CN100591271C - 无创血糖检测传感器集成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无创血糖检测传感器集成器，是对无创血糖检测传感器探头的改进，是第二代无创血糖检测传感器探头。该探头的测定电压为5V，包括：底座(1)、指表血流流速检测区(2)、人体局部(指部)代谢率检测区(3)、指端血氧红外检测区(4)、电路连接区(5)、信号输入输出区(6)。该传感器探头能够多次的、无创伤的、快速而准确的检测到用于计算血糖的相关参数，并且使用相当简单，便于家庭使用，制作工艺和方法简单，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明属于传感器应用领域，涉及一种依据能量代谢守恒法无创检测血糖浓度的传感器集成器，可方便快捷的用于无创伤多生理参数检测、特别是无创伤检测血糖浓度，适合家庭使用。
背景技术
糖尿病(diabetic mellitus，DM)是一种体内胰岛素相对或绝对不足及靶细胞对胰岛素敏感性降低，或胰岛素本身存在结构上的缺陷而引起的碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢紊乱的一种慢性疾病，其主要特点是高血糖、糖尿。临床上表现为多饮、多食、多尿和体重减少，可以使一些组织或器官发生形态结构改变和功能障碍，并发酮症酸中毒、肢体坏疽、多发性神经炎、失明和肾功能衰竭等。目前，糖尿病较为有效的控制治疗手段是通过频繁的检测和胰岛素注射来对血糖浓度进行严格控制，从而减少或减轻由糖尿病导致的长期并发症。因此定期的血糖检测对糖尿病患者意义重大。
目前血糖的检测方法可分为有创、微创和无创法。有创和微创血糖的检测方法都具有不同程度的组织侵入性，而目前短期内连续测量血糖成为一个普通的治疗糖尿病的手段，因此给病人带来痛苦，有感染的可能，病人会有惧怕心理，并且检测费用比较昂贵，因此使用有限。
而目前无创血糖检测技术根据介质一般可分为：电化学法和光学法。电化学法是利用人体表面的渗出液来间接检测血糖浓度，但使用成本较高，需经常更换昂贵的测头。由于组织或血浆中其它成份的影响，以及传感器对表皮的低穿透性，电化学传感器只能在有限的范围内使用。而光学法是利用血糖对光参数(光强、偏振角)的调制，实现对血糖浓度的测量。可按光的传播方向分为偏振式、后向散射式和透射式。比如红外光谱法、光声谱法、拉曼光谱法、偏振光旋光法、光散射法、毫米波检测法、颜色法、无线电阻抗法和超声法等，这些方法都是与光学法相关的。但是由于光容易受到外界因素的影响和干扰，个体影响因素相当大，导致测量结果的精度不高，因而到目前为止这些方法都是处于理论研究阶段，尚未有公认成熟的算法和模型出现。而其中能量守恒法虽然数学模型建立较难，但理论简单，容易实现。本发明旨在为基于此法而研发的无创血糖检测提供血糖检测传感器集成。可在短时间内快速的无创伤的提供所有必须的生理参数。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种无创血糖检测传感器集成器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，包括
设置在该集成器底部的绝缘底座(1)；
设置在该集成器一侧的用于检测人体指表皮下血流量的指表血流流速检测区(2)；
设置在该集成器中部的用于检测人体局部代谢率的人体局部代谢率检测区
(3)；设置在该集成器顶部的用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区(4)；
设置在该集成器中部的用于信号输入输出连接、传感器焊接及PCB安装的电路连接区(5)；
以及用于电源及信号输入输出的信号输入输出区(6)。
所述的指表血流流速检测区(2)包括：安装在金属片固定槽(10)中的血流检测金属片(9)，其与外界环境直接相接；在该传感器集成器主体(2、3、4、5、6)的侧表面，金属片固定槽(10)与电路连接区(5)及外界相通，且从上至下贯穿于整个传感器集成器的主体(2、3、4、5、6)直到绝缘底座(1)；在金属片固定槽(10)顶端的后部，开通与近端温度传感器(12)规格相适应的近端温度传感器固定槽(11)，并与电路连接区(5)相通；在金属片固定槽(10)低端的后部，开通与远端温度传感器(14)规格相适应的远端温度传感器滑动轨道(13)，并与电路连接区(5)相通；在指表血流流速检测区(2)的右下角和左下角，依次开通与室内温度传感器(16)规格相适应的室内温度传感器固定槽(15)和与室内湿度传感器(18)规格相适应的室内湿度传感器固定槽(17)，其均与电路连接区(5)相通。
所述的人体局部代谢率检测区(3)包括：在该传感器集成的指表血流流速检测区(2)和人体局部代谢率检测区(3)的顶部，为提高检测精度且满足检测条件而设计的手指指形模拟区(19)和自然流体缓冲带(52)；在手指指形模拟区(19)的中轴线上的中心，开通一定高度的柱体空间为代谢辐射腔体(22)；在手指指形模拟区(19)的中轴线上的右端和左端，分别靠近指表血流流速检测区(2)和指端血氧红外检测区(4)沿着代谢辐射腔体(22)的腔壁，分别开通与指表温度传感器(21)规格相适应的指表温度传感器固定槽(20)和与指表湿度传感器(24)规格相适应的指表湿度传感器固定槽(23)；在代谢辐射腔体(22)腔壁的中心，分别开通与指表湿度传感器固定槽(23)相通的指表湿度传感器信号输入输出端(25)和与指表温度传感器固定槽(20)相通的指表温度传感器信号输入输出端(26)，其贯穿代谢辐射腔体(22)和电路连接区(5)；在代谢辐射腔体(22)的底部开通与电路连接区(5)相通且与辐射传感器(28)规格相适应的辐射传感器固定槽(27)。
