CN107228904B - 一种光致超声的血糖无创检测装置及方法 - Google Patents

一种光致超声的血糖无创检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种光致超声的血糖无创检测装置及方法，包括光源单元、被测组织、环形超声探测器和信号处理装置，光源单元沿光传播方向由激光器、准直透镜和聚焦透镜构成，激光器的出口与准直透镜和聚焦透镜的中心在一条轴线上。信号处理装置包括信号放大器、数字示波器、GPIB‑USB接口卡、计算机和焦距控制器，并依次电气连接；激光器与数字示波器电气连接，环形超声探测器与信号放大器电气连接，聚焦透镜与计算机之间通过焦距控制器电气连接，环形超声探测器与被测组织之间均匀涂抹超声耦合液，环形超声探测器的前端面与被测组织的表面平行紧密接触。本发明公开的一种光致超声的血糖无创检测装置及方法，结构简单、易于实现、适用性强。

Description

一种光致超声的血糖无创检测装置及方法
技术领域
本发明属于生物医疗检测技术领域，具体涉及一种光致超声的血糖无创检测装置及方法。
背景技术
糖尿病正严重威胁着人们的生命健康和生存质量。到目前为止，医学上还没有任何一种特效药或方法可以根治糖尿病，只能是对糖尿病患者自身的血糖浓度和血糖值进行长期监测，并根据监测病情变化来通过药物来加以控制，以此来稳定血糖浓度和避免并发症的产生。因此，血糖浓度及变化趋势进行准确地监测，这对于合理地控制糖尿病来讲至关重要。目前，医学上对血糖浓度进行监测基本上采用的是针刺和静脉抽血检测法，这种方法首先是需要利用针刺破人体皮肤或静脉血管采血，然后利用生化分析仪器(如：酶免反应法或电化学法)来对全血或经过离心机分离的血清进行生化指标分析，获得相应的血糖浓度值，这种方法存在一些弊端，一方面，该方法是对人体组织有损伤的检测方法；另一方面，该检测方法过程繁琐、样品制备复杂、可操作性不高；并且，对于病情严重的糖尿病患者和需要经常监测血糖值变化的患者而言，频繁地进行针刺或静脉抽血，会带来巨大的身心和经济负担，而且易引发二次感染的风险。因此，对血糖浓度进行无损伤地监测是未来治疗糖尿病的发展趋势。目前，已有多种无损检测方法运用于血糖浓度的检测，如：近红外光谱法、中红外光谱法、偏振光法、光学相干层析法、太赫兹法和光致超声法等。其中，光致超声法(又称“光声法”)由于融合了光学和超声技术，利用脉冲激光激发被测组织，由于组织吸收或者释放能量而产生携带能表征被测组织某种属性的超声信号，经过采用高灵敏度的超声探测器捕获产生的超声信号，再通过数据分析处理算法便可以对被测组织中携带某些特征的信号进行解析，从而了解被测组织的具体属性。虽然激发光源是脉冲激光，从激发光源来讲与光谱法类似，但是从捕获的信号来讲，与光谱法截然不同，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，可以提高光致超声信号的信噪比和测量准确度。过去，对血糖进行光声检测，人们主要是采用光路和探测单元固定的检测方式来对被测对象进行血糖光声检测，虽然有一定的效果，但是该结构过于单一，无法满足不同形状检测对象和不同检测部位的需求。并且，这种固定的检测方式，只能对组织中某一个固定深度的血糖浓度进行检测，但是由于不同检测对象和同一检测对象的不同检测部位，其内部深度方向的组织结构是不同的，如果依然采用固定光路和探测单元固定的检测方式，势必会造成不同检测部位检测的结果存在很大差异。另外，到目前为止，人们对利用光声技术来检测血糖浓度，主要是利用光声信号的幅值或者峰峰值来作为光声信号研究的对象。由于实际情况中，系统稳定性(如：脉冲激光器能量稳定性、超声探测器相应频率匹配度和光路系统等)、测量环境(温度、湿度等)和其他信号干扰等，使得所得到的血糖光声信号的幅值和峰峰值存在漂移或不稳定现象，这大大地影响了血糖光声值和血糖浓度预测的准确性。因此，除了对光声检测系统的稳定性、消除测量环境以及其他信号干扰等方面进行提高之外，还需要从技术和方法上来对光声血糖无损检测进行探究。另外，由于实际光声血糖测试时，超声探头的位置和角度会与入射到样品中的光声源产生一定的偏移，使得探测到的血糖光声信号与实际真实血糖光声信号在时间分辨和光声强度等方面存在一定的偏差，从而使得血糖光声测量会造成误差。
发明内容
为了解决血糖光声无创检测存在的上述问题，提供一种结构简单、易于实现的光致超声的血糖无创检测装置及方法。
