CN209770383U - 一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，包括单色仪、探头、激励光源和分析装置，探头包括壳体和设置在壳体内的准直透镜、会聚透镜和聚焦透镜，以及设置在壳体前端的探测孔。探测孔孔径小于1mm，其中心设置在会聚透镜主轴上，与会聚透镜光心的距离L与会聚透镜的焦距f为0.5mm≤f‑L≤1.5mm。激励光源发出波长600nm以上的近红外光，对皮肤真皮层组织液中葡萄糖形成激励，单色仪收集处理葡萄糖受激励后产生的特征信号，供分析装置分析得到葡萄糖信号。本实用新型具有减少或剔除葡萄糖信号收集过程中血液信号干扰，直接、有效、便捷地获得组织液葡萄糖信号的优点。

Description

一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置

技术领域

本实用新型涉及一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，属于医疗检测技术领域。

背景技术

目前糖尿病或高血糖等糖代谢异常者需要频繁检测葡萄糖浓度水平以配合服药和饮食，这是糖尿病治疗的关键环节，体内葡萄糖水平是否得到及时监测和控制是糖尿病治疗的决定性因素。

要检测的葡萄糖以葡萄糖水溶液的形式存在于体内液体环境中，以下称为体液。检测葡萄糖浓度需要先用仪器探测体液中的葡萄糖信号，然后用算法建立葡萄糖信号强度同葡萄糖浓度的关系。

常用探测方法为体外探测，即先采用抽取或渗透的方法使血液或组织液等体液转移到体外，然后再对其探测。

考虑到体外探测葡萄糖信号频繁的疼痛感和不便利的操作，以及不能实现连续测量，出现了体内探测葡萄糖信号的方法。

目前用来检测葡萄糖浓度的体液有血管内血液、皮下组织液、眼睛内房水（组织液的一种）。血液-组织液之间存在体液循环，葡萄糖浓度大体趋于一致，然而在摄入糖之后不同体液的葡萄糖浓度变化存在差异，相对于血液中的葡萄糖浓度，某些情况下组织液中的葡萄糖浓度同糖尿病治疗联系更加紧密，越来越受到医学界重视。

因此，需要一个更好的方法克服上述一系列缺点，该方法要求：体内探测代替体外探测；探测组织液葡萄糖信号而不是血液葡萄糖信号。

美国专利US6181957采用光学方法探测眼睛的房水，房水内不含血管，可以避免血液信号的影响，然而所建议的方法带有安全性的问题。

现有利用皮肤甚至透过皮肤探测葡萄糖浓度的方法，例如用光穿过耳垂或者手指，或者用针刺入皮下，然而这些部位的组织含有大量血管，而这些方法都未提到如何避免血液信号的干扰，甚至没有意识到区分组织液和血液。

当前方法都忽视了探测真皮中组织液葡萄糖信号的可行性和必要性。真皮中的血管主要富集于上表面与表皮的交界处和下表面与皮下组织的交界处，真皮层内部由蛋白质纤维组成空间结构，其中填充有组织液，如果能够只收集来自真皮层内部的信号，就可以有效减少来自血液的信号，并且安全和便捷。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，通过对真皮层中组织液葡萄糖信号的探测获得葡萄糖信息，并减少甚至避免血液信号的影响。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，包括单色仪、探头、激励光源和分析装置；所述探头通过发射光纤与所述激励光源相连，并通过探测光纤与所述单色仪相连；所述单色仪与所述分析装置相连，所述探头包括壳体以及设置在壳体内的准直透镜、会聚透镜和聚焦透镜，所述发射光纤一端设置在所述壳体后端上部形成信号发射端，所述探测光纤一端设置在所述壳体后端下部形成信号接收端，所述会聚透镜设置在壳体前部；信号发射端与所述准直透镜和所述会聚透镜之间形成发射光路，且所述会聚透镜与所述聚焦透镜和信号接收端之间形成探测光路；所述壳体前端设置有探测孔，所述探测孔面积小于1mm²；所述探测孔圆心设置在所述会聚透镜的主轴上，且所述探测孔圆心到所述会聚透镜光心的距离L小于所述会聚透镜的焦距f，且0.5mm≤f-L≤1.5mm。

