CN100512752C - 光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于医学检测仪器类，涉及无创测量人体成分的方法和装置。具体讲，涉及光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置。为提供一种光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置，本发明采用的技术方案是，通过测量激光在人体组织的传播进行人体成分检测，对前述激光进行调制，基于测量光和参考光的干涉，其差拍频率与测量光和参考光的光程差成正比，通过选择固定的参考光光程，并使用相敏检测电路处理差拍信号，拾取散射光中的单一光程光，进而实现对生物组织的特定部位和深度进行检测。本发明主要应用于无创测量人体成分。

Description

光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置

技术领域

本发明属于医学检测仪器类，涉及无创测量人体成分的方法和装置，而无需采集血样，不同于其它创伤性检查方法。具体讲，本发明涉及光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置。

背景技术

血液中的各种成分是评价人体健康状况的重要信息，是多种疾病诊断与疗效判定的重要指标。这些成分在人体内的含量均相当微弱，当前的测定方法为由指尖、耳垂或静脉取得血样，然后应用一次性试剂通过各种化学方法进行检测。这种有创的测量方法不仅测量手续繁杂、抽血会造成疼痛，且有感染的危险，还需要消耗试剂，这就限制了各种人体成分的及时检测或频繁检测，也就难以实现及时的健康管理或理想的治疗。因此，研究无创伤血液成分检测方法对于研究相关疾病的机制及诊疗具有重要的意义。

在血液的各种成分中，当前投入研究最多的是血糖浓度的检测，血糖浓度是诊断和治疗糖尿病的主要指标，糖尿病是由于人体成分异常而导致体内代谢紊乱，并引糖尿病酮症、心血管病变、肾衰竭、失明、肢端坏疽和感染等严重的并发症，糖尿病患者糖尿病及其并发症已成为严重威胁人民健康的世界性公共卫生问题。一旦血糖浓度的无创检测获得成功，其方法可以应用于其它血液成分或人体内其它成分的无创检测。

德国的Kaiser[USP 4,169,676，Oct.2，1979.]首次使用光学的方法进行人体内成分的测量；

[USP 4,655,225，Apr.7，1987.]提出应用近红外分光原理进行人体成分的浓度检测。目前，进行人体成分无创检测研究的主要手段包括：旋光法、喇曼光谱法、光散射系数法、光声光谱法、中红外光谱法、近红外光谱法、OCT方法等。旋光法的测量部位通常为眼球，其难点在于患者难以接受、眼球转动时的光路径改变影响旋光度的测量并增大测量误差、眼球房水中有多种物质具有旋光效应产生干扰、角膜的双折射会产生干扰且降低了透射光强、光葡萄糖溶液的偏转角小；喇曼光谱的困难在于生物组织中吸收和散射效应使信号非常微弱、蛋白质类分子产生的背景荧光干扰较大；光声光谱测量方法对组织内部结构的变化过于敏感；中红外光对生物组织的穿透深度太低。

红外光谱属于分子吸收光谱，近红外谱(波长在780-2500nm范围内)区的吸收主要是由于分子振动的倍频(振动状态在相隔一个或几个能级间的跃迁)或合频(分子两种振动状态的能级间同时发生跃迁)吸收所造成的。近红外光谱主要是含C—H、O—H、N—H等键基团的化合物在中红外区域基频振动的倍频吸收与合频吸收。含H键基团的有机物以及与其结合的无机物样品随着成份含量的变化，其近红外光谱特征也将随之发生变化。根据光谱的变化特征，可以求得被测成份的含量。这就是近红外光谱进行人体血糖浓度测量的基本原理。近红外光谱技术与化学计量学方法的结合极大地提高了定量分析的灵敏度、精度、准确性和可靠性，在药学、农业、石油等领域得到广泛应用；与中红外光谱段相比，检测器具有更高的灵敏度和响应速度；光源的辐射效率更高；其光学元件更为稳定、受工作环境影响小，价格便宜；无需样品准备，适用于现场快速检测和实时在线分析，具有快速、非破坏、高效等优点。另外，近红外光对体液和软组织的穿透力强，是理想的检测光谱段。一个成功的先例是近红外光谱法对血氧饱和度的无创检测。

