具有相同或者几乎相同的相对光谱密度分布的入射辐射。在某些实施例中，一些或者全部的短距离源，和/或一些或者全部的长距离源，可以调节以产生具有不同的相对光谱密度分布的入射辐射。用于每一短和长距离源的控制参数和期望的光谱强度值可以例如存储在传感器的板上数据存储单元中，或者在外部存储装置或者介质中。作为系统优化程序的一部分的各种调节通常可以在选择适当的长距离源之前或者之后执行。在图10中，系统优化程序发生在选择长距离源之前。但是，在一些实施例中， 适当的长距离源可以首先选择，然后用于短距离源和任何一个或多个长距离源(例如选择的长距离源)的系统的各种操作参数-包括信号采集时间、电子检测器增益和发射的辐射的相对光谱轮廓-然后可以被确定。在任选的步骤106中，样品然后通过来自一些或者全部短距离源的发射辐射进行照射，并且从样品散射的辐射通过检测器12测量。波长依赖的散射的辐射强度数据由处理器20(和/或处理器22)接收，并且处理器确定用于对应短距离照射的样品的吸收(或者反射)光谱(吸收和反射，如上所述，通过简单的数学变换相关，并提供关于样品的大致相同的信息)。在下一步108中，样品然后通过来自选取的一个长距离辐射源的发射辐射进行照射，从样品散射的辐射通过检测器12测量，并且处理器20确定用于对应选择的长距离照射的样品的吸收光谱。程序被重复依次用于每一长距离辐射源，以使得获得一系列吸收光谱， 每个对应样品的不同的长距离照射。在任选的步骤110每一长距离照射光谱被修正以减少覆盖皮肤和脂肪层的光谱效果。如图2所示，例如，样品30典型地包括感兴趣的组织例如肌肉组织36以及覆盖层的皮肤32和皮下脂肪34。皮肤和脂肪层会产生与感兴趣的肌肉组织不相关的光谱效果，并且其会减小从光谱计算的样品参数的精度。相应地，来自对应短距离照射的光谱的数据与来自长距离照射光谱之一的数据组合以提供修正的长距离照射光谱，其中由于覆盖层所致的光谱影响减小。该过程被重复用于每一长距离照射光谱以产生一组修正的长距离照射光
■i並曰O修正的长距离照射光谱数据典型地包括相对于从短距离照射光谱获取的光谱成分正交化长距离数据。用于实施这样的修正的系统和方法公开在例如美国专利申请公开 No. US2007/0038041中，其整个内容在此被引入作为参考。在步骤112，修正的(或者未修正的，如果步骤106和110被省略的话)长距离照射光谱被分析以选择特定的长距离源用于随后样品的光谱测量。如上所述，每一长距离辐射源有效地探测在样品表面下的选择的深度。相应地，特定长距离源的选择可以实质上对应选择最有效照射感兴趣的组织(例如肌肉组织36)的长距离源。数种方法可以通过处理器20实施以选择适当的长距离源。在一些实施例中，例如，修正的和/或未修正的长距离照射光谱呈现给系统操作员，系统操作员基于光谱手动选择特定长距离源。操作员选择长距离源可以基于各种标准包括例如不同的照射光谱的形状。在一些实施例中，适当的长距离源的选择可以高度地或者甚至完全自动化。处理器20可以配置为基于对应各长距离源的修正和/或未修正的照射光谱的分析而选择特定长距离源。在某些实施例中，例如，处理器20可以选择特定长距离源，其是通过拟合修正和 /或未修正的照射光谱到基于泰勒级数的模型用于样品中的主发色团，然后确定模型和每一照射光谱之间的误差。处理器20然后选择产生最小误差的长距离源。泰勒级数模型可以采取许多功能形式，部分地取决于样品中的各发色团的属性。可以被实施的适当的模型公开在例如美国专利No. 7，532，919中，其整个内容在此被引入作为参考。例如，用于作为从样品散射或者发出的辐射的波长λ的函数的光衰减光谱Αω(Λ1(λ)的泰勒级数展开模型为
权利要求
