CN107157491B - 一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法 - Google Patents

一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法，包括激发光源装置、样品装置，探测装置和信号处理装置。激发光源装置包括激光器、光阑、准直透镜和聚焦透镜，探测装置包括后向超声探测器、侧向超声探测器、扫描移动平台、移动平台控制器和微型调焦控制器，信号处理装置由信号放大器、信号采集卡和计算机依次电气连接构成。侧向超声探测器固定在扫描移动平台上，随扫描移动平台移动而移动，扫描移动平台通过移动平台控制器与计算机连接。信号放大器输入端分别与后向超声探测器、侧向超声探测器相连，信号采集卡与激光器连接。本发明公开一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法，实现对血管中血糖浓度的光声检测，大大提高准确性。

Description

一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法
技术领域
本发明属于生物医疗技术领域，具体涉及一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法。
背景技术
目前，全球患糖尿病人数已经超过4亿人，而我国是全球糖尿病患者第一大国，糖尿病已经成为严重威胁人们生命健康和生存质量的三大杀手之一。由于到目前为止，医学上治疗糖尿病只能通过定期地跟踪测量血糖值及变化，配以药物调节胰岛素的代谢功能，从而控制体内血糖浓度并趋于稳定。因此，血糖及其变化的测量准确与否对控制糖尿病病情具有十分重要的作用。传统的血糖测量方法是针刺采血法，这种方法不仅给患者带来身心和经济负担，而且频繁地针刺采血会使给病患带来二次感染的风险。因此，无损伤性的血糖检测方法是未来血糖检测的发展趋势。
到目前为止已经有几种无损伤的检测方法应用于血糖检测，其中光学方法最具代表性，如：近/中红外光谱法、偏振光测量法、相干光测量法和光声测量法等。其中，光声技术具有光学高分辨率和超声高对比度的优点，并且，光声法是利用探测超声信号来代替光谱法的探测光子信号的特点，从而从原理上避开了组织中散射光对有用信号带来的强烈干扰，可以提高光声信号的信噪比和测量准确度。由于测量血糖值及其变化最终是要应用于人体在体检测，而对于光声技术测量血糖来讲，其入射光在人体内产生的光声源位置，对于血糖值测量的合理性和准确性至关重要。有研究表明，血糖浓度在人体表皮、真皮、皮下组织和血管内的血液分布是存在很大差异性的，虽然也有利用皮肤组织液中的血糖值来间接反映血液中的血糖浓度，但是其相关性是否完全正确目前还没有定论，依然处于研究阶段。并且，其他人体组织部位中含有许多组分（如：脂肪、纤维组织和骨骼等）的干扰，使得测量的血糖特征光声信号提取困难。另外，研究也表明，其他人体组织部位（如：皮肤中的组织间液）中的血糖浓度含量与血管中全血血糖浓度含量之间存在一定的时延效应，这些因素都会对人体真实血糖浓度含量和变化趋势的精确测量造成一定的影响。而对血管或毛细血管中的血液直接进行光声检测，所测量的光声信号最能表征人体血糖浓度的真实信息。因此，入射光在人体组织中的光声源定位是血糖浓度测量准确与否的关键。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的不足，提供一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法，可以大大提高血糖检测的准确度和可靠性。
为了解决本发明的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种血管自动定位的光声血糖检测装置，包括激发光源装置1、样品装置2，探测装置3和信号处理装置4，所述激发光源装置1沿光传播方向由激光器11、光阑12、准直透镜13和聚焦透镜14构成，所述聚焦透镜14为焦距可调式聚焦透镜；所述样品装置2用于装载和固定被测样品，所述探测装置3包括后向超声探测器31、侧向超声探测器32、扫描移动平台33、移动平台控制器34和微型调焦控制器35，所述信号处理装置4由信号放大器41、信号采集卡42和计算机43依次电气连接构成；所述后向超声探