基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法及装置与流程

本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法及装置。

背景技术：

随着激光器的发明，光在人类世界的舞台上发挥着重要作用，尤其在光与生命科学、医学相结合的领域，有很多光学技术为人类健康服务，比如光学医疗诊断、光学影像、人体成分的光谱检测技术等。目前，血糖浓度的常规检测是通过手指针刺和静脉采血等，该方式给患者带来一定的心理和经济负担，甚至导致二次感染，因此血糖无损检测技术倍受关注。目前最具代表性的血糖光学无损检测技术有拉曼光谱法、旋光法、近红外光谱法等，虽然取得了一定成效，但受到组织光散射和干扰因素众多等技术瓶颈的制约。

拉曼光谱法是基于拉曼散射效应的一种方法。其原理是人体组织中的葡萄糖被激光照射后，通过检测激光从被测物质出射后的散射光频移变化，就可以推算出血糖浓度。但由于人体组织内其他物质的干扰作用，蛋白质分子的荧光背景信号与拉曼信号接近，对拉曼信号的检测比较困难。旋光法是一种使用光学方法实现血糖浓度检测的方法。其原理是当偏振光照射血糖溶液时，偏振光的旋转角度发生变化且其变化程度与被测溶液的葡萄糖浓度呈正相关，根据偏振光旋转角度的变化就可以推算出血糖浓度。旋光法检测的偏转角较小、干扰多，测量偏差较大，需要做进一步的研究。近红外光谱法是目前世界上研究最多的无创测量血糖的方法，具有快速、实时、无污染等优点，可以直接检测人体血糖浓度，无需做特殊处理。近红外光对体液及软组织具有很好的穿透性，可以携带丰富的葡萄糖信息，是较为理想的检测光谱段。其原理是人体局部组织被近红外光照射后，会形成特定的吸收光谱，根据吸收光谱来推算人体组织中的血糖浓度。近红外光谱法的理论基础是朗伯-比尔定律，指出近红外光经过的介质吸光度与被测物质浓度呈正比。近几年，对近红外光谱法的研究较多，但这些方法的实用性比较差，存在一个共同的难点、人体组织水的背景吸收比较大，只有特定的部分波段可用来检测。而且近红外光谱法存在灵敏度低、准确度低、重复标定等问题，一直没有很大的突破。

人体血糖浓度的无创测量是一个系统工程，涉及临床医学、物理学、计量化学、光谱学、仪器科学等多方面的综合性问题，只有系统、全面、深入地研究各个部分，才能取得血糖浓度无创测量的突破。研究表明，血糖具有旋光特性，即当一束线偏振光射到含有葡萄糖的溶液中时，其透射光也是线偏振光，且偏振方向与原入射光的偏振方向存在一个夹角。到目前为止，由于血糖产生的旋光偏转角微小，很难进行准确测量，在精确度、灵敏度和稳定性方面，尚未达到临床应用的条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法及装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法，其包括如下步骤：

A、将氦氖激光发生器和准直扩束镜安装在激光架板上，并将激光架板与三维运动平台固连，通过三维运动平台调节氦氖激光发生器的空间位置；

B、将磁约束体装入磁约束体支架内，磁约束体支架安装在导轨上；初始时，由磁约束体形成的磁腔内不放入样品试管；

C、通过导轨调整磁约束体和氦氖激光发生器之间的位置，找到对偏振光产生最佳效果的距离；

D、氦氖激光发生器射出的激光能通过起偏器形成偏振光，穿过磁腔的中心线最终照射到光强计上，由光强计记下此时的光强；

E、将盛装不同浓度的标准血糖溶液的样品试管依次放入磁腔中，旋转检偏器使光强计检测的光强与磁腔中未放入样品试管时检测到的光强相同；

F、由编码器测量检偏器偏转的角度，通过数据采集与处理系统采集并处理编码器输出的电信号，确定血糖浓度与检偏器偏转角之间的关系式，完成检偏器偏转角与血糖浓度之间的关系标定；

