CN110974250B - 基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents

基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质，该血糖检测方法包括：将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收太赫兹信号的反射信号；基于预设周期内接收的反射信号获取反射信号的最大值和最小值；基于反射信号的最大值和最小值之差计算待检测部位对应的血糖浓度。通过上述方法，本申请可以实现准确的无创血糖检测，减少有创血糖检测对用户的影响。

Description

基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质
技术领域
本申请涉及血糖检测领域，特别是涉及一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质。
背景技术
目前市面上对用户进行血糖检测一般采用有创血糖检测方法，有创血糖检测方法具有较高的准确性，速度较快等特点。但是，由于进行检测时必须通过指尖或者静脉采集血样，会给用户特别是糖尿病患者带来刺痛感，而且伤口极易感染。某些严重患者需要每天检测若干次血糖，通过有创血糖检测方法进行检测非常不方便，而且糖尿病后期的患者也非常容易受到感染。因此，开展新型无创式血糖检测的研究具有十分重要的现实意义。
发明内容
本申请提供一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法、装置及计算机存储介质，以解决现有技术中有创血糖检测给用户带来刺痛感以及伤口感染的危险的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法，所述血糖检测方法包括：
将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收所述太赫兹信号的反射信号；
基于预设周期内接收的所述反射信号获取所述反射信号的最大值和最小值；
基于所述反射信号的最大值和最小值之差计算所述待检测部位对应的血糖浓度。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种血糖检测装置，所述血糖检测装置包括：
太赫兹辐射源、太赫兹探测器、待测样品移动平台、计算机处理系统；
所述太赫兹辐射源，用于产生频率处于0.1THz-10THz的频率范围内的太赫兹信号，并将所述太赫兹信号聚焦到所述待测样品移动平台；
所述待测样品移动平台，用于固定人体的待检测部位；
所述太赫兹探测器，用于收集所述待检测部位反射的所述太赫兹信号的反射信号，并传输到所述计算机处理系统；
所述计算机处理系统，用于基于所述太赫兹信号的反射信号计算血糖浓度。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种计算机存储介质，其中，计算机存储介质存储有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述基于太赫兹光谱的血糖检测方法的步骤。
区别于现有技术，本申请的有益效果在于：血糖检测装置将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收太赫兹信号的反射信号；基于预设周期内接收的反射信号获取反射信号的最大值和最小值；基于反射信号的最大值和最小值之差计算待检测部位对应的血糖浓度。通过上述方法，本申请可以实现准确的无创血糖检测，由于无需对用户通过指尖或静脉采集血样，减少有创血糖检测对用户的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的基于太赫兹光谱的血糖检测方法第一实施例的流程示意图；
图2是本申请提供的基于太赫兹光谱的血糖检测方法第二实施例的流程示意图；
图3是本申请提供的不同浓度的葡萄糖特征吸收峰曲线的示意图；
图4是本申请提供的不同组织对太赫兹波吸收的示意图；
图5是本申请提供的血糖检测装置一实施例的结构示意图图；
