CN105030252A - 一种太赫兹血糖测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹血糖测量系统，包括太赫兹波发生单元、太赫兹波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述太赫兹波发生单元对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元接收所述太赫兹波探测单元探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元对接收的太赫兹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。本发明的基于太赫兹波的血糖测量系统，收集太赫兹波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。能更回精确地得到血糖测量值，设备测量的精度和稳定性得到了改善。

Description

一种太赫兹血糖测量系统

技术领域

本发明涉及一种血糖测量系统，尤其涉及一种无创的太赫兹血糖测量系统。

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。现有技术无创血糖测量方法因其它因素导致对于测量影响极大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种太赫兹血糖测量系统，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：构建一种太赫兹血糖测量系统，包括太赫兹波发生单元、太赫兹波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述太赫兹波发生单元对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元接收所述太赫兹波探测单元探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元对接收的太赫兹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：所述太赫兹波发生单元包括脉冲激光发生模块、光电导器件、太赫兹波发射器。

本发明的进一步技术方案是：所述太赫兹波探测单元透镜、探测模块。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元根据所述太赫兹波探测单元接收的太赫兹波回波信号获取太赫兹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太赫兹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。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元根据预设的太赫兹波信号与血糖对应关系确定待测区域的血糖值。

本发明的进一步技术方案是：所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元均为多个，所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元依次间隔设置。

本发明的进一步技术方案是：所述太赫兹波发射器相互发生不同频率的太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元间隔采集待测区域不同频率的太赫兹波回波信号。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元采用混合专家算法和Madaline线性神经网整合的方法来处理太赫兹波回波信号。

本发明的技术效果是：构建一种太赫兹血糖测量系统，包括太赫兹波发生单元、太赫兹波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述太赫兹波发生单元对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元接收所述太赫兹波探测单元探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元对接收的太赫兹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。本发明的基于太赫兹波的血糖测量系统，收集太赫兹波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。能更回精确地得到血糖测量值，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：构建一种太赫兹血糖测量系统，包括太赫兹波发生单元1、太赫兹波探测单元2、信号处理单元3、输出单元4，所述太赫兹波发生单元1对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元2探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元1发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元3接收所述太赫兹波探测单元2探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元3对接收的太赫兹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的处理输出血糖测量值。

如图1所示，本发明的具体实施过程是：所述太赫兹波发生单元1发生频率为1GHz至100GHz，所述太赫兹波发生单元1发生的太赫兹波传过人体部分血管区域。所述太赫兹波探测单元2采集人体组织的血糖吸收信息，产生电信号，实现光电转换，完成所述太赫兹波的采样。各通道光电传感器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，血糖溶液在太赫兹波的特定频段，具有一定的吸收窗口和反射窗口，表明在这些波段范围内，通过对太赫兹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太赫兹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，设计了多频率太赫兹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，这样使太赫兹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：所述太赫兹波发生单元包括脉冲激光发生模块、光电导器件、太赫兹波发射器。脉冲激光发生模块为光纤激光装置，包括产生激光束的脉冲的激光器、光纤放大器和脉冲压缩器。激光器产生脉冲光，经过光纤放大器将原光进行放大，补偿损失，再经由脉冲压缩器进行脉冲压缩，然后发射激光束。进而，脉冲激光装置产生的激光束照射到光电导器件中，产生太赫兹脉冲，该太赫兹脉冲通过太赫兹发射器，发射出来，照射至待测区域。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述太赫兹波探测单元包括透镜、探测模块。所述透镜即为离轴非球面镜。其中探测模块以具有较高二维电子浓度的高电子迁移率场效应晶体管为基本结构单元，且场效应晶体管具有三个电极，分别为源电极、栅电极和漏电极。所述太赫兹波探测器的探测元件结构包括三个引线电极、三个低通滤波器以及一组太赫兹波耦合天线，所述场效应晶体管的三个电极与太赫兹波耦合天线相连，共同作为天线；并且所述三个电极分别通过低通滤波器与对应的引线电极相连。所述高电子迁移率场效应晶体管为具有较高二维电子气浓度的晶体管，至少包括铝镓氮/镓氮晶体管和铝镓砷/镓砷晶体管中的一种。探测模块还包括信号放大器，对接收的太赫兹回波信号进行放大。

