CN115201121A - 一种无创血糖光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及血糖测量设备，特别为一种无创血糖光谱仪。包括外壳，所述外壳内设有：LED灯模块，用于提供光源并向外部手腕投射；聚光镜头，用于接收经过手腕表面反射出来的光；准直镜头，通过光纤连接聚光镜头，用于将光纤出射的光线准直为平行光；光栅，所述光栅的衍射面对准准直镜头，用于将平行光衍射出光谱；白板，用于接收光谱光线并产生光谱图像。本发明一种无创血糖光谱仪，用于快速，精准，且低成本的获取人体血糖光谱，以便后期血糖分析。

Description

一种无创血糖光谱仪

技术领域

本发明涉及血糖测量设备，特别为一种无创血糖光谱仪。

背景技术

糖尿病是由遗传基因决定的全身代谢性疾病，随着人们生活水平的提高，我国糖尿病患者约有3500万人，患病率居世界第二位。

目前，对糖尿病患者血糖浓度的监测，一般是采取有创或微创法进行检测。这两种方法都需要采集患者血样，不仅容易对患者造成各种体液传染性疾病的传播、给患者带来痛苦和不便。家用血糖仪多为有创血糖仪，根据设计原理分为光电型和电极型两大类。光电型血糖仪价格便宜，但是光电探头容易污染，测试误差较大，使用寿命也较短。电极型血糖仪的设计更合理一些，有一个内置式电极，避免了污染，误差较小，精度较高，寿命相对来说要长得多。但有创检测不仅容易造成各种体液传染性疾病的传播。给病人带来痛苦和不便。而且也限制了检测血糖的频率。无法满足对患者血糖浓度的实时、长期、连续性监测。而目前，无创血糖仪价格高昂，精准度一般，且国内货量较少，一般家庭难以承担。

发明内容

本发明的目的在于：克服以上缺点提供一种无创血糖光谱仪，用于快速，精准，且低成本的获取人体血糖光谱，以便后期血糖分析

本发明通过如下技术方案实现：一种无创血糖光谱仪，其特征在于：包括外壳，所述外壳内设有：

LED灯模块，用于提供光源并向外部手腕投射；

聚光镜头，用于接收经过手腕表面反射出来的光；

准直镜头，通过光纤连接聚光镜头，用于将光纤出射的光线准直为平行光；

光栅，所述光栅的衍射面对准准直镜头，用于将平行光衍射出光谱；

白板，用于接收光谱光线并产生光谱图像。

由于有机物的各种基团都有其固定的振动频率，当分子受到外界光照射时，会受激发生共振，这时测量其吸收光能够得到复杂的图谱，而这种图谱能够表示物质的特征，故血糖糖度值可以由手腕反射光光谱来反映。本发明的一种无创血糖光谱仪中，将光谱仪对准并完全盖住手腕的被测量区域，开启LED灯模块，此时经过手腕表面反射出来的光被聚光镜头收集并聚焦耦合进入光纤，光纤的另一头连接准直镜头，准直镜头将光纤的出射光准直为细长光斑，细长光斑入射到光栅表面，经光栅衍射出的光谱光线投射到白板表面，在白板上产生光谱图像，通过分析光谱图像可以得出血糖的具体参数，这样无创血糖光谱仪，可以快速，精准，且低成本的获取人体血糖光谱。

作为进一步的改进，所述光纤中纤芯的数量为多根，在光纤的入射端各纤芯呈圆形或方形排列，在光纤的出射端各纤芯呈一字排列。由于光纤的出射端呈一字排列，这样光线经过准直镜头被准直成准平行光后即为细长的光斑。这样无需单独设置狭缝，将光线拦截为细长光斑。

作为进一步的改进，所述无创血糖测糖仪还包括与外壳相连接的安装座，所述安装座内部中空且下端设置开口，所述LED灯模块包括安装在安装座中的灯板、以及多个环形设置在灯板上且向下投射光线的LED单元，所述灯板在各LED单元环绕的中间位置设有通孔，所述聚光镜头安装在通孔中。

其中将LED单元作为发光单元，可以将光源的体积大大缩小。而且各LED单元环形设置在灯板上，将聚光镜头安装在灯板的中间位置，这样结构紧凑，小型化，并且聚光效果更好。

