一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医学技术领域，特别涉及一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统与方法。
【背景技术】
[0002]糖尿病是一种影响全球数百万人的疾病，而且发病率还在日益上升。糖尿病患者需要通过频繁注射胰岛素来控制他们的血糖水平，而胰岛素的注射量是通过每天多次进行血液采样来决定的。这种有创检测方法通常利用一些化学添加试剂与血糖发生化学作用生成一些化学成分，而检测这些成分比直接测量葡萄糖更加容易，比如可以测量颜色的变化或氧化电流的大小。然而，有创检测不仅给患者带来了相当大的痛苦，还有可能带来一些并发症。
[0003]近年来经过大量的研究和尝试，无创血糖浓度检测的方法已经逐步发展起来。这些无创检测方法不需要进行血液采样，不会给人体造成任何创伤。大部分的无创血糖检测方法是基于光谱技术的，主要采用近红外或中红外波段葡萄糖的吸收光谱作为检测方法。葡萄糖分子在1.59nm, 2.12nm, 2.27nm, 2.32nm波长附近以及在9-10 μ m波段范围内有吸收峰值。直接吸收光谱法或基于倏逝场效应的吸收光谱法(利用可移植的传感器)，光声光谱法以及拉曼光谱法已经成功应用于无创血糖浓度的检测。
[0004]利用光谱学方法对人体组织的血糖进行无创检测仍然面临着一些主要的挑战。一方面，生物组织中除了血糖外还含有很多的其它生理成分(例如水，蛋白质，脂肪等)。这些成分通常有更加显著的光的吸收特性，远远大于葡萄糖对光的吸收。另一方面，葡萄糖在血液中的含量很低，一般在30-500mg/dl范围内。
[0005]众所周知，气体具有较窄的吸收谱线。当对微弱气体信号进行检测时，通常采用波长或频率调制技术对具有窄带发射谱线的激光进行调制，探测气体吸收线上斜率急剧变化的信号。一般来讲，调制振幅的大小为信号半高宽数量级或更小。随后利用锁相技术对强度调制信号进行灵敏的频率或相位锁定探测，可以得到导数光谱信号。由于系统ι/f噪声的影响，将信号从基态移动到高频进行探测，这样可以极大的减小噪声，提高信噪比。散射介质中的吸收光谱技术(gas in scattering media absorpt1n spectroscopy, GASMAS)主要用于研究散射介质(包括水果，药片，陶瓷，人体组织腔体等)的气孔或腔体内分布的气体。固体介质具有较强的宽吸收谱，而分布在固体中的气体具有微弱的窄吸收信号。因此，锁相技术可以被用来有效地把气体吸收信号从固体吸收谱中隔离出来。
[0006]与此相反，从较强的宽吸收谱的背景信号中隔离出较弱的宽吸收谱的目标信号，这正是组织中血糖浓度的光谱检测所要面临的问题。此时，常用的光谱调制技术不再适用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统与方法。
[0008]本发明的目的通过如下技术方案实现:一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统，包括光源1、电源2、压力调制器6、多个探测器8以及电脑9 ;所述光源1经由电源2控制产生所需波段的光，所产生的光传输到人体组织4，所述压力调制器6对人体组织4进行周期性的按压，从人体组织4中反射的光传输到多个探测器8，其中光的入射位置和多个探测器8的探测位置之间有一距离，多个探测器8将采集到的数据发送至电脑9进行处理从而提取出葡萄糖的光谱信息以及浓度信息。
[0009]所述探测器8数量为1个时，系统中还包括一集成光纤探头5，所述集成光纤探头5由入射光纤3和多根环形排列的收集光纤7构成，所述入射光纤3和光源2连接，光通过入射光纤到达人体组织，所述收集光纤7和探测器8连接，所述收集光纤收集从人体组织反射后的光后传输给探测器8。
[0010]所述光的入射位置与探测位置之间的距离在0.5mm-10mm之间。入射位置为从光源发出的光到达人体组织上的位置，或入射光纤末端在人体组织上的所对应的位置；探测位置为在人体组织上与入射点相隔一定距离的位置，从该部分反射或散射回来的光被探测器接收，或收集光纤末端所在组织上所对应的位置。
[0011]所述光源1的光波段为650nm-2500nm。选择合适的波长用于葡萄糖的测量，其中包括标准脉搏血氧仪所采用的两种波长^60nm和910nm)。利用常用脉搏血氧仪所使用的波长可以估计氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量，进而精确地消除血氧变化所造成的影响。这不仅使得血糖传感器更加灵敏，而且使得血糖的测量更具有针对性。利用两种波长测量血氧，随后将测量结果输入到用于估计葡萄糖浓度的算法中。相对于其他可能的方法，此方法可以得到更高的精度。
