CN105559794A - 一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，本发明涉及血糖水平检测领域，其旨在解决现有无创伤血糖仪检测结构单一，缺乏必要测量补偿与校正，以及当个体发生差异时，其工作精度受环境影响大，血糖真实值与测量值偏离大的技术问题；此外，现有血糖仪还存在不便携，稳定性低且通用性差等技术问题。该结构特征主要包括多波长调谐光纤激光器、微处理器、显示模块、电阻抗测试单元和温度传感器、光声腔、光学基底和透明胶体。本发明用于提高检测精度；同时检测电阻抗，温度等信号，对数据进行校正，从而避免周围环境的影响。

Description

一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪

技术领域

本发明涉及血糖水平检测领域，具体涉及一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪。

背景技术

糖尿病或糖尿病是一个长期的代谢病理状态，其中血糖水平波动超出正常范围(90-120毫克/分升)。根据国际糖尿病联合会发布的《糖尿病地图》显示，估计全国成年人将近1.14亿患有糖尿病，占全国总人口(13.82亿)的8.3％，到2030年这表明将有1.78亿人口患糖尿病。在2013年预计糖尿病保健支出占全球卫生总费用的10.8％(548亿美元)，而到2035年支出的糖尿病患者将非常具有6270亿美元。

糖尿病患者宜每天检查他们的血糖水平，以避免高血糖/低血糖事件。频繁的血糖监测起到改善生活质量，以及糖尿病人的寿命至关重要的作用。但是最广泛使用的血糖设备是侵入它们是痛苦的病人，进行感染的风险，也扰乱糖尿病患者的日常生活。

基于以上原因，寻求一种无创伤，连续可测，便携式的动态血糖检测仪已经成为当前血糖仪发展趋势。而目前临床上常用的血糖测试仪均为创伤性的，给患者带来一定的痛苦。同时，我们注意到众多企业正在研制无创伤性血糖测定方法和检测仪器，其中不乏国际巨头大企业，例如Microsoft,Google,Samsung在最近几年提出和开展无创伤血糖仪的研发，无创伤血糖仪一旦研发成功，对于现行“血糖仪免费、靠试纸赚钱”的模式将是革命性的进步。

另一方面，我们注意到目前已经公开了多项关于无创血糖仪的发明专利，如《基于代谢热-光学方法的无创血糖检测仪》(CN102293654A)利用红光和红外LD光源(660～940nm)透射手指，根据血糖的吸收光谱，并采用红外辐射传感器、热敏电阻以及湿度传感器进行检测，由于采用多个传感器存在相互信号串扰等问题；《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；《无创式近红外电子血糖仪》(CN102198004A)利用近红外光谱技术和DSP技术为背景技术，通过收集来自于指尖的红外光对人体血糖值进行检测，血糖值与人体温度之间存在较大的相互影响，必然会导致红外光测量方式出现较大误差。

以上方法采用的红外光谱法，受干扰严重，受到环境温度的影响大。无创血糖仪为何没迟迟不能研发成功，究其原因是两个方面：(1)稳定性和准确性是目前无创伤血糖仪的瓶颈(2)无创伤动态血糖检测仪检测受环境尤其是人体个体差异影响大。在医疗领域，提高检测设备的精度即是对被测者健康和生命的尊重。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的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，其旨在解决现有无创伤血糖仪检测结构单一，缺乏必要测量补偿与校正，以及当个体发生差异时，其工作精度受环境影响大，血糖真实值与测量值偏离大的技术问题；此外，现有血糖仪还存在不便携，稳定性低且通用性差等技术问题。在如此紧张的医患关系社会背景下，供应检测精度极高的医疗设备以获得准确的症状，并进而为判断出被测者是否存在某种疾病提供可靠的鉴定依据是非常必要的和迫切的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于：它包括依序连接的微处理器、激光调制器、激光器、激光准直单元、光学基底和透明胶体，构成激发光声效应回路与结构；进一步包括第一光声腔，输出对应其光声腔体聚焦点上光声信号所转换的电信号，以获得被测体无放大的、宽频谱的光声效应特征；第二光声腔，输出对应其光声腔体谐振放大光声信号所转换的电信号，以获得被测体放大的、窄频谱的光声效应特征；所述的微处理器，接收所述第一光声腔输出的电信号和所述第二光声腔输出的电信号，并对其进行延时耦合处理，以获得血糖测量前值；电阻抗测试单元：获取被测体的皮肤组织表面的电阻抗特性，输出特征电信号至所述的微处理器；温度传感器：获取被测体皮肤组织表面的温度信息，输出特征电信号至所述的微处理器；所述的微处理器，根据所述特征电信号对所述血糖测量前值进行补偿处理，获得血糖测量值；所述的透明胶体粘贴在人体皮肤上。