G、将待测样品试管放入磁腔中，根据编码器测得的检偏器偏转角及所述血糖浓度与检偏器偏转角之间的关系式，确定待测样品试管中的血糖溶液浓度。

特别地，所述磁约束体采用永磁体或电磁铁形式的任一种，其中，若采用永磁体形式，则通过串联由一对N-S永磁体变为若干对N-S永磁体，增强磁场。

特别地，所述编码器采用绝对式编码器。

特别地，所述氦氖激光发生器和准直扩束镜的中心线同轴。

特别地，所述磁腔内放入的样品试管与磁腔同轴。

本发明还公开了一种基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测装置，其包括激光发生装置、起偏器、磁场发生装置、检偏装置以及数据采集与处理系统；所述激光发生装置包括三维运动平台、激光架板、氦氖激光发生器、准直扩束镜；所述磁场发生装置包括导轨、磁约束体支架、磁约束体；所述检偏装置包括检偏器、编码器、光强计；其中，所述氦氖激光发生器和准直扩束镜安装在激光架板上，所述激光架板与三维运动平台固连，通过所述三维运动平台调节氦氖激光发生器的空间位置；所述磁约束体安装在磁约束体支架内，由磁约束体形成的磁腔，磁腔供样品试管放入；所述磁约束体支架安装在导轨上；所述检偏器与编码器固连，通过检偏器的偏振光打在光强计上；所述编码器连接数据采集与处理系统。

特别地，所述磁约束体采用永磁体或电磁铁形式的任一种，其中，若采用永磁体形式，则通过串联由一对N-S永磁体变为若干对N-S永磁体。

特别地，与所述检偏器固连的编码器是中空的，偏振光穿过编码器打在光强计上；所述编码器采用绝对式编码器。

特别地，所述氦氖激光发生器和准直扩束镜的中心线同轴。

特别地，所述磁腔内放入的样品试管与磁腔同轴。

本发明提出的基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法及装置在磁光偏转效应基础上，将盛装血糖溶液的样品试管置于磁约束体形成的磁腔中，在磁约束体的作用下，增大血糖的旋光偏转角，使用光强计检测检偏器之后的光强；通过旋转检偏器，使磁腔中带有样品试管时的光强与无样品试管时的光强保持一致，通过绝对式编码器测量检偏器偏转的角度，从而实现样品试管中血糖浓度的检测。本发明检测速度快，检测精度高，稳定可靠，为我国生物医学、临床医学等领域提供了技术基础并带来了巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明提供的基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法流程图；

图2为本发明提供的基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测装置结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1所示，图1为本发明提供的基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法流程图。

本实施例中基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法具体包括如下步骤：

A、将氦氖激光发生器和准直扩束镜安装在激光架板上，并将激光架板与三维运动平台固连，通过三维运动平台调节氦氖激光发生器的空间位置。在实际操作中，所述氦氖激光发生器和准直扩束镜的中心线应尽量同轴，在本实施例中调整所述氦氖激光发生器与准直扩束镜的中心线同轴。

B、将磁约束体装入磁约束体支架内，磁约束体支架安装在导轨上；初始时，由磁约束体形成的磁腔内不放入样品试管。为了保证调整的精确度，在本实施例中所述导轨选用精密导轨，具体应用时可根据调整精度的不同选择对应规格的精密导轨。所述磁约束体采用永磁体或电磁铁形式的任一种，其中，若采用永磁体形式，则通过串联由一对N-S永磁体变为若干对N-S永磁体，增强磁场。

C、通过导轨调整磁约束体和氦氖激光发生器之间的位置，找到对偏振光产生最佳效果的距离。

D、氦氖激光发生器射出的激光能通过起偏器形成偏振光，穿过磁腔的中心线最终照射到光强计上，由光强计记下此时的光强。

氦氖激光发生器射出的激光经准直扩束镜通过起偏器后，形成偏振光。当磁腔中无样品试管时，偏振光在磁约束体产生的磁场作用下，会发生小角度偏转，通过检偏器后由光强计记下此时的光强。

E、将盛装不同浓度的标准血糖溶液的样品试管依次放入磁腔中，旋转检偏器使光强计检测的光强与磁腔中未放入样品试管时检测到的光强相同。需要说明的时，所述磁腔内放入的样品试管与磁腔同轴。

当磁腔中有样品试管时，偏振光不仅受磁场影响，其光强会受样品试管中血糖溶液影响，通过检偏器后光强比无样品试管时小。通过旋转检偏器可使光强计检测到的光强与磁腔中无样品试管时相同。

