CN107174257A - 一种微型可穿戴式无创血糖监测仪 - Google Patents

一种微型可穿戴式无创血糖监测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型可穿戴式无创血糖监测仪，包括光纤探头、激光器、光谱探测器，光纤探包括激光通道、拉曼散射收集通道和检测通道，激光通道通过一滤光片与检测通道相连接；激光通道内设置有入射光纤、第一准直透镜、滤光片；检测通道内设置有第二准直透镜、检测光纤、自聚焦透镜；拉曼散射收集通道内设置有滤光片、第三准直透镜、采集光纤所述激光器和激光通道中的入射光纤相连接，光谱探测器和拉曼散射收集通道中的第二滤光片相连接。本发明使用自聚焦透镜作为采集透镜，确保光源汇聚到被测物表面，保证探头与被测物间无空隙，避免了环境中的信号进入探头。

Description

一种微型可穿戴式无创血糖监测仪
技术领域
本发明涉及到光学探测和物质分析领域，尤其涉及一种微型可穿戴式无创血糖监测仪。
背景技术
近年来，光学探测技术，特别是适用于人体的可穿戴式无创探测设备越发受到人们的青睐。拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等光学探测技术已经运用到人体生理指标的检测领域。
拉曼光谱(Raman)可以揭示有机和无机物质的分子和晶体的振动模式，Raman光谱仪通过拉曼光谱的频移信息可以识别物质成分。将其运用到人体上，可以实现人体血糖、血脂等各项生理指标，甚至是癌细胞的快速检测以及动态实时检测。
但拉曼光谱技术实现人体血糖无创检测还存在以下亟待突破的瓶颈.一是由于检测对象是人体，信号采集过程不够稳定，进而导致测试结果准确性和稳定性不理想.二是传统的实验室级拉曼光谱系统体积庞大、费用昂贵且不便于人体使用.三是定量分析方法误差大，准确性和可重复性不理想.
拉拉曼光纤探头依据入射/采集接口的不同可以分为双光纤结构、单光纤结构和多光纤结构。市场上已有的拉曼光纤探头(如海洋公司的RIP-RPB系列探头，必达泰克公司的拉曼光谱仪采样附件BAC100和InPhonics公司的实验室探头系列)，可分为实验室型和工业型。工业型往往外壳为金属制成，坚固耐用，探头的探针较长，适合于伸进液体样本里面检测。实验室拉曼光纤探头多为双光纤结构，其中有代表性的是必达泰克公司的产品。该探头的一束光纤用来照射样品，另一束光纤收集拉曼散射信号。其光纤探头输入输出分为两路，通过二向色镜将光路分开，避免使用小反射镜，不会存在中心遮挡问题，但引入了新的元件。此结构的优点是结构紧凑，探头整体体积小，但是收集光路较长，元件多。光学元件的增加，提高了探头成本。
拉曼光谱对测试条件非常敏感，现有光学探头的采集透镜有固定的焦距，但是在实际测量中，特别是活体检测时，往往不能保证光源准确聚焦到被测样品，导致测量结果的准确性、稳定性和可重复性十分不理想，无法满足活体检测、动态实时监测、快速检测的要求。
此外，现有血糖监测仪的光学探头没有专门针对活体检测，特别是人体检测的设计研发，无论从其形制、规格还是操作使用上都不能很好地适用于对人体的探测，无法满足活体检测对方便性、舒适性的要求。
发明内容
本发明针对人体进行设计，不仅符合人体工学，而且能够辅助实现微小位置荧光光谱、红外光谱、拉曼光谱以及其他光谱信息的准确采集及定性、定量分析，是一款舒适安全并且稳定准确的微型可穿戴式无创血糖监测仪，相比传统的血糖监测仪，非常适用于对人体的光学探测。
一种微型可穿戴式无创血糖监测仪，包括光纤探头、激光器、光谱探测器；
所述光纤探头，包括激光通道、拉曼散射收集通道和检测通道；
激光通道内沿入射激光的传播方向依次设置有入射光纤、第一准直透镜、第一滤光片；
所述检测通道通过第一滤光片分别与激光通道和拉曼散射通道相连接；
检测通道内沿入射激光经过第一滤光片反射后得到的反射激光的传播方向依次设置有第二准直透镜、检测光纤、自聚焦透镜；
所述拉曼散射收集通道内沿反射激光的拉曼反射的方向依次设置有第一滤光片、第三准直透镜、采集光纤、第二滤光片；
所述自聚焦透镜的光谱范围为805～906nm；
所述第一滤光片和第二滤光片的对805～906nm光的透过率均大于92％，且对785nm光的反射率均大于等于92％；
所述激光器和激光通道中的入射光纤相连接，所述光谱探测器和拉曼散射收集通道中的第二滤光片相连接；
所述光谱探测器包括数据处理模块，所述数据处理模块用于将接收到的拉曼光谱数据进行归一化处理后，通过偏最小二乘法计算血糖浓度。
进一步地，所述通过偏最小二乘法计算血糖浓度包括：
通过式(1)得到血糖浓度Y：
Y＝f(x)+Error (1)
式(1)中，f(x)为主导因子：
