CN102349835B - 无创血液成分动态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无创血液成分动态检测装置。该装置包括：支架；动力控制部件；上夹持部；下夹持部；位于下夹持部的下方，固定于支架侧面的动力部件，用于在动力控制部件的指令下，通过传动部件推动下夹持部沿支架侧面的轨道向上滑动，以使上夹持部和下夹持部共同夹紧被测部位；固定于上夹持部的下表面的近红外光源；与近红外光源相对设置的，固定于下夹持部上表面的光信号传感部件；总控制模块，与近红外光源和光信号传感部件相连接，用于指令近红外光源发送近红外光，并利用光信号传感模块收集的近红外光通过被测部位后的吸收情况，提供被测部位的血液成分信息。本发明无创血液成分动态检测装置结构简单、造价低廉、易于操作、测量方便。

Description

无创血液成分动态检测装置

技术领域

本发明涉及机电行业医疗器械领域，尤其涉及一种无创血液成分动态检测装置。

背景技术

血液成分的浓度能够反映人体的生理状态，是诊断、治疗某些疾病的重要依据。例如，严重威胁人类健康、患病率逐年上升的糖尿病的治疗，主要通过频繁监测血糖浓度，调整降糖药物的用量。现行的血液成分浓度测量方式需要采取血样，并通过生化方法来实现，不但成本高、频繁给患者造成疼痛，而且有感染其它疾病的危险。

相比之下，近红外血液成分检测技术通过人体组织对近红外光的吸收情况，间接获取血液成分的浓度，因而具有速度快，成本低，无创伤等优点，是一种具有极大应用前景的检测技术。然而，临床意义上的无创近红外血液成分浓度检测仍存在一些技术难题。首先，由于血液成分复杂，各成分对近红外光谱的吸收存在交叠，相互间存在干扰。其次，测量条件的变化对检测结果也具有显著的影响，例如，同一个体由于两次测量的位置、角度不同，以及不同个体的皮肤毛发、角质层构造差异等，均会改变近红外光的吸收量，从而影响到血液成分的浓度监测。最后，皮肤的生理背景因素，如温度、湿度等，也给近红外检测带来干扰。

针对上述问题，目前主要有以下几种解决途径：第一，依据不同血液成分对近红外光的吸收峰值差异，使用多光路差分的方式提高测量仪器的信噪比，降低其它血液成分带来的干扰噪声；第二，对被测部分的温度、湿度等因素建模，并使用相应传感部件获取相关参数，从而消除此类因素的干扰；第三，基于近红外漫反射光的浮动基准测量法，选择组织中漫反射光强对葡萄糖的灵敏度最大位置，从而降低生理因素带来的噪声。然而，这将导致检测装置结构十分复杂，不易使用。此外，由于无创方式血液成分检测易于受到外界干扰，导致测量结果不可靠，目前的检测装置尚缺乏对测量结果进行评估的功能。