F、由编码器测量检偏器偏转的角度，通过数据采集与处理系统采集并处理编码器输出的电信号，确定血糖浓度与检偏器偏转角之间的关系式，完成检偏器偏转角与血糖浓度之间的关系标定。在本实施例中所述编码器采用绝对式编码器。

G、将待测样品试管放入磁腔中，根据编码器测得的检偏器偏转角及所述血糖浓度与检偏器偏转角之间的关系式，确定待测样品试管中的血糖溶液浓度。

如图2所示，图2为本发明提供的基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测装置结构图。

本实施例中基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测装置具体包括激光发生装置、起偏器105、磁场发生装置、检偏装置以及数据采集与处理系统113；所述激光发生装置包括三维运动平台101、激光架板102、氦氖激光发生器103、准直扩束镜104；所述磁场发生装置包括导轨(图中未示出)、磁约束体支架106、磁约束体109；所述检偏装置包括检偏器110、编码器112、光强计111；所述数据采集与处理系统113包括数据采集卡、工控机、软件处理模块。其中，所述氦氖激光发生器103和准直扩束镜104安装在激光架板102上，所述激光架板102与三维运动平台101固连，通过所述三维运动平台101调节氦氖激光发生器103的空间位置；所述磁约束体109安装在磁约束体支架106内，由磁约束体109形成的磁腔107，磁腔107供样品试管108放入；所述磁约束体支架106安装在导轨上；所述检偏器110与编码器112固连，通过检偏器110的偏振光打在光强计111上；所述编码器112连接数据采集与处理系统113。

在本实施例中所述磁约束体109采用永磁体或电磁铁形式的任一种，其中，若采用永磁体形式，则通过串联由一对N-S永磁体变为若干对N-S永磁体，这样可以增强磁场。在本实施例中，与所述检偏器110固连的编码器112是中空的，偏振光穿过编码器112打在光强计111上。在本实施例中，所述编码器112采用绝对式编码器。在本实施例中，所述氦氖激光发生器103和准直扩束镜104的中心线同轴。所述磁腔107内放入的样品试管108与磁腔107同轴。所述导轨选用精密导轨，应用时可根据调整精度的不同选择对应规格的精密导轨。

具体的，所述三维运动平台101用于调节氦氖激光发生器103的空间位置。所述激光架板102用于安装氦氖激光发生器103和准直扩束镜104，使两者同轴线。所述氦氖激光发生器103用于发射氦氖低功率激光；所述准直扩束镜104用于改变激光光束的直径和发散角；所述起偏器105用于产生线偏振光；所述导轨用于调整磁约束和氦氖激光发生器103之间的位置，找到对偏振光产生最佳效果的距离；所述磁约束体支架106用于装夹磁约束体109，可容纳多对永磁体以增大磁场强度；所述磁腔107由磁约束体109即永磁体或者电磁体形成的圆柱形磁场区域，变化参数包括磁腔107直径、磁腔107长度两个参数；所述样品试管108中盛装血糖溶液，其尽量与磁腔107保持同轴；所述磁约束体109由N-N或S-S构成的互斥磁约束体109，使偏振光在磁场的作用下形成偏转效应；所述检偏器110用于检验某一束光是否偏振光；所述光强计111用于检测经过检偏器110后的光强，这是检测血糖浓度的关键；所述绝对式编码器112测量检偏器110偏转的角度，将角度信息传递给数据采集与处理系统113。所述数据采集与处理系统113采集并处理由编码器112输出的电信号，根据血糖浓度与检偏器110偏转角之间的关系式，由检偏器110偏转角确定待测血糖溶液的浓度。

需要说明的是，所述样品试管108中盛装的溶液不局限于血糖溶液，只要其溶液浓度对偏振光光强的影响与血糖溶液相同或相似，都可以通过本发明检测其溶液浓度。

本发明的技术方案在磁光偏转效应基础上，将盛装血糖溶液的样品试管108置于磁约束体109形成的磁腔107中，在磁约束体109的作用下，增大血糖的旋光偏转角，使用光强计111检测检偏器110之后的光强；通过旋转检偏器110，使磁腔107中带有样品试管108时的光强与无样品试管108时的光强保持一致，通过绝对式编码器测量检偏器110偏转的角度，从而实现样品试管108中血糖浓度的检测。本发明检测速度快，检测精度高，稳定可靠，为我国生物医学、临床医学等领域提供了技术基础并带来了巨大的经济效益和社会效益。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。