CN101133960A - 一种正交双偏振光无创连续血糖测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种正交双偏振光无创连续血糖测量方法和装置，涉及医疗技术领域，光学测量单元产生特定波长的检测光透射被测物体，采用正交双偏振光，将所测量的血糖信号转化为两个偏振方向的信号强度差；输出包含参考信号分量的直流电压，直流电压大于设定值时，改变加载到法拉第旋光器上的驱动直流电压，使锁定放大器输出的直流电压低于设定值，从而对正交双偏振光进行校正和补偿，增强微弱血糖信号检测灵敏度，以消除光学系统的误差和光源波动对测量的影响，最后通过加载到法拉第旋光器上的驱动直流电压差以及被测物体的光程计算病人的血糖浓度，本血糖测量装置是一种无创式的血糖测量装置，可以进行血糖的连续检测，并保证测量精度。

Description

一种正交双偏振光无创连续血糖测量装置及方法

技术领域

本发明涉及生物医学测量技术领域，尤其涉及一种测量人体血糖浓度的装置和方法。

背景技术

目前，还没有根治糖尿病的有效治疗手段，主要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，以减少或减轻由糖尿病导致的长期并发症。目前的血糖检测方法主要有生化血糖检测方法、微创血糖检测方法和无创血糖检测方法。生化血糖检测方法和微创血糖检测方法需取血液或组织液进行测量，会造成疼痛且有感染的危险，这就限制了测定血糖的频率，使大多数糖尿病患者不能实现所希望的血糖检测。

无创血糖检测技术就是在这一背景下发展起来的，由于其巨大的市场前景，近年来，这项技术正成为国际上热门的研究课题，无创血糖检测方法中主要是采用近红外光谱预测血糖值。

因为血液的光谱是多种成分的加和，葡萄糖仅占很小的一部分，光谱常受噪声、体内组织的其它成分的光谱叠加和基线变化的影响，这就需要复杂的光谱学计算程序。Heise采用偏最小二乘法PSL，以单人数据为基础的计算模型，所得血糖值均方预测误差的平均值为2.5mmol/dL(45mg/dL)，以多人数据为基础的计算模型，所得血糖值均方预测误差的平均值为3.1mmol/dL(55mg/dL)；Arnold采用PSL模型与Fourier滤波数据预处理的方法相结合，所得血糖值均方预测标准误差的平均值为2.6mmol/dL(46mg/dL)，从以上结果可以看出，近红外光谱预测血糖值的误差大，不适合用于正常或低血糖的人群(正常人的血糖值为110mg/dL±25mg/dL)。

Ruchti等在美国专利(专利号6990364)、Pezzaniti等在美国专利(专利号5788632)、Mills等在美国专利(申请号20040162493)提出利用近红外光谱估算人体血糖浓度的方法。近红外光谱(NIR)用于血糖的无创检测，存在以下问题：(1)血糖的浓度很低，其吸收光谱信号更易受其他生物组织成分(水、脂肪、蛋白质等)的广吸收干扰和光谱叠加的影响；(2)光散射的影响很大；(3)光谱学计算程序复杂。由于以上的原因，至今近红外光谱(NIR)测量方法和计算模型还不能在临床上应用。

旋光无创血糖检测是一种利用光学旋光原理检测血糖的方法，具有原理清晰、光路简单、光学元器件易于小型化、计算简单、操作简便等优点。光学旋光检测血糖浓度的基本原理是：当一束线偏振光通过某些物质时，其透射光也是线偏振光，而且偏振方向与原入射光的偏振方向有一个夹角，这是物质的旋光特性。葡萄糖具有稳定的旋光特性，而在特定波长下，人体组织中其它成份的旋光性与血糖相比不在一个数量级，因此通过测量透射光的偏转角，可以得出人体血糖浓度。

