本實(shí)用新型涉及對(duì)人體進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)，具體為一種阻抗譜-光學(xué)方法相結(jié)合的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備，屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病，目前還沒(méi)有根治糖尿病的方法。糖尿病的治療以頻繁地監(jiān)測(cè)、控制血糖水平為主。傳統(tǒng)的有創(chuàng)取血測(cè)量血糖的方法存在明顯缺陷，在測(cè)量過(guò)程中給患者帶來(lái)創(chuàng)傷和痛覺(jué)，不便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的檢測(cè)。無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，能有效地滿足糖尿病人實(shí)時(shí)、頻繁監(jiān)測(cè)血糖濃度的需求,是血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法主要集中在光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，由于干擾成分多、個(gè)體差異大，大部分檢測(cè)方法仍然處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

自1985年Lukaski提出用生物電阻抗(bioelectrical impedance analysis,BIA)測(cè)定人體的體成分以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于脂肪和非脂肪物質(zhì)對(duì)于電流的傳導(dǎo)性能不同導(dǎo)致組織器官具有不同的阻抗特性的原理，用生物電阻抗的方法區(qū)分脂肪、肌肉、礦物質(zhì)、含水物質(zhì)等人體組成成分。韓國(guó)上市公司研制的Inbody系列人體成分分析儀采用各節(jié)段多頻率生物電阻抗法測(cè)量人體各成分的均衡情況具有高的精密度。

以生物阻抗技術(shù)為基礎(chǔ)，阻抗譜法(impedance spectroscopy，IS)無(wú)創(chuàng)血糖的研究也取得了一定進(jìn)展。阻抗譜研究大部分都集中在0-50kHz、10MHz以內(nèi)。美國(guó)Harry Richardson Elden等人(WO1999039627 A1)通過(guò)測(cè)試特定頻率點(diǎn)(20kHz,500kHz)的人體皮膚阻抗幅值和相位，利用阻抗和相位的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)血唐；韓國(guó)的Kiseok Song研究組綜合阻抗譜法與紅外光譜法進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)試，他們研究的頻率范圍在10kHz-76kHz。較低頻狀態(tài)下的研究因沒(méi)有射頻傳輸和高頻噪聲干擾、電極極化等問(wèn)題的影響而相對(duì)較為容易，但低頻下電流繞過(guò)細(xì)胞流經(jīng)細(xì)胞外液，影響了無(wú)創(chuàng)血糖的監(jiān)測(cè)效果。

瑞士的Caduff A(US2013/0211204 A1,US7693561B2)研究組發(fā)現(xiàn)在較高頻率段，血糖濃度與阻抗值之間存在較為明顯的關(guān)系。他們?cè)O(shè)計(jì)了30-60MHz范圍的阻抗測(cè)量系統(tǒng)，研究得到的阻抗信息與血糖之間的相關(guān)性。但是由于不同個(gè)體間的皮膚厚度和組織差異太大，高頻方法對(duì)組織特性穩(wěn)定性要求很高，單獨(dú)使用很難取得令人滿意的結(jié)果。該研究組在之后的研究里開(kāi)始采用多傳感器多參數(shù)測(cè)量的方法提高測(cè)量準(zhǔn)確度，使用高頻、中頻、低頻三個(gè)頻段的電極，并加入溫度、濕度和光傳感器進(jìn)行測(cè)量。其電極由一個(gè)直條狀的電極和直條狀電極四周的環(huán)形電極組成，直條狀電極與周?chē)h(huán)形電極的間距分別為0.3mm、1.5mm和4mm；其光傳感器所用波長(zhǎng)為550/660/880nm。該研究組使用的電極為一端長(zhǎng)條，一端環(huán)形，不同頻率的電極距離較近，且被同樣的地線包圍，相互之間會(huì)有干擾；同一頻率的兩個(gè)電極距離較近，穿透組織深度較淺；溫度和濕度傳感器直接貼合皮膚，容易造成濕度的飽和,影響溫濕度的測(cè)試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，提供一種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備,以進(jìn)一步提高血糖的測(cè)量準(zhǔn)確度。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備，包括檢測(cè)探頭、微處理器、顯示單元和存儲(chǔ)單元；檢測(cè)探頭包括高頻電極、低頻電極、溫濕度傳感器、發(fā)光二極管陣列、光電傳感器和接觸板；微處理器通過(guò)控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生高頻和低頻激勵(lì)信號(hào)，高頻和低頻電極的反饋信號(hào)經(jīng)幅相檢測(cè)電路后輸入到微處理器；所述的溫濕度傳感器所測(cè)得的被測(cè)部位溫度信號(hào)和濕度信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后輸入到微處理器中；所述的光電傳感器所測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后輸入到微處理器中；其特征在于：所述高頻電極采用一對(duì)平行電極，電極上直接焊接匹配的電感L；低頻電極正極與負(fù)極之間的距離在1cm～2m之間；溫濕度傳感器底部距離接觸板底部的垂直距離為0.1～20mm；溫濕度傳感器與人體被測(cè)部位形成密閉空間，在該密閉空間壁上開(kāi)狹縫或小孔形成平衡儲(chǔ)熱儲(chǔ)濕結(jié)構(gòu)。