作为进一步的改进，在光栅和白板之间还设有用于将经光栅衍射出的光谱光线反射转折90度后投射到白板表面上的第一反射镜。通过增加第一反射镜可以调整白板相对光栅的安装位置，这样可以将外壳做得更小。

作为进一步的改进，所述外壳的侧壁上设有拍摄口，所述拍摄口至白板之间形成有光谱拍摄光路，所述光谱拍摄光路通过第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的三次反射转折来增长拍摄口与白板的距离。在拍摄口与白板之间的光路经过三个反射镜折叠后可以增长拍摄口与白板间的距离，有利于外设上的镜头能完整清晰地拍摄到白板上的光谱图像。通过三个反射镜折叠的结构还可以将外壳设计得更扁，结构更加的小型化，便于手持携带。

作为进一步的改进，所述无创血糖测糖仪还包括设置于外壳内用于拍摄白板上的光谱图像的拍摄模组，所述拍摄模组包括拍摄镜头、CMOS模组、和主控板，所述主控板上设有为其供电的电源控制模块和用于与外部终端无线连接的无线传输模块。相比于上述的在拍摄口通过外设(如手机等)的镜头拍摄光谱的方式，在壳体内部直接安装拍摄镜头，并通过无线的方式向外传输，可以更加的智能化。

作为优选方式，所述聚光镜头为正焦距镜头，其焦距为f＝3-8mm，所述聚光镜头是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

所述聚光镜包括正焦距的弯月透镜和第一非球面平凸透镜，所述弯月透镜和第一非球面平凸透镜之间空气间隔为1-2mm，所述第一非球面平凸透镜和光纤接受端的空气间隔为3-4mm；

所述第一非球面平凸透镜的折射率为1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为2-3mm，S2面为平面，中心厚为1-2mm，通光半径为1-2mm，圆锥系数为-26.55，4次项系数为0.199，6次项系数为-0.237，8次项系数为0.207，10次项系数为-0.103，12次项系数为0.022，所述聚光镜头距离待测物表面为6-12mm。

作为优选方式，所述准直镜头4为正焦距镜头，其焦距约为f＝6-12mm，所述准直镜头是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

所述准直镜头为第二非球面平凸透镜，第二非球面平凸透镜采用折射率1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为5-6mm，S2面为平面，中心厚度为1-3mm，通光半径为2-3mm，圆锥系数为-12.386，4次项系数为0.01，6次项系数为-1.619E-003，8次项系数为2.33E-004，10次项系数为-2.136E-005，12次项系数为8.778E-007，所述准直透镜与光纤出口端面的空气间隔为8-9mm，所述准直镜头出光端面距离光栅的距离为10-18mm。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1.本发明的一种无创血糖光谱仪中，将光谱仪对准并完全盖住手腕的被测量区域，开启LED灯模块，此时经过手腕表面反射出来的光被聚光镜头收集并聚焦耦合进入光纤，光纤的另一头连接准直镜头，准直镜头将光纤的出射光准直为细长光斑，细长光斑入射到光栅表面，经光栅衍射出的光谱光线投射到白板表面，在白板上产生光谱图像，通过分析光谱图像可以得出血糖的具体参数，这样无创血糖光谱仪，可以快速，精准，且低成本的获取人体血糖光谱。

2.用光纤束替代大芯径光纤，在准直出射端采用光纤束一字排列，不用狭缝就将光纤出射光准直成细长光斑，提高通光量，减少光损失，提高光谱精度。

3.其中将LED单元作为发光单元，可以将光源的体积大大缩小。而且各LED单元环形设置在灯板上，将聚光镜头安装在灯板的中间位置，这样结构紧凑，小型化，并且聚光效果更好。

4.在拍摄口与白板之间的光路经过三个反射镜折叠后可以增长拍摄口与白板间的距离，有利于外设上的镜头能完整清晰地拍摄到白板上的光谱图像。通过三个反射镜折叠的结构还可以压缩外壳的尺寸，结构更加的小型化，便于手持携带。

5.本发明采用光纤传输手腕反射光，能提高结构设计灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的内部结构示意图；