f(x)＝k1x1+k2x2+…+knxn+kn+1x1 2+kn+2x2 2+…+k2nxn 2
其中，n为拉曼光谱数据中与葡萄糖标准拉曼光谱数据位置相同的特征峰的数量，xn为拉曼光谱中与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰面积，k1,k2,…,k2n为第一系数；
Error表示残差，Error＝j1x′1+j2x′2+…+jmx′m+jm+1x′2 1+jm+2x′2 2+…+j2mx′2 m
其中，m为拉曼光谱中除过n个与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的数量，x′m为拉曼光谱中除过n个与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的强度，j1,j2,…,j2m为第二系数；
进一步地，还包括腕带，所述自聚焦透镜设置在腕带上。
进一步地，所述自聚焦透镜和腕带之间设有一挡光板。
进一步地，所述入射激光的波长为785nm。
进一步地，所述入射光纤和检测光纤均为105/125um光纤，所述采集光纤为200/220光纤。
现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明使用自聚焦透镜作为采集透镜，能够准确聚焦，确保光源汇聚到被测物表面，这种接触测量的方式保证探头与被测物间无空隙，避免了环境中的信号进入探头；同时，无论腕带松紧、活动等都不会影响焦点位置，从而保证光谱信息的准确采集；
(2)本发明在设计上将探头分为2部分：一部分是壳体包裹的光路及元器件主体；另一部分是通过腕带固定在被测物表面的探头端，这2部分通过传输光纤连接，保证与被测物直接接触的探头端更加独立、小巧，便于固定及测试，符合人体工学，结构紧凑、体积小、重量轻，人机结合效果好；
(3)本发明涉及的探头可根据需求与不同波长、不同功率的激光器以及不同类别的光纤光谱仪耦合成光学测试系统，可以采集拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等各类光谱信息，使用范围广；
(4)本发明使用的光学元件体积小、光学性能好，能够达到实验室级的检测精度。
附图说明
图1为本发明光学探头的结构原理图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为人体Raman光谱采集结果；
图4为本发明的整体示意图；
图5为葡萄糖标准拉曼光谱；
图6为人体实验结果；
图中标号代表为：1—激光器；2—FC接口；3—入射光纤；4—第一准直透镜；5—第三准直透镜；6—光谱探测器；7—第二滤光片；8—SMA905接口；9—采集光纤；10—第一滤光片；11—第二准直透镜；12—检测光纤；13—自聚焦透镜；14—挡光板；15—腕带。
具体实施方式
本发明采用两步离子交换法对铊掺杂自聚焦透镜进行制备，包括：先进行铊离子Tl+与钾离子K+交换,再进行铊离子Tl+与钠离子Na+交换。用两步离子交换工艺制备自聚焦透镜,其径向折射率分布可以得到明显的改善,从而更接近理想分布。
进一步地，第一次离子交换时，铊玻璃纤维在KNO3熔盐中进行离子交换，温度范围为300-600℃；第二次离子交换时，把第一次交换的铊玻璃纤维放入NaNO3熔盐中进行离子交换,实际交换的是玻璃中的Tl+与熔融盐中的Na+(可以不考虑K+和Na+交换对折射率的影响)，温度范围为300-600℃；
进一步地，自聚焦透镜的成分范围为：SiO2：40％-60％，PbO：10％-25％，Na2O：7％-14％，Tl2O：12％-24％。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种微型可穿戴式无创血糖监测仪，如图1所示，包括光纤探头、激光器1、光谱探测器6；
所述光纤探头，包括激光通道、拉曼散射收集通道和检测通道；
激光通道内沿入射激光的传播方向依次设置有入射光纤(3)、第一准直透镜4、第一滤光片10；
所述入射光纤3将入射激光传递至第一准直透镜4，通过第一准直透镜4控制入射激光的方向，使得入射激光精确地射向第一滤光片10，第一滤光片10只允许特定波长的激光通过；
所述检测通道通过第一滤光片10分别与激光通道和拉曼散射通道相连接；
检测通道内沿入射激光经过第一滤光片10反射后得到的反射激光的传播方向依次设置有第二准直透镜11、检测光纤12、自聚焦透镜13；
所述入射激光经过第一滤光片10反射后通过第二准直透镜11控制方向后，通过检测光纤12传递至自聚焦透镜13,通过自聚焦透镜13的聚焦，使得入射激光聚焦到样本表面。
所述拉曼散射收集通道内沿反射激光的拉曼反射的方向依次设置有第一滤光片10、第三准直透镜5、采集光纤9、第二滤光片7；
