专利名称：物质浓度的无损光学检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于光学方法对物质浓度的无损检测的方法以及装置，尤 其适用对生物体中的眼房水糖浓度等进行无损检测等用途。
背景技术：
对含有多种成份的物质中某种特定成份含量的测量具有广阔的应用 前景。
虽然现有技术中已发展出多种多样的检测方法，但在特定场合下的检 测仍可能具有一定困难。比如，在复杂的环境下无法取得样品或不便取得 样品时，就需要无损检测。典型的例子是糖尿病人对血糖浓度进行自我监 测，以及，当不能打开瓶子对瓶子里溶液的浓度的检测，等等。
糖尿病是由于人体体内胰岛素的相对或绝对不足而引起的糖、脂肪和 蛋白质代谢紊乱性疾病。随着人们生活水平的逐渐提高，人们的体力劳动 量明显下降，同时伴随饮食结构的不合理，糖尿病越来越成为影响人们身 体健康的一大疾病。糖尿病的危害在于人体血液中葡萄糖浓度的波动过大，
从而引发各种并发疾病，如心血管、眼科等疾病。WHO推荐糖尿病患者 对血糖浓度进行自我监测，并以此为依据，精确、及时地调整降糖药物和 胰岛素的用量，将血糖浓度控制在适当的范围内。
现有的通过美国FDA认证的血糖检测方法，都是有损或者微损检测 方式，如美国强生公司的Onetouch血糖仪，这些仪器需要在人体采集一定 量的血液样本，来测试人体的血液中葡萄糖浓度。即使是微小的采血液量， 对于每天要测试数次的病人来说也已经是非常痛苦了。相对于有损检测， 无损检测方式有明显的优势:(l)减少患者每天采血测量的痛苦，提高病人的 生活质量;(2)可方便地增加血糖测试次数，提高血糖控制精确度，降低糖 尿病并发症发生的危险;(3)降低每次测量的成本。鉴于全世界庞大的糖尿病 人数，无损血糖检测仪有着很大的市场空间，国外很多大公司和研究机构 都投入了大量的精力来研究人体血糖的无损检测问题。国外研究比较多的 方法有近红外光谱分析法、旋光偏振法、喇曼光谱分析法、光声法等，然而这些方法普遍存在信噪比低、精度和灵敏度不够高等缺点，到目前为止， 都还无法得到临床应用。
红外光谱法的理论,据是郎伯-比尔(Lambert-Beer)定律。当吸光样品 厚度为d时，如射入出射光强满足/ = 6-式中，I。、 I分别为入射和出 射光强，a为样品的吸光系数，c为被测组分浓度，ac(以下记为A， A=ac) 为被测组分吸光度。由于组织中存在多种对红外光有吸收作用的成分，而 且它们的吸收谱段互相重叠，因而给其中单一成分糖浓度的定量分析带来 较大困难。
设组织中含有n种组分，其浓度分别为C1， C2，…Cn，并且每一组 分对光的吸收作用均符合郎伯-比尔定律，第i个波长时第j个组分的吸光 系数为aij，则可建立组织在各波长的吸光度方程组为
<formula>complex formula see original document page 5</formula>
即
各组分吸光系数a,j已知，可以在现有技术中查表得到，或者用一系列的标 准浓度糖溶液来标定。实验中测出吸光度Ai，即可解算出各组分的浓度 d， C2， ...Cn。在数据处理中，应用化学统计学法分析谱数据可以利用特 定波长上光吸收量与糖浓度间的定标模型来估算糖溶液的浓度。
但传统的近红外光谱法测量血糖采用将光线射入人体皮肤后接收来 自真皮层的漫反射光子的方式，由于人体皮肤的散射系数很大，若加大光 程长度会使得信噪比急剧下降，所以典型的平均光程长度仅为1.5mm左 右。而在其他条件不变的前提下，此类方法的探测灵敏度与红外光所经过 吸收物质的光程成正比，短光程就显著影响了其探测灵敏度。
另外，此类方法的探测灵敏度与系统的信噪比成正比关系，若采用将 光线射入人体皮肤后接收来自真皮层的漫反射光子的方法系统的典型信噪 比在104量级，有待进一步提高。
现有技术在血糖浓度的检测方面所存在的上述缺点也存在于其他场 合各种物质浓度的无损检测。比如，当需要检测瓶子里溶液的浓度而又不 能打开瓶子时，就会出现上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物质浓度的无损检测方法及装置。
