基于近紅外透射法的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)研制

郭力+馮斌+葛松偉

摘 要：針對已有的近紅外無創(chuàng)血糖檢測設(shè)備昂貴、使用繁瑣等問題，設(shè)計(jì)了一種簡便的基于近紅外透射法的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)。采用波長為1310nm的光束作為參考光，波長為1550nm的光束作為測量光，整個(gè)光路采用光纖結(jié)構(gòu)。將無創(chuàng)測量系統(tǒng)測得光電信號幅值與有創(chuàng)測量的血糖值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到了信號幅值和血糖濃度之間的函數(shù)關(guān)系，利用Arduino單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)接口。該檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，測得值可有效反映血糖變化。

關(guān)鍵詞：血糖；無創(chuàng)檢測；近紅外；透射法

引言

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，對患者身體組織造成慢性損害。糖尿病患者需要頻繁測量血糖濃度，有時(shí)甚至一天多達(dá)三次。傳統(tǒng)測血糖的方法是抽取血液進(jìn)行化驗(yàn)，這種有創(chuàng)檢測給病人帶來了生理創(chuàng)傷和心理壓力。因此，研究一種無創(chuàng)的血糖檢測技術(shù)勢在必行。根據(jù)現(xiàn)有的科研成果，利用紅外光譜分析法測量血糖濃度的技術(shù)得到多方論證[1，2]。

利用近紅外光譜分析法進(jìn)行無創(chuàng)血糖檢測，大多需要光譜儀等昂貴的設(shè)備，檢測成本高，測量數(shù)據(jù)量大，且利用率較低。因此，本文在前人的研究的基礎(chǔ)上，通過對比各種測量方法，采用近紅外光透射法測量血糖濃度。該方法以兩種不同波長的紅外光為光源，兩種光通過光纖后照射組織，血糖分子對其中一種光有吸收作用，對另一種沒有吸收作用，前者可作為測量光，后者作為參考光，通過捕捉兩種光的信號強(qiáng)度并做數(shù)學(xué)分析，得到信號強(qiáng)度和血糖濃度的關(guān)系。該方法具有無創(chuàng)傷、成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 檢測原理分析

1.1光源波長選擇

由于水分子在1440-1470nm和1940-1970nm波段是強(qiáng)吸收區(qū)，因此選取的波長要避開這兩個(gè)波段，即在800-1400nm和1500-1900nm中選取。葡萄糖分子在1200-1400nm之間吸收較弱，在1500-1800nm之間吸收較強(qiáng)，綜合以上條件，應(yīng)該在1200-1400nm之間選擇參考光，在1500-1800nm之間選擇測量光[3]。本文選擇1310nm作為參考光，1550nm為測量光，從而實(shí)現(xiàn)近紅外無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)。

1.2 測量方式的選擇

根據(jù)探測器接收的散射光的不同，可分為透射測量法和漫反射測量法。透射測量法是將被測組織放在光源和檢測器之間，此時(shí)光在組織中傳播的光程較長，可以被血糖充分吸收，攜帶著較多的血糖信息，但到達(dá)探測器的光能量隨著被測組織厚度的增加而嚴(yán)重衰減，使得待測信號十分微弱，需要復(fù)雜的后續(xù)電路來處理。漫反射檢測法中，光源和探測器位于檢測部位的同一側(cè)，這種方法雖不受組織厚度差異的影響，但漫反射光本身能量很小，且探測器放置的位置稍有偏差就會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。

綜合比較兩種檢測方法可以看出，透射檢測法相對容易實(shí)現(xiàn)，本文將用該方法實(shí)現(xiàn)近紅外無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)。

1.3 檢測部位的選擇

由于手指、手掌、胳膊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有骨骼，阻擋了紅外光的透射，不適合作為透射法的檢測對象，所以本文選擇耳垂作為檢測部位。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、檢測電路和人機(jī)交互模塊三部分組成。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，以紅外激光二極管LD為光源，兩個(gè)LD光源分別發(fā)出1310nm和1550nm的紅外光，兩個(gè)自聚焦透鏡將LD發(fā)出的散射光聚焦為平行光，耦合到2X2光纖分路器。光經(jīng)過光纖分路器后被分成兩束能量相同的光，其中一束光透過被測組織后進(jìn)入傳導(dǎo)光纖，再照射到光電二極管上，另一束光則直接進(jìn)入傳到光纖，再照射在光電二極管上。