测器31为一环形超声探测器，所述后向超声探测器31内环直径等于所述聚焦透镜14的外径，所述后向超声探测器31环中心点与所述聚焦透镜14中心点重合，所述后向超声探测器31的前端面与所述聚焦透镜14的径向面在同一平面上，所述聚焦透镜14内嵌于后向超声探测器31内环中，与聚焦透镜14构成一体化，所述后向超声探测器31位置随聚焦透镜14焦距的变化而变化，所述激光器11出口与光阑12、准直透镜13和聚焦透镜14的中心在一条轴线上，所述侧向超声探测器32固定在扫描移动平台33上，随扫描移动平台33移动而移动；所述扫描移动平台33与移动平台控制器34电气连接，所述移动平台控制器34与计算机43连接；所述信号放大器41输入端分别与所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32的信号输出端相连；所述信号采集卡42与激光器11电气连接，将激光器11的周期脉冲信号作为信号采集卡42进行信号采集操作的外部触发条件。
优选地，所述的样品装置2位于所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32之间，所述后向超声探测器31的轴线方向与所述侧向超声探测器32的轴线方向互为90度。
优选地，所述侧向超声探测器32为单元或多元或环形超声探测器，所述侧向超声探测器固定连接在所述扫描移动平台33上，通过计算机43给移动平台控制器34发送指定，来控制扫描移动平台33的移动，进而控制侧向超声探测器32在垂直或水平方向上的平移动作。
优选地，所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32的前端面与样品装置上的被测组织的表面平行紧密接触，所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32与被测组织之间均涂抹超声耦合液。
优选地，所述计算机43和信号采集卡42之间通过图形化编程软件LabVIEW来实现数据的外部触发采集和保存等功能。
一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法，包括以下步骤：
第一步：通过扫描移动平台33将侧向超声探测器32的前端面中心轴位置复位至后向超声探测器31前端面水平位置，即：将后向超声探测器31的前端面水平位置作为侧向超声探测器32扫描移动动作的空间零起始位置。
第二步：开启激光器11的电源开关，激光器11预测约半小时后，在样品装置2上的被测组织测量区域的表面均匀涂抹超声耦合液，将聚焦透镜14连同后向超声探测器31和侧向超声探测器32均与被测组织表面平行紧密接触。
第三步：开启信号放大器41、信号采集卡42和计算机43的电源开关，设置好激光器11的能量、频率和波长，点击激光器11激发光束按键，脉冲激光光束从激光器11出口处射出。
第四步：激光器11发出的脉冲激光光束先经过光阑12除去部分杂散光，然后依次经过准直透镜13准直和聚焦透镜14聚焦后入射到样品装置2上的被测组织中，被测组织产生光声信号，后向超声探测器31和侧向超声探测器32同时捕获被测组织产生的光声信号。
第五步：由计算机43向移动平台控制器34发送扫描移动指令，扫描移动平台33开始运转，驱动侧向超声探测器32对整个样品装置2中的被测组织进行Z方向的平移扫描，侧向超声探测器32同步捕获被测组织的实时光声信号。
第六步：侧向超声探测器32捕获的被测组织实时光声信号，经过信号放大器41放大后，传送至信号采集卡42进行同步采集，然后采集到的光声信号数据在计算机43的图形化编程软件操作下，并记被测组织实时光声信号的峰峰值，以及侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H。
第七步：将第六步获得的被测组织的实时光声信号的峰峰值，通过计算机43的数据处理算法，得到侧向超声探测器32扫描获得的最大光声峰峰值和空间位置（即：血管23在Z方向的位置）及其对应的侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H。
第八步：计算机43根据第七步获得的侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H，向微型调焦控制器35发送指令，将聚焦透镜14的焦距自动调整长度为ΔL，即：ΔL=L-H，其中L为聚焦透镜14的焦距，即聚焦透镜14到血管23的距离，使得聚焦透镜14的入射聚焦光斑正好落入血管23中。