在人体成分的近红外光谱无创检测中，影响无创伤血糖浓度检测精度的主要难点、也是实现临床意义上无创伤血糖检测的瓶颈问题为：

(1)信号微弱问题：生物组织中含有大量的水分，水对光的吸收强，而糖的浓度在血液中所占比例不足0.1％、且吸收也很弱，能够到达检测器的光非常微弱，加之血糖变化引起的有用信号变化非常微弱，需用极高信噪比的仪器拾取。

(2)测量条件变化问题：不同部位的生物组织的结构差异很大，不同的个体更存在较大差异，测量时的位置、接触压力、光的入射面积等测量条件的变化将直接影响着光的传播路径的变化，其导致的光谱变化远大于因糖浓度变化造成的光谱变化，如果没有有效的稳定测量条件或者消除这些变化的方法，有效血糖变化信息的提取几乎是不可能的。

(3)人体生理背景变化问题：生理及人体的其它不可预测原因造成的背景变化远远大于血糖信号的变化，导致血糖信号被淹没而难以提取。而我们必须在一个背景有较大的变化过程中，检测出浮在这个背景上的微小的糖的有效的变化信息。

光谱信号是血液中多种成份以及皮肤表层光学特性共同影响的结果，人体组织中多种物质在近红外区域产生吸收光谱，多种物质的吸收谱线相互重叠；光在人体组织中的传播规律复杂，在测头的发射和接收之间存在无数多个光程，如图2所示，且光程具有很大的随机性，直接光谱检测方法中，各种光程长的光都进入到光电检测器中，经历了多种组织及物质的吸收和散射，导致吸收谱线重叠、信号复杂度高。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决人体组织中多种物质的吸收谱线重叠、复杂度高、信号的特异性差的困难，本发明的目的是提供光程可选择的无创人体成分检测方法及检测装置，通过对人体组织的特定部位、特定光程的吸收谱进行检测，从而实现无创、实时、快速的人体成分检测。

本发明采用的技术方案是，一种光程可选择的无创人体成分检测装置，由光驱动控制器、光源、干涉光光路、信号调理电路、测头、调制信号发生器、单片计算机构成，其特征是，测头将在皮肤表面的反射光由参考光路34收集到光纤20送入到干涉光光路中的平衡接收器21，测头还将深层组织的反射光输出到干涉光光路中的光纤耦合器18；光纤耦合器18用于使光源分出的激光和前述深层组织的反射光相干涉，并输出到平衡接收器21；调制信号发生器中的相敏检测电路用于处理来自平衡接收器21的一路或多路差拍信号，并由后续的单片计算机处理形成测量结果。

所述光驱动控制器、光源形成多路激光光源，并由相应的多个光纤耦合器18处理。

所述相敏检测电路是同时检测通过人体组织的多个光程的散射光，至少选择其中的一个符合浮动基准法原理的参考值的光程作为获得计算的参考值，而选择其中的另一个符合浮动基准法原理的测量值的光程作为获得计算的测量值。

所述相敏检测电路处理差拍信号是对差拍信号频率的选择性接收，实现对组织中的光程进行选择性接收，滤除掉其它光程光束的干扰。

所述相敏检测电路可以改变所拾取散射光的光程，实现选择不同的测量光程，以适宜于不同个体组织特性所致的浮动点、即测量点和参考点的差异。

所述的光源采用多个半导体激光器，由光纤、光纤耦合器、平衡式光电接收器组成的干涉激光光谱光路，使激光光源分出的参考光与测头生成的测量光相干涉；信号调理电路由前置放大器、锁相放大器、A/D转换电路组成，A/D转换电路输出到单片计算机。

所述的用于测量人体成分的光的波段是包括葡萄糖分子的倍频振动和合频振动的近红外区域，波长为从800nm到2500nm。

本发明提供的可以带来如下效果：

本发明通过基于测量光和参考光的干涉，其差拍频率与测量光和参考光的光程差成正比，通过选择固定的参考光光程，并使用相敏检测电路处理差拍信号，拾取通过人体组织散射光中的单一光程光，进而对生物组织的特定部位和深度进行检测。就同一光程拾取而言，增大监测器的面积或者采用多个检测器可以提高接收到的测量光强，提高信号的信噪比。

此外，本发明同时检测复数个光程的散射光，其中之一为符合浮动基准法原理的参考光程，以此构成浮动基准法原理测量的一种实现方法，以及采用调制、滤波、光谱预处理等手段，以实现无创、实时、快速的人体成分检测，因而本发明具有测量简便，测量结果准确可靠的特点。

