一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统及检测方法与流程

本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统及检测方法。

背景技术：

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，会导致各种组织，特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。因此，糖尿病患者体内血糖值的高低对于糖尿病的治愈以及观察糖尿病的病情发展态势有着指导意义。然而，现有的血糖检测设备大多数是有创的，糖尿病患者需要经常刺破表皮并采集静脉血，从而测出血糖值。长期如此，不仅使糖尿病患者因频繁采血而有感染风险，患者长期购买血液测试样条也是一笔不小的开销。所以，糖尿病患者亟需一款无痛、安全、便捷的血糖检测系统。

光谱技术是无创血糖测量中常用的一种技术。所谓光谱技术就是通过测量一种物质与各种不同波长光波间的互动关系，来测量该种物质的浓度。葡萄糖在近红外光(600nm-2500nm)和中红外光(2500nm-16000nm)照射下的光谱特征最为明显。近红外的优势是其组织穿透力强于中红外，缺点是葡萄糖对近红外的光谱特异性没有中红外强。中红外被誉为光谱中的“指纹”，特异性强，但由于中红外对发射装置要求高，而且基本不能穿透人体组织，所以中红外目前在无创血糖监测领域没有过多进展。近红外目前则是无创血糖监测领域探索最多的技术路线之一，如何克服近红外光谱特异性以及信号强度的难题，是今后研究的重点。

现有技术存在以下问题：

(1)现有的血糖检测系统结构复杂，成本投入高，并且检测方法复杂，检测困难；

(2)人体结构复杂，存在多种非检测因素，对于检测系统产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统及检测方法，用于解决现有技术存在的血糖光谱检测系统成本投入大、检测方法复杂、检测困难以及非吸收波段的吸收峰对系统影响导致检测结果偏离的问题。

本发明的技术方案为：一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统，包括依次设置的光源组、相位调制器组、反射镜组以及血糖分析单元；

光源组包括平行设置的第一光源和第二光源，第二光源的发射波长和与第一光源的发射波长邻近，相位调制器组包括第一相位调制器和第二相位调制器，第一相位调制器的调制相位和第二相位调制器的调制相位相差180°；反射镜组包括平行设置的全反射镜和半反射镜；

第一光源的输出端设置有第一相位调制器，第一相位调制器的输出端设置有全反射镜，第二光源的输出端设置有第二相位调制器，第二相位调制器的输出端设置有半反射镜；

由第一光源发射且经过全反射镜反射的第一入射光与由第二光源发射且经过半反射镜反射的第二入射光合并为一条检测光，检测光穿过待测样本并输入血糖分析单元。

进一步地，血糖分析单元包括依次连接的光电探测器、信号处理模块以及上位机，检测光输入光电探测器。

进一步地，第一光源和第一相位调制器的中间设置有依次连接的第一光纤准直器和第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的输出端通过光纤与第一相位调制器的输入端连接；

第二光源和第二相位调制器的中间设置有依次连接的第二光纤准直器和第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的输出端通过光纤与第二相位调制器的输入端连接；

第一相位调制器的输出端设置有第三光纤准直器，第三光纤准直器的输出端设置有全反射镜；第二相位调制器的输出端设置有第四光纤准直器，第四光纤准直器的输出端设置有半反射镜。

进一步地，光电探测器的输入端设置有第五光纤准直器，第五光纤准直器的输出端通过光纤与光电探测器连接。

进一步地，光纤为单模光纤。

进一步地，光纤耦合器的型号为sma905，第一光源和第二光源均为hse1200-l504型led。

一种基于血糖光谱检测系统的检测方法，包括如下步骤：

s1：使用第一光源和第二光源发射对应的第一入射光和第二入射光；

第一入射光的波长和第二入射光的波长邻近，其波长差值范围为50-100nm；

s2：使用第一相位调制器和第二相位调制器对对应的第一入射光的相位和第二入射光的相位进行调制，获取相位相差180°的第一调制入射光和第二调制入射光；

s3：使用全反射镜对第一调制入射光进行反射，使用半反射镜对第二调制入射光进行反射，并使反射后的第一调制入射光穿过半反射镜，与反射后的第二调制入射光重合，生成一条检测光；

