CN102866111A

CN102866111A - 用于无创血糖检测的差动液体光声池组件

Info

Publication number: CN102866111A
Application number: CN2012103243913A
Authority: CN
Inventors: 赵辉; 陶卫; 赵思维; 周倩; 魏佳斯
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开一种用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，由激光器、半反半透镜、测量光声池、参考光声池、底板组成。由激光器发出的激光束投射到半反半透镜后分为两束：一束为测量光束，投向测量光声池，并产生测量信号；另一束为参考光束，投向参考光声池，并产生参考信号。测量光声池内装有不同浓度的葡萄糖溶液，因此测量信号与葡萄糖溶液的浓度和纯水正相关。参考光声池内装有纯水，因此参考信号只与纯水有关。将测量信号与参考信号相减，即可得到葡萄糖溶液浓度信号，并可有效去除各种环境干扰，提高测量精度和稳定性。

Description

用于无创血糖检测的差动液体光声池组件

技术领域

本发明涉及一种新型光声池，具体地，是一种用于无创血糖检测用的差动液体光声池组件。

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、传感器、放大器、信号处理系统和记录系统组成。其中，光声池发挥着至关重要的作用，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。但是，已有的光声池大多为气体光声池，即采用传声器直接测量空气产生的光声信号，无法满足血糖监测（测量对象为不同浓度的葡萄糖溶液）的需要。

本申请人曾提出两种液体光声池（“201210002375.2可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池及检测方法”和“201210031215.0用于无创血糖检测的单腔光声池及检测方法”），可以满足葡萄糖溶液检测的需求。但是，这两种光声池均采用微音器测量气体腔的光声信号，因此实质上还属于气体光声池。从能量藕合的角度来说，气体与固体或液体之间的声阻抗是完全失配的，声透射系数大致为10^-5和10^-2。所以，葡萄糖水溶液产生的光声信号经过液面气化后，经由传声器（微音器）接受的方式灵敏度很低。而且这种方式极有可能测量空气的光声信号（即为虚假信号），而非葡萄糖溶液的光射光信号（即有用信号）。因此，采用微音器测量单腔光声池中空气光声信号的方法存在很大的局限性，很难满足葡萄糖水溶液的浓度的测量。

发明内容

本发明针对缺少针对无创血糖检测所需的液体光声池的现状，提出一种基于压电陶瓷的差动液体光声池组件，可用于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：

本发明的差动液体光声池组件由激光器、半反半透镜、测量光声池、参考光声池、底板等组成。由激光器发出的激光束投射到半反半透镜后分为两束：一束为测量光束，投向测量光声池，并产生测量信号；另一束为参考光束，投向参考光声池，并产生参考信号。测量光声池内装有不同浓度的葡萄糖溶液，因此测量信号与葡萄糖溶液的浓度和纯水正相关。参考光声池内装有纯水，因此参考信号只与纯水有关。将测量信号与参考信号相减，即可得到葡萄糖溶液浓度信号，并可有效去除各种环境干扰。

本发明的测量光声池和参考光声池结构完全一致，均由透明窗、池体、加样器、压电传感器、传感器托架和引线组成。池体采用中空形式。池体两端安装有透明窗，可以让激光束透过。池体一侧安装有加样器，可以加注被测液体。池体另一侧安装有压电传感器，直接测量被测液体产生的光声信号，得到的测量信号通过引线输出。传感器托架用于固定压电传感器。

本发明的光声池池体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。优先采用黄铜或铝合金材料制作池体，其他材料的热扩散率不应小于0.3cm²/s。

所述的光声池透明窗选用透明度较高的材料，便于激光束入射到被测液体之中。

所述的光声池透明窗与池体之间需要可靠密封。可以在透明窗与池体之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。也可直接将透明窗胶粘于池体上。

所述的光声池压电传感器采用低噪声、高灵敏、低截止频率的压电陶瓷来实现，所述的最低截至频率，应该按照血糖监测的要求来确定。

本发明的半反半透镜采用光学石英材料制作，保证尽可能高的透光率。透射与反射比例为1:1，即透光率为50%，以保证测量光束与参考光束的光强相同。

与现有技术相比，本发明的光声池组件的有益效果是：本发明的光声池组件采用50%半反半透镜，将激光束分为测量光束和参考光束，分别投向测量光声池和参考光声池，形成差动形式，从而可以有效消除纯水和环境干扰的影响，提高测量精度。光声池采用压电陶瓷直接测量被测葡萄糖溶液的光声信号，避免了传统的微音器拾取空气光声信号的弊端，显著提高了测量灵敏度。

附图说明

图1是本发明的差动液体光声池组件组成示意图；

图2是本发明的光声池组成示意图；

图3是本发明的光声池的测试图。

图中，1-激光器，2-半反半透镜，3-测量光束，4-测量光声池，5-测量信号，6-底板，7-参考信号，8-参考光声池，9-参考光束，10-透明窗，11-池体，12-加样器，13-被测液体，14-压电陶瓷，15-压电陶瓷托架，16-引线。

