CN108593593A - 串行双红外光谱无创血糖测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用串行双红外光谱检测与分析的无创血糖测量装置，属于光学测量及新型医疗检测仪器领域，特别涉及非侵入式人体血糖检测。该装置主要由宽带红外光源、双滤光片切换器、红外光电传感器、信号采集与处理电路等组成。该装置采用透射式光谱测量方式；将宽带红外光源发出的光束照射在被测人体相关部位，如指尖、手掌，使光束穿透人体组织并与血液发生作用，然后进入一个串行双滤光片切换器中；该双滤光片切换器采用串行工作方式，依次使两种不同波长的光束通过滤光片，然后由一个单元红外光电传感器接收。信号采集与处理器将红外光电传感器的电信号转换为数字信号，并对两种不同波长的信号进行分析计算，最终得到人体血糖浓度信息。
Description
技术领域
本发明属于光度、光谱测量以及新型医疗检测仪器领域，特别涉及非侵入式人体血糖检测技术。
背景技术
传统的血糖检测或监测技术大都采用所谓“侵入式”测量方法，该类方法在测量过程中需要进行频繁的抽血或手指扎针取血，然后对血液进行分析，这给患者带来很大的痛苦和不便，同时增加了感染机率。此外，传统的“侵入式”测量方法还存在以下缺点：(1)不便于进行多次连续测量，这给血糖的连续监测带来困难。(2)测量过程中需要借助血糖试纸等耗材，增加了使用成本，这给广大患者带来诸多不便和经济负担。因此，研究开发完全无创的人体血糖检测或监测技术具有巨大的经济和社会效益，这也是该领域的广大科技工作者面临的一个巨大挑战。
本发明提出一种采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，它拥有组成非侵入式人体血糖检测仪器或设备的基本技术，并具有原创性。在此之前，国内外诸多文献已经公布了多种基于光谱测量的无创血糖测量装置或仪器。例如：国内发明CN201510411364.3涉及一种“手指式无创血糖仪”，其特点是采用LED和光学探针作为照射光源和采样结构；国内发明CN201510683372.3涉及一种“基于近红外光谱法进行无创血糖测试的血糖仪”，其特点是采用近红外光束照射人体皮肤表面，并对人体反射的光进行检测；国内发明CN201410205838.4涉及一种“透射式无创血糖检测装置”，其特点是采用单波长、固定功率近红外波段激光照射人体部位；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；国内实用新型200520078476.3涉及一种便携式无创血糖监测仪，其特点是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。在上述专利中，大都采用了两个光谱通道进行比较测量，以便从中提取有效信息。但是它们都没有采用本发明提出的单通道双光谱检测的方法，因此存在双通道的非一致性例如光源发光的非一致性、探测器的非一致性造成的误差问题；本发明提出的串行单通道双光谱的检测方法，由于采用了单一光源和单一传感器，因此可以有效避免上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时有效的无创血糖测量技术，通过对人体手指尖、手掌等部位的测量即可快速获得带有人体血糖浓度的光谱信息。本发明装置可以工作在近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)光谱波段；利用该装置可以设计及制作具有实用价值的、完全无创的血糖监测或检测仪器，而且还具有实时快速检测、无需耗材、无其它副作用等优点。
实现本发明的技术解决方案为：
一种采用串行双红外光谱的无创血糖测量装置；整个装置主要由宽带红外光源、测量孔、双滤光片切换器、红外光电传感器、信号采集与处理电路等组成。工作原理如下：采用透射式光谱测量方式，将被测人体相关部位，例如人手指尖或手掌表面放置在测量孔的一侧，然后将宽带红外光源发出的光束照射在被测人体相关部位，并使光束穿透人体组织并与血糖发生作用；透过人体组织的光束进入一个串行双滤光片切换器中；该双滤光片切换器采用串行切换方式，通过滤光片的快速切换，依次使两种不同波长的光束通过滤光片，然后由一个单元红外光电传感器接收。信号采集与处理电路将红外光电传感器的电信号转换为数字信号，然后对两种不同波长的信号进行分析计算，最终得到人体血糖浓度信息，信号采集与处理器同时还承担双滤光片切换、光源控制等功能。本发明装置的最大特点是采用了一套具有快速切换功能的双滤光片切换器，其中包含两种不同中心波长的滤光片，从而实现单通道、双光谱的测量方式，并有效避免了采用多路发光器件及探测器件带来的相对误差。利用本发明装置，可以设计并制作工作在近红外(800nm-1100nm)、短波红外(1000-1800nm)等波段的无创血糖测量仪器，具有完全无创、实时快速、无副作用、无需耗材等优点。