国外的旋光法的研究大多采用外差法，而外差法对相位变化极其敏感，漂移大，需频繁校准，其准确度、重复性还未达到血糖浓度的水平。

中国专利(申请号200510020410.3)“无创激光血糖检测仪”提出了一种从指尖部位进行血糖测量的装置，采用单偏振光直接检测血糖浓度，该种测量方式属直接检测方式，检测系统简单，但它只响应入射光辐射的功率，仅适宜于强光信号的检测，而在采用偏振光测量血糖浓度系统中，检测光通过起偏器、透过人体组织，再通过偏振方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器后，其强度是极其微弱的。直接检测方式的灵敏度与外差检测方式相比差7-8个数量级(见文献赵远张宇光电信号检测原理与技术136页、142页，机械工业出版社2005)，因此其测量灵敏度有待进一步提高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，利用偏振光的特性，综合“直接探测法”和“外差法”的优点，本发明提出了一种正交双偏振光无创连续血糖测量方法与装置，这样既可大大减小相位变化的影响，减少漂移，提高测量的灵敏度，又可使操作简便，不需频繁校准。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种正交双偏振光无创连续血糖测量装置，该装置包括以下几部分：光学测量单元、拇指厚度(光程)测量单元、信号处理与控制单元、电源，其中，光学测量单元产生特定波长的检测光透射被测物体，测量透射光的偏转角，确定两偏振光的光强分量的差值，输出包含参考信号分量的直流电压至信号处理与控制单元中的锁定放大器。拇指厚度测量单元根据被测物体的厚度，确定光程值L。拇指厚度测量单元位于光学测量单元的电光调制器和检偏器之间。信号处理控制器输出作用于法拉第旋光器驱动直流电源，控制法拉第旋光器校正光学测量单元中线偏振光的光路误差和偏振角的旋转。信号处理与控制单元对来自光学测量单元和拇指厚度测量单元的信号进行处理，信号处理与控制单元中的方波信号发生器为光学测量单元提供参考信号及检测信号，参考信号反馈到电光调制器控制电光调制器输出正交双偏振光，锁定放大器根据检测信号锁定并处理光学测量单元中光电接收器输出的正交双偏振光光强分量的差值中的参考信号成分，输出直流电压；由此直流电压确定加载到法拉第旋光器上的直流电压差ΔU_R，信号处理控制器根据直流电压差及光程调用公式确定放入检测腔中的被测对象的血糖浓度。将血糖浓度测量结果送入液晶显示器中显示。

本发明还提供一种利用正交双偏振光的光学旋光血糖测量方法对人体血糖浓度进行测试，该方法包含以下步骤：

(1)准直后的激光作为检测光通过起偏器、法拉第旋光器后，输入电光调制器，在电光调制器上加载由正负方波信号发生器产生的、并通过功率放大器放大的一系列正负方波电压信号，对输入的检测光进行调制产生正交双偏振光；

(2)正交双偏振光通过被测物体，再通过放置在接收端的偏振方向与起偏器偏振方向相垂直的检偏器，及放置在其后的透镜，将两正交双偏振光光束会聚在光电接收器上；

(3)光电接收器将接收到的两正交双偏振光的光强转化为电信号，光电接收器输出的电信号经前置放大器隔直、放大后，计算单元对由两正交双偏振光光强信号产生的电信号相减；

(4)光强信号的差值信号进入锁定放大器LIA(Lock in Amplifier)，同时，方波信号发生器向锁定放大器提供检测信号和参考信号，锁定放大器根据参考信号锁定并处理光学测量单元输出电信号中包含的参考信号成分，输出直流电压Uout；

(5)通过锁定放大器输出的直流电压Uout确定加载到法拉第旋光器上的直流电压差ΔU_R，ΔU_R与旋光物质使光的偏振面方向转过角度成正比。

(6)信号处理控制器根据拇指厚度测量单元测量的光程L、直流电压差ΔU_R，算法模块调用公式： $C=k\frac{{\mathrm{\ΔU}}_R}{L}---\left(1\right),$ 计算检测腔中被测物体的血糖浓度C，式中，k为常数。

本发明提出的基于正交双偏振光和相关原理的旋光血糖测量装置及方法，是用调制的正交双偏振光经过检偏器后产生的光强差值，通过检测该差值得到血糖浓度的值。这种方法及装置与现有技术相比，光路结构简单，无较多的复杂反馈电路，并且大大减小相位变化对测量结果的影响，能够提高测量的灵敏度和精度，操作简便，不需频繁校准。方便病人长期使用，从而实现非侵入式的、连续的、小型化的血糖测量。

