CN106889993A - 一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法 - Google Patents

一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，本发明涉及基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法。本发明为了解决现有非采血式血糖检测方法误差较大的问题。本发明包括：步骤一：根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率；步骤二：根据血糖浓度变化和组织液的折射率变化，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图；步骤三：根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号；步骤四：利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度。本发明用于血糖检测领域。

Description

一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法
技术领域
本发明涉及基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法。
背景技术
糖尿病是非常广泛的一种常见的慢性疾病，对人体健康危害严重，糖尿病人需要对血糖进行监测，从而对临床治疗以及用药给出基础性的血糖数据。然而传统的血糖检测手段往往需要采血，目前最先进的检测手段仍然需要手指末梢采血，因此对用户造成相当大的心理影响，无创血糖检测可以消除病人的心理恐惧，对糖尿病的治疗和控制至关重要。
目前的非采血式血糖检测方法有光谱法，偏振法等，系统复杂、后续分析过程较繁琐且误差较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有非采血式血糖检测方法误差较大的问题，而提出一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法。
一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法包括以下步骤：
步骤一：种子激光器产生近红外光源，经过铌酸锂光电调制器调制为光强随频率啁啾变化的调制光，调制光穿过人体表皮与组织细胞液发生米氏散射作用，根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率；
步骤二：根据血糖浓度变化和组织液的折射率变化，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图；
步骤三：根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号；
步骤四：利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度。
本发明的有益效果为：
本发明是利用光强调制的FM/cw激光成像方法，较波长调制的FM/cw激光成像方法保证了光源波长的单一性。使结果不随因波长不同产生的透过率变化的影响，保证了血糖检测的准确性。目前，其他的血糖检测方法，血糖浓度的误差一般都大于0.1mmol/L。本发明的血糖检测方法误差达到0.01mmol/L，同比误差降低了约90％。
附图说明
图1为基于光强调制的FM/cw无创血糖检测方法示意图；
图2为血糖浓度与组织细胞液散射系数的相对关系图；
图3为接收光功率随光程变化规律图；
图4为接收光功率对数随血糖浓度变化规律曲线；
图5为血糖模拟值与原血糖值对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法按以下步骤实现：
步骤一：种子激光器产生近红外光源，经过铌酸锂光电调制器调制为光强随频率啁啾变化的调制光，调制光穿过人体表皮与组织细胞液发生米氏散射作用，根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率；
步骤二：根据血糖浓度变化和组织液的折射率变化，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图；
步骤三：根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号；
步骤四：利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率的具体过程为：
种子激光器产生近红外光源，经过铌酸锂光电调制器调制为光强随频率啁啾变化的调制光，在经过发射光学系统照射人体皮肤组织上；近红外调制光穿过人体表皮与组织细胞液发生“米散射”作用，其反射光光强受到组织液的血糖浓度的影响；
种子光功率为P0，波长为1330nm；经过铌酸锂光电调制器后，得到调制光的功率为：
其中所述f1为调制频率；t为时间，ω1为角频率，为调制光相位；
波长为1330nm的近红外光，对人体表皮组织具有穿透作用。在不考虑表皮透过率的情况下，且在组织中满足比尔-朗伯定律，即：
I2＝I1exp(-2μoff·L) (2)其中所述I2为接收到的散射光光强，I1为入射光光强，μoff为衰减系数，L为激光走过的光程；
在同等光照面积上，光强与光功率成正比；则式(2)变为：
P2＝P1exp(-2μoff·L) (3)
衰减系数主要由组织液的吸收和散射决定。在人体组织中对于1330nm波段的光的吸收系数远小于散射系数，因此可近似认为衰减系数与散射系数成正比，即：
μoff＝k1μS (4)
其中所述μS为组织液散射系数；k1为比例系数；
根据公式(1)、公式(3)和公式(4)，得到探测器接收到的回波功率为：
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图的具体过程为：
由于米氏散射，散射系数可近似认为随血糖浓度线性变化。因此，可以通过解算组织液的散射系数来计算血糖浓度值。