入射激光聚焦到样本表面后，得到拉曼反射光谱，拉曼反射光谱经第一滤光片10后经过第三准直透镜5控制方向后，经过采集光纤9传递至第二滤光片7，第二滤光片7只允许特定波长的激光通过。
所述自聚焦透镜13的光谱范围为805～906nm；
本实施例以铊掺杂自聚焦透镜作为采集透镜，这种采集方式保证了光谱采集过程中焦点始终位于样本表面，与传统的光谱采集方式相比，这种新的光谱采集方式极大提高了光谱采集的稳定性、准确性和方便性。
为了保证光通量尽可能大，以及采集到更全面的光谱信息，本发明涉及的自聚焦透镜长度为0.49周期，出射光聚焦于透镜端面外0.5mm处，即人体表皮组织处。
本实施例涉及的自聚焦透镜可实现宽光谱(805-906nm)汇聚，保证采集的光谱信息足以支撑对血糖浓度的定量分析。
所述第一滤光片10和第二滤光片7对805-906nm光的透过率均大于92％，且对785nm光的反射率均大于等于92％；
所述激光器1和激光通道中的入射光纤相连接，所述光谱探测器6和拉曼散射收集通道中的第二滤光片7相连接。
所述光谱探测器6包括数据处理模块，所述数据处理模块用于将接收到的拉曼光谱数据进行归一化处理后，通过偏最小二乘法计算血糖浓度。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提供了所述通过偏最小二乘法计算血糖浓度的方法，包括：
通过式(1)得到血糖浓度Y：
Y＝f(x)+Error (1)
式(1)中，f(x)为主导因子：
f(x)＝k1x1+k2x2+…+knxn+kn+1x1 2+kn+2x2 2+…+k2nxn 2+b
其中，n为光谱中与葡萄糖标准光谱位置相同的特征峰的数量，xn为光谱中与葡萄糖标准光谱位置相同的特征峰面积，k1,k2,…,k2n为第一系数；
本实施例采用偏最小二乘法得到k1,k2,…,k2n；
Error表示残差，Error＝j1x′1+j2x′2+…+jmx′m+jm+1x′2 1+jm+2x′2 2+…+j2mx′2 m+c
其中，m为光谱中除过n个与葡萄糖标准光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的数量，x′m为光谱中除过n个与葡萄糖标准光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的强度，j1,j2,…,j2m为第二系数；
本实施例采用偏最小二乘法得到k1,k2,…,k2n；
本实施例的方法避免了如果单纯依靠特征峰强度进行计算，则对多组分、目标物相对含量低、外部干扰因素多的样本进行检测时，由于信号稳定性不佳，特征峰强度往往会发生波动，导致定量分析结果的准确性和可靠性不佳的问题；并且如果把所有特征峰的信息都作为血糖浓度计算的信息基础，则可能会引入大量无用信息，甚至是噪声等严重影响定量分析准确性的有害信息。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，还包括腕带15，所述自聚焦透镜13设置在腕带15上。
实施例1所提供的探头可通过腕带及魔术贴固定在活体，特别是人体身上(如人体手腕、手臂等)，不仅能够单次检测，还可以做到动态实时监测。
实施例4
本实施例在实施例3的基础上，所述自聚焦透镜13和腕带15之间设有一挡光板14，避免激光直射人体。
实施例5
本实施例在实施例1的基础上，所述入射激光的波长为785nm。
实施例6
本实施例在实施例1的基础上，所述入射光纤2和检测光纤12均为105/125um光纤，所述采集光纤9为200/220光纤。
实施例7
本实施例在实施例1的基础上，采用两步离子交换法对铊掺杂自聚焦透镜进行制备，包括：先进行铊离子Tl+与钾离子K+交换,再进行铊离子Tl+与钠离子Na+交换。用两步离子交换工艺制备自聚焦透镜,其径向折射率分布可以得到明显的改善,从而更接近理想分布。
第一次离子交换时，铊玻璃纤维在KNO3熔盐中进行离子交换，温度范围为300-600℃；第二次离子交换时，把第一次交换的铊玻璃纤维放入NaNO3熔盐中进行离子交换,实际交换的是玻璃中的Tl+与熔融盐中的Na+(可以不考虑K+和Na+交换对折射率的影响)，温度范围为300-600℃；
自聚焦透镜的成分范围为：SiO2：40％-60％，PbO：10％-25％，Na2O：7％-14％，Tl2O：12％-24％。
如图3所示，拉曼光谱以拉曼位移作为横坐标，以785nm为激发光源，拉曼光谱的拉曼位移为316-1701cm-1，换算为光谱为805-906nm，即最后制备出的自聚焦透镜的光谱为805-906nm。
实验结果：
