CN102641127A - 基于时间门的人体血液成分无创监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用时间分辨的透射光谱测量方法综合拉普拉斯分析来测量人体血糖浓度的便携式检测仪。它包括光学平台、光电探测系统和计算机，其中光学平台包括激光光源模块、手指架和气动套，光电探测系统包括光电倍增管、光电倍增管增益模块和单光子计数器模块。激光光源模块的输出端与手指架的一个输入端相连。气动套的输出端与手指架的另一个输入端相连。手指架的输出端与光电倍增管的输入端相连。光电倍增管增益模块与光电倍增管的另一个输入端相连，光电倍增管的输出端与单光子计数模块的输入端相连。单光子计数模块的输出端与计算机的输入端相连。本发明利用光腔衰荡光谱技术和背景扣除法检测人体呼吸气体中的丙酮浓度，进而对糖尿病进行诊断。

Description

基于时间门的人体血液成分无创监测装置

技术领域

本发明涉及一种用于人体血液成分无创伤检测的便携式检测仪，特别是采用时间分辨的透射光谱测量方法综合拉普拉斯分析来测量人体血糖浓度。

背景技术

对人体血液成分的检测是医疗诊断和医学研究的重要手段，近年来无创伤血液成分检测方法吸引了众多学者进行研究。血液成分中的葡萄糖，白蛋白、球蛋白、甘油三酯，胆固醇、尿素、尿酸，胆红素等成分对于临床诊断都具有非常重要的意义，但是上述血液成分到目前为止还没有实现无创伤检测。

由于人体血液成分的无创伤测量与提高人民健康水平和患者的生活质量密切相关，十多年来各国科学家从各个可能的技术角度以多种方案开展了不懈的研究。对无创伤血液成分的检测研究，主要是通过提取光学信息来测量患者血液成分浓度。人体血液成分的无创伤检测方法包括近红外光谱、中(远)红外光谱、拉曼光谱、光声光谱、光散射、毫米波检测、颜色法和偏振光旋光等。检测部位包括指尖、指肚、前额、手臂、耳垂、眼球等。检测介质包括血液、组织液、眼房水、汗水等。有体外采集组织液检测和在体组织直接检测。无创伤检测的数据重现性、灵敏度、选择性、对个体的适应性等指标尚不如微创伤检测的结果。无论是实验室研究，还是仪器的开发和验证都处于探索和改进阶段。实现血液成份的无创检测是人类的梦想，也是目前国际上的一个研究热点，许多著名的大公司和大学、研究所投入巨资进行研究，但个体差异和信号微弱、信噪比极低严重阻碍了研究的进展。但是由于无创血液成分测量的科学意义、社会价值和经济利益，主要国家的政府从未放弃对该项技术的支持，而研究人员在不断积累活体测量经验的基础上正在孕育着新的测量原理和方法。

为了进一步提高血液成分的无创伤测量的精度，进而达到临床的要求，人体血液成分无创伤检测需要测量方法的创新。在众多的测量方法中，测量都是在正常血流状态下进行的，测量信号也是脉动相关的信号。利用压力停止受测部分的血流可以诱导血红细胞的聚集，聚集起来的红细胞逐渐减小血液的散射系数从而导致透射信号有一个10倍的量的增强。这种改变可以为人体血液无创伤检测的准确测量提供一个必要的信噪比。这种技术近年来被应用到人体血液成分无创伤检测技术中，成为无创伤人体血液成分检测的新手段，并且取得了良好的效果。为了进一步提高人体血液成分无创伤测量的精度，从而达到临床的要求，我们提出了人体血液成分无创伤测量的一种新方法，这种方法是在血流受阻条件下，将先进的时间门技术和拉普拉斯变换方法结合起来，对人体血液成分进行无创伤测量。我们提出的在利用压力停止受测部分血流条件下，将先进的时间门技术和拉普拉斯变换方法结合起来的测量方法，包含了利用压力停止受测部分的血流诱导透射信号明显增强，对多波长入射下的时间分辨透射信号的测量，利用拉普拉斯变换手段增加血液成分浓度测量的灵敏度三个部分。关于利用压力停止受测部分的血流诱导透射信号增强的原理对人体血液成分无创伤测量已经有报道，但是把利用压力停止受测部分的血流诱导透射信号增强的原理和时间门技术以及拉普拉斯变换方法结合起来的无创伤人体血液成分检测方法还未见报道。这种方法的理论和关键技术的研究与实现将对实现人体血液成分无创伤高精度测量有重要意义。

