CN103190917B - 一种基于激光拉曼技术的血糖仪 - Google Patents

Abstract

一种基于激光拉曼技术的血糖仪，涉及医疗检测仪器、生物医学检测和健康监测领域，包括有电源、激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路、主控芯片和数据分析显示系统；它采用拉曼光谱分析技术，利用特定波长的激光与被测物质相互作用时产生的拉曼散射进行分析得到分子振动、转动的结构信息，实现快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析。由于葡萄糖分子的拉曼光谱具有很好的特异性，基频谱线锐利，容易识别；由于拉曼光谱对水等极性物质不敏感，可以有效避开近红外区域水的拉曼光谱干扰；由于样品无需预处理，可以进行原位测量。

Description

一种基于激光拉曼技术的血糖仪

技术领域

本发明涉及医疗检测仪器、生物医学检测和健康监测领域，特别是一种基于激光拉曼技术的血糖仪。

背景技术

随着人们饮食结构与生活节奏的变化以及人口老龄化程度的提高，糖尿病发病率迅速增加，据《2012年世界卫生统计》报告显示，全球十分之一的人患有糖尿病，糖尿病及其并发症已成为世界各国面对的严重公共卫生问题。目前还没有彻底治疗糖尿病的方法, 临床上主要通过频繁监测血糖浓度来指导用药，检测血糖浓度是糖尿病诊断和治疗的关键，也是预防糖尿病并发症的有效措施。当前广泛采用的血糖检测方法包括：抽静脉血检测、快速血糖测定仪检测、血糖试纸比色检测等，均属于有创或微创检测。每测得一个血糖值，必须进行一次采血并消耗一份试剂药品，检测手续繁杂、费用高，并且抽血会造成疼痛，且有感染的危险。这不仅给患者增加了痛苦和经济负担，也不能做到实时监测。

因此，为了解决现有血糖生化检测方法对糖尿病人造成的不便，迫切需要探索更加人性化的血糖浓度检测手段。采用无创血糖检测技术不需刺破皮肤采血，极大地改善了糖尿病患者频繁采血带来的不便和痛苦，也避免了因采血引发的交叉感染和环境污染；同时，可以增加检测次数，提高血糖控制精确度，近年来已成为各国研究的重点。例如，Biocontrol Technology公司，Samsung Fine Chemicals公司等利用近红外光谱技术，Cygnus公司利用反向离子电泳技术检测血糖浓度（血糖三大检测技术并行发展，李延斌，中国医药报，2009.03.3），但很少能通过美国FDA认证。专利CN 102198004 A公开了一种无创式近红外电子血糖仪，它采用近红外光谱进行无创式血糖浓度的快速准确检测。但是，近红外光谱用于血糖无创检测存在以下问题：1、近红外光谱包含了-OH，-CH和-NH的伸缩和弯曲振动的倍频和弱合频振动，从而具有低吸收系数和宽吸收峰的低选择特征，而且生物分子中的-CH和-NH基团的多样性导致谱峰严重重叠，使光谱识别和定量分析都很困难；2、近红外光的光散射严重；3、水的近红外吸收光谱与葡萄糖的近红外吸收光谱非常相似，所以水的变化所导致的光谱干扰比较严重。专利CN 101194838 A公开了一种无创血糖检测仪，它根据血糖浓度与人体组织发热之间的关系，探测人体特别部位的体温来实现无创检测。但是，人体体温个体差异以及血糖浓度与发热的变化关系对检测结果有较大影响。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于激光拉曼技术的血糖仪，它利用拉曼光谱分析技术，实现快速无创准确的人体血糖检测。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有电源、激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路、主控芯片和数据分析显示系统；