s4：使用检测光穿过待测样本，进行待测样本的检测，得到光谱变化光；

s5：使用血糖分析单元的光电探测器将光谱变化光转换为对应的电信号；

s6：使用信号处理模块进行电信号的处理，并传输至上位机进行分析，实现血糖光谱检测。

进一步地，步骤s1和步骤s2之间还包括步骤s1.5：使用第一光纤准直器接收第一入射光，并通过第一光纤耦合器传输至第一相位调制器；

使用第二光纤准直器接收第二入射光，并通过第二光纤耦合器传输至第二相位调制器。

进一步地，步骤s2和步骤s3之间还包括步骤s2.5：使用第三光纤准直器输出第一调制入射光；使用第四光纤准直器输出第二调制入射光。

进一步地，步骤s4和步骤s5之间还包括步骤s4.5：使用第五光纤准直器接收光谱变化光，并传输至光电探测器。

本方案的有益效果为：

(1)本方案提供的一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统，采用测试近红外光穿过待测样本前后光谱信息的变化，测出血糖值，本系统结构简单，采用的设备成本投入低；

(2)采用180°相位相消的原理，完全消除非吸收波段的吸收峰对系统的影响，提高了系统的准确度；

(3)采用反射镜组的全反射镜和半反射镜将入射光进行合并，实现待测样本的检测，检测方法简单，提高了实用性。

附图说明

图1所示为基于调制反相相消的血糖光谱检测系统实施例一结构示意图；

图2所示为基于调制反相相消的血糖光谱检测系统实施例二结构示意图；

图3所示为血糖分析单元结构框图；

图4所示为光电探测器电路原理图；

图5所示为信号处理电路原理图；

图6所示为光源驱动电路原理图；

图7所示为检测方法流程图；

图8所示为相位对比图；

图9所示为血糖吸收光强-波长变化图。

其中，11、第一光源；12、第二光源；21、第一相位调制器；22、第二相位调制器；31、全反射镜；32、半反射镜；4、光电探测器；5、待测样本；61、第一入射光；62、第二入射光；63、检测光；71、第一光纤准直器；72、第二光纤准直器；73、第三光纤准直器；74、第四光纤准直器；75、第五光纤准直器；81、第一光纤耦合器；82、第二光纤耦合器。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例一：

本发明实施例提供了一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统，如图1所示，包括依次设置的光源组、相位调制器组、反射镜组以及如图3所示的血糖分析单元；采用测试近红外光穿过待测样本5前后光谱信息的变化，测出血糖值，本系统结构简单，采用的设备成本投入低；

光源组包括平行设置的第一光源11和第二光源12，第二光源12的发射波长和与第一光源11的发射波长邻近，相位调制器组包括第一相位调制器21和第二相位调制器22，第一相位调制器21的调制相位和第二相位调制器22的调制相位相差180°；如图8所示，采用180°相位相消的原理，完全消除非吸收波段的吸收峰对系统的影响，提高了系统的准确度，其中血糖吸收光强随波长变化如图9所示；反射镜组包括平行设置的全反射镜31和半反射镜32；

第一光源11的输出端设置有第一相位调制器21，第一相位调制器21的输出端设置有全反射镜31，第二光源12的输出端设置有第二相位调制器22，第二相位调制器22的输出端设置有半反射镜32；

第一相位调制器21的输出端与全反射镜31形成的入射角和全反射镜31与光电探测器4形成的反射角相同；第二相位调制器22的输出端与半反射镜32形成的入射角和全反射镜31与光电探测器4形成的反射角相同；

由第一光源11发射且经过全反射镜31反射的第一入射光61与由第二光源12发射且经过半反射镜32反射的第二入射光62合并为一条检测光63，检测光63穿过待测样本5并输入血糖分析单元；采用反射镜组的全反射镜31和半反射镜32将入射光进行合并，实现待测样本5的检测，检测方法简单，提高了实用性；

本实施例中，血糖分析单元包括依次连接的光电探测器4、信号处理模块以及上位机，检测光63输入光电探测器4；光电探测器4的电路如图4所示，信号处理模块的电路如图5所示。

本实施例中，第一光源11和第二光源12均为hse1200-l504型led；第一光源11和第二光源12的驱动电路如图6所示。

一种基于血糖光谱检测系统的检测方法，如图7所示，包括如下步骤：

s1：使用第一光源和第二光源发射对应的第一入射光和第二入射光；

第一入射光的波长和第二入射光的波长邻近，其波长差值范围为50-100nm；

s2：使用第一相位调制器和第二相位调制器对对应的第一入射光的相位和第二入射光的相位进行调制，获取相位相差180°的第一调制入射光和第二调制入射光；

s3：使用全反射镜对第一调制入射光进行反射，使用半反射镜对第二调制入射光进行反射，并使反射后的第一调制入射光穿过半反射镜，与反射后的第二调制入射光重合，生成一条检测光；

s4：使用检测光穿过待测样本，进行待测样本的检测，得到光谱变化光；

s5：使用血糖分析单元的光电探测器将光谱变化光转换为对应的电信号；

s6：使用信号处理模块进行电信号的处理，并传输至上位机进行分析，实现血糖光谱检测。

实施例二：

本发明实施例提供了一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统，如图2所示，包括依次设置的光源组、相位调制器组、反射镜组以及如图3所示的血糖分析单元；采用测试近红外光穿过待测样本5前后光谱信息的变化，测出血糖值，本系统结构简单，采用的设备成本投入低；