所述的指端血氧红外检测区(4)包括：手指血氧红外检测上端夹子(29)和手指血氧红外检测下端夹子(31)；在手指血氧红外检测上端夹子(29)末端用于开闭夹子的手指血氧红外检测夹子施力区(30)；处于手指血氧红外检测上端夹子(29)和下端夹子(31)之间用于检测且依据指形设计的手指血氧红外检测夹子指腔(32)；在红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)上开通的用于固定红外发射传感器(34)的红外发射传感器固定槽(35)；在红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)上开通的用于固定红外接收传感器(36)的红外接收传感器固定槽(37)；在红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)和红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)上面安装的血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板(40)和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板(42)；用于固定红外传感器固定平面板及固定槽(39、41)和手指受力缓冲曲面板(40、42)到手指血氧红外检测夹子(29、31)的手指血氧红外检测夹子螺丝固定端(33)；用于连接手指血氧红外检测上端夹子(29)和手指血氧红外检测下端夹子(31)的血氧红外检测夹子转动轴(43)；用于保证指端血氧红外检测区(4)检测时的密封性和避光性安装在血氧红外检测夹子转动轴(43)上的血氧红外检测夹子避光同心柱体轴(44)，其上有血氧红外检测夹子弹簧安装区(45)；贯穿指端血氧红外检测区(4)和电路连接区(5)，用于通信的红外发射接收传感器信号输入输出端(38)。
所述的电路连接区(5)分别有与指表血流流速检测区(2)中近端温度传感器固定槽(11)、远端温度传感器滑动轨道(13)、室内温度传感器固定槽(15)、室内湿度传感器固定槽(17)相通的端口；与人体局部代谢率检测区(3)中指表湿度传感器信号输入输出端(25)、指表温度传感器信号输入输出端(26)、辐射传感器固定槽(27)相通的端口；与指端血氧红外检测区(4)中红外发射接收传感器信号输入输出端(38)相通的端口。
所述的信号输入输出区(6)包括：提供5V稳压电源的电源输入端(46)；控制电源的电源自锁开关(47)；用于指示电源及探头工作的电源指示灯(48)；经电路连接区(5)与红外发射接收传感器信号输入输出端(38)相接的9路血氧红外检测数据输出口(50)及用于固定该输出口的血氧红外检测数据输出口螺丝固定端口(49)；经电路连接区(5)与其他各个端口相接的10路PCB信号输入输出口。
所述的温度传感器(12、14、16、21)为SXHW-05009、SXHT-103、SXHM-58、LM35或MJ9516型；近端温度传感器(12)安装在近端温度传感器固定槽(11)中，远端温度传感器(14)安装在远端温度传感器滑动轨道(13)中，室内温度传感器(16)安装在室内温度传感器固定槽(15)，指表温度传感器(21)安装在指表温度传感器固定槽(20)中。
所述的湿度传感器(18、24)选择HIH3610-001、HIH3610-002、HIH3610-003、HIH3610-004和GY-HR101型之一种；其中室内湿度传感器(18)安装在室内湿度传感器固定槽(17)中，指表湿度传感器(24)安装在指表湿度传感器固定槽(23)中。
所述的辐射传感器(28)热电堆选择A2TPMI 334-L5.5 OAA060、A2TPMI334-L5.5 OAA120、TPM334或TPM334-L5.5型；辐射传感器(28)安置在代谢辐射腔体(22)底部的辐射传感器固定槽(27)中。
所述的红外发射传感器(34)和红外接收传感器(36)选择波长为660nm和905nm的双波长传感器，红外发射传感器(34)安置在红外发射传感器固定槽(35)中，红外接收传感器(36)安置在红外接收传感器固定槽(37)中。
所述传感器集成器的主体选择白色PVC材料。
所述的人体局部代谢率检测区(3)中代谢辐射腔体(22)的材料选择为黑色PVC材料。
指端血氧红外检测区(4)中红外传感器固定平面板及固定槽(39、41)的材料选择为：灰色PVC材料，血氧红外检测夹子手指受力缓冲曲面板(40、42)的材料选择为：绿色弹性材料，且依据指表形状设计；而血氧红外检测夹子避光同心柱体轴(44)的材料选择为：灰色避光材料。
将安装血流检测金属片(9)的金属片固定槽(10)顶端处于手指指形模拟区(19)的中心轴线上，且与手指指形模拟区(19)隔离1mm距离，而低端贯穿到底座(1)；将与金属片固定槽(10)中安装远端温度传感器(12)的固定槽设计成远端温度传感器滑动轨道(13)，使得远端温度传感器(12)检测点可作20mm范围的调整。
集成器的顶部设计成有适当弧度的手指指形模拟区(19)，且将安装指表温度传感器(21)的指表温度传感器固定槽(20)和安装指表湿度传感器(24)的指表湿度传感器固定槽(23)与代谢辐射腔体(22)设计在同一轴线上。
能量守恒法检测血糖浓度的理论描述：
新陈代谢是生命最基本的生命特征。而人体内物质代谢过程就是能量代谢的过程。一般情况下，糖作为主要的能源物质，在氧供应充足的情况下，绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获得能量。这些获得的能量出来机体对外作功外，其余的能量最终转化为热能，生理学估计代谢产生的能量最终大约有80％以上的热能都以不同的方式散发出去，而这个过程中能量代谢是守恒的。
同时人体周期变化的物质基础与葡萄糖有很大关系。作为主要能源物质的葡萄糖在血液中的浓度的变化，相应的会引起人体代谢的变化，进而影响到体温等生理参数的变化。由此提出了通过测量局部(手指)氧容量和代谢产生的热量来估算血糖含量的能量守恒法。因而认为代谢产生的热量是血糖水平、氧容量和脉率的函数，氧容量是动脉血氧饱和度及血液流速的函数，所以建立以下数学模型：[GLU]＝F(H，BF，POS，PF)，即血糖浓度是人体代谢热量、血流速度、血氧饱和度和脉率的函数。
子算法说明：
人体代谢热量由人体代谢率来等换，检测对象是手指，故为人体局部(指部)代谢率。可通过指表湿度、室内湿度、室内温度、指表温度、指表辐射及室内环境辐射等参数可确定人体局部(指部)代谢率。
