CN108670269A - 一种基于光散射能量的人体无创血糖测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光散射能量的人体无创血糖测量装置，属于新型数字医疗检测仪器、光谱与光度测量等领域，特别涉及非侵入式人体血糖检测。本发明涉及的一种基于光散射能量的无创血糖测量的基本装置，通过对人体手指尖、手掌、肢体等部位的测量，就可以实时、快速获得有关人体血糖浓度的信息。本发明装置可以工作在可见光及红外谱波段；基于该装置，可以设计制作一种完全无创的血糖监测或检测仪器，并且具有实时快速、无需耗材、无其它不良副作用等优点。本发明涉及的一种基于光散射能量的无创血糖测量装置，主要由发射光源、准直器、散射传感器、直射传感器、信号采集与处理电路等组成。

Description

一种基于光散射能量的人体无创血糖测量装置

技术领域

本发明属于新型数字化医疗检测仪器、光电检测仪器、光谱光度测量等领域，特别涉及非侵入式人体血糖检测技术。

背景技术

糖尿病是危害人类健康的主要疾病之一。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，同时增加了感染机会，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，研究和开发无创的人体血糖检测或监测技术具有非常广泛的应用前景。

国际上，近年来众多研发机构或公司都大力发展新型无创或微创血糖检测及监测技术，其中包括：美国的雅培(Abbott)、Cygnus公司、EchoTherapeutics、C8MediSensors、Grove Instruments、DIRAmed、InLight Solutions等公司，英国的Inverness MedicalTechnology公司、以色列的Integrity Applications公司，韩国的Samsung FineChemicals公司、西班牙的Biocontrol Technology公司等。相关研究或产品采用的技术涉及光学、化学、生物、电磁、声学等多个领域。虽然目前市场上已经出现了众多的无创血糖检测及监测仪器或设备，但是迄今为止，完全无创的人体血糖检测或监测技术尚未达到国际相关标准规定的测量精度要求(ISO15197：当血糖浓度大于4.2mmol/L时，相对误差小于正负20％)。因此现有的无创血糖检测仪产品很难得到各国政府管理部门的批准作为正式的医疗器械进入市场；部分无创血糖仪产品仅仅作为辅助的医疗器械进行推广。

本发明提出一种基于光散射能量的无创血糖检测装置，该装置通过测量人体对入射光能量的散射效果来计算血糖浓度的变化，可以构建一种非侵入式人体血糖检测仪器或设备。在此之前，国内外诸多文献已经公布了多种基于光学原理的无创血糖测量装置或仪器。例如：国内发明CN201210390767.0涉及“一种便携式拉曼光谱无创伤血糖仪”，其特点是利用激光照射人体相关部位并产生与血糖浓度相关的拉曼散射光谱。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”，它通过透射光强差值来计算人体介质衰减系数，从而推断人体血糖值；国内发明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。在上述发明专利中，基本都采用了光谱透射或光谱反射能量的测量方式，并通道光能变化来计算血糖浓度信息。然而，以上发明都没有涉及本发明提出的通过测量光散射能量变化来获取血糖浓度信息的方法。

发明内容

本发明涉及一种基于光散射能量变化的无创血糖测量的基本装置。该装置通过对人体手指尖、手掌、肢体等部位的测量，就可以实时、快速获得有关人体血糖浓度的信息。本发明装置可以工作在可见光及近红外(400nm‐1100nm)或短波红外(1100‐2000nm)光谱波段；基于该装置，可以设计制作一种完全无创的血糖监测或检测仪器，并且具有实时快速检测、无需耗材、无其它不良副作用等优点。

