CN101467884A - 无创血糖快速检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种无创血糖快速检测的方法和装置，涉及生物医学检测技术，该方法控制脉冲激光器照射人体皮肤组织，使用超声传感器探测光声效应产生的光声信号PA，同时使用光电探测器探测漫反射光信号A，通过对光声信号PA和漫反射光信号A进行数据分析处理，得出血糖浓度值，实现无创血糖快速检测，所用装置包括：电路部分及集成化探头。电路部分包括中央控制处理单元及跟其相连的光信号采集放大电路、光声信号采集放大电路、激光器驱动调制电路、显示、存储、通信、按键等控制功能模块和电源。集成化探头，包括半导体脉冲激光器、超声传感器和光电探测器。

Description

无创血糖快速检测的方法和装置

技术领域

本发明涉及生物医学检测技术领域，是一种进行无创血糖快速检测的方法和装置。

背景技术

糖尿病是一种常见的代谢内分泌疾病，以高血糖为主要特征，是一种世界范围内的流行疾病。近年来，随着我国社会经济的发展和居民生活水平的提高，及人口老龄化的加速，糖尿病的发病率逐年升高，目前全国约有5000万糖尿病患者，且每年还以0.1％的速率增长。糖尿病危害巨大，主要是其严重的并发症，如心血管疾病、肾脏、眼病、神经病变及糖尿病足等。目前糖尿病没有有效根治的办法，控制血糖是惟一的治疗方案。及时进行血糖检测，对于控制糖尿病、防止并发症的发生，提高糖尿病患者的生活质量具有十分重要的意义。而现有的检测方法多需要扎针取血，给患者带来很大不便，市场亟需一种无创血糖快速检测设备。

从上世纪70年代起，西德的Kaiser，美国的Jobsis等人就开始应用光学的方法进行人体内化学成分测量的尝试。而对于血糖的研究较为流行的是近、中红外光谱测量方法。红外光谱方法原理清楚，硬件、软件的发展均比较成熟，实现起来也较方便，且可直接测量组织或血管等部位，易于实现体液成分的无创检测和多组分的同时测量，在生物医学领域已成功应用于血氧饱和度的测量。因此红外光谱测量方法被认为是一种比较有应用前景的无创血糖检测技术。在1992年的Oak-Ridge会议上，美国的Futrex公司展示了利用光吸收原理的无创血糖测量产品样机Dream Beam，这是世界上首次进行无创伤血糖测量仪器的样机展示。1996年美国的Biocontrol技术公司推出了Diasensor1000型无创血糖仪。它只需将前臂放置在仪器上，将红外光射入皮肤，接收并测量经过人体组织的扩散反射光，在几分钟内即显示出测量值。LifeTrac Systems公司研制的SugarTrac，为无创红外频谱分析型，此装置插在耳道上，并向鼓膜发射不同波长的红外光，然后，将不同波长的反射信号进行分析、计算，从而求出血糖值。设计者认为鼓膜微循环系统具有更多的血糖特征，故此，希望从鼓膜采集到的信号，能更精确地反映血糖值。不过，目前仍在进行临床试验。但是由于光学信号容易受到体内复杂组织结构及化学成分的干扰，因此目前该方法再稳定性和可靠性方面还存在很大问题，还没有任何一种光学无创血糖仪通过美国食品药品管理局(FDA)认证。

目前在无创血糖检测方面，比较成熟的是美国Cygnus公司研制的葡萄糖手表(GlucoWatch)，已经获得美国FDA批准。此装置不用刺伤手指取血，采用反离子电渗技术抽取体内葡萄糖，应用电化学方法进行检测，进而获取体内血糖浓度值，检测结果直接显示在仪表上，也可进行存储。但是当遇皮肤温度过高和出汗的情况检测结果不再有效，且每隔10分钟该装置才能获得一个检测结果，反离子电渗过程中的微弱电流还会对皮肤产生刺激作用，使皮肤过敏。目前该仪表在美国和欧洲已上市，患者可以在医生的嘱咐下使用，而国内仅进行过少量的临床试验，没有获得应用。同时，该仪表及配套耗材价格昂贵，不适用于普通患者。