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：一种光致超声的血糖无创检测装置，包括光源单元1、被测组织2、环形超声探测器3和信号处理装置4，所述光源单元1沿光传播方向由激光器11、准直透镜12和聚焦透镜13构成，所述激光器11的出口与所述准直透镜12和聚焦透镜13的中心在一条轴线上，所述聚焦透镜13内嵌于所述环形超声探测器3内环中，所述环形超声探测器3与所述聚焦透镜13为一体化结构；所述聚焦透镜13为焦距可调式聚焦透镜，所述环形超声探测器3的探测位置随着聚焦透镜13的焦距调节而同步调节；所述信号处理装置4包括信号放大器41、数字示波器42、GPIB-USB接口卡43、计算机44和焦距控制器45；所述信号放大器41、数字示波器42、GPIB-USB接口卡43、计算机44和焦距控制器45之间依次电气连接，所述激光器11与数字示波器42电气连接，所述环形超声探测器3与信号放大器41电气连接，所述聚焦透镜13与计算机44之间通过焦距控制器45电气连接；所述环形超声探测器3与被测组织2之间均匀涂抹超声耦合液，所述环形超声探测器3的前端面与所述被测组织2的表面平行紧密接触。
优选地，所述聚焦透镜13的焦距调节可以通过计算机44向焦距控制器45发送指令调节，也可以手动调节。
优选地，所述环形超声探测器3的环数至少为1环。
优选地，所述被测组织2为生物活体组织、离体组织或溶液。
一种光致超声的血糖无创检测方法，包括以下步骤：
第一步：开启激光器11的电源开关，设置激光器11的能量、频率和激发波长等参数，将激光器11预热约30分钟。
第二步：在已知血糖浓度c1的被测组织2外表面均匀涂抹超声耦合液，再将环形超声探测器3前端面与被测组织2外表面平行紧密接触。
第三步：点击激光器11的光源激发按键，使得一定波长、频率和能量的脉冲激光光束从激光器11出口射出，射出的脉冲激光束依次经过准直透镜12准直和聚焦透镜13聚焦后，将聚焦光束入射到被测组织2中；
第四步：由环形超声探测器3探测被测组织2的血糖光声信号，经过信号放大器41放大后，被数字示波器42进行采集和显示，并且通过GPIB-USB接口卡43将数字示波器42采集到的血糖光声信号送入到计算机44中进行分析和处理，同时保存该被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号波形，并记录下被测组织2的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，根据公式①得到血糖光声信号在被测组织中的声速v1，即：
v1＝D/t1  ①
式中，v1为血糖光声信号在被测组织中的声速；D为血糖激发光声源与环形超声探测器环形中心轴的空间距离，
Figure BDA0001356846200000031
其中，L为聚焦透镜13的焦距，R为聚焦透镜13中心至环形超声探测器13中心环轴的距离；t1为被测组织中血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间；
第五步：调节聚焦透镜13的焦距，获得并保存不同焦距下血糖光声实时信号和记录下该被测组织的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，然后根据公式①得到不同焦距下的血糖光声信号在被测组织中的声速；
第六步：将前一个被测组织2换下，重复第二步至第五步，获得已知血糖浓度c2第二个被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下第二个被测组织2的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间t2，然后再利用公式①，得到第二个被测组织2血糖光声信号的声速v2；以此反复，获得n个已知血糖浓度(c1,c2,...,cn)的被测组织2的血糖光声信号的声速(v1,v2,...,vn)；
第七步：利用数理统计算法，建立上述n个被测组织中不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，即：
C＝A*V  ②
其中，被测组织中血糖浓度矩阵C＝[c1,c2,...,cn]，血糖光声信号的声速矩阵V＝[v1,v2,...,vn]，A＝[a1,a2,...,an]为系数矩阵；