附图说明

图1是浮动基准点法测量原理的说明图

图2发射与接收之间光传播的光程长分布图。

图3是是激光的调谐与差拍信号的特征示意图。

图4是方案1系统结构组成示意图，并作为摘要附图。

图5是测头结构组成示意图。

图6是方案2系统结构组成示意图。

其中：

1、2、3是激光驱动控制器。

4、5、6是半导体激光器。

7、8、9、11、13、13-1、13-2、13-3、14、15、15-1、15-2、15-3、19、19-1、19-2、

19-3、20、37是光纤。

10、12、18、18-1、18-2、18-3、36是光纤耦合器。

16、16-1、16-2是测头。

17是待测部位组织。

21、21-1、21-2、21-3是平衡式光电接收器。

22、22-1、22-2、22-3是前置放大器。

23、24、25、26是锁相放大器。

27是A/D转换器。

28是单片计算机。

29是调制信号发生器。

30是显示器。

31是键盘。

32是入射激光光路。

33是参考光路。

34是测量光路。

35是测头外壳。

具体实施方式

本发明基于激光的相干性、方向性、高强度，使用多个不同波长的半导体激光器(频分或时分工作模式)，并进行波长调谐；基于干涉激光光谱技术检测人体组织的特定部位、特定光程的散射光；在信号处理电路中对该吸收谱的多成分进行同时放大，通过锁相放大器对多光程信号进行分离，在其中包含有符合浮动基准法测量原理的信号，以它作为光谱测量的参考，信号经AD转换处理，在计算机中对多个数据进行处理，计算人体的待测成分浓度。

本发明的目的是提供一种无创、实时、快速测量人体成分的方法和仪器。为了解决人体组织中多种物质的吸收谱线重叠、复杂度高、信号的特异性差的困难，通过对人体组织的特定部位、浮动基准法解决生物组织的结构差异及生理背景等的影响，从而实现无创、实时、快速的人体成分检测。

浮动基准法的检测原理

光在组织中传播时，组织中存在漫反射光强对葡萄糖的灵敏度最大位置M(测量点)和灵敏度为零的位置C(基准点)，如图1所示。在基准点位置C的光谱信号包含了全部的生理变化信息，而与血糖浓度的变化无关。测量点M的光信号包含了最多的血糖浓度变化信息，是血糖信号测量的最佳选择位置。在这两个径向距离处同时进行光谱测量，并进行差分处理，可以有效减小各种生理条件变化所带给血糖信号的干扰，从而提高血糖测量精度和灵敏度。

干涉激光光谱技术

根据光子输运理论构建单一光程光束检取的方法：将激光器发出的波长随时间变化的激光(如图3.a所示)分成两路，其中之一为参考光，另一路为测量光，测量光经光纤传导、并准直照射到动脉血流丰富的部位，接收其散射光耦合到光纤中，散射光与参考光在光纤熔锥耦合器中进行干涉，由于参考光与测量光存在光程差，差拍信号的频率为：

$f_d=\frac{\mathrm{\βnL}}{{\mathrm{\λ}}^2}---\left(1\right)$

其中：λ为激光的中心波长；

      β为激光的调制速率；

      nL为测量光在组织中的光程长(取测量光纤与参考光纤长度相等)。

某一个光程的光束与参考光的差拍，其信号频率是确定的，如图3.b所示。而对于具有一定光程分布的组织散射光，在光电检测器上得到的差拍信号的频率也会具有相同规律的分布特性。其中的低频成分主要是1/f噪声，其基波成分的频率f等于调制频率，2f、3f……分别是调制频率的高次谐波。这样就将组织中不同光程长的散射光转变为频率不同的差拍信号。

另外，在光谱测量中，就某一光程长而言，波长调制的激光经过吸收介质时，光电检测器的输出信号为——将激光的频率调制信号转换为幅度调制信号。应用波长调制谱的作用在于可以将光谱测量中的直流信号转变为高频信号的检测，有效抑制光源的各种噪声、电路噪声，其检测的灵敏度可以提高3～5个数量级。

多光程分离与单一光程检测方法

在上述干涉激光光谱方法中，对差拍信号频率的选择性接收(可以由锁相放大器实现)，就可以实现对组织中的光程进行选择性接收，滤除掉其它光程光束的干扰。如图2中对应频率f附近的阴影区域。

改变信号处理电路的频率就可以得到不同光程的散射光，而调整处理电路的带宽就可以改变所接收散射光的光程范围。通过对多个差拍频率的分别接收(设置多个不同中心频率的锁相放大器)构成多个信号通道，每个通道对应于不同的散射光光程。

