CN109946231B - 具备温度补偿的差动光声测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具备温度补偿的差动光声测量系统和方法，包括：用于测量待测液体的光声信号的第一测量通路，用于测量参考液体的光声信号的第二测量通；用于测量第一测量通路中第一光声池对应的第一温度信号的第一温度传感器，用于测量第二测量通路中第二光声池对应的第二温度信号的第二温度传感器；用于采集待测液体的光声信号和第一温度信号的第一数据采集卡；用于采集参考液体的光声信号和第二温度信号的第二数据采集卡；数据处理器用于根据第一数据采集卡和第二数据采集中的采集数据对待测液体的光声信号和参考液体的光声信号进行补偿处理，得到待测液体中目标物的浓度值。本发明可以有效消除温度和光强波动对测量结果的影响，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及生物监测技术领域，具体地，涉及具备温度补偿的差动光声测量系统和方法。
背景技术
无创血糖检测方法由于病人痛苦少、感染几率低、可以连续监测血糖变化，因而成为血糖检测领域的发展趋势。目前主要的血糖无创检测方法主要有近红外光谱法、荧光光谱法、光声光谱法等。其中，光声光谱法由于具有灵敏度高、特异性好，而成为最有希望成功用于临床诊疗的方法之一。
光声光谱是光谱学的一个重要分支，是一种综合了光、热、声、电等原理技术的光谱分析新方法。也正因如此，目前基于光声效应的液体浓度检测仍然处于不够完善的情形。其原因在于：基于光声谱方法的血糖浓度检测仍然存在几个世界级难题：其一，人体血液成分非常复杂，其中包含红细胞、白细胞、血浆等，血糖只不过是极微量的成分之一。而传统的液体浓度光声测量系统的灵敏度低，无法满足血糖浓度监测的需求。其二，光声信号容易受到激励光源强度变化的影响，特别是脉冲激光激励的光声信号更是如此，因此检测精度与稳定性无法保证。其三，光声信号极易受到多种光、电、声干扰因素的影响，特别是液体温度变化的影响极为严重。因此，寻找一种新的高稳定性和高可靠性的无创血糖在体检测方法至关重要。
根据理论分析可知，影响光声信号强度的因素主要依次是激光光强、液体温度和液体浓度。为了获得高精度的液体浓度测量结果，必须对激光光强和液体温度的影响进行有效的抑制。目前国内外研究人员也提出一些改进系统与方法。例如，EGOSHIN Alexander等提出一种用于无创血糖检测的装置(WO2006/032981 A1)、赵辉等提出一种差动光声池(CN2012103243913)，采用半反半透镜将激光一分为二，分别投向测量光声池(内装被测液体)与参考光声池(内装参考液体)，分别形成测量光声信号与参考光声信号，通过对两个信号进行相减处理，可以消除光源和环境温度波动的影响，提高测量精度。
但是，这些方法均存在一些明显的问题：其一，两个光声信号实际上是无法保证完全一致的，通过减法处理并不难从根本上消除光强的影响。其二，两个光声池内的液体是不一样的，温度也会不同，无法抑制被测液体的温度变化造成的影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具备温度补偿的差动光声测量系统和方法。
第一方面，本发明实施例提供一种具备温度补偿的差动光声测量系统，包括：第一测量通路、第二测量通路、第一温度传感器、第二温度传感器、第一数据采集卡、第二数据采集卡、数据处理器；其中，
所述第一测量通路用于测量待测液体的光声信号，所述第二测量通路用于测量参考液体的光声信号；
所述第一温度传感器用于测量所述第一测量通路中第一光声池对应的第一温度信号，所述第二温度传感器用于测量所述第二测量通路中第二光声池对应的第二温度信号；
所述第一数据采集卡用于采集所述待测液体的光声信号和第一温度信号；所述第二数据采集卡用于采集所述参考液体的光声信号和第二温度信号；
