CN102539331A - 用于无创血糖检测的单腔光声池及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无创血糖检测的单腔光声池及检测方法，所述光声池由样品池、观察窗、加样器、激光器、微音器组成。待测样品通过加样器加注到样品池内，其上表面直至观察窗的空间自然形成气体腔。观察窗安装于样品池的顶部，观察窗上安装有激光器，可向样品投射具有一定调制频率的激光束。在观察窗上安装有高性能的微音器，用以检测光声信号的强弱。本发明的光声池采用独特的单腔结构，避免了传统的共振型光声池体积大、难于加工制作、仅适用于单一的固定调制频率的弊端。而且所有工作部件固定在一起，样品加注和移除方便、快捷，可以满足血糖监测的要求。

Description

用于无创血糖检测的单腔光声池及检测方法

技术领域

本发明涉及一种无创血糖检测用光声池，具体地，是一种用于无创血糖检测用的非共振型单腔光声池以及利用该光声池进行无创血糖检测的方法。

背景技术

无创血糖检测方法由于病人痛苦少、感染几率低、可以连续监测血糖变化，因而成为血糖检测领域的发展趋势。目前主要的血糖无创检测方法主要有近红外光谱法、荧光光谱法、光声光谱法等。其中光声光谱法由于具有灵敏度高、特异性好，而成为最有希望成功用于临床诊疗的方法之一。

光声光谱是光谱学的一个重要分支，是一种综合了光、热、声、电等原理技术的光谱分析新方法。用一定频率调制的光源或脉冲光源照射物质，当物质受到光照射时，物质因吸收光能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收的光能(全部或部分)转变为热。周期的光照调制使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。

光声光谱法主要由光源、斩波器、光声池、声敏元件(传声器)、放大器、信号处理系统和记录系统组成。其中光声信号的产生又依赖于光声池这个尤为重要的载体和转换环境，在利用光声谱研究无创血糖检测的领域中，光声池发挥着至关重要的作用，主要表现在如何提供一个优越的光声转换环境和增强光声信号的作用。

随着对激光和光声技术的深入研究，对于光声光谱仪的核心部件光声池的研究愈来愈引起人们的关注。不同的检测对象对光声池有不同的要求，而且光声池又直接影响其检测灵敏度。光声池从功能上可以分为气体光声池、固体光声池和液体光声池，对于血糖监测而言需要液体光声池。从结构上可以分为单腔和多腔。多腔中双腔较多见，其优势可以使用差分原理和利用亥姆霍兹共振理论来增强光声信号，例如“用于气体光声光谱监测的纵向共振光声池(201010251483.4)”等。

但是，已有的共振型光声池大多为气体光声池，而血糖监测需要固体(样品为葡萄糖粉末)或者液体(样品为葡萄糖水溶液)光声池。而且，亥姆霍兹共振频率由两个腔体的体积和连接腔体所决定，所以亥姆霍兹共振型光声池的一个很大的弊端，就是当调制频率变化时连通管的大小不能再调，即亥姆霍兹共振型光声池适用于单一的固定不变的调制频率。当调制频率变化时，其共振效果也就大打折扣，因而失去意义。另外，当调制频率较低时(血糖监测要求如此)，连通管的体积必须足够大，而且连接两个连通管的气体管道直径非常小，在加工工艺上有不太好实现。因此，传统的亥姆霍兹共振型光声池不太适合血糖监测的要求。

发明内容

本发明针对缺少针对无创血糖检测所需的光声池、传统共振型光声池的设计缺少足够的依据和参数设计准则的现状，提出一种可用于无创血糖检测的非共振单腔光声池以及利用该光声池进行无创血糖检测的方法，可同时用于固体葡萄糖粉末和葡萄糖水溶液浓度的检测，从而可以满足无创血糖监测的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述的光声池，是以RG理论为基础，参考各种有关材料的物理性能，以空气作为载体，综合理论和实践两个方面的考虑设计而成的。

根据RG理论：信号依赖于样品-气体界面上声压扰动的产生和扰动通过气体到传声器的传输，表面压力扰动的产生又依赖于样品-气体界面上温度的周期性变化。气体中依赖于时间的温度分量随着离开固体表面距离的增加很快的衰减。由于边界层的周期性加热，这个气体层周期的膨胀和收缩，因而可以近似的看成一个活塞，这个活塞作用于其他气体部分，产生的声压信号通过整个气柱，并可以被微音器检测到。

本发明所述的单腔光声池由样品池、观察窗、加样器、激光器、微音器等组成。待测样品通过加样器加注到样品池内，其上表面直至观察窗的空间自然形成气体腔。观察窗安装于样品池的顶部，观察窗上安装有激光器，可向样品投射具有一定调制频率的激光束。在观察窗上安装有高性能的微音器，用以检测光声信号的强弱。

所述的样品池采用热扩散率比较大的材料制成，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作样品池，其次可以采用黄铜材料制作样品池，其他材料的热扩散率不应小于0.3cm²/s。

所述的样品池具有足够厚重的壳体，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。其厚度的选择，应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB。与此同时，为了避免光声池发生吻合效应，光声池的壁厚应该保证其吻合临界频率大于激光器调制频率的10倍以上。

