（测试计量技术及仪器专业论文）便携式全光纤激光无创血糖检测仪的研制.pdf

中文摘要 糖尿病及其并发症己成为严重威胁人类健康甚至生命安全的全球性疾病。在 糖尿病的治疗中，血糖的连续检测对指导临床合理用药、减少并发症的发生具有 重要作用。而血糖浓度无创伤检测技术具有无痛苦、无感染危险等优点，对于减 轻糖尿病患者的测量痛苦、实现血糖浓度的实时监测，具有非常重要的现实意义。 本文以近红外漫反射检测原理为基础，研制了一个便携式全光纤激光无创血 糖检测系统： ( 1 ) 系统电路选用5 1 系列单片机c 8 0 5 1 f 0 0 5 为控制核心，并提供数据存储 空间。采用分布反馈式激光二极管( d f bl d ) 作为光源，并设计了l d 驱动电路 和制冷器驱动电路。利用i n g a a s p i n 光电二极管来检测微弱的漫反射光信号， 并设计了高精度的a d 采样电路。通过人机接口( 包括液晶和键盘) 的硬件设 计，来提供系统的操作和显示途径。 ( 2 ) 系统光路采用全光纤结构，利用光纤耦合器和光纤适配器来连接各个光 学组件。设计了一个光纤测头来直接作用于测量部位；并对入射光进行准直、对 漫反射光进行耦合，以提高测量精度。 进行血糖检测前，先利用有创检测血糖浓度值和近红外漫反射光谱数据进行 数据建模：检测时，利用所建模型，通过测得的光谱数据得到预测血糖浓度值。 本系统以便携式、小型化为特点，可随时随地进行测量和数据采集，具体的 优点包括：激光二极管为光源，满足小型化的同时，提高了入射光功率，减小了 入射光束的大小，有利于提高测量的信噪比；系统采用全光纤结构，光路系统简 单轻便，光纤测头可方便的作用于测量部位，操作简便；系统可同时存储多用户 信息，通过人机界面可以方便的进行用户的新建和管理。 关键词：近红外光谱，无创血糖检测，半导体激光器，全光纤光路，手持式 a b s t r a c t d i a b e t e sa n dl t sc o m p l i c a t i o n sh a v eb e e nam a j o rt h r e a tt ot h eh e a l t ha n de v e n l i f eo fh u m a nb e i n g s d u r i n gt h et r e a t m e n to fd i a b e t e s ，i t si m p o r t a n tt om e a s u r et h e g l u c o s e - c o n c e n t r a t i o nc o n t i n u o u s l y t oi n s t r u c tc l i n i c a l a p p l i c a t i o no fm e d i c i n e r e a s o n a b l ya n dt or e d u c et h er i s ko fc o m p l i c a t i o n s t h en o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s e d e t e c t i n gt e c h n i q u e ，w i t hi t sa d v a n t a g e so ff r e ef r o mp a i na n dn or i s ko fi n f e c t i o n ，i s s i g n i f i c a n tt or e d u c et h es u f f e r i n go ft h ep a t i e n t s ，t h u st or e a l i z et h er e a lt i m e g l u c o s e c o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , w ed e v e l o pap o r t a b l en o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s em e t e rb a s e do n n e a ri n f r a r e dd i f f u s es p e c t r o s c o p y ( 1 ) t h ec 8 0 5 1f 0 0 5o f51s e r i e si st h ec o n t r o l l i n gc e n t r eo ft h ec i r c u i ta n d s u p p l y st h ed a t am e m o r ya tt h es a m et i m e w ea d o p td f bl d sa st h el i g h ts o u r c ef o r w h i c hw ed e s i g nt h el d d r i v e r sa n dc o o l e r - d r i v e r s p d so fi n g a a sp i ns e r i e s ，f o r w h i c hw ed e s i g nt h er e l a t i v ea ds a m p l i n gm o d u l e ，d e t e c tt h en e a ri n f r a r e dd i f f u s e s p e c t r u m a n dt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c es u p p l y st h ew a yt oo p e r a t et h em e t e ra n d d i s p l a yt h eo u t c o m e s ( 2 ) t h eo p t i cs y s t e mi sa l l - f i b e ra n da l lt h eo p t i c a lu n i t sa r ec o n n e c t e db yt h e f i b e rc o u p l ea n df i b e ra d a p t e r s w ed e s i g naf i b e rp r o b et oa p p l yt ot h et e s t i n gs i t e t h ep r o b ec o l l i m a t e st h ei n c i d e n tl i g h ta n dc o u p l e st h ed i f f u s es p e c t r u mt oi m p r o v e t h es n ro ft h es y s t e m w h e nc o m i n gt og l u c o s e c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t , i tf i r s t l yb u i l d sam o d e l w i t ht h eg l