图6是本申请提供的血糖检测装置另一实施例的结构示意图；
图7是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
太赫兹波是指频率范围为0.1THz-10THz的电磁波，相应的波长为3毫米到30微米，介于毫米波与红外之间的电磁波区域，该频域范围处于宏观电子学和微观电子学过渡的区域。太赫兹波具有许多特殊性能，对生物大分子的振动和转动能级，以及对于很多非极性材料有良好的穿透性，因此可以通过特征共振和吸收对物质进行指纹识别。太赫兹波光子能量比较低，不会对生物组织与细胞造成破坏，因此可以对生物进行无损检测：太赫兹时域光谱技术可以获取亚皮秒，飞秒时间分辨率，能够有效的抑制背景噪声干扰。因此，太赫兹技术在物理科学，生命科学，国防，军事等方面都有较广阔的应用前景。
葡萄糖是一种非离子可溶性的大分子物质，实验研究表明，葡萄糖的分子键类振动和旋转指纹谱图处于太赫兹的光谱范围之内，可以根据不同葡萄糖太赫兹光谱的特征吸收曲线对不同浓度的葡萄糖进行定量测试。目前的太赫兹无创血糖检测的精度较低，没有考虑肌肉和骨骼等其他人体组织对太赫兹的吸收，使获取的葡萄糖浓度有偏差，不能实现葡萄糖浓度的精确测量。
血糖浓度是指血液中的葡萄糖浓度，是人体重要的健康指标，对维持机体正常的生理活动十分重要。目前人体内的血糖浓度检测仍采用有创检测方法，通过采集指尖或静脉血，通过检测血液中的葡萄糖与试纸上的化学物质结合导致阻抗发生变化，从而导致测试电路电压电流呈相应的改变，根据这种改变与血糖的相关特性，获取血糖浓度值。
因此，在上述对太赫兹波和血糖浓度的原理的基础上，为了解决现有技术中有创血糖检测给用户带来刺痛感以及伤口感染危险的问题。本申请提供了一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法以及对应的装置，通过去除肌肉和骨骼等组织对太赫兹波的吸收，实现精准的葡萄糖浓度的无创检测。
具体请参阅图1，图1是本申请提供的基于太赫兹光谱的血糖检测方法第一实施例的流程示意图，本申请的基于太赫兹光谱的血糖检测方法应用于一种血糖检测装置。
如图1所示，本实施例的基于太赫兹光谱的血糖检测方法具体包括以下步骤：
S101：将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收太赫兹信号的反射信号。
其中，血糖检测装置利用飞秒激光激发半导体表面产生频率在0.1THz-10THz范围的太赫兹信号，半导体材料可以采用砷化镓，砷化镓具有较高的电子迁移速率和较快的电信号捕获时间，具有较高的信噪比，能够有效提高血糖检测方法的准确性。
血糖检测装置将太赫兹信号发射至位于待测样品移动平台的用户的待检测部位。血糖检测装置可以进一步通过常规的光路调整将太赫兹信号聚焦到待测样品移动平台上，使得更多的太赫兹信号直接发射到用户的待检测部位上，提高太赫兹信号的利用率。其中，用户的待检测部位具体可以为手指末端、耳朵或其他组织部位。
血糖检测装置进一步收集通过用户的待检测部位的太赫兹信号的反射信号，由于葡萄糖的分子键类振动和旋转指纹谱图处于太赫兹波的光谱范围之内，太赫兹信号会被待检测部位血液中的葡萄糖所吸收，导致反射信号的信号强度较于太赫兹信号的信号强度有所削弱，因此反射信号在本申请的血糖检测方法中可以作为计算血糖浓度的原始数据。
S102：基于预设周期内接收的反射信号获取反射信号的最大值和最小值。
其中，血糖检测装置在预设周期内获取多个反射信号，并从多个反射信号中获取反射信号的最大值和最小值。
具体地，由于人体中骨骼、肌肉等其他组织对于太赫兹信号的吸收量比较恒定，在一定时间内平稳不变，可以理解为直流分量。动脉血引起脉动变化后，增加了太赫兹信号光程经过的厚度，造成对于太赫兹信号的吸收量发生变化，此时，可以理解为交流分量。反射信号在预设周期内具有最大值和最小值主要由动脉血的脉动变化产生，动脉血的脉动变化导致吸光度变化，进而导致反射信号的信号强度变化。
S103：基于反射信号的最大值和最小值之差计算待检测部位对应的血糖浓度。