其中一种技术方案是，所述单色仪选用多波长单色仪，所述探头还包括设置在壳体里的窄带滤光片、高通滤光片、反射镜和二向色镜，所述窄带滤光片和反射镜依次设置在所述准直透镜与所述发射光纤相对一侧的发射光路上，所述反射镜与入射光线呈45°布置；所述反射镜与所述二向色镜呈平行布置；所述二向色镜设置在所述会聚透镜和聚焦透镜之间，所述高通滤光片设置在所述二向色镜和所述聚焦透镜之间；所述会聚透镜、二向色镜、高通滤光片和聚焦透镜之间形成探测光路；所述探测光路主轴与所述发射光纤和所述发射镜之间的入射光路主轴平行。

另一种技术方案是，所述单色仪选用单波长单色仪，所述会聚透镜包括入射会聚透镜和探测会聚透镜，所述准直透镜和聚焦透镜之间以及所述入射会聚透镜和探测会聚透镜之间在所述壳体内呈对称设置，所述探测孔圆心位于对称轴上。

上述技术方案中，所述激励源能够发出中心波长λ大于600nm的近红外波段激励光信号。

本实用新型具有以下优点及有益效果：能够获取真皮组织液中葡萄糖信号，减少甚至避免血液信号的影响，探测到的信号可供各种葡萄糖浓度分析方法使用。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的人体皮肤组织及探测原理示意图。

图2为本实用新型所涉及的其中一种实施方式的探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置示意图。

图3为本实用新型所涉及的另一种实施方式的探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置示意图。

图4为本实用新型所涉及的光纤断面示意图。

图5为实施例1检测获取的组织液葡萄糖信号图。

图6为实施例2检测获取的组织液葡萄糖信号图。

图中：1–单色仪；2–探头；21–壳体；22–准直透镜；23–会聚透镜；231–入射会聚透镜；232–探测会聚透镜；24–聚焦透镜；25–探测孔；26–窄带滤光片；27–高通滤光片；28–反射镜；29–二向色镜；3–激励光源；4–分析装置；5–发射光纤；6–探测光纤；7–表皮层；8–真皮层；9–皮下组织。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，包括单色仪1、探头2、激励光源3和分析装置4。能够用于探测人体皮肤的真皮层组织液葡萄糖信号，真皮层可以是身体任何位置皮肤中的真皮层，例如手（脚）指、手（脚）掌、手（脚）腕、四肢、头皮、耳朵，以及指甲下的真皮层。

探头2通过发射光纤5与激励光源3相连，并通过探测光纤6与单色仪1相连。单色仪1与分析装置4通过数据线相连。

探头2包括壳体21以及设置在壳体21内的准直透镜22、会聚透镜23和聚焦透镜24。以入射源所在方位为后，待测部位在前，作为前后方向。发射光纤5一端设置在壳体21后端上部形成信号发射端，探测光纤6一端设置在壳体21后端下部形成信号接收端，会聚透镜23设置在壳体21前部。信号发射端与准直透镜22和会聚透镜23之间形成发射光路，且会聚透镜23与聚焦透镜24和信号接收端之间形成探测光路。

壳体21前端设置有探测孔25，探测孔25面积小于1mm²；，优选探测孔25为直径小于1mm的圆孔。探测孔25圆心设置在会聚透镜23的主轴上，且探测孔25圆心到会聚透镜23光心的距离L小于会聚透镜23的焦距f，且0.5mm≤f-L≤1.5mm。这是由于皮肤组织如图1所示包括表皮层7、真皮层8和皮下组织9，皮肤最上层为表皮层7，与真皮层8相连，厚度通常小于100微米，相对于真皮非常薄，易于穿透，真皮8中主要为蛋白纤维组成的空间网络骨架，组织液填充于其中，只含有少量的血管，真皮厚度一般为2mm。当探测孔25紧贴皮肤时，由于人体组织对近红外光的高透过性，激励光将聚焦于人体皮肤内0.5~1.5mm深的位置，对组织液中葡萄糖产生光照激励。优选f-L之差为1mm。

其中一种技术方案如图2所示，此时单色仪1选用多波长单色仪，探头2还包括设置在壳体21里的窄带滤光片26、高通滤光片27、反射镜28和二向色镜29，窄带滤光片26和反射镜28依次设置在准直透镜22与发射光纤5相对一侧的发射光路上，反射镜28与入射光线呈45°布置；反射镜28与二向色镜29呈平行布置；二向色镜29设置在会聚透镜23和聚焦透镜24之间，高通滤光片27设置在二向色镜29和聚焦透镜24之间；会聚透镜23、二向色镜29、高通滤光片27和聚焦透镜24之间形成探测光路；探测光路主轴与发射光纤5和发射镜28之间的入射光路主轴平行。

