CN104880472A - 一种基于毫米波的血糖测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毫米波的血糖测量系统，收集毫米波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。测量过程中，采用多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波，使毫米波无创血糖检测过程中，减少外部因素的影响，得到不同频率下的血糖测量值，设备测量的精度和稳定性得到了改善。

Description

一种基于毫米波的血糖测量系统

技术领域

本发明涉及一种血糖测量系统，尤其涉及一种基于毫米波的无创血糖测量系统。

背景技术

传统的检测血糖的方法是从体内穿刺抽取血液通过生化分析进行，这种有创的血糖检测技术可用于医院临床诊断和家庭健康保健，但由于需要抽血，该技术存在测量频率受限、容易造成不适、甚至感染的风险，给糖尿病患者带来不便，因此，开展新型的无创血糖检测技术的研究很具有十分重要的意义。目前无创血糖检测方法主要有旋光法、光声法、拉曼光谱法、光散射系数法、红外光谱法等。

旋光法利用葡萄糖具有稳定的偏光特性，通过测量透射光（或反射光）的偏转角来预测人体血糖浓度，该方法的缺点是偏转角较小，测量难度大，同时因为是对人眼测量，患者不易接收。光声光谱测量方法利用近红外激光脉冲与组织相互作用产生的光声信号，通过光声信号的幅度与吸收系数之间的关系来检测组织内部某种成分的含量，该方法对组织内部结构的变化较为敏感，因而对检测器的要求较高。激光拉曼光谱法是根据当激光作用于葡萄糖时会发生拉曼散射的原理，利用拉曼光谱分析来得到葡萄糖的浓度，由于生物组织的吸收和散射效应，这种信号检测受其他生物大分子干扰严重，对体内研究尚处于起步阶段。光散射系数法是一种新型的光学无创检测技术，其是检测空间分辨的扩散反射光，并计算人体组织简化散射系数，通过追踪简化散射系数的变化来得到体内成分含量的变化情况。红外光谱法也是通过红外光谱分析技术处理后计算待测成分的浓度的原理，目前尚存在测量条件选取、测量部位选择、重叠光谱中提取微弱化学信息的方法等关键性问题需要解决。现有技术也有采用毫米波的无创血糖仪的研究，但由于毫米波测量过程中，其它因素对于测量影响极大。

发明内容

本发明解决的技术问题是： 构建一种基于毫米波的无创血糖测量系统，克服现有技术外部因素对测量影响的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种基于毫米波的血糖测量系统，包括毫米波收发单元、毫米波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述毫米波收发单元包括毫米波发生模块、毫米波接收模块，所述毫米波探测单元连接所述毫米波发生模块和所述毫米波接收模块，所述毫米波发生模块经所述毫米波探测单元对待测血液发生毫米波信号，所述毫米波探测单元接收毫米波信号后传送到所述毫米波接收模块接收，所述毫米波发生模块发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号进行信号转换处理，所述输出单元根据所述信号处理单元的处理输出血糖测量值。

本发明的进一步技术方案是：所述毫米波探测单元为毫米波收发天线、同轴电缆、波导传输线中任意一种。

本发明的进一步技术方案是：所述毫米波发生天线为多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号获取介电特性值，根据该介电特性值得到血糖测量值。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号获取毫米波信号的振幅和相位偏移。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元根据获取的毫米波信号振幅和相位偏移与血糖的对应关系确定待测血液的血糖值。

本发明的进一步技术方案是：还包括设置在所述毫米波探测单元上的工作状态检测传感器。

本发明的进一步技术方案是：还包括校正模块，所述校正模块根据所述工作状态检测传感器传感的信息进行校正。

本发明的进一步技术方案是：所述毫米波探测单元间隔多次采集待测血液不同频率的血糖吸收信息。

本发明的进一步技术方案是：所述毫米波收发天线包括毫米波发生天线和毫米波接收天线，所述毫米波发生天线为毫米波发射天线阵列，所述毫米波接收天线为毫米波接收天线阵列，所述毫米波发生天线阵列中的单个毫米波发射天线和所述毫米波接收天线阵列中的单个毫米波接收天线依次间隔设置。

