CN104367327A - 一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置及方法。利用滤波器对光源波长实现自适应过滤以及对光强的调制，最终信号通过频谱算法/遗传算法将其从检测信号中消除，获得信噪比更高的检测信号；其中参比光池还包括至少一个标准参比浓度，对动态干扰进行实时校准。该检测装置，包括光源、滤波器、长光程反射镜和检测器；待测部位位于长光程反射镜形成的空间中，其中光源发出光经过滤波器、长光程反射镜到达检测器。本发明主要用于生物医学检测、环境检测、食品检测、安全监测、药品检测等领域。

Description

一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置及方法
技术领域
本发明涉及生化检测领域，具体涉及但不限于光源处理、光源滤波、吸收光程处理、检测等功能于一体的无创生化参数检测。
背景技术
在家用生化检测中，尤其是血糖检测，目前主要采用采血进行体外检测，长久以来是分析血糖的主流工具。然而这些采样带来被检者的疼痛，并有交叉感染的风险，同时需要为耗材支付高昂的费用，成为了被检者的财力、心理负担。
当前对无创检测及其准确性提出了越来越迫切的要求，由于检测无创、快速、耗材少、费用低、取样等操作简单，便携式无创生化检测在现场实时性要求高的场合必将发挥越来越重要的作用。但是当前无创家用生化检测仪器能检测的常见指标仅限于血压/血氧/心率等指标（血压、心率等指标因脉搏的机械振动明显而利于检测，血氧主要在红光和近红外光有显著吸收，同时组织体液在此而波段上吸收较弱，而容易使光线通过，显得“透明”也实现了无损检测），还不能实现无创血糖/血脂等指标的定量检测。原因有几个方面：血糖/血脂吸收弱，信号强度不够；另外它们的特征光波也容易被水/组织/骨骼/皮肤及其附着物/汗液等吸收而容易受到干扰。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置及方法。 
一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置，包括光源、滤波器、长光程反射镜和检测器；待测部位位于长光程反射镜形成的空间中，其中光源发出光经过滤波器、长光程反射镜到达检测器。
所述光源所包含的波长为600nm-2500nm。
所述的光源为或者光源阵列、透镜，或者光源阵列、透镜的组合。
所述滤波器包括滤光器外壳、检测光池、参比光池，其中滤光器外壳的滤光片中心波长为被检测物质的敏感波长。
所述的参比光池包含参比被测物质和仿人体体液成分的混合物，所述的检测光池包含仿人体体液成分的混合物。
所述的空间为可容纳固定人体检测部位的结构。
所述的待测部位包括耳垂、指头、手掌、指蹼、手臂、手腕、嘴唇或舌头。
所述的空间包括一组反射镜，用来增加光程。
所述的检测器为近红外传感器或近红外摄像头。
一种基于近红外检测人体生化参数的检测方法，利用滤波器对光源波长实现自适应过滤以及对光强的调制，最终信号通过频谱算法/遗传算法将其从检测信号中消除，获得信噪比更高的检测信号；其中参比光池还包括至少一个标准参比浓度，对动态干扰进行实时校准。
本发明无创、定量、快速、耗材少、费用低、操作简单，主要用于生物医学检测、环境检测、食品检测、安全监测、药品检测等领域，具有市场前景。
附图说明
图1是本发明无创生化参数检测的校准装置的光路图；
图2是本发明无创生化参数检测的校准装置的滤光器结构示意图；
图中，光源1、滤光器2、滤光器外壳21、检测光池22、参比光池23、长光程反射镜3、检测器4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
图1示出了工作模型图。光源1发出的多个波长光线，经过滤光器2中被其中的物质吸收之后，再穿过被测人体组织，产生吸收。滤光器中滤光池不同，则被吸收的波长幅度不一样，通过检测器的信号水平，建立被测物质浓度、各个波长或滤光池之间的信息，建立映射矩阵。通过FFT算法、最小二乘法以及神经网络算法计算矩阵常数。建立方程如下：
首先，光学吸收服从Beer-Lambert公式，如公式（1）：
                                                  (1)
其中，I0为初始光强，I为经过物质吸收之后的光强，α为物质的吸收系数，C为物质的浓度，L为吸收光程。
在人体复杂物质环境下，且存在吸收峰交叠的物质，客观上产生多个吸收，则Beer-Lambert公式就变形为公式（2）：                               （2）
可用A表示吸光度，A=。
根据本方法，在滤光池中配置不同配比的物质浓度，则光线每经过一个滤光池就对应发生一次如公式（2）的吸收，理论上，当存在若干个类似滤光池时，则对应有若干个如（2）的吸收组成方程组，用矩阵表示如公式（3）：
                  （3）
    光源1中含有被测物质的吸收波长，光源1可以由多只相同波长的灯源组成，也可以是多个不同波长的灯源组成。光源1的波长，为介于600nm~2500nm的一个或几个波长的组合。光源1可以是几只光源的组合，也可以增加透镜或准直镜，提高能量集中度。其中至少一个波长的光在被测物质吸收光谱中。至少含有一个波长的光不在被测物质的吸收光谱中。光源1可以在各领域典型应用情况下，可编程亮度或开关频率进行光调制。
