CN109381197A - 基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置及其检测方法。本发明采用将手指伸入测量腔体，近红外宽光源发出宽带的入射光，从手指穿出由微型多光谱摄像头接收，各点光强转化为影像经微控制器传输至计算机，根据皮肤背景和毛细血管处不同波长的透射光强解算出对应的血糖浓度；本发明能够适应不同粗细的手指，方便测量，提高无创血糖仪使用的便捷性和通用性；能够克服不同人群组织层厚度、肤色不同的个体差异，具有更高的准确性和鲁棒性，适用不同人群；由计算机计算，对设备装置的性能和功耗要求较低，节省了成本，便于家庭使用；血糖解算工作交由计算机软件完成，因此能够不断更新，使用者不需要重复购买设备，只需更新软件即可。
Description
技术领域
本发明涉及医疗检测领域，具体涉及一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置及其检测方法。
背景技术
血糖检测是糖尿病患者进行自我血糖管理的必备工具。目前，市面上可购买到的血糖仪主要是有创或微创的血糖仪。无论是有创还是微创血糖仪，都属于侵入式血糖仪，需要采集患者的血液作为测量样本，因此需要刺破患者手指或小臂采集血液样本。这种血糖检测方法不仅会给患者带来疼痛，还容易导致伤口感染，给患者带来二次伤害。不仅如此，侵入式血糖仪中使用的血液采集工具(针管和试纸)属于一次性耗材，使得每次测量的成本消耗量大，给糖尿病患者带来一定的经济压力。基于以上考虑，一种不需要以血液作为测量样本的血糖检测设备成为广大糖尿病患者和医生的迫切需求。
2014年，美国雅培糖尿病护理公司推出了用于动态实时监测血糖的仪器——瞬感动态血糖仪获得了欧洲的CE认证，并于2016年获得了美国的FDA认证和中国国家食品药品监督管理局批准(注册证号：国械注进20163212472)。瞬感动态血糖仪的测量方式是将一个圆形小传感器安装在患者上臂上，用胶布固定，传感器通过一个长5毫米、宽0.4毫米的小毛细管测量上臂皮肤皮下组织液中的葡萄糖水平。瞬感动态血糖仪的缺点主要有三个，第一个缺点是同样需要搓破皮肤采集体液样本，给患者带来伤害。第二个缺点是传感器一次最长只能佩戴14天，14天后需要重新佩戴。第三个缺点在于瞬感动态血糖仪测量的是皮下组织液葡萄糖浓度，并不是血液葡萄糖浓度，两者之间存在时间上的滞后，无法准确获得当前时刻的血糖浓度。
2017年，天津大学的张瑞峰和舒子芸提交了一种基于微波的无创血糖检测装置(专利申请号：201711137560.1)，使用微波腔测量患者测试部位的谐振频率和谐振振幅来推算血糖浓度。这种检测方法的缺点在于不同的患者、不同测试部位组织厚度不同，此发明需要改变微波的频率以应对不同的使用场景，这其中引入了大量的测量噪声，使得测量精度过低，无法满足血糖自我监测的需求。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置及其检测方法。
本发明的一个目的在于提出一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置。
本发明的基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置包括：测量腔体、近红外宽光源、微型多光谱摄像头、微控制器、计算机和显示器；其中，测量腔体为内部中空的壳体；在测量腔体的一对相对的侧壁上，分别设置有相对的通孔；在测量腔体内的顶壁设置有近红外宽光源；在测量腔体内的底壁与近红外宽光源相对，设置有微型多光谱摄像头；近红外宽光源连接至微控制器，微型多光谱摄像头经数据线连接至微控制器；微控制器经数据线连接至计算机；显示器连接至计算机；被测人员的手指通过一个侧壁上的通孔进入测量腔体，指尖从另一侧壁上的通孔伸出，从而手指位于测量腔体内的近红外宽光源与微型多光谱摄像头之间；近红外宽光源发出宽带的入射光，照射至手指，透射光从手指穿出，由微型多光谱摄像头接收；微型多光谱摄像头将各点光强转化为影像并传输至微控制器；微控制器将影像传输至计算机，计算机通过图像分割技术，对影像中的皮肤背景和静脉毛细血管分割进行提取，根据皮肤背景和毛细血管处不同波长的透射光强解算出对应的血糖浓度。