血流速度由血流量来等换，检测对象是手指，故为指表血流量。可通过热的传导建立热平衡模型，可通过金属片近端的温度变化梯度、金属片远端的温度变化梯度、室内湿度、室内温度等参数可确定指表血流量。
血氧饱和度和脉率的检测对象依然是手指，故为指端血氧红外检测。可通过红外透射血氧检测的原理，来确定血氧饱和度的浓度及脉率的大小。
本发明所具有的有益效果有：
●本传感器集成(即传感器集成器，下同)可实现多参数实时检测。在短时间内可一次性同步检测人体体温、人体指表湿度、相对湿度、人体辐射温度、环境辐射温度、环境温度、红外接收波波形等参数。
●本传感器集成可为相关算法提供基本数据，如上所述，后可依据相关数学模型得到人体局部代谢率、人体体温、人体局部血流量、人体血氧饱和度及脉率等生理参数。进而实现了多生理参数的同步间接检测。
●本传感器集成通过上面的数据，依据能量代谢守恒法的原理，最终可得到血糖值，故最终实现了多次数、无创伤的对血糖值的实时监测。
●本传感器集成关键区域的结构设计具有传感器非固定可调节性，因此本传感器集成为后续算法优化及实时系统调节校正提供了便利。
●本传感器集成的结构设计考虑到了人性化设计，因此检测区中关键检测区均依据指形而设计相关结构。
●本传感器集成的结构设计考虑到了便携式设计，因此其不同检测区域结构严密接凑，毫无无用空间，最终主体小巧，规格仅为：60mm×30mm×85.5mm。
●本传感器集成的结构设计是依据大量实验为基础的，因此材料的选择、结构的设计的规格均依据试验结果而设计。
●本传感器集成主体由白色PVC材料加工而成，整体美观、协调、浑然一体。
●本传感器集成因采用绝缘体加工，因此提高了系统的抗干扰能力。
●本传感器信号输出端口均为通用接口，分别为9Pin的串口输出和10Pin的2×5的带卡槽的排针输出，方便与其他后续系统连接。
附图说明
图1为无创血糖检测传感器集成的外形；
图2为无创血糖检测传感器集成的正视图；
图3为无创血糖检测传感器集成的俯视图；
图4为无创血糖检测传感器集成的侧视图；
其中，图4a为无创血糖检测传感器集成的左视图；图4b为无创血糖检测传感器集成的右视图；
图5为无创血糖检测传感器集成的血氧红外检测部；
其中，图5a为无创血糖检测传感器集成的血氧红外检测部的组装正视图；图5b为无创血糖检测传感器集成的血氧红外检测部的组装侧视图；
图5c为无创血糖检测传感器集成的血氧红外检测部的截面图；
图6为无创血糖检测传感器集成的传感器安装图；
其中，图6a为无创血糖检测传感器集成的传感器安装前图；
图6b为无创血糖检测传感器集成的传感器安装后图
图7为无创血糖检测传感器集成的输入输出接口安装图；
图8为无创血糖检测传感器集成的原理图；
附图中部件标号说明：
1绝缘底座 30 30手指血氧红外检测夹子施力区
2指表血流流速检测区 31手指血氧红外检测下端夹子
3人体局部代谢率检测区 32手指血氧红外检测夹子指腔(检
4指端血氧红外检测区 测区)
5电路连接区 33手指血氧红外检测夹子螺丝固定
6信号输入输出区 35端
7拆卸盖 34红外发射传感器
8拆卸盖螺丝固定端 35红外发射传感器固定槽
9血流检测金属片 36红外接收传感器
10金属片固定槽 37红外接收传感器固定槽
11近端温度传感器固定槽 40 38红外发射接收传感器信号输入输
12近端温度传感器 出端
13远端温度传感器滑动轨道 39红外发射传感器固定平面板及固
14远端温度传感器 定槽
15室内温度传感器固定槽 40血氧红外检测上端夹子手指受力
16室内温度传感器 45缓冲曲面板
17室内湿度传感器固定槽 41红外接收传感器固定平面板及固
18室内湿度传感器 定槽
19手指指形模拟区 42血氧红外检测下端夹子手指受力
20指表温度传感器固定槽 缓冲曲面板
21指表温度传感器 50 43血氧红外检测夹子转动轴
22代谢辐射腔体 44血氧红外检测夹子避光同心柱体
23指表湿度传感器固定槽 轴
24指表湿度传感器 45血氧红外检测夹子弹簧安装区
25指表湿度传感器信号输入输出端 46 5V电源输入端
26指表温度传感器信号输入输出端 55 47电源自锁开关
27辐射传感器固定槽 48电源指示灯
28辐射传感器 49血氧红外检测数据输出口螺丝固
29手指血氧红外检测上端夹子定 端口
50血氧红外检测数据输出口 52自然流体缓冲带
51 PCB信号输出口
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1～8所示，一种无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，包括
设置在该集成器底部的绝缘底座1；
设置在该集成器一侧的用于检测人体指表皮下血流量的指表血流流速检测区2；
设置在该集成器中部的用于检测人体局部代谢率的人体局部代谢率检测区3；设置在该集成器顶部的用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区4；
设置在该集成器中部的用于信号输入输出连接、传感器焊接及PCB安装的电路连接区5；具体电路如图8所示。
以及用于电源及信号输入输出的信号输入输出区6。
绝缘底座1，其材料为PVC白色材料，与其他区的大部分材料相同；其重量可保证该传感器集成的主体(2、3、4、5、6)稳定使用；其大小与该传感器集成的主体(2、3、4、5、6)大小相同，浑然一体。