1.一种传感器，包括包括电子处理器的电路板；多个辐射源，每个源附着到所述电路板；和附着到所述电路板的光谱检测器，所述光谱检测器配置为分析源于多个辐射源的一个或多个的辐射，其中在使用过程中所述传感器配置为穿戴在对象的身体的一部分上；以及其中所述电子处理器配置为使得多个辐射源的两个或更多个导向入射辐射到对象，以使得所述光谱检测器分析来自对象的辐射，以及基于来自对象的辐射确定对象的一个或多个属性。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电子处理器配置为选择性地调节所述辐射源其中的至少一个以产生所述入射辐射。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述电子处理器配置为选择性地调节(i)工作周期和(ii)提供给所述辐射源的每一个以产生具有选择的光谱形状的入射辐射的驱动电流其中的至少一个。
4.如权利要求1所述的传感器，其中，所述辐射源包括定位在距离所述检测器9毫米或者更小的距离处的短距离源，以及至少两个长距离源，每个定位在距离所述检测器10毫米或者更大的距离处。
5.如权利要求1所述的传感器，其中，所述辐射源包括至少两个短距离源和至少三个长距离源。
6.如权利要求4所述的传感器，其中，所述电子处理器配置为选择长距离源其中的一个以通过用由每一长距离源产生的入射辐射照射对象、测量对应每一长距离源的照射的对象的吸收光谱以及比较测量的吸收光谱以选择长距离源其中的一个而产生至少一部分入射辐射。
7.如权利要求6所述的传感器，其中，所述比较包括对于每个长距离源，拟合对应所述长距离源的吸收光谱于用于对象的吸收光谱的泰勒级数模型，并确定吸收光谱和模型之间的平均误差；以及选择对应吸收光谱和模型之间的最小平均误差的长距离源。
8.如权利要求7所述的传感器，其中，所述比较进一步包括，在拟合对应长距离源的吸收光谱之前，修正对应所述长距离源的吸收光谱的每一个以利用从通过暴露对象到来自短距离源的辐射而获得的吸收光谱导出的信息减小由于对象中的皮肤和脂肪层所致的光谱影响。
9.如权利要求7所述的传感器，其中，选择长距离源进一步包括确定选择的长距离源是否满足最小适合性标准。
10.如权利要求9所述的传感器，其中，确定选择的长距离源是否满足最小适合性标准包括确定模型拟合误差的平均值(μ)和标准偏差(σ)，并且其中如果所述模型和对应选择的长距离源的吸收光谱之间的平均误差是在间隔(μ-3 O，μ+3σ)中，所述电子处理器配置为选择长距离源。
11.如权利要求10所述的传感器，其中所述辐射源包括两个或更多个短距离源；并且其中所述电子处理器配置为选择短距离源和长距离源的组合以产生至少一部分入射辐射，其是通过用每一短距离源产生的入射辐射照射对象；测量对应每一短距离源的吸收光谱；通过对应短距离源的每一光谱修正对应长距离源的每一光谱；拟合修正的光谱到用于对象的吸收光谱的泰勒级数模型并确定每一修正的光谱和模型之间的拟合误差；以及识别对应修正的光谱中的最小拟合误差的包括短距离源和长距离源的组合。
12.如权利要求1所述的传感器，进一步包括显示单元，其中所述显示单元定位在传感器的与入射辐射通过其由多个辐射源发出的表面相对的表面上，并且其中所述显示单元配置为显示对象的一个或多个属性的至少一些的值以及对象的一个或多个属性的以前测量的值。
13.如权利要求1所述的传感器，进一步包括通信接口，该通信接口包括配置为发送数据到传感器和从传感器接收数据的无线发射器和接收器，其中所述传感器配置为通过网络传输数据。
14.如权利要求1所述的传感器，其中，所述一个或多个属性包括对象的氧饱和、氧张力、pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈、含水率和氧消耗其中的至少一个。
15.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电子处理器配置为在分析来自对象的辐射期间保持非零测量的检测器信号强度在预定的信号强度范围内。
16.如权利要求15所述的传感器，其中，保持检测器信号强度在预定范围内包括调节检测器的电子增益和信号采集时间其中的至少一个以控制信号强度。