在激光为光源的光谱技术中，由于激光的相干性、方向性、高强度，发明者提出一种干涉式的激光光谱方法，将激光聚焦到动脉血流丰富的较小部位，实现测量的高的空间分辨率。以干涉式激光光谱技术实现单一光程光束检测，最大程度上降低组织中含有的蛋白质、脂肪、肌肉等多种成分及其不规律性分布对光传播规律的影响，减小光程的随机性和不同部位间的组织差异所致的检测光频谱和强度信息的复杂性，实现对人体特定部位组织光学特性的定量化测量、预测人体成分及浓度。

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。

具体实施系统的说明

实施例1：

本发明的技术方案1如图4所示，由激光驱动控制器1、激光驱动控制器2、激光驱动控制器3、激光光源4、激光光源5、激光光源6、干涉激光光谱光路7、干涉激光光谱光路8、干涉激光光谱光路9、干涉激光光谱光路10、干涉激光光谱光路11、干涉激光光谱光路12、干涉激光光谱光路13、干涉激光光谱光路14、干涉激光光谱光路15、干涉激光光谱光路18、干涉激光光谱光路21、信号调理电路22、信号调理电路23、信号调理电路24、信号调理电路25、信号调理电路26、信号调理电路27、单片计算机28、测头16、调制信号发生器29、显示器30、键盘31构成，实现上述的干涉式激光光谱测量技术、多光程分离技术。

光源采用近红外相干光源，可以使用半导体激光器、气体激光器或染料激光器，使用N个发射波长不同的激光器以覆盖人体成分检测必要的波长范围，对于血糖无创检测，选取葡萄糖分子的二阶倍频(1100-1300nm波段)、及其一阶倍频(1500-1800nm波段)、合频(2100-2500nm波段)范围内的若干个波长。本实施中使用N个半导体激光器(原理示意图中为3个)。

激光驱动控制器(1、2、3)实现对激光输出的功率控制、波长稳定和调谐、温度检测与控制。

干涉激光光谱光路由光纤7、光纤8、光纤9、光纤11、光纤13、光纤14、光纤15、光纤19、光纤20、光纤耦合器10、光纤耦合器12、光纤耦合器18、平衡式光电接收器21组成。N个激光器(图中为3个激光器)输出的激光分别耦合到光纤7、光纤8、光纤9，经N×1光纤耦合器10(图中为3×1光纤耦合器)耦合到光纤11中，用1×2光纤耦合器12分束到测量路光纤14和参考路光纤13，测量光纤14传输的激光送到测头，经入射激光光路32照射皮肤组织，组织深层的散射光由测量光路34收集到光纤20，光纤15中的测量光与光纤13中的参考光在光纤耦合器18中相干涉，干涉光经光纤19传输到平衡接收器21，在皮肤表面的反射光由参考光路33收集到光纤15送入到平衡接收器21，用于消除激光器噪声和其它的共模噪声。

在信号调理电路中设置多个信号检测通道，包括前置放大器22、锁相放大器23、锁相放大器24、锁相放大器25、锁相放大器26、A/D转换器27。前置放大器22对平衡接收器21的输出信号进行放大，前置放大器22的输出信号中包含有人体成分的吸收信息，送入到多个锁相放大器(原理图中为4个)，调制信号发生器29的输出也分别输入至这些锁相放大器，并使这些锁相放大器的中心频率分别设置为不同值以构成的多个信号通道，不同的信号通道对应于不同的散射光光程，至少选择其中的一个符合浮动基准法原理的参考值的光程作为获得计算的参考值，而选择其中的另一个符合浮动基准法原理的测量值的光程作为获得计算的测量值；多个锁相放大器的解调输出信号分别送入到多路AD转换器27，从而将多个通道的模拟信号转换为数字信号。