如图2所示，滤光器外壳21由具有高的近红外透过材料制成，材料可以是光学石英、光学玻璃、聚苯乙烯等。
如图2所示，所述滤光器2内可以装入固体、液体甚至气体。滤光器2具有固定容积，其内物质的成分稳定，成分包含以下一种以上成分的混合物：生理盐水、糖类、脂类、钾盐、钙盐、蛋白质、血铅、铁、以及稳定剂。滤光器2由至少二只滤光池组成，可以做成方盘或圆盘多孔结构，每孔为一个滤光池。参比光池23中有一只含有被测物质，其含量已知；检测光池22中不含被测物质。其余物质根据被测样品的背景配置。
检测器1可以是光电二极管、图像传感器、摄像头、光电倍增管。通过对光源进行调制，在经过对检测器信号进行解调，通过信号差分算法可以消除背景光和暗电流的影响，提高性噪比。经过滤波器两种滤光池后，光进一步被人体内被测物质吸收，所取得的信号与浓度组成映射矩阵，并经过神经网络算法获得浓度校准模型。
实施例1
    下面以检测血糖为例，说明本发明。
本发明中光源1发射的波长含有714±20nm、939±20nm、1126±20nm、1408±20nm、1536±50nm、1688±50nm、2261±20nm、2326±20nm中至少一个波长。如果干扰波长的能量较强，可以选用滤光片抑制干扰波长。
如图1、2所示，滤光器2至少有两个滤光池，一个滤光池即参比光池23含有葡萄糖，另一个滤光池即检测光池22不含葡萄糖。滤光池其它成分由以下成分组成：生理盐水、脂类、钾盐、钙盐、纤维蛋白、胶原蛋白等。
光经过滤光器2后再经过被测部位。被测部位可以是手指头、指蹼、手掌、手腕、手臂、耳垂、嘴唇等部位。测量之前在测量部位采用酒精棉球清洁消毒，风干后放入测量位置。
当光线经过含有葡萄糖的滤光池，所得吸光度方程如公式（2）；当光线经过不含葡萄糖的滤光池，所得吸光度方程比前述方程少一项葡萄糖的吸收，通过差分可求得当前条件下的葡萄糖，进而获得血糖或葡萄糖的吸收系数。
血糖浓度未知的被测部位经过光线之后所得吸光度方程比含葡萄糖中更多吸收葡萄糖的特征吸收，根据神经网络算法以及当前的吸收系数推算出被测部位的血糖浓度。
如果选择的波长其吸收系数不够大，则可增加吸收光程来增大吸光度，如图1所示。长光程反射镜3可用铝、铜、银、金或铂金等材料制作反射面。反射面的表面形状与被测部位的外形正好匹配，优佳选用聚光镜面，以汇聚能量。
如图1所示，检测器4选用红外敏感的光电二极管、图像传感器、光电倍增管等。
对光源进行调制，根据调制信号再对检测光进行解调，可以获得更高信噪比的信号。
通过FFT算法将血压等有规律信号提取出来，可以获得血压、心率信息。将这些信号从血糖检测信号中区分开，可以进一步提高血糖检测信噪比。
在滤光器增加标准葡萄糖浓度的滤光池，如图2中参比光池23所示，可以对检测系统进行多点校准检查。
在如图2中，检测光池22中添加物质与被测物吸收无关的物质，则可实时对人体被测部位的光学吸收系数进行校准，提高检测可靠性。
实施例2
    除了葡萄糖之外，还有胆固醇/甘油三酯等指标也可以应用本装置进行检测。与实施案例1不同之处在于参比光池中溶液包含标准浓度的被测物质以及光源需要发射其特征光。

Claims (10)

1.一种基于近红外检测人体生化参数的检测装置，其特征在于：包括光源、滤波器、长光程反射镜和检测器；待测部位位于长光程反射镜形成的空间中，其中光源发出光经过滤波器、长光程反射镜到达检测器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源所包含的波长为600nm-2500nm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的光源为或者光源阵列、透镜，或者光源阵列、透镜的组合。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述滤波器包括滤光器外壳、检测光池、参比光池，其中滤光器外壳的滤光片中心波长为被检测物质的敏感波长。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的参比光池包含参比被测物质和仿人体体液成分的混合物，所述的检测光池包含仿人体体液成分的混合物。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的空间为可容纳固定人体检测部位的结构。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的待测部位包括耳垂、指头、手掌、指蹼、手臂、手腕、嘴唇或舌头。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的空间包括一组反射镜，用来增加光程。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的检测器为近红外传感器或近红外摄像头。
10.一种基于近红外检测人体生化参数的检测方法，其特征在于：利用滤波器对光源波长实现自适应过滤以及对光强的调制，最终信号通过频谱算法/遗传算法将其从检测信号中消除，获得信噪比更高的检测信号；其中参比光池还包括至少一个标准参比浓度，对动态干扰进行实时校准。
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