第九步：根据第八步确定好入射聚焦光斑落入血管23后，由后向超声探测器31捕获血糖实时光声信号，然后，依次经过信号放大器41放大和信号采集卡42同步采集，将光声数据送入计算机43进行血管23中血糖光声信号的存储和分析处理。
第十步：完成一个被测对象的上述所有步骤后，将激光器11能量调至0，更换不同的检测部位或被测对象，然后，重复第一步至第九步直至完成所有被测对象的血管定位的血糖光声检测，并得到了所有被测对象血管中血糖的光声数据，构成一个不同检测部位或被测对象的血糖光声数据矩阵，然后建立光声数据矩阵与血糖浓度矩阵的关系模型，并最终实现对未知血管中血糖浓度的预测。
与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：
本发明公开的一种血管自动定位的光声血糖检测装置及方法，采用后向超声探测器和侧向超声探测器不仅可以无损伤性的探测离体或在体的血糖浓度信息，而且还可以准确地获取被测组织体内血管的具体位置，通过对聚焦透镜焦点的自动调节，可以确保入射脉冲激光准确地落入到血管中去，从而实现对血管中血糖浓度的光声检测，大大提高血糖检测的准确性。
附图说明
图1为本发明结构原理示意图
图2为后向超声探测器、侧向探测器与被测组织之间的位置关系示意图。
附图标记：1、激发光源装置；11、激光器；12、光阑；13、准直透镜；14、聚焦透镜；2、样品装置；21、上皮组织；22、皮下组织；23、血管；24、肌肉组织；25、骨骼；3、探测装置；31、后向超声探测器；32、侧向超声探测器；33、扫描移动平台；34、移动平台控制器；35、微型调焦控制器；4、信号处理装置；41、信号放大器；42、信号采集卡；43、计算机。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例进行详细说明。
参见附图1和附图2，一种血管自动定位的光声血糖检测装置，包括激发光源装置1、样品装置2，探测装置3和信号处理装置4，所述激发光源装置1沿光传播方向由激光器11、光阑12、准直透镜13和聚焦透镜14构成；所述样品装置2用于装载和固定被测样品，被测样品或组织器官由表及里可以依次包括上皮组织21、皮下组织22、血管23、肌肉组织24和骨骼25；所述探测装置3包括后向超声探测器31、侧向超声探测器32、扫描移动平台33、移动平台控制器34和微型调焦控制器35，所述信号处理装置4由信号放大器41、信号采集卡42和计算机43依次电气连接构成；所述激光器11出口与光阑12、准直透镜13和聚焦透镜14的中心在一条轴线上，所述侧向超声探测器32固定在扫描移动平台33上，随扫描移动平台33移动而移动；所述扫描移动平台33与移动平台控制器34电气连接，所述移动平台控制器34与计算机43连接；所述信号放大器41输入端分别与所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32的信号输出端相连；所述信号采集卡42与激光器11电气连接，将激光器11的周期脉冲信号作为信号采集卡42进行信号采集操作的外部触发条件。
进一步地，所述聚焦透镜14为焦距可调式聚焦透镜。
进一步地，所述后向超声探测器31为一环形超声探测器，所述后向超声探测器31内环直径等于所述聚焦透镜14的外径，所述聚焦透镜14内嵌于后向超声探测器31内环中，与聚焦透镜14构成一体化，所述后向超声探测器31位置随聚焦透镜14焦距的变化而变化。
进一步地，所述后向超声探测器31环中心点与所述聚焦透镜14中心点重合，所述后向超声探测器31的前端面与所述聚焦透镜14的径向面在同一平面上。
进一步地，所述的样品装置2位于所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32之间，所述后向超声探测器31的轴线方向与所述侧向超声探测器32的轴线方向互为90度。
进一步地，所述侧向超声探测器32为单元或多元或环形超声探测器，所述侧向超声探测器固定连接在所述扫描移动平台33上，通过计算机43给移动平台控制器34发送指定，来控制扫描移动平台33的移动，进而控制侧向超声探测器32在垂直或水平方向上的平移动作。