实现本发明的技术解决方案如下。

一种基于光散射能量的无创血糖测量装置；整个装置主要由发射光源、准直器、散射传感器、直射传感器、信号采集与处理电路等组成。工作原理如下：由发射光源发出的具有固定光谱分布和固定功率的光束，经过准直器准直后照射人体相关部位，例如手指指尖或手掌的一侧；该固定功率的光束照射人体相关部位后，一部分光的能量将透过人体部位并形成“直射光束”，而另一部分光的能量将受到人体相关部位散射，形成“散射光束”；由于人体血糖对上述光束同时存在散射、吸收等作用，因此上述“散射光束”的能量与“直射光束”的能量的比例是与血糖浓度相关的；接下来分别采用一个散射传感器和一个直射传感器接收散射光和直射光，就可以分别获得代表散射能量的电信号和代表直射能量的电信号；最后将代表散射能量的电信号和代表直射能量的电信号采集到一套信号采集与处理电路中进行处理和计算，并得到人体血糖浓度信息。

本发明装置的特点之一是在光路中分别采用了一组散射传感器和一组直射传感器，它们可以同时获取代表散射能量的电信号和代表直射能量的电信号；对散射能量的电信号和直射能量的电信号进行比例计算，可以消除发射光源以及光学系统带来的不确定性，从而可以得到稳定的测量结果。

本发明装置的另一特点之是，“散射光束”既可以由前向散射的光路结构产生，也可以由后向散射的光路结构产生，以便获取理想的散射和直射效果。

所述的发射光源，可以采用具有宽光谱能量分布的卤素灯、LED等光源，将这些光源与单色滤光器配合，就可以形成各种波长的单色光源，以便产生理想的散射和直射效果。根据设计需求，该发射光源也可以采用具有固定波长的激光器光源，以便获得更佳的散射效果。

所述的准直器是一种具有固定焦距的透射式或反射式光学系统，它可以将发射光源的发散光束变成准直光束，以便更好的利用光束能量。

所述的散射传感器和直射传感器，是具有一定光敏面积的可见光或红外光电传感器，例如硅(Si)光电传感器或铟镓砷(InGaAs)光电传感器。该光电传感器应该具有与入射光束能量匹配的光能响应度，以便获得理想的光电转换电压信号。

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，可以包括一套AD转换器和一套微型计算机，用于接收光电传感器产生的电信号，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对发射光源、光电传感器的控制等功能。

附图说明

图1是本发明一种基于光散射能量的无创血糖检测装置的组成原理示意图，其中，a是前向散射结构，b是后向散射结构；

图2是本发明一种基于光散射能量的无创血糖检测装置的第一实施例的结构示意图；

图3是本发明一种基于光散射能量的无创血糖检测装置的第二实施例的结构示意图；

图1中标号：1为发射光源，2为准直器，3为被测人体部位，4为散射传感器，5为直射传感器，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。

本发明提供了一种基于光散射能量测量的无创血糖检测装置，如图1所示，其基本组成结构包括发射光源1，准直器2，被测人体部位3，散射传感器4，直射传感器5，信号采集与处理电路6。

本发明提供的一种基于光散射能量的无创血糖检测装置的工作过程为：发射光源1发出的具有固定光谱分布和固定功率的光束，经过准直器2后形成准直光束；准直光束以固定角度照射在被测人体3，并与人体血液组织发生作用，然后形成散射光束和直射光束。分别采用一个散射传感器4和一个直射传感器5接收散射光束和直射光束，可以分别获得代表散射能量的电信号Vs和代表直射能量的电信号Vt；再将散射能量的电信号Vs和直射能量的电信号Vt采集到信号采集与处理电路6中，并进行数据处理和血糖分析计算，最终得到人体血糖浓度信息。

实施例1：一种采用后向散射结构的指尖式无创血糖检测装置，如图2所示。

所述发射光源1采用一种具有固定光谱分布和固定功率的卤素灯光源，准直器2采用一种透射式光学系统；该发射光源经过准直器后形成准直光束；在准直器的后面光路上加入了一个具有固定波长透过率的窄带滤光片，使准直光束变成具有固定波长的单色光；准直光束以固定角度照射在被测人体指尖3，然后形成“后向散射光束”和“直射光束”；分别采用一个Si光电传感器作为散射传感器4和直射传感器5，它们接收散射光束和直射光束，并分别产生代表散射能量的电信号Vs和直射能量的电信号Vt；然后将散射能量的电信号Vs和直射能量的电信号Vt采集到信号采集与处理电路6中；经过信号采集与处理电路后，Vs和Vt将形成数字信号，然后导入一套计算中；计算机对Vs和Vt进行分析和计算，并最终输出血糖浓度信息。