申请人意识到现有技术中的无创近红外血液成分检测装置结构复杂，检测方法繁琐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述缺陷，本发明提供了一种无创血液成分动态检测装置，以提供一种结构简单的检测装置，降低测量方法的复杂度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种无创血液成分动态检测装置。该装置包括：支架；动力控制部件；固定于支架上部的上夹持部；与上夹持部相对设置的下夹持部；位于下夹持部的下方，固定于支架侧面的动力部件，用于在动力控制部件的指令下，通过传动部件推动下夹持部沿支架侧面的轨道向上滑动，以使上夹持部和下夹持部共同夹紧被测部位；固定于上夹持部的下表面或下夹持部上表面的近红外光源；与近红外光源相对设置的，固定于下夹持部上表面或上夹持部下表面的光信号传感部件；总控制模块，与近红外光源和光信号传感部件相连接，用于指令近红外光源发送近红外光，并利用光信号传感模块收集的近红外光通过被测部位后的吸收情况。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，总控制模块还与动力控制部件相连接；总控制模块向动力控制部件发送测量指令；动力控制部件根据测量指令向动力部件发送测量驱动信号；动力部件根据测量驱动信号运转，通过传动部件推动下夹持部在预设的起点和终点之间沿支架侧面的轨道上下周期性振动；光信号传感部件测量下夹持部位于不同位置时近红外光通过被测部位后的吸收情况。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，下夹持部按照简谐振动的序列上下周期性振动；光信号传感部件采集各振动周期内的光信号幅度数据，并将光信号幅度数据发送至总控制模块；总控制模块分别计算在振动位移最大处、振动位移最小处的光信号幅度的各周期内的平均值，取两个平均值的差值作为血液成分的参考值。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，简谐振动的频率为0.25Hz；在一个测量周期内，下夹持部的简谐振动周期数大于等于50。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，测量指令和测量控制信号中均包含预设的下夹持部的起点和终点信息；该装置还包括：固定于上夹持部的下表面或下夹持部上表面的压力传感部件；总控制模块向动力控制部件发送测试指令；动力控制部件根据测试指令向动力部件发送测试驱动信号；动力部件根据测试驱动信号运转，通过传动部件推动下夹持部沿支架侧面的轨道向上滑动，以逐渐夹紧被测部位；压力传感部件测试被测部位的压力值，并将压力值反馈至总控制模块；总控制模块根据预设的上压力阈值和下压力阈值，预设下夹持部的起点和终点信息。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，上压力阈值为3.0牛顿，下压力阈值为0.6牛顿。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，还包括：位移传感部件，用于测试下夹持部的当前位移量；总控制模块，与光信号传感部件、位移传感部件和压力传感部件相连接，包括：数据采集子模块，用于按照简谐振动的倍频采集一个测量周期内的光信号传感器部件、压力传感器部件和位移传感器部件中的数据，形成测量周期内的光信号幅度序列、压力序列和位移序列；数据分析子模块，评估从数据采集模块采集的一个测量周期的光信号序列、位移序列和压力序列的稳定性，并据此判断本次测量是否有效，并在测量有效的情况下，计算参考血液成分值。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，动力控制部件为脉冲输入伺服电机驱动器；动力部件为伺服电机；传动部件为滚珠丝杠，下夹持部为滑动夹。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，支架与上夹持部一体设置。

优选地，本发明无创血液成分动态检测装置中，近红外光源包括近红外发光二极管，该近红外发光二极管的波长对应于被测血液成分的吸收峰值波长；光信号传感部件包括与近红外发光二极管波长对应的光电管。

(三)有益效果

本发明无创血液成分动态检测装置具有下列有益效果：

①装置结构简单、造价低廉、易于操作、测量方便；

②通过下夹持部的周期性运动，使得该部位血管出现周期性地充盈-压缩，相比之下，而皮肤毛发、角质层等构造相对保持不变。因此，光信号采样值的周期性变换能够较好的排除个体间和部位间皮肤构造方面的差异，更好的反映净血液成分对近红外光的吸收情况；

③通过对比位移、压力、光信号的采样序列和预测值，能够评估检测的稳定性，从而为判断结果是否可信提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例无创血液成分动态检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例无创血液成分动态检测装置的检测流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，公开了一种无创血液成分动态检测装置。图1为本发明实施例无创血液成分动态检测装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：支架110；动力控制部件150；固定于支架上部的上夹持部；与上夹持部相对设置的下夹持部120(图中设置为滑动夹)；位于下夹持部的下方，固定于支架侧面的动力部件130，用于在动力控制部件的指令下，通过传动部件140推动下夹持部120沿支架侧面的轨道向上滑动，以使上夹持部和下夹持部共同夹紧被测部位；固定于上夹持部的下表面的近红外光源170；与近红外光源相对设置的，固定于下夹持部上表面的光信号传感部件180；总控制模块200，与近红外光源170和光信号传感部件180相连接，用于指令近红外光源170发送近红外光，并利用光信号传感模块180收集的近红外光通过被测部位后的吸收情况，提供被测部位的血液成分信息。