为达到上述目的，本发明提出一种物质浓度的无损光学检测装置，包 括光源、麦克尔逊干涉仪、光电探测器、数据处理及计算装置，所述麦克 尔逊干涉仪中的分光器将来自光源的光线分别反射或透射到参考臂和测量 臂，并将来自参考臂和测量臂的光线混合干涉后出射到光电检测器，光电 检测器的信号则输出到数据处理及计算装置；其特征是还包括光耦合装
置、分光装置，所述光源的出射光包括两个或两个以上不同波长的光，不 同波长的光经耦合后再入射到所述麦克尔逊干涉仪，从而所述麦克尔逊干 涉仪出射的干涉光也包括两个或两个以上不同波长，出射光经分光装置分 光后，各波长的光分别出射到各自对应的光电检测器。
在优选实施例中，还包括如下特征
所述两个或两个以上不同波长的光中至少有一个相对于被测物质的吸 收率高于其他波长的光的吸收率。
在所述计算装置中，特定物质浓度的计算公式为<formula>complex formula see original document page 6</formula>
其中^ = 4、 A = A，可经实验测得，au和a21为被测物质在两波长
下的吸光系数，为已知的物理常数，d光线在被测物载体中的单程光程， 可通过仪器精确测量且长期稳定不变。
所述装置采用光纤光路系统，其中所述耦合装置和分光装置分别采用 波分复用器和解波分复用器，麦克尔逊干涉仪中的分光器则采用2X2双波
长稱合器o
还包括准直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜，测量臂侧的光线依次经 准直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜进入人眼。
本发明还提出一种物质浓度的无损光学检测方法，其特征是包括以下 步骤
A、应用光学干涉法检测光线经过被测物及其载体后的背向散射光强; B、分析不同波长下光线经被测物及其载体吸收后信号的变化，并据此计算被测物浓度。
所述步骤A的实现步骤进一步包括将两个不同波长的低相干光源经 波分复用器耦合入射到麦克尔逊干涉仪中的分光器，经分光后分别进入参 考臂和测量臂，进入参考臂的一路光经准直后照射到一个位置前后移动的 反射镜上并沿原路返回分光器；进入测量臂的一路投射入被测物载体，其
反射光原路返回分光器;两路反射光经分光器汇合时发生干涉后，射入光 探测器；在所述步骤B中，光探测器输出的电信号接入后续处理及计算装 置，进行特定物质浓度的计算。
在优选实施例中，还包括如下特征
所述两个或两个以上不同波长的光中至少有一个相对于被测物质的吸 收率高于其他波长的光的吸收率。
在所述步骤B中，特定物质浓度的计算公式为
其中^ = 4、 1 = ^1，可经实验测得，an和a2i为被测物质在两波长
下的吸光系数，为已知的物理常数，d光线在被测物载体中的单程光程， 可通过仪器精确测量且长期稳定不变。
被测对象为人眼房水葡萄糖浓度，测量臂侧的光线依次经准直镜、XY 方向扫描组件和聚焦镜进入人眼。
本发明应用光学干涉方法探测反射光强信息，通过分析不同波长下光 线经吸收后信号的变化来间接测量物质浓度。与背景技术相比具有的有益
效果是
(一) 由于本装置的结构为非接触测量，易于操作和应用比如当用于 眼房水葡萄糖浓度检测时，只类似于眼科检查，因此容易被接受，使用操 作亦比较方便。(而原有的探测真皮层血液中葡萄糖浓度的方法不仅要求探 头直接与皮肤接触，且测量结果与接触时的压力直接相关，增加了测量的 复杂程度及不确定因素。)
(二) 采用光学干涉方法，利用探测光子的干涉信息的办法，可以做到 只采集返回自特定深度的光子，使得系统具有高信噪比，而此类方法的探测灵敏度与系统的信噪比成正比关系，因此高信噪比意味着高灵敏度。比 如，当本方法用于眼房水葡萄糖浓度检测时，若采用将光线射入人体皮肤
后接收来自真皮层的漫反射光子的方法系统的典型信噪比在104量级，而 采用本发明所用的方法信噪比至少可达105量级。
(三)经过的光程更长，使得灵敏度更高在其他条件不变的前提下， 光谱法的探测灵敏度与光所经过吸收物质的光程成正比。本发明采用光学 干涉方法，可选择采集返回自深度较大的位置处的光子，从而提高光程。 比如，当本方法用于眼房水葡萄糖浓度检测时，可以选择采集反射光线，