用于检测人体指表皮下血流量的指表血流流速检测区2包括：根据所发明的基于温度场分布无创检测血流量的方法而选择的安装在金属片固定槽10中的血流检测金属片9，其与外界环境直接相接，该设计可以避免血流检测金属片9两端处于不同环境而导致的计算误差，并且与外界相通，又嵌入在金属片固定槽10中，这是对热清除法检测模型的改进；在该传感器集成主体(2、3、4、5、6)的侧表面，根据血流检测金属片9规格设计的金属片固定槽10，其与电路连接区5及外界相通，且从上至下贯穿于整个传感器集成的主体(2、3、4、5、6)直到底座(即绝缘底座1，下同)，该设计可为安装在金属片固定槽10中的金属片9提供足够的试验调整空间，便于调试；在金属片固定槽10顶端之后，开通与近端温度传感器12规格相适应的近端温度传感器固定槽11，其设计满足血流量检测条件，即为了使检测条件处于最佳状态，近端温度传感器固定槽11必须尽可能的接近指表而又不能直接接触指表，故该设计必须要求距离手指指形模拟区19仅1mm之隔，并且为了便于近端温度传感器12与PCB的电路连接必须保证其与电路连接区5相通，即横向贯穿了金属片固定槽10和电路连接区5，；在金属片固定槽10低端之后，开通与远端温度传感器14规格相适应的远端温度传感器滑动轨道13，其设计满足血流量检测的条件，其优点在于远端温度传感器14的检测点可在远端温度传感器滑动轨道13上做一定范围的调节，可为后续算法的优化和获取最佳检测点提供必要的条件，并且为了便于远端温度传感器14与PCB的电路连接必须保证其与电路连接区5相通，即横向贯穿了金属片固定槽10和电路连接区5；在指表血流流速检测区2的右下角和左下角，依次开通与室内温度传感器16规格相适应的室内温度传感器固定槽15和与室内湿度传感器18规格相适应的室内湿度传感器固定槽17，其均与电路连接区5相通，可便于传感器与PCB的电路连接，但为保证电路连接区5的密封性，其设计均为圆形，可便于依传感器外形而加以密封。
用于检测人体局部(指部)代谢率的人体局部代谢率检测区3包括：在该传感器集成的指表血流流速检测区2和人体局部代谢率检测区3的顶部，为提高检测精度且满足检测条件而设计的手指指形模拟区19和自然流体缓冲带52，其设计可保证检测时辐射腔体22中的密封性，同时可以为建立自然流体对流散热和流体层流的数学模型提供便利条件，避免湍流的影响；在手指指形模拟区19的中轴线上的中心，开通一定高度的柱体空间为代谢辐射腔体22，由试验测得腔体22高度在20mm左右时为最佳高度，其优点在于既可以保证辐射传感器28的有效检测，又可以有效的降低辐射腔体22的高度，使得传感器集成的主体(2、3、4、5、6)的高度有效降低，外形轻盈，同时又便于加工；在手指指形模拟区19的中轴线上的右端和左端，分别靠近指表血流流速检测区2和指端血氧红外检测区4沿着代谢辐射腔体22的腔壁，分别开通与指(体)表温度传感器21规格相适应的指(体)表温度传感器固定槽20和与指(体)表湿度传感器24规格相适应的指(体)表湿度传感器固定槽23，该设计既可使得传感器固定槽20、23避免对辐射传感器28的影响，又可以有效的节省空间，使得传感器集成的主体2、3、4、5、6的宽度有效减少，外形小巧，同时又便于加工；在代谢辐射腔体22腔壁的中心，分别开通与指(体)表湿度传感器固定槽23相通的指(体)表湿度传感器信号输入输出端25和与指(体)表温度传感器固定槽20相通的指(体)表温度传感器信号输入输出端26，其贯穿代谢辐射腔体22和电路连接区5；在代谢辐射腔体22的底部开通与电路连接区5相通且与辐射传感器28规格相适应的辐射传感器固定槽27，这些设计均是基于传感器21、24、28便于与PCB的电路连接和便于加工的考虑。
用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区4包括：依据红外透射衰减原理而设计的手指血氧红外检测上端夹子29和手指血氧红外检测下端夹子31；在手指血氧红外检测上端夹子29末端用于开闭夹子的手指血氧红外检测夹子施力区30；处于手指血氧红外检测上端夹子29和下端夹子31之间用于检测且依据指形设计的手指血氧红外检测夹子指腔32；在红外发射传感器固定平面板及固定槽39上开通的用于固定红外发射传感器34的红外发射传感器固定槽35；在红外接收传感器固定平面板及固定槽41上开通的用于固定红外接收传感器36的红外接收传感器固定槽37；为便于检测，且满足能量代谢守恒法检测条件，在红外发射传感器固定平面板及固定槽39和红外接收传感器固定平面板及固定槽41上面安装的血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板40和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板42，而夹子手指受力缓冲曲面板40、42是依据指形设计的，有适当的曲率，并且分别在上端和下端夹子手指受力缓冲曲面板40、42上开通与红外传感器34、36规格相适应的5mm×5mm的光路窗口，为保证光路通畅必须要求其与红外传感器固定槽35、37垂直相通且保证面平行；用于固定红外传感器固定平面板及固定槽39、41和手指受力缓冲曲面板40、42到手指血氧红外检测夹子29、31的手指血氧红外检测夹子螺丝固定端33；用于连接手指血氧红外检测上端夹子29和手指血氧红外检测下端夹子31的血氧红外检测夹子转动轴43；用于保证指端血氧红外检测区4检测时的密封性和避光性安装在血氧红外检测夹子转动轴43上的血氧红外检测夹子避光同心柱体轴44，其上有血氧红外检测夹子弹簧安装区45；贯穿指端血氧红外检测区4和电路连接区5，用于通信的红外发射接收传感器信号输入输出端38。
用于信号输入输出连接、传感器焊接及PCB安装的电路连接区5包括：拆卸盖7；用于固定拆卸盖7的拆卸盖螺丝固定端8；指表血流流速检测区2和人体局部代谢率检测区3之间电路连接的适当空间；底座1和人体局部代谢率检测区3之间电路连接的适当空间；人体局部代谢率检测区3和信号输入输出区6之间安置PCB的适当空间；底座1和指端血氧红外检测区4之间电路连接的适当空间。
用于信号输入输出连接、传感器焊接及PCB安装的电路连接区5分别有与指表血流流速检测区2中近端温度传感器固定槽11、远端温度传感器滑动轨道13、室内温度传感器固定槽15、室内湿度传感器固定槽17相通的端口；与人体局部代谢率检测区3中指(体)表湿度传感器信号输入输出端25、指(体)表温度传感器信号输入输出端26、辐射传感器固定槽27相通的端口；与指端血氧红外检测区4中红外发射接收传感器信号输入输出端38相通的端口。
用于5V电源信号输入、各种采集到的生理信号输出的信号输入输出区6包括：为该探头提供5V稳压电源的电源输入端46；控制电源的电源自锁开关47；用于指示电源及探头工作的电源指示灯48；经电路连接区5与红外发射接收传感器信号输入输出端38相接的9路血氧红外检测数据输出口50及用于固定该输出口的血氧红外检测数据输出口螺丝固定端口49；经电路连接区5与其他各个端口相接的10路PCB信号输入输出口。