进一步地，所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32的前端面与样品装置上的被测组织的表面平行紧密接触，所述后向超声探测器31和侧向超声探测器32与被测组织之间均涂抹超声耦合液。
进一步地，所述计算机43和信号采集卡42之间通过图形化编程软件LabVIEW来实现数据的外部触发采集和保存等功能。
一种血管自动定位的光声血糖检测方法，包括如下步骤：
第一步，通过扫描移动平台33将侧向超声探测器32的前端面中心轴位置复位至后向超声探测器31前端面水平位置，即：将后向超声探测器31的前端面水平位置作为侧向超声探测器32扫描移动动作的空间零起始位置。
第二步，开启激光器11的电源开关，激光器11预测约半小时后，在样品装置2上的被测组织测量区域的表面均匀涂抹超声耦合液，将聚焦透镜14连同后向超声探测器31和侧向超声探测器32均与被测组织表面平行紧密接触。
第三步，开启信号放大器41、信号采集卡42和计算机43的电源开关，设置好激光器11的能量、频率和波长，点击激光器11激发光束按键，脉冲激光光束从激光器11出口处射出。
第四步，激光器11发出的脉冲激光光束先经过光阑12除去部分杂散光，然后依次经过准直透镜13准直和聚焦透镜14聚焦后入射到样品装置2上的被测组织中，被测组织产生光声信号，后向超声探测器31和侧向超声探测器32同时捕获被测组织产生的光声信号。
第五步，由计算机43向移动平台控制器34发送扫描移动指令，扫描移动平台33开始运转，驱动侧向超声探测器32对整个样品装置2中的被测组织进行Z方向的平移扫描，侧向超声探测器32同步捕获被测组织的实时光声信号。
第六步，侧向超声探测器32捕获的被测组织实时光声信号，经过信号放大器41放大后，传送至信号采集卡42进行同步采集，然后采集到的光声信号数据在计算机43的图形化编程软件操作下，并记被测组织实时光声信号的峰峰值，以及侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H。
第七步，将第六步获得的被测组织的实时光声信号的峰峰值，通过计算机43的数据处理算法，得到侧向超声探测器32扫描获得的最大光声峰峰值和空间位置（即：血管23在Z方向的位置）及其对应的侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H。
第八步，计算机43根据第七步获得的侧向超声探测器32与后向超声探测器31探测器前端平面的距离H，向微型调焦控制器35发送指令，将聚焦透镜14的焦距自动调整长度为ΔL，如附图2所示，即：ΔL=L-H，其中L为聚焦透镜14的焦距，即聚焦透镜14到血管23的距离，使得聚焦透镜14的入射聚焦光斑正好落入血管23中。
第九步，根据第八步确定好入射聚焦光斑落入血管23后，由后向超声探测器31捕获血糖实时光声信号，然后，依次经过信号放大器41放大和信号采集卡42同步采集，将光声数据送入计算机43进行血管23中血糖光声信号的存储和分析处理。
第十步，完成一个被测对象的上述所有步骤后，将激光器11能量调至0，更换不同的检测部位或被测对象，然后，重复第一步至第九步直至完成所有被测对象的血管定位的血糖光声检测，并得到了所有被测对象血管中血糖的光声数据，构成一个不同检测部位或被测对象的血糖光声数据矩阵，然后建立光声数据矩阵与血糖浓度矩阵的关系模型，并最终实现对未知血管中血糖浓度的预测。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (4)

1.一种血管自动定位的光声血糖检测装置，其特征在于：包括激发光源装置(1)、样品装置(2)，探测装置(3)和信号处理装置(4)，所述激发光源装置(1)沿光传播方向由激光器(11)、光阑(12)、准直透镜(13)和聚焦透镜(14)构成，所述聚焦透镜(14)为焦距可调式聚焦透镜；所述样品装置(2)用于装载和固定被测样品，所述探测装置(3)包括后向超声探测器(31)、侧向超声探测器(32)、扫描移动平台(33)、移动平台控制器(34)和微型调焦控制器(35)，所述信号处理装置(4)由信号放大器(41)、信号采集卡(42)和计算机(43)依次电气连接构成；所述后向超声探测器(31)为一环形超声探测器，所述后向超声探测器(31)内环直径等于所述聚焦透镜(14)的外径，所述后向超声探测器(31)环中心点与所述聚焦透镜(14)