为了排除个体间和部位间皮肤构造方面的差异，更好的反映净血液成分对近红外光的吸收情况，总控制模块还与动力控制部件相连接。总控制模块200向动力控制部件150发送测量指令；动力控制部件150根据测量指令向动力部件130发送测量驱动信号，动力部件130根据测量驱动信号通过传动部件140推动下夹持部120在预设的起点和终点之间沿支架侧面的轨道周期性上下振动，光信号传感部件180测量下夹持部120位于不同位置时近红外光通过被测部位后的吸收情况。优选地，下夹持部120按照简谐振动的序列上下周期性振动。本实施例中，通过下夹持部120的周期性运动，使得该部位血管出现周期性地充盈-压缩，相比之下，而皮肤毛发、角质层等构造相对保持不变。因此，光信号采样值的周期性变换能够较好的排除个体间和部位间皮肤构造方面的差异，更好的反映净血液成分对近红外光的吸收情况

为了获取上述预设的起点和终点，如图1所示，本发明中无创血液成分动态检测装置还包括：固定于上夹持部的下表面或下夹持部上表面的压力传感部件190；用于测试所述下夹持部的当前位移量的位移传感部件160。压力传感部件190，使用电流输出型压力传感器，并通过信号放大电路和16位模数转换芯片获得数字化的采样量。位移传感部件160，由安装于所述动力部件130上的光电编码器实现：光电编码器通过将动力部件的机械位移量转换为数字脉冲量，从而间接获得滑动夹120的当前位移量，要求位移检测精度5微米以内。在实际检测中，总控制模块200向动力控制部件150发送测试指令；动力控制部件150根据测试指令向动力部件130发送测试驱动信号；动力部件130根据测试驱动信号通过传动部件推动下夹持部120沿支架侧面的轨道向上滑动，以逐渐夹紧被测部位；压力传感部件190测试被测部位的压力值，并将压力值反馈至总控制模块200；总控制部件200根据预设的上压力阈值和下压力阈值，预设下夹持部的起点和终点信息。此外，对于本领域的技术人员，也可以不通过压力传感部件，直接设定下夹持部的起点和终点值，这样的方法尤其适用于对于不同的被测试对象(如小孩)其被测试部位差别不大的情况。

本发明中，总控制模块200由嵌入式电路系统实现，包括2路控制电路，3路数据采集电路，以及数据采集子模块、数据分析子模块；2路控制电路分别连接到动力控制部件150、近红外光源170；3路采集电路分别连接到位移传感部件160、近红外光源170、光信号传感部件180。数据采集子模块，用于按照简谐振动的倍频采集一个测量周期内的光信号传感器部件、压力传感器部件和位移传感器部件中的数据，形成所述测量周期内的光信号幅度序列、压力序列和位移序列。数据分析子模块，评估从所述数据采集模块采集的一个测量周期的光信号序列、位移序列和压力序列的稳定性，并据此判断本次测量是否有效，并在测量有效的情况下，计算参考血液成分值。

如图1所示的无创血液成分动态检测装置中，需要说明的是：1)近红外光源和光信号传感部件的位置是相对的，即在本发明的另外一种实现方式中，近红外光源170也可以位于下夹持部120上表面，而光信号传感部件180位于上夹持部下表面；2)如图1所示，支架110与上支撑部连接为一体，而在实际装置中，两者也可以分离设置。可见，本实施例无创近红外血液成分动态近侧装置与现有技术中的相关装置相比，构造简单，操作灵活、易于调试与维修。

本实施例中，动力控制部件150采用脉冲输入伺服电机驱动器，控制动力部件130的运行速度或者旋转角度。动力部件130可采用微型伺服电机，传动部件140采用精密滚珠丝杠，动力部件130通过传动部件140控制滑动夹120的上下移动，要求下夹持部(滑动夹)控制精度在5微米以内。近红外光源170采用近红外单色发光二极管，二极管的波长依据被测血液成分的吸收峰值波长进行选择。光信号传感部件180，使用二极管波长相应的光电管，例如硅(Si)光电管或者铟镓砷(InGaAs)光电管，并通过光电流放大电路和16位模数转换芯片获得数字化的采样量。