光源组包括平行设置的第一光源11和第二光源12，第二光源12的发射波长和与第一光源11的发射波长邻近，相位调制器组包括第一相位调制器21和第二相位调制器22，第一相位调制器21的调制相位和第二相位调制器22的调制相位相差180°；如图8所示，采用180°相位相消的原理，完全消除非吸收波段的吸收峰对系统的影响，提高了系统的准确度，其中血糖吸收光强随波长变化如图9所示；反射镜组包括平行设置的全反射镜31和半反射镜32；

第一光源11的输出端设置有第一相位调制器21，第一相位调制器21的输出端设置有全反射镜31，第二光源12的输出端设置有第二相位调制器22，第二相位调制器22的输出端设置有半反射镜32；

由第一光源11发射且经过全反射镜31反射的第一入射光61与由第二光源12发射且经过半反射镜32反射的第二入射光62合并为一条检测光63，检测光63穿过待测样本5并输入血糖分析单元。

本实施例中，血糖分析单元包括依次连接的光电探测器4、信号处理模块以及上位机，检测光63输入光电探测器4；光电探测器4的电路如图4所示，信号处理模块的电路如图5所示。

本实施例中，第一光源11和第一相位调制器21的中间设置有依次连接的第一光纤准直器71和第一光纤耦合器81，第一光纤耦合器81的输出端通过光纤与第一相位调制器21的输入端连接，提高了第一入射光61的利用率；

第二光源12和第二相位调制器22的中间设置有依次连接的第二光纤准直器72和第二光纤耦合器82，第二光纤耦合器82的输出端通过光纤与第二相位调制器22的输入端连接，提高了第二入射光62的利用率；第一光源11和第二光源12的驱动电路如图6所示；

第一相位调制器21的输出端设置有第三光纤准直器73，第三光纤准直器73的输出端设置有全反射镜31；第二相位调制器22的输出端设置有第四光纤准直器74，第四光纤准直器74的输出端设置有半反射镜32。

进一步地，光电探测器4的输入端设置有第五光纤准直器75，第五光纤准直器75的输出端通过光纤与光电探测器4连接。

本实施例中，光纤为单模光纤。

本实施例中，光纤耦合器的型号为sma905，第一光源11和第二光源12均为hse1200-l504型led。

一种基于血糖光谱检测系统的检测方法，如图7所示，包括如下步骤：

s1：使用第一光源和第二光源发射对应的第一入射光和第二入射光；

第一入射光的波长和第二入射光的波长邻近，其波长差值范围为50-100nm；

s1.5：使用第一光纤准直器接收第一入射光，并通过第一光纤耦合器传输至第一相位调制器；

使用第二光纤准直器接收第二入射光，并通过第二光纤耦合器传输至第二相位调制器；

s2：使用第一相位调制器和第二相位调制器对对应的第一入射光的相位和第二入射光的相位进行调制，获取相位相差180°的第一调制入射光和第二调制入射光；

s2.5：使用第三光纤准直器输出第一调制入射光；使用第四光纤准直器输出第二调制入射光；

s3：使用全反射镜对第一调制入射光进行反射，使用半反射镜对第二调制入射光进行反射，并使反射后的第一调制入射光穿过半反射镜，与反射后的第二调制入射光重合，生成一条检测光；

s4：使用检测光穿过待测样本，进行待测样本的检测，得到光谱变化光；

s4.5：使用第五光纤准直器接收光谱变化光，并传输至光电探测器；

s5：使用血糖分析单元的光电探测器将光谱变化光转换为对应的电信号；

s6：使用信号处理模块进行电信号的处理，并传输至上位机进行分析，实现血糖光谱检测。

本发明提供的一种基于调制反相相消的血糖光谱检测系统及检测方法，解决了现有技术存在的血糖光谱检测系统成本投入大、检测方法复杂、检测困难以及非吸收波段的吸收峰对系统影响导致检测结果偏离的问题。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。