所述的温度传感器12、14、16、21必须满足相关技术及医学生理要求，可以选择为SXHW-05009、SXHT-103、SXHM-58、LM35、MJ9516型，本传感器集成选用了LM35型；其中近端温度传感器12安装在近端温度传感器固定槽11中，远端温度传感器14安装在远端温度传感器滑动轨道13中，室内温度传感器16安装在室内温度传感器固定槽15，指(体)表温度传感器21安装在指(体)表温度传感器固定槽20中。
所述的湿度传感器18、24必须满足相关技术及医学生理要求，可以选择HIH3610-001、HIH3610-002、HIH3610-003、HIH3610-004、GY-HR101型，本传感器集成选用了HIH3610-003型；其中室内湿度传感器18安装在室内湿度传感器固定槽17中，指(体)表湿度传感器24安装在指(体)表湿度传感器固定槽23中。
所述的辐射传感器28热电堆必须满足相关技术及医学生理要求，可以选择A2TPMI 334-L5.5OAA060、A2TPMI 334-L5.5OAA120、TPM334、TPM334-L5.5型，本传感器集成选用了A2TPMI 334-L5.5 OAA060型；辐射传感器28安置在代谢辐射腔体22底部的辐射传感器固定槽27。
所述的红外发射传感器34和红外接收传感器36必须满足相关技术及医学生理要求，根据血氧浓度及脉率的相关算法需选择波长为660nm和905nm的双波长传感器，故可选择DLED-660/905-CSL-3或DLED-660/905-CSL-2的红外发射传感器34和红外接收传感器36，本传感器集成选用了DLED-660/905-CSL-2型，红外发射传感器34安置在红外发射传感器固定槽35中，红外接收传感器36安置在红外接收传感器固定槽37中。
所述的用于支撑并保证探头稳定工作的底座1及探头主体2、3、4、5、6的材料选择为白色PVC材料。该外观设计美观，并且其材料选取方便而价格又便宜极易加工成型，成本低廉。
所述的用于检测人体指表皮下血流流速检测区2中使用的血流检测金属片(9的材料选择为金属镁片，安置在金属片固定槽10之中，规格为：2mm×5mm×55mm，这是依据大量同规格的不同材料和不同规格的同材料试验对比的结果。
所述的用于检测人体局部(指部)代谢率的人体局部代谢率检测区3中代谢辐射腔体22的材料选择为黑色PVC材料，其作用是用来拟合黑体辐射，而黑色PVC材料可有效的达到辐射量检测条件，且柱形腔体便于加工。
所述的用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区4中红外传感器固定平面板及固定槽39、41的材料选择为：灰色PVC材料，该材料的选择是基于对红外传感器34、36所发射和接收的905和660nm波长光的反射和吸收的影响，灰色PVC材料因其安装在传感器之下故可对红外传感器34、36非垂直方向发射和接收的光适当的吸收，可有效提高检测精度，避免反射光对光波的影响；血氧红外检测夹子手指受力缓冲曲面板40、42的材料选择为：绿色弹性材料，且依据指表形状设计，要求为疏松适当弹性的遮光材料，故选择绿色硅胶材料，该材料的选择是基于其可有效的避免对红外传感器34、36所发射和接收的905和660nm波长光的吸收和影响，并且与皮肤弹性系数相近，便于算法拟合而又可保证检测的条件；而血氧红外检测夹子避光同心柱体轴44的材料选择为：灰色避光材料，要求其不仅避光，而且有适当的硬度来支撑血氧红外检测夹子弹簧安装区45。
所述的用于检测人体指表皮下血流流速检测区2是依据无创伤检测原理及数学模型设计的，特点在于血流检测金属片9无论探头是否在检测中，血流检测金属片9的近端和远端处于同一环境之下，故将安装血流检测金属片9的金属片固定槽10顶端处于手指指形模拟区19的中心轴线上，且为方便快速检测，与手指指形模拟区19隔离1mm距离，而低端贯穿到底座1；又为算法的优化，将与金属片固定槽10中安装远端温度传感器12的固定槽设计成远端温度传感器滑动轨道13，使得远端温度传感器12检测点可作20mm范围的调整。
所述的用于检测人体局部(指部)代谢率的人体局部代谢率检测区3中代谢辐射腔体22在测试时必须保证满足黑体辐射的条件，故将探头柱体2、3、4、5、6的顶部设计成有适当弧度的手指指形模拟区19，且将安装指(体)表温度传感器21的指(体)表温度传感器固定槽20和安装指(体)表湿度传感器24的指(体)表湿度传感器固定槽23与代谢辐射腔体22设计在同一轴线上。
所述的用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区4是依据红外投射检测血氧的原理设计的，其特点在于为了提高检测精度，防止外界对检测波的影响，探头在检测时，必须保证指端红外检测区在手指血氧红外检测夹子指腔32是封闭的而且是避光的，因此才指端血氧红外检测区4的材料和设计有权利要求书5、12、16的要求。
无创血糖检测传感器集成器的设计：
该无创血糖检测的传感器集成的规格为：60mm×30mm×85.5mm(长×宽×高)。
底座的规格为：60mm×30mm×5mm。
人体指表血流流速检测区的规格为：30mm×6mm×60mm。其中与外界相通的金属片固定槽的规格为：5mm×2mm×55mm；在金属片固定槽的顶端靠后的近端温度传感器的固定槽的规格为：5mm×5mm×3mm；而在金属片固定槽低端靠后的远端温度传感器滑动轨道的轨道为：27mm×5mm×3mm，远端温度传感器的检测点的滑动区间为20mm；而室内温度传感器的固定槽和室内湿度传感器的固定槽的规格相同：直径为3.5mm，深度为3mm的圆槽，分别在人体指表血流流速检测区的左下角和右下角。