上述技術(shù)方案中，其特征還在于：所述高頻電極周?chē)O(shè)有一屏蔽電極，該屏蔽電極與高頻電極的正極或負(fù)極通過(guò)電感L相連。所述高頻電極優(yōu)選采用柔性電極。

本實(shí)用新型的另一技術(shù)特征是：溫濕度傳感器與人體被測(cè)部位形成的密閉空間是由傳感器安裝板和帶有空腔結(jié)構(gòu)的底板構(gòu)成，底板安裝在接觸板的正上方。

本實(shí)用新型的又一技術(shù)特征是：所述的發(fā)光二極管陣列和光電傳感器沿人體血流方向布置，兩者之間的中心距在1mm至200mm之間。

本實(shí)用新型所述的發(fā)光二極管陣列包含4個(gè)波長(zhǎng)分別為660nm、760nm、850nm和940nm 發(fā)光二極管。

本實(shí)用新型所述的檢測(cè)探頭通過(guò)腕帶固定在人體被測(cè)部位。所述的接觸板采用橡膠板。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：①本實(shí)用新型對(duì)阻抗譜高頻電極的距離進(jìn)行優(yōu)化，并直接將匹配電感焊接在高頻電極上，在電極周?chē)幸粚?dǎo)電矩形框與其中一個(gè)電極相連，采用柔性電極，使電極和皮膚貼合緊密，減少噪聲干擾；②本實(shí)用新型阻抗譜低頻電極之間的距離較大，測(cè)得的信號(hào)更穩(wěn)定，提取的特征參數(shù)與血糖相關(guān)性更高；③本實(shí)用新型利用溫濕度傳感器測(cè)量皮膚表面的溫度和濕度，修正阻抗譜和光電通道的測(cè)量結(jié)果，溫濕度傳感器與人體皮膚保持一定距離，并通過(guò)狹縫或者小孔形成非密閉空間，形成一個(gè)平衡儲(chǔ)熱儲(chǔ)濕的結(jié)構(gòu)，盡量消除體溫變化及出汗對(duì)測(cè)量的影響，使得溫濕度的測(cè)試更加準(zhǔn)確。

附圖說(shuō)明：

圖1是本實(shí)用新型中大探頭從底板方向的俯視圖示意圖。

圖2是圖1的B-B方向剖視圖。

圖3是圖1的C-C方向剖視圖。

圖4是無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備電路原理框圖。

圖中：1-低頻電極；2-溫濕度傳感器；3-高頻電極；4-光電二極管陣列；5-光電傳感器； 6-接觸板；7-底板；8-頂蓋；9-溫濕度傳感器安裝板；10-屏蔽電極；11-溫濕度傳感器安裝板上開(kāi)的小孔；L為高頻電極的匹配電感。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)該種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備具體結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過(guò)程做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1、圖2和圖3是該種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)示意圖。檢測(cè)探頭包括溫濕度傳感器2、發(fā)光二極管陣列4、光電傳感器5、低頻電極1、高頻電極3和接觸板6。為方便儀器的使用，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，本實(shí)用新型所述的檢測(cè)探頭還可以包括殼體，該殼體包括底板7和頂蓋8；頂蓋8上的結(jié)構(gòu)用于使用腕帶將殼體固定在人體被測(cè)部位(如手腕、大臂等)，腕帶材質(zhì)可以使用彈性材料，腕帶上可以有魔術(shù)貼；為了提高儀器使用的舒適度，接觸板6采用橡膠材質(zhì)。

根據(jù)測(cè)量需要，本實(shí)用新型所述高頻電極3采用平行電極，電極正極或負(fù)極上直接焊接匹配的電感L，周?chē)O(shè)有一屏蔽電極10，該屏蔽電極與高頻電極的正極或負(fù)極通過(guò)電感L相連。為了提高高頻電極和人體皮膚的接觸質(zhì)量，高頻電極可以采用柔性電極。所述低頻電極1的兩極之間的空間位置要求有一定距離(1cm～2m)。低頻電極可以采用分體式設(shè)計(jì)，低頻電極的一極單獨(dú)布置，另一極和其余傳感器布置在一起，如圖1。本實(shí)用新型所述低頻電極1、溫濕度傳感器2、發(fā)光二極管陣列4、光電傳感器5、高頻電極3設(shè)置于底板7上，并沿著人體待測(cè)部位方向排布。本實(shí)用新型所述的底板7和頂蓋8可采用絕緣材料(如PVC材料)。