图3为本发明实施例一中安装座、LED灯模块和聚光镜头的截面示意图；

图4为本发明实施例一中LED灯模块的俯视图；

图5为本发明实施例一中拍摄光路结构示意图；

图6为本发明实施例一中光纤入射端的结构示意图；

图7为本发明实施例一中光纤出射端的结构示意图；

图8为本发明实施例一中聚光镜头的结构示意图；

图9为本发明实施例一中准直镜头的结构示意图；

图10为本发明实施例一中聚光镜头的光斑直径图；

图11为本发明实施例一中准直镜头的MTF示意图。

图12为本发明实施例二的结构示意图；

图13为本发明中光谱实拍效果图；

图14为本发明中光谱捕捉有效区域图；

图15为本发明中光谱处理过程图；

图16为本发明中PLS算法的均方误差下降趋势图；

图17为本发明中预测集样本数据的模型自测图。

标号说明：1、外壳；11、拍摄口；2、LED灯模块；21、灯板；211、通孔；22、LED单元；3、聚光镜头；31、弯月透镜；32、第一非球面平凸透镜；4、准直镜头；5、光纤；6、光栅；7、白板；8、安装座；9、第一反射镜；101、第二反射镜；102、第三反射镜；103、第四反射镜；1a、拍摄镜头。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明作详细说明：

本实施例涉及一种无创血糖光谱仪，如图1-11所示，包括外壳1，所述外壳1内设有：

LED灯模块2，用于提供光源并向外部手腕投射；

聚光镜头3，用于接收经过手腕表面反射出来的光；

准直镜头4，通过光纤5连接聚光镜头3，用于将光纤5出射的光线准直为平行光；

光栅6，所述光栅6的衍射面对准准直镜头4，用于将平行光衍射出光谱；

白板7，用于接收光谱光线并产生光谱图像。

由于有机物的各种基团都有其固定的振动频率，当分子受到外界光照射时，会受激发生共振，这时测量其吸收光能够得到复杂的图谱，而这种图谱能够表示物质的特征。本发明的一种无创血糖光谱仪中，将光谱仪对准并完全盖住手腕的被测量区域，开启LED灯模块2，此时经过手腕表面反射出来的光被聚光镜头3收集并聚焦耦合进入光纤5，光纤5的另一头连接准直镜头4，准直镜头4将光纤5的出射光准直为细长光斑，细长光斑入射到光栅6表面，经光栅衍射出的光谱光线投射到白板7表面，在白板7上产生光谱图像，通过分析光谱图像可以得出血糖的具体参数，这样无创血糖光谱仪，可以快速，精准，且低成本的获取人体血糖光谱。

如图6-7所示，作为进一步的改进，所述光纤5中纤芯的数量为多根，在光纤5的入射端各纤芯呈圆形或方形排列，在光纤5的出射端各纤芯呈一字排列。由于光纤5的出射端呈一字排列，这样光线经过准直镜头4被准直成准平行光后即为细长的光斑。这样无需单独设置狭缝，将光线拦截为细长光斑。其中纤芯是直径为50μm-150μm的玻璃光纤5束，纤芯可为6-20根。

如图1-4所示，作为进一步的改进，所述无创血糖测糖仪还包括与外壳1相连接的安装座8，所述安装座8内部中空且下端设置开口，所述LED灯模块2包括安装在安装座8中的灯板21、以及多个环形设置在灯板21上且向下投射光线的LED单元22，所述灯板21在各LED单元22环绕的中间位置设有通孔211，所述聚光镜头3安装在通孔211中。所述LED单元由2-8个并联均布在灯板21上，所述通孔211的直径为6-12mm。

其中将LED单元22作为发光单元，可以将光源的体积大大缩小。而且各LED单元22环形设置在灯板21上，将聚光镜头3安装在灯板21的中间位置，这样结构紧凑，小型化，并且聚光效果更好。

如图2所示，作为进一步的改进，在光栅6和白板7之间还设有用于将经光栅6衍射出的光谱光线反射转折90度后投射到白板7表面上的第一反射镜9。通过增加第一反射镜9可以调整白板7相对光栅6的安装位置，这样可以将外壳1做得更小。