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，本发明的差动液体光声池组件由激光器1、半反半透镜2、测量光声池4、参考光声池8、底板6等组成。由激光器1发出的激光束投射到半反半透镜2后分为两束：一束为测量光束3，投向测量光声池4，并产生测量信号5；另一束为参考光束9，投向参考光声池8，并产生参考信号7。测量光声池4内装有不同浓度的葡萄糖溶液，因此测量信号5与葡萄糖溶液的浓度和纯水正相关。参考光声池8内装有纯水，因此参考信号7只与纯水有关。将测量信号5与参考信号7相减，即可得到葡萄糖溶液浓度信号，并可有效去除各种环境干扰。

本发明的激光器1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1的功率尽可能大些，有利于提高光声信号的信噪比。本实施例采用波长650nm、功率250mW的半导体激光器。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。由于血糖监测要求的调制频率不高，因此调制频率最低约10Hz，最高约200Hz。激光器的频率调制可以采用众所周知的方法来实现。

本发明的半反半透镜2采用光学石英材料制作，保证尽可能高的透光率。透射与反射比例为1:1，即透光率为50%，以保证测量光束5与参考光束7的光强相同。

本发明的测量光声池4和参考光声池8结构完全一致，均由透明窗10、池体11、加样器12、压电传感器14、传感器托架15和引线16组成。池体11采用中空形式，池体两端安装有透明窗10，可以让激光束透过。池体11一侧安装有加样器12，可以加注被测液体。池体11另一侧安装有压电传感器14，直接测量被测液体产生的光声信号，得到的测量信号通过引线16输出。传感器托架15用于固定压电传感器14。

本发明的光声池池体11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。优先采用黄铜或铝合金材料制作池体，其他材料的热扩散率不应小于0.3cm²/s。

所述的光声池池体11池应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，光声池池体11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。本实施例的池体11的最小厚度为10mm。

所述的光声池池体11的内腔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。

所述的光声池透明窗10选用透明度较高的材料，便于激光束入射到被测液体之中。透明窗10的透光率应不低于90%，以高于95%为佳。应优先采用石英等光学玻璃，并在两个表面镀增透膜，以进一步提高透光率。本实施例采用石英制作透明窗，双面镀有增透膜，测试的透光率约97%。

所述的光声池透明窗10具有足够的厚度，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。透明窗10的厚度选择依据与池体11的厚度选择依据相同。透明窗10的形状可采用易于加工的圆形。

所述的光声池透明窗10与池体11之间需要可靠密封。可以在透明窗10与池体11之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。也可直接将透明窗10胶粘于池体11上。本实施例采用胶粘的方法将透明窗10可靠固定于池体11上，并有效实现密封。

所述的光声池加样器12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。

所述的光声池压电传感器14采用低噪声、高灵敏、低截止频率的压电陶瓷来实现，优先选用PZT-5。所述的最低截至频率，应该按照血糖监测的要求来确定。本实施例的激光器1的调制频率不高，最低约10Hz，最高约200Hz，因此选用的PZT-5的最低截止频率为10Hz。

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

1.一种用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于所述差动液体光声池组件由激光器、半反半透镜、测量光声池、参考光声池和底板组成，由激光器发出的激光束投射到半反半透镜后分为两束：一束为测量光束，投向测量光声池，并产生测量信号；另一束为参考光束，投向参考光声池，并产生参考信号；测量光声池内装有不同浓度的葡萄糖溶液，因此测量信号与葡萄糖溶液的浓度和纯水正相关；参考光声池内装有纯水，因此参考信号只与纯水有关；将测量信号与参考信号相减，即得到葡萄糖溶液浓度信号，并能有效去除各种环境干扰。

2.根据权利要求1所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的测量光声池和参考光声池结构完全一致，均由透明窗、池体、加样器、压电传感器、传感器托架和引线组成；池体采用中空形式，池体两端安装有透明窗以让激光束透过，池体一侧安装有用于加入被测液体的加样器，池体另一侧安装有压电传感器，该传感器直接测量被测液体产生的光声信号，得到的测量信号通过引线输出；传感器托架用于固定压电传感器。

3.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述光声池所采用的材料热扩散率不小于0.3cm²/s。

4.根据权利要求3所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述光声池采用铝或者黄铜制成。

5.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的透明窗选用透明度较高的材料，透光率不低于90%。

6.根据权利要求5所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的透明窗选用透明度较高的材料，透光率高于95%。

7.根据权利要求6所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的透明窗选采用光学玻璃，并在两个表面镀增透膜。

8.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的透明窗与池体之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封；或直接将透明窗胶粘于池体上。

9.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的压电传感器采用压电陶瓷来实现。

10.根据权利要求9所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的压电传感器采用PZT-5。

11.根据权利要求2所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，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。

12.根据权利要求1-11任一项所述的用于无创血糖检测的差动液体光声池组件，其特征在于：所述的半反半透镜采用光学石英材料制作，透射与反射比例为1:1，即透光率为50%，以保证测量光束与参考光束的光强相同。