测量腔体采用夹持结构，包括上腔体和下腔体；其中，上腔体的一对侧壁的底部设置有相对的上凹槽，与上凹槽相对应，在下腔体的一对侧壁的顶部设置有相对的下凹槽；上腔体的外壁直径不大于下腔体的内壁直径，或者上腔体的内壁直径不小于下腔体的外壁直径，从而上腔体沿着下腔体的侧壁，二者嵌套在一起，一对相对应的侧壁上的上凹槽与下凹槽相对应，从而形成一对通孔；这种夹持结构，能够适应不同手指粗细的被测人员。
或者，无创血糖检测装置采用嵌套结构，进一步包括遮光外壳，遮光外壳为筒状，遮光外壳的内径不小于测量腔体的外径，嵌套在测量腔体外，在遮光外壳与测量腔体的侧壁上设置有与测量腔体相对应的通孔，在测量腔体的外壁上且位于通孔下，设置有定位销，在遮光外壳的内壁上相对应的位置设置有滑槽，从而通过遮光外壳的上下滑动，使得测量腔体的通孔与遮光外壳的通孔上下错位，调整二者通孔内的空间大小，从而适应不同手指粗细的被测人员。
测量腔体采用遮光的材料。
微控制器包括信号解调电路、信号处理电路、控制电路和电源电路；其中，信号解调电路、信号处理电路和控制电路依次连接；信号解调电路、信号处理电路和控制电路分别连接至电源电路。微控制器通过USB接口连接至计算机，由计算机为微控制器供电。
微型多光谱摄像头连接至微控制器的信号解调电路。
近红外宽光源通过电源线和控制线连接至微控制器，电源线连接至微控制器的电源电路，由微控制器上的电源电路向近红外宽光源供电，控制线连接至微控制器的控制电路，由控制电路控制近红外宽光源处于全功耗或低功耗。近红外宽光源包括全功耗和低功耗两种状态。
近红外宽光源的波长范围为550～1100nm。
本发明的另一个目的在于提供一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置的检测方法。
被测人员的手指通过侧壁上的一个通孔进入测量腔体，指尖从另一侧壁上的通孔伸出，从而手指位于测量腔体内的近红外宽光源与微型多光谱摄像头指尖。
本发明的基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)启动无创血糖检测装置；
2)计算机发送待机指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源和微型多光谱摄像头；
3)近红外宽光源发出宽带的入射光，透射光由微型多光谱摄像头接收；
4)微型多光谱摄像头将各点光强转化为影像并传输至微控制器，微控制器将影像传输至计算机；
5)计算机检测接收到的影像，如果检测到影像被遮挡，则进入步骤6)，否则返回步骤4)；
6)计算机发送拍摄指令至微控制器，微控制器将微型多光谱摄像头拍摄的一段多光谱的影像传输至计算机；
7)计算机获得多光谱的影像，检验影像的完整程度，如果影像完整，则进入步骤8)，否则返回步骤2)；
8)计算机采用图像分割算法，分离皮肤背景和静脉血管；
9)提取皮肤背景处N个不同波长的透射光强Ib(λi)和静脉血管处对应波长的透射光强Iv(λi)，λi为波长，i＝1,……,N，N为≥3的自然数；
10)计算各个不同波长下，扣除背景的吸光度
11)使用朗伯-比尔定律根据A(λi)解算血糖浓度值；
12)计算机将血糖浓度值输出至显示器显示。
在步骤6)中，拍摄多光谱的影像的时间在20s以上；多光谱的影像为三个以上的不同波长的影像，从而克服差异的干扰。
近红外宽光源包括全功耗和低功耗两种状态。在步骤2)中，计算机发送待机指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源处于低功耗状态；在步骤6)中，计算机发送拍摄指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源处于全功耗状态。
在步骤7)中，如果计算机检验到影像不完整，则在显示器上弹出错误提示窗口，并返回步骤2)。
本发明的优点：
本发明采用将手指伸入测量腔体，位于近红外宽光源与微型多光谱摄像头之间，近红外宽光源发出宽带的入射光，从手指穿出由微型多光谱摄像头接收，各点光强转化为影像传输至微控制器，微控制器将影像传输至计算机，计算机根据皮肤背景和毛细血管处不同波长的透射光强解算出对应的血糖浓度；本发明能够适应不同手指粗细的人员使用，方便测量，提高无创血糖仪使用的便捷性和通用性；能够克服不同人群组织层厚度、肤色不同的个体差异，使得无创血糖检测的准确性和鲁棒性更高，对不同的人群均能够适用；大部分计算交由计算机完成，对设备装置的性能和功耗要求较低，节省了成本，便于家庭使用；血糖解算工作交由计算机软件完成，因此解算算法能够不断更新，使用者不需要重复购买设备，只需更新软件即可。