所述的样品池内表面是光滑的，以避免声信号在传输到微音器前产生过度的衰减。可以采用常规的抛光或镀膜等工艺方法处理来实现。

所述的样品池的形状采用各种可行的规则形状，例如圆柱形等，以有利于加工和达到理想的表面要求。样品池的具体尺寸，应保证加注样品后样品上表面距离观察窗的高度等于气体腔内空气的热扩散长度的1.8倍，样品池的直径应大于空气热扩散长度的12倍。另一方面，样品池的径向尺寸应保证加样器、激光器和微音器的安装空间足够。

所述的观察窗选用透明材料，便于观察。由于需要在观察窗上加工各种各样的孔径，用来安装激光器以及固定螺钉，所以本发明池采用易于加工的材料制作观察窗。

所述的观察窗具有足够的厚度，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。观察窗的厚度选择依据与样品池的厚度选择依据相同。观察窗的内表面应该保持光滑。

所述的观察窗与样品池之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。

所述的加样器采用软橡胶材料制作成阶梯轴形状，便于在加样和取样过程中取下或安装，有利于快速注入或去除样品，同时可以保证可靠的密封。

所述的激光器采用半导体激光器，它具有体积小、重量轻、瞬间功率稳定等优点。激光器的功率尽可能大些，有利于提高光声信号的信噪比。激光器的输出光束是频率可调节的，以形成不同的调制频率，满足血糖监测的要求。激光器的频率调制可以采用众所周知的方法来实现。激光器与观察窗之间需有弹性密封材料，以保证可靠的声屏蔽与密封。

所述的微音器采用低噪声、高灵敏、低截止频率的传感器。所述的最低截至频率，应该按照血糖监测的要求来确定。

本发明提供一种采用上述的光声池进行无创血糖检测的方法，检测步骤如下：

(1)先将加样器从观察窗取下，用量筒或移液枪取适量葡萄糖水溶液，加注到样品池内。加注量应保证样品顶部只观察窗的距离(即气体腔的长度)约等于空气的热扩散长度的1.8倍。

(2)将加样器重新盖上，并将整个光声池放置在防震垫上，防止外部振动干扰。

(3)开启激光器电源，预热一段时间后，在开启微音器电源，开始对微音器的输出信号进行采样。

(4)最后将采样到的数据进行快速傅立叶(FFT)变换，得到信号的频谱特性，即可得到调整频率下的光声信号幅值。

与现有技术相比，本发明的光声池的有益效果是：本发明的光声池采用独特的单腔结构，避免了传统的共振型光声池体积大、难于加工制作、仅适用于单一的固定调制频率的弊端。而且所有工作部件固定在一起，样品加注和移除方便、快捷，可以满足血糖监测的要求。

附图说明

图1是本发明的单腔光声池结构组成示意图；

图2是本发明的单腔光声池加样器、激光器、微音器位置关系示意图；

图3是本发明的单腔光声池加样器示意图。

图中，1-样品池，2-观察窗，3-加样器，4-激光器，5-微音器，6-气体腔，7-样品，d-样品池内径，h-气体腔长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明所述的单腔光声池由样品池1、观察窗2、加样器3、激光器4、微音器5等组成。待测样品7通过加样器3加注到样品池1内，其上表面直至观察窗2的空间自然形成气体腔6。观察窗2安装于样品池1的顶部，观察窗2上安装有激光器4，可向样品投射具有一定调制频率的激光束。在观察窗2上安装有高性能的微音器5，用以检测光声信号的强弱。

所述的样品池1采用热扩散率比较大的材料制成，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作样品池，其次可以采用黄铜材料制作样品池，其他材料的热扩散率不应小于0.3cm²/s。本实施例采样铝合金材料制作样品池1。

所述的样品池1具有足够厚重的壳体，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。其厚度的选择，应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB。与此同时，为了避免光声池发生吻合效应，光声池1的壁厚应该保证其吻合临界频率大于激光器5调制频率的10倍以上。本实施例的样品池1的厚度为10mm～20mm。

所述的样品池1内表面是光滑的，以避免声信号在传输到微音器5前产生过度的衰减。可以采用常规的抛光或镀膜等工艺方法处理来实现。本实施例通过抛光工艺方法实现样品池内部的光滑处理。

所述的样品池1的形状采用各种可行的规则形状，本实施例采样圆柱形，以有利于加工和达到理想的表面要求。

所述的样品池1的具体尺寸，应保证加注样品7后样品7上表面距离观察窗2的高度h等于气体腔6内空气的热扩散长度μ的1.8倍，即：

h＝1.8μ    (1)

样品池1的直径d应大于空气热扩散长度的12倍，即：

d≥12μ    (2)

气体腔6内空气的热扩散长度安照如下公式计算：

$\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}=\sqrt{\frac{2k}{\mathrm{\ω\ρc}}}---\left(3\right)$

