CN1160018C - 一种血糖浓度检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血糖浓度检测仪，旨在提供可提高检测人体血糖浓度的速度和时间及质量标准的血糖浓度检测仪。该检测仪包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。

Description

一种血糖浓度检测仪

                           技术领域

本发明属于医学检测仪器类，尤其涉及人体血糖浓度的快速检测仪器。

                           背景技术

糖尿病是一种常见的内分泌代谢病，发病率较高。在中国，仅在沈阳和北京两地从1980至1989十年间，患病率就已从1.21％上升到2.35-2.93％，全国糖尿病患者在最近15年内增加将近3倍，患者总人数已达3000多万，每年还以1％的速度增长。在美国，现已有2000万人以上的糖尿病患者。在日本，据1999年统计，糖尿病患者和潜在患者已达690万人。糖尿病患者由于血糖浓度异常而导致体内代谢紊乱，易引起糖尿病酮症、心脑血管病变、肾衰竭、失明、肢端坏疽和感染等严重并发症，由此糖尿病已成为世界第五大死因。

目前还没有彻底根治糖尿病的医学手段，主要是通过频繁监测血糖浓度，调整降糖药物的用量，以预防或减轻并发症的发生，然而现行的测量方法需要采取血样，并应用一次性的试药通过生化方法来实现，不但操作繁琐、会给患者造成疼痛，而且还有感染其它疾病的危险。因此实现人体血糖的无创伤检测不仅能够对血糖浓度进行及时、安全、无痛的自我监测；还会摒弃消耗品，大大降低医疗费用。采用血糖的无创性测定，将对医学检测技术的发展和患者的诊治都具有重要意义。

从70年代起，西德、美国等国就开始应用光学的方法进行人体内化学成分测量的尝试。在血糖无创伤检测的早期研究中，美国曾试图以折射的方法通过对人眼进行测量来实现；西德曾提出通过ATR测量表面吸收来确定血糖浓度。近几年，日本Terumo公司提出了直接聚光至眼底血管以吸收的原理进行血糖无创检测的专利；在美国，还有March等人利用旋光法对眼前房水中葡萄糖浓度进行检测，它是根据偏振光通过含有右旋葡萄糖的溶液时偏振面会发生与葡萄糖浓度成比例的偏转，通过测量偏转角度而测出葡萄糖的浓度。该方法的缺点是偏转角较小，测量难度大；且容易产生测量偏差。另外，由于人眼测量实现难度大，患者也不易接受等原因，目前无果而告终。

另外也有人提出了散射测量法、光音响法、喇曼光谱法等无创血糖测量方法。但由于使用较强的激光光源，不适于人体测量，所以只停留在理论研究阶段，尚无诊治应用的结果。

目前，较为流行的血糖无创检测技术及方法，大都采用近、中红外光谱测量方法。

1996年美国的Biocontrol技术公司推出了Diasensor1000型无创伤心血糖仪器。它只需将前臂放置在仪器上，将红外光射入皮肤，接收并测量经过人体组织的扩散反射光，在几分钟内显示出血糖测量值。但所有以上及其它的无刨伤血糖仪器均未通过FDA认证，也可以说世界上还没有成功的血糖无刨伤测量的仪器，或者可实现临床精度意义下成功的方法。

所以一种快速、稳定的血糖浓度成份检测仪器有着广阔的应用前景。

因为人体血液中含有葡萄糖、脂肪、蛋白质、水份等，其成分对光具有吸收特性，所以人们通常采用近红外分光测量，其分光测量时间都较长。现代红外光谱仪器检测分类很多，但从仪器的分光类型看，可分为4种主要类型：

1、声光可调谐滤波器(AOTF)，虽其尺寸小，无机械移动件，有坚固耐用的特点。但由于它是应用了电信号的变化进行分光，所以测量速度虽较快，但仍不能满足人体血糖浓度成份快速检测的需要。