本发明的技术效果是：构建一种基于毫米波的血糖测量系统，包括毫米波收发单元、毫米波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述毫米波收发单元包括毫米波发生模块、毫米波接收模块，所述毫米波探测单元连接所述毫米波发生模块和所述毫米波接收模块，所述毫米波发生模块经所述毫米波探测单元对待测血液发生毫米波信号，所述毫米波探测单元接收毫米波信号后传送到所述毫米波接收模块接收，所述毫米波发生模块发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号进行信号转换处理，所述输出单元根据所述信号处理单元的处理输出血糖测量值。本发明的基于毫米波的血糖测量系统，收集毫米波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。测量过程中，采用多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波，使毫米波无创血糖检测过程中，减少外部因素的影响，得到不同频率下的血糖测量值，设备测量的精度和稳定性得到了改善。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的同轴探头电路图。

图3为本发明MOE和MADALINE整合神经网络方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于毫米波的血糖测量系统，包括毫米波收发单元1、毫米波探测单元2、信号处理单元3、输出单元4，所述毫米波收发单元1包括毫米波发生模块11、毫米波接收模块12，所述毫米波探测单元2连接所述毫米波发生模块11和所述毫米波接收模块12，所述毫米波发生模块11经所述毫米波探测单元2对待测血液发生毫米波信号，所述毫米波探测单元2接收毫米波信号后传送到所述毫米波接收模块12接收。所述毫米波发生模块11发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元3根据所述毫米波接收模块12接收的毫米波信号进行信号转换处理，所述输出单元4根据所述信号处理单元3的处理输出血糖测量值。所述毫米波探测单元2为毫米波收发天线、同轴电缆、波导传输线中任意一种。

具体实施例中，所述毫米波探测单元包括2毫米波发射天线21、毫米波接收天线22，所述毫米波发射天线21连接所述毫米波发生模块11，所述毫米波接收天线22连接所述毫米波接收模块12，所述毫米波发生模块11经所述毫米波发射天线21对待测区域发生毫米波信号，所述毫米波接收天线21接收经待测区域血液的毫米波信号后由所述毫米波接收模块12接收。