如图5所示，作为进一步的改进，所述外壳1的侧壁上设有拍摄口11，所述拍摄口11至白板7之间形成有光谱拍摄光路，所述光谱拍摄光路通过第二反射镜101、第三反射镜102和第四反射镜103的三次反射转折来增长拍摄口11与白板7的距离。在拍摄口11与白板7之间的光路经过三个反射镜折叠后可以增长拍摄口11与白板7间的距离，有利于外设上的镜头能完整清晰地拍摄到白板7上的光谱图像。通过三个反射镜折叠的结构还可以将外壳1设计得更扁，结构更加的小型化，便于手持携带。

如图8-9所示，作为优选方式，所述聚光镜头3为正焦距镜头，其焦距为f＝3-8mm，所述聚光镜头3是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

所述聚光镜包括正焦距的弯月透镜31和第一非球面平凸透镜32，所述弯月透镜31和第一非球面平凸透镜32之间空气间隔为1-2mm，所述第一非球面平凸透镜32和光纤5接受端的空气间隔为3-4mm；

所述第一非球面平凸透镜32的折射率为1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为2-3mm，S2面为平面，中心厚为1-2mm，通光半径为1-2mm，圆锥系数为-26.55，4次项系数为0.199，6次项系数为-0.237，8次项系数为0.207，10次项系数为-0.103，12次项系数为0.022，所述聚光镜头3距离待测物表面为6-12mm。

如图10-11所示，作为优选方式，所述准直镜头4为正焦距镜头，其焦距约为f＝6-12mm，所述准直镜头4是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

所述准直镜头4为第二非球面平凸透镜，第二非球面平凸透镜采用折射率1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为5-6mm，S2面为平面，中心厚度为1-3mm，通光半径为2-3mm，圆锥系数为-12.386，4次项系数为0.01，6次项系数为-1.619E-003，8次项系数为2.33E-004，10次项系数为-2.136E-005，12次项系数为8.778E-007，所述准直透镜与光纤5出口端面的空气间隔为8-9mm，所述准直镜头4出光端面距离光栅的距离为10-18mm。由图11可知MTF在200lp/mm＞0.3，准直效果好。

关于白板产生的光谱图像，可以通过手机摄像头在拍摄口拍摄光谱图案来实现，由手机上预置的APP来进行解析。APP的处理是使用OpenCV库中的HSV图像模型，即色度(Hue)，饱和度(Saturation)，明度(Value)进行存储。如图13-14所示，光谱图背景为黑色，与光谱图边缘有明显亮度差，使用CV库中inRange函数实现亮度范围选取，自动将光谱图从原始图片中矩形截取。

为去除光谱边缘像素噪点，选取光谱图上150x750个像素。如图15所示，每一列像素从y轴中央开始选取150个像素为一组，则x轴上有750组像素点。因为采用HSV模型，将每组像素Value(亮度)累加取平均值，得到750组输入变量。

针对于单个样本，在一维的线性回归模型中，血糖数值和750个亮度平均值之间能用线性关系来描述：

在公式中，n＝750代表750个自变量，wj和b分别表示该线性模型的权重和偏置。采集100个血糖样本(每个样本有750个输入，1个输出)，使用train_test_split函数将数据集分成样本集和测试集。样本集利用偏最小二乘法实现p个因变量y1,y2,…,yp与m个自变量x1,x2,…,xm的建模问题。使用PyTorch机器学习框架，利用之前建立好的线性回归模型，进行神经网络训练。同时通过网格搜索算法进行模型的调优，找出最优参数。

如图16所示，在训练过程，线性回归模型使用均方误差作为损失函数，通过血糖预测值和真实值的误差大小，来求解最小误差和评估模型。在求解最小误差中，使用梯度下降法减少误差，测试率设置为0.4，学习率设置为0.4，训练轮数设置为10000。通过matplotlib绘制的图像中可以对比血糖预测值和真实值的均方误差不断减少。