2.2 檢測電路設(shè)計(jì)

傳導(dǎo)光纖傳出的光照射在光電二極管上，光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，使用高精度I/V轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于光電二極管傳出的電流信號十分微弱，所以此時(shí)得到的電壓信號也十分微弱，后續(xù)電路再對微弱電壓信號進(jìn)行濾波和多級放大，最終輸出0-5V的電壓。

2.3 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

使用arduino開發(fā)板編寫程序，控制測量過程，并采集電路輸出的信號，將電信號轉(zhuǎn)化為直觀的血糖信息，通過LCD液晶屏顯示出來。

3 檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 搭建光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)圖1搭建光學(xué)系統(tǒng)，所需的器件有激光二極管LD、聚焦透鏡、2X2光纖分路器、傳導(dǎo)光纖和FC/PC光纖適配器。

1310nm和1550nm的紅外光由LD-1310s和LD-1550s的激光二極管產(chǎn)生。使用10mA的恒流源為其供電，LD達(dá)到峰值波長分別為1310nm和1550nm，發(fā)光功率均為1mW。

光纖分路器選用接口為FC/PC 的2X2單模雙窗光纖分路器。該光纖分路器傳播1310nm和1550nm的紅外光時(shí)，最大損耗為3.8dB。

傳導(dǎo)光纖使用鍍金管封裝的G-lens單模光纖準(zhǔn)直器，中心波長1260-1650nm，具有低插入損耗和高回波損耗，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 檢測電路的設(shè)計(jì)

檢測電路由光探測器、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路三部分組成。

光探測器使用銦鎵砷光電二極管KPDE030-46，靈敏度高，響應(yīng)度速度快，暗電流小，響應(yīng)波長為1310nm和1550nm，25℃下使用5V恒流源為其供電，響應(yīng)度為S=0.95A/W。

檢測電路選擇差分運(yùn)放電路，它具有高增益、高共模抑制比和高輸入阻抗的特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)需求。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

設(shè)某人某時(shí)刻用有創(chuàng)型血糖儀測得的血糖濃度為x，與此同時(shí)用本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)測得的信號強(qiáng)度為？駐U，如果血糖濃度x和信號強(qiáng)度？駐U存在線性關(guān)系，x=k·？駐U+b，則認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)可以反映血糖信息。

用有創(chuàng)血糖儀記錄某健康成年人飯前和飯后血糖濃度的變化，同時(shí)用本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)測量血糖信息，記錄數(shù)據(jù)如表1。

圖中各點(diǎn)近似分散在一條直線附近，根據(jù)最小二乘法原理，將x和？駐U的關(guān)系用直線擬合，擬合出的方程為：

從圖2可以看出，血糖濃度和信號強(qiáng)度之間呈近似線性關(guān)系。根據(jù)擬合得到計(jì)算公式（1），為Arduino單片機(jī)寫入程序，設(shè)計(jì)出人機(jī)交互模塊，最終得到的檢測系統(tǒng)實(shí)物照片如圖3所示。

5 結(jié)束語

近紅外無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)是近幾年的研究熱點(diǎn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，使用1310nm和1550nm的近紅外光作為檢測光源，使用光纖搭建光學(xué)系統(tǒng)，并制作出高精度的檢測電路，繼而通過Arduino單片機(jī)將電信號轉(zhuǎn)化為可視化的血糖信息，最終實(shí)現(xiàn)了近紅外無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)。該技術(shù)和傳統(tǒng)測血糖技術(shù)相比，具有無創(chuàng)傷、成本低、效率高、易于實(shí)現(xiàn)和方便操作的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉蓉，徐可欣，陳文亮，等.光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測中的主要問題及研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)G組，2007，37：124-131.

[2]陳玲玲.近紅外無創(chuàng)血糖濃度檢測技術(shù)的初步研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2010.

[3]盧啟鵬.近紅外光譜無創(chuàng)血糖檢測中的生理背景問題[J].光機(jī)電信息，2010，27（12）：44-48.