光电无创血糖检测仪的设计

光电无创血糖仪的 光电无创血糖检测仪的设计 虫垦激光医学杂志2010年6月第19卷第3期 ChinJLaserNedSurg,June2010,Vol19,No.3 光电无创血糖检测仪的设计 宋海飞王志鹏赵曾伟张新英毛海涛 由于糖尿病患者的胰腺不能正常分泌胰岛素,其血糖浓 度不能保持在正常水平,因此必需经常检测血糖浓度,准确 测量血糖浓度非常重要,过多或过少服用和注射胰岛素对患 者来说都是非常不利的.目前检测血糖的主要是从体 内抽血通过生物化学方法进行检测分析,频繁地采血耗费时 间,限制了血糖的检测频率,并存在感染的危险,影响了糖 尿病患者及时,快速的诊断治疗,同时又增加了患者的痛苦 和经济负担,研创人体血糖无创检测方法是当今研究的热点 之一[. 目前,无创血糖检测多采用的是红外光谱法,即利用傅 立叶红外光谱仪测得红外吸收光谱,然后对其进行光谱分 析.在许多研究者的努力下,红外光谱法检测血糖的精度不 断提高,其主要不足是其设备造价太高,检测手段繁琐,不便 中小型医院及普通家庭日常使用.基于上述考虑,笔者介绍 一 种简单方便的无创血糖检测仪. 无创检测的理论依据 光电无创血糖检测装置是以朗伯-比尔(Lambea—Beer) 定律为理论依据.由朗伯.比尔定律可知,在任一波长处 吸光强度为: A=lg(~/I)=KbC(1) 式中,A为任一波长处的吸光强度(吸光度),为入射光强 度,,为透射光强度,b为光程,c为样品浓度,K为吸光系 数. 由公式(1)可知,吸光强度和入射光,透射光之间的关 系.采用单波长红外光检测方法,通过检测入射光和透射光 的强度来分析血糖浓度.以葡萄糖的特征吸收波数1000/ em的光作为检测入射光.在波数1000/cm附近葡萄糖 有明显的特征吸收.此处测量人体血糖浓度,有较好的相关 性. 在实现无创血糖检测上,本文的设计采用了衰减全反射 技术.在衰减全反射晶体与人体皮肤的表面,入射光透射进 皮肤一定深度后,经过一定的吸收,反射回来,这样反射光便 携带了血糖浓度的信息. 透射光进人人体皮肤的深度,即穿透深度取决于入射光 作者单位:河南大学物理与电子学院(开封市,475004) ? 192? ? 创新医用仪器介绍? 的波长,衰减全反射晶体的折射率,人体皮肤的折射率和光 线在晶体界面的入射角.公式如下: (2) 当人射光波长一定,其他条件也不变时,穿透深度D为 一 定值,也即朗伯一比尔定律中的参数b光程为一定值.当采 用单色光检测时,吸光系数K为一定值. 于是根据公式(1)可得出,当K和b为定值,血糖浓度C 和fg(厶/,)成正比关系.因此可以通过检测入射光和反射 光的强度来间接得到血糖的浓度. 检测装置原理及其组装元件 检测装置见图1. 图1检测装置原理图 可调谐c0激光器发出的波数为1000/cm的单色光, 经过一反射率和透射率各为50%的分束器:一路光线直接通 过检测器测量得出入射光强度I.;另一路光线进入衰减全反 射(At~nuatedtamreflection,ATR)器件,在晶体与人体皮肤 紧密接触的表面发生衰减全反射,反射光进入检测器测得反 射光强度,.检测器将测得的光强,通过光电转化变为电信 号送入硬件电路系统,单片机对数据进行存储运算,最终得 到血糖浓度值,并利用LCD显示. 图1显示,光路部分主要包括激光光源,分束器和ATR 器件. 医学杂志2010年6月第19鲞箜塑!竺!垒曼坚:坚Q:!2:: 1.激光光源cO:激光器发出的光能量较高,可代替普 通的红外光源,从而提高检测精度.激光器的特征波数范围 约为(926,1087)×10/m,包括了葡萄糖的特征吸收波数 10/m,这说明用激光器完全可以取代红外光源. 本装置采用美国AccessLaser公司生产的LASY-4G光 栅调谐小功率激光器,此激光器克服了一般激光器长度过 长的缺点,并且在波长9.3,10.8Ixm之间可调谐. 2.分束器分束器是光路中的重要部件.本设计理想 的分束器要达到,反射光强与透射光强的比值为1:1,并且 与入射光入射到分束器表面的角度无关.分束器的精度也 直接关系到了该装置的检测精度.目前在测定红外光谱中 多采用KBr/Ge分束器,它的适用吸收波数为7×10,375× 10/cm. 3.ATR器件ATR器件是实现无创检测的关键部件. 在测量人体血糖浓度的时候,被检测者只需把手指放在ATR 晶体上面即可,无需取其血样.