CN107334477A - 一种双光谱无创血糖检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光谱无创血糖检测装置，属于光学工程及新型医疗检测仪器领域，特别涉及人体无创血糖检测。该装置由照射光源、光学积分球、测量孔、带通滤光片、光电传感器、信号处理电路等部分组成。利用该装置，可以分别搭建工作在由近红外（约1μm）至太赫兹（约100μm）光谱范围内的无创血糖仪。该装置将光源发出的光束引入积分球内，并将人体指尖部位固定在积分球内部指定位置并接受光束的反复照射，然后通过固定在积分球外壁上的两组不同波长的带通滤光片及光电传感器收集反映人体光谱信息的电信号；这些电信号再经过信号处理电路的分析与计算，最终得到血糖浓度信息。

Description

一种双光谱无创血糖检测装置

技术领域

本发明属于光学工程及新型医疗检测仪器领域，具体涉及一种人体无创血糖检测装置。

背景技术

糖尿病是危害人类健康的四大疾病之一, 是一种世界范围内的流行疾病，目前全世界约有10%的成年人身患此病。在我国，据2013年中华医学会糖尿病学分会公布的糖尿病流行病学调查结果，30岁以上人群糖尿病患病率达11.6%，估计全国有1.39亿糖尿病患者。目前糖尿病治疗与控制的基本手段是进行经常性的血糖测定，并以血糖浓度为依据，通过饮食、口服药物或胰岛素注射等方式进行血糖控制。传统的血糖测定方法大都采用生化测量方法，该方法需要通过频繁的抽血或手指扎针取血，这给患者带来很大的痛苦和不便，同时增加了感染的风险，而且这些方法不能进行长期的自我定期测量,更不适合血糖的连续监测。此外，传统的生化血糖测量仪需要消耗大量的血糖试纸，这也给使用者带来诸多不便和经济负担。因此，研究开发无创的人体血糖检测或监测技术可望带来巨大的经济和社会效益。

本发明提出一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置，具有高度原创性。在此之前，国内外曾出现为数众多的基于光谱的无创血糖测量技术，其中包括：国内发明CN201410519530.7涉及的一种基于单色仪的近红外无创便携医疗检测装置，可以实现对人体血糖、血红素等各体征指标的检测；国内发明CN201010143072.3涉及一种无创测量人体血糖的近红外光谱透射方法，它通过透光光强差值来计算人体介质衰减系数，从而推断人体血糖值；可以看出红外光谱分析法在人体血糖检测应用的成熟性。国内发明200520078476.3涉及一种便携式无创血糖监测仪，它采用一种红外光纤光谱仪实现无创血糖浓度监测；国内发明CN99105693.0涉及一种无创伤自测血糖仪，它采用红外发射光源、半透半反分束器、红外滤光片等实现双通道无创血糖检测。上述方法都存在一些问题，其中包括：大多数单光谱通道测量方法容易受到人体及环境因素的影响，其测量精度难以保证。而采用半透半反双光谱通道的测量方式依然存在光路的不对称的因素，其测量精度也受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有完全对称分光结构的双光谱通道无创血糖测量技术。通过对人体手指指尖的测量即可获得带有人体血糖浓度的光谱信息。本无创血糖检测装置可以工作在近红外（约1μm）至太赫兹（约100μm）光谱范围内，搭建不同谱段的无创血糖监测或检测仪器，而且具有完全无创、无副作用、无需耗材、测量精度高、实时快速等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置，其基本组成结构主要包括照射光源、光学积分球、测量孔、主波长带通滤光片、参考波长带通滤光片、光电传感器、信号处理电路。其工作原理是：将人体手指指尖固定在积分球的测量孔内；将照射光源的光束从积分球的入射孔引入积分球并照射人体手指指尖；入射光束被手指指尖反射和透射；被手指指尖反射和透射的光束在积分球内壁经过漫反射后再次照射手指指尖，如此循环往复，最后在手指指尖形成多次反射和透射，并在积分球内壁形成均匀光照强度，此时该均匀光的光谱功率分布受到人体血糖浓度的调制。安装在积分球外壁出射孔上的主波长带通滤光片及光电传感器、参考波长带通滤光片及光电传感器同时进行光电响应，并获取两个波长的光谱强度信息，即产生两组电压（或电流）信号。将该两组电压信号引入数据处理电路中进行分析和计算，最终得到血糖浓度信息。

所述照射光源，可以采用具有稳定发射功率的宽谱带光源，例如卤素灯，也可以采用其它类型的光源，例如脉冲式闪光光源；根据测量波段的需要，该测量光源的发射光谱能量可以均匀分布在近红外（约1μm）至太赫兹（约100μm）的某一谱带范围内。

所述光学积分球，其球壁上的固定位置包含了一个入射孔、一个测量孔、两个出射孔；入射孔用于接收光源的光束能量；测量孔用于固定被测人体手指指尖；两个出射孔都用于安装滤光片和光电传感器；积分球内壁涂覆了具有高反射比的材料，可以对入射到积分球内的光束进行均匀漫反射，并在积分球内壁形成均匀光照强度。

所述的主波长带通滤光片及光电传感器、参考波长带通滤光片及光电传感器，分别安装在积分球外壁的出射孔上。两组滤光片及光电传感器的光谱响应中心波长分别与人体血糖吸收光谱的两个特征波长相对应，它们可以同时对积分球的出射光谱功率进行光电转换，最终形成包含了光谱功率分布信息的电压或电流信号。