高頻激勵(lì)電信號(hào)范圍是1MHz～100MHz，所述低頻電極采用不銹鋼材質(zhì)，也可以是其他金屬電極，如CuCrZr、BeCu、CuAl2O3、Ag/AgCl，激勵(lì)電信號(hào)頻率是1KHz～1MHz。

所述溫濕度傳感器2底部距離接觸板6底部的垂直距離為0.1～20mm；溫濕度傳感器2與人體被測(cè)部位形成密閉空間，在該密閉空間壁上開(kāi)狹縫或小孔形成平衡儲(chǔ)熱儲(chǔ)濕結(jié)構(gòu)。溫濕度傳感器2與人體被測(cè)部位形成的密閉空間是由傳感器安裝板9和帶有空腔結(jié)構(gòu)的底板7形成，底板 7安裝在接觸板6的正上方。密閉空間壁上的狹縫或小孔可以為開(kāi)在溫濕度傳感器安裝板上的小孔，如圖2中的11所示。

本實(shí)用新型所述的發(fā)光二極管陣列4包含4個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)光二極管，波長(zhǎng)分別為660nm、760nm、 850nm和940nm。發(fā)光二極管陣列4和光電傳感器5沿人體血流方向布置，兩者中心距在1mm至200mm之間。

圖4是本實(shí)用新型所述的數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)的電路原理框圖。該數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)包括微處理器以及分別與微處理器相連的顯示單元和存儲(chǔ)單元；高頻電極3與被測(cè)部位(如手腕、大臂等)相接觸，將高頻激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路所產(chǎn)生的高頻激勵(lì)掃頻信號(hào)導(dǎo)入人體，高頻幅相檢測(cè)電路接收高頻激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)過(guò)被測(cè)人體部位后的反饋信號(hào)，并進(jìn)行處理后將兩路信號(hào)的幅值比和相位差傳輸?shù)轿⑻幚砥鳎罱K得到高頻阻抗譜Z_H；低頻電極1與被測(cè)部位(如手腕、大臂等)相接觸，將低頻激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路所產(chǎn)生的低頻激勵(lì)掃頻信號(hào)導(dǎo)入人體，低頻幅相檢測(cè)電路接收低頻激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)過(guò)被測(cè)人體部位后的反饋信號(hào)，并進(jìn)行處理后將兩路信號(hào)的的幅值比和相位差傳輸?shù)轿⑻幚砥?，最終得到低頻阻抗譜Z_L；所述的光電傳感器5所測(cè)得的反射光強(qiáng)信號(hào)A依次經(jīng)過(guò)一階放大濾波電路、積分電路、二階放大濾波后通過(guò)模擬采集的方式輸入到微處理器中；所述的發(fā)光二極管陣列4由發(fā)射器控制電路進(jìn)行控制，所述的微處理器通過(guò)控制線路與發(fā)射器控制電路相連接；所述的微處理器通過(guò)控制線路和電位器開(kāi)關(guān)電路與一階放大濾波電路相連接，并通過(guò)控制線路與二階放大濾波電路相連接。

該種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量原理如下：本實(shí)用新型分別采用基于高頻阻抗譜、低頻阻抗譜的原理和基于光學(xué)的原理進(jìn)行血糖測(cè)量，然后綜合考慮三種原理測(cè)得的血糖值得到最佳的血糖值融合結(jié)果。