第八步：将未知血糖浓度cx的被测组织2，按照第二步至第五步，获得其被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下该被测组织2的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间tx，并根据公式①获得该被测组织2血糖光声信号的声速vx；然后，根据公式②被测组织2中对应不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，得到被测组织2中不同焦距条件下的血糖浓度值。
与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：
本发明公开的一种光致超声的血糖无创检测装置，采用光源单元和环形超声探测器一体化，以及环形超声探测器内嵌聚焦透镜的结构来获取被测组织的血糖光声信号，不仅可以让超声探测器探测血糖光声信号的同时，而且可以使得光源单元发射的激光光束进入被测组织，使得检测装置结构紧凑、便捷，方便在体的光声血糖浓度无创检测。
本发明公开的一种光致超声的血糖无创检测装置，通过调节聚焦透镜的焦距大小，并能同步调节环形超声探测器的位置，可以使得被测组织的激发光声源位置得到较好地调节，既可以对在体的表皮组织中的血糖进行光声检测，也可以对较深层的血管或皮下组织的血糖进行光声检测，大大提高了检测装置适用的深度范围。
本发明公开的一种光致超声的血糖无创检测装置，采用探测血糖光声信号时间分辨信号，并利用血糖光声信号在被测组织中声速与血糖浓度之间建立相互映射关系模型，来预测在体未知血糖浓度，该方法可以较好地解决血糖光声实时信号漂移等不稳定性因素的影响，大大提高了血糖光声检测的稳定性和准确度。
附图说明
图1为本发明原理示意图。
图2为本发明环形超声探测器与被测组织中血糖光声源距离示意图。
附图标记：1、光源单元；11、激光器；12、准直透镜；13、聚焦透镜；2、被测组织；3、环形超声探测器；4、信号处理装置；41、信号放大器；42、数字示波器；43、GPIB-USB接口卡；44、计算机；45、焦距控制器。
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2，一种光致超声的血糖无创检测装置，包括光源单元1、被测组织2、环形超声探测器3和信号处理装置4，所述光源单元1沿光传播方向由激光器11、准直透镜12和聚焦透镜13构成，所述激光器11的出口与所述准直透镜12和聚焦透镜13的中心在一条轴线上，所述聚焦透镜13内嵌于所述环形超声探测器3内环中，所述环形超声探测器3内环直径与所述聚焦透镜13的外径相等，所述环形超声探测器3与所述聚焦透镜13为一体化结构，不仅可以让环形超声探测器3探测血糖光声信号，而且可以使得光源单元1发射的激光光束进入被测组织，使得检测装置结构紧凑、便捷，方便在体的光声血糖浓度无创检测；所述聚焦透镜13为焦距可调式聚焦透镜，所述环形超声探测器3的探测位置随着聚焦透镜13的焦距调节而同步调节，可以使得被测组织2的激发光声源位置得到较好地调节，既可以对在体的表皮组织中的血糖进行光声检测，也可以对较深层的血管或皮下组织的血糖进行光声检测，大大提高了检测装置适用的深度范围；所述信号处理装置4包括信号放大器41、数字示波器42、GPIB-USB接口卡43、计算机44和焦距控制器45；所述信号放大器41、数字示波器42、GPIB-USB接口卡43、计算机44和焦距控制器45之间依次电气连接，所述激光器11与数字示波器42电气连接，所述环形超声探测器3与信号放大器41电气连接，所述聚焦透镜13与计算机44之间通过焦距控制器45电气连接；所述环形超声探测器3与被测组织2之间均匀涂抹超声耦合液，所述环形超声探测器3的前端面与所述被测组织2的表面平行紧密接触。
进一步地，所述聚焦透镜13的焦距调节可以通过计算机44向焦距控制器45发送指令调节，也可以手动调节，灵活选择，使用方便。
进一步地，所述环形超声探测器3的环数至少为1环。
进一步地，所述被测组织2为生物活体组织、离体组织或溶液，适用范围广。
进一步地，所述计算机44、GPIB-USB接口卡43和数字示波器42三者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。
一种光致超声的血糖无创检测方法，包括以下步骤：
第一步：开启激光器11的电源开关，设置激光器11的能量、频率和激发波长等参数，将激光器11预热约30分钟。