所述的信号处理电路，既可以采用一套模拟处理电路，也可以采用一套数字化处理电路，包括AD转换器和微型计算机；它们用于接收两组光电传感器输出的电压或电流信号，然后对两组信号的差异进行分析计算，最终得到血糖浓度信息。

附图说明

图1是本发明一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置的组成原理示意图。

图2是本发明一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置第一实施例的结构示意图。

图3是本发明一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置第二实施例的结构示意图。

图1中标号：1为照射光源，2为光学积分球，3为测量孔，4为主波长滤光片，5为主波长光电传感器，6为参考波长滤光片，7为参考波长光电传感器，8为信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置，如图1所示，其基本功能结构包括照射光源1，光学积分球2，测量孔3，主波长滤光片4，主波长光电传感器5，参考波长滤光片6，参考波长光电传感器7，信号处理电路8。

本发明提供的一种采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置的工作过程为：照射光源1发出的具有连续光谱的光束从光学积分球2的入射孔进入光学积分球2，并照射在测量孔3内部待测人体手指指尖位置；所述测量孔3固定在光学积分球2内部；该光束被手指指尖反射和透射后照射在光学积分球2的内壁上，并经过光学积分球2内壁的多次反射，然后再次经过手指指尖的反射和透射，如此循环往复，结果导致光束的能量受到手指血液内包含的人体血糖的充分吸收，形成了与血糖浓度有关的光谱能量分布。被手指充分反射和透射的光束在光学积分球2的内壁上形成均匀光照度，然后分别经过两个出射孔进入主波长滤光片4和主波长光电传感器5、参考波长滤光片6和参考波长光电传感器7，并分别由主波长光电传感器5和参考波长光电传感器7产生主波长电压信号（或电流）以及参考波长电压信号（或电流）；这两组电压信号分别反映了人体指尖血糖对不同波长的光谱吸收程度；将该两组电压信号引入信号处理电路8中进行分析和计算，最终得到血糖浓度信息。

实施例1：工作在短波红外波段（1-2μm）的采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置，如图2所示。

所述照射光源1采用卤素钨丝灯，其在1μm至2μm的红外谱段内具有连续的光谱分布；该光源发出的光束经过一个汇聚透镜形成准直光束，然后进入积分球2中，并照射在测量孔3内的人体指尖。

所述光学积分球2，其内壁涂覆红外反射材料；光学积分球2内部直径约等于测量孔3直径的5-10倍。

所述的主波长滤光片4和参考波长滤光片6都采用一种窄带滤光片，这两种窄带滤光片的中心波长分别位于1-2μm光谱范围内的不同波长位置。其半高宽度约40nm，或者根据需要进行设计。

所述的主波长光电传感器5和参考波长光电传感器7都采用一种铟镓砷红外传感器，该传感器在1-2μm光谱范围内具有较高的灵敏度。

所述的信号处理电路8采用一种具有直流差分放大功能和显示功能的模拟电路；该电路将主波长电压信号和参考波长电压信号分别引入直流差分放大器的正负输入端，实现减法运算，并得到血糖浓度值；血糖浓度结果由显示模块显示。

实施例2：工作在热红外波段（7-14μm）的采用光学积分球均匀分光的双光谱无创血糖检测装置，如图3所示。

所述照射光源1采用一种具有反射式聚光镜的红外光源，其在7μm至14μm的红外谱段内具有连续的光谱分布；该光源发出的准直光束经过积分球2的入射孔进入积分球中，并照射在测量孔3内的人体指尖。

所述光学积分球2，其内壁涂覆红外反射材料；光学积分球2内部直径约等于测量孔3直径的5-10倍。

所述的主波长滤光片4和参考波长滤光片6都采用一种窄带滤光片，这两种窄带滤光片的中心波长分别位于7-14μm光谱范围内的不同波长位置，其半高宽度约50nm，或者根据需要进行设计。

所述的主波长光电传感器5和参考波长光电传感器7都采用一种碲镉汞红外传感器，该传感器在7-14μm光谱范围内具有较高的灵敏度。

所述的信号处理电路8采用一套微型计算机并包括AD转换模块；该电路将主波长电压信号和参考波长电压信号分别转换为数字信号，并由计算机进行分析计算，得到血糖浓度结果并由计算机的显示器实时显示。

以上所列举的两个实施例仅为本发明的较好实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：包括测量光源、光学积分球、测量孔、主波长带通滤光片、参考波长带通滤光片、光电传感器、信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：测量光源的发射光谱能量可以分布在近红外(约1μm)至太赫兹(约100μm)的范围内；测量光源既可以采用具有稳定发射功率的宽谱带光源，例如卤素灯，也可以采用其它类型的光源，例如脉冲式闪光光源。

3.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：光学积分球用于收集来自测量光源的光束能量，并在积分球内部反复照射待测人体手指；该积分球内壁涂覆高反射比的材料。

4.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：在积分球外壁开孔位置安装了两组具有不同中心波长的带通滤光片及光电传感器；两组滤光片分别为主波长滤光片和参考波长滤光片，它们分别被固定在积分球外壁的不同开孔位置。

5.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：在积分球外壁上可以安装多组带通滤光片和光电传感器，以便收集更丰富的光谱信息。

6.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：信号处理电路可以采用一套模拟处理电路，它将主波长信号与参考波长信号进行比较运算，得到血糖浓度信息。

7.根据权利要求1所述的双光谱无创血糖检测装置，其特征在于：信号处理电路也可以采用一套数字化处理电路，包括AD转换器和微型计算机；它们将主波长信号与参考波长信号进行数字化比较运算，得到血糖浓度信息。