发明内容

本发明的目的是一种基于时间门技术的高准确性的人体血液成分无创检测仪。为了进一步提高人体血液成分无创伤测量的精度，从而达到临床的要求，我们提出了人体血液成分无创伤测量的一种新方法，这种方法是在血流受阻条件下，将先进的时间门技术和拉普拉斯变换方法结合起来。在血流受阻条件下，由于红细胞的聚集使得散射系数明显减小从而导致光在生物组织中传输的透射光谱有一个明显的10倍量的增强，从而为光在生物组织中传输的透射光谱的准确测量提供了一个良好的信噪比，在血流受阻条件下，测量的光在生物组织中传输的时间分辨透射光谱f(t)的拉普拉斯变换为

$F\left(p\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(t\right)e^{-\mathrm{pt}}\mathrm{dt},$

其中p＝σ+jω为一个复数，(σ和ω是实数)。在这里p只取实数。F(p)为透射漫射光的时间积分的加权，如果p取正数时，就会强调较早到达的那部分光子的贡献，如果p取负数时，就会强调较晚到达的那部分光子的贡献。由于在时间门技术中，由于较早到达的光子对于生物组织信号更敏感，所以我们提出了利用时间门技术综合拉普拉斯分析，合适选取拉普拉斯参数期望进一步提高人体血液成分无创伤检测的精度。

为实现上述目的，本发明采用技术方案是：它包括光学平台、光电探测系统和计算机，其中光学平台包括激光光源模块、手指架和气动套，光电探测系统包括光电倍增管、光电倍增管增益模块和单光子计数器模块。激光光源模块的输出端与手指架的一个输入端相连。气动套的输出端与手指架的另一个输入端相连。手指架的输出端与光电倍增管的输入端相连。光电倍增管增益模块与光电倍增管的另一个输入端相连，光电倍增管的输出端与单光子计数模块的输入端相连。单光子计数模块的输出端与计算机的输入端相连。

所述的激光光源模块包括所有工作波长在可见与近红外的脉冲激光。该激光器发出的脉冲激光通过入射光纤入射到手指上。

所述的手指套为用于固定手指的支架，手指架上配有三个口，一个是与入射光纤相连的输入口，另一个输入口与气动套相连，手指套上的第三个口通过输出光纤与光电倍增管相连，从而将输出信号输出到探测系统中。

所述的气动套与手指套的一个输入端相连，作用为对手指施加压力，从而降低手指端血液流速，使手指端红细胞产生聚集，聚集起来的红细胞使入射到手指端的透射光明显增强，这种改变可以为人体血液无创伤检测的准确测量提供一个必要的信噪比。

所述的光电倍增管采用德国Becker-Hickl公司的PMC-100型制冷高速PMT，波长范围为300-900nm，SMA接口，用来收集手指套输出的光进行信号放大及转换，并将光耦合至单光子计数模块。

所述的时间相关单光子计数模块(TCSPC Model)。采用德国Becker-Hickl公司的SPC-134模块。该模块由四个SPC-130模块组成，可实现四通道并行信号采集。技术指标：其单通道的最高计数率为8MHz、最小电子分辨为8ps。

所述的计算机4为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。

本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：

通过对人体手指血流施以控制，测量人体手指的透射光谱并综合拉普拉斯变换方法，从而无创伤、高准确性地确定人体血糖浓度。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为光学平台的结构框图；

