CN107684431A - 一种基于阵列ccd的无创便携式血糖仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，包括LED光源，透镜，光纤距离传感器，手指槽，驱动电路，阵列CCD传感器，ARM芯片，存储器，蓝牙芯片，电源模块。本发明基于Beer‑Lambert定律，利用阵列CCD传感器分别记录测试光源和参考光源两种情况下手指的透射光的图像数据，通过数据处理得到葡萄糖对吸光度的影响大小。利用光纤距离传感器测量光程长度的大小，通过曲线拟合方法得到葡萄糖浓度与吸光度、光程长度两者间的表达式，利用该表达式即可根据吸光度、光程长度的数据计算得到测试者的血糖浓度，通过移动设备显示并保存结果。本发明具有便携、成本低廉、简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种血糖浓度检测装置，尤其涉及一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪。
背景技术
根据2015年统计，我国目前有糖尿病患者约为1.14亿人，糖尿病成为严重影响我国公民健康的主要问题之一。糖尿病危害巨大，主要是其严重的并发症，如心血管疾病、肾脏、眼病、神经病变及糖尿病足等。目前糖尿病没有有效根治的办法，控制血糖浓度是唯一的治疗方案。及时进行血糖浓度检测，对于控制糖尿病、防止并发症的发生，提高糖尿病患者的生活质量具有十分重要的意义。目前，在血糖浓度的检测领域，绝大多数都是通过有创血糖仪进行检测，在检测过程中需要采血，会给人们带来创伤和疼痛感，以及伤口被感染的风险。目前市面上的无创血糖仪价格昂贵，例如以色列盈通格利有限公司研制的糖无忌(GlucoTrack)无创血糖仪，在市面上的售价为17500元。
目前对无创血糖浓度的测量方案有很多，主要是通过扫描人体皮肤、皮下组织液、血液或者唾液。例如申请号为201110234694.1的专利涉及一种便携式无创血糖监测仪，采取人的唾液进行血糖浓度的测量，这种测量方法受测试者测试前是否进食的影响较大。又例如申请号为201210390767.0的专利涉及到一种便携式拉曼光谱无创伤血糖仪，测量光斑照射到手臂上产生的拉曼散射光，然后采用拉曼光谱分析方法计算得到血糖浓度。这种方法的缺点是拉曼光谱信号非常微弱，仪器成本高昂，在实际使用中受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，该血糖仪具有无创、便携、成本低的优点。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，由LED光源(1)，透镜(2)，光纤距离传感器(3)，手指槽(4)，驱动电路(5)，阵列CCD传感器(6)，ARM芯片(7)，存储器(8)，蓝牙芯片(9)，电源模块(10)构成；其特征在于，所述的LED光源(1)安装在血糖仪的顶部，透镜(2)安装在LED光源(1)的正下方，光纤距离传感器(3)安装在手指槽(4)的上表面，手指槽(4)安装在透镜(2)的正下方，驱动电路(5)与各电路部件相连，阵列CCD传感器(6)安装在手指槽(4)正下方，阵列CCD传感器(6)与ARM芯片(7)相连，ARM芯片(7)安装在血糖仪的底端，存储器(8)与ARM芯片(7)相连，蓝牙芯片(9)与存储器(8)相连，蓝牙芯片(9)与移动设备进行无线传输连接，电源模块(10)安装在血糖仪的边缘并与整个电路相连。
所述的LED光源(1)包括白光光源(101)用于发射白光，测试光源(102)用于发射1610nm的近红外光，参考光源(103)用于发射1310nm的近红外光，三个光源并排安装。
所述的透镜(2)安装在LED光源(1)下方，使测试光源(102)和参考光源(103)发出的光通过透镜(2)后形成光强相同，宽度相等的两束平行光。
所述的光纤距离传感器(3)包括光纤(301)、Y型光纤探头(302)、光纤(303)、探测器(304)，其中光纤(301)与白光光源(101)和Y型光纤探头(302)的输入端相连，Y型光钎探头(302)安装在手指槽(4)的上表面，光纤(303)与Y型光纤探头(302)的输出端和探测器(304)相连，探测器(304)和阵列CCD传感器(6)相连；所述的光纤距离传感器(3)用于测量光程长度的大小。
所述的手指槽(4)的大小为深度2cm，宽度2cm，高度2cm的方槽，手指槽(4)的材料为亚克力板，具有良好的透光性。
所述的驱动电路(5)与LED光源(1)、光纤距离传感器(3)、阵列CCD传感器(6)、ARM芯片(7)、存储器(8)、蓝牙芯片(9)、电源模块(10)相连，用于驱动各部分电路工作。