第二步：在已知血糖浓度c1的被测组织2外表面均匀涂抹超声耦合液，再将环形超声探测器3前端面与被测组织2外表面平行紧密接触。
第三步：点击激光器11的光源激发按键，使得一定波长、频率和能量的脉冲激光光束从激光器11出口射出，射出的脉冲激光束依次经过准直透镜12准直和聚焦透镜13聚焦后，将聚焦光束入射到被测组织2中；
第四步：由环形超声探测器3探测被测组织2的血糖光声信号，经过信号放大器41放大后，被数字示波器42进行采集和显示，并且通过GPIB-USB接口卡43将数字示波器42采集到的血糖光声信号送入到计算机44中进行分析和处理，同时保存该被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号波形，并记录下被测组织2的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，根据公式①得到血糖光声信号在被测组织中的声速v1，即：
v1＝D/t1  ①
式中，v1为血糖光声信号在被测组织中的声速；D为血糖激发光声源与环形超声探测器环形中心轴的空间距离，
Figure BDA0001356846200000061
其中，L为聚焦透镜13的焦距，R为聚焦透镜13中心至环形超声探测器13中心环轴的距离；t1为被测组织中血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间；
第五步：调节聚焦透镜13的焦距，获得并保存不同焦距下血糖光声实时信号和记录下该被测组织的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，然后根据公式①得到不同焦距下的血糖光声信号在被测组织中的声速；
第六步：将前一个被测组织2换下，重复第二步至第五步，获得已知血糖浓度c2第二个被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下第二个被测组织2的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间t2，然后再利用公式①，得到第二个被测组织2血糖光声信号的声速v2；以此反复，获得n个已知血糖浓度(c1,c2,...,cn)的被测组织2的血糖光声信号的声速(v1,v2,...,vn)；
第七步：利用数理统计算法，建立上述n个被测组织中不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，即：
C＝A*V  ②
其中，被测组织中血糖浓度矩阵C＝[c1,c2,...,cn]，血糖光声信号的声速矩阵V＝[v1,v2,...,vn]，A＝[a1,a2,...,an]为系数矩阵；
第八步：将未知血糖浓度cx的被测组织2，按照第二步至第五步，获得其被测组织2的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下该被测组织2的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间tx，并根据公式①获得该被测组织2血糖光声信号的声速vx；然后，根据公式②被测组织2中对应不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，得到被测组织2中不同焦距条件下的血糖浓度值。
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)

1.一种光致超声的血糖无创检测方法，其特征在于：所述方法是通过光致超声的血糖无创检测装置实现的，包括以下步骤：
第一步：开启激光器(11)的电源开关，设置激光器(11)的能量、频率和激发波长等参数，将激光器(11)预热约30分钟；
第二步：在已知血糖浓度c1的被测组织(2)外表面均匀涂抹超声耦合液，再将环形超声探测器(3)前端面与被测组织(2)外表面平行紧密接触；
第三步：点击激光器(11)的光源激发按键，使得一定波长、频率和能量的脉冲激光光束从激光器(11)出口射出，射出的脉冲激光束依次经过准直透镜(12)准直和聚焦透镜(13)聚焦后，将聚焦光束入射到被测组织(2)中；