其中，吸光度与反射信号具有负相关的关系，而吸光度与血糖浓度具有正相关的关系，由此可知，反射信号与血糖浓度具有负相关的关系。进一步地，由于上述反射信号的直流分量比较恒定，通过反射信号的最大值和最小值作差，去除反射信号的直流分量。血糖检测装置根据剩下反射信号的直流分量计算吸光度，进而计算待检测部位的血糖浓度，实现快捷的无创血糖检测。
在本实施例中，血糖检测装置将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收太赫兹信号的反射信号；基于预设周期内接收的反射信号获取反射信号的最大值和最小值；基于反射信号的最大值和最小值之差计算待检测部位对应的血糖浓度。通过上述方法，本申请可以实现准确的无创血糖检测，由于无需对用户通过指尖或静脉采集血样，减少有创血糖检测对用户的影响。
为解决现有技术中有创血糖检测给用户带来刺痛感以及伤口感染的危险的问题，本申请还提出了另一种具体的血糖检测方法，具体请参阅图2，图2是本申请提供的基于太赫兹光谱的血糖检测方法第二实施例的流程示意图。
如图2所示，本实施例的基于太赫兹光谱的血糖检测方法具体包括以下步骤：
S201：将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收太赫兹信号的反射信号。
S202：将太赫兹信号的反射信号进行放大以及数模转化，并对太赫兹信号的反射信号进行滤波，去除基线干扰。
其中，血糖检测装置接收太赫兹信号的反射信号后，对反射信号进行滤波，去除基线干扰，然后对预处理后的反射信号进行计算，计算反射信号的参考曲线、频域曲线、相位曲线和吸光度曲线。
S203：基于预设周期内接收的反射信号计算反射信号的吸光度信息。
本申请的血糖检测方法应用朗伯比尔定律计算待检测部位的血糖浓度，其中，朗伯比尔定律是光透过样品吸收的基本定律，适用于不同的电磁波段，是各类分光光度定量分析的依据。本申请所采用的太赫兹波是电磁波的一个波段，因此也满足朗伯比尔定律。具体公式如下：
I＝I0*e-εcd
其中，ε为物质的吸收系数常量，c为物质浓度，d为物质的受光路径的长度，I0为入射光强度，I为出射光强度或反射光强度。根据上述公式可知，光的入射光强度与出射光强度或反射光强度的比与物质浓度和物质的受光路径的长度有关。
通过上述血糖检测装置对物质吸收后的反射信号计算，其中，吸光度曲线计算公式如下：
由上述公式可以推导出太赫兹波段朗伯比尔定律表达式与吸光度曲线计算公式一致，因此，吸光度计算公式可以为：
A(ω)＝εcd
即太赫兹信号的吸光度曲线计算方式满足朗伯比尔定律。
S204：获取吸光度信息中至少两个最大吸光度对应的频率信息。
其中，血糖检测装置获取吸光度信息中至少两个最大吸光度对应的频率信息。具体地，如图3所示，图3是本申请提供的不同浓度的葡萄糖特征吸收峰曲线的示意图。图3的吸光度曲线表明，葡萄糖的特征吸收峰在ω1和ω2处有明显吸收峰，即对应图中的点A处和点B处。血糖检测装置选取这两处的吸光度作为计算待检测部位血糖浓度的原始数据，由此，可以得到以下公式：
A(ω1)＝ε1cd
A(ω2)＝ε2cd
在测试过程中，太赫兹信号并不是经过待检测部位内的单一物质，例如太赫兹信号会经过肌肉、骨骼、脂肪、静脉血等组织。其中，静脉血、骨骼和肌肉组织对太赫兹信号的衰减效应比较恒定，太赫兹信号经过上述组织后形成反射信号的平稳部分，成为直流分量。动脉血引起的脉动变化，形成反射信号的脉动部分，形成交流分量，具体如图4所示。因此，上述公式可以演变为以下公式：
A(ω1)max＝εmcmd+ε1cΔd+K
A(ω2)max＝εncnd+ε2cΔd+K
A(ω1)min＝εmcmd
A(ω2)min＝εncnd
其中，分别用εmcmd和εncnd表示骨骼、肌肉等其他组织在特征吸收峰处对应的频率的吸收量，这部分吸收量对太赫兹信号的衰减比较恒定，在一定时间内平稳不变，可以理解为直流分量。当动脉血引起脉动变化后，增加了光程经过的厚度，造成的变化由ε1cΔd+K表示。
S205：获取频率信息在预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值。
其中，血糖检测装置计算第一吸光度对应的频率信息在预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值之差，作为第一差值；计算第二吸光度对应的频率信息在预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值之差，作为第二差值；并基于第一差值和第二差值计算待检测部位对应的血糖浓度。