所述数据处理器用于根据所述第一温度信号、第二温度信号，以及参考液体的光声信号和待测液体的光声信号之间的差动比值，对所述待测液体的光声信号和参考液体的光声信号进行补偿处理，得到所述待测液体中目标物的浓度值。
可选地，所述第一测量通路包括：第一光声池、第一超声传感器、第一前置放大器；所述第二测量通路包括：第二光声池、第二超声传感器、第二前置放大器；所述第一光声池内装有待测液体，所述第二光声池内装有参考液体；其中：
激光器发出的光束通过分光镜后变成第一光束和第二光束；所述第一光束经过所述第一光声池之后形成所述待测液体的光信号；所述第二光束经过所述第二光声池之后形成所述参考液体的光信号；所述第一超声传感器安装在所述第一光声池上，用于测量所述待测液体的超声信号；所述第二超声传感器安装在所述第二光声池上，用于测量所述参考液体的超声信号；其中，所述待测液体的光信号和所述待测液体的超声信号构成所述待测液体的光声信号；所述参考液体的光信号和所述参考液体的超声信号构成所述参考液体的光声信号；
所述待测液体的光声信号经过第一前置放大器放大处理之后，被所述第一数据采集卡采集；所述参考液体的光声信号经过第二前置放大器放大处理之后，被所述第二数据采集卡采集。
可选地，所述第一数据采集卡和第二数据采集卡构成双路同步采集器，用于同步采集所述待测液体的光声信号和第一温度信号，以及所述参考液体的光声信号和第二温度信号。
需要说明的是，本实施例中的第一光声池和第二光声池不必完全一致(可以存在差异)，第一超声传感器和第二超声传感器不必全一致，第一前置放大器和第二前置放大器不必完全一致，第一温度传感器和第二温度传感器也不必全一致，从而大幅度降低实际测量中系统搭建的实现难度，易于推广使用。
第二方面，本发明实施例提供一种具备温度补偿的差动光声测量方法，应用在如第一方面中任一项所述的具备温度补偿的差动光声测量系统，所述方法包括：
温度系数测定步骤：分别测量第一测量通路和第二测量通路的光声信号的温度系数；
光声温度补偿步骤：根据所述温度系数，分别对第一测量通路的光声信号和第二测量通路的光声信号进行补偿，得到温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号；
差动比值处理步骤：对温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号进行差动比值计算，消除光强波动的影响；
浓度值计算步骤：获取差动比值处理后的第一路光声信号和第二路光声信号的差值，根据所述差值，获取所述待测液体中目标物的浓度值。
可选地，实际使用时，使用加热装置将第一光声池和第二光声池的液体加热到一定温度，然后逐渐自然冷却。在自然冷却的过程中，连续记录第一光声池和第二光声池产生的光声信号强度，以及第一光声池和第二光声池的温度。分别将两个光声池的光声信号强度与其温度值进行直线拟合，拟合直线的斜率即为该路光声信号的温度系数。
可选地，在浓度测量过程中，利用获得的温度系数，对采集到的光声信号强度进行补偿。补偿量大小为液体温度与标准温度的差值，再乘以该路光声信号的温度系数。补偿方法是将光声信号强度与补偿量相减。补偿之后的光声信号强度已不再有温度的影响成分。
可选地，将经过温度补偿的两路光声信号强度进行差动比值计算，采用“差和比”作为最后的差动处理结果，得到的“差和比”值已不再含有光强波动的影响。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的具备温度补偿的差动光声测量系统和方法，通过两个光声池进行测量，分别测量待测液体与参考液体的光声信号，并通过温度补偿与差动比值处理，有效抑制温度和光强两个因素的波动对目标物测量精度的影响。可以应用在血糖测量领域，有效提高血糖测量的精度。
2、当本发明中的方法应用在血糖测量领域时，可以有效补偿温度变化带来的影响，并有效抑制光强波动的影响，从而满足血糖监测的要求。