2、干涉滤光片的组合，由于其波长少，测量精度低且不利于测量项目的扩展，分光测量时间也较长，故而在实际中较少使用。

3、光栅分光，由于采用机械扫描，分光测量时间仍较长，因而在实际中也很少使用。

4、傅立叶变换分光，因测量时间长、光谱范围窄，所需设备庞大，费用昂贵，所以在实际中不常使用。

通常，上述试验阶段试制的人体血糖浓度检测仪，是由光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器构成的。由于其中的主要器件声光可调谐滤波器(AOTF)的驱动器是用来产生和输出检测血糖浓度成份高频信号的一种装置。而目前的声光可调谐滤波器(AOTF)，是由锁相环环路和电流功率放大输出电路组成的。其中的锁相环环路由鉴相器，低通滤波器，压控震荡器用导体顺序连接，除N分频器用导体其一端与鉴相器连接，另一端与压控震荡器的输出端连接，用于输出低速高频信号；电流功率放大输出电路，由电流倍增器、前置放大器、功率放大器、RF输出接口用导体顺序连接，其电流倍增器并由导体与压控震荡器的输出端连接，用于将压控震荡器输出的低速高频信号的电流和功率进行放大处理。声光可调谐滤波器(AOTF)控制面板上置有显示屏，和由旋钮开关、存储按钮、扫描/停止开关、选点开关等组成的面板控制器。但是，由于鉴相器，低通滤波器，压控振荡器及分频器组成的传统锁相环频率合成器，在转换频率时需要一定的时间才能再次锁定。且锁定时间的长短是由环路的自然频率(低通滤波器)和跳变的频率间隔决定的。通过合理优化设计只能使其接近自然频率的限制。没有可能使其低于这一限制。并且在大幅度频率跳变时，由于压控振荡器的输出频率和输入电压基本成正比，所以电压越大(频率差越大)，所需的锁定时间越长，其锁定时间长达几百微秒甚至毫秒，这极大地限制了频率扫描速度的提高，也影响了高频信号输出的质量和时间。因此在血糖浓度成份的检测过程中仍需时间较长，且检测效果难达到所需标准的要求。同时，检测时需采用一般计算机，缺乏灵活的现场使用，且操作复杂，成本高，很难适合小型医疗单位及患者家庭等处快速检测血糖浓度成份的需要。

                           发明内容

本发明的目的是提供一种血糖浓度检测仪，可提高检测人体血糖浓度的速度和时间及质量标准。

本发明的目的是这样实现的：

一种血糖浓度检测仪，包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。

所述电流功率放大输出电路由前置放大器、功率放大器、RF输出接口依次连接组成。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而血糖浓度快速检测仪具有：

1，在血糖浓度检测时，可快速进行分光波长的调整和转换；

2，可输出30-90MHz的宽广扫描频率，满足血糖浓度快速检时对质量和时间的要求；

3，在血糖浓度快速检测时，可灵活进行高频电信号频率的扫描，且其数量、间隔、时间、循环、驱动功率等都可灵活调整，快速调制；

4，大屏幕显示，粗、精调整相结合，血糖浓度快速检测结果一目了然。

本发明由于在血糖浓度成份检测的过程中采用了电信号的变化，来进行分光的原理，所以测量速度快，最高可实现4000波长/秒以上的转换速度，且具有良好的波长准确性和重复性等特点，且体积小、使用方便，非常适合小型医疗单位及患者家庭等处现场快速检测血糖浓度成份的需要。

                           附图说明

图1是本发明的血糖浓度检测仪中驱动器的智能锁相环电路的原理示意图；

图2是本发明的血糖浓度检测仪中驱动器的电路原理示意图；

图3是本发明的血糖浓度检测仪在血糖测量工作时的原理示意图。

其中：1、光源             2、聚光镜A         3、反光镜

      4、晶体             5、聚光镜B         6、分光镜

      7、光纤端口A        8、光纤端口B       9、光纤

      10、测头A           11、被测体         12、测头B

      13、检测放大器A     14、检测放大器B    15、信号放大器

      16、中央处理器      17、电源           18、驱动器

      19、控制面板        20、显示器         21、D/A转换器

      22、RF输出接口      23、加法器         24、压控振荡器

      25、鉴相低通滤波器  26、除N分频控制器  27、前置放大器

      28、功率放大器      29、微处理器。

                         具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下说明：

在图1中，驱动器18内设置的智能锁相环电路由加法器23、D/A转换器21、微处理器29、鉴相低通滤波器25、除N分频控制器26组成，用于血糖浓度检测时快速产生和输出可调高频电信号。其加法器23、D/A转换器21、微处理器29由导体顺序连接；加法器23并设置在鉴相低通滤波器25与压控振荡器24连接导体中。微处理器29还分别由导体与鉴相低通滤波器25及除N分频控制器26连接。

在图2中，驱动器18内设置的控制电路，由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路用导体连接构成。

其中，智能锁相环电路由图1所述，是由加法器23、D/A转换器21、微处理器29、鉴相低通滤波器25、除N分频控制器26组成，用于血糖浓度检测时快速产生和输出可调高频电信号。其加法器23、D/A转换器21、微处理器29由导体顺序连接；加法器23并设置在鉴相低通滤波器25与压控振荡器24连接导体中。微处理器29还分别由导体与鉴相低通滤波器25及除N分频控制器26连接。