所述的阵列CCD传感器(6)型号为TCD-1304，3648像素，最小单元为8um，安装在手指槽(4)正下方，用于获取平行光经过手指吸收后的透射光的图像数据，并将数据传输给ARM芯片(7)。
所述的ARM芯片(7)与阵列CCD传感器(6)相连，用于驱动阵列CCD传感器(6)工作，获取透射光的图像数据和光纤距离传感器(3)获得的光程长度的数据，并对获得的数据进行处理。
所述的存储器(8)与ARM芯片(7)相连，用于存储处理后的血糖浓度数据。
所述的蓝牙芯片(9)与存储器(8)相连，通过蓝牙无线传输，将处理后的血糖浓度数据传输给移动设备，并通过移动设备显示出来，将血糖浓度数据保存在移动设备中。
所述的电源模块(10)为整个装置供电。
所述的血糖仪的尺寸为长8cm，宽6cm，高5cm。
本发明的有益之处在于：
1.利用阵列CCD传感器记录透射光强，测量范围大，避免了单点测量带来的误差。
2.利用光纤距离传感器测量光程长度大小，自动补偿由于手指厚度不同导致的误差，提高了测量准确度。
3.血糖仪的体积小，通过蓝牙芯片与移动设备进行无线连接，并在移动设备中显示血糖浓度，使用方便，便于携带。
附图说明
下面结合附图及其具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的白光光源工作示意图；
图3为本发明的测试光源工作示意图；
图4为本发明的参考光源工作示意图。
1为LED光源，101为白光光源，102为测试光源，103为参考光源，2为透镜，3为光纤距离传感器，301为光纤，302为Y型光纤探头，303为光纤，304为探测器，4为手指槽，5为驱动电路，6为阵列CCD传感器，7为ARM芯片，8为存储器，9为蓝牙芯片，10为电源模块。
具体实施方法
如图1所示的一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，由LED光源1，透镜2，光纤距离传感器3，手指槽4，驱动电路5，阵列CCD传感器6，ARM芯片7，存储器8，蓝牙芯片9，电源模块10构成。所述的LED光源1安装在血糖仪的顶部，透镜2安装在LED光源1的正下方，光纤距离传感器3安装在手指槽4的上表面，手指槽4安装在透镜2的正下方，驱动电路5与各电路部件相连，阵列CCD传感器6安装在手指槽4正下方，阵列CCD传感器6与ARM芯片7相连，ARM芯片7安装在血糖仪的底端，存储器8与ARM芯片7相连，蓝牙芯片9与存储器8相连，蓝牙芯片9与移动设备进行无线传输连接，电源模块10安装在血糖仪的边缘并与整个电路相连。
近红外光谱进行葡萄糖浓度测量的理论依据为Beer-Lambert定律，血液中的葡萄糖在倍频区的主要吸收峰为1613nm，在1310nm处葡萄糖的吸收很小，而血液中的血红蛋白、血浆、血细胞以及其他成分在这两种波长下的吸收均很小，因此我们选用波长为1610nm的LED光源作为测试光源，波长为1310nm的LED光源作为参考光源。
根据Beer-Lambert定律：
其中A是吸光度，I是透射光强，I0是入射光强，T是透过率，ε是摩尔吸光系数，b是光程长度，C是溶液的摩尔浓度。对于1610nm吸收波长，葡萄糖的摩尔吸光系数ε为常数。
如图2所示，白光光源101发射白光，通过光纤301将光传输到Y型光纤探头302，光从Y型光纤探头302传输到手指槽4下表面后发生反射，反射光通过光纤303传输到探测器304，探测器304将电压信号通过导线传输到ARM芯片7中，ARM芯片7对获得的电压信号进行处理，得到Y型光纤探头302到手指槽4下表面的距离b1。当测试者手指放入手指槽4中时，光从Y型光纤探头302传输到手指上表面后发生反射，光纤距离传感器3测得此时Y型光纤探头302到手指上表面的距离b2，然后通过ARM芯片7进行数据处理，得到葡萄糖的吸收光程长度b＝b1-b2。
如图3所示，测试光源102发出1610nm的近红外光，通过透镜2形成一束光强为I0的平行光，经过手指吸收后产生透射光I1，阵列CCD传感器6获取手指透射光的图像数据，并将数据传输给ARM芯片7，完成一次透射光I1的图像数据的采集。
如图4所示，参考光源103发出1310nm的近红外光，通过透镜2形成一束光强为I0的平行光，经过手指吸收后产生透射光I2，阵列CCD传感器6获取手指透射光的图像数据，并将数据传输给ARM芯片7，完成一次透射光I2的图像数据的采集，利用ARM芯片7计算I2与I1的比值得到吸光度A的大小。
采用上述方法，利用本发明所设计的无创血糖仪对一组已知血糖浓度C的测试者进行测试，测得每个测试者对应的吸光度A和光程长度b的数据，利用这些数据通过曲线拟合，可以得到血糖浓度C与吸光度A、光程长度b之间的表达式，通过多组实验数据进行多次拟合，减少误差，得到最终的表达式并保存到ARM芯片7中。利用该表达式即可根据吸光度A和光程长度b的数据计算得到被测者的血糖浓度，将计算得到的血糖浓度的数据存储到存储器8中，通过蓝牙芯片9将数据传输给移动设备，并在移动设备中显示出来，完成血糖浓度的测量。
