专利名称：可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无创血糖检测用光声池，具体地，是一种可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池以及利用该光声池进行无创血糖检测的方法。
背景技术：
无创血糖检测方法由于病人痛苦少、感染几率低、可以连续监测血糖变化，因而成为血糖检测领域的发展趋势。目前主要的血糖无创检测方法主要有近红外光谱法、荧光光谱法、光声光谱法等。其中光声光谱法由于具有灵敏度高、特异性好而成为最有希望用于临床诊疗的方法之一。光声光谱是光谱学的一个重要分支，是一种综合了光、热、声、电等原理技术的光谱分析新方法。用一定频率调制的光源或脉冲光源照射物质，当物质受到光照射时，物质因吸收光能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收的光能(全部或部分)转变为热。周期的光照调制使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。典型的光声光谱法主要由光源、斩波器、光声池、声敏元件(传声器)、放大器、信号处理系统和记录系统组成，其中光声信号的产生又依赖于光声池这个尤为重要的载体和转换环境。在利用光声光谱的方法进行无创血糖检测的研究领域中，光声池发挥着至关重要的作用，主要表现在如何提供一个优越的光声转换环境和增强光声信号的作用。随着对激光和光声技术的深入研究，对于光声光谱仪的核心部件光声池的研究愈来愈引起人们的关注。不同的检测对象对光声池有不同的要求，而且光声池又直接影响其检测灵敏度，不同结构的光声池具有不同的特性。光声池从功能上可以分为气体光声池、固体光声池和液体光声池，对于血糖监测而言主要需要液体光声池(被测目标为葡萄糖水溶液)。光声池从结构上可以分为单腔和多腔两种。在多腔光声池中，以双腔光声池较为多见，其优势在于可以使用差分原理和利用亥姆霍兹共振理论来增强光声信号。例如“用于气体光声光谱监测的纵向共振光声池O01010251483. 4) ”等。但是，已有的共振型光声池大多为气体光声池，而血糖监测需要固体(样品为葡萄糖粉末)或者液体(样品为葡萄糖水溶液)光声池。而且，亥姆霍兹共振频率由两个腔体的体积和连接腔体所决定，所以亥姆霍兹共振型光声池的一个很大的弊端，就是当调制频率变化时连通管的大小不能再调，即亥姆霍兹共振型光声池适用于单一的固定不变的调制频率。当调制频率变化时，其共振效果也就大打折扣，因而失去意义。另外，当调制频率较低时(血糖监测要求如此)，连通管的体积必须足够大，而且连接两个连通管的气体管道直径非常小，在加工工艺上有不太好实现。因此，传统的亥姆霍兹共振型光声池不太适合血糖监测的要求
发明内容
本发明针对缺少针对无创血糖检测所需的光声池、传统共振型光声池的设计缺少足够的依据和参数设计准则的现状，提出一种可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池以及利用该光声池进行无创血糖检测的方法，可同时用于固体葡萄糖粉末和葡萄糖水溶液浓度的检测，从而可以满足无创血糖监测的要求。本发明是通过以下技术方案实现的所述的光声池，是以RG理论为基础，参考各种有关材料的物理性能，以空气作为载体，综合理论和实践两个方面的考虑设计而成的。根据RG理论信号依赖于样品-气体界面上声压扰动的产生和扰动通过气体到传声器的传输，表面压力扰动的产生又依赖于样品-气体界面上温度的周期性变化。气体中依赖于时间的温度分量随着离开固体表面距离的增加很快的衰减。由于边界层的周期性加热，这个气体层周期的膨胀和收缩，因而可以近似的看成一个活塞，这个活塞作用于其他气体部分，产生的声压信号通过整个气柱，并可以被微音器检测到。本发明所述的光声池由样品池、入射窗口、激光器、连通管、检测室、调节板和微音器等组成。待测样品置于样品池内，其上表面直至入射窗口的空间自然形成气体腔。入射窗口安装于样品池的顶部，入射窗口上安装有激光器，可向样品投射具有一定调制频率的激光束。连通管设置在样品池的侧面，正对气体腔。检测室置于连通管后端，检测室与调节板共同形成检测腔，检测腔通过连通管与气体腔互相连通。调节板在检测室的位置是可调节的，由此可以改变检测腔的容积大小，以适应不同的调制频率。在调节板上安装有高性能的微音器，用以检测光声信号的强弱。所述的样品池采用热扩散率比较大的材料制成，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作样品池，其次可以采用黄铜材料制作样品池，其他材料的热扩散率不应小于黄铜的热扩散率。所述的样品池具有足够厚重的壳体，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。其厚度的选择，应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB。与此同时，为了避免光声池发生吻合效应，光声池的壁厚应该保证其吻合临界频率大于激光器调制频率的10倍以上。所述的样品池内表面是光滑的，以避免声信号在传输到微音器前产生过度的衰减。可以采用常规的抛光或镀膜等工艺方法处理来实现。所述的样品池的形状采用各种可行的规则形状，例如圆柱形等，以有利于加工和达到理想的表面要求。样品池的具体尺寸取决于样品量的多少和连通管的径向尺寸与位置，具体而言应保证样品上表面距离入射窗口的高度等于气体腔内空气的热扩散长度的 1. 8倍，样品池的直径应大于空气热扩散长度的12倍。所述的入射窗口选用透明材料，便于观察。由于需要在入射窗口上加工各种各样的孔径，用来安装激光器以及固定螺钉，所以本发明池采用有机玻璃作为入射光窗口。所述的入射窗口具有足够的厚度，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。入射窗口的厚度选择依据与样品池的厚度选择依据相同。入射窗口的内表面应该保持光滑。所述的入射窗口与样品池之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。所述的激光器采用半导体激光器，它具有体积小、重量轻、瞬间功率稳定等优点。 激光器的功率尽可能大些，有利于提高光声信号的信噪比。激光器的输出光束是频率可调节的，以形成不同的调制频率，满足血糖监测的要求。激光器的频率调制可以采用众所周知
4的方法来实现。激光器与入射窗口之间需有弹性密封材料，以保证可靠的声屏蔽与密封。所述的连通管同样采用热扩散率比较大的材料，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作连通管，其次可以采用黄铜材料制作连通管，其他材料的热扩散率不应小于黄铜的热扩散率。连通管的内表面是光滑的(可抛光或镀膜处理)，以避免声信号在传输到微音器前产生过度衰减。连通管的形状可采用各种规则形状，例如圆柱形等，有利于加工和达到理想的表面要求。为了保证信号的信噪比和检测灵敏度，连通管应采用尽可能小的径向尺寸和较长的轴向尺寸，其最小径向尺寸取决于加工工艺和条件。连通管与样品池和检测室之间通过常规方法进行可靠连接和密封，例如胶粘、焊接或者螺纹连接。所述的检测室同样采用热扩散率比较大的材料，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作检测室，其次可以采用黄铜材料制作检测室，其他材料的热扩散率不应小于黄铜的热扩散率。检测室的内表面是光滑的(可抛光或镀膜处理)，以避免声信号在传输到微音器前产生过度衰减。检测室的形状可采用各种规则形状，例如圆柱形等，有利于加工和达到理想的表面要求。为了保证信号的信噪比和检测灵敏度，检测室应采用尽可能大的径向尺寸和较短的轴向尺寸。所述的调节板同样采用热扩散率比较大的材料，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作调节板，其次可以采用黄铜材料制作调节板，其他材料的热扩散率不应小于黄铜的热扩散率。调节板的内侧表面是光滑的(可抛光或镀膜处理)，以避免声信号在传输到微音器前产生过度衰减。调节板在检测室的位置是可调节的，由此可以调节检测腔的容积大小，用于满足不同调制频率的要求。调节板的位置调节可以采用众所周知的方法来实现，例如螺纹连接。在调节板上加工有安装孔，用以安装微音器。微音器与调节板之间设置有密封圈，以保证可靠的声屏蔽和隔声效果。所述的微音器采用低噪声、高灵敏、低截止频率的传感器。所述的最低截至频率， 应该按照血糖监测的要求来确定。本发明提供一种采用上述的光声池进行无创血糖检测的方法，检测步骤如下(1)先将入射窗口从样品池上取下，用量筒量取葡萄糖粉末或者葡萄糖水溶液，倒入样品池内。(2)将带有激光器的入射窗口盖在样品池顶部，二者之间放入密封圈，并用螺钉拧紧。(3)将整个光声池放置在防震垫上，开启激光器电源，开始对微音器的输出信号进行采样。(4)最后将采样到的数据进行快速傅立叶(FFT)变换，得到信号的频谱特性，即可得到调整频率下的光声信号幅值。与现有技术相比，本发明的光声池的有益效果是本发明的光声池采用独特的可调节、非共振双腔光声池结构，避免了传统的共振型光声池体积大、难于加工制作、仅适用于单一的固定调制频率的弊端，可以满足血糖监测的要求。