如图1所示，本发明的具体实施过程是：所述毫米波发生模块11发生频率为1GHz至100GHz，所述毫米波发生天线21为毫米波天线阵列，所述毫米波天线阵列发生毫米波，利用一束一定频率的毫米波传过人体部分血管区域。所述毫米波接收天线22间隔几次采集人体组织不同频率的血糖吸收信息到各自的通道，产生电信号，实现光电转换，完成所述毫米波接收天线的采样。各通道光电传感器阵列产生的电信号送到所述信号处理单元3，在所述信号处理单元3中，送往多通道前置放大器进行放大、滤波、积分处理，使信号达到检测识别的幅度和信噪比，再由A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转变，转换后的数字信号送到微处理器进行阵列信号的处理，最后输出血糖值。基于各种物质有各自特殊的波谱吸收/反射特性，利用血糖的波谱吸收/反射特性，就可以把它的波谱信息与血液中其他物质信息区分开来，同时，血糖溶液在毫米波的特定频段，具有一定的吸收窗口和反射窗口，表明在这些波段范围内，通过对毫米波经过血糖后的反射波谱/吸收波谱的测量，可以通过统计方法获取一定频率下，其回波信号与血糖的对应关系，通过对应关系获取血糖值。也可以根据其吸收系数/反射系数对介电特性比较敏感，因此，最终可经过算法执行得出其对应的血糖浓度值。本专利技术方案为了克服毫米波无创血糖检测中存在的难题，使微弱的波谱信号变化能正确的体现人体血糖浓度，设计了多频率毫米波血糖检测传感器阵列，测量的频率区间定为1GHz-100GHz，给传感器阵列中的每个传感器细分特定的频率，再经过检测模型算法融合各传感器的信息，这样使毫米波无创血糖检测的精度和稳定性得到了改善。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述毫米波发生模块11发生频率为1GHz至100GHz，所述毫米波发生天线21为多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波，利用一束一定频率的毫米波传过人体部分血管区域。所述毫米波接收天线22间隔几次采集人体组织不同频率的血糖吸收信息到各自的通道，产生电信号，实现光电转换，完成所述毫米波接收天线的采样。具体实施例中，所述多频率毫米波天线阵列中的每个天线发生不同频率的毫米波。毫米波发射天线阵列的设计是根据检测模型，每个传感器通道接受不同频率范围的葡萄糖波谱反射信号。为了减小人体内影响血糖检测的其他因素的作用，设计的多频率毫米波发射天线阵列，用多个不同频率的传感器多次探测不同频率范围的葡萄糖吸收波谱，信息互补，然后经阵列信号处理，得出比单一频率毫米波发射天线阵列更精确的血糖值，同时，工作也会比单一频率毫米波发射天线阵列稳定。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述信号处理单元3根据所述毫米波接收模块12接收的毫米波信号获取毫米波信号的振幅和相位偏移。所述信号处理单元3根据获取的毫米波信号振幅和相位偏移与血糖的对应关系确定待测区域的血糖值。由于毫米波信号的振幅和相位偏移与血糖具有对应关系，通过实时大量数据的测量，建立毫米波信号的振幅和相位偏移与血糖的对应曲线图，通过曲线图的对应关系，根据实时测量值获取其对应的血糖值。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：还包括设置在所述毫米波探测单元2上的工作状态检测传感器23。为了考虑毫米波探测单元工作期间的响应和温度变化的漂移等因素造成的测量精度的变化，在采用恒流电路稳定毫米波波源的基础上，在毫米波探测单元上设有工作状态检测传感器23，对温度、样本变异等造成的工作状态漂移进行控制，对工作状态进行校准、监控补偿，使传感器稳定地工作。阵列每次测量的时间是5s左右，监控时测量的间隔时间可以进行设定。所述信号处理单元3还包括校正模块41，所述校正模块根据所述工作状态检测传感器传感23的信息进行校正。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述毫米波探测单元2间隔采集待测区域不同频率的毫米波回波信号，通过间隔采集待测区域不同频率的毫米波回波信号，完成多次对待测区域的血糖吸收信息的采集，通过获取其平均值得到待测区域的血糖值，这样更加准确。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述毫米波发射天线21为毫米波发射天线阵列，所述毫米波接收天线22为毫米波接收天线阵列，所述毫米波发射天线阵列中的单个毫米波发射天线和所述毫米波接收天线阵列中的单个毫米波接收天线依次间隔设置。通过单个毫米波发射天线和单个毫米波接收天线的依次间隔设置，能更加方便地获取回波信号。

具体实施过程如下：

本发明的优选实施方式是：所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号获取待测血液的介电特性值，然后根据待测血液的介电特性值得到待测血液的血糖测量值。无创血糖仪的测量过程中采用的是同轴探头测量，其介电常数测量原理的等效电路如图2所示。

如图2所示， 为开端处同轴线内消逝模电储能，为同轴电路初始储能，是开端处扩散在外部被测介质中的杂散电容， 表示与电路有关的输出率，表示介电特性值，则上图的线性双电容模型可表示为：

通过变形：

其中：表示介电特性值，是角频率, 表示反射系数, 表示反射弧度。

所述信号处理单元3采用混合专家算法和Madaline线性神经网整合的方法来处理毫米波接收天线的信号。

Madaline线性网络接收MOE传递的人体正常范围之间的数据信息和GG，根据血糖检测模型、检测精度，按介电特性值W进行线性逼近，计算出相应精度的血糖浓度值A。即

其中权重W以及参数b是以网络最小误差平方和为基准进行收敛运算得到，具体是将取得的若干不同血糖浓度的GG作为网络的输入，将同一时间相应的用血样浓度的精确血糖值作为输出进行逐次迭代优化权重W、b直到收敛可得。