图2为本发明实施例无创血液成分动态检测装置的检测流程图。如图2所示，检测流程的具体实施步骤如下：

步骤S202，将被测部位固定于检测装置滑动夹内，同时被测人员尽量保持放松、静息状态。被测部位要求具有较好的透光性和较好弹性，例如虎口或耳垂位置。

固定被测部位时，被测部位置于支架和滑动夹之间，自然接触压力传感部件即可；读取压力传感部件的数值，要求该数值不能超过给定阈值P0＝0.5牛顿。

步骤S204，依据被测部位的弹性情况，设定滑动夹的起点和终点。

首先，通过电机调节滑动夹位移，直到压力传感部件的数值达到给定阈值P1＝0.6牛顿，并将滑动夹此处的位移设为起点L1；

然后，再次通过电机调节滑动夹位移，直到压力传感部件的数值达到给定阈值P2＝3.0牛顿，并将滑动夹此处的位移设为终点L2。

步骤S206，使用稳压电源给发光二级管通电，产生近红外光。

步骤S208，通过电机驱动，使滑动夹在起点L1和终点L2之间周期性地移动滑动夹，使得被测部位的血管出现不同于脉搏的、周期性的充盈-压缩。

本实施例中，控制滑动夹按照简谐运动的速度序列振动，频率f₁＝0.25Hz，设定一次测量周期为200秒，则振动的周期数M＝50。

步骤S210，滑动夹周期性振动的同时，对各传感部件进行采样，获取位移、压力、光信号幅度的采样序列。对各信号的采样频率均设定为f₂＝25Hz，一次测量周期内的总采样次数N＝5000，其中每个振动周期的采样次数L＝100。

步骤S212，为便于分析，首先将位移、压力、光信号三个采样序列的数值分别归一到[0，1]区间；依据简谐运动过程中位移稳定性、压力稳定性和光信号稳定性三个方面对检测的稳定性进行评估。其中，位移稳定性Wl通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Wl}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[l\left(t_i\right)-l_0\left(t_i\right)]}^2\\ l_0\left(t_i\right)=\frac{L1+L2}{2}+\frac{L1-L2}{2}\cos (2\mathrm{\π}{f}_1\·t_i),i=1,...,N\end{array}\right.,$

其中，l(t_i)表示t_i时刻位移的采样序列，l₀(t_i)表示t_i时刻位移的预测序列。

压力稳定性Pl通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Pl}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[p\left(t_i\right)-p_0\left(t_i\right)]}^2\\ p_0\left(t_i\right)=\frac{P1+P2}{2}+\frac{P1-P2}{2}\cos (2\mathrm{\πf}\·t_i),i=1,...,N\end{array}\right.,$

其中，p(t_i)表示t_i时刻压力的采样序列，p₀(t_i)表示t_i时刻压力的预测序列。

光信号稳定性Sl通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Sl}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N/M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[s(\frac{j}{f}+t_i)-u_i]}^2\\ u_i=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}s(\frac{j}{f}+t_i),i=1,...,N/M\end{array}\right.,$

其中，

表示

时刻光信号幅度的采样序列，u_i表示各周期中对应t_i位置的光信号的均值。

若Wl、Pl、Sl三个参数中任意一个超过对应阈值(位移、压力和光信号稳定性阈值分别设为0.005、0.005、0.002)，则本次测量稳定性不够，需重新检测。

步骤S214，当Wl、Pl、Sl三个参数均小于对应阈值时，本次测量有效，血液成分的参考值为：v＝u_L/2-u₁，u₁表示起点L1处所测得的光信号幅度均值，u_L/2表示终点L2处所测得的光信号幅度的均值；依据血液成分的实际浓度值和参考值之间的对应关系表，通过插值计算血液成分的浓度值。

其中，步骤S214中，对应关系表是在测量前通过标定过程获得的。例如，对某被试的血糖进行标定过程如下：在该被试餐前1小时到餐后3小时的过程中，其实际血糖具有较大的变化范围；此段时间内，使用较高精度有创血糖仪和本装置同时进行多次测量，获得多组血糖浓度的真实值和参考值，即可作为对应关系表。

本实施例无创血液成分动态检测装置，自动产生滑动夹的连续简谐运动，然后检测位移、压力和光信号的三个数字采样序列。这种方式能够排除个体间和部位间皮肤构造方面的差异，更好的反映净血液成分对近红外光的吸收情况。此外，通过考察采样序列的稳定性，可以评估单次检测操作的稳定性，从而为判断结果是否可信提供依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无创血液成分动态检测装置，其特征在于，包括：