一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，其工作方式为：
第一步，血糖仪打开后，电源10工作，在驱动电路5的驱动下，白光光源101发射白光，通过光纤301将光传输到Y型光纤探头302，光从Y型光纤探头302传输到手指槽4下表面后发生反射，反射光通过光纤303传输到探测器304，探测器304将电压信号通过导线传输到ARM芯片7中，ARM芯片7对获得的电压信号进行处理，得到Y型光纤探头302到手指槽4下表面的距离b1。
第二步，当测试者手指放入手指槽4中时，光从Y型光纤探头302传输到手指上表面后发生反射，光纤距离传感器3测得此时Y型光纤探头302到手指上表面的距离b2，然后通过ARM芯片7进行数据处理，得到葡萄糖的吸收光程长度b＝b1-b2。此时b＞0，1秒延迟后产生电信号驱动测试光源102工作，测试光源102发出1610nm的近红外光，通过其下方的透镜2形成一束光强为I0的平行光，经过手指吸收后产生透射光I1，阵列CCD传感器6获取手指透射光的图像数据，并将数据传输给ARM芯片7，完成一次透射光I1的图像数据的采集。
第三步，产生电信号使得测试光源102关闭，参考光源103开始工作，参考光源103发出1310nm的近红外光，通过透镜2形成一束光强为I0的平行光，经过手指吸收后产生透射光I2，阵列CCD传感器6获取手指透射光的图像数据，并将数据传输给ARM芯片7，完成一次透射光I2的图像数据的采集，利用ARM芯片7进行数据处理得到吸光度A。
第四步，根据预先拟合得到的血糖浓度C与吸光度A、光程长度b间的表达式，利用该表达式即可根据测得的吸光度A和光程长度b的数据计算得到被测者的血糖浓度C，将计算得到的血糖浓度的数据存储到存储器8中，通过蓝牙芯片9将数据传输给移动设备，并通过移动设备显示出来，完成血糖浓度的测量。
Claims (5)
1.一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，由LED光源(1)，透镜(2)，光纤距离传感器(3)，手指槽(4)，驱动电路(5)，阵列CCD传感器(6)，ARM芯片(7)，存储器(8)，蓝牙芯片(9)，电源模块(10)构成；其特征在于，所述的LED光源(1)安装在血糖仪的顶部，透镜(2)安装在LED光源(1)的正下方，光纤距离传感器(3)安装在手指槽(4)的上表面，手指槽(4)安装在透镜(2)的正下方，驱动电路(5)与各电路部件相连，阵列CCD传感器(6)安装在手指槽(4)正下方，阵列CCD传感器(6)与ARM芯片(7)相连，ARM芯片(7)安装在血糖仪的底端，存储器(8)与ARM芯片(7)相连，蓝牙芯片(9)与存储器(8)相连，蓝牙芯片(9)与移动设备进行无线传输连接，电源模块(10)安装在血糖仪的边缘并与整个电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，其特征在于，所述的LED光源(1)包括白光光源(101)用于发射白光，测试光源(102)用于发射1610nm的近红外光，参考光源(103)用于发射1310nm的近红外光，三个光源并排安装。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，其特征在于，所述的透镜(2)安装在LED光源(1)下方，使测试光源(102)和参考光源(103)发出的光通过透镜(2)后形成光强相同，宽度相等的两束平行光。
4.根据权利要求1所述的一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，其特征在于，所述的光纤距离传感器(3)包括光纤(301)、Y型光纤探头(302)、光纤(303)、探测器(304)，其中光纤(301)与白光光源(101)和Y型光纤探头(302)的输入端相连，Y型光钎探头(302)安装在手指槽(4)的上表面，光纤(303)与Y型光纤探头(302)的输出端和探测器(304)相连，探测器(304)和阵列CCD传感器(6)相连；所述的光纤距离传感器(3)用于测量光程长度的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列CCD的无创便携式血糖仪，其特征在于，所述的阵列CCD传感器(6)型号为TCD-1304，3648像素，最小单元为8um，安装在手指槽(4)正下方，用于获取平行光经过手指吸收作用后的透射光强的图像数据，并将数据传输给ARM芯片(7)。
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