电流功率放大输出电路，其由前置放大器27、功率放大器28、RF输出接口22用导体顺序连接组成，用于将压控振荡器24输出的快速高频电信号进行电流和功率的放大处理。

由上所述的驱动器控制电路，其有一端还与控制面板19上各控制开关(如键盘、按钮开关等)连接，用于接受外界调控指令。

在驱动器18内设置的控制电路中，

1，微处理器29：用于血糖浓度快速检测时，对驱动器18进行管理和控制中枢。

2，D/A转换器21：可采用2路8位数/数模转换器，其中一路用于跳频电压值放大，另一路用于输出增益值放大。

3，压控振荡器24：用于振荡频率随压控电压线性变化，在血糖浓度快速检测时，可产生和输出30-90MHz的高频电信号。

4，鉴相低通滤波器25：用于血糖浓度快速检测时，控制压控电压值。

5，除N分频控制器26：用于血糖浓度快速检测时，将来自压控振荡器24输入的nf0高频电信号进行n分频后，与标准频率f0比较鉴相，其频差信号经低通滤波器送至压控振荡器，进而完成高频电信号的锁相功能。

6、前置放大器27：用于血糖浓度快速检测时完成信号的初级放大。

7、功率放大器28：用于前置放大器27输入信号的功率放大。

本发明的核心——“智能化锁相环”的实质，就是应用计算机技术及D/A转换器技术，将大范围频率跟踪通过数/模转换而得以快速实现。它的快速频率跟踪为多种应用奠定了良好的基础。本发明的高频声光可调谐滤波器的驱动器频率锁定时间之所以快于传统的声光可调谐滤波器的驱动器及其传统的锁相环，是因为采用了D/A转换器21，其速度仅为25微秒。这样，超大范围内整数频率差(例如几十兆赫兹)的跟踪就可在几十微秒内完成；而小于1兆赫兹的频率残差，可通过传统的锁相方式来完成；频率跟踪的总和时间也仅为100微秒左右，其频率锁定时间缩短了近10倍。

在图3中，本发明的血糖浓度快速检测仪，在血糖测量工作时的原理说明如下：

在血糖浓度快速检测时，血糖浓度快速检测仪由光源1、聚光镜A2、反光镜3、晶体4、聚光镜5、分光镜6、光纤端口A7、光纤端口B8、光纤9、测头A10、测头B12、检测放大器A13、检测放大器B14、信号放大器15、中央处理器16、电源17、驱动器18、显示器20组成。其中，

1，光源1：可采用溴钨灯作为该系统的光源，特点是其光谱覆盖了全部近红外的范围，而且该光源在近红外范围内，光谱均一，稳定，是较理想的近红外全谱光源。其溴钨灯电源电压为12v，功率为50W为好。

2，驱动器18：与以往的分光方式不同，本发明采用了图1、图2所述的设置有先进的智能锁相环电路构成的AOTF(Acousto-ptic Tunabie Filter)声光可调谐滤光器的驱动器18，只需改变驱动晶体4高频电信号的频率即可达到快速分光的效果。在一定频率范围内快速、连续的扫描可获得所需光谱范围内快速切换而连续的单色光。这种分光方式的特点是波长切换快，重现性好，光学系统无移动性部件，且程序化的波长控制使其应用具有更大的灵活性。本发明中AOTF高频电信号的产生是采用智能锁相环电路构成的AOTF(Acousto-optic Tunabie Filter)驱动器，输出的是经调制的高频电信号，经晶体4分光后可得到调制的单色光。晶体4可采用TeO₂晶体。

3，测头A10、测头B12：采用光纤作为测头。驱动器18分出的单色光经由输出光纤9传递到被测物11的人体手、耳，嘴、眼等处经漫反射后，由输入光纤9拾取并向后级传递。采用光纤作为测头的优点在于：机构简单，使用、操作灵活，便于在多种场合应用。测头A10、测头B12可分体制成，也可制成一体。

4，检测放大器A13、检测放大器B14：检测放大器A13为参考光检测放大器，检测放大器B14为信号光检测放大器。检测放大器B14由接受光纤9拾取井传递含有被测物11的人体手、耳、嘴、眼等处信息的光信号，经投射到检测放大器的受光表面后，在检测放大器A13、检测放大器B14输出端可得到与其输入光强相对应的电信号。检测放大器A13、检测放大器B14的作用就是将人体被测手、耳、嘴、眼等处信息的光信号转换为相应的电信号，输出至信号放大器15。本发明采用铟镓砷为光电检测器件，在所需的光谱范围内具有良好的响应度和线性度，并有噪音低的特点。