光声信号既依赖于生物组织的光学特性，也依赖于生物组织的声学性质，因此采用光声效应原理的检测技术能为医学诊断提供更丰富的有价值的信息。同传统的光学方法相比，采用光声效应检测血糖可以克服人体组织细胞对光的散射的影响；同反离子电渗技术相比，采用光声效应原理能够实现快速检测，克服了抽取葡萄糖需要的等待时间。目前，光声方法主要应用于固体的无损探测、气体痕量探测以及光声成像技术中，而血糖检测方面的应用报道相对较少。国外也有人利用光声效应方法进行无创血糖检测，取得了初步成果，验证了该方法的有效应。但在实用性，稳定性，准确性，可靠性方面，离实际应用还用很大距离。

据此，市场上还没用一种非常成熟的可以实现无创血糖快速检测的产品。针对目前无创血糖检测技术的现状，本发明采用光声检测与漫反射光学检测相结合的方法，同时探测由于光声效应产生的超声信号和漫反射光信号，消除体系干扰，达到提高检测稳定性和准确度的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种无创血糖快速检测的方法和装置，实现无创血糖快速检测。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种无创血糖快速检测的方法，其综合利用光声效应和光学漫反射原理，实现无创血糖快速检测：用具有葡萄糖吸收峰处波长的脉冲激光照射人体皮肤组织，同时以超声传感器和光电探测器探测人体组织由于光声效应产生的超声信号和漫反射光信号，经中央处理单元对比标准血糖浓度值对两信号数据分析处理，得出血糖浓度值。

所述的方法，其具体步骤如下：

a)将半导体脉冲激光器、超声传感器和光电探测器贴置于人体皮肤；

b)打开电源，中央控制处理单元根据程序设定启动半导体脉冲激光器产生具有葡萄糖吸收峰处波长的脉冲激光，照射人体皮肤组织；

c)开启光电探测器，控制光信号放大采集电路接收光电探测器输出的电信号，将其转换成光数字信号A，传送到中央控制处理单元；同时，开启超声传感器，控制光声信号放大采集电路接收超声传感器输出的电信号，将其转换成光声数字信号PA，传送到中央控制处理单元；

d)中央控制处理单元接收到光声信号PA和光信号A后，根据预先设定的算法计算出血糖浓度值，并将结果显示、同步存储或通过通信模块传送到医院远程主机，便于医生对病人实时监测。

所述的方法，其所述对两信号数据分析处理，是通过对超声信号和漫反射光信号进行频谱分析，得出血糖浓度有效信息，以排除其它物质的干扰；其完成一次检测小于5秒钟。

所述的方法，其所述脉冲激光，脉冲宽度为5ns-200ns，脉冲重复频率为100-2000Hz。

一种所述的方法使用的装置，包括电路及探头，电路和探头集成于一个壳体中，探头位于一侧壁外侧上；其电路部分包括中央控制处理单元、光信号采集放大电路4、光声信号采集放大电路、激光器驱动调制电路、显示、存储、通信、按键和电源；中央控制处理单元与信号采集放大电路、光声信号采集放大电路、激光器驱动调制电路、显示、存储、通信、按键和电源按常规电连接；

探头为集成化探头，包括外壳、至少一个半导体脉冲激光器、至少一个超声传感器、至少一个光电探测器；外壳中部设置至少一个半导体脉冲激光器，半导体脉冲激光器周围均布至少一个超声传感器和至少一个光电探测器，超声传感器和光电探测器间隔设置；半导体脉冲激光器发射端、超声传感器探头、光电探测器探头皆向外侧。

所述的装置，其所述半导体脉冲激光器、超声传感器、光电探测器皆为一个，三者一字分布，半导体脉冲激光器位于外壳中部，超声传感器、光电探测器分处其两侧。

所述的装置，其所述半导体脉冲激光器为一个，超声传感器和光电探测器各为两个，如十字排列于半导体脉冲激光器周围，超声传感器位于半导体脉冲激光器上下侧或左右侧，光电探测器位于半导体脉冲激光器左右侧或上下侧。

