CN101301203A - 基于多环阵列光声传感的便携式血糖检测仪及检测方法 - Google Patents

基于多环阵列光声传感的便携式血糖检测仪及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪及检测方法，它包括由激光发生器、光纤、聚焦透镜和驱动电路组成的光学辐射单元A、由阻抗匹配电路、信号放大电路、信号滤波电路、A/D转换电路、脉冲信号源及信号处理器组成的信号处理单元B、由中空多环阵列超声传感器、测试槽组成的测试传感单元C以及输入按键、显示屏和电池。被测手指涂上超声耦合液后，伸入测试槽；由于采用前向接收模式的多环阵列光声传感技术，可沿深度方向进行连续A型动态聚焦扫描监测人体血糖含量，同时提供深度方向多个位点的血糖光声数据。本发明检测时无创伤，不需提取血液；采用小型化的半导体激光管作为光源，系统造价较低，轻巧便于携带。

Description

基于多环阵列光声传感的便携式血糖检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及生物医学测量和医疗器械技术领域，具体涉及一种基于多环阵列光声传感的便携无创血糖检测仪及检测方法。
背景技术
糖尿病是世界性的多发病和常见病，是仅次于心血管病和癌症的第三大危险性疾病，且血糖浓度长时间紊乱会引起失明、肾衰等并发症，因此糖尿病已成为威胁人类生命的一大杀手。要有效地控制该疾病，需要实时探测糖尿病患者的血糖浓度，从而确定具体的服药量和诊断方案，已成为糖尿病诊断和治疗的关键技术。当前血糖检测仍普遍采用有创或微创的介入型检测手段，尽管这种方式只需要几微升的末稍血液和配合相应的试纸，但储存环境对试纸影响较大，并且疼痛感使患者仍尽量回避这种方式。因此，非介入型的无创血糖测试手段就成为糖尿病人的期盼。
目前最典型的代表是基于光学技术的近红外光谱分析法，但由于葡萄糖分子在近红外吸收值很小、干扰很大，而且要求仪器精度和信噪比较高。在测量时，受到人体其他成分如骨骼、肌肉和脂肪等的干扰很大，因此建立数学模型时不仅需要考虑提高精度，还要考虑实际在仪器开发时的可行性，其临床可行性和适用性还有待研究，类似血糖测量的光学方法还有远红外光谱分析法、拉曼光谱分析法、声光谱分析法、光散射谱分析法以及光偏振谱分析法等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于多环阵列光声传感的便携无创血糖检测仪及检测方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪，它包括由激光发生器、光纤、聚焦透镜和驱动电路组成的光学辐射单元A、由依次互相电路连接的阻抗匹配电路、信号放大电路、信号滤波电路、A/D转换电路、脉冲信号源及与A/D转换电路导线连接的信号处理器组成的信号处理单元B、由多环阵列超声传感器、测试槽组成的测试传感单元C、由输入按键构成外部控制单元D、由显示屏构成的信号显示单元E、和由电池构成的能量提供单元F；与驱动电路连接的激光发生器通过光纤与聚焦透镜连接，安置在多环阵列超声传感器之上的测试槽位于聚焦透镜的下方；测试槽与信号处理单元B中的阻抗匹配电路导线连接，信号处理单元B的脉冲信号源与驱动电路导线连接，信号处理器分别与输入按键和显示屏导线连接；电池与上述单元A、B、C、D、E分别电路连接。所述的激光发生器采用小型化的半导体脉冲激光二极管，脉冲激光的波长范围为紫外至红外范围里一个或多个波长。激光发生器、聚焦透镜和中空多环阵列超声传感器的中心都位于同一中轴线上，构成一体化的同轴共焦结构。所述中空多环阵列超声传感器为中空多环圈结构，采用压电材料，包括铌酸锂、复合材料、压电陶瓷和PVDF薄膜。
一种基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪检测血糖的方法，包括以下步骤：
(1)被测人员的被测手指涂上超声耦合液后，指甲朝上伸入测试槽，开启血糖检测仪；激光发生器分时发射的多波长脉冲激光耦合进入光纤中，通过光纤和聚焦透镜聚焦辐射到位于聚焦透镜下方的被测手指，并透过指甲入射到血管上，激励产生光声信号；
(2)光声信号传至位于测试槽下面的多环阵列超声传感器，多环阵列超声传感器采用前向模式探测光声信号，在深度方向进行A型动态聚焦扫描，采集到深度方向多个位点的血糖光声数据；
(3)采集到的光声信号数据传入信号处理单元B进行数据处理，得出多个位点的血糖含量并由显示屏显示或后续打印。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用前向接收模式的多环阵列光声传感技术，可沿深度方向进行连续A型动态聚焦扫描监测人体手指上的血糖含量，同时提供多个位点的血糖光声数据。
2.检测时无创伤，不需提取血液和提供试纸，避免交叉感染及环境的影响。
3.光声激发与多环阵列光声传感的同轴共焦结构，能极大提高光声的激发和传感效率，有效降低激光能量要求的同时提高A型探测深度。
4.采用小型化的半导体激光管作为光源，系统造价相对较低，轻巧便携式的结构具有良好的适应性和实用性，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的测试传感单元示意图。
图3为中空多环阵列超声传感器横剖面示意图。
具体实施方式
实施例1：一种基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪，它包括由激光发生器1、光纤2、聚焦透镜3和驱动电路4组成的光学辐射单元A、由依次互相电路连接的阻抗匹配电路5、信号放大电路6、信号滤波电路7、A/D转换电路8、脉冲信号源10及与A/D转换电路8导线连接的信号处理器9组成的信号处理单元B、由中空多环阵列超声传感器11、测试槽13组成的测试传感单元C、由输入按键16构成外部控制单元D、由显示屏17构成的信号显示单元E、和由电池18构成的能量提供单元F；与驱动电路4连接的激光发生器1通过光纤2与聚焦透镜3连接，安置在中空多环阵列超声传感器11之上的测试槽13位于聚焦透镜3的下方；测试槽13与信号处理单元B中的阻抗匹配电路5导线连接，信号处理单元B的脉冲信号源10与驱动电路4导线连接，信号处理器9分别与输入按键16和显示屏17导线连接；电池18与上述单元A、B、C、D、E分别电路连接。
激光发生器1采用小型化脉冲半导体激光二极管(PGAS1S24，C860091E，EG&G)，工作波长分别为905nm和1550nm，单脉冲能量分别为4uJ和0.8uJ，激光能量通过光纤2和聚焦透镜3聚焦后辐射到被测手指上，透过半透明的指甲激发手指血管产生光声信号；被侧对象的手指放置在测试槽13内的中空多环阵列超声传感器11上面，测试槽13是用合成树脂制成的圆柱型长方体容器，被测手指14上涂有超声耦合液12利于声速匹配到中空多环阵列超声传感器11。其中，中空多环阵列传感器11的材料为压电陶瓷，工作中心频率为5MHz，环的数目为7个，设计为等间距的中空平面环圈结构，环圈间距不大于半波长，其中声速定为1500m/s。激光发生器1、聚焦透镜3和中空多环阵列超声传感器11的中心都位于同一中轴线上，构成一体化的同轴共焦结构。
实施例2：一种采用基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪检测血糖的方法，包括以下步骤：
1)被测人员的被测手指14涂上超声耦合液12后，指甲15朝上伸入测试槽13，开启血糖检测仪；激光发生器1选用波长为905nm和1550nm的脉冲半导体激光二极管，发射的多波长激光耦合进入光纤中，通过光纤2和聚焦透镜3聚焦辐射到位于聚焦透镜3下方的被测手指14，并透过指甲15入射到血管上，激励产生光声信号；
2)光声信号传至位于测试槽13下面的中空多环阵列超声传感器11，中空多环阵列超声传感器11采用前向模式探测光声信号，在深度方向进行A型动态聚焦扫描，采集到深度方向多个位点的血糖光声数据；
3)采集到的光声信号数据传入信号处理单元B进行数据处理，得出多个位点的血糖含量并由显示屏显示或后续打印。