其中，基于阻抗譜的測(cè)量原理認(rèn)為糖代謝過(guò)程中，組織液與細(xì)胞間的電解平衡被打破，從而細(xì)胞內(nèi)外的電解質(zhì)濃度發(fā)生改變，細(xì)胞膜的滲透特性也發(fā)生變化，表現(xiàn)為介電常數(shù)的改變，宏觀上體現(xiàn)為阻抗信息的變化。基于人體阻抗模型，較低頻的激勵(lì)狀態(tài)(小于100kHz) 下，電流無(wú)法穿過(guò)細(xì)胞膜，所得到得主要是組織液信息，同時(shí)此時(shí)因沒(méi)有射頻傳輸和高頻噪聲干擾、電極極化等問(wèn)題的影響而相對(duì)較為容易獲得較大范圍內(nèi)組織液的成分信息，能夠宏觀地表征代謝過(guò)程中組織液中血糖濃度的大幅波動(dòng)，本實(shí)用新型中的低頻阻抗測(cè)量正是基于此測(cè)量。所得的血糖波動(dòng)信息是從低頻阻抗譜Z_L中提取特征值并以一定算法處理來(lái)表征的。在較高頻的激勵(lì)下(大于10MHz)，電流穿透細(xì)胞膜，能夠得到組織液和細(xì)胞液的整體信息，能夠更靈敏且迅速地表征血糖濃度變化，但是高頻信息容易受到皮膚厚度和組織差異的影響，也會(huì)受組織液中其他波動(dòng)因素的影響，抗干擾能力差，很難單獨(dú)表征血糖值。本實(shí)用新型中采用從高頻阻抗譜Z_H中提取特征值并以一定算法處理表征。本實(shí)用新型還將低頻阻抗譜和高頻阻抗譜的信息結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)融合處理，以獲得高于兩者單獨(dú)測(cè)量效果的結(jié)果。

基于光學(xué)的測(cè)量原理認(rèn)為，特定波長(zhǎng)的光波透過(guò)人體組織時(shí)一部分能量會(huì)被人體組織吸收，吸收特性的不同反應(yīng)了人體血糖濃度的大小，通過(guò)測(cè)量反射光強(qiáng)可以對(duì)應(yīng)測(cè)得血糖值，該透射光強(qiáng)由光電傳感器5測(cè)量得到。

該種基于阻抗譜-光學(xué)方法的多傳感器無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)設(shè)備工作過(guò)程如下：

將本實(shí)用新型所述的檢測(cè)探頭使用腕帶固定于人體被測(cè)部位(如手腕、大臂等)時(shí)，多通道循環(huán)工作，溫濕度傳感器2、高頻電極3、低頻電極1、光電傳感器5分別采集對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)分成四路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)。

溫濕度傳感器測(cè)量的是人體被測(cè)部位溫度信號(hào)T和周?chē)鷿穸刃盘?hào)H，通過(guò)傳輸線依次經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入微處理器。

高頻電極3與被測(cè)部位(如手腕、大臂等)相接觸，將高頻激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路所產(chǎn)生的高頻激勵(lì)掃頻信號(hào)導(dǎo)入人體，高頻幅相檢測(cè)電路接收高頻激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)過(guò)被測(cè)人體部位后的反饋信號(hào)，并進(jìn)行處理后將兩路信號(hào)的幅值比和相位差傳輸?shù)轿⑻幚砥?，最終得到高頻阻抗譜 Z_H。

低頻電極1與被測(cè)部位(如手腕、大臂等)相接觸，將低頻激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路所產(chǎn)生的低頻激勵(lì)掃頻信號(hào)導(dǎo)入人體，低頻幅相檢測(cè)電路接收低頻激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)過(guò)被測(cè)人體部位后的反饋信號(hào)，并進(jìn)行處理后將兩路信號(hào)的的幅值比和相位差傳輸?shù)轿⑻幚砥?，最終得到低頻阻抗譜Z_L。

發(fā)光二極管陣列4發(fā)射的光波通過(guò)被測(cè)部位(如手指、耳朵等)后產(chǎn)生反射光譜信號(hào)A₁～A₄，由光電傳感器5接收，依次經(jīng)過(guò)一階放大濾波電路、積分電路以及二階放大濾波電路進(jìn)入微處理器。發(fā)光二極管陣列4的工作由發(fā)射器控制電路來(lái)控制，該發(fā)射器控制電路通過(guò)控制線路與微處理器相連接；一階放大濾波電路由電位器開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制，該電位器開(kāi)關(guān)電路通過(guò)控制線路與微處理器相連接；二階放大濾波電路則直接通過(guò)控制線路與微處理器相連接。這樣，發(fā)射器控制電路、一階放大濾波電路以及二階放大濾波電路都受到微處理器的控制。

在微處理器的參與和控制之下，所有信號(hào)都傳輸?shù)轿⑻幚砥髦校@些信號(hào)按照本實(shí)用新型的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到儀器所測(cè)量的血糖值大小。血糖值以及關(guān)鍵的中間數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸線路分別輸入到顯示單元和存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)功能。微處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心單元，有如下三個(gè)作用：一是采集所有數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算處理；二是產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)發(fā)射器控制電路、二階放大濾波電路和電位器開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制；三是將數(shù)據(jù)輸送到顯示單元和存儲(chǔ)單元，分別完成顯示和存儲(chǔ)。