5，信号放大器15：从检测放大器A13、检测放大器B14的输入中，取出微弱人体血糖电信号中的交流成分，经由低噪声、低漂移、线性度良好放大后，并进一步抑制了噪声。经过处理的信号再输出给中央处理器16。

6，中央处理器16：在本发明中，中央处理器16控制人体血糖成份的起始测量。首先，中央处理器16控制AOTF驱动器18产生AOTF分光所对应的高频频率。其由导线与信号放大器15连接，将检测放大器A13、检测放大器B14检测到的血糖成分测量数据及采集时间、采集点数、采集次数和采集速率等进行光谱和数据的分析处理后，即可获得血糖浓度成份测量的精确数据，并可通过显示器20等显示其测量结果。其次，中央处理器16还兼控驱动器18，对晶体4输出所需高频电信号。

7，电源17，用于供给检测放大器A13、检测放大器B14、信号放大器15、中央处理器16、驱动器18等处所需电源。

在血糖浓度快速检测中，血糖浓度快速检测仪的检测工作过程如下：

首先由光源1发出入射光经聚光镜A2、反光镜3入射至晶体4，同时驱动器18在其内的微处理器29及中央处理器16的指令及控制下，产生高频电信号，输入晶体4。晶体4内的电声换能器将高频输入电信号(一般约为几十兆赫至二百兆赫之间)，转换为在晶体内的超声波振动，超声波产生了空间周期性的调制，其作用象一块位相光栅。当光源1的入射光照射到此光栅后将产生布喇格衍射，发射出+衍射光、—衍射光及未衍射光，其衍射光的波长与高频电信号的频率有着一一对应的关系。所以只要调节、改变快速高频声光可调谐滤波器的驱动器18输出信号的频率，即可改变衍射光的波长，进而也就达到了测量血糖所需分光的目的。由此，晶体4出射的测量近红外光中的+衍射光或-衍射光，经聚光镜5、分光镜6、及光纤端口A7，传至光纤9及被测物11人体的手、耳、嘴、眼等处的测头A10、测头B12，置于被测物11人体的手、耳、嘴、眼等处。因葡萄糖在中红外波段有吸收特征，而且吸光系数较大，故对近红外光具有吸收和散射特性，因而入射的近红外光在被测物11中一边散射，一边被吸收。入射光在人体组织的手、耳、嘴、眼等处一边发生散射，一边向四处传播，在传播的过程中其光能量将越来越弱，在距离入射光的几何长度Lg处，实际传播了平均路程L的散射光将从人体的手、耳，嘴、眼等处表面出射，此出射光带有血糖浓度的信息。因此，采集此信息后建立适当的分析处理模型，就可以测出血糖的浓度。

由上，被减弱的光最后经光纤9输出至检测放大器B14，由此分别获得测量光信号，经信号放大器15放大处理后被中央处理器16采集。中央处理器16对采集输入的信号进行回归分析等一系列处理，即可得出血糖成分浓度的精确数值。

本发明的血糖浓度成份快速检测仪，由于其内的驱动器18采用了先进的智能锁相环电路构成，并具有电子调制功能，所以它相对于经典的分光仪器具有速度快，无机械移动件，光谱范围宽，尺寸小等优点，其在血糖测量中检测分光速度比目前的血糖浓度成份检测仪的分光速度提高近10倍，所以测量速度快，最高可实现4000波长/秒的转换速度，且具有良好的波长选择准确性和重复性等特点，因而非常适合小型医疗单位及患者家庭等处现场快速进行血糖浓度成份的监测和测量。

Claims (2)

1.一种血糖浓度检测仪，包括光源、晶体、检测放大器、光纤、测头、信号放大器、中央处理器和驱动器，其特征是，所述驱动器由智能锁相环电路和电流功率放大输出电路组成，所述智能锁相环电路由鉴相低通滤波器、D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器、微处理器组成，所述微处理器依次与D/A转换器、加法器、压控振荡器、除N分频控制器连接，所述微处理器分别与除N分频控制器、鉴相低通滤波器连接，所述鉴相低通滤波器分别与加法器和压控振荡器连接，所述压控振荡器与所述电流功率放大输出电路中的前置放大器连接。

2.根据权利要求1所述的血糖浓度检测仪，其特征是，所述电流功率放大输出电路由前置放大器、功率放大器、RF输出接口依次连接组成。

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