将人体手腕内侧作为测试对象，光谱仪为美国BWtek公司生产的Exemplar Plus光纤光谱仪，中心波长785nm，激光器为美国BWtek公司生产的半导体激光器，中心波长785nm，功率280mw(可调)。从图3和图5可以看出，人体手腕内侧皮肤拉曼光谱和葡萄糖标准拉曼光谱在在406cm-1，502cm-1，586cm-1，670cm-1，767cm-1，1200cm-1，1256cm-1，1447cm-1，1555cm-1，1656cm-1，2895cm-1位置均存在特征峰。图6展示了其中一位人体志愿者的实验结果，图中三角和方形数据点的横坐标为血糖仪测得的血糖值，纵坐标为通过模型计算出的血糖值。由于样本容量有限，所以对人体样本随机选取了4个血糖值进行验证，其余的数据作为标定进行建模。图6中R2为可决系数，可以反应计算结果的准确度.MAE为平均绝对误差，表示拟合的误差水平.为了防止过拟合的发生，确定最佳主成分个数，经过10折交叉验证，人体血糖计算值的准确度(可决系数R2)分别为95.8％，95.1％，95.1％和94.7％。
现在市场上的血糖仪基本都是通过扎手指的方式进行测量，其准确度很差，而无创血糖仪的准确度只有大约是85％左右。这种血糖仪不能作为诊断依据，只是给医生和患者提供参考。

Claims (6)

1.一种微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，包括光纤探头、激光器(1)、光谱探测器(6)；
所述光纤探头，包括激光通道、拉曼散射收集通道和检测通道；
激光通道内沿入射激光的传播方向依次设置有入射光纤(3)、第一准直透镜(4)、第一滤光片(10)；
所述检测通道通过第一滤光片(10)分别与激光通道和拉曼散射通道相连接；
检测通道内沿入射激光经过第一滤光片(10)反射后得到的反射激光的传播方向依次设置有第二准直透镜(11)、检测光纤(12)、自聚焦透镜(13)；
所述拉曼散射收集通道内沿反射激光的拉曼反射的方向依次设置有第一滤光片(10)、第三准直透镜(5)、采集光纤(9)、第二滤光片(7)；
所述自聚焦透镜(13)的光谱范围为805～906nm；
所述第一滤光片(10)和第二滤光片(7)的对805～906nm光的透过率均大于92％，且对785nm光的反射率均大于等于92％；
所述激光器(1)和激光通道中的入射光纤相连接，所述光谱探测器(6)和拉曼散射收集通道中的第二滤光片(7)相连接；
所述光谱探测器(6)包括数据处理模块，所述数据处理模块用于将接收到的拉曼光谱数据进行归一化处理后，通过偏最小二乘法计算血糖浓度。
2.如权利要求1所述的微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，所述通过偏最小二乘法计算血糖浓度包括：
通过式(1)得到血糖浓度Y：
Y＝f(x)+Error (1)
式(1)中，f(x)为主导因子：
f(x)＝k1x1+k2x2+…+knxn+kn+1x1 2+kn+2x2 2+…+k2nxn 2
其中，n为拉曼光谱数据中与葡萄糖标准拉曼光谱数据位置相同的特征峰的数量，xn为拉曼光谱中与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰面积，k1,k2,…,k2n为第一系数；
Error表示残差，Error＝j1x1′+j2x′2+…+jmx′m+jm+1x1′2+jm+2x′2 2+…+j2mx′m 2
其中，m为拉曼光谱中除过n个与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的数量，x′m为拉曼光谱中除过n个与葡萄糖标准拉曼光谱位置相同的特征峰后其余特征峰的强度，j1,j2,…,j2m为第二系数。
3.如权利要求1所述的微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，还包括腕带(15)，所述自聚焦透镜(13)设置在腕带(15)上。
4.如权利要求3所述的微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，所述自聚焦透镜(13)和腕带(15)之间设有一挡光板(14)。
5.如权利要求1所述的微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，所述入射激光的波长为785nm。
6.如权利要求1所述的微型可穿戴式无创血糖监测仪，其特征在于，所述入射光纤(2)和检测光纤(12)均为105/125um光纤，所述采集光纤(9)为200/220光纤。
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