光线两次经过人眼房水，按正常人眼前房长度3.5mm计算，光程长度可达 7mm左右，比传统方法提高了数倍(如上所述，传统方法典型的平均光程 长度为1.5mm左右)。
图1是本发明检测装置具体实施方式
一示意图2是本发明检测装置具体实施方式
二示意图。
具体实施例方式
下述实施例的描述是以检测眼房水葡萄糖浓度为例进行说明的，但本 领域的普通技术人员可以知道，本方法和装置同样可以用于其他混合物体 中某一组分含量的测量。
一、基于近红外吸收与光学相干层析成像的血糖无损检测方法
技术领域：
本发明实施例眼房水葡萄糖浓度的无损光学检测方法是这样实现的 应用光学千涉法检测人眼虹膜的背向散射光强，通过分析不同波长下光线 经眼内房水吸收后信号的变化来间接检测人体眼房水的葡萄糖浓度。以双 波长系统为例，其方法的具体步骤如下
a、 首先对一个与人眼虹膜有着相同的散射和吸收系数的标准样品进 行背向散射光强监测，得到未经房水吸收时两个波长下的信号强度，设其
分别为A10与A20，因系统的信号可以认为与光强成正比，因此有，A10/A20=I10/I20,其中11()与12()分别为两种波长下的入射光强。
b、 如图1所示将第一光源1和第二光源2发出的光通过双向色镜3 (该镜对光源l所发出波长的光透射，对光源2所发出波长的光反射)耦
合成一束，通过麦克尔逊干涉仪中的分光器分为两束， 一束射向振动式参
考反射镜5，另一束射向人眼前房6，透过角膜、房水后到达虹膜，由虹膜 产生的背向散射光和来自振动式参考反射镜的反射光返回到分光器4处叠
加发生干涉，从两个光源发出的两个波长的光都产生干涉光信号；
c、 所述的干涉光信号从分光器4射出后再次经第二双向色镜7将两 个波长的光分开，分别由两个光电探测器8、 9接收，并转换成干涉光电信 号；
d、 信号处理分析器接收所述的干涉光电信号，经放大、处理、解调， 得到虹膜对两个波长光的反射信号强度A与A2，同样有4 = #，其中I,
与l2分别为两种波长下的出射光强。此时的光会有两次经过人眼，经过眼 前房时，房水中的水、葡萄糖等物质会对红外光产生吸收，根据背景介绍
中的郎伯-比尔(Lambert-Beer)定律，假设房水中有n种组分，其中第一种 组分为葡萄糖，即葡萄糖水溶液的浓度为Cp在两个波长下的吸光系数分 别为a 和a21，此时的出射光强Ii与12分别为
<formula>complex formula see original document page 9</formula>20
将两式相除可得:
<formula>complex formula see original document page 9</formula>两边取对数可得 [(flu -a21)q +"2 _a22)c2 +.. + " -^)c"]"ln^"-
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
可选取适当的红外光波长，使得除第一种组分葡萄糖外，其他组分在
两个波长下的吸光系数均差别很小，事实上除了水以外其他组分的浓度c
也都很小，可以忽略不计，于是上式近似为
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
其中如前所述^ = ,、 1 =手，已分别在步骤1、 2中测得。葡萄糖 溶液在两波长下的吸光系数au禾n 321为已知的物理常数，d为人眼的前房
轴长，可通过仪器精确测量且长期稳定不变。于是人眼房水中的葡糖浓度 可由上式求得。
上述方法在计算中是假定眼房水的主要成分只有水和葡萄糖，而假定 其他成份可以忽略不计。但也还可以形成结构更为复杂的三波长系统或多 波长系统从而不必忽略或较少忽略其他成分。根据上述分析可知，多波长 系统由于可以建立多个吸光度方程，因此可以测出多个组分的含量，被忽 略不计的组分就会较少，从而测量就会更精确。但系统也更复杂。
上述步骤b、 C中均提到"干涉光信号"，可见本方法中采用了光学干 涉方法。
光学干涉方法是一种用来探测从特定深度反射回光子的技术，其实现
方法可以类比于光学相干层析术(Optical Coherence Tomography,简称 OCT)。将光源发出的光投射入麦克尔逊干涉仪，通过扫描改变参考臂的 光程，来探测测量臂返回自样品特定深度的光强信息。该方法的特点是， 可以只探测来自特定深度的光子，探测精度高，抗干扰性强，灵敏度、信 噪比高。
