CN111513728A - 一种多技术融合的无创血糖检测装置及测量方法 - Google Patents

一种多技术融合的无创血糖检测装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多技术融合的无创血糖检测装置及测量方法，该装置将近红外光谱无创血糖检测技术与旋光无创血糖检测技术相结合，提高检测灵敏度与精度的同时，抑制了人体背景以及个体差异性的影响，利用AOTF可是实现可调谐分光并且出射光为两束正交线偏光的特性，将两种方法在硬件上进行结合，具有结构简单、抗干扰能力强以及成本低等优点，同时采用了随机森林算法以及数据融合算法在软件上将两种方法进行结合，有效的提高了无创血糖浓度的预测精度，可以实现高精度非入侵血糖浓度检测的目的，适用于血糖检测领域。

Description

一种多技术融合的无创血糖检测装置及测量方法
技术领域
本发明涉及人体血糖检测领域，具体涉及一种高精度非入侵式血糖检测装置及测量方法。
背景技术
定期且连续的血糖检测，对了解糖尿病患者的血糖变化，帮助医生确定最佳的治疗方案，精准的使用药物，延缓病情的发展具有重要的价值。血糖的常规检测方法主要是通过医院抽取血液样本进行分析或利用针刺手指的方式，通过试纸进行检测。这些方法都需要刺穿皮肤，并且频繁的采集血液不仅令患者产生心理恐惧，还易造成感染，同时检测成本较高，无法实现连续的血糖监控。
目前无创血糖检测技术主要有光学方法、能量代谢守恒法、人体体液法等。在众多的研究方法中，光学方法具有快速、无创伤、信息多维化等特点，是目前无创伤血糖检测的主要研究领域。常见的光学检测方法有拉曼光谱法、光声光谱法、荧光法、光学相干成像法、旋光法、近红外光谱法，其中近红外光谱法与旋光法研究备受研究人员关注。近红外光谱法利用近红外吸收与人体血糖浓度有很好的线性相关性的特点，同时还具有穿透性较强，信号灵敏度高等一系列优点，已有众多公开文献对其进行报道，如专利CN 103349553B公开了一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，结合了近红外光的幅度和相位特征，利用吸收光谱的波峰和波谷变化差，实现高精度高无创血糖检测；专利CN108593593A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，采用了单一光源和单一传感器避免了光源或传感器差异带来的误差影响；专利CN 110575181A公开了一种近红外光谱无创血糖检测网络模型训练方法，通过神经网络算法优化近红外检测精度，然而，目前的近红外光谱无创血糖测量技术仍面临着人体个体差异较大、人体组织干扰信号难以扣除等问题，影响了该方法的准确性与稳定性。
旋光无创血糖检测技术是一种利用光学偏振光旋光原理检测血糖的方法，其利用了葡萄糖特有的旋光特性即当一束线偏振光通过葡萄糖溶液时，其透射光也是线偏振光，而且偏振方向与原入射光的偏振方向有一个夹角，该夹角与葡萄糖的浓度有关，由于人体组织其他成分没有旋光特性，因此该方法不存在人体背景干扰影响，目前旋光无创血糖检测技术多采用正交双偏振光检测技术实现血糖浓度检测，如专利CN 100482162C所述，通过正交双偏振光将所测量的血糖信号转化为两个偏振方向的信号强度差，通过信号强度差判断血糖浓度。但是，方法采用电光晶体调制产生正交双偏振光，由于需要正负180V的调制电压，电压的微小变化都将严重干扰微弱的血糖信号，抗干扰能力较差，并且装置结构复杂，实现高精度的无创血糖检测较为困难。
由此可以看出，近红外光谱无创血糖检测技术虽然具有吸收强度与血糖浓度线性度高、探测信号灵敏度强、装置结构简单等优点，但是人体背景噪声干扰对检测结果影响较大，而旋光无创血糖检测法不存在人体背景噪声的影响，但是存在检测装置复杂、抗干扰能力差等缺点。如能通过有效的手段将两种技术手段有机结合，则可以实现即有近红外光谱技术其光谱吸收与血糖浓度有较好线性度以及较高的信号灵敏度等优点，同时还能够抑制人体背景噪声，提高血糖检测精度。
发明内容
针对现有单一技术难以实现高精度无创血糖检测的难题，本发明提供了一种多技术融合的无创血糖检测装置及测量方法，基于近红外光谱无创血糖检测技术与旋光无创血糖检测技术的互补特性，利用了声光可调谐滤波器(AOTF)既可以实现可调谐分光，同时出射的正负一级两束单色光为正交的线偏振光的特点，可以实现将两种方法结合，实现提高血糖检测精度的目的。