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根据所述太赫兹波探测单元探测的太赫兹回波信号获取太赫兹波信号的振幅和相位偏移。所述信号处理单元3根据获取的太赫兹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。由于微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，建立微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：还包括设置在所述太赫兹波探测单元2上的工作状态检测传感器23。为了考虑太赫兹波探测单元2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太赫兹波波源的基础上，在太赫兹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：所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元2均为多个，所述太赫兹波发射器相互发生不同频率的太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元2间隔采集待测区域不同频率的太赫兹波回波信号。所述微波探测单元2间隔采集待测区域不同频率的微波回波信号，通过间隔采集待测区域不同频率的微波回波信号，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：所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元2依次间隔设置。通过单个所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元2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太赫兹接收模块接收的太赫兹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，C_f为开端处同轴线内消逝模电储能，C₀为同轴电路初始储能，C(ω,ε)是开端处扩散在外部被测介质中的杂散电容，Z₀表示与电路有关的输出率，则上图的线性双电容模型可表示为：

y(ω,W_i)＝jωZ₀[C(ω,W_i)+C_f]＝jωZ₀[C₀W_i+C_f]

通过变形：

$W_i=\frac{2\left|\mathrm{\Γ}\right|\sin \mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\ωC}}_0{Z}_0(1+2|\mathrm{\Γ}|\cos \mathrm{\Φ}+{\left|\mathrm{\Γ}\right|}^2)}-\frac{C_f}{C_0}=A$

$W_i=\frac{1-{\left|\mathrm{\Γ}\right|}^2}{{\mathrm{\ωC}}_0{Z}_0(1+2|\mathrm{\Γ}|\cos \mathrm{\Φ}+{\left|\mathrm{\Γ}\right|}^2)}=B$

其中：W_i表示介电特性值，ω是角频率,|Γ|exp(jΦ)表示反射系数,Φ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太赫兹接收天线的信号。

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

A＝pureline(GGW+b)

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(MixtureofExpert，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S_ij＝(a_ij,z_i,α_ij,ξ)，四个元素a_ij,z_i,α_ij,ξ分别为身体参数，a_ij表示性别，其中，男用1表示，女为0表示；z_i表示人体校正因子；α_ij表示运动量校正因子；ξ表示仪器校正因子，内置的四个元素a_ij,z_i,α_ij,ξ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GG_i是m次测试输入参数S_ij的线性求和再加上常数项z_i，即：

${\mathrm{GG}}_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{a}_{ij}{S}_{ij}+z_i$

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GG_i的求和，同时每个变量有一个对应的介电特性值W_i，其关系如下：

$GG=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{GG}}_i{W}_i$

介电特性值W_i与参数S_ij有关，其表达式为：

$W_i=\frac{\exp \left({\mathrm{\Φ}}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\exp \left({\mathrm{\Φ}}_i\right)},$ 其中 ${\mathrm{\Φ}}_i=\underset{i-1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{ij}{S}_{ij}+\mathrm{\ξ}.$

本发明的技术效果是：构建一种太赫兹血糖测量系统，包括太赫兹波发生单元1、太赫兹波探测单元2、信号处理单元3、输出单元4，所述太赫兹波发生单元1对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元2探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元1发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元3接收所述太赫兹波探测单元2探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元3对接收的太赫兹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的处理输出血糖测量值。本发明的基于太赫兹波的血糖测量系统，收集太赫兹波波谱信息，根据波谱数据得到相应的血糖值。能更回精确地得到血糖测量值，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 (9)

1.一种太赫兹血糖测量系统，其特征在于，包括太赫兹波发生单元、太赫兹波探测单元、信号处理单元、输出单元，所述太赫兹波发生单元对待测区域发生太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元探测经待测区域血液的太赫兹波信号，所述太赫兹波发生单元发生频率为1GHz至100GHz，所述信号处理单元接收所述太赫兹波探测单元探测的太赫兹波信号，所述信号处理单元对接收的太赫兹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所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述太赫兹波发生单元包括脉冲激光发生模块、光电导器件、太赫兹波发射器。

3.根据权利要求1所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述太赫兹波探测单元透镜、探测模块。

4.根据权利要求1所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据所述太赫兹波探测单元接收的太赫兹波回波信号获取太赫兹波信号的振幅和相位偏移。

5.根据权利要求4所述基于太赫兹波的血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据获取的太赫兹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。

6.根据权利要求1所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元根据预设的太赫兹波信号与血糖对应关系确定待测区域的血糖值。

7.根据权利要求1所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元均为多个，所述太赫兹波发射器及所述太赫兹波探测单元依次间隔设置。

8.根据权利要求7所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述太赫兹波发射器相互发生不同频率的太赫兹波信号，所述太赫兹波探测单元间隔采集待测区域不同频率的太赫兹波回波信号。

9.根据权利要求1所述太赫兹血糖测量系统，其特征在于，所述信号处理单元采用混合专家算法和Madaline线性神经网整合的方法来处理太赫兹波回波信号。