计算机28(嵌入式或PC计算机或单片机)通过其外围电路(包括键盘31、显示器30、激光驱动控制器1、激光驱动控制器2、激光驱动控制器3、调制信号发生器29、多路AD转换器27)对整个检测装置进行管理、控制、数据处理及显示。用户通过键盘输入对本装置的操作命令、数据和用户信息；显示器可以是数码管、液晶或阴极射线管显示器(CRT)，用于测量数据和各种操作提示信息的显示；计算机28通过激光驱动控制器1、激光驱动控制器2、激光驱动控制器3分别对激光光源4、激光光源5、激光光源6的温度和电流进行控制，并实现激光的调制输出；通过调制信号发生器29给出激光调制的特征参数(调制类型、调制深度、调制频率)；多路AD转换器27输出的数字信号送到计算机28进行数字信号处理，其中包括：数字滤波、粗大误差剔除、温度补偿、背景扣除等，并参照储存在其存储器中的一条标定曲线计算人体成分的预测值，并将计算的人体成分值在显示器30上显示。

测头的说明

本发明的测头方案如图5所示，包括入射激光光路32、参考光路33、测量光路34及外壳35，并通过光纤14、光纤15、光纤20与干涉激光光谱光路相连接，入射光纤14导入的激光经入射激光光路32进行准直，照射到待测目标，入射光路32与测量光路34之间设置光学隔档，只有经组织深层的散射光才能经测量光路34接收，耦合到检测激光光纤15，在皮肤表面的反射光由参考光路33收集到光纤20。

实施例2：有关复数个检测器的实施

本发明的技术方案2为复数个检测器的人体成分检测系统，如图6所示。用1×2光纤耦合器12分束得到的两束光，其中一束光经光纤37送到光纤耦合器36分为三束作为参考光分别经光纤13-1、13-2、13-3送到光纤耦合器18-1、18-2、18-3；另外一束经光纤14送到测头16-1经入射激光光路32照射皮肤组织。由测头16-1、16-2拾取的测量光分别经光纤15-1、15-2、15-3送到分别经光纤耦合器18-1、18-2、18-3，与参考光进行干涉，其差拍信号分别由光电接收器21-1、21-2、21-3检测，并分别经前置放大器22-1、22-2、22-3进行放大，在锁相放大器24、锁相放大器25、锁相放大器26进行不同光程信号的拾取，由AD转换器27进行模拟-数字信号变换，在计算机28进行数字信号处理，其中包括：数字滤波、粗大误差剔除、温度补偿、背景扣除等，并参照储存在其存储器中的一条标定曲线计算人体成分的预测值，并将计算的人体成分值在显示器30上显示。

锁相放大器24、锁相放大器25、锁相放大器26分别设置不同的接收频率，以得到不同的光程的信号以构成的多个信号通道。至少选择其中的一个符合浮动基准法原理的参考值的光程作为获得计算的参考值，而选择其中的另一个符合浮动基准法原理的测量值的光程作为获得计算的测量值。

Claims (7)

1.一种光程可选择的无创人体成分检测装置，由光驱动控制器、光源、干涉光光路、信号调理电路、测头、调制信号发生器、单片计算机构成，其特征是，测头将在皮肤表面组织的反射光由参考光路(33)收集到光纤(20)送入到干涉光光路中的平衡接收器(21)，测头还将深层组织的散射光输出到干涉光光路中的光纤耦合器(18)；光纤耦合器(18)用于使光源分出的激光和前述深层组织的散射光相干涉，并输出到平衡接收器(21)；信号调理电路用于处理来自平衡接收器(21)的一路或多路差拍信号，并由后续的单片计算机处理形成测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述光驱动控制器、光源形成多路激光光源，并由相应的多个光纤耦合器(18)处理。

3.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述信号调理电路是同时检测通过人体组织的多个光程的散射光，至少选择其中的一个符合浮动基准法原理的参考值的光程作为获得计算的参考值，而选择其中的另一个符合浮动基准法原理的测量值的光程作为获得计算的测量值。

4.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述信号调理电路处理差拍信号是对差拍信号频率的选择性接收，实现对组织中的光程进行选择性接收，滤除掉其它光程光束的干扰。

5.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述信号调理电路能够改变所拾取散射光的光程，实现选择不同的测量光程，以适宜于不同个体组织特性所致的浮动点、即测量点和参考点的差异。

6.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述的光源采用多个半导体激光器，由光纤、光纤耦合器、平衡式光电接收器组成的干涉激光光谱光路，使激光光源分出的参考光与测头生成的测量光相干涉；信号调理电路由前置放大器、锁相放大器、A/D转换电路组成，A/D转换电路输出到单片计算机。

7.根据权利要求1所述的一种光程可选择的无创人体成分检测装置，其特征是，所述的用于测量人体成分的光的波段是包括葡萄糖分子的倍频振动和合频振动的近红外区域，波长为从800nm到2500nm。

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