所述的宽带红外光源的发射光谱能量分布在近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)光谱范围内；该宽带红外光源既可以采用具有稳定发射功率的卤素灯光源，也可以采用其它类型的红外光源，例如热发射红外光源、脉冲式闪光光源等。
所述的双滤光片切换器由两种具有不同中心波长的带通红外滤光片组合而成；该两种滤光片的中心波长根据血糖的光谱吸收特性进行设计，可以分布在近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)范围内，并具有快速切换功能；每次切换只允许一定波长范围的光束透过其中一种滤光片。
所述的红外光电传感器具有近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)的光谱灵敏度，例如硅(Si)探测器或铟镓砷(InGaAs)探测器。该红外光电传感器位于双滤光片切换器之后，可以将光谱能量信息转换为相应的电压信号。
所述的信号采集与处理电路，由一套模拟电路和数字电路组成，包括AD转换器和微型计算机，用于接收红外光电传感器产生的电压信号，并进行血糖分析和计算，最终得到血糖浓度信息。该信号采集与处理器同时还具有双滤光片切换、光源控制等功能。
附图说明
图1是本发明采用串行双红外光谱的无创血糖测量装置的组成原理示意图；
图2是本发明采用串行双红外光谱的无创血糖测量装置的第一实施例的结构示意图；
图3是本发明采用串行双红外光谱的无创血糖测量装置的第二实施例的结构示意图；
图1中标号：1为宽带红外光源，2为被测人体，3为测量孔，4为双滤光片切换器，5为红外传感器，6为信号采集与处理电路。
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串行双红外光谱的无创血糖检测装置，如图1所示，其基本功能结构包括宽带红外光源1，被测人体2，测量孔3，双滤光片切换器4，红外传感器5，信号采集与处理电路6。
本发明提供的一种采用串行双红外光谱检测与分析的无创血糖检测装置的工作过程为：宽带红外光源1发出的具有连续光谱分布的光束照射在被测人体2并穿透人体组织，该光束被人体血糖吸收部分光谱的能量后进入测量孔3；由测量孔3出射的光束进入双滤光片切换器4；双滤光片切换器4具有λ1和λ2两种波长的带通滤光片，它依次选择λ1和λ2两种波长的光束透过；透过双滤光片切换器4的λ1和λ2光束由红外传感器5接收，并分别产生V1和V2两种电压信号，该两种电压信号分别反映了人体血糖对不同波长的光谱能量的吸收程度；信号采集与处理电路6将V1和V2两种电压信号转换为数字信号，并在微型计算机中进行分析和计算，最终得到血糖浓度信息。
实施例1：工作在近红外波段(800nm-1100nm)的采用串行双红外光谱检测与分析的手掌式无创血糖检测装置，如图2所示。
所述红外光源1采用一种带有反光镜的卤素灯光源，该光源在800nm-1100nm的谱段内具有连续的光谱分布；该光源发出的光束经过反射镜后照射在被测人体手掌的一个表面，然后穿透手掌并通过测量孔进入暗盒中的双滤光片切换器4中；由双滤光片切换器4出射的光束进入红外传感器5并产生电压信号V，该电压信号由信号采集与处理电路6接收，然后经USB接口传递到计算机中进行分析和计算，最终得到血糖浓度信息。
所述双滤光片切换器4，采用一种电动推拉式切换结构，它在信号采集与处理电路的控制下实现两种波长滤光片的快速切换；两种滤光片的中心波长位于800nm-1100nm范围内；人体血糖对该两种不同波长的光具有不同的吸收率。
所述的红外传感器5，采用一种单元的硅(Si)探测器，它在800nm-1100nm的谱段内具有均匀的光谱响应度。