所述的多波长调谐激光器与激光调制器相连接，激光器受到激光调制器的控制，能够输出不同的波长和脉宽信号，能够在不同波长和脉宽下工作，激光能量被人体皮肤下血液组织吸收后，由于光声效应形成表现血糖特征的超声波，光声腔中的聚焦压电声换能器探测到超声波并将超声信号转化成电信号，传输给微处理器；微处理器接收到光声腔的电信号进行处理；

所述的电阻抗测试单元能够测量皮肤组织表面的电阻抗特性并将阻抗特性发送给微处理器；所述的温度传感器能够测量皮肤组织表面的温度信息并将表示温度信号发送给微处理器；所述的微处理器根据获得的声信号、电阻抗特性信号以及温度信号，进行处理得到对应的血糖值并发送给显示模块进行显示。

上述方案中，所述的血糖测量前值，为所述微处理器对所述第一光声腔输出的电信号和所述第二光声腔输出的电信号初步处理后得到的初始血糖测量值；其相对于最终输出的血糖测量值为前一个数据值。

进一步地，所述的激光器是多波长调谐激光器，该激光器作为光源，能够发出功率恒定的激光，并且波长范围覆盖830纳米至2300纳米，尤其是至少包括905纳米、1064纳米以及1550纳米三个波段。

进一步地，所述的激光器受到激光调制器的控制，能够输出不同的波长和脉宽信号，能够在不同波长和脉宽下稳定工作，即光源峰值功率范围为50瓦特至300瓦特，并且脉宽能够10纳秒至200纳秒之间可调。

进一步地，所述的第一光声腔，包括聚焦压电声换能器；所述的聚焦压电声换能器具有宽频带响应特性，工作中心频带为76兆赫兹，范围为40兆赫兹至112兆赫兹。

进一步地，所述的光学基底，包括多频段拟合光波导，采用透明玻璃或透明有机板，其对红外激光的透过率很高，特别地是830纳米至2300纳米范围的红外激光透过率大于85％；所述的光学基底具有基于多频段拟合血糖指纹特征，能够获得血糖指纹频谱图谱特性。

进一步地，所述的透明胶体是指透明乳胶，其对红外激光的透过率很高，特别地是830纳米至2300纳米范围的红外激光透过率大于85％。

进一步地，所述的第一光声腔，包括吸声层；进一步包括一侧面与吸声层贴合的聚焦声换能器，其另一侧面为同一聚焦点的曲面，并且该曲面结合光声腔体和耦合层构成闭合介质内腔，介质为液体。

进一步地，所述的第二光声腔，包括圆柱状闭合声学腔外壳，柱体侧面安装有拾音器，声学腔外壳内充有空气。

以现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)突出地并显著地，提出了一种使用吸收频谱互补的双光声腔信号采集结构，再通过处理端对该结构输出信号进行了延时拟合，进而获得了仅仅通过简单叠加地同吸收频谱双光声腔或异吸收频谱非互补式双光声腔所不能够实现的超额血糖检测精度。

(2)进步地并实质地，使用了多个激光波长进行测量，有效避免了人体个体差异对血糖真实值检测的影响，使得测量精度达到93.2％以上；

(3)基于采用声学腔用于检测光声信号，使得检测信号增强达到三个数量级，提高检测能力；

(4)检测电阻抗，温度等信号，对数据进行了校正，从而避免周围环境的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一光声腔结构示意图；

图3为第二光声腔结构示意图；

图中，11、人体皮肤；12、透明胶体；13、光学基底；14、多波长调谐激光器；15、激光准直单元；16、显示模块；17、激光控制；18、微处理器；19、电阻抗测试单元；110、温度传感器；111、第一光声腔；112、第二光声腔；113、控制/设置按钮；114、存储模块；21、吸声层；22、聚焦压电声换能器；23、液体；24、耦合层；31、拾音器口；32、声学腔外壳；33、空气；34、拾音器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明作进一步描述，一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪。

本发明主要特点是：第一，使用多个激光波长进行测量，有效避免人体个体差异对血糖的影响，使得测量精度达到93.2％以上；第二，基于采用声学腔用于检测光声信号，使得检测信号增强达到三个数量级，提高检测能力；第三，检测电阻抗，温度等信号，对数据进行校正，从而避免周围环境的影响。

其结构如图1所示一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于：它包括激光器14、激光准直单元15、显示模块16、激光调制器17、微处理器18、电阻抗测试单元19和温度传感器110、第一光声腔111、第二光声腔112、控制/设置按钮113、光学基底13和透明胶体12，所述的透明胶体12粘贴在人体皮肤11上；