附图说明

图1为正交双偏振光无创连续血糖测量装置原理框图

图2为偏振光通过光学元件后偏振面变化图

图3为正交双偏振光经过检偏器后产生的光电场矢量差值示意图

图4为使用本发明测量血糖浓度的流程图

具体实施方式

本发明设计了一种正交双偏振光无创连续血糖测量装置，该装置包括以下几部分：光学测量单元1001、拇指厚度(光程)测量单元1002、信号处理与控制单元1003、电源117，其中，光学测量单元产生特定波长的检测光透射被测物体，测量透射光的偏转角，确定两偏振光的光强分量的差值，输出包含参考信号分量的直流电压至锁定放大器。该单元包括以下部件：带准直系统半导体激光发生器101、起偏器102、法拉第旋光器103、电光调制器104、检偏器108、光电接收器109。拇指厚度测量单元位于光学测量单元的电光调制器和检偏器之间，根据被测物体(如拇指)的厚度，确定光程L的值。本单元包括：检测腔105、位移传感器107。信号处理与控制单元对来自光学测量单元和拇指厚度测量单元的信号进行处理，输出控制法拉第旋光器校正光学测量单元中线偏振光的光路误差和偏振角的旋转，提供检测信号和参考信号，对输入电光调制器的线偏振光进行调制输出正交双偏振光；根据参考信号锁定光学测量单元输出的偏振光的光强分量的差值中的参考信号成分，计算被测物体中所包含的血糖浓度。将血糖浓度测量结果送入液晶显示器116中显示。本单元包括：信号处理控制器115、正负方波信号发生器112、功率放大器113、法拉第旋光器驱动直流电源114、锁定放大器111等。

半导体激光发生器产生激光通过准直系统进行准直提供检测光送入起偏器，起偏器生成线偏振光，法拉第旋光器校正线偏振光的光路误差和偏振角的旋转，法拉第旋光器的输出信号送入电光调制器，电光调制器对输入的信号进行调制后产生正交双偏振光；正交双偏振光输入检测腔，通过检测腔中的被测物体后输出的出射光送入检偏器得到两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影；光电接收器将检偏器输出的光信号转换为电信号，算法模块计算两偏振光的光强分量的差值；前置放大器对光强分量的差值信号放大处理后送入锁定放大器，锁定并处理差值信号中包含的参考信号成分，输出直流电压Uout；信号处理控制器对输入的直流电压Uout进行调节处理后，输入法拉第旋光器驱动直流电源输入端，当检测腔中未放置被测物体时，锁定放大器输出的直流电压Uout减小到设定值，校准光学测量单元的光路误差；当检测腔中放置被测物体时，被测物体中的旋光物质(血糖)使光的偏振面方向转过微小角度，锁定放大器输出的直流电压，调节加在法拉第旋光器上驱动直流电压至U₁，使锁定放大器输出直流电压Uout重新减小到设定值，这样法拉第旋光器上直流电压差ΔU_R＝(U₁-U₀)就与旋光物质使光的偏振面方向转过角度成正比。这样得到与偏振面偏转角相关的信号直流电压差ΔU_R。

方波信号发生器为电光调制器和锁定放大器提供标准方波信号，分别作为检测信号和参考信号，作为检测信号的方波提供给电光调制器，与线偏振光作用产生正交双偏振光，作为参考信号的方波提供给锁定放大器，锁定并处理锁定放大器的信号中包含的与参考信号频率成分一致的信号。

以下对本发明所述的正交双偏振光血糖测量方法工作过程进行说明。

(1)半导体激光器产生的激光准直后的检测光通过起偏器、法拉第旋光器后，送入电光调制器；

(2)正负方波信号发生器产生一系列方波信号加载在电光调制器上，对输入的检测光进行调制，使其产生正交双偏振光；

(3)正交双偏振光通过检测腔中的被测物体(如拇指等)，送入偏振方向与起偏器偏振方向相垂直的检偏器，检偏器得到两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影，将其发送到光电接收器上，在检偏器和光电接收器之间还设置有一透镜，透镜对投影光进行会聚；