光学相干层析成像系统包括相干长度非常短的光源、 一个迈克尔逊干 涉仪(这个干涉仪通常是光纤做的)、一个测量臂(光照射到待测的样品上)、 一个参考臂(光照射到反射镜上)、 一个光电转换器以及后面电信号的处理 系统。由于光源相干长度非常短，只有参考臂光程同测量臂光程(指物理光 程)差在相干长度以内的光才能发生干涉。OCT系统只对干涉的信号进行 测量。由于光有一定的穿透能力，从样品不同深度反向散射的光是不等光 程的，只有非常薄的一部分样品散射的光才能同参考光路返回来的光干涉。 也就是说，OCT只测量非常薄的一部分样品反向散射的光。当改变参考臂 光程时，同参考光相干涉的样品散射光的部分也就不一样，这相当于测不 同深度的样品。参考臂光程的改变是用光学延迟线或振动式参考反射镜(简 称振镜)实现。更多关于OCT系统的介绍可参见CN01134849.6号、 CN02121331.3号、CN02121333.X号、CN200710065397.2号专利或专利申 请。
其中，光源可采用激光光源、或发光二极管光源、或超辐射发光二极 管光源、或紫外光源、或可见光源、或红外光源等。振动式参考反射镜是 通过一压电陶瓷器件或电动平移台驱动的，也可以是电磁螺线圈驱动的。
探测反射光的部位可以是虹膜、晶状体前表面、晶状体后表面、眼底 视网膜表面，也可以是眼视网膜毛细血管层等其它部位，只要透过眼前房 房水即可。
二、眼房水葡萄糖浓度的无损光学检测装置
实施例一
图1所示，实现上述方法的第一种眼房水葡萄糖浓度的无损光学检测 装置包括第一光源组件l、第二光源组件2、第一双向色镜3、分光器4、
振动式参考反射镜5、第二双向色镜7、第一光电探测器8、第二光电探测 器9、第一干涉信号强度解调器10、第二干涉信号强度解调器ll、信号处 理分析器12。其中，图1所示的虚线均采用光学连接，而实线则为电连接。 此实施例为自由空间光路系统。其中与数据采集卡、计算机电气连接部分 图1中未示出。
其中，第一光源组件1为1250nm超辐射发光二极管(SLD)光源，第二 光源组件2为1610nm超辐射发光二极管(SLD)光源，第一双向色镜3对第 一光源组件1所发出波长的光透射，对第二光源组件2所发出波长的光反 射，使二者耦合成一束，通过宽带分光镜4分为两束， 一束射向振动式参 考反射镜5，另一束射向人眼前房6，透过角膜、房水后到达虹膜，由虹膜 产生的背向散射光和来自振动式参考反射镜的反射光返回到宽带分光镜4 处叠加发生干涉，从两个光源发出的两个波长的光都产生干涉光信号，干 涉光信号从宽带分光镜4射出后再经第二双向色镜7将两个波长的光分开， 分别由两个光电探测器8、 9接收，并转换成干涉光电信号，两个信号处理 分析器IO、 ll分别接收所述的两路干涉光电信号(一个针对1250nm光， 一个针对1610nm光)，经强度信号处理器12放大、处理、解调，得到虹 膜对两个波长光的反射信号强度A与A2。然后根据郎伯一比尔 (Lambert-Beer)定律，即可计算出人眼房水中的葡糖糖浓度。本例中选用 1610nm光是因为葡糖在此波长下的吸光系数前者很高。相反，葡糖在 1250nm光下的吸光系数很低，述样对比强烈，可显著提高测量精度。当 然，采用其他波长的光也是可能的。
其中，宽带分光镜4、振动式参考反射镜5和人眼前房6所在光路构 成麦克尔逊干涉仪。其中，参考臂光程的改变是用振动式参考反射镜4实 现的，但也可以采用光学延迟线等来实现，采用光学延迟线可以快速改变 光程，实现视频测量。
实现上述方法的第二种装置也可以是如图2的光纤光路系统，将两个
不同波长的低相干光源1、 2经波分复用器耦合入射到2X2双波长光纤耦
合器，经分光后分别进入参考臂和测量臂，进入参考臂的一路光经准直后
照射到一个位置前后移动的反射镜上并沿原路返回；进入测量臂的一路依 次经过准直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜投于入人眼；两路反射光经2X2