所述的装置，其所述通信模块，为无线或有线的通信模块，通过无线或有线的方式与医院远程电脑主机相连，便于医生对病人进行实时监控或根据历史存储数据进行分析，给出治疗建议。

本发明，同时探测由于光声效应产生的超声信号和漫反射光信号，通过数据分析处理，得出血糖浓度值，有利于消除体系干扰，达到提高检测稳定性和准确度的目的，实现无创血糖快速检测。

附图说明

图1为本发明的无创血糖快速检测装置组成框图；

图2为本发明无创血糖检测方法示意图；

图3为无创血糖快速检测原理图；

图4为本发明的无创血糖快速检测装置检测探头结构图；其中：

图4(a)是1个超声传感器和1个光电探测器分布在半导体激光器两侧；

图4(b)是2个超声传感器和2个光电探测器分布在半导体激光器四周。

具体实施方式

下面参照附图详细说明无创血糖快速检测方法和装置，不同图中的标号表示相同的元件。

如图1所示，该无创血糖快速检测装置包括电路部分1及集成化探头2。电路部分1包括中央控制处理单元3以及跟其直接相连的光信号采集放大电路4、光声信号采集放大电路6，激光器驱动调制电路5和显示8、存储9、通信10、按键11等控制功能模块，还包括电源模块7，电源模块7用于整个检测装置的电力供应。集成化探头2，包括光电探测器12、半导体脉冲激光器13和超声传感器14，通过机械方法固定集成在一个集成化的探头中。

半导体脉冲激光器13跟激光驱动调制电路5相连，在激光驱动调制电路5的驱动下半导体脉冲激光器13产生合适波长的脉冲激光，脉冲宽度为5ns-200ns，脉冲重复频率100-2000Hz，用作光信号和光声信号的激发源。超声传感器14用于探测由于光声效应产生的光声信号，将其转换成电信号，将信号输出到跟其相连的光声信号放大采集电路6，光声信号放大采集电路6将该模拟信号转换成数字信号PA传送到跟其相连的中央控制处理单元3。光电探测器12用于探测漫反射光信号，将其转换成电信号，将信号输出到跟其相连的光信号放大采集电路4，光信号放大采集电路4将该模拟信号转换成数字信号A，传送到跟其相连的中央控制处理单元3。

中央控制处理单元3控制整个检测过程的进行，如图2所示。中央控制处理单元3根据程序设定，通过激光驱动调制电路5使半导体激光器13产生脉冲激光，照射人体皮肤组织30(见图3)。脉冲激光产生后，很短时间内即会产生光声信号和漫反射光信号。为保证测试稳定，通常设定1s，开启光电探测器12，控制光信号放大采集电路4接收光电探测器12输出的电信号，将其转换成光数字信号A，传送到中央控制处理单元3；同时(实际存在极短的延迟)，开启超声传感器14，控制光声信号放大采集电路6接收超声传感器14输出的电信号，将其转换成光声数字信号PA，传送到中央控制处理单元3。该过程可重复多次，以排除干扰，获得可靠的光声数字信号PA和光数字信号A。

中央控制处理单元3接收到光声信号PA和光信号A后，根据预先设定的算法计算出血糖浓度值C，并将结果显示8，同步存储9或通过通信模块10传送到医院远程主机，便于医生对病人的实时监测。

图3所示描述了这种无创血糖快速检测的方法原理，脉冲激光光源照射到皮肤组织30表面后产生光声信号和漫反射光信号，控制超声传感器探测光声信号，同时控制光电探测器探测漫反射光学信号，通过对探测到的光声信号和漫反射光学信号信号进行综合分析处理，得出无创血糖浓度值。激光光源照射到皮肤组织30后，一部分被组织成份吸收，另一部分经漫反射或透射回到皮肤表面。光声信号是由于光信号被皮肤组织30吸收所产生的，信号中含有组织成份构成及浓度的信息。采用特定波长的激光光源作为激发源，如选用葡萄糖吸收峰处的波长，所产生的光声信号的强度与体内葡萄糖的浓度有一定的线性关系，光声信号的频率特性也与葡萄糖直接相关，可通过频谱分析排除其它物质的干扰。漫反射光信号同样包含组织成份构成信息，且易于探测。根据皮肤组织30漫反射特性，在选取特定波长光源的条件下，漫反射光信号与被测葡萄糖浓度有一定的线性关系。同时探测光声信号和漫反射光信号，有利于消除体系干扰，提高检测稳定性和准确度。