具体地，血糖检测装置通过连接采集预设周期内的吸光度曲线，计算葡萄糖太赫兹光谱中的吸光度的最大值和最小值。吸光度的变化是由于动脉血引起的，因此上述公式可以进一步演变为以下公式：
A(ω1)max-A(ω1)min＝ε1cΔd+K
A(ω2)max-A(ω2)min＝ε2cΔd+K
其中，Δd是血管由无血到血液充盈带来的透射距离的改变，K是血管中其他物质对太赫兹信号的吸收量，因此，可以推导出血糖浓度的计算公式如下：
其中，ε是葡萄糖的吸收系数常数，在预设周期内，一个人的血液充盈的距离变化Δd也是常数。
S206：基于反射信号的最大值和最大值之差与预设的变化系数的比值计算待检测部位对应的血糖浓度。
其中，S205中的(ε1-ε2)*Δd可以通过首次有创血糖浓度标定获取血糖浓度和吸光度的变化系数L，即上述公式可以演变为如下公式：
由此，血糖检测装置可以通过测试吸光度变化获取较为准确的血糖浓度变化，血糖检测装置通过计算当前吸光度的变化计算出当前测试用户的血糖浓度，并将血糖浓度的计算结果显示到显示器上。
在本实施例中，血糖检测装置通过上述血糖检测方法，能够很好地利用太赫兹信号对葡萄糖的特征图谱，通过去除肌肉和骨骼等组织对太赫兹信号的吸收，实现精准的血糖浓度的无创检测，从而大大减少了患者有创血糖检测的次数，降低了感染风险。
为了实现上述实施例的基于太赫兹光谱的血糖检测方法，本申请还提供了一种血糖检测装置，具体请参阅图5，图5是本申请提供的血糖检测装置一实施例的结构示意图。
如图5所示，本实施例的血糖检测装置500包括太赫兹辐射源51、太赫兹探测器52、待测样品移动平台53、计算机处理系统54。
其中，太赫兹辐射源51，用于产生频率处于0.1THz-10THz的频率范围内的太赫兹信号，并将太赫兹信号聚焦到待测样品移动平台53；待测样品移动平台53，用于固定人体的待检测部位；太赫兹探测器52，用于收集待检测部位反射的太赫兹信号的反射信号，并传输到计算机处理系统54；计算机处理系统54，用于基于太赫兹信号的反射信号计算血糖浓度。
为了实现上述实施例的基于太赫兹光谱的血糖检测方法，本申请还提供了另一种血糖检测装置，具体请参阅图6，图6是本申请提供的血糖检测装置另一实施例的结构示意图。
本实施例的血糖检测装置500在图5中的血糖检测装置500的基础上，计算机处理系统54进一步包括音圈电机541、硬件控制系统542以及计算机控制系统543。
其中，音圈电机541，用于对太赫兹信号的反射信号进行相干采集；硬件控制系统542，用于对采集后的反射信号进行信号放大和模数转化；计算机控制系统543，用于对处理后的反射信号进行滤波，去除基线干扰，并基于太赫兹信号的反射信号计算血糖浓度。
具体地，太赫兹辐射源51利用飞秒激光激发半导体表面产生太赫兹信号，其中，半导体材料可以为砷化镓，砷化镓具有较高的电子迁移速率和较快的电信号捕获时间，具有较高的信噪比。
太赫兹辐射源51发射的太赫兹信号频率范围为0.1THz-1THz，通过光路调整将太赫兹信号聚焦到待测样品移动平台53上，提高太赫兹信号的利用率。
待测样品移动平台53上固定用户的待测部位，待测部位可以为手指末端、耳朵或其他组织部位。待测样品移动平台53上的待测部位对太赫兹信号进行吸收后，太赫兹信号的反射信号较于太赫兹信号强度有所减小，太赫兹探测器52收集太赫兹信号的反射信号，并传输给音圈电机541。
音圈电机541与待测样品移动平台53同步运动，对太赫兹信号的反射信号进行相干采集，并将采集到的反射信号传输给硬件控制系统542。
硬件控制系统542中至少包括电流放大电路(图中未示出)和模数转化电路(图中未示出)，硬件控制系统542通过内部的电路结构对采集到的反射信号进行信号放大以及模数转化等处理，并将处理后的反射信号传输给计算机处理系统543。
计算机处理系统543首先对处理后的反射信号进行预处理，对处理后的反射信号进行信号滤波，去除基线干扰；然后对预处理后的反射信号进行计算，计算反射信号的参考曲线、频域曲线、相位曲线以及吸光度曲线等曲线数据；然后通过连续采集预设周期的信号曲线，过滤吸光度的直流分量，计算葡萄糖指纹频谱处的吸光度的交流分量，通过有创血糖标定血糖浓度与吸光度的变化系数，计算出当前的葡萄糖浓度；最终通过将当前的葡萄糖浓度实时绘制在计算机界面中。
