CN101264019A - 一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，包括由波长组合形成的激光光源，光信号发射制式，激光定位聚焦单元，分离式光声探头以及信号合成处理软硬件系统。光声技术测量的是光束与物质相互作用所吸收的能量，而不是测量光速入射物质后出射的光信号，因此，不受散射光的影响，大幅度减少人体组织的干扰，而且几乎无需进行校准；特定的近红外区波长组合探测光源兼具对人体皮肤组织透过率高以及对血糖变化敏感的特点；分置式探头以及所具有的自动判别功能，适合在体测量的动态环境；基于梯度向导技术的信号合成处理软硬件系统，使得光声信号对血糖变化具有超灵敏度；与现有各种无创血糖检测技术相比，其信号灵敏度提高约一个数量级。

Description

一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪

技术领域

本发明涉及一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪。特别是涉及到由激光波长组合形成的激光光源，光信号发射制式，激光定位聚焦单元，分离式光声探头以及信号合成处理的软硬件系统。

技术背景

糖尿病是一种终身性遗传疾病，目前尚无根治的医学方法，与糖尿病抗争的一个重要环节是实现血液中的葡萄糖浓度的经常自我监测。然而，迄今为止，即使是最简便的家用血糖监测方法，也要在受检者的指尖上针刺取血，虽然是“微创”，但仍然给患者带来生理上的痛苦和心理上的压力。另一方面，即便一天八次采血监测，仍难以及时掌控血糖的局部变化，导致大部分糖尿病患者因血糖监测或胰岛素给药发生错误而酿成胰岛素休克和糖尿病性昏迷。实现血糖无创连续监测(Non-invasive Continuous Glucose Monitoring，NCGM)，不仅彻底解除了患者实施经常自我检测的心理生理负担，而且可以瞭解血糖浓度与人体代谢关係的长时间变化，确保患者始终准确控制血糖和准确给药，从而对全球糖尿病健康管理产生重大影响。因此，国内外许多研究机构和生产厂商都在不遗余力地研发各种无创、实时、连续式血糖监测技术。

近年来，随着激光和检测技术的发展，各种基于光学技术的无创血糖检测方法，例如，利用葡萄糖分子对近红外光吸收特性的光透射，光反射谱，喇曼光谱法等，以及利用葡萄糖分子对近红外光偏振特性的光偏振法等，成为无创血糖检测的热门研究课题。此类研究主要围绕在如何提高测量精度以检出由血糖含量变化而引起的光谱变化以及如何从相互重叠的光谱中提取血糖变化微弱信号的方法。光学方法测量血糖的主要问题有二：一是由于血糖吸收引起的光信号的变化非常微弱且不易分辨，要进一步提高监测精度，技术上还须经历漫漫长路；二是必须经常重新标定。因为个体之间组织成分的差异需要对个体建立各自的预测模型，即使是同一个体，由于测量条件变化也会引起血糖信号的变化。因此，必须从测量方法上将测量条件的物理变化和人体成分的化学变化区别开来，以减轻微弱信号提取难度，减小测量误差，提高测量精度。这也是此类基于光学分析的血糖检测方法迄今为止尚未得到美国FDA认可的原因。

另一方面，光声技术是另一种近红外光与生物组织进行相互作用的探测技术。他与光学方法的主要区别在于它的检测对象。光声光谱不是直接对入射物质后出射的光信号的检测，而是对光束与物质相互作用所吸收的能量的测量，换言之，光声光谱是一种能量谱，测量的是由入射光激发的声信号，因此，不受散射光的影响，大幅度减少人体组织对入射光的干扰。即使是对弱吸收物质和低浓度场测量，尽管其吸收的光子数通量很小，然而，吸收的光子能量却不少，其光声响应同样能被微音器监测到。所以，光声检测法具有很高的灵敏度，而且几乎无需进行校准。

据2006年中国医学报报导，美国科罗拉多州Glucon公司于2005年研发的个人用无创、实时和连续血糖监测装置申请到美国专利。这是目前采用光声技术进行无创、稳定监测血糖并将进行临床研究的唯一一台台式原型样机，其监测指标高于基于光谱分析的光学方法，但其技术内容未见报道。

本发明的内容：

本发明的目的在于提供一种基于光声技术的新型便携式无创、实时、连续血糖监测仪总体技术方案，在体(in vivo)检测指标达到美国FDA标准，性价比达到市场可接受。

本发明的目的是这样实现的：

光源部分由具有特定波长的脉冲激光二极管组合阵列构成，对血糖具有高敏感度。探测激光脉冲按照信号发射制式有序发射探测激光脉冲。激光定位聚焦系统用来确定血管位置及测定血液流速。锁相放大器为弱信号提取时提高信噪比。激光超声探头一是发射探测脉冲激光，二是接受激光所激发的超声信号。信号合成处理单元采用梯度向导技术对信号进行增敏处理，大幅度提高信号灵敏度。CPU芯片依据多变量校正数学模型对数据进行分析处理，得出被测物的光吸收系数和声速，以及声信号幅度与葡萄糖浓度的变化曲线，显示屏则实时定量图形化显示血糖的变化。