图4所示描述了集成化检测探头的具体结构设计，具体实施中，半导体激光器13、超声传感器14、光电探测器12被设计集成在一个探头中，成为一个集成化检测探头。探头至少包含一个特定的半导体激光器13，1个超声传感器14，及1个光电探测器12。为提高检测稳定性，降低皮肤组织不均匀性所造成的干扰，该探头可包含2个或2个以上的超声传感器14和光电探测器12。半导体激光器13位于探头的中央位置，超声传感器14和光电探测器12分布在四周且对称分布，如图4(a)所示，可以是1个超声传感器14和1个光电探测器12分布在半导体激光器13两侧；图4(b)所示也可以是2个超声传感器14和2个光电探测器12分布在半导体激光器13四周。

Claims (8)

1、一种无创血糖快速检测的方法，其特征在于，综合利用光声效应和光学漫反射原理，实现无创血糖快速检测：用具有葡萄糖吸收峰处波长的脉冲激光照射人体皮肤组织，同时以超声传感器和光电探测器探测人体组织由于光声效应产生的超声信号和漫反射光信号，经中央处理单元对比标准血糖浓度值对两信号数据分析处理，得出血糖浓度值。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：

a)将半导体脉冲激光器、超声传感器和光电探测器贴置于人体皮肤；

b)打开电源，中央控制处理单元根据程序设定启动半导体脉冲激光器产生具有葡萄糖吸收峰处波长的脉冲激光，照射人体皮肤组织；

c)开启光电探测器，控制光信号放大采集电路接收光电探测器输出的电信号，将其转换成光数字信号A，传送到中央控制处理单元；同时，开启超声传感器，控制光声信号放大采集电路接收超声传感器输出的电信号，将其转换成光声数字信号PA，传送到中央控制处理单元；

d)中央控制处理单元接收到光声信号PA和光信号A后，根据预先设定的算法计算出血糖浓度值，并将结果显示、同步存储或通过通信模块传送到医院远程主机，便于医生对病人实时监测。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对两信号数据分析处理，是通过对超声信号和漫反射光信号进行频谱分析，得出血糖浓度有效信息，以排除其它物质的干扰；其完成一次检测小于5秒钟。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光，脉冲宽度为5ns-200ns，脉冲重复频率为100-2000Hz。

5、一种如权利要求1所述的方法使用的装置，包括电路及探头，电路和探头集成于一个壳体中，探头位于一侧壁外侧上；其特征在于，电路部分包括中央控制处理单元、光信号采集放大电路、光声信号采集放大电路、激光器驱动调制电路、显示、存储、通信、按键和电源；中央控制处理单元与信号采集放大电路、光声信号采集放大电路、激光器驱动调制电路、显示、存储、通信、按键和电源按常规电连接；

探头为集成化探头，包括外壳、至少一个半导体脉冲激光器、至少一个超声传感器、至少一个光电探测器；外壳中部设置至少一个半导体脉冲激光器，半导体脉冲激光器周围均布至少一个超声传感器和至少一个光电探测器，超声传感器和光电探测器间隔设置；半导体脉冲激光器发射端、超声传感器探头、光电探测器探头皆向外侧。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半导体脉冲激光器、超声传感器、光电探测器皆为一个，三者一字分布，半导体脉冲激光器位于外壳中部，超声传感器、光电探测器分处其两侧。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半导体脉冲激光器为一个，超声传感器和光电探测器各为两个，如十字排列于半导体脉冲激光器周围，超声传感器位于半导体脉冲激光器上下侧或左右侧，光电探测器位于半导体脉冲激光器左右侧或上下侧。

8、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述通信模块，为无线或有线的通信模块，通过无线或有线的方式与医院远程电脑主机相连，便于医生对病人进行实时监控或根据历史存储数据进行分析，给出治疗建议。

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