CN103349553B - 双波长差分近红外无创伤血糖仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，它：包括激光器一(11)、平面镜一(12)、保护层(13)、样品(14)、函数发生器(15)、激光器二(16)、光学中性密度滤光片(17)、抛面镜一(18)、平面镜二(19)、锁相放大器(110)、宽带光学近红外探测器(111)、双通道光学滤波器(112)、抛面镜二(113)，其中光学中性密度滤光片可以调节激光器二(16)的功率，从而调整激光器一(11)和激光器二(16)的输出功率比；相位差通过函数发生器(15)和锁相放大器(110)来控制。本发明结合了近红外光的幅度和相位特征，利用吸收光谱的波峰和波谷变化差，使得它不仅具有无创伤检测的能力，而且测量精度高尤其是在低血糖范围内，同时携带保护层，避免激光器误伤皮肤组织。

Description

双波长差分近红外无创伤血糖仪

技术领域

本发明涉及一种用于医学检测糖尿病患者血糖水平的测量仪，具体涉及一种双波长差分近红外无创伤血糖仪。

背景技术

我国已成为全球糖尿病患者最多的国家，总糖尿病患病人数将近一亿，糖尿病前期人数达1.5亿左右。而糖尿病患者为了控制其病情发展，需要不间断地进行测量其血糖水平，以达到使得血糖值保持在正常范围的目的。目前临床上常用的血糖测试仪都是创伤性的，给患者带来一定的痛苦。同时，我们注意到人们正在研制无创伤性血糖测定方法和检测仪器，并公开了多项专利，如《无创式近红外电子血糖仪》(CN102198004A)利用红外光源(600～2500nm)透射手指，根据血糖的吸收光谱，利用神经网络的混合专家算法对红外传感阵列中各传感器的信号进行加权平均后得到血糖值，该发明专利的缺点是考虑的光谱范围太广，这样势必会受到来自于皮肤、水、脂肪以及蛋白质等成分的影响；《无创伤性血糖监测仪》(CN201295231Y)是通过与患者皮肤接触的两个电极测量患者的电容量从而得到患者的血糖值；《无创伤自测血糖仪》(CN1271562A)是利用红外光发射管作为红外光源(波长：1000～2900nm)，采用透射式测量血糖值，其将光路分为两路通过不同的滤光片进入人体同一部位，进行定标测量患者的血糖值。

上述的这些技术，无一例外地均测量幅度来得到对应的血糖值，但受限于其他组织(皮肤、脂肪等)的影响，使得准确度不高，为了提高准确度，降低其他组织的影响。本发明专利采用差分方式测量近红外光幅度和相位相结合，减少其他组织的影响，从而得到准确的血糖值。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种用于医学检测糖尿病患者血糖水平的无创伤测量仪，具体是提高无创伤血糖仪的检测精度，尤其是低血糖范围内的准确度。

本发明所提供的技术问题是这样解决的：提供一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：包括激光器一11、平面镜一12、耦合材料13、样品14、函数发生器15、激光器二16、光学中性密度滤光片17、抛面镜一18、平面镜二19、锁相放大器110、宽带光学近红外探测器111、双通道光学滤波器110、抛面镜二113，其中光学中性密度滤光片17可以调节激光器二16的功率，从而调整激光器A和激光器B的输出功率比；相位差通过函数发生器15和锁相放大器110来控制；所述的函数发生器15分别与激光器一11和激光器二16相连并对激光器一11和激光器二16进行调制；函数发生器15与锁相放大器110相连并作为参考信号输入到锁相放大器110中；宽带光学近红外探测器111与双通道光学滤波器112相连，双通道光学滤波器112与锁相放大器110相连，并将宽带光学近红外探测器111探测到的光信号输入到锁相放大器110中。

进一步地，所述的激光器一11和激光器二16是LED激光器，也可以是半导体激光器，中心波长范围为：930～1300nm。

进一步地，所述的光学中性密度滤光片17可以调节激光器二16的功率，从而调整激光器一11和激光器二16的输出功率比，使得两个激光器输出功率比值的大小范围在0.98～1.02之间。

进一步地，所述的函数发生器15和锁相放大器110可以锁定激光器一11和激光器二16的相位差，使得相位差变化范围在179.9～180.1之间。

进一步地，所述的双通道光学滤波器112的滤波波长分别与激光器一11和激光器二16的工作波长相一致。

进一步地，所述的保护层13是由软聚氯乙烯溶胶制成，具有各向同性的特征，厚度小于0.2mm。

进一步地，所述的宽带光学近红外探测器111的工作波长范围至少包含900～1100nm。

本发明提出了一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，本发明的有益效果是：

(1)不仅具有无创伤检测的能力，而且测量精度高尤其是在低血糖范围内，采用幅度和相位相结合的方法，可有效提高检测精度，使得测量精度达到98.5％以上。

(2)同时携带保护层，避免激光器误伤皮肤组织。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为两种不同浓度的葡萄糖溶液的吸收光谱；