人体局部代谢率检测区的规格为：22mm×24mm×30mm。其中手指指形模拟区的规格为：直径为51mm，弦长为24mm的圆弧，贯穿于整个人体局部代谢率检测区，且居于顶部；规格为直径为6mm的自然流体缓冲带分居于人体局部代谢率检测区的两侧，与手指指形模拟区外切；居于手指指形模拟区右端轴线上的指表温度传感器固定槽的规格为2.5mm×10mm×5mm；而居于左端轴线上的指表湿度传感器固定槽的规格为：直径为6mm，高度为10mm半圆槽；在手指指形模拟区下方，贯穿代谢辐射腔的指(体)表湿度传感器信号输入输出端的规格为：直径为5mm，深度为6mm的圆槽；指(体)表温度传感器信号输入输出端的规格为：直径为5mm，深度为4mm的圆槽；而代谢辐射腔体的规格为：直径为12mm，深度为25mm的圆槽；在其底部同心处开通直径为10mm，深度为5mm的圆槽，与电路连接区相通。
指端血氧红外检测区的主体规格为：30mm×28.5mm×32mm，在上端夹子之后的施力区的规格为：30mm×1mm×8mm。其中上端夹子的规格为30mm×22.5mm×32mm，其壁厚为4mm；在上端夹子两侧内有与下端夹子咬合的规格为2mm×10mm×32mm咬合槽；而居于上端夹子的红外发射传感器固定平面板及固定槽的规格为：3mm×28mm×22mm；在其上又开通1mm×5mm×22mm的红外发射传感器固定槽；在红外发射传感器固定平面板及固定槽的上端又有规格为：2.5mm×28mm×22mm的血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板，在其上又依据指形设计出直径为51mm，弦长为18mm的曲面槽；后可通过安装在外径为2mm的手指血氧红外检测夹子螺丝固定端的螺丝将红外发射传感器固定平面板及固定槽和血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面固定到上端夹子上；而为便于上端夹子转动，在上端夹子的尾端，设计成直径为8mm的弧形。下端夹子的规格为：30mm×16mm×32mm，其壁厚为4mm；在下端夹子两侧外有与上端夹子咬合的规格为2mm×10mm×32mm咬合槽；而居于下端夹子的红外接收传感器固定平面板及固定槽的规格为：3mm×28mm×22mm；在其上又开通1mm×5mm×12mm的红外接收传感器固定槽；在红外接收传感器固定槽底部的靠近转轴方向又开通2mm×5mm×5mm的红外发射接收传感器信号输入输出端；在红外接收传感器固定平面板及固定槽的上端又有规格为：2.5mm×28mm×22mm的血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板，在其上又依据指形设计出直径为51mm，弦长为18mm的曲面槽；后可通过安装在外径为2mm的手指血氧红外检测夹子螺丝固定端的螺丝将红外接收传感器固定平面板及固定槽和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面固定到下端夹子上。在上端夹子和下端夹子之间又有口径为7mm的手指血氧红外检测夹子指腔。在两者尾端，与上端夹子的尾端圆弧同心处的咬合槽开通一直径为3mm的圆孔，为安装血氧红外检测夹子转动轴之用。在转动轴之上，同心套有用于避光的同心柱体轴，之上又有血氧红外检测夹子弹簧安装区。
信号输入输出区的规格为：24mm×53mm×5mm，嵌入传感器主体5mm处，被厚度为3mm的外壳包围。其上开辟有规格为：12mm×9mm×5mm的5V电源输入端口；在电源输入端口旁有8mm×8mm×5mm的电源自锁开关；在其下方有直径为5mm的电源指示灯；在指示灯下方有21mm×9mm×5mm的2×5的10Pin信号输出端口；在10Pin的信号输出端口有9Pin的血氧数据输出串口。
材料的选择：
为加工及选材之便利，底座及探头主体的材料为白色PVC材料，外形美观。血流检测金属片的材料为金属镁片，安置在金属片固定槽之中，规格为：2mm×5mm×55mm，这个选择是依据大量试验，通过对比紫铜、黄铜、铁、钢、不锈钢、铝、镁等材料，发现该规格的镁片的温度响应曲线最佳，故选择给规格的镁片作为血流检测的材料。代谢辐射腔体的材料为黑色PVC材料，这个选择是在满足辐射腔体可以拟合黑体辐射的条件之下为加工及选材之便而选择的。红外发射传感器固定平面板及固定槽和红外接收传感器固定平面板及固定槽的材料为灰色PVC材料，这个选择是为了避免对905nm及660nm的红外光吸收或影响而选择的。血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板的材料为绿色硅胶材料，且依据指表形状设计，这个选择是为了防止指端受压影响血流和皮下代谢，同时也防止周围光线对红外波段的光线影响而要求该材料需为透气、疏松、避光、且有弹性的材料，最终选择了绿色硅胶材料。而避光同心柱体轴的材料为灰色避光材料，是为了满足检测时指腔的封闭性及避光性的要求而选择，同时考虑到该材料需有适当的硬度来支撑血氧红外检测夹子弹簧安装区，故选择灰色的PVC材料。
传感器的选择：
要求温度传感器：体积小、精度高，最好0.1度、集成度好、供电电源为单电源供电，最好5V、耗散系数0.7以下、时间常数5s以下、阻值比较小，在100欧姆左右、B值3500左右，因此选用LM35系列。要求湿度传感器：相对湿度和输出电压是线形关系、高精度、快速响应时间、低功耗、供电电源为单电源供电，最好5V，因此选用HIH3610系列。要求辐射传感器：高精度、自身具有温度校正和补偿电路、快速响应时间，因此选用A2TPMI系列。要求红外发射传感器：体积小、精度高、响应时间快、且可发射波长为905nm、660nm的光波，故选择DLED-660/905系列的红外传感器，红外接收传感器同类。
制作血糖传感器集成器(即探头)的步骤包括：
●选择符合生理要求和技术要求的传感器；
●设计出传感器探头外形；
●根据所选传感器的规格加工出相关传感器的固定槽；
●根据相关理论模型加工出相关腔体；
●根据检测条件对传感器集成进行优化设计；
●根据传感器的固定槽在本传感器集成中的排布，设计并加工出PCB板；
●在25℃校正传感器；
●将校正过的传感器安装到传感器探头上，所有传感器和接口都用胶水固定，并风干；
●在270℃左右焊接传感器和连接导线，并在导线和引脚之间加绝缘层；
●高温焊接连接导线和信号输入输出区的连接导线到PCB板；