为了实现上述实施例的基于太赫兹光谱的血糖检测方法，本申请还提供了一种计算机存储介质，如图7所示，计算机存储介质700用于存储计算机程序71，计算机程序71在被处理器执行时，用以实现如本申请基于太赫兹光谱的血糖检测方法实施例中所述的方法。
本申请基于太赫兹光谱的血糖检测方法实施例中所涉及到的方法，在实现时以软件功能单元的形式存在并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在装置中，例如一个计算机可读取存储介质。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于太赫兹光谱的血糖检测方法，其特征在于，所述血糖检测方法包括：
将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收所述太赫兹信号的反射信号；
基于预设周期内接收的所述反射信号获取所述反射信号的最大值和最小值；
基于所述反射信号的最大值和最小值之差计算所述待检测部位对应的血糖浓度；
所述基于预设周期内接收的所述反射信号获取所述反射信号的最大值和最小值的步骤，包括：
基于预设周期内接收的所述反射信号计算所述反射信号的吸光度信息；
获取所述吸光度信息中至少两个最大吸光度对应的频率信息；
获取所述频率信息在所述预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值；
所述至少两个最大吸光度包括第一吸光度和第二吸光度；
所述基于所述反射信号的最大值和最小值之差计算所述待检测部位对应的血糖浓度的步骤，包括：
计算所述第一吸光度对应的频率信息在所述预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值之差，作为第一差值；
计算所述第二吸光度对应的频率信息在所述预设周期内对应的吸光度信息的最大值和最小值之差，作为第二差值；
基于所述第一差值和所述第二差值获取第三差值；
基于所述第三差值与预设的变化系数的比值计算所述待检测部位对应的血糖浓度。
2.根据权利要求1所述的血糖检测方法，其特征在于，
所述预设的变化系数通过首次有创血糖标定获取。
3.根据权利要求1所述的血糖检测方法，其特征在于，
所述太赫兹信号的频率处于0.1THz-10THz的频率范围内。
4.根据权利要求1所述的血糖检测方法，其特征在于，
所述将太赫兹信号发射至待检测部位，并接收所述太赫兹信号的反射信号的步骤之后，所述方法还包括：
将所述太赫兹信号的反射信号进行放大以及数模转化，并对所述太赫兹信号的反射信号进行滤波，去除基线干扰。
5.一种血糖检测装置，其特征在于，所述血糖检测装置包括：
太赫兹辐射源、太赫兹探测器、待测样品移动平台、计算机处理系统；
所述太赫兹辐射源，用于产生频率处于0.1THz-10THz的频率范围内的太赫兹信号，并将所述太赫兹信号聚焦到所述待测样品移动平台；
所述待测样品移动平台，用于固定人体的待检测部位；
所述太赫兹探测器，用于收集所述待检测部位反射的所述太赫兹信号的反射信号，并传输到所述计算机处理系统；
所述计算机处理系统，用于基于所述太赫兹信号的反射信号按照权利要求1～4任一项所述的血糖检测方法计算血糖浓度。
6.根据权利要求5所述的血糖检测装置，其特征在于，所述计算机处理系统进一步包括音圈电机、硬件控制系统以及计算机控制系统；
所述音圈电机，用于对所述太赫兹信号的反射信号进行相干采集；
所述硬件控制系统，用于对采集后的所述反射信号进行信号放大和模数转化；
所述计算机控制系统，用于对处理后的所述反射信号进行滤波，去除基线干扰，并基于所述太赫兹信号的反射信号计算血糖浓度。
7.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1～4中任一项所述基于太赫兹光谱的血糖检测方法的步骤。
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