(4)光电接收器将两正交双偏振光光强转化为电信号，该电信号经前置放大器隔直、放大后，将两正交双偏振光光强信号相减；经相减处理后的差值信号送入锁定放大器，锁定放大器根据方波信号发生器提供的参考信号，从相位和频率上锁定并处理差值信号中包含的与参考信号频率相同的方波信号成分，输出直流电压Uout；

(5)由锁定放大器输出的直流电压Uout控制加载到法拉第旋光器(Faraday Rotator)的直流电压，用于校正光路误差和补偿血糖引起的偏振角的旋转：法拉第旋光器上直流电压差ΔU_R＝(U₁-U₀)与旋光物质使光的偏振面方向转过角度成正比。该信号ΔU_R与偏振面偏转角相关。

(6)由拇指厚度测量单元测量放入检测腔中的被测物体的光程长L，算法模块通过公式 $C=k\frac{{\mathrm{\ΔU}}_R}{L}$ 计算血糖浓度。

下面针对附图及具体实施例对本发明的实施进行具体说明。通过这些说明，本发明的上述原理、目的、优点及特征将变得更加清楚。

当一束线偏振光通过某些物质时，其透射光也是线偏振光，而且偏振方向与原入射光的偏振方向有一个夹角，这是物质的旋光特性。葡萄糖具有稳定的旋光特性，通过测量透射光的偏转角以及试样光程长，可以得出葡萄糖溶液的浓度(即人体血糖浓度)。

描述此物理现象的方程如下式：

${\left[\mathrm{\α}\right]}_{\mathrm{\λ},\mathrm{PH}}^T=\frac{100\mathrm{\α}}{\mathrm{LC}}---\left(2\right)$

其中，

：特征偏转角，单位°/(dm g/L)，该值与入射光的波长、溶液的温度、PH值有关；α：偏转角，单位度(°)；C：葡萄糖溶液(血糖)的浓度，单位是克每100毫升(g/100m1)；L：试样光程长，单位分米(dm)。由此可见，所需测量的血糖浓度与偏转角度成线性关系，这样，如果测量出试样光程长L和偏转角α，即可计算出葡萄糖溶液的浓度。而偏转角与加载到法拉第旋光器上的直流电压差ΔU_R成正比，光程长通过试样光程测量单元得到，于是可根据公式(1) $C=k\frac{{\mathrm{\ΔU}}_R}{L}$ 计算出血糖浓度，其中k为常数，与特征偏转角有关。

图1为本发明所述正交双偏振光血糖测量方法与装置原理框图。

半导体激光准直系统提供准直后的激光作为检测光，检测光通过起偏器P1成为线偏振光，再通过法拉第旋光器校正光路误差和补偿血糖引起的偏振角的旋转后，送入电光调制器。方波信号发生器产生一系列正负方波信号，方波信号通过功率放大器放大后加载到电光调制器上，对输入电光调制器的线偏振光进行调制，通过电光调制器的输出端输出正交双偏振光。

如方波信号发生器选择产生1.2kHz的正负方波信号，1.2kHz的正负方波信号经功率放大器放大后驱动KDP晶体电光调制器，经过电光调制器调制的出射光的偏振方向就与起偏器输出的入射光的线偏振光方向成±θ夹角，将出射光再送入检偏器P2，检偏器的偏振方向与起偏器的垂直，并在两偏振光夹角的平分线方向，于是可得到两个偏振分量在检偏器P2透光轴上的投影。设两偏振光电场矢量为E，则两偏振光电场矢量E在检偏器P2的偏振方向的投影为Esinθ。

检偏器P2的输出送入光电接收器，光电接收器将接收到的光信号转换为电信号，得到两偏振光的光强分量分别产生的电信号，在光路中未放被测拇指等测试物体时，由于光的两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影相等，两路信号差等于零，得到一个直流信号。