附图说明
图1为本发明的基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于指关节多光谱影像的无创血糖检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例采用采用嵌套结构，基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置包括：测量腔体5、遮光外壳6、近红外宽光源1、微型多光谱摄像头2、微控制器3、计算机7和显示器8；其中，测量腔体5为内部中空的壳体；在测量腔体5的一对相对应的侧壁上，分别设置有相对的通孔；遮光外壳6嵌套在测量腔体5的外部，设有与测量腔体对应的通孔，遮光外壳6沿滑槽上下滑动以使得测量腔体通孔与遮光外壳通孔上下错位，调整二者通孔内的空间大小；在测量腔体内的顶壁设置有近红外宽光源1；在测量腔体5内的底壁与近红外宽光源相对，设置有微型多光谱摄像头2；近红外宽光源的电源线和控制线连接至微控制器3，微型多光谱摄像头经数据线连接至微控制器3；微控制器经USB数据线4连接至计算机7；显示器8连接至计算机7；被测人员的手指通过侧壁上的一个通孔进入测量腔体5，指尖从另一侧壁上的通孔伸出，从而手指位于测量腔体内的近红外宽光源1与微型多光谱摄像头2之间。
在本实施例中，近红外宽光源1采用波长范围为550～1100nm、功率为2W的LED，由微控制器中的电源电路供电；微型多光谱摄像头2具有8个窄带宽通道，对应的8个中心波长分别为550nm、590nm、630nm、670nm、750nm、790nm和830nm；摄像头由1280×1024个传感单元组成，采集到分辨率为1280×1024的8个通道的多光谱的影像；微控制器3的信号处理电路和控制电路由STM32f403单片机构成；测量腔体5的材料为黑色ABS工程塑料；血糖浓度的解算程序使用Python 3.5编程实现，可在Windows、Ubuntu、MacOS三种操作系统平台执行。
本发明的基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)启动无创血糖检测装置；
2)计算机发送待机指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源和微型多光谱摄像头，近红外宽光源处于低功耗状态；
3)近红外宽光源发出宽带的入射光，透射光由微型多光谱摄像头接收；
4)微型多光谱摄像头将各点光强转化为影像并传输至微控制器，微控制器将影像传输至计算机；
5)计算机检测接收到的影像，如果检测到影像被遮挡，则进入步骤6)，否则返回步骤4)；
6)计算机发送拍摄指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源处于全功耗状态，微控制器将微型多光谱摄像头拍摄的一段30s多光谱的影像传输至计算机；
7)计算机获得多光谱的影像，检验影像的完整程度，如果影像完整，则进入步骤8)，否则在显示器上弹出错误提示窗口，并返回步骤2)；
8)计算机采用图像分割算法，分离皮肤背景和静脉血管；
9)提取皮肤背景处8个不同波长的透射光强Ib(λi)和静脉血管处对应波长的透射光强Iv(λi)，λi为波长，i＝1,…,8，取值分别为550nm、590nm、630nm、670nm、750nm、790nm和830nm；
10)计算各个不同波长下，扣除背景的吸光度
11)使用朗伯-比尔定律根据A(λi)解算血糖浓度值；
12)计算机将血糖浓度值输出至显示器显示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：测量腔体、近红外宽光源、微型多光谱摄像头、微控制器、计算机和显示器；其中，所述测量腔体为内部中空的壳体；在测量腔体的一对相对的侧壁上，分别设置有相对的通孔；在测量腔体内的顶壁设置有近红外宽光源；在测量腔体内的底壁与近红外宽光源相对，设置有微型多光谱摄像头；所述近红外宽光源连接至微控制器，微型多光谱摄像头经数据线连接至微控制器；所述微控制器经数据线连接至计算机；所述显示器连接至计算机；被测人员的手指通过一个侧壁上的通孔进入测量腔体，指尖从另一侧壁上的通孔伸出，从而手指位于测量腔体内的近红外宽光源与微型多光谱摄像头之间；近红外宽光源发出宽带的入射光，照射至手指，透射光从手指穿出，由微型多光谱摄像头接收；微型多光谱摄像头将各点光强转化为影像并传输至微控制器；微控制器将影像传输至计算机，计算机通过图像分割技术，对影像中的皮肤背景和静脉毛细血管分割进行提取，根据皮肤背景和毛细血管处不同波长的透射光强解算出对应的血糖浓度。