另一种技术方案如图3所示，此时单色仪1选用单波长单色仪，会聚透镜23包括入射会聚透镜231和探测会聚透镜232，准直透镜22和聚焦透镜24之间以及入射会聚透镜231和探测会聚透镜232之间在壳体21内呈对称设置，探测孔25圆心位于对称轴上。

上述两种技术方案中，发射光纤5和探测光纤6的断面布置均可以如图4所示，采用如图4a的单孔布置方式，或者如图4b的多孔阵列布置方式。

实施例1：多波长单色仪

将待测部位贴放在壳体21的探测孔25表面。

激励光源3采用波长为785nm的激光器。通过激励光源3发出中心波长785nm的激励光信号，中心波长785nm的激励光信号通过入射光纤5进入探头2，通过准直透镜22准直后经过窄带滤光片26过滤激励光信号传输过程产生的波长非785nm的光线，然后通过反射镜28反射和二向色镜29再反射，使中心波长785nm的激励光信号通过会聚透镜23会聚，穿过探测孔25到达待测部位的真皮层，对待测部位真皮层组织液中的葡萄糖产生光学激励作用，使得组织液中的葡萄糖产生反馈信号，反馈信号为一系列波长大于785nm的拉曼光及反射的激励光信号。拉曼光同激励光波长的差值被称为拉曼位移。

使反馈信号通过会聚透镜23返回，并经由会聚透镜23准直，经过二向色镜29透射，过滤掉大部分反射的激励光信号，然后经由高通滤光片27过滤其余的反射的激励光信号，只允许波长大于785nm的光信号通过，使反馈信号只保留拉曼光。拉曼光由聚焦透镜24会聚到探测光纤6进入单色仪1分光收集，该单色仪为多波长单色仪，可以提取一系列连续的波长并分别探测对应强度。并传输到分析装置4，如图5中曲线所示，图中横坐标代表拉曼位移，单位为cm^-1，纵坐标代表信号的强度。图5(a)代表本方法测得的手腕的原始光谱，光谱强度从短波数向长波数方向递减，这是由于手腕在785nm光的激发下产生的荧光造成的。荧光强度远高于拉曼信号的强度，拉曼信号被掩盖在其中，即使仍然能观察到的拉曼峰在其对比下也难以识别，需要通过算法扣除荧光背景来还原拉曼光谱信号。

能够实现扣除荧光背景的算法包括差分法、小波变换法等。小波变换法通过对光谱信号进行小波分解，得到高频和低频小波系数，然后去除掉被认为是荧光的部分，再对剩余的部分进行小波分解反向变换，得到去除荧光成分的拉曼光谱。

图5(b)代表扣除原始光谱中的荧光成分，还原得到的手腕拉曼光谱，该拉曼光谱是由葡萄糖，蛋白质以及其他人体成分的拉曼信号共同组成的。图5(c)代表葡萄糖水溶液拉曼光谱，可以看到拉曼位移位于480cm^-1~550cm^-1范围内的拉曼峰信号强度最高，峰的面积也最大，是葡萄糖的最强拉曼峰，拉曼位移位于1100cm^-1~1150cm^-1范围内的拉曼峰是葡萄糖的次强拉曼峰。对比图5(b)和图5(c)，可以发现受荧光的掩盖，以及其他物质拉曼光谱的干扰下，部分的葡萄糖拉曼信号没有明显的还原出来，而拉曼位移位于480cm^-1~550cm^-1范围内的最强拉曼峰比较明显的显示了出来，如图5中虚线框1中所示，其峰值都为523cm^-1。还可以观察到拉曼位移位于1100cm^-1~1150cm^-1范围内的次强拉曼峰，如图5中虚线框2中所示，其峰值都为1129cm^-1。

通常血液拉曼光谱有强烈的位于1565cm^-1附近的特征峰。而本方法得到的光谱在1500 cm^-1到1600cm^-1范围内都没有光谱信号，可以证明本方法得到的光谱中没有来自血液的信号，本方法可以避免血液信号对组织液信号的影响。