所述的信号采集与处理电路6，由模拟电路和数字电路组成，具有A/D转换、滤光片切换控制等功能，其中A/D转换的量化精度为12bit；该电路通过USB电缆与一套计算机连接，并在计算机程序的控制下实现A/D转换、滤光片切换等功能；血糖的分析和计算在计算机中完成。
实施例2：工作在短波红外波段(1000nm-1800nm)的采用串行双红外光谱检测与分析的指尖式无创血糖检测装置，如图3所示。
所述红外光源1采用一种带有准直透镜的热发射光源，该光源在1000nm-1800nm的谱段内具有连续的光谱分布；该光源发出的光束经过准直透镜后照射在被测人体指尖的一个表面，然后穿透指尖进入测量孔3，再进入双滤光片切换器4中；由双滤光片切换器4出射的光束进入遮光罩内的红外传感器5并产生电压信号V，该电压信号由信号采集与处理电路6接收，并由该电路进行分析计算，最后在显示器上显示血糖信息。
所述双滤光片切换器4，采用一种电磁驱动方式，它在信号采集与处理电路的控制下实现两种波长的快速切换；两种滤光片的中心波长位于1000nm-1800nm范围内；人体血糖对该两种不同波长的光具有不同的吸收率。
所述的红外传感器5，采用一种单元的铟镓砷(InGaAs)探测器，它在1000nm-1800nm的谱段内具有较高的光谱响应度。
所述的信号采集与处理电路6，由一套模拟电路、数字电路以及微型计算机组成，具有A/D转换、滤光片切换控制、数据分析计算等功能；其中A/D转换的量化精度为12bit；血糖的分析、计算、显示等都由该信号采集与处理电路完成。
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 (9)
1.一种采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：整个装置由宽带红外光源、测量孔、双滤光片切换器、红外光电传感器、信号采集与处理电路等部分组成。
2.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：宽带红外光源的发射光谱能量分布在近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)光谱范围内；该宽带红外光源既可以采用具有稳定发射功率的卤素灯光源，也可以采用其它类型的红外光源，例如热发射红外光源。
3.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：双滤光片切换器由两种具有不同中心波长的带通红外滤光片组合而成，该两种滤光片的中心波长根据血糖的光谱吸收特性进行设计，可以分布在近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)范围内，并具有快速切换功能；每次切换只允许一种滤光片的光束透过。
4.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：红外光电传感器具有近红外(800nm-1100nm)或短波红外(1000-1800nm)的光谱灵敏度；该红外光电传感器位于双滤光片切换器之后，可以将光谱能量信息转换为对应的电压信号。
5.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：信号采集与处理电路由一套模拟电路和数字电路组成，包括AD转换器和微型计算机，用于接收红外光电传感器产生的电信号，并进行血糖分析和计算。
6.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：信号采集与处理器同时还具有双滤光片切换、光源控制等功能。
7.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：双滤光片切换器可以采用多种结构，即可以采用推拉式切换结构，也可以采用转轮式切换结构。
8.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：双滤光片切换器即可以位于被测人体部位与宽带红外光源之间，也可以位于被测人体部位与红外光电传感器之间。
9.根据权利要求1所述的采用串行双红外光谱的无创血糖检测装置，其特征在于：双滤光片切换器可以提升为包含3个滤光片或多个滤光片的切换器。
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