本发明与现有各种无创血糖监测技术相比具有以下显著优点：

1，光声探测与光学方法探测的主要区别在于它的检测方法。光声光谱不是直接对入射物质后出射的光信号的检测，而是对光束与物质相互作用所吸收的能量的测量，因此，不受散射光的影响，大幅度减少人体组织对入射光的干扰，从而具有更高的灵敏度。

2，探测波长的选取是在对国内外大量基础性实验数据系统分析研究的基础上确定的，波长组合兼具对人体皮肤组织透过率高以及对血糖变化敏感的特点。

3，本发明提出的信号发射制式中，信号发射的时序分为热弛豫时段、定位时段和信号采集时段。其中，热弛豫时段充分考虑了脉宽、重复频率及作用时段能量累计效应对人体组织生理影响，从而兼顾了测量的有效性和安全性。

3，本发明中激光定位聚焦单元直接利用光信号发射制式中定位时段的光脉冲，以所激发的声信号作为调节反馈信号，通过调整与聚焦物镜联动的音圈马达调整聚焦物镜位置，达到自动定位聚焦，简捷可靠，简化了系统构成，也降低了成本。

4，针对在体测量的动态环境，本发明中的光声探头依据所测到的声信号幅度和相位具有自动识别功能，当由于探头和血管的相对位置发生变化而引起声信号变化超出设定值时，此信号将被阻隔而不进入测量序列，从而保证本发明具有很强的动态环境适应性。

5，本发明中，测量主机与探头分置，探头可以根据个体差异设置在不同部位，例如手腕、前臂、耳垂等相对运动较小的部位，测量主机则可挂于腰间皮带上，从而方便用户携带。

6，信号合成处理软硬件系统基于光声控制理论分析，采用梯度向导技术，使得光声信号对血糖变化具有超灵敏度，比现有光学方法的信号灵敏度提高约一个数量级。

附图说明：

附图为血糖无创监测系统示意图。

1为探测光源，有特定波长的脉冲激光二极管组成；2为光导纤维；3是定位聚焦单元；4是光声探头；5是信号传输线；6是锁相放大器；7是信号合成处理单元；8是CPU；9是显示屏；10是人体仿真模型，用于实验室测量用，仪器中不包含；11是血糖浓度控制器，用于实验室测量用，仪器中不包含；12是人造血管，用于实验室测量用，仪器中不包含；13是转子泵，用于实验室测量用，仪器中不包含。

具体实施方式：

本发明涉及一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪。特别是涉及到由激光波长组合形成的激光光源，光信号发射制式，激光定位聚焦单元，分离式光声探头以及信号合成处理的软硬件系统。波长为1064nm的激光探测光源1经光纤2和定位聚焦单元3到达测量体位点，所激发的声信号由光声探头4接受，经传输线5，由锁相放大器6提高S/N，再由信号合成处理单元7采用梯度向导技术对信号进行增敏处理，大幅度提高信号灵敏度。所得到得高灵敏度信号经CPU 8计算处理后得到被测物的光吸收系数和声速，以及声信号幅度与葡萄糖浓度的变化曲线，通过曲线拟合技术以曲线形式实时示于显示屏9上，相关存储器纪录保存数据备查。

Claims (7)

1. 一种基于光声技术的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，包括激光光源、定位聚焦单元、光声探头、锁相放大器、CPU、显示屏以及光信号发射制式和声信号合成处理软硬件系统等，其特征在于激光波长的组合模式，光信号发射制式，激光定位聚焦单元，分离式光声探头以及基于光声控制理论和梯度向导技术建立的超灵敏信号合成处理软硬件系统。

2. 根据权利要求1所述的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，其特征在于激光光源由2-3支脉冲激光二极管组成，所选择的脉冲激光二极管的波长范围在近红外区900～1700nm之间，脉宽20～200ns，波长组合兼具对人体组织透过率高以及对血糖变化敏感的特点。

3. 根据权利要求2所述的激光光源，其特征在于激光光源的光信号发射制式。脉冲激光重复频率为50～200Hz，信号发射的时钟序列分为热弛豫时段、定位时段和信号采集时段，热弛豫时段为500～800毫秒，定位聚焦时段为50～100毫秒，信号采集时段位为150～250毫秒。

4. 根据权利要求1所述的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，其特征在于激光定位聚焦单元直接利用光信号发射制式中的定位时段光脉冲，以所激发的声信号作为调节反馈信号，通过调整与聚焦物镜联动的音圈马达调整聚焦物镜位置，达到自动聚焦。

5. 根据权利要求1所述的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，其特征在于光声探头与主机是分置的，通过包括光纤和电信号线在内的光声传输线相连，以便于光声探头在人体不同部位的固定。

6. 根据权利要求5所述的光声探头，其特征在于光声探头中的声信号传感器系统依据所测到的声信号幅度和相位具有自动识别功能，当由于体位运动造成的探头相对位移引起声信号超出设定值范围时，此信号将被阻隔而不进入探测序列。

7. 根据权利要求1所述的新型便携式无创、连续、实时血糖监测仪，其特征在于信号合成处理单元采用梯度向导技术，对信号进行增敏处理，使得光声信号对血糖变化具有超灵敏度，比现有光学方法的灵敏度提高约一个数量级。

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