所述的发射光源为一种功率小于5瓦特的卤素灯光源，其在可见光和近红外波段都具有连续的光谱能量分布。

所述窄带滤光片，其中心波长可以在400nm‐1000nm范围内选取，其光谱透过率的带宽约为10nm。

所述的散射传感器4和直射传感器5，都采用一种具有固定光敏面积的硅(Si)探测器，它们在400nm‐1000nm的谱段内具有足够的光谱响应度。

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，并具有A/D转换、发射光源控制、传感器控制等功能，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对发射光源、光电传感器等的控制；血糖的分析和计算在计算机中完成。

实施例2：一种采用前向散射结构的手掌式无创血糖检测装置，如图3所示。

所述发射光源1采用一种自准直的半导体激光器光源，因此在光路中省略了准直器2；由激光器发出的光束以固定角度照射在被测人体手掌的一个表面，并在手掌的另一面形成“后向散射光束”和“直射光束”；分别采用一个Si光电传感器作为散射传感器4和直射传感器5，它们接收手掌的散射光束和直射光束，并分别产生代表散射能量的电信号Vs和代表直射能量的电信号Vt；将代表散射能量的电信号Vs和代表直射能量的电信号Vt采集到信号采集与处理电路6中；并在该信号采集与处理电路中进行分析计算，最终输出血糖浓度信息。

所述的发射光源为一种功率小于300豪瓦的半导体激光器；该激光器的中心波长可以选择在400nm‐1000nm之间，其光谱能量带宽小于10nm。

所述的散射传感器4和直射传感器5，都采用一种具有一定光敏面积的硅(Si)探测器，它们在400nm‐1000nm的谱段内具有足够的光谱响应度。

所述的信号采集与处理电路6，由模拟电路、微型计算机电路、数字显示屏等模块组成，并具有A/D转换、发射光源控制、传感器采样控制、测量结果的分析和计算、测量结果显示等功能。该电路系统还具有人机交互功能，可以在用户的控制下实现对测量装置的控制、数据采集、数据处理等；血糖的计算结果由显示屏输出。

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 (8)

1.一种基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：整个装置主要由发射光源、准直器、被测人体部位、散射传感器、直射传感器、信号采集与处理电路等组成。

2.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：发射光源是一种在可见光和红外波段具有一定光谱功率分布的光源，例如卤素灯、LED、激光器等。

3.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：准直器是一种具有固定焦距的透射式或反射式光学系统，它可以将发射光源的扩散光束变成准直光束，以便更好的利用光束能量。

4.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：散射传感器和直射传感器，是具有一定光敏面积的可见光或红外光电传感器，例如硅(Si)光电传感器或铟镓砷(InGaAs)光电传感器。该光电传感器具有与入射光束能量匹配的光谱响应度。

5.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：信号采集与处理电路由包括传感器信号放大、AD转换器、微型计算机等，它用于控制并接收光电传感器产生的电信号，并进行血糖分析和计算，最终得到血糖浓度信息。

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：在光路中分别采用了一组散射传感器和一组直射传感器，它们分别获取代表散射能量的电信号和代表直射能量的电信号，有助于消除测量过程带来的不确定性，从而可以得到稳定的测量结果。

7.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：散射传感器即可以安装在前向散射光路中，也可以安装在后向散射光路中，以便获取理想的人体血糖信息。

8.根据权利要求1所述的基于光散射能量的无创血糖测量装置，其特征在于：被测人体部位既可以是手指指尖，也可以是手掌、手腕、耳垂等其他部位。