[0012]所述光源1为发光二极管、二极管激光器、或卤钨灯与带通滤波片的组合。
[0013]所述对人体组织4进行的周期性的按压通过将电动马达或磁性器件安装到手指夹或耳垂夹或一能够作用于身体其他柔软部分的设备之上实现。
[0014]所述检测系统还包括一可移植的胰岛素注射装置，所述胰岛素注射装置根据测量出的葡萄糖浓度指令释放适量的胰岛素。而且该注射装置中可以存放足量的胰岛素进行使用。
[0015]本发明的另一目的通过如下技术方案实现:一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测方法，利用光源产生的光探测人体组织的反射光谱，通过周期性的压缩人体组织来消除背景光谱信号，并在压缩/心跳暂停期间和非压缩/心跳期间对反射光谱间歇性地进行记录，将所述记录依次进行求平均值、差分和比例的计算，使得测量的光谱不再取决于入射光强度的变化，最后再使用标准拟合方法或多变量分析方法进行分析并提取出葡萄糖的光谱信息。
[0016]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0017]1、本发明通过周期性压缩人体组织的方法使葡萄糖的吸收信号得到极大的增强，这使得葡萄糖的检测更可靠并且可以进行重复测量。
[0018]2、本发明的光源所选择的光波长可以估计氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量，进而精确地消除血氧变化所造成的影响。这不仅使得血糖传感器更加灵敏，而且使得血糖的测量更具有针对性。
【附图说明】
[0019]图1为本发明所述的基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统的示意图；
[0020]图2为图1所述系统的光纤探头结构图；
[0021]图3为本发明实施例中基于多个探测器的探测装置结构图；
[0022]图4为本发明实施例中所采用的手指夹传感器示意图；
[0023]图5为本发明实施例中组织的液态组分和非液态组分所产生的吸收光谱图；
[0024]图6为本发明实施例中提取出来的葡萄糖的吸收光谱图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0026]一种基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统，如图1所示包括光源1、电源2、入射光纤3、集成光纤探头5、压力调制器6、收集光纤7、探测器8以及电脑9，所述光源1经由电源2控制产生所需波段的光，所产生的光通过入射光纤3传输到达人体组织4，所述压力调制器6控制集成光纤探头5对人体组织4进行周期性的按压，光从人体组织4中反射后被集成光纤探头5接收并由收集光纤7传输到探测器8，探测器8将采集到的数据发送至电脑9进行处理从而提取出葡萄糖的光谱信息以及浓度信息。
[0027]所述光源1的光波段为650nm-2500nm。选择合适的波长用于葡萄糖的测量，其中包括标准脉搏血氧仪所采用的两种波长。利用常用脉搏血氧仪所使用的波长可以估计氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量，进而精确地消除血氧变化所造成的影响。这不仅使得血糖传感器更加灵敏，而且使得血糖的测量更具有针对性。利用两种波长测量血氧，随后将测量结果输入到用于估计葡萄糖浓度的算法中。相对于其他可能的方法，此方法可以得到更高的精度。
[0028]所述光源1为发光二极管、二极管激光器、或卤钨灯与带通滤波片的组合。用于检测葡萄糖浓度的周期性调制信号，可以通过类似于脉搏血氧仪所使用的方法进行估计。
[0029]所述集成光纤探头5的入射位置与探测位置之间有一距离。基于压力调制光谱技术的无创葡萄糖检测系统，有两种探测方式。方式一是采用一个集成光纤探头，该探头由一根入射光纤和多根环形排列的收集光纤构成。入射光纤和光源连接，收集光纤和一个探测器连接。另一种探测方式是采用一个集成探测装置，该装置包括一个光源和多个探测器，其中探测器在光源周围呈环形方式排列。这两种方式的共同点都采用后向散射探测方式，并且光的入射位置和探测位置间有一距离。入射位置为从光源发出的光到达人体组织上的位置，或入射光纤末端在人体组织上的所对应的位置；探测位置为在人体组织上与入射点相隔一定距离的位置，从该部分反射或散射回来的光被探测器接收，或收集光纤末端所在组织上所对应的位置。
[0030]所述探测器8数量为1个时，系统中还包括一集成光纤探头5，所述集成光纤探头5由入射光纤3和多根环形排列的收集光纤7构成，入射光纤3和光源2连接，收集光纤7和探测器8连接。
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