若在光路中放置被测拇指，光的偏振方向就会发生改变，其中的一个偏振方向产生的信号向量的分量增加了，为Esin(θ+α)，而另一个偏振方向产生的信号向量的分量减小了，为Esin(θ-α)，见图3，图3显示了本发明中正交双偏振光经过检偏器P2后产生的光电场矢量投影到检偏器透光轴上的差值示意图。

根据马吕斯定律，这两个光强分量分别为：f_+α(θ)＝E²sin²(θ+α)，f_-α(θ)＝E²sin²(θ-α)，对两个光强分量求差值为：

Δf(θ)＝E²sin²(θ+α)-E²sin²(θ-α)    (3)

θ角的取值范围是

对(3)式求导，令其等于0，可得当 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 时，f(θ)取最大值

${\mathrm{\Δf}}_{\max }(\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4})=E^2\sin 2\mathrm{\α}---\left(4\right)$

在血糖水平上，Δf_max＝1.4×10^-4E²，这个差值可以通过信号相关方法检测出来。因为 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4},$ 两个偏振分量相互垂直，因此为正交双偏振光。

光电接收器的输出经前置放大器放大处理，将两个偏振分量的电信号相减，放大后送入锁定放大器，锁定并处理信号中包含的参考信号成分，输出直流电压，该直流电压Uout与血糖信号成正比。锁定放大器输出的直流电压送入信号处理与控制单元，用以控制加载到法拉第旋光器的直流电压。

锁定放大器是根据互相关检测原理做成的相关检测仪器，具有很强的噪声抑制能力，可测信号达pV量级。它可采用一个相敏检波器(PSD，PhaseSensitive Detector)及积分器来抑制噪声，并检测出周期信号的幅值和相位。锁定放大器从相位和频率上锁定并处理信号中包含的参考信号(如1.2kHz方波)信号成分，输出直流电压，此直流电压与探测器检测到的1.2kHz参考信号成正比。锁定放大器输出的直流电压Uout与血糖信号成正比。

法拉第旋光器(Faraday Rotator)用于校正光路误差和补偿血糖引起的偏振角的旋转：当光学测量单元中未放置被测拇指时，起偏器和检偏器由于光学系统的误差，不可能绝对垂直，锁定放大器会输出一个直流电压Uout，调节加在法拉第旋光器上驱动直流电压U₀，锁定放大器输出的直流电压Uout减小到设定值，这样光学测量单元得到校准；当光学测量单元的检测腔中放置被测拇指时，被测拇指中的旋光物质(血糖)使光的偏振面方向转过微小角度，从锁定放大器输出直流电压，调节加在法拉第旋光器上驱动直流电压至U₁，使锁定放大器输出直流电压Uout重新减小到设定值，这样法拉第旋光器上直流电压差ΔU_R＝(U₁-U₀)就与旋光物质使光的偏振面方向转过角度成正比。这样得到与偏振面偏转角相关的信号ΔU_R。

调用算法模块中计算血糖浓度的公式(1)计算放入检测腔中的被测物体的血糖浓度，送入显示器中显示测试结果。检测腔中包括位移传感器，用于测量被测拇指厚度L，即光程长度。

图2所示为偏振光通过光学元件后偏振面变化示意图。

光源为半导体激光器产生的激光(波长可为650nm、功率5mW)，准直后的激光束210通过起偏器P1后成为线偏振光(X方向)220，然后通过KDP晶体电光调制器，KDP晶体电光调制器输出的出射光的偏振方向就与入射的线偏振光方向成±θ角(X±θ方向)240，当θ角为45度时，成为正交双偏振光；这束光再通过检偏器P2，检偏器P2的方向与起偏器P1偏振方向垂直，即在两偏振光夹角的平分线方向，于是可得到两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影260，最后用光电接收器接收投射过来的光束，光电接收器将接收到的光信号转换为电信号。在检偏器和光电接收器之间可加一凸透镜汇聚光束。

法拉第旋光器(Faraday Rotator)，是利用磁致旋光物质的磁致旋光效应。线偏振光经过磁致旋光物质后，偏振方向偏转Ф角度。

Ф＝VHL    (5)