本发明的技术方案如下：
一种多技术融合的无创血糖检测装置，包括主控制器模块1、显示器模块2、AOTF单色光源模块3、检测探头模块4，以及数据处理模块5组成，如附图1所示，其特征在于：所述的主控制器模块1控制AOTF单色光源模块3产生近红外正交偏振单色光，近红外正交偏振单色光通过光纤传递给所述的检测探头模块4，所述的检测探头模块4将近红外偏振单色光发射到检测部位上，经过检测部位反射的近红外偏振单色光由检测探头模块4采集并将光信号转换成带有偏振信息与吸收强度信息的电信号，所述的检测探头模块4将电信号传递给所述的数据处理模块5，所述的数据处理模块5将电信号进行处理和A/D转换，并将转换好的信号传递给所述的主控制器模块1，所述的主控制器模块1对血糖值进行预测并将预测的血糖值通过所述的显示模块2进行显示。
所述的AOTF单色光源模块3包括卤钨灯3-1、准直透镜3-2、AOTF3-3、聚焦透镜3-4、光纤合路器3-5、保偏光纤3-6、射频功放3-7、射频发生器3-8，如附图1所示，其特征在于，所述的主控制器模块1控制所述的射频发生器3-8生成指定频率的信号并通过所述的射频功放3-7将信号放大并输入到AOTF3-3；主控制器模块控制卤钨灯3-1打开并发射复色光束，所述的复色光束经过准直透镜3-2准直后，入射到所述的AOTF3-3，复色光束经过所述的AOTF3-3后产生两束偏振态正交的正负1级近红外单色光，两束光经过所述的聚焦纤维透镜3-4耦合进入保偏光纤3-6，光束经过所述的光纤合束器3-5后形成一束近红外正交偏振单色光，所述的近红外正交偏振单色光由保偏光纤3-6传递给检测探头模块4。
所述的检测探头4包括发射探头单元4-1、接收探头单元4-2、Y型保偏光纤4-3、近红外光电探测器4-4、检偏器4-5以及光电接收器4-6组成，如附图2所示；其中，所述的AOTF单色光源模块3将近红外正交偏振单色光通过保偏光纤传递给发射探头单元4-1，经过检测部位反射的光束由接收探头单元4-2接收，并将光束耦合进入Y型保偏光纤4-3，Y型保偏光纤4-3将光束分为两束，其中一束光进入到所述的近红外光电探测器4-4，产生近红外强度信号，另一束光进入到所述的检偏器4-5后，由光电接收器4-6接收，所述的光电接收器4-6产生带有偏转角度信息的光强信号，所述的近红外光强信号与偏振角度信号被传递到数据处理模块4进行处理；所述的数据处理模块4将近红外光电强度信号与偏振角度信号进行放大滤波处理，并对经过处理后的近红外光电强度信号与偏振角度信号进行模数转换，将模数转换后的信号传递给所述的主控制器模块1，主控制器模块1对信号进行分析，并预测血糖数值。
本发明还提供一种基于近红外光谱无创血糖检测技术与旋光无创血糖检测技术结合的无创血糖测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：以t为步长，改变所述AOTF单色光源3输出的近红外正交双偏振单色光波长，共采集m个采样点的近红外强度数据以及偏振角度数据，将m个采样点的数据储存到所述的主控制器模块1，t为波长，单位nm；
步骤2：所述的主控制器模块通过随机森林算法与数据融合算法预测出最终的血糖值，其中所述的步骤2通过如下步骤实现血糖浓度的预测：
步骤2-1：所述的主控制器模块1对储存的m个近红外光强数据以及m个光束偏振角度数据进行数字滤波与校正；
步骤2-2：经过所述的数字滤波与校正后，利用随机森林算法，分别得出近红外光谱法预测得到的血糖值BG1，与旋光法预测得到的血糖值BG2；
步骤2-3：所述的主控制器模块1对两种方法预测得到的血糖值进行关联性分析，并根据关联性分析结果分配权值，按下式进行数据融合，计算最终的血糖浓度：
BG＝a*BG1+b*BG2+c
式中，a、b为关联性分析得到的权值，c为校正系数，进而得到的血糖值BG通过所述的主控制器模块1控制显示在显示器模块2上。
本发明的有益效果是：本发明装置将近红外光谱无创血糖检测技术与旋光无创血糖检测技术相结合，提高检测灵敏度与精度的同时，抑制了人体背景以及个体差异性的影响，利用AOTF可是实现可调谐分光并且出射光为两束正交线偏光的特性，将两种方法在硬件上进行结合，具有结构简单、抗干扰能力强以及成本低等优点，同时采用了随机森林算法以及数据融合算法在软件上将两种方法进行结合，有效的提高了无创血糖浓度的预测精度，可以实现高精度非入侵血糖浓度检测的目的。