Claims (4)

1.一种基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪，其特征在于：它包括由激光发生器(1)、光纤(2)、聚焦透镜(3)和驱动电路(4)组成的光学辐射单元A、由依次互相电路连接的阻抗匹配电路(5)、信号放大电路(6)、信号滤波电路(7)、A/D转换电路(8)、脉冲信号源(10)及与A/D转换电路(8)导线连接的信号处理器(9)组成的信号处理单元B、由中空多环阵列超声传感器(11)、测试槽(13)组成的测试传感单元C、由输入按键(16)构成外部控制单元D、由显示屏(17)构成的信号显示单元E、和由电池(18)构成的能量提供单元F；与驱动电路(4)连接的激光发生器(1)通过光纤(2)与聚焦透镜(3)连接，安置在中空多环阵列超声传感器(11)之上的测试槽(13)位于聚焦透镜(3)的下方；测试槽(13)与信号处理单元B中的阻抗匹配电路(5)导线连接，信号处理单元B的脉冲信号源(10)与驱动电路(4)导线连接，信号处理器(9)分别与输入按键(16)和显示屏(17)导线连接；电池(18)与上述单元A、B、C、D、E分别电路连接；激光发生器(1)、聚焦透镜(3)和中空多环阵列超声传感器(11)的中心都位于同一中轴线上，构成一体化的同轴共焦结构。
2.根据权利要求1所述的基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪，其特征在于：所述激光发生器(1)采用半导体脉冲激光二极管，脉冲激光的波长范围为紫外至红外范围里一个或多个波长。
3.根据权利要求1所述的基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪，其特征在于：所述中空多环阵列超声传感器(11)为中空多环圈结构，采用压电材料，包括铌酸锂、复合材料、压电陶瓷和PVDF薄膜。
4.一种采用权利要求1所述的基于多环阵列光声传感技术的便携式无创血糖检测仪检测血糖的方法，包括以下步骤：
1)被测人员的被测手指(14)涂上超声耦合液(12)后，指甲(15)朝上伸入测试槽(13)，开启血糖检测仪；激光发生器(1)分时发射的多波长激光，多波长激光耦合进入光纤(2)中，通过光纤(2)和聚焦透镜(3)聚焦辐射到位于聚焦透镜(3)下方的被测手指(14)，并透过指甲(15)入射到血管上，激励产生光声信号；
2)光声信号传至位于测试槽(13)下面的中空多环阵列超声传感器(11)，中空多环阵列超声传感器(11)采用前向模式探测光声信号，在深度方向进行A型动态聚焦扫描，采集到深度方向多个位点的血糖光声数据；
3)采集到的光声信号数据传入信号处理单元B进行数据处理，得出多个位点的血糖含量并由显示屏(17)显示或后续打印。
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