图1是非共振双腔光声池结构组成示意图；图2是非共振双腔光声池结构参数示意图中，1-样品池，2-入射窗口，3-激光器，4-样品，5-气体腔，6-连通管，7-检测室，8-检测腔，9-调节板，10-微音器，Cl1-样品池内径，I1-气体腔长度，V1-气体腔容积， d2-连通管内径，I2-连通管长度，V2-连通管容积，d3-检测腔内径，I3-检测腔长度，V3-检测腔容积。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例的光声池由样品池1、入射窗口 2、激光器3、连通管6、检测室7、调节板9和微音器10等组成。待测样品4置于样品池1内，其上部直至入射窗口 2的空间自然形成气体腔5。入射窗口 2安装于样品池1的顶部，入射窗口 2上安装有激光器 3，可向样品4投射具有一定调制频率的激光束。连通管6设置在样品池1的侧面，正对气体腔5。检测室7置于连通管6后端，检测室7与调节板9共同形成检测腔8，检测腔8通过连通管6与气体腔5互相连通。调节板9在检测室7的位置是可调节的，由此可以改变检测腔8的容积大小，以适应不同的调制频率。在调节板9上安装有高性能的微音器10，用以检测光声信号的强弱。所述的样品池1采用热扩散率比较大的铝合金材料，以减少可能产生的干扰信号。样品池1具有足够厚重的壳体，厚度约IOmm 20mm为宜，以形成良好的声屏蔽和隔声效果，同时避免吻合效应。样品池1的内表面是光滑的，采用抛光工艺方法来实现，以避免声信号在传输到微音器10前产生过度的衰减。样品池1的形状采用圆柱形，以有利于加工和达到理想的表面要求。样品池1的具体尺寸取决于样品4量的多少和连通管6的尺寸与位置，具体而言样品4上表面距离入射窗口 2的高度Ill等于气体腔5内空气的热扩散长度μ的1. 8倍，即hi = 1. 8 μ(1)样品池1的内径Cl1应大于空气热扩散长度μ的12倍，即Cl1 ^ 12 μ(2)气体腔5内空气的热扩散长度安照如下公式计算
/2 ■ 2kμ. = ΛΙ— = ι-
rNojpc
\ v(3)式中，k为空气热传导率，c为空气比热，ω = 2π ·为激光调制角频率(f调制频率)，P为空气密度。根据血糖监测的要求，调制频率尽可能低。考虑一般微音器的截至频率为3Hz左右，由此可取最低调制频率为fmin = 3Hz。由此可计算出最大热扩散长度为μ max = 1. 42mm。 因此，可取样品池的直径为Cl1 = 22mm，样品4上表面距离入射窗口 2的高度(即气体腔5 的长度)为Ii1 = 3mm。所述的入射窗口 2选用有机玻璃制作，便于观察和加工各种各样的孔径，用来安装激光器以及固定螺钉。入射窗口 2的厚度约IOmm 20mm为宜，以形成良好的声屏蔽和隔声效果，同时避免吻合效应。入射窗口的内表面应该保持光滑。入射窗口 2与样品池1 之间安放橡胶密封圈，通过螺钉可靠连接并实现密封。所述的激光器3采用半导体激光器，它具有体积小、重量轻、瞬间功率稳定等优点。激光器3的功率尽可能大些，本实施例采用波长650nm、功率50mW的半导体激光器，有利于提高光声信号的信噪比。激光器3的输出光束是频率可调节的，以形成不同的调制频率，满足血糖监测的要求。由于血糖监测要求的调制频率不高，最低约3Hz，最高约40Hz，因此激光器3的频率调制可以采用简单的方波调制方法来实现。激光器3与入射窗口 2之间增加弹性适中的密封材料，一般为橡胶圈，以保证可靠的声屏蔽与密封。所述的连通管6同样采用热扩散率比较大的材料，本实例采用铝合金制成，以减少可能产生的干扰信号。连通管6具有足够厚重的壳体，壁厚为5mm，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。连通管6的内表面是光滑的，本示例采用抛光处理的方法实现，以避免声信号在传输到微音器前产生过度衰减。连通管6的形状采用圆柱形，有利于加工和达到理想的表面要求。为了保证信号的信噪比和检测灵敏度，连通管应采用尽可能小的径向尺寸和较长的轴向尺寸，其最小径向尺寸取决于加工工艺和条件，本实施例的连通管6取为内径头 =1mm，长度I2 = 50mm。连通管6与样品池1和检测室7之间通过常规方法进行可靠连接和密封，本实施例采用过度配合和胶粘方法进行连接。所述的检测室7同样采用热扩散率比较大的材料铝合金，以减少可能产生的干扰信号。检测室7具有足够厚重的壳体，厚度约10mm，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。检测室7的内表面是光滑的，通过抛光处理实现，以避免声信号在传输到微音器10前产生过度衰减。检测室7的形状采用圆柱形，有利于加工和达到理想的表面要求。为了保证信号的信噪比和检测灵敏度，检测室7应采用尽可能大的径向尺寸和较短的轴向尺寸，本实施例取为内径d3 = 50mm,长度40mm。所述的调节板9同样采用热扩散率比较大的材料铝合金，以减少可能产生的干扰信号。调节板9具有足够厚重的壳体，厚度约10mm，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。调节板9的内侧表面是光滑的，通过抛光处理实现，以避免声信号在传输到微音器10前产生过度衰减。调节板9在检测室7的位置是可调节的，由此可以调节检测腔8的容积大小，用于满足不同调制频率的要求。调节板的位置调节可以采用众所周知的方法来实现，例如螺纹连接。在调节板上加工有安装孔，用以安装微音器。微音器与调节板之间设置有密封圈，以保证可靠的声屏蔽和隔声效果。
不同参数下的调制频率计算公式为
C
S
(4)
(5) (6)
γ = 4π n/p s