中心点重合，所述后向超声探测器(31)的前端面与所述聚焦透镜(14)的径向面在同一平面上，所述聚焦透镜(14)内嵌于后向超声探测器(31)内环中，与聚焦透镜(14)构成一体化，所述后向超声探测器(31)位置随聚焦透镜(14)焦距的变化而变化，所述激光器(11)出口与光阑(12)、准直透镜(13)和聚焦透镜(14)的中心在一条轴线上；所述侧向超声探测器(32)固定在扫描移动平台(33)上，随扫描移动平台(33)移动而移动；所述扫描移动平台(33)与移动平台控制器(34)电气连接，所述移动平台控制器(34)与计算机(43)连接；所述信号放大器(41)输入端分别与所述后向超声探测器(31)和侧向超声探测器(32)的信号输出端相连；所述信号采集卡(42)与激光器(11)电气连接。
2.如权利要求1所述的一种血管自动定位的光声血糖检测装置，其特征在于：所述的样品装置(2)位于所述后向超声探测器(31)和侧向超声探测器(32)之间。
3.如权利要求1所述的一种血管自动定位的光声血糖检测装置，其特征在于：所述侧向超声探测器(32)为单元或多元或环形超声探测器。
4.一种血管自动定位的光声血糖检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：通过扫描移动平台(33)将侧向超声探测器(32)的前端面中心轴位置复位至后向超声探测器(31)前端面水平位置，即：将后向超声探测器(31)的前端面水平位置作为侧向超声探测器(32)扫描移动动作的空间零起始位置；
第二步：开启激光器(11)的电源开关，激光器(11)预测约半小时后，在样品装置(2)上的被测组织测量区域的表面均匀涂抹超声耦合液，将聚焦透镜(14)连同后向超声探测器(31)和侧向超声探测器(32)均与被测组织表面平行紧密接触；
第三步：开启信号放大器(41)、信号采集卡(42)和计算机(43)的电源开关，设置好激光器(11)的能量、频率和波长，点击激光器(11)激发光束按键，脉冲激光光束从激光器(11)出口处射出；
第四步：激光器(11)发出的脉冲激光光束先经过光阑(12)除去部分杂散光，然后依次经过准直透镜(13)准直和聚焦透镜(14)聚焦后入射到样品装置(2)上的被测组织中，被测组织产生光声信号，后向超声探测器(31)和侧向超声探测器(32)同时捕获被测组织产生的光声信号；
第五步：由计算机(43)向移动平台控制器(34)发送扫描移动指令，扫描移动平台(33)开始运转，驱动侧向超声探测器(32)对整个样品装置(2)中的被测组织进行Z方向的平移扫描，侧向超声探测器(32)同步捕获被测组织的实时光声信号；
第六步：侧向超声探测器(32)捕获的被测组织实时光声信号，经过信号放大器(41)放大后，传送至信号采集卡(42)进行同步采集，然后采集到的光声信号数据在计算机(43)的图形化编程软件操作下，并记被测组织实时光声信号的峰峰值，以及侧向超声探测器(32)与后向超声探测器(31)探测器前端平面的距离H；
第七步：将第六步获得的被测组织的实时光声信号的峰峰值，通过计算机(43)的数据处理算法，得到侧向超声探测器(32)扫描获得的最大光声峰峰值和空间位置及其对应的侧向超声探测器(32)与后向超声探测器(31)探测器前端平面的距离H；
第八步：计算机(43)根据第七步获得的侧向超声探测器(32)与后向超声探测器(31)探测器前端平面的距离H，向微型调焦控制器(35)发送指令，将聚焦透镜(14)的焦距自动调整长度为△L，即：△L＝L-H，其中L为聚焦透镜(14)的焦距，使得聚焦透镜(14)的入射聚集光斑正好落入血管中；
第九步：根据第八步确定好入射聚集光斑落入血管后，由后向超声探测器(31)捕获血糖实时光声信号，然后，依次经过信号放大器(41)放大和信号采集卡(42)同步采集，将光声数据送入计算机(43)进行血管中血糖光声信号的存储和分析处理；
第十步：完成一个被测对象的上述所有步骤后，将激光器(11)能量调至0，更换不同的检测部位或被测对象，然后，重复第一步至第九步直至完成所有被测对象的血管定位的血糖光声检测，并得到了所有被测对象血管中血糖的光声数据，构成一个不同检测部位或被测对象的血糖光声数据矩阵，然后建立光声数据矩阵与血糖浓度矩阵的关系模型，并最终实现对未知血管中血糖浓度的预测。
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