激光光源，接收主控芯片的控制指令，发射测试激光；

拉曼光谱信号采集模块，采集散射的光信号，对光信号进行分光处理，并转换为电信号；

信号处理电路，对电信号进行调理，转换为数字信号，再发送至主控芯片；

主控芯片，控制激光光源、拉曼光谱信号采集模块和信号处理电路工作，接收信号处理电路发送的数据，并将数据转发至数据分析显示系统；

数据分析显示系统，接收分析数据，得出血糖检测结果，并显示接收到的数据和检测结果；

电源，为激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路和主控芯片提供工作电源。

进一步，所述激光光源为光束波长可调光源。

进一步，所述拉曼光谱信号采集模块包括有光线采集器、分光组件和光电探测器；

光线采集器调整探测焦距，对反射的拉曼光谱信号进行收集；

分光组件，接收光线采集器收集的拉曼光谱信号，并对拉曼光谱信号按照波长分光处理；

光电探测器，接收主控芯片的控制指令，将分光处理后的光信号转换为电信号。

进一步，所述光线采集器为光学镜头式探头或单模光纤探头或多模光纤探头。

进一步，所述分光组件为平面闪耀光栅或平场凹面全息光栅。

进一步，所述光电探测器为PD阵列、InGaAs阵列、CMOS阵列或CCD阵列。

进一步，所述信号处理电路包括有信号调理电路和A/D转换器，信号调理电路接收拉曼光谱信号采集模块发送的电信号，并对电信号进行放大、滤波处理，将处理后的信号发送至A/D转换器，进行模数转换，再将数字信号发送至主控芯片。

进一步，所述数据分析显示系统包括有通信接口、显示终端和分析子系统；分析子系统对主控芯片的数据信息进行分析，得出测试结果，并通过通信接口将测试结果发送至显示终端，通过显示终端显示出测试结果。

进一步，所述分析子系统通过有线或无线的方式将测试结果发送至显示终端。

进一步，所述主控芯片为单片机、DSP处理器或FPGA处理器。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明采用拉曼光谱分析技术，利用特定波长的激光与被测物质相互作用时产生的拉曼散射进行分析得到分子振动、转动的结构信息，实现快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析。同时还具有以下优点：

1、葡萄糖分子的拉曼光谱具有很好的特异性，基频谱线锐利，容易识别；

2、拉曼光谱对水等极性物质不敏感，可以有效避开近红外区域水的拉曼光谱干扰；

3、样品无需预处理，可以进行原位测量。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于激光拉曼技术的血糖仪，包括有电源、激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路、主控芯片和数据分析显示系统；

激光光源，接收主控芯片的控制指令，发射测试激光；

拉曼光谱信号采集模块，采集散射的光信号，对光信号进行分光处理，并转换为电信号；

信号处理电路，对电信号进行调理，转换为数字信号，再发送至主控芯片；

主控芯片，控制激光光源、拉曼光谱信号采集模块和信号处理电路工作，接收信号处理电路发送的数据，并将数据转发至数据分析显示系统；

数据分析显示系统，接收分析数据，得出血糖检测结果，并显示接收到的数据和检测结果；

电源，为激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路和主控芯片提供工作电源。

拉曼光谱信号采集模块包括有光线采集器、分光组件和光电探测器；

光线采集器调整探测焦距，对反射的拉曼光谱信号进行收集；

分光组件，接收光线采集器收集的拉曼光谱信号，并对拉曼光谱信号按照波长分光处理；

光电探测器，接收主控芯片的控制指令，将分光处理后的光信号转换为电信号。

信号处理电路包括有信号调理电路和A/D转换器，信号调理电路接收拉曼光谱信号采集模块发送的电信号，并对电信号进行放大、滤波处理，将处理后的信号发送至A/D转换器，进行模数转换，再将数字信号发送至主控芯片。

数据分析显示系统包括有通信接口、显示终端和分析子系统；分析子系统对主控芯片的数据信息进行分析，得出测试结果，并通过通信接口将测试结果发送至显示终端，通过显示终端显示出测试结果。

本发明的工作原理如下：

信号采集过程，将本发明放置在人体适宜的皮肤表面，皮肤与拉曼血糖仪之间有一层凝胶垫，主要是用于拉曼血糖仪与皮肤的可靠接触以及微弱拉曼光谱信号的控测。然后打开电源，使激光光源发出光束照到被检测者的皮肤上，光线采集器自动调整探测焦距并将拉曼光谱信号收集到分光组件中按照波长进行分光，再传给光电探测器进行光电转换，光电转换过程受主控芯片控制。

信号处理过程，光信号调理电路对电探测器转换成的电信号进行调理，调理过程包括有对光谱信号进行放大、滤波处理，通过A/D转换后进入主控芯片中进行数据分析处理，分析子系统的功能可以通过主控芯片实现或智能显示终端完成。当采用主控芯片时，可调用主控芯片内的软件程序，如PCA、PLS等智能算法进行血糖浓度分析。处理后的数据通过USB接口等有线通信方式或蓝牙、WiFi等无线通信方式发送到智能显示终端进行显示。同时也将该数据存储到主控芯片中，保存一个月以上。当采用智能显示终端时，数据分析处理及显示功能可在智能显示终端内完成。智能显示终端可以是智能手机、平板电脑或PC机等。