实施例2：单波长单色仪

激励光采用波长946nm的激光器，这是因为葡萄糖水溶液对波长950nm左右的光有吸收效果，如图6所示，图中吸收光谱（a）代表人体组织的近红外吸收光谱，吸收光谱（b）代表葡萄糖水溶液的近红外吸收光谱，两者具有相同的吸收峰，其峰较宽，其峰值位于波长950nm。选取波长接近葡萄糖近红外吸收光谱峰值附近的波长946nm，可以提高设备的灵敏度。

已知功率的激励光源29发出的波长946nm的激励光。激励光信号通过入射光纤5进入探头2，通过准直透镜22准直，并使激励光信号通过入射会聚透镜231会聚，穿过探测孔25到达待测部位的真皮层。当组织液中的葡萄糖受到波长946nm的光照激励后，对激励光产生部分吸收，吸收量的多少是受组织液中葡萄糖浓度的大小影响的。剩余的激励光通过会聚透镜232返回，并经由探测会聚透镜232准直，由聚焦透镜24会聚到探测光纤6进入单色仪1（InGaAs探测器），该单色仪为单波长单色仪，可以从到达单色仪1的光信号中提取波长946nm的光，而对可能到达单色仪1的其他波长的光信号，（比如环境光）不敏感。单色仪1探测波长946nm剩余光的功率，并传输到分析装置4记录，该功率同激励光的功率之差为被葡萄糖吸收以及人体散射光的量，其中人体散射光的量为定量，被葡萄糖吸收的量由葡萄糖浓度决定，通过分析吸收的多少，即可获得葡萄糖浓度的信息。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，所述光学装置包括单色仪（1）、探头（2）、激励光源（3）和分析装置（4）；所述探头（2）通过发射光纤（5）与所述激励光源（3）相连，并通过探测光纤（6）与所述单色仪（1）相连；所述单色仪（1）与所述分析装置（4）相连，所述探头（2）包括壳体（21）以及设置在壳体（21）内的准直透镜（22）、会聚透镜（23）和聚焦透镜（24），所述发射光纤（5）一端设置在所述壳体（21）后端上部形成信号发射端，所述探测光纤（6）一端设置在所述壳体（21）后端下部形成信号接收端，所述会聚透镜（23）设置在壳体（21）前部；信号发射端与所述准直透镜（22）和所述会聚透镜（23）之间形成发射光路，且所述会聚透镜（23）与所述聚焦透镜（24）和信号接收端之间形成探测光路；其特征在于，所述壳体（21）前端设置有探测孔（25），所述探测孔（25）面积小于1mm²；所述探测孔（25）圆心设置在所述会聚透镜（23）的主轴上，且所述探测孔（25）圆心到所述会聚透镜（23）光心的距离L小于所述会聚透镜（23）的焦距f，且0.5mm≤f-L≤1.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，其特征在于，所述单色仪（1）选用多波长单色仪，所述探头（2）还包括设置在壳体（21）里的窄带滤光片（26）、高通滤光片（27）、反射镜（28）和二向色镜（29），所述窄带滤光片（26）和反射镜（28）依次设置在所述准直透镜（22）与所述发射光纤（5）相对一侧的发射光路上，所述反射镜（28）与入射光线呈45°布置；所述反射镜（28）与所述二向色镜（29）呈平行布置；所述二向色镜（29）设置在所述会聚透镜（23）和聚焦透镜（24）之间，所述高通滤光片（27）设置在所述二向色镜（29）和所述聚焦透镜（24）之间；所述会聚透镜（23）、二向色镜（29）、高通滤光片（27）和聚焦透镜（24）之间形成探测光路；所述探测光路主轴与所述发射光纤（5）和所述反射 镜（28）之间的入射光路主轴平行。

3.根据权利要求1所述的一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，其特征在于，所述单色仪（1）选用单波长单色仪，所述会聚透镜（23）包括入射会聚透镜（231）和探测会聚透镜（232），所述准直透镜（22）和聚焦透镜（24）之间以及所述入射会聚透镜（231）和探测会聚透镜（232）之间在所述壳体（21）内呈对称设置，所述探测孔（25）圆心位于对称轴上。

4.根据权利要求1所述的一种探测体内组织液葡萄糖信号的光学装置，其特征在于，所述激励光源（3）能够发出中心波长λ大于600nm的近红外波段激励光信号。