如图17所示，最后将测试集带入训练好的模型中，得到预测值。以血糖真实值为横坐标，以预测值为纵坐标的点几乎都落在y＝x上，真实值和预测值相差很小。

实施例二：

如图12所示，相比于与上述的实施例一区别在于：所述无创血糖测糖仪还包括设置于外壳1内用于拍摄白板7上的光谱图像的拍摄模组1a，所述拍摄模组1a包括拍摄镜头、CMOS模组、和主控板，所述主控板上设有为其供电的电源控制模块和用于与外部终端无线连接的无线传输模块。相比于上述的在拍摄口11通过外设(如手机等)的镜头拍摄光谱的方式，在壳体内部直接安装拍摄镜头1a，并通过无线的方式向外传输，可以更加的智能化。

尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义上的限制。

Claims (10)

1.一种无创血糖光谱仪，其特征在于：包括外壳(1)，所述外壳(1)内设有：

LED灯模块(2)，用于提供光源并向外部手腕投射；

聚光镜头(3)，用于接收经过手腕表面反射出来的光；

准直镜头(4)，通过光纤(5)连接聚光镜头(3)，用于将光纤(5)出射的光线准直为平行光；

光栅(6)，所述光栅(6)的衍射面对准准直镜头(4)，用于将平行光衍射出光谱；

白板(7)，用于接收光谱光线并产生光谱图像。

2.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述光纤(5)中纤芯的数量为多根，在光纤(5)的入射端各纤芯呈圆形或方形排列，在光纤(5)的出射端各纤芯呈一字排列。

3.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述无创血糖测糖仪还包括与外壳(1)相连接的安装座(8)，所述安装座(8)内部中空且下端设置开口，所述LED灯模块(2)包括安装在安装座(8)中的灯板(21)、以及多个环形设置在灯板(21)上且向下投射光线的LED单元(22)，所述灯板(21)在各LED单元(22)环绕的中间位置设有通孔(211)，所述聚光镜头(3)安装在通孔(211)中。

4.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：在光栅(6)和白板(7)之间还设有用于将经光栅(6)衍射出的光谱光线反射转折90度后投射到白板(7)表面上的第一反射镜(9)。

5.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述外壳(1)的侧壁上设有拍摄口(11)，所述拍摄口(11)至白板(7)之间形成有光谱拍摄光路，所述光谱拍摄光路通过第二反射镜(101)、第三反射镜(102)和第四反射镜(103)的三次反射转折来增长拍摄口(11)与白板(7)的距离。

6.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述无创血糖测糖仪还包括设置于外壳(1)内用于拍摄白板(7)上的光谱图像的拍摄模组(1a)，所述拍摄模组(1a)包括拍摄镜头、CMOS模组、和主控板，所述主控板上设有为其供电的电源控制模块和用于与外部终端无线连接的无线传输模块。

7.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述聚光镜头(3)为正焦距镜头，其焦距为f＝3-8mm，所述聚光镜头(3)是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

8.根据权利要求7所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述聚光镜包括正焦距的弯月透镜(31)和第一非球面平凸透镜(32)，所述弯月透镜(31)和第一非球面平凸透镜(32)之间空气间隔为1-2mm，所述第一非球面平凸透镜(32)和光纤(5)接受端的空气间隔为3-4mm；

所述第一非球面平凸透镜(32)的折射率为1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为2-3mm，S2面为平面，中心厚为1-2mm，通光半径为1-2mm，圆锥系数为-26.55，4次项系数为0.199，6次项系数为-0.237，8次项系数为0.207，10次项系数为-0.103，12次项系数为0.022，所述聚光镜头(3)距离待测物表面为6-12mm。

9.根据权利要求1所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述准直镜头(4)为正焦距镜头，其焦距约为f＝6-12mm，所述准直镜头(4)是由一片球面透镜或非球面透镜，或由两片以上的透镜组成正焦距镜头。

10.根据权利要求9所述的一种无创血糖光谱仪，其特征在于：所述准直镜头(4)为第二非球面平凸透镜，第二非球面平凸透镜采用折射率1.5-1.6，使用色散为60-70的材料，曲率半径S1面为5-6mm，S2面为平面，中心厚度为1-3mm，通光半径为2-3mm，圆锥系数为-12.386，4次项系数为0.01，6次项系数为-1.619E-003，8次项系数为2.33E-004，10次项系数为-2.136E-005，12次项系数为8.778E-007，所述准直透镜与光纤(5)出口端面的空气间隔为8-9mm，所述准直镜头(4)出光端面距离光栅的距离为10-18mm。

Images