检测结果显示过程，实时显示每次检测的血糖水平，并对检测结果做出初步判断，为医生的诊断提供参考。当检测值超出设定的血糖范围时，就会通过振动、蜂鸣、发送短信等方式自动报警提示，以便对患者的饮食、生活规律以及合理用药提供指导。

激光光源可以是785nm、850nm、980nm、1064nm等波长范围的光源，针对不同人群具有一定的选择性，具体根据大量临床实验数据分析研究而定，所选波长具有对人体皮肤组织透过率高及对血糖浓度变化敏感等特性。

电源为直流电源。如：开关电源、电源适配器、锂电池、碳锌电池、水银电池等，能长期稳定供电。

光线采集器与皮肤接触部位之间放置有一层凝胶垫，用以改善皮肤表面的微小振动等变化对光学探测的影响，并确保检测的精确度；

分光成像组件为平面闪耀光栅光栅或平场凹面全息光栅等；

光电探测器为PD阵列、InGaAs阵列、CMOS、CCD等；

信号调理电路包括信号放大和信号滤波电路，实现采集的微弱信号放大和提高其信噪比；

主控芯片为单片机、DSP处理器或FPGA处理器等，实现光谱数据的分析处理及存储功能；

无创血糖仪信号发送方式可以是USB接口、蓝牙或WiFi等发送接口，通过有线或无线传输方式将检测结果发送到显示终端上；

显示终端可以是LED显示屏、LCD显示器、智能手机、平板电脑或PC机等，实时显示检测曲线，每隔一段时间检测一次，如5分钟，10分钟，15分钟等，可人为设定，全天不间断监测；同时具有倒查功能，可以追溯至少1个月以前的检测曲线；此外，当检测值低于或高于设定的血糖范围时，就会通过振动、蜂鸣等方式自动报警提示

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述血糖仪包括有电源、激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路、主控芯片和数据分析显示系统；

激光光源，接收主控芯片的控制指令，发射测试激光；

拉曼光谱信号采集模块，采集散射的光信号，对光信号进行分光处理，并转换为电信号；

信号处理电路，对电信号进行调理，转换为数字信号，再发送至主控芯片；

主控芯片，控制激光光源、拉曼光谱信号采集模块和信号处理电路工作，接收信号处理电路发送的数据，并将数据转发至数据分析显示系统；

数据分析显示系统，接收分析数据，得出血糖检测结果，并显示接收到的数据和检测结果；

电源，为激光光源、拉曼光谱信号采集模块、信号处理电路和主控芯片提供工作电源；

所述拉曼光谱信号采集模块包括有光线采集器、分光组件和光电探测器；

光线采集器调整探测焦距，对反射的拉曼光谱信号进行收集；

分光组件，接收光线采集器收集的拉曼光谱信号，并对拉曼光谱信号按照波长分光处理；

光电探测器，接收主控芯片的控制指令，将分光处理后的光信号转换为电信号；

所述光线采集器为光学镜头式探头或单模光纤探头或多模光纤探头；

所述分光组件为平面闪耀光栅或平场凹面全息光栅。

2.如权利要求1所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述激光光源为光束波长可调光源。

3.如权利要求1所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述光电探测器为PD阵列、InGaAs阵列、CMOS阵列或CCD阵列。

4.如权利要求1所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述信号处理电路包括有信号调理电路和A/D转换器，信号调理电路接收拉曼光谱信号采集模块发送的电信号，并对电信号进行放大、滤波处理，将处理后的信号发送至A/D转换器，进行模数转换，再将数字信号发送至主控芯片。

5.如权利要求1所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述数据分析显示系统包括有通信接口、显示终端和分析子系统；分析子系统对主控芯片的数据信息进行分析，得出测试结果，并通过通信接口将测试结果发送至显示终端，通过显示终端显示出测试结果。

6.如权利要求5所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述分析子系统通过有线或无线的方式将测试结果发送至显示终端。

7.如权利要求1所述的一种基于激光拉曼技术的血糖仪，其特征在于：所述主控芯片为单片机、DSP处理器或FPGA处理器。