●安装信号输入输出区和PCB；
●接通电源调试；
安装拆卸盖，并密封处理。
使用该传感器集成器的具体操作步骤：
1、检测对象处于静息状态；
2、血糖传感器集成探头放置片刻，各路参数恢复当前值；
3、将检测对象的手指轻放置于血糖传感器集成的手指指形模拟区，并将手指伸进血氧红外检测指腔；
4、检测对象或站或坐，一直保持检测姿势20s；
5、5s后，血糖值可在显示工具上显示出来。
在测试过程当中最好在室内，恒温、均湿、风速较小，这样可满足测试条件，而检测对象必须处于静息状态，不可在剧烈运动之后马上受检测，务必保持呼吸平和，可满足测试条件。下表为检测结果对比结果。
| 检测对象 | NELLCOR U4031-01血氧探头血氧饱和度检测结果(％) | 本发明血糖传感器探集成血氧饱和度测试结果(％) |
| 对象1 | 96 | 96 |
| 对象2 | 97 | 97 |
| 对象3 | 94 | 94 |
| 对象4 | 96 | 96 |
| 对象5 | 95 | 95 |
| 对象6 | 95 | 95 |
| 检测对象 | NELLCOR U4031-01血氧探头脉率检测结果(次/分钟) | 本发明血糖传感器探集成脉率测试结果(次/分钟) |
| 对象7 | 56 | 58 |
| 对象8 | 68 | 65 |
| 对象9 | 73 | 74 |
| 对象10 | 65 | 66 |
| 对象11 | 59 | 59 |
| 对象12 | 63 | 62 |
| 检测对象 | MediSense Optium血糖仪血糖浓度测试结果(mmol/L) | 本发明血糖传感器探集成血糖浓度测试结果(mmol/L) |
| 对象13 | 5.6 | 5.45 |
| 对象14 | 4.3 | 4.19 |
| 对象15 | 5.5 | 5.63 |
| 对象16 | 4.9 | 5.08 |
| 对象17 | 4.6 | 4.52 |
| 对象18 | 5.3 | 5.36 |
Claims (13)
1.一种无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，包括
设置在该集成器底部的绝缘底座(1)；
设置在该集成器一侧的用于检测人体指表皮下血流量的指表血流流速检测区(2)；
设置在该集成器中部的用于检测人体局部代谢率的人体局部代谢率检测区(3)；
设置在该集成器顶部的用于检测人体血液中血氧饱和度及脉率的指端血氧红外检测区(4)；
设置在该集成器中部的用于信号输入输出连接、传感器焊接及PCB安装的电路连接区(5)；
以及用于电源及信号输入输出的信号输入输出区(6)；
所述的指表血流流速检测区(2)包括：安装在金属片固定槽(10)中的血流检测金属片(9)与外界环境直接相接；在该传感器集成器的主体(2、3、4、5、6)的侧表面，金属片固定槽(10)与电路连接区(5)及外界相通，且从上至下贯穿于整个传感器集成器的主体(2、3、4、5、6)直到绝缘底座(1)；在金属片固定槽(10)顶端的后部，开通与近端温度传感器(12)规格相适应的近端温度传感器固定槽(11)，近端温度传感器固定槽(11)与电路连接区(5)相通；在金属片固定槽(10)底端的后部，开通与远端温度传感器(14)规格相适应的远端温度传感器滑动轨道(13)，远端温度传感器滑动轨道(13)与电路连接区(5)相通；在指表血流流速检测区(2)的右下角和左下角，依次开通与室内温度传感器(16)规格相适应的室内温度传感器固定槽(15)和与室内湿度传感器(18)规格相适应的室内湿度传感器固定槽(17)，室内温度传感器固定槽(15)和室内湿度传感器固定槽(17)均与电路连接区(5)相通。
2.根据权利要求1所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的人体局部代谢率检测区(3)包括：在该传感器集成器的指表血流流速检测区(2)和人体局部代谢率检测区(3)的顶部，为提高检测精度且满足检测条件而设计的手指指形模拟区(19)和自然流体缓冲带(52)；在手指指形模拟区(19)的中轴线上的中心，开通一定高度的柱体空间为代谢辐射腔体(22)；在手指指形模拟区(19)的中轴线上的右端和左端，分别靠近指表血流流速检测区(2)和指端血氧红外检测区(4)沿着代谢辐射腔体(22)的腔壁，分别开通与指表温度传感器(21)规格相适应的指表温度传感器固定槽(20)和与指表湿度传感器(24)规格相适应的指表湿度传感器固定槽(23)；在代谢辐射腔体(22)腔壁的中心，分别开通与指表湿度传感器固定槽(23)相通的指表湿度传感器信号输入输出端(25)和与指表温度传感器固定槽(20)相通的指表温度传感器信号输入输出端(26)，指表湿度传感器信号输入输出端(25)和指表温度传感器信号输入输出端(26)贯穿代谢辐射腔体(22)和电路连接区(5)；在代谢辐射腔体(22)的底部开通与电路连接区(5)相通且与辐射传感器(28)规格相适应的辐射传感器固定槽(27)。
3.根据权利要求2所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的指端血氧红外检测区(4)包括：手指血氧红外检测上端夹子(29)和手指血氧红外检测下端夹子(31)；在手指血氧红外检测上端夹子(29)末端用于开闭手指血氧红外检测上端夹子(29)的手指血氧红外检测夹子施力区(30)；处于手指血氧红外检测上端夹子(29)和下端夹子(31)之间用于检测且依据指形设计的手指血氧红外检测夹子指腔(32)；在红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)上开通的用于固定红外发射传感器(34)的红外发射传感器固定槽(35)；在红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)上开通的用于固定红外接收传感器(36)的红外接收传感器固定槽(37)；在红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)和红