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述测量腔体采用夹持结构，包括上腔体和下腔体；其中，所述上腔体的一对侧壁的底部设置有相对的上凹槽，与上凹槽相对应，在下腔体的一对侧壁的顶部设置有相对的下凹槽；所述上腔体的外壁直径不大于下腔体的内壁直径，或者上腔体的内壁直径不小于下腔体的外壁直径，从而上腔体沿着下腔体的侧壁，二者嵌套在一起，一对相对应的侧壁上的上凹槽与下凹槽相对应，从而形成一对通孔。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述测装置采用嵌套结构，进一步包括遮光外壳，遮光外壳为筒状，遮光外壳的内径不小于测量腔体的外径，嵌套在测量腔体外，在遮光外壳与测量腔体的侧壁上设置有与测量腔体相对应的通孔，在测量腔体的外壁上且位于通孔下，设置有定位销，在遮光外壳的内壁上相对应的位置设置有滑槽，从而通过遮光外壳的上下滑动，使得测量腔体的通孔与遮光外壳的通孔上下错位，调整二者通孔内的空间大小。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述测量腔体采用遮光的材料。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微控制器包括信号解调电路、信号处理电路、控制电路和电源电路；其中，信号解调电路、信号处理电路和控制电路依次连接；信号解调电路、信号处理电路和控制电路分别连接至电源电路。
6.如权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述近红外宽光源通过电源线和控制线连接至微控制器，电源线连接至微控制器的电源电路，由微控制器上的电源电路向近红外宽光源供电，控制线连接至微控制器的控制电路，由控制电路控制近红外宽光源处于全功耗或低功耗。
7.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述近红外宽光源的波长范围为550～1100nm。
8.一种基于指关节多光谱影像的无创血糖检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
1)启动无创血糖检测装置；
2)计算机发送待机指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源和微型多光谱摄像头；
3)近红外宽光源发出宽带的入射光，透射光由微型多光谱摄像头接收；
4)微型多光谱摄像头将各点光强转化为影像并传输至微控制器，微控制器将影像传输至计算机；
5)计算机检测接收到的影像，如果检测到影像被遮挡，则进入步骤6)，否则返回步骤4)；
6)计算机发送拍摄指令至微控制器，微控制器将微型多光谱摄像头拍摄的一段多光谱的影像传输至计算机；
7)计算机获得多光谱的影像，检验影像的完整程度，如果影像完整，则进入步骤8)，否则返回步骤2)；
8)计算机采用图像分割算法，分离皮肤背景和静脉血管；
9)提取皮肤背景处N个不同波长的透射光强Ib(λi)和静脉血管处对应波长的透射光强Iv(λi)，λi为波长，i＝1,……,N，N为≥3的自然数；
10)计算各个不同波长下，扣除背景的吸光度数值
11)使用朗伯-比尔定律根据A(λi)解算血糖浓度值；
12)计算机将血糖浓度值输出至显示器显示。
9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，近红外宽光源包括全功耗和低功耗两种状态，在步骤2)中，计算机发送待机指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源处于低功耗状态；在步骤6)中，计算机发送拍摄指令至微控制器，微控制器启动近红外宽光源处于全功耗状态。
10.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在步骤7)中，如果计算机检验到影像不完整，则在显示器上弹出错误提示窗口，并返回步骤2)。
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