如按文献中普遍用到的以血糖浓度变化1mmol，组织液的折射率变化2.75×10-5的变化规律，可通过计算机模拟，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系，如图2所示。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号的具体过程为：
光反射回波由接收光学系统接收，使反射光照射到叉指型“金属-非金属-金属”焦平面阵列探测器上，发射光与本振信号外差得到中频信号，再通过A/D采集以及FPGA处理，得到外差后的数字中频信号。
当回波光照射到叉指型金属-非金属-金属焦平面阵列探测器表面上时，产生的光电流为：
i1＝σP2 (6)
其中σ为探测器的响应度，其随本振信号的电压线性变化。
其中k2为比例系数，A为本振信号振幅，ω2为本振信号角频率，f2为本振信号频率，为本振信号随机相位；
根据公式(6)和公式(7)，得到：
经过电外差过程和低通滤波器后，高频和直流分量均被滤除，再经过增益放大后，得到外差后的数字中频信号为：
i2＝Gk2Asin(2π△ft)exp(-2k1μS·L) (9)
其中Δf为差频，也称中频；G为放大倍数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度的具体过程为：
将将测量血糖得到的外差信号(公式(9))，进行傅里叶变换，得到中频信号的频谱曲线；
F(L)≈Gk2Aexp(-2k1μS·L) (10)
将频谱信号取对数，可得：
ln[F(L)]＝-2k1μS·L+ln(Gk2A) (11)
根据式(11)求得k1，根据步骤二得到的血糖浓度与组织细胞液散射系数的相对关系图，得到血液血糖浓度值(通过k1及公式确定μS后再根据关系图得到血糖浓度值)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
实施例一：
利用计算机进行模拟，参数如下：
可得，回波功率随光程变化曲线如图3所示。
图3中，蓝、绿、红色曲线分别为血糖浓度为5mmol、10mmol和20mmol接收到光功率随光程变化规律。
对光功率取对数，可得接收光功率对数随血糖浓度变化规律曲线，如图4所示。
图4中，蓝、绿、红色曲线分别为血糖浓度为5mmol、10mmol和20mmol接收到光功率对数随光程变化规律。
对图4直线的斜率值(k1)进行计算，利用图2血糖浓度与组织液散射系数变化规律，可测得血糖值，本发明计算的血糖值与实际血糖值的对比验证图，如图5所示。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：种子激光器产生近红外光源，经过铌酸锂光电调制器调制为光强随频率啁啾变化的调制光，调制光穿过人体表皮与组织细胞液发生米氏散射作用，根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率；
步骤二：根据血糖浓度变化和组织液的折射率变化，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图；
步骤三：根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号；
步骤四：利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，其特征在于：所述步骤一中根据调制光的功率和散射光光强，得到探测器接收到的回波功率的具体过程为：
种子光功率为P0，经过铌酸锂光电调制器后，得到调制光的功率为：
其中所述f1为调制频率；t为时间，ω1为角频率，为调制光相位；
近红外光对人体表皮组织具有穿透作用，且在组织中满足比尔-朗伯定律，即：
I2＝I1exp(-2μoff·L) (2)
其中所述I2为接收到的散射光光强，I1为入射光光强，μoff为衰减系数，L为激光走过的光程；
在同等光照面积上，光强与光功率成正比；则式(2)变为：
P2＝P1exp(-2μoff·L) (3)
衰减系数与散射系数成正比，即：
μoff＝k1μS (4)
其中所述μS为组织液散射系数；k1为比例系数；
根据公式(1)、公式(3)和公式(4)，得到探测器接收到的回波功率为：
3.根据权利要求2所述的一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，其特征在于：所述步骤二中得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图的具体过程为：
散射系数随血糖浓度线性变化，通过解算组织液的散射系数来计算血糖浓度值；根据血糖浓度变化为1mmol，组织液的折射率变化为2.75×10-5的变化规律，通过计算机模拟，得到血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图。
4.根据权利要求3所述的一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，其特征在于：所述步骤三中根据步骤一得到的探测器接收到的回波功率，得到外差后的数字中频信号的具体过程为：
当回波光照射到叉指型金属-非金属-金属焦平面阵列探测器表面上时，产生的光电流为：
i1＝σP2 (6)
其中σ为探测器的响应度；
其中k2为比例系数，A为本振信号振幅，ω2为本振信号角频率，f2为本振信号频率，为本振信号随机相位；
根据公式(6)和公式(7)，得到：
经过电外差过程和低通滤波器后，再经过增益放大后，得到外差后的数字中频信号为：
i2＝Gk2Asin(2π△ft)exp(-2k1μS·L) (9)
其中Δf为差频，G为放大倍数。
5.根据权利要求4所述的一种基于光强调制的FM/cw激光成像非采血式血糖检测方法，其特征在于：所述步骤四中利用步骤二得到的血糖浓度与组织液散射系数的相对关系图和步骤三得到的外差后的数字中频信号，解算人体组织液中的血糖浓度的具体过程为：
将公式(9)进行傅里叶变换，得到中频信号的频谱曲线；
F(L)≈Gk2Aexp(-2k1μS·L) (10)
将频谱信号取对数，可得：
ln[F(L)]＝-2k1μS·L+ln(Gk2A) (11)
根据式(11)求得k1，根据步骤二得到的血糖浓度与组织细胞液散射系数的相对关系图，得到血液血糖浓度值。
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