支架；动力控制部件；固定于所述支架上部的上夹持部；与所述上夹持部相对设置的下夹持部；位于所述下夹持部的下方，固定于所述支架侧面的动力部件，该动力部件用于在所述动力控制部件的指令下，通过传动部件推动所述下夹持部沿所述支架侧面的轨道向上滑动，以使所述上夹持部和所述下夹持部共同夹紧被测部位；

固定于所述上夹持部的下表面或所述下夹持部上表面的近红外光源；与所述近红外光源相对设置的，固定于所述下夹持部上表面或上夹持部下表面的光信号传感部件；与所述近红外光源和所述光信号传感部件相连接的总控制模块，该总控制模块用于指令所述近红外光源发送近红外光，并利用所述光信号传感部件收集的所述近红外光通过所述被测部位后的吸收情况；

其中，所述总控制模块还与所述动力控制部件相连接；所述总控制模块向所述动力控制部件发送测量指令；所述动力控制部件根据所述测量指令向所述动力部件发送测量驱动信号；所述动力部件根据所述测量驱动信号运转，通过传动部件推动所述下夹持部在预设的起点和终点之间沿所述支架侧面的轨道上下周期性振动；所述光信号传感部件测量所述下夹持部位于不同位置时所述近红外光通过所述被测部位后的吸收情况；

所述下夹持部按照简谐振动的序列上下周期性振动；所述光信号传感部件采集各振动周期内的光信号幅度数据，并将所述光信号幅度数据发送至所述总控制模块；所述总控制模块分别计算在振动位移最大处、振动位移最小处的光信号幅度的各周期内的平均值，取两平均值的差值作为血液成分的参考值；

所述测量指令和所述测量驱动信号中均包含预设的所述下夹持部的起点和终点信息；该无创血液成分动态检测装置还包括：固定于所述上夹持部的下表面或所述下夹持部上表面的压力传感部件；所述总控制模块向所述动力控制部件发送测试指令；所述动力控制部件根据所述测试指令向所述动力部件发送测试驱动信号；所述动力部件根据所述测试驱动信号运转，通过传动部件推动所述下夹持部沿所述支架侧面的轨道向上滑动，以逐渐夹紧被测部位；所述压力传感部件测试所述被测部位的压力值，并将所述压力值反馈至所述总控制模块；所述总控制模块根据预设的上压力阈值和下压力阈值，预设所述下夹持部的起点和终点信息；

该无创血液成分动态检测装置还包括：位移传感部件，用于测试所述下夹持部的当前位移量；所述总控制模块，与所述光信号传感部件、位移传感部件和压力传感部件相连接，包括：数据采集子模块，用于按照简谐振动的倍频采集一个测量周期内的光信号传感部件、压力传感部件和位移传感部件中的数据，形成所述测量周期内的光信号幅度序列、压力序列和位移序列；数据分析子模块，评估从所述数据采集子模块采集的一个测量周期的光信号幅度序列、位移序列和压力序列的稳定性，并据此判断本次测量是否有效，并在测量有效的情况下，计算参考血液成分值。

2.根据权利要求1所述的无创血液成分动态检测装置，其特征在于，所述简谐振动的频率为0.25Hz；在一个测量周期内，所述下夹持部的简谐振动周期数大于等于50。

3.根据权利要求1所述的无创血液成分动态检测装置，其特征在于，所述上压力阈值为3.0牛顿，所述下压力阈值为0.6牛顿。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无创血液成分动态检测装置，其特征在于，所述动力控制部件为脉冲输入伺服电机驱动器；所述动力部件为伺服电机；所述传动部件为滚珠丝杠，所述下夹持部为滑动夹。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的无创血液成分动态检测装置，其特征在于：所述支架与所述上夹持部一体设置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的无创血液成分动态检测装置，其特征在于：

所述近红外光源包括近红外发光二极管，该近红外发光二极管的波长对应于被测血液成分的吸收峰值波长；

所述光信号传感部件包括与所述近红外发光二极管波长对应的光电管。

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