(7) 式中，ω为调制频率，Oci为共振频率，S是连通管横截面面积，L为连通管的长度， 谐振角频率，f是斩波器频率(也就是调制频率)，C = 340m/s是声速，η = 1. 29kg/m3为气粘滞系数。可取L = 0.05m，S = 3. 14X 10_6m2，则不同调制频率下的检测腔8的长度(即
调节板9的位置)为
权利要求
1.一种可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池，其特征在于该光声池由样品池、 入射窗口、激光器、连通管、检测室、调节板和微音器组成；所述待测样品置于样品池内，其上表面直至入射窗口的空间自然形成气体腔；所述入射窗口安装于样品池的顶部，入射窗口上安装有激光器，激光器可向样品投射具有设定调制频率的激光束；所述连通管设置在样品池的侧面，正对所述气体腔；所述检测室置于连通管后端，检测室与调节板共同形成检测腔，检测腔通过连通管与气体腔互相连通；所述调节板在检测室的位置是可调节的，由此改变检测腔的容积大小，以适应不同的调制频率；在所述调节板上安装有用以检测光声信号的强弱的微音器。
2.根据权利要求1所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述样品池采用热扩散率不小于黄铜的材料，样品池具有足够厚重的壳体，且样品池的内表面是光滑的，所述壳体厚度应该保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB，且吻合临界频率大于激光器调制频率的10 倍以上。
3.根据权利要求1所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述调节板采用热扩散率不小于黄铜的材料，调节板具有足够厚重的壳体，且调节板的内侧表面是光滑的，所述壳体厚度应保证对500Hz声信号的隔音量大于35dB，且吻合临界频率大于激光器调制频率的10 倍以上。
4.根据权利要求2或3所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述样品池、调节板采用铝或者黄铜制成。
5.根据权利要求1-3任一项所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述样品池的具体尺寸，保证样品上表面距离入射窗口的高度等于气体腔内空气的热扩散长度的1.8倍， 样品池的直径大于空气热扩散长度的12倍。
6.根据权利要求1-3任一项所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述入射窗口与样品池之间安放橡胶密封圈，通过螺钉连接并实现密封。
7.根据权利要求6所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述入射窗口选用易于加工的透明材料。
8.根据权利要求1或3所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述微音器与调节板之间设置有密封圈，所述连通管与样品池和检测室之间密封连接。
9.根据权利要求1所述的非共振双腔光声池，其特征在于所述的连通管采用热扩散率不小于黄铜的材料。
10.一种采用权利要求1-9所述非共振双腔光声池进行无创血糖检测的方法，其特征在于所述检测步骤如下①先将入射窗口从样品池上取下，用量筒量取葡萄糖粉末或者葡萄糖水溶液，倒入样品池内；②将带有激光器的入射窗口盖在样品池顶部，二者之间放入密封圈，并用螺钉拧紧；③将整个光声池放置在防震垫上，开启激光器电源，开始对微音器的输出信号进行采样；④最后将采样到的数据进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，即得到调整频率下的光声信号幅值。
全文摘要
本发明公开一种可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池及检测方法，由样品池、入射窗口、激光器、连通管、检测室、调节板和微音器组成。待测样品置于样品池内，其上表面直至入射窗口的空间自然形成气体腔。入射窗口安装于样品池顶部，入射窗口上有激光器，连通管设置在样品池侧面，正对气体腔。检测室置于连通管后端，检测室与调节板共同形成检测腔，检测腔通过连通管与气体腔互相连通。调节板在检测室的位置是可调节的，由此可以改变检测腔的容积大小，以适应不同的调制频率。在调节板上安装有微音器，以检测光声信号的强弱。本发明避免了传统的共振型光声池体积大、难于加工制作、仅适用于单一的固定调制频率的弊端，可以满足血糖监测的要求。
文档编号G01N21/01GK102539330SQ20121000237
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者周倩, 赵思维, 赵辉, 陶卫, 高丽丽 申请人:上海交通大学