3、本发明对检测系统的一致性与互换性要求不高，易于实现，完全可以应用于其他类似的检测环境之中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的具备温度补偿的差动光声测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的具备温度补偿的差动光声测量方法的流程示意图；
图3为本发明提供的光声信号强度计算方法的原理示意图；
图4为本发明中第一测量通路的光声信号强度与温度的直线拟合示意图；
图5为本发明中第二测量通路的光声信号强度与温度的直线拟合示意图；
图中：
10-激光器，20-分光镜，31-第一光声池，32-第二光声池，41-第一超声传感器，42-第二超声传感器，51-第一前置放大器，52-第二前置放大器，61-第一温度传感器，62-第人温度传感器，71-第一数据采集卡，72-第二数据采集卡，80-数据处理器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例一提供的具备温度补偿的差动光声测量系统的结构示意图，如图1所示，本实施例的系统可以包括：激光器10、分光镜20、第一光声池31、第二光声池32、第一超声传感器41、第二超声传感器42、第一前置放大器51、第二前置放大器52、第一温度传感器61、第二温度传感器62、第一数据采集卡71、第二数据采集卡72、和数据处理器80。其中，第一声光池31内盛被测液体，第二声光池32内盛参考液体；第一超声传感器41和第二超声传感器42分别安装在第一光声池31和第二光声池32上。第一超声传感器41和第二超声传感器42用来分别测量两个光声池产生的超声信号。第一前置放大器51和第二前置放大器52分别与第一超声传感器41和第二超声传感器42相连，用来对两路光声信号进行前置放大。第一温度传感器61、第二温度传感器62分别安装于第一光声池31、第二光声池32中，用于分别测量第一光声池31、第二光声池32内液体的温度。第一数据采集卡71、第二数据采集卡72分别连接第一前置放大器51、第二前置放大器52和第一温度传感器61、第二温度传感器62的输出线，用于同步获取光声信号和温度信号；第一数据采集卡71、第二数据采集卡72的输出连接数据处理器80，用于进行数据处理。
本实施例中，由激光器10发出的激光束经过分光镜20后一分为二：一束激光进入第一光声池31，成为测量光束，激励测量第一光声池31内的被测液体并产生测量光声信号；另一束激光进入第二光声池32，成为参考光束，激励第二光声池32内的参考液体并产生参考光声信号；两路光声信号分由各自的第一超声传感器41和第二超声传感器42拾取，经过第一前置放大器51、第二前置放大器52之后由第一数据采集卡71、第二数据采集卡72采集，然后送入数据处理器80进行数据处理；第一温度传感器61、第二温度传感器62分别获取第一光声池31、第二光声池32内液体的温度，并由第一数据采集卡71、第二数据采集卡72采集后，送入数据处理器80进行温度补偿。
需要说明的是，第一光声池和第二光声池不必完全一致(可以存在差异)，第一超声传感器和第二超声传感器不必全一致，第一前置放大器和第二前置放大器不必完全一致，第一温度传感器和第二温度传感器也不必全一致，从而大幅度降低实际测量中系统搭建的实现难度，易于推广使用。
本实施例中，第一数据采集卡和第二数据采集卡构成双路同步采集器，用于同步采集待测液体的光声信号和第一温度信号，以及参考液体的光声信号和第二温度信号。，保证后续的温度修正与差动处理的正确性。
图2为本发明实施例二提供的具备温度补偿的差动光声测量方法的流程示意图；如图2所示，本实施例中的方法可以应用在图1是的系统这，方法可以包括：
S101、分别测量第一测量通路和第二测量通路的光声信号的温度系数。
本实施例中，为了实现对光声信号的温度补偿，需要预先测定两路光声信号的温度系数。具体方法如下：