附图说明
图1为一种多技术融合的无创血糖检测装置结构图。
图2为探头模块组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考说明书附图1所示，本发明实施例提供了一种多技术融合的无创血糖检测装置，包括主控制器模块1、显示器模块2、AOTF单色光源模块3、检测探头模块4，以及数据处理模块5组成；如附图1所示，其特征在于：所述的主控制器模块1控制AOTF单色光源模块3产生近红外正交偏振单色光，近红外正交偏振单色光通过光纤传递给所述的检测探头模块4，所述的检测探头模块4将近红外偏振单色光发射到检测部位上，经过检测部位反射的近红外偏振单色光由检测探头模块4采集并将光信号转换成带有偏振信息与吸收强度信息的电信号，所述的检测探头模块4将电信号传递给所述的数据处理模块5，所述的数据处理模块5将电信号进行处理和A/D转换，并将转换好的信号传递给所述的主控制器模块1，所述的主控制器模块1对血糖值进行预测并将预测的血糖值通过所述的显示模块2进行显示。
所述的AOTF单色光源模块3包括卤钨灯3-1、准直透镜3-2、AOTF3-3、聚焦透镜3-4、光纤合路器3-5、保偏光纤3-6、射频功放3-7、射频发生器3-8，如附图1所示，其特征在于，所述的主控制器模块1控制所述的射频发生器3-8生成指定频率的信号并通过所述的射频功放3-7将信号放大并输入到AOTF3-3；主控制器模块控制卤钨灯3-1打开并发射复色光束，所述的复色光束经过准直透镜3-2准直后，入射到所述的AOTF3-3，复色光束经过所述的AOTF3-3后产生两束偏振态正交的正负1级近红外单色光，两束光经过所述的聚焦纤维透镜3-4耦合进入保偏光纤3-6，光束经过所述的光纤合束器3-5后形成一束近红外正交偏振单色光，所述的近红外正交偏振单色光由保偏光纤3-6传递给检测探头模块4。
所述的检测探头4包括发射探头单元4-1、接收探头单元4-2、Y型保偏光纤4-3、近红外光电探测器4-4、检偏器4-5以及光电接收器4-6组成，如附图2所示；其中，所述的AOTF单色光源模块3将近红外正交偏振单色光通过保偏光纤传递给发射探头单元4-1，经过检测部位反射的光束由接收探头单元4-2接收，并将光束耦合进入Y型保偏光纤4-3，Y型保偏光纤4-3将光束分为两束，其中一束光进入到所述的近红外光电探测器4-4，产生近红外强度信号，另一束光进入到所述的检偏器4-5后，由光电接收器4-6接收，所述的光电接收器4-6产生带有偏转角度信息的光强信号，所述的近红外光强信号与偏振角度信号被传递到数据处理模块4进行处理；所述的数据处理模块4将近红外光电强度信号与偏振角度信号进行放大滤波处理，并对经过处理后的近红外光电强度信号与偏振角度信号进行模数转换，将模数转换后的信号传递给所述的主控制器模块1，主控制器模块1对信号进行分析，并预测血糖数值。
本发明还提供一种基于近红外光谱无创血糖检测技术与旋光无创血糖检测技术结合的无创血糖测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：以5nm为步长，从波长900-2000nm改变所述AOTF单色光源3输出的近红外正交双偏振单色光波长，共采集220个采样点的近红外光谱数据以及偏振角度数据，将这220个采样点的数据储存到所述的主控制器模块1；
步骤2：所述的主控制器模块通过随机森林算法与数据融合算法预测出最终的血糖值，其中所述的步骤2通过如下步骤实现血糖浓度的预测：
步骤2-1：所述的主控制器模块1对储存的220个近红外光强数据以及220个光束偏振角度数据进行数字滤波与校正；
步骤2-2：经过所述的数字滤波与校正后，利用随机森林算法，分别得出近红外光谱法预测得到的血糖值BG1，与旋光法预测得到的血糖值BG2；
步骤2-3：所述的主控制器模块1对两种方法预测得到的血糖值进行关联性分析，并根据关联性分析结果分配权值，按下式进行数据融合，计算最终的血糖浓度：
BG＝a*BG1+b*BG2+c
式中，a、b为关联性分析得到的权值，c为校正系数，进而得到的血糖值BG通过所述的主控制器模块1控制显示在显示器模块2上。
以上仅为本发明的优选实施例，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 (4)