图3为功率比R＝1.004且相位差dP＝179.56°，血糖密度与测量幅度的关系图；

图4为功率比R＝0.988且相位差dP＝179.56°，血糖密度与测量相位的关系图。

其中，11、激光器一；12、平面镜一；13、保护层；14、样品；15、函数发生器；16、激光器二；17、光学中性密度滤光片；18、抛面镜一；19、平面镜二；110、锁相放大器；111、宽带光学近红外探测器；110、双通道光学滤波器，113、抛面镜二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，一种双波长差分近红外无创伤血糖仪：

本发明主要特点是使用两个激光器即激光器一11和激光器二16，利用光学中性密度滤光片17使得两个激光器的出射光功率一致，同时使用锁相放大器110和函数发生器15使得两个激光器的相位相反，即相位差在180度附近，具体变化范围为179.9～180.1之间。

由于两激光器的工作相位正好相反，理论上在整个周期0≤t≤τ₀里入射到样品上的光功率可以表达为：

$S_{\mathrm{AB}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_A& 0\≤t\≤\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{2}\\ A_B& \frac{{\mathrm{\τ}}_0}{2}\≤t\≤{\mathrm{\τ}}_0\end{array}\right.$

其中A_A为激光器一11的光功率，A_B为激光器二16的光功率。

$R=\frac{A_A}{A_B}$

dp＝p_oA-p_oB

其中p_oA为激光器一11的初始相位，p_oB为激光器二16的初始相位。

ΔA_AB＝A_DA-A_DB

其中A_DA为宽带光学近红外探测器111检测到激光器一11的光功率，A_DB为宽带光学近红外探测器111检测到激光器二16的光功率。

Δp_AB＝p_DA-p_DB

其中p_DA为宽带光学近红外探测器111检测到激光器一11波长对应的相位，p_DB为宽带光学近红外探测器111检测到激光器二16波长对应的相位。

如图1所示，激光器一11和激光器二16受到函数发生器15的脉冲调制，使得激光器一11和激光器二16的相位差，正好在180度附近，同时激光器二16受到光学中性密度滤光片17的调制，使得激光器一11和激光器二16的光束透过保护层13后到达样品14的功率比为1附近，具体变化范围为0.98～1.02之间，两束光到达测量点后，通过抛面镜二113后再通过双通道光学滤波器110后被宽带光学近红外探测器111接收，通过测量两束不同波长的光的幅度差和相位差来测量血糖值。

图2中给出了两种不同浓度的葡萄糖溶液的吸收光谱，从吸收光谱可以看出在900～1100nm，至少存在两个吸收峰，同时存在吸收波谷，选择两个不同吸收系数的激光波长可以实现准确测量血糖值的目的。

图3到图4分别给出了不同的R比值和相位差dp为179.56度，检测出来的幅度差和相位差与血糖密度的关系图。从图上可以看出幅度差和相位差与血糖密度有非常好的线性关系。

通过幅度相减，可以将来自于皮肤、水、脂肪以及蛋白质等成分的影响相抵消。这样通过建立不同R比值和相位差dp下，幅度差和相位差的对应表格，即可准确地测量出血糖值，测量精度达到98.5％以上。

应当理解上述的实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制。因此，本发明应该包括所有那些在所附权利要求书范围内的改变、修改和变化。

Claims (7)

1.一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：包括激光器一(11)、平面镜一(12)、保护层(13)、样品(14)、函数发生器(15)、激光器二(16)、光学中性密度滤光片(17)、抛面镜一(18)、平面镜二(19)、锁相放大器(110)、宽带光学近红外探测器(111)、双通道光学滤波器(112)、抛面镜二(113)，其中光学中性密度滤光片(17)可以调节激光器二(16)的功率，从而调整激光器一(11)和激光器二(16)的输出功率比；相位差通过函数发生器(15)和锁相放大器(110)来控制；所述的函数发生器(15)分别与激光器一(11)和激光器二(16)相连并对激光器一(11)和激光器二(16)进行调制；函数发生器(15)与锁相放大器(110)相连并作为参考信号输入到锁相放大器(110)中；宽带光学近红外探测器(111)与双通道光学滤波器(112)相连，双通道光学滤波器(112)与锁相放大器(110)相连，并将宽带光学近红外探测器(111)探测到的光信号输入到锁相放大器(110)中。

2.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的激光器一(11)和激光器二(16)可以是LED激光器，也可以是半导体激光器，中心波长范围为：900～1100nm。

3.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的光学中性密度滤光片(17)可以调节激光器二(16)的功率，从而调整激光器一(11)和激光器二(16)的输出功率比，使得两个激光器输出功率比值的大小范围在0.98～1.02之间。

4.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的函数发生器(15)和锁相放大器(110)可以锁定激光器一(11)和激光器二(16)的相位差，使得相位差变化范围在179.9～180.1之间。

5.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的双通道光学滤波器(112)的滤波波长分别与激光器一(11)和激光器二(16)的工作波长相一致。

6.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的保护层(13)是由软聚氯乙烯溶胶制成，具有各向同性的特征，厚度小于0.2mm。

7.根据权利要求1所述的一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，其特征在于：所述的宽带光学近红外探测器(111)的工作波长范围至少包含900～1100nm。