首先，使用加热装置(水浴或者空浴方法)将第一光声池和第二光声池的液体加热到一定温度(例如40℃)，然后停止加热并逐渐自然冷却；
然后，在液体自然冷却的过程中，连续记录第一光声池和第二光声池产生的光声信号强度Pa和Pb，以及第一光声池和第二光声池对应的温度Ta与Tb。其中，光声信号强度Pa和Pb采用光声信号波形的峰峰值(如图3所示)；
最后，分别将第一光声池和第二光声池的光声信号强度Pa和Pb与其温度值Ta与Tb进行直线拟合(如图4、图5所示)，拟合直线的斜率Ka与Kb即为该路光声信号的温度系数。
S102、根据温度系数，分别对第一测量通路的光声信号和第二测量通路的光声信号进行补偿，得到温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号。
本实施例中，在浓度测量过程中，利用获得的温度系数Ka与Kb，对采集到的光声信号强度Pa和Pb进行补偿。
补偿量Δa与Δb的大小为液体温度Ta与Tb与标准温度T0的差值，再乘以该路光声信号的温度系数Ka与Kb，即
Δa＝Ka×(Ta–T0)
Δb＝Kb×(Tb–T0)
式中：Δa为第一测量通路的补偿量，Δb为第二测量通路的补偿量，Ka为第一测量通路的温度系数，Kb为第二测量通路的温度系数，Ta为第一光声池对应的温度，Tb为第二光声池对应的温度，T0为标准温度。
补偿方法是将待测液体的光声信号强度Pa和参考液体的光声信号强度Pb与补偿量Δa与Δb相减，即
Pa′＝Pa-Δa＝Pa–Ka×(Ta–T0)
Pb′＝Pb-Δb＝Pb–Kb×(Tb–T0)
补偿之后的光声信号强度Pa′和Pb′已不再有温度Ta与Tb的影响成分。
S103、对温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号进行差动比值计算，消除光强波动的影响。
本实施例中，将经过温度补偿的两路光声信号强度进行差动比值计算，采用“差和比”作为最后的差动处理结果，即
P＝(Pa′-Pb′)/(Pa′+Pb′)
最后得到的“差和比”已不再含有光强波动的影响。
S104、获取差动比值处理后的第一路光声信号和第二路光声信号的差值，根据差值，获取待测液体中目标物的浓度值。
本发明提供的具备温度补偿的差动光声测量系统和方法，通过两个光声池进行测量，分别测量待测液体与参考液体的光声信号，并通过温度补偿与差动比值处理，有效抑制温度和光强两个因素的波动对目标物测量精度的影响。可以应用在血糖测量领域，有效提高血糖测量的精度。当本发明中的方法应用在血糖测量领域时，可以有效补偿温度变化带来的影响，并有效抑制光强波动的影响，从而满足血糖监测的要求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种具备温度补偿的差动光声测量系统，其特征在于，包括：第一测量通路、第二测量通路、第一温度传感器、第二温度传感器、第一数据采集卡、第二数据采集卡、数据处理器；其中，
所述第一测量通路用于测量待测液体的光声信号，所述第二测量通路用于测量参考液体的光声信号；
所述第一温度传感器用于测量所述第一测量通路中第一光声池对应的第一温度信号，所述第二温度传感器用于测量所述第二测量通路中第二光声池对应的第二温度信号；
所述第一数据采集卡用于采集所述待测液体的光声信号和第一温度信号；所述第二数据采集卡用于采集所述参考液体的光声信号和第二温度信号；
所述数据处理器用于根据所述第一温度信号、第二温度信号，以及参考液体的光声信号和待测液体的光声信号之间的差动比值，对所述待测液体的光声信号和参考液体的光声信号进行补偿处理，得到所述待测液体中目标物的浓度值；
所述第一测量通路包括：第一光声池、第一超声传感器、第一前置放大器；所述第二测量通路包括：第二光声池、第二超声传感器、第二前置放大器；所述第一光声池内装有待测液体，所述第二光声池内装有参考液体；其中：