其中，V是磁光物质的费尔德常数，L是磁光物质的长度，H是磁场强度。

下面以一具体实例对利用本血糖测量装置进行测试的过程进行简单说明。

图4为本发明方法在整体操作时的流程图，主要包括4个步骤，步骤410：系统进入调测模式，确定血糖测量过程中所需的相关参数(系数k，通过调测模式确定)；步骤420：测量拇指厚度L，以及检测锁定放大器输出直流电压Uout；步骤430：确定Uout是否大于预设值，如果Uout大于预设值，则执行步骤440；步骤440：调整法拉第旋光器驱动直流电压Uo，以减小Uout，直至Uout小于预设值；步骤450：算法模块调用血糖测量公式(1)确定血糖浓度；步骤660：测量结果送入显示器中显示。

Claims (10)

1.一种正交双偏振光无创连续血糖测量装置，光学测量单元中半导体激光发生器提供检测光；起偏器根据检测光产生线偏振光；拇指厚度测量单元位于电光调制器和检偏器之间确定光程值L，其特征在于，信号处理与控制单元对来自光学测量单元和拇指厚度测量单元的信号进行处理；方波信号发生器为光学测量单元提供参考信号及检测信号；检测信号反馈到电光调制器对输入电光调制器的线偏振光进行调制输出正交双偏振光；正交双偏振光通过被测物体送入检偏器得到两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影；锁定放大器根据参考信号锁定并处理光电接收器输出的正交双偏振光光强分量的差值中的参考信号成分，输出直流电压；信号处理控制器根据直流电压确定加载到法拉第旋光器上的直流电压差ΔU_R，根据直流电压差及光程确定放入检测腔中的被测物体的血糖浓度。

2.根据权利要求1所述的血糖测量装置，其特征在于，所述电光调制器为KDP晶体电光调制器，电光调制器使出射光的偏振方向与入射光偏振方向成±45度，产生正交双偏振光。

3.根据权利要求1所述的血糖测量装置，其特征在于，在检偏器和光电接收器之间加一凸透镜汇聚光束。

4.根据权利要求1所述的血糖测量装置，其特征在于，在检测腔和信号处理与控制部分之间还有位移传感器。

5.根据权利要求1所述的血糖测量装置，其特征在于，方波信号发生器产生1.2kHz的正负方波信号。

6.根据权利要求1所述的血糖测量装置，其特征在于，信号处理控制器调用公式 $C=k\frac{\mathrm{\Δ}{U}_R}{L}$ 计算血糖浓度C，式中，k为常数。

7.一种正交双偏振光无创连续血糖测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

(1)检测光通过起偏器形成线偏振光，由法拉第旋光器校正后输出入射光，送入电光调制器；

(2)方波信号发生器提供检测信号加载在电光调制器上，调制电光调制器输出正交双偏振光；

(3)正交双偏振光通过被测物体送入偏振方向与起偏器偏振方向相垂直的检偏器，检偏器得到两个偏振分量在检偏器透光轴上的投影，将其发送到光电接收器；

(4)光电接收器将两正交双偏振光光强转化为电信号，经前置放大器隔直、放大后，将两正交双偏振光光强信号相减，差值信号送入锁定放大器；

(5)锁定放大器从相位和频率上锁定并处理差值信号中包含的与参考信号频率相同的方波信号成分，输出直流电压；

(6)锁定放大器输出的直流电压控制加载到法拉第旋光器上的驱动直流电压差；

(7)拇指厚度测量单元测量被测物体的光程；

(8)信号处理控制器根据电压差和光程值计算被测物体的血糖浓度。

8.根据权利要求7所述的血糖测量方法，其特征在于，还进一步包括在法拉第旋光器上加载反映血糖浓度值的直流电压，并使锁定放大器输出的直流电压减小到小于设定值，得到与偏振面偏转角相关的直流电压差ΔU_R。

9.根据权利要求7所述的血糖测量方法，其特征在于，步骤(3)进一步包括在检偏器和光电接收器之间加一凸透镜汇聚光束。

10.根据权利要求7所述的血糖测量方法，其特征在于，加载在电光调制器上的参考信号为1.2kHz正负方波信号。

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