1.一种多技术融合的无创血糖检测装置，包括主控制器模块(1)、显示器模块(2)、AOTF单色光源模块(3)、检测探头模块(4)以及数据处理模块(5)；其特征在于：
所述的主控制器模块(1)控制AOTF单色光源模块(3)产生近红外正交偏振单色光，近红外正交偏振单色光通过光纤传递给所述的检测探头模块(4)，所述的检测探头模块(4)将近红外偏振单色光发射到检测部位上，经过检测部位反射的近红外偏振单色光由检测探头模块(4)采集并将光信号转换成带有偏振信息与吸收强度信息的电信号，所述的检测探头模块(4)将电信号传递给所述的数据处理模块(5)，所述的数据处理模块(5)将电信号进行处理和A/D转换，并将转换好的信号传递给所述的主控制器模块(1)，所述的主控制器模块(1)对血糖值进行预测并将预测的血糖值通过所述的显示模块(2)进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种多技术融合的无创血糖检测装置，其特征在于：
所述的AOTF单色光源模块(3)包括卤钨灯(3-1)、准直透镜(3-2)、AOTF(3-3)、聚焦透镜(3-4)、光纤合路器(3-5)、保偏光纤(3-6)、射频功放(3-7)、射频发生器(3-8)；所述的主控制器模块(1)控制所述的射频发生器(3-8)生成指定频率的信号并通过所述的射频功放(3-7)将信号放大输入到AOTF(3-3)；主控制器模块控制卤钨灯(3-1)打开并发射复色光束，所述的复色光束经过准直透镜(3-2)准直后，入射到所述的AOTF(3-3)，复色光束经过所述的AOTF(3-3)后产生两束偏振态正交的正负1级近红外单色光，两束光经过所述的聚焦纤维透镜(3-4)耦合进入保偏光纤(3-6)，光束经过所述的光纤合束器(3-5)后形成一束近红外正交偏振单色光，所述的近红外正交偏振单色光由保偏光纤(3-6)传递给检测探头模块(4)。
3.根据权利要求1所述的一种多技术融合的无创血糖检测装置，其特征在于：
所述的检测探头(4)包括发射探头单元(4-1)、接收探头单元(4-2)、Y型保偏光纤(4-3)、近红外光电探测器(4-4)、检偏器(4-5)以及光电接收器(4-6)组成；所述的AOTF单色光源模块(3)将近红外正交偏振单色光通过保偏光纤传递给发射探头单元(4-1)，经过检测部位反射的光束由接收探头单元(4-2)接收，并将光束耦合进入Y型保偏光纤(4-3)，Y型保偏光纤(4-3)将光束分为两束，其中一束光进入到所述的近红外光电探测器(4-4)，产生近红外强度信号，另一束光进入到所述的检偏器(4-5)后，由光电接收器(4-6)接收，所述的光电接收器(4-6)产生带有偏转角度信息的光强信号，所述的近红外光强信号与偏振角度信号被传递到数据处理模块(4)进行处理；所述的数据处理模块(4)将近红外光电强度信号与偏振角度信号进行放大滤波处理，并对经过处理后的近红外光电强度信号与偏振角度信号进行模数转换，将模数转换后的信号传递给所述的主控制器模块(1)，主控制器模块(1)对信号进行分析，并预测血糖数值。
4.一种基于权利要求1所述的一种多技术融合的无创血糖检测装置的无创血糖测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：以t为步长，改变AOTF单色光源(3)输出的近红外正交双偏振单色光波长，共采集m个采样点的近红外强度数据以及偏振角度数据，将m个采样点的数据储存到所述的主控制器模块(1)，t为波长，单位nm；
步骤2：所述的主控制器模块通过随机森林算法与数据融合算法预测出最终的血糖值，其中所述的步骤2通过如下步骤实现血糖浓度的预测：
步骤2-1：所述的主控制器模块(1)对储存的m个近红外光强数据以及m个光束偏振角度数据进行数字滤波与校正；
步骤2-2：经过所述的数字滤波与校正后，利用随机森林算法，分别得出近红外光谱法预测得到的血糖值BG1，与旋光法预测得到的血糖值BG2；
步骤2-3：所述的主控制器模块(1)对两种方法预测得到的血糖值进行关联性分析，并根据关联性分析结果分配权值，按下式进行数据融合，计算最终的血糖浓度：
BG＝a*BG1+b*BG2+c
式中，a、b为关联性分析得到的权值，c为校正系数，进而得到的血糖值BG通过所述的主控制器模块(1)控制显示在显示器模块(2)上。
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