17.如权利要求15所述的传感器，其中，保持检测器信号强度在预定范围内包括选择多个辐射源的不同个以导向入射辐射到对象。
18.如权利要求17所述的传感器，其中，选择多个辐射源的不同个包括从定位在距离检测器10毫米或者更大的距离处的辐射源中选择不同的辐射源。
19.如权利要求17所述的传感器，其中，选择多个辐射源的不同个包括从定位在距离检测器9毫米或者更小距离处的辐射源中选择不同的辐射源。
20.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电子处理器配置为提供关于对象的一个或多个属性的信息到治疗装置以控制治疗装置。
21.一种传感器，包括柔性安装构件，其包括配置为直接附着到样品并且当它附着到样品时呈现对应至少一部分样品的形状的粘接表面；以及多个辐射源、光谱检测器和附着到所述安装构件的电子处理器，其中所述电子处理器配置为致使所述辐射源的至少两个导向入射辐射到样品，以致使所述光谱检测器分析来自样品的辐射，并基于来自样品的辐射确定样品的一个或多个属性。
22.如权利要求21所述的传感器，其中，所述安装构件包括接触样品的第一一次性部分和多个辐射源、检测器和电子处理器附着到其上的第二非一次性部分，其中所述一次性部分对于近红外辐射是至少部分地可穿透的并形成由辐射源产生的入射辐射通过其到达样品的窗。
23.如权利要求21所述的传感器，其中，一个或多个属性包括样品的氧张力、氧饱和、 pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈、含水率和氧消耗其中的至少一个。
24.一种用于测量一个或多个样品属性的方法，该方法包括选择多个辐射源的一个并导向来自选取的源的辐射以入射在样品上，检测来自样品的辐射，并基于检出的辐射确定一个或多个样品属性， 其中所述选择包括对于多个辐射源的每一个，通过暴露样品到来自辐射源的辐射而测量样品的吸收光谱；拟合吸收光谱到用于样品吸收的模型，并确定每一光谱相对于模型的平均拟合误差；以及选择对应具有最小平均拟合误差的光谱的源。
25.如权利要求M所述的方法，其中，所述选择进一步包括在确定平均拟合误差之前修正每一吸收光谱以减小由于在样品中的皮肤和脂肪层所致的光谱影响。
26.如权利要求M所述的方法，其中，所述选择进一步包括确定关于拟合误差的平均值μ和标准偏差值σ，并选择一源，对于该源，从对应所述源的吸收光谱确定的平均拟合误差落在间隔(μ -3 ο，μ +3 σ )中。
27.如权利要求M所述的方法，进一步包括，在检测来自样品的辐射期间，保持检测到的辐射信号的强度大约零并位于预定信号强度范围中。
28.如权利要求27所述的方法，其中，保持信号强度在预定范围内包括调节检测器的电子增益和在期间辐射被监测以控制信号强度的信号采集时间其中的至少一个。
29.如权利要求27所述的方法，其中，保持信号强度在预定范围内包括选择多个辐射源的不同个以导向辐射到样品。
30.如权利要求M所述的方法，其中，一个或多个样品属性包括样品的氧饱和、氧张力、pH、血细胞容量计、血红蛋白浓度、厌氧阈、含水率和氧消耗其中的至少一个。
全文摘要
在这里公开的是传感器，其包括(a)包括电子处理器的电路板；(b)多个辐射源，每个源附着到电路板；和(c)附着到电路板的光谱检测器，光谱检测器配置为分析源于多个辐射源的一个或多个的辐射。在使用过程中，传感器配置为穿戴在对象身体的一部分上。电子处理器配置为致使多个辐射源的两个或多个导向入射辐射到对象，以致使光谱检测器分析来自对象的辐射，并基于来自对象的辐射确定对象的一个或多个属性。制造和利用这些传感器的方法同样公开。
文档编号G05F1/00GK102176864SQ200980139542
公开日2011年9月7日 申请日期2009年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者杨晔, 约翰·科茨, 芭布丝·R·索莱尔, 金春光 申请人:马萨诸塞大学