第四步：由环形超声探测器(3)探测被测组织(2)的血糖光声信号，经过信号放大器(41)放大后，被数字示波器(42)进行采集和显示，并且通过GPIB-USB接口卡(43)将数字示波器(42)采集到的血糖光声信号送入到计算机(44)中进行分析和处理，同时保存该被测组织(2)的时间分辨血糖光声实时信号波形，并记录下被测组织(2)的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，根据公式①得到血糖光声信号在被测组织中的声速v1，即：
v1＝D/t1 ①
式中，v1为血糖光声信号在被测组织中的声速；D为血糖激发光声源与环形超声探测器环形中心轴的空间距离，
Figure FDA0004133534230000011
其中，L为聚焦透镜(13)的焦距，R为聚焦透镜(13)中心至环形超声探测器(3)中心环轴的距离；t1为被测组织中血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间；
第五步：调节聚焦透镜(13)的焦距，获得并保存不同焦距下血糖光声实时信号和记录下该被测组织的血糖光声实时信号第一个特征波峰处的时间t1，然后根据公式①得到不同焦距下的血糖光声信号在被测组织中的声速；
第六步：将前一个被测组织(2)换下，重复第二步至第五步，获得已知血糖浓度c2第二个被测组织(2)的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下第二个被测组织(2)的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间t2，然后再利用公式①，得到第二个被测组织(2)血糖光声信号的声速v2；以此反复，获得n个已知血糖浓度c1,c2,...,cn的被测组织(2)的血糖光声信号的声速v1,v2,...,vn；
第七步：利用数理统计算法，建立上述n个被测组织中不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，即：
C＝A*V ②
其中，被测组织中血糖浓度矩阵C＝[c1,c2,...,cn]，血糖光声信号的声速矩阵V＝[v1,v2,...,]，A＝[a1,a2,...,an]为系数矩阵；
第八步：将未知血糖浓度cx的被测组织(2)，按照第二步至第五步，获得其被测组织(2)的时间分辨血糖光声实时信号，以及记录下该被测组织(2)的血糖光声实时信号的第一个特征波长处的时间tx，并根据公式①获得该被测组织(2)血糖光声信号的声速vx；然后，根据公式②被测组织(2)中对应不同焦距下的血糖浓度矩阵C和血糖光声信号的声速矩阵V之间的对应关系，得到被测组织(2)中不同焦距条件下的血糖浓度值；
光致超声的血糖无创检测装置包括光源单元(1)、被测组织(2)、环形超声探测器(3)和信号处理装置(4)，所述光源单元(1)沿光传播方向由激光器(11)、准直透镜(12)和聚焦透镜(13)构成，所述激光器(11)的出口与所述准直透镜(12)和聚焦透镜(13)的中心在一条轴线上，所述聚焦透镜(13)内嵌于所述环形超声探测器(3)内环中，所述环形超声探测器(3)与所述聚焦透镜(13)为一体化结构；所述聚焦透镜(13)为焦距可调式聚焦透镜，所述环形超声探测器(3)的探测位置随着聚焦透镜(13)的焦距调节而同步调节；所述信号处理装置(4)包括信号放大器(41)、数字示波器(42)、GPIB-USB接口卡(43)、计算机(44)和焦距控制器(45)；所述信号放大器(41)、数字示波器(42)、GPIB-USB接口卡(43)、计算机(44)和焦距控制器(45)之间依次电气连接，所述激光器(11)与数字示波器(42)电气连接，所述环形超声探测器(3)与信号放大器(41)电气连接，所述聚焦透镜(13)与计算机(44)之间通过焦距控制器(45)电气连接；所述环形超声探测器(3)与被测组织(2)之间均匀涂抹超声耦合液，所述环形超声探测器(3)的前端面与所述被测组织(2)的表面平行紧密接触；
所述环形超声探测器(3)内环直径与所述聚焦透镜(13)的外径相等。
2.如权利要求1所述的一种光致超声的血糖无创检测方法，其特征在于：所述聚焦透镜(13)的焦距调节可以通过计算机(44)向焦距控制器(45)发送指令调节，也可以手动调节。
3.如权利要求1所述的一种光致超声的血糖无创检测方法，其特征在于：所述环形超声探测器(3)的环数至少为1环。
4.如权利要求3所述的一种光致超声的血糖无创检测方法，其特征在于：所述被测组织(2)为生物活体组织、离体组织或溶液。
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