图3为光电探测系统的结构框图；

具体实施方式

它包括视频分割模块1、视频转换模块2、激光光源模块3、激光驱动调制模块4、模拟微镜模块6、微扫描镜控制模块5和屏幕7，视频分割模块1输出端与视频转换模块2输入端连接，视频转换模块2输出端分别与激光驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5的输入端连接，激光驱动调制模块4的输出端与激光器电源模块3的输入端连接，微扫描镜控制模块5的输出端与模拟微扫描镜6的输入端连接，激光光源模块3发出的激光投射在MEMS微扫描镜9的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在屏幕上；

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1-3所示，它包括光学平台1、光电探测系统2和计算机3。其中光学平台1包括激光光源模块1.1、手指架1.2和气动套1.3。光电探测系统2包括光电倍增管2.1、光电倍增管增益模块2.2和单光子计数器模块2.3。激光光源模块1.1的输出端与手指架1.2的一个输入端相连。气动套1.3的输出端与手指架1.2的另一个输入端相连。手指架1.2的输出端与光电倍增管2.1的输入端相连。光电倍增管增益模块2.2与光电倍增管2.1的另一个输入端相连，光电倍增管2.1的输出端与单光子计数模块2.3的输入端相连。单光子计数模块2.3的输出端与计算机3的输入端相连。

所述的激光光源模块1.1包括所有工作波长在可见与近红外的脉冲激光。该激光器发出的脉冲激光通过入射光纤入射到手指上。

所述的手指架1.2为用于固定手指的支架，手指架1.2上配有三个口，一个是与入射光纤相连的输入口，另一个输入口与气动套1.3相连，手指架1.2上的第三个口通过输出光纤与光电倍增管2.1相连，从而将输出信号输出到光电探测系统2中。

所述的气动套1.3与手指架1.2的一个输入端相连，作用为对手指施加压力，从而降低手指端血液流速，使手指端红细胞产生聚集，聚集起来的红细胞使入射到手指端的透射光明显增强，这种改变可以为人体血液无创伤检测的准确测量提供一个必要的信噪比。

所述的光电倍增管2.1采用德国Becker-Hickl公司的PMC-100型制冷高速PMT，波长范围为300-900nm，SMA接口，用来收集手指架1.2输出的光进行信号放大及转换，并将光耦合至单光子计数模块2.3。

所述的时间相关单光子计数模块2.3(TCSPC Model)。采用德国Becker-Hickl公司的SPC-134模块。该模块由四个SPC-130模块组成，可实现四通道并行信号采集。技术指标：其单通道的最高计数率为8MHz、最小电子分辨为8ps。

所述的计算机3为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。

Claims (9)

1.基于时间门的人体血液成分无创监测装置，其特征在于：它包括光学平台、光电探测系统和计算机。

2.如权利要求1所述的光学平台，其特征在于：它包括激光光源模块、手指架和气动套。

3.如权利要求1所述的光电探测系统，其特征在于：它包括光电倍增管、光电倍增管增益模块和单光子计数器模块。

4.如权利要求1，2，3所述的基于时间门的人体血液成分无创监测装置，其特征在于：激光光源模块的输出端与手指架的一个输入端相连，气动套的输出端与手指架的另一个输入端相连，手指架的输出端与光电倍增管的输入端相连，光电倍增管增益模块与光电倍增管的另一个输入端相连，光电倍增管的输出端与单光子计数模块的输入端相连，单光子计数模块的输出端与计算机的输入端相连。

5.如权利要求2所述的激光光源模块，其特征在于：它可发出工作波长在可见与近红外的脉冲激光，该激光器发出的脉冲激光通过入射光纤入射到手指上。

6.如权利要求2所述的所述的手指套，其特征在于：为用于固定手指的支架，手指架上配有三个口，一个是与入射光纤相连的输入口，另一个输入口与气动套相连，手指套上的第三个口通过输出光纤与光电倍增管相连，从而将输出信号输出到光电探测系统中。

7.如权利要求2所述的所述的气动套，其特征在于：与手指套的一个输入端相连。

8.如权利要求2所述的光电倍增管，其特征在于：它的波长范围为300-900nm，SMA接口，收集手指套输出的光进行信号放大及转换，并将光耦合至单光子计数模块。

9.如权利要求1所述的计算机，其特征在于：为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于进行数据处理。

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