目前市场上销售的ATR器 件有很多种类,但其工作原理都是一样的.本设计采用 Nicolet公司提供的ATR器件,其内部光路示意如图2所示. …, 图2ATR器件光路示意图 此外,在光路中,还可以选用光阑来控制激光器发出的 单色光的光通量的大小.一方面,光通量不能太小,否则会 影响检测精度;另一方面,光通量不能太大.过大的激光能 量将有可能会伤害到人体皮肤. 检测装置的电路设计 电路设计见图3. 盥 片 机 图3电路板设计框图 两束光的光信号经检测器光电转换后,变为一小的电信 号,通过放大电路放大,然后经A/D转化后送人单片机,单 片机对输入的测量数据进行采集,存储,处理并显示. 单片机采用的是W77E58,为快速8051兼容微控制器, 指令执行速度是8051的1.5,3.0倍.它与标准8052 管脚及指令集上兼容,具有两个增强型的全双工串1:1,12个 中断源,32kB大容量FlashEPROM,1kB片上数据SRAM. 外部接口电路简单,响应速度快,精度高,采用l6位模数转 换芯片,更提高了系统的精度. 为了方便用户能够随时查看血糖变化情况,本设计具有 存储血糖值的功能,用户可以查询每次测量的历史值.本设 计可以存储100个历史数据,每个历史数据需要8B来保存, 数据包括血糖值和测试日期等. 软件程序包括主程序和多个子程序,子程序包括数据采 集和处理子程序,按键和显示器驱动子程序,时钟设置和读 取子程序等.主程序流程见图4. 图4主程序流程图 实测结果与分析 为了验证仪器测量的准确性,分别用本设计,WQF一200 傅里叶红外光谱仪和日立7180全自动生化分析仪对人体两 次进餐之间的不同时刻进行测量,并将测量结果进行对比 (见图5,图6). 本设计与生化仪的相关系数r=0.94642,线性回归方 程为Y=0.90074x+0.86911(见图5),傅里叶光谱仪与生化 仪的相关系数r=0.95899,线性回归方程为Y=0.90074x+ 0.86911(见图6).由此可得出两点结论:(1)本设计与生化 仪相关性密切,可以作为一种无创血糖检测方法;二,本设计 与傅里叶光谱仪的检测精度基本一致,可以代替傅里叶光谱 仪进行无创检测. ? 193? 生国激光医学杂志2010年6月第19卷第3期 ChinJLaserMedSurg,June2010.Vol19.N0.3 '5采05.5矗06.57.07.58.0 垒自动生化仪(~ol/L) 图5无创血糖检测仪与全自动生化仪测量结果的相关性 结语 本光电式无创血糖检测仪,基于可调谐激光器单色性 好,强度高的特点,利用人体血糖特征吸收峰处的单色光进 行检测.为提高预测精度,消除血液中其它成分干扰,采用 偏最小二乘法对多波长进行分析,从复杂的光谱中提取出了 有效化学信息,通过计算分析得到主变量的特征峰及化学信 息,然后利用本设计进行初步检测,得到了葡萄糖浓度的有 效信息.目前,此项工作尚有一些不足之处,有待进一步改 进:首先,完善改进设计,进一步提高检测精度;其次,鉴于单 片机强大的扩展功能,开发血糖检测仪的一些扩展功能,比 如扩展人体血糖值超标提示报警系统等. 参考文献 [1]张洪艳,张来明,陈月,等.近红外漫反射光谱在人体血 ? 194? 垒自动生纯仪(tool/L) 图6傅里叶红外光谱仪与全自动生化仪 测量结果的相关性 糖无创检测中的应用[J].激光与红外,2005,35:96-99. [2]李昌厚.原子吸收分光光度计仪器与应用[M].北京:科 学出版社,2006:21-23. [3]张兰,张清悦,南群,等.中红外光谱法在无创血糖检测 技术中的应用[J].光学与光电技术,2008,6:81-83. [4]翁诗甫.傅里叶变换红外光谱仪[M].北京:化学工业出 版社,2005:180—182. [5]汪日燕,李宁.提高中红外光谱法检测血糖精度的途径 [J].生物医学学杂志,2006,23:688~91. [6]Kaiser0.MethodforDeterminingtheContentsofMetabolic ProductsintheBlood[P].UnitedStatesPatent4169676, 1979.10-2. [7]赵丽,壮凌,张春林,等.一种新型的智能激光功率计 [J].激光与红外,2006,36:858-860. (收稿日期:2009-06-19)