光纤耦合器汇合时发生干涉后，接入探测器和前置放大器，依次与数据采 集卡、计算机电气连接。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。比如，上述实施 例中是以近红外光谱法为例进行说明的，但也可能采用其他波长范围的光。 等等，不再一一列举。
权利要求
1、一种物质浓度的无损光学检测装置，包括光源、麦克尔逊干涉仪、光电探测器、数据处理及计算装置，所述麦克尔逊干涉仪中的分光器将来自光源的光线分别反射或透射到参考臂和测量臂，并将来自参考臂和测量臂的光线混合干涉后出射到光电检测器，光电检测器的信号则输出到数据处理及计算装置；其特征是还包括光耦合装置、分光装置，所述光源的出射光包括两个或两个以上不同波长的光，不同波长的光经耦合后再入射到所述麦克尔逊干涉仪，从而所述麦克尔逊干涉仪出射的干涉光也包括两个或两个以上不同波长，出射光经分光装置分光后，各波长的光分别出射到各自对应的光电检测器。
2、 如权利要求1所述的物质浓度的无损光学检测装置，其特征是所 述两个或两个以上不同波长的光中至少有一个相对于被测物质的吸 收率高于其他波长的光的吸收率。
3、 如权利要求1或2所述的物质浓度的无损光学检测装置，其特征是 在所述计算装置中，特定物质浓度的计算公式为其中^ = 4、 iL = A,可经实验测得，a 和a21为被测物质在两波长下的吸光系数，为已知的物理常数，d光线在被测物载体中的单程光程， 可通过仪器精确测量且长期稳定不变。
4、 如权利要求1或2所述的物质浓度的无损光学检测装置，其特征是:所述装置采用光纤光路系统，其中所述耦合装置和分光装置分别采 用波分复用器和解波分复用器，麦克尔逊干涉仪中的分光器则采用2X2双波长耦合器。
5、 如权利要求4所述的物质浓度的无损光学检测装置，其特征是还包括准直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜，测量臂侧的光线依次经准 直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜进入人眼。
6、 一种物质浓度的无损光学检测方法，其特征是包括以下步骤A、应用光学干涉法检测光线经过被测物及其载体后的背向散射光强；B、 分析不同波长下光线经被测物及其载体吸收后信号的变化，并据此 计算被测物浓度。
7、 如权利要求6所述的无损光学检测方法，其特征是所述步骤A的实现步骤进一步包括将两个不同波长的低相干光源经波分复用器耦合入射到麦克尔逊干涉仪中的分光器，经分光后分别进入参考臂 和测量臂，进入参考臂的一路光经准直后照射到一个位置前后移动的反射镜上并沿原路返回分光器；进入测量臂的一路投射入被测物 载体，其反射光原路返回分光器；两路反射光经分光器汇合时发生 干涉后，射入光探测器；在所述步骤B中，将光探测器输出的电信 号接入后续处理及计算装置，进行特定物质浓度的计算。
8、 如权利要求6或7所述的物质浓度的无损光学检测方法，其特征是 所述两个或两个以上不同波长的光中至少有一个相对于被测物质的 吸收率高于其他波长的光的吸收率。
9、 如权利要求6或7所述的物质浓度的无损光学检测方法，其特征是在所述步骤B中，特定物质浓度的计算公式为其中^ = ，、 ii =，，可经实验测得，au和321为被测物质在两波长下的吸光系数，为已知的物理常数，d光线在被测物载体中的单程光程， 可通过仪器精确测量且长期稳定不变。
10、如权利要求6或7所述的物质浓度的无损光学检测方法，其特征是:被测对象为人眼房水葡萄糖浓度，测量臂侧的光线依次经准直镜、XY方向扫描组件和聚焦镜进入人眼。
全文摘要
本发明公开了一种利用光学干涉法来测量反射光强的光谱吸收法来无损检测物质浓度的方法及装置。应用光学干涉法探测光线射入物质载体后的反射信号，通过分析不同波长下光线经被测物质及其载体吸收后信号的变化来间接检测该物质的浓度，最终达到无损监测的目的。实现该检测方法的装置采用多个不同波长的宽带光源、麦克尔逊干涉仪、光探测器和信号处理及计算装置。本发明具有无损、简便以及高灵敏度的特点。
文档编号A61B5/00GK101194828SQ20071012546
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者何永红 申请人:清华大学深圳研究生院