所述的激光器14与激光调制器17相连接，激光器14受到激光调制器17的控制，能够输出不同的波长和脉宽信号，能够在不同波长和脉宽下工作，激光器14所产生的激光通过激光准直单元15形成均匀平行光透过光学基底13和透明胶体12后照射到人体皮肤11，激光能量被人体皮肤11下血液组织吸收后，由于光声效应形成表现血糖特征的超声波，第一光声腔111和第二光声腔112探测到超声波并将超声信号转化成电信号，传输给微处理器18；微处理器18将接收到的电信号进行处理计算出血糖值并发送给存储模块114和显示模块16进行存储和显示，控制/设置按钮113能够对以前的血糖值进行相应的查询，设置预警值等操作。

实施例1：

首先通过控制/设置按钮113对系统设置工作状态，即激光波长为930纳米，脉宽为100纳秒，峰值功率230W，周期为1000Hz的红外光，并选择开始测量。激光调制器17控制激光器14产生相应的红外光，激光器14所产生的激光通过激光准直单元15形成均匀平行光透过光学基底13和透明胶体12后照射到人体皮肤11，人体表皮下血糖吸收光脉冲后将产生特定的超声信号，具体的产生的超声信号在软组织中的传播方程能够用以下式子描述：

$\[\frac{1}{v^2}\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}-{\▿}^2\]p=\frac{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{C_p}\frac{\∂I}{\∂t}---\left(1\right)$

这里I表示激光光强，v是声波在细胞组织中传播速度，α是光吸收系数，β是热膨胀系数，C_p是比热容，p是声压强。

对于弱吸收组织细胞的情况，声压强p能够写为：

$p=k\frac{{\mathrm{\βv}}^n}{C_p}{E}_0\mathrm{\α}---\left(2\right)$

这里k是系统加权常数，E₀为入射光强能量，n是实验经验常数(介于1和2之间)。

上述的声压强被第一光声腔111和第二光声腔112探测到，第一光声腔111得到的光声特性是在聚焦点上的光声信号V_oe1。声学腔的放大特性与形成腔体的尺寸R和L以及结构系数β有关，具体为：

$M=\frac{8{\mathrm{\β\πR}}^{2}L}{3r^{2}l}---\left(3\right)$

当合理选择腔体的尺寸R和L以及结构系数β则可以使得光声信号得到三个数量级的增强。而第二光声腔112得到的声信号V_oe2是来源于光声腔体的谐振值的放大值，两者之间存在固定的时间延迟为通过下面计算公式：

$V_{PA}\∝f(3.02V_{oe1}+0.92V_{oe2}\·e^{-{\mathrm{\τ}}_0})---\left(4\right)$

能够计算一个血糖值，当选择多个光源特征时，即可得到一个血糖特征数组。另一方面，电阻抗测试单元19能够测量皮肤组织表面的电阻抗特性并将阻抗特性发送给微处理器18；温度传感器110能够测量皮肤组织表面的温度信息并将表示温度信号发送给微处理器18；微处理器18根据获得的声强信号、电阻抗特性信号以及温度信号，进行处理得到对应的血糖值。对于多次测量，给出前蛋白PA检测的血糖值V_PA与测量值V_oe1,V_oe2之间的线性耦合关系为：

V_PA∝0.932f(V_oe1,V_oe2)(5)

两者的相关性达到93.2％，即可准确地测量出血糖值，测量精度达到93.2％以上。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还能够做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，包括依序连接的微处理器、激光调制器、激光器、激光准直单元、光学基底和透明胶体，构成激发光声效应回路与结构；进一步包括

第一光声腔，输出对应其光声腔体聚焦点上光声信号所转换的电信号，以获得被测体无放大的、宽频谱的光声效应特征；

第二光声腔，输出对应其光声腔体谐振放大光声信号所转换的电信号，以获得被测体放大的、窄频谱的光声效应特征；

所述的微处理器，接收所述第一光声腔输出的电信号和所述第二光声腔输出的电信号，并对其进行延时耦合处理，以获得血糖测量前值；

电阻抗测试单元，获取被测体的皮肤组织表面的电阻抗特性，输出特征电信号至所述的微处理器；

温度传感器，获取被测体皮肤组织表面的温度信息，输出特征电信号至所述的微处理器；

所述的微处理器，根据所述特征电信号对所述血糖测量前值进行补偿处理，获得血糖测量值。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，所述的激光器，选用多波长功率恒定调谐激光器，波长范围覆盖830纳米至2300纳米，或者是至少包括905纳米、1064纳米以及1550纳米波段。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，所述的激光器，其光源峰值功率范围为50瓦特至300瓦特，并且脉宽为10纳秒至200纳秒之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，所述的第一光声腔，包括聚焦压电声换能器；所述的聚焦压电声换能器具有宽频带响应特性，其工作中心频带为76兆赫兹且范围为40兆赫兹至112兆赫兹。

5.根据权利要求1所述的一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，所述的光学基底，包括透明玻璃和/或透明有机板。

6.根据权利要求1所述的一种基于光声谱特征的可佩带式无创伤动态血糖监测仪，其特征在于，所述的透明胶体，选用透明乳胶。