一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]糖尿病是一種影響全球數(shù)百萬人的疾病，而且發(fā)病率還在日益上升。糖尿病患者需要通過頻繁注射胰島素來控制他們的血糖水平，而胰島素的注射量是通過每天多次進(jìn)行血液采樣來決定的。這種有創(chuàng)檢測方法通常利用一些化學(xué)添加試劑與血糖發(fā)生化學(xué)作用生成一些化學(xué)成分，而檢測這些成分比直接測量葡萄糖更加容易，比如可以測量顏色的變化或氧化電流的大小。然而，有創(chuàng)檢測不僅給患者帶來了相當(dāng)大的痛苦，還有可能帶來一些并發(fā)癥。
[0003]近年來經(jīng)過大量的研究和嘗試，無創(chuàng)血糖濃度檢測的方法已經(jīng)逐步發(fā)展起來。這些無創(chuàng)檢測方法不需要進(jìn)行血液采樣，不會(huì)給人體造成任何創(chuàng)傷。大部分的無創(chuàng)血糖檢測方法是基于光譜技術(shù)的，主要采用近紅外或中紅外波段葡萄糖的吸收光譜作為檢測方法。葡萄糖分子在1.59nm, 2.12nm, 2.27nm, 2.32nm波長附近以及在9-10 μ m波段范圍內(nèi)有吸收峰值。直接吸收光譜法或基于倏逝場效應(yīng)的吸收光譜法(利用可移植的傳感器)，光聲光譜法以及拉曼光譜法已經(jīng)成功應(yīng)用于無創(chuàng)血糖濃度的檢測。
[0004]利用光譜學(xué)方法對(duì)人體組織的血糖進(jìn)行無創(chuàng)檢測仍然面臨著一些主要的挑戰(zhàn)。一方面，生物組織中除了血糖外還含有很多的其它生理成分(例如水，蛋白質(zhì)，脂肪等)。這些成分通常有更加顯著的光的吸收特性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葡萄糖對(duì)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范圍內(nèi)。
[0005]眾所周知，氣體具有較窄的吸收譜線。當(dāng)對(duì)微弱氣體信號(hào)進(jìn)行檢測時(shí)，通常采用波長或頻率調(diào)制技術(shù)對(duì)具有窄帶發(fā)射譜線的激光進(jìn)行調(diào)制，探測氣體吸收線上斜率急劇變化的信號(hào)。一般來講，調(diào)制振幅的大小為信號(hào)半高寬數(shù)量級(jí)或更小。隨后利用鎖相技術(shù)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行靈敏的頻率或相位鎖定探測，可以得到導(dǎo)數(shù)光譜信號(hào)。由于系統(tǒng)ι/f噪聲的影響，將信號(hào)從基態(tài)移動(dòng)到高頻進(jìn)行探測，這樣可以極大的減小噪聲，提高信噪比。散射介質(zhì)中的吸收光譜技術(shù)(gas in scattering media absorpt1n spectroscopy, GASMAS)主要用于研究散射介質(zhì)(包括水果，藥片，陶瓷，人體組織腔體等)的氣孔或腔體內(nèi)分布的氣體。固體介質(zhì)具有較強(qiáng)的寬吸收譜，而分布在固體中的氣體具有微弱的窄吸收信號(hào)。因此，鎖相技術(shù)可以被用來有效地把氣體吸收信號(hào)從固體吸收譜中隔離出來。
[0006]與此相反，從較強(qiáng)的寬吸收譜的背景信號(hào)中隔離出較弱的寬吸收譜的目標(biāo)信號(hào)，這正是組織中血糖濃度的光譜檢測所要面臨的問題。此時(shí)，常用的光譜調(diào)制技術(shù)不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)與方法。
[0008]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)，包括光源1、電源2、壓力調(diào)制器6、多個(gè)探測器8以及電腦9 ;所述光源1經(jīng)由電源2控制產(chǎn)生所需波段的光，所產(chǎn)生的光傳輸?shù)饺梭w組織4，所述壓力調(diào)制器6對(duì)人體組織4進(jìn)行周期性的按壓，從人體組織4中反射的光傳輸?shù)蕉鄠€(gè)探測器8，其中光的入射位置和多個(gè)探測器8的探測位置之間有一距離，多個(gè)探測器8將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦9進(jìn)行處理從而提取出葡萄糖的光譜信息以及濃度信息。
[0009]所述探測器8數(shù)量為1個(gè)時(shí)，系統(tǒng)中還包括一集成光纖探頭5，所述集成光纖探頭5由入射光纖3和多根環(huán)形排列的收集光纖7構(gòu)成，所述入射光纖3和光源2連接，光通過入射光纖到達(dá)人體組織，所述收集光纖7和探測器8連接，所述收集光纖收集從人體組織反射后的光后傳輸給探測器8。
[0010]所述光的入射位置與探測位置之間的距離在0.5mm-10mm之間。入射位置為從光源發(fā)出的光到達(dá)人體組織上的位置，或入射光纖末端在人體組織上的所對(duì)應(yīng)的位置；探測位置為在人體組織上與入射點(diǎn)相隔一定距離的位置，從該部分反射或散射回來的光被探測器接收，或收集光纖末端所在組織上所對(duì)應(yīng)的位置。
[0011]所述光源1的光波段為650nm-2500nm。選擇合適的波長用于葡萄糖的測量，其中包括標(biāo)準(zhǔn)脈搏血氧儀所采用的兩種波長^60nm和910nm)。利用常用脈搏血氧儀所使用的波長可以估計(jì)氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的含量，進(jìn)而精確地消除血氧變化所造成的影響。這不僅使得血糖傳感器更加靈敏，而且使得血糖的測量更具有針對(duì)性。利用兩種波長測量血氧，隨后將測量結(jié)果輸入到用于估計(jì)葡萄糖濃度的算法中。相對(duì)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為發(fā)光二極管、二極管激光器、或鹵鎢燈與帶通濾波片的組合。