式中，k为空气热传导率，c为空气比热，ω＝2πf为激光调制角频率(f调制频率)，ρ为空气密度。

根据血糖监测的要求，调制频率尽可能低。考虑一般微音器5的截至频率为3Hz左右，由此可取最低调制频率为f_min＝3Hz。由此可计算出最大热扩散长度为μ_max＝1.42mm。因此，可取样品池1的直径为d＞＝22mm，样品7上表面距离观察窗2的高度(即气体腔6的长度)为h＝3mm。考虑到激光器4的直径约22mm，加样器3的直径8mm，微音器的直径14mm，由此去样品池内径为d＝40mm。

所述的观察窗2选用有机玻璃制作，便于观察和加工各种各样的孔径，用来安装激光器3以及固定螺钉。观察窗2的厚度约10mm～20mm为宜，以形成良好的声屏蔽和隔声效果，同时避免吻合效应。观察窗2的内表面应该保持光滑。观察窗2与样品池1之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。

所述的激光器3采用半导体激光器，它具有体积小、重量轻、瞬间功率稳定等优点。激光器3的功率尽可能大些，本实施例采用波长650nm、功率250mW的半导体激光器，有利于提高光声信号的信噪比。激光器3的输出光束是频率可调节的，以形成不同的调制频率，满足血糖监测的要求。由于血糖监测要求的调制频率不高，最低约3Hz，最高约40Hz，因此激光器3的频率调制可以采用简单的方波调制方法来实现。激光器3与观察窗2之间增加弹性适中的密封材料，一般为橡胶圈，以保证可靠的声屏蔽与密封。

所述的微音器5采用低噪声、高灵敏、低截止频率的传感器。所述的最低截至频率，应该安装血糖监测的要求来确定，最低为3Hz。

本实施例利用上述的光声池进行无创血糖检测，具体检测过程如下：

(1)先将加样器3从观察窗2上取下，用量筒或移液枪取适量葡萄糖水溶液，加注到样品池1内。加注量应保证样品7顶部至观察窗2的距离(即气体腔6的长度)约等于空气的最大热扩散长度μ_max的1.8倍。

(2)将加样器3重新盖上，并将整个光声池放置在防震垫上，防止外部振动干扰。

(3)开启激光器4电源，预热一段时间后，在开启微音器5电源，开始对微音器5的输出信号进行采样。

(4)最后将采样到的数据进行快速傅立叶(FFT)变换，得到信号的频谱特性，即可得到调整频率下的光声信号幅值。

本发明的光声池采用独特的单腔结构，避免了传统的共振型光声池体积大、难于加工制作、仅适用于单一的固定调制频率的弊端。而且所有工作部件固定在一起，样品加注和移除方便、快捷，可以满足血糖监测的要求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于无创血糖检测的单腔光声池，其特征在于：该光声池由样品池、观察窗、加样器、激光器、微音器组成；待测样品通过加样器加注到样品池内，其上表面直至观察窗的空间自然形成气体腔，观察窗安装于样品池的顶部，观察窗上安装有激光器，该激光器向样品投射激光束；观察窗上安装有用以检测光声信号的强弱的微音器。

2.根据权利要求1所述的用于无创血糖检测的单腔光声池，其特征在于：所述样品池采用热扩散率不小于0.3cm²/s的材料，样品池具有足够厚重的壳体，且样品池的内表面是光滑的，所述壳体厚度应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB，且吻合临界频率大于激光器调制频率的10倍以上。

3.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的单腔光声池，其特征在于：所述样品池采用铝或者黄铜制成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于无创血糖检测的单腔光声池，其特征在于：所述样品池的具体尺寸，保证样品上表面距离入射窗口的高度等于气体腔内空气的热扩散长度的1.8倍，样品池的直径大于空气热扩散长度的12倍。

5.根据权利要求1-3任一项所述的用于无创血糖检测的单腔光声池，其特征在于：所述入射窗口与样品池之间安放橡胶密封圈，通过螺钉连接并实现密封。

6.根据权利要求1-3任一项所述的非共振单腔光声池，其特征在于：所述观察窗内表面是光滑的，观察窗厚度应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB，且吻合临界频率大于激光器调制频率的10倍以上。

7.根据权利要求6所述的非共振单腔光声池，其特征在于：所述观察窗选用易于加工的透明材料。

8.根据权利要求1所述的非共振单腔光声池，其特征在于：所述的加样器采用软橡胶材料制作成阶梯轴形状。

9.根据权利要求1所述的非共振单腔光声池，其特征在于：所述的激光器与观察窗之间设有弹性密封材料，保证可靠的声屏蔽与密封。

10.一种采用权利要求1-9所述非共振单腔光声池进行无创血糖检测的方法，其特征在于所述检测步骤如下：

(1)先将加样器从观察窗取下，用量筒或移液枪取适量葡萄糖水溶液，加注到样品池内，加注量应保证样品顶部只观察窗的距离即气体腔的长度约等于空气的热扩散长度的1.8倍；

(2)将加样器重新盖上，并将整个光声池放置在防震垫上，防止外部振动干扰；

(3)开启激光器电源，预热一段时间后，在开启微音器电源，开始对微音器的输出信号进行采样；

(4)最后将采样到的数据进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，即得到调整频率下的光声信号幅值。

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