激光器发出的光束通过分光镜后变成第一光束和第二光束；所述第一光束经过所述第一光声池之后形成所述待测液体的光信号；所述第二光束经过所述第二光声池之后形成所述参考液体的光信号；所述第一超声传感器安装在所述第一光声池上，用于测量所述待测液体的超声信号；所述第二超声传感器安装在所述第二光声池上，用于测量所述参考液体的超声信号；其中，所述待测液体的光信号和所述待测液体的超声信号构成所述待测液体的光声信号；所述参考液体的光信号和所述参考液体的超声信号构成所述参考液体的光声信号；
所述待测液体的光声信号经过第一前置放大器放大处理之后，被所述第一数据采集卡采集；所述参考液体的光声信号经过第二前置放大器放大处理之后，被所述第二数据采集卡采集；
分别测量第一测量通路和第二测量通路的光声信号的温度系数，根据所述温度系数，分别对第一测量通路的光声信号和第二测量通路的光声信号进行补偿，得到温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号；对温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号进行差动比值计算，消除光强波动的影响；获取差动比值处理后的第一路光声信号和第二路光声信号的差值，根据所述差值，获取所述待测液体中目标物的浓度值，其中，
将经过温度补偿的两路光声信号强度进行差动比值计算，采用“差和比”作为最后的差动处理结果，得到的“差和比”值已不再含有光强波动的影响；
P＝(Pa′-Pb′)/(Pa′+Pb′)
P为差动处理结果，Pa′和Pb′为补偿之后的第一路光声信号强度和第二路光声信号强度。
2.根据权利要求1所述的具备温度补偿的差动光声测量系统，其特征在于，所述第一数据采集卡和第二数据采集卡构成双路同步采集器，用于同步采集所述待测液体的光声信号和第一温度信号，以及所述参考液体的光声信号和第二温度信号。
3.一种具备温度补偿的差动光声测量方法，其特征在于，应用在如权利要求1-2中任一项所述的具备温度补偿的差动光声测量系统，所述方法包括：
温度系数测定步骤：分别测量第一测量通路和第二测量通路的光声信号的温度系数；
光声温度补偿步骤：根据所述温度系数，分别对第一测量通路的光声信号和第二测量通路的光声信号进行补偿，得到温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号；
差动比值处理步骤：对温度补偿后的第一路光声信号和温度补偿后的第二路光声信号进行差动比值计算，消除光强波动的影响；
浓度值计算步骤：获取差动比值处理后的第一路光声信号和第二路光声信号的差值，根据所述差值，获取所述待测液体中目标物的浓度值；
其中，所述差动比值处理步骤，包括：
将经过温度补偿的两路光声信号强度进行差动比值计算，采用“差和比”作为最后的差动处理结果，得到的“差和比”值已不再含有光强波动的影响；
P＝(Pa′-Pb′)/(Pa′+Pb′)
P为差动处理结果，Pa′和Pb′为补偿之后的第一路光声信号强度和第二路光声信号强度。
4.根据权利要求3所述的具备温度补偿的差动光声测量方法，其特征在于，所述温度系数测定步骤，包括：
使用加热装置将第一光声池和第二光声池的液体加热到一定温度，然后逐渐自然冷却；
在自然冷却的过程中，连续记录第一光声池和第二光声池产生的光声信号强度，以及第一光声池和第二光声池的温度；
分别将两个光声池的光声信号强度与其温度值进行直线拟合，拟合直线的斜率即为该路光声信号的温度系数。
5.根据权利要求3所述的具备温度补偿的差动光声测量方法，其特征在于，所述光声温度补偿步骤，包括：
在浓度测量过程中，利用获得的温度系数，对采集到的光声信号强度进行补偿，补偿量大小为液体温度与标准温度的差值，再乘以该路光声信号的温度系数；
补偿方法是将光声信号强度与补偿量相减，补偿之后的光声信号强度已不再有温度的影响成分。
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