[0013]所述對(duì)人體組織4進(jìn)行的周期性的按壓通過將電動(dòng)馬達(dá)或磁性器件安裝到手指夾或耳垂夾或一能夠作用于身體其他柔軟部分的設(shè)備之上實(shí)現(xiàn)。
[0014]所述檢測系統(tǒng)還包括一可移植的胰島素注射裝置，所述胰島素注射裝置根據(jù)測量出的葡萄糖濃度指令釋放適量的胰島素。而且該注射裝置中可以存放足量的胰島素進(jìn)行使用。
[0015]本發(fā)明的另一目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測方法，利用光源產(chǎn)生的光探測人體組織的反射光譜，通過周期性的壓縮人體組織來消除背景光譜信號(hào)，并在壓縮/心跳暫停期間和非壓縮/心跳期間對(duì)反射光譜間歇性地進(jìn)行記錄，將所述記錄依次進(jìn)行求平均值、差分和比例的計(jì)算，使得測量的光譜不再取決于入射光強(qiáng)度的變化，最后再使用標(biāo)準(zhǔn)擬合方法或多變量分析方法進(jìn)行分析并提取出葡萄糖的光譜信息。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0017]1、本發(fā)明通過周期性壓縮人體組織的方法使葡萄糖的吸收信號(hào)得到極大的增強(qiáng)，這使得葡萄糖的檢測更可靠并且可以進(jìn)行重復(fù)測量。
[0018]2、本發(fā)明的光源所選擇的光波長可以估計(jì)氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的含量，進(jìn)而精確地消除血氧變化所造成的影響。這不僅使得血糖傳感器更加靈敏，而且使得血糖的測量更具有針對(duì)性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所述的基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)的示意圖；
[0020]圖2為圖1所述系統(tǒng)的光纖探頭結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中基于多個(gè)探測器的探測裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的手指夾傳感器示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中組織的液態(tài)組分和非液態(tài)組分所產(chǎn)生的吸收光譜圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中提取出來的葡萄糖的吸收光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0026]一種基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)，如圖1所示包括光源1、電源2、入射光纖3、集成光纖探頭5、壓力調(diào)制器6、收集光纖7、探測器8以及電腦9，所述光源1經(jīng)由電源2控制產(chǎn)生所需波段的光，所產(chǎn)生的光通過入射光纖3傳輸?shù)竭_(dá)人體組織4，所述壓力調(diào)制器6控制集成光纖探頭5對(duì)人體組織4進(jìn)行周期性的按壓，光從人體組織4中反射后被集成光纖探頭5接收并由收集光纖7傳輸?shù)教綔y器8，探測器8將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦9進(jìn)行處理從而提取出葡萄糖的光譜信息以及濃度信息。
[0027]所述光源1的光波段為650nm-2500nm。選擇合適的波長用于葡萄糖的測量，其中包括標(biāo)準(zhǔn)脈搏血氧儀所采用的兩種波長。利用常用脈搏血氧儀所使用的波長可以估計(jì)氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的含量，進(jìn)而精確地消除血氧變化所造成的影響。這不僅使得血糖傳感器更加靈敏，而且使得血糖的測量更具有針對(duì)性。利用兩種波長測量血氧，隨后將測量結(jié)果輸入到用于估計(jì)葡萄糖濃度的算法中。相對(duì)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為發(fā)光二極管、二極管激光器、或鹵鎢燈與帶通濾波片的組合。用于檢測葡萄糖濃度的周期性調(diào)制信號(hào)，可以通過類似于脈搏血氧儀所使用的方法進(jìn)行估計(jì)。
[0029]所述集成光纖探頭5的入射位置與探測位置之間有一距離。基于壓力調(diào)制光譜技術(shù)的無創(chuàng)葡萄糖檢測系統(tǒng)，有兩種探測方式。方式一是采用一個(gè)集成光纖探頭，該探頭由一根入射光纖和多根環(huán)形排列的收集光纖構(gòu)成。入射光纖和光源連接，收集光纖和一個(gè)探測器連接。另一種探測方式是采用一個(gè)集成探測裝置，該裝置包括一個(gè)光源和多個(gè)探測器，其中探測器在光源周圍呈環(huán)形方式排列。這兩種方式的共同點(diǎn)都采用后向散射探測方式，并且光的入射位置和探測位置間有一距離。入射位置為從光源發(fā)出的光到達(dá)人體組織上的位置，或入射光纖末端在人體組織上的所對(duì)應(yīng)的位置；探測位置為在人體組織上與入射點(diǎn)相隔一定距離的位置，從該部分反射或散射回來的光被探測器接收，或收集光纖末端所在組織上所對(duì)應(yīng)的位置。
[0030]所述探測器8數(shù)量為1個(gè)時(shí)，系統(tǒng)中還包括一集成光纖探頭5，所述集成光纖探頭5由入射光纖3和多根環(huán)形排列的收集光纖7構(gòu)成，入射光纖3和光源2連接，收集光纖7和探測器8連接。
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