如图1、图3所示，由于血糖与人本身的一些身体因素有关，为了获取更精确的血糖值，需要对一些因素进行校正。为了从波谱中提取相应的血糖浓度信息，取得足够高的信噪比，以便从波谱中辨别出微弱的葡萄糖吸收信号，采用测量精度和非线性都比较好的由混合专家算法（Mixture of Expert，MOE）和Madaline线性神经网整合的方法来处理阵列信号。

混合专家算法可以准确地提取比较全面的血糖波谱信息，用Madaline线性神经网线性逼近方法，处理高精度血糖浓度值的标定和显示。其算法具体如下：

设定输入参数为，四个元素分别为身体参数，表示性别，其中，男用1表示，女为0表示；表示人体校正因子； 表示运动量校正因子； 表示仪器校正因子。内置的四个元素根据检测模型中的各种影响因子进行初始化。可以消除各通道波长内血糖的波谱的重叠以及除血糖以外的其他因素的干扰，如根据年龄、身高、体重等因素修正个体的差异，能够尽可能使血糖信息准确。

    每一个校正参数是m次测试输入参数的线性求和再加上常数项，即：

准确的血糖波吸收参数GG的输出是由n个传感器测得校正参数的求和，同时每个变量有一个对应的介电特性值，其关系如下：

  

     介电特性值与参数有关，其表达式为：

     ，其中。

本发明的技术效果是：构建一种基于毫米波的血糖测量系统，包括毫米波收发单元1、毫米波探测单元2、信号处理单元3、输出单元4，所述毫米波收发单元1包括毫米波发生模块11、毫米波接收模块12，所述毫米波探测单元2连接所述毫米波发生模块11和所述毫米波接收模块12，所述毫米波发生模块11经所述毫米波探测单元2对待测血液发生毫米波信号，所述毫米波探测单元2接收毫米波信号后传送到所述毫米波接收模块12接收。所述毫米波发生模块11发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元3根据所述毫米波接收模块12接收的毫米波信号进行信号转换处理，所述输出单元4根据所述信号处理单元3的处理输出血糖测量值。本发明的基于毫米波的血糖测量系统，收集毫米波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。测量过程中，采用。这种方法多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波，使毫米波无创血糖检测过程中，减少外部因素的影响，得到不同频率下的血糖测量值，设备测量的精度和稳定性得到了改善。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，包括毫米波收发单元、毫米波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述毫米波收发单元包括毫米波发生模块、毫米波接收模块，所述毫米波探测单元连接所述毫米波发生模块和所述毫米波接收模块，所述毫米波发生模块经所述毫米波探测单元对待测血液发生毫米波信号，所述毫米波探测单元接收毫米波信号后传送到所述毫米波接收模块接收，所述毫米波发生模块发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号进行信号转换处理，所述输出单元根据所述信号处理单元的处理输出血糖测量值。

2.根据权利要求1所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述毫米波探测单元为毫米波收发天线、同轴电缆、波导传输线中任意一种。

3.根据权利要求2所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述毫米波发生天线为多频率毫米波天线阵列，所述多频率毫米波天线阵列发生不同频率的毫米波。

4.根据权利要求1所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号获取介电特性值，根据该介电特性值得到血糖测量值。

5.根据权利要求1所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据所述毫米波接收模块接收的毫米波信号获取毫米波信号的振幅和相位偏移。

6.根据权利要求5所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据获取的毫米波信号振幅和相位偏移与血糖的对应关系确定待测血液的血糖值。

7.根据权利要求1所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，还包括设置在所述毫米波探测单元上的工作状态检测传感器。

8.根据权利要求7所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，还包括校正模块，所述校正模块根据所述工作状态检测传感器传感的信息进行校正。

9.根据权利要求1所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述毫米波探测单元间隔多次采集待测血液不同频率的血糖吸收信息。

10.根据权利要求2所述基于毫米波的血糖测量系统，其特征在于，所述毫米波收发天线包括毫米波发生天线和毫米波接收天线，所述毫米波发生天线为毫米波发射天线阵列，所述毫米波接收天线为毫米波接收天线阵列，所述毫米波发生天线阵列中的单个毫米波发射天线和所述毫米波接收天线阵列中的单个毫米波接收天线依次间隔设置。