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)上面安装的血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板(40)和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板(42)；用于固定红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)、红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)、血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板(40)和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板(42)到手指血氧红外检测上端夹子(29)和手指血氧红外检测下端夹子(31)的手指血氧红外检测夹子螺丝固定端(33)；用于连接手指血氧红外检测上端夹子(29)和手指血氧红外检测下端夹子(31)的血氧红外检测夹子转动轴(43)；用于保证指端血氧红外检测区(4)检测时的密封性和避光性安装在血氧红外检测夹子转动轴(43)上的血氧红外检测夹子避光同心柱体轴(44)，其上有血氧红外检测夹子弹簧安装区(45)；贯穿指端血氧红外检测区(4)和电路连接区(5)，用于通信的红外发射接收传感器信号输入输出端(38)。
4.根据权利要求3所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的电路连接区(5)分别有与指表血流流速检测区(2)中近端温度传感器固定槽(11)、远端温度传感器滑动轨道(13)、室内温度传感器固定槽(15)、室内湿度传感器固定槽(17)相通的端口；与人体局部代谢率检测区(3)中指表湿度传感器信号输入输出端(25)、指表温度传感器信号输入输出端(26)、辐射传感器固定槽(27)相通的端口；与指端血氧红外检测区(4)中红外发射接收传感器信号输入输出端(38)相通的端口。
5.根据权利要求4所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的近端温度传感器(12)、远端温度传感器(14)、室内温度传感器(16)和指表温度传感器(21)为SXHW-05009、SXHT-103、SXHM-58、LM35或MJ9516型；近端温度传感器(12)安装在近端温度传感器固定槽(11)中，远端温度传感器(14)安装在远端温度传感器滑动轨道(13)中，室内温度传感器(16)安装在室内温度传感器固定槽(15)，指表温度传感器(21)安装在指表温度传感器固定槽(20)中。
6.根据权利要求5所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的室内湿度传感器(18)和指表湿度传感器(24)选择HIH3610-001、HIH3610-002、HIH3610-003、HIH3610-004和GY-HR101型之一种；其中室内湿度传感器(18)安装在室内湿度传感器固定槽(17)中，指表湿度传感器(24)安装在指表湿度传感器固定槽(23)中。
7.根据权利要求6所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的辐射传感器(28)热电堆选择A2TPMI 334-L5.5OAA060、A2TPMI 334-L5.5OAA120、TPM334或TPM334-L5.5型；辐射传感器(28)安置在代谢辐射腔体(22)底部的辐射传感器固定槽(27)中。
8.根据权利要求7所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的红外发射传感器(34)和红外接收传感器(36)选择波长为660nm和905nm的双波长传感器，红外发射传感器(34)安置在红外发射传感器固定槽(35)中，红外接收传感器(36)安置在红外接收传感器固定槽(37)中。
9.根据权利要求8所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于所述传感器集成器的主体选择白色PVC材料。
10.根据权利要求9所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的人体局部代谢率检测区(3)中代谢辐射腔体(22)的材料选择为黑色PVC材料。
11.根据权利要求10所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，所述的指端血氧红外检测区(4)中红外发射传感器固定平面板及固定槽(39)和红外接收传感器固定平面板及固定槽(41)的材料选择为：灰色PVC材料，血氧红外检测上端夹子手指受力缓冲曲面板(40)和血氧红外检测下端夹子手指受力缓冲曲面板(42)的材料选择为：绿色弹性材料，且依据指表形状设计；而血氧红外检测夹子避光同心柱体轴(44)的材料选择为：灰色避光材料。
12.根据权利要求11所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，将安装血流检测金属片(9)的金属片固定槽(10)顶端处于手指指形模拟区(19)的中心轴线上，且与手指指形模拟区(19)隔离1mm距离，而金属片固定槽(10)的底端贯穿到绝缘底座(1)；将与金属片固定槽(10)中安装远端温度传感器(14)的固定槽设计成远端温度传感器滑动轨道(13)，使得远端温度传感器(14)检测点可作20mm范围的调整。
13.根据权利要求12所述的无创血糖检测传感器集成器，其特征在于，该无创血糖检测传感器集成器的顶部设计成有适当弧度的手指指形模拟区(19)，且将安装指表温度传感器(21)的指表温度传感器固定槽(20)和安装指表湿度传感器(24)的指表湿度传感器固定槽(23)与代谢辐射腔体(22)设计在同一轴线上。
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