u c o s e - c o n c e n t r a t i o nd e t e c t e di ni n v a s i v ew a ya n dt h er e c e i v e d n e a ri n f r a r e d d i f f u s es p e c t r u mo ft h et i s s u e t h e ni tc a l c u l a t e st h eg l u c o s e c o n c e n t r a t i o nw i t ht h e n e a ri n f r a r e dd i f f u s es p e c t r u ml a t t e r l yd e t e c t e db a s i n go nt h em o d e l t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db ym i n i a t u r i z a t i o na n dp o r t a b i l i t y i tc a nc a r l yo u t t h em e a s u r e m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o na n yt i m ea n yw h e r e t h em e r i t so ft h em e t e ra s f o l l o w s ：t h ea p p l i c a t i o no fl d sa si t s l i g h ts o u r c e ，w h i c hm e e t st h ed e m a n do f p o r t a b i l i t y , g r e a t l yi n c r e a s e st h ep o w e ro ft h ei n c i d e n tl i g h ta n dr e d u c e st h es i z eo ft h e b e a m ，t h u st oi m p r o v et h es n ro ft h es y s t e mt h ea l l - f i b e ro p t i cs y s t e mi ss i m p l ea n d p o r t a b l e t h eo p t i c a lf i b e rp r o b ei sf r e et oa p p l yt ot h ep r o p e rt e s t i n gs i t e a n dw i t h t h em a i l - m a c h i n ei n t e r f a c e ，i t se a s yt oo p e r a t et h es y s t e ma n dm a n a g et h ei n f o r m a t i o n o fu s e r s k e yw o r d s ：n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s e m e a s u r e m e n t ，l a s e rd i o d e ，a 1 1 f i b e r ，p o r t a b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耍值 签字日期： 。7 年 侈月厂7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 多俚 导师签名： 专扔疋 签字日期：2 j ，7 年 6 月7 7 日签字日期：沙。7 年 6 月玩 天津大学硕：l 二学位论文第一章绪论 1 1 糖尿病及其危害 第一章绪论 糖尿病是由于体内胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或内分泌疾病。糖尿病 的病症最初为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，易引起糖尿病 酮症、心脑血管病变、肾病、眼病、肢端坏疽和感染等严重并发症。糖尿病已经 成为危害世界人类健康并导致死亡的最主要的疾病。 随着人口老龄化的趋势及人们饮食结构的变化，全世界糖尿病患者的数量正 逐年增加。据报道，1 9 9 7 年全世界的糖尿病患者超过1 2 亿，到2 0 1 0 年将会增 长到2 2 亿以上。根据2 0 0 2 年的世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 的预测，到2 0 2 5 年全世界的糖尿病患者将达到3 0 亿【l 】目前，在发达国家，如 美国，据报道现已有2 0 0 0 万以上的糖尿病患者，在日本也已有6 9 0 万的糖尿病 患者。我国的糖尿病患者近年也在迅速增加，据沈阳和北京两地统计，仅1 9 8 0 年至1 9 8 9 年十年间，患病率就已从1 2 1 上升到2 3 5 - 2 9 3 ，粗略估计目前全 国已超过5 0 0 0 万人。根据w h o 在日内瓦发布的公告【2 j ，2 0 0 0 年全球死于糖尿病 的有4 4 0 万人，仅印度、中国就达1 0 0 万。如此庞大的糖尿病人群不仅给患者及 其家庭带来了痛苦，而且也给国家和社会带来了沉重的负担，因此预防和治疗糖 尿病具有十分重要的意义。 由于受到现代医学发展水平的限制，现在还没彻底根治糖尿病的方法。目前 用于治疗糖尿病的方法，主要是通过对血糖浓度值的频繁检测和相应量胰岛素的 注射来紧密控制血糖浓度，同时配合以相应的饮食和生活规律控制，以有效延缓 病情和减少并发症的发生。因此，准确、及时的了解患者的血糖浓度水平，便成 为治疗糖尿病的一个非常重要的环节。 1 2 血糖常规检测方法 血糖检测的常规方法包括：抽静脉血检测、快速血糖测定仪检测、血糖试纸 比色检测等。 ( 1 ) 抽取静脉血血糖检测：该方法只能在医院或门诊部进行，测量需血量 较大，约为2 - - - 3 m l ，且检测时间较长，不适合经常性血糖检测和自我血糖监测。 天津大学硕：l ：学位论文 第一章绪论 7 ( 2 ) 快速血糖测定仪血糖检测：快速血糖仪具有体积小、易携带、操作简 便、快速检测等优点，患者可随时随地检测自己的血糖浓度水平，以及时了解自 己的病情。其测量血样为全血，通常采用针刺法从指尖取血0 1 1 0 9 ，由血糖仪 上的一次性试纸条通过虹吸作用吸入血样，短时间内显示出测量结果。 ( 3 ) 血糖试纸比色法血糖检测：该方法不需要检测仪就可测定血糖浓度， 但是一种半定量测试方法，只能粗略估算检测结果。目前，随着快速血糖测定仪 的出现，这种血糖测定方法已渐被淘汰。 血糖的常规检测属于有创检测，因此每测得一个血糖值，必须进行一次采血 并消耗一份试药，测量手续繁杂、费用高，并且抽血会造成疼痛，并有感染的危 险。常规检测的不足限制了测定血糖的频率，直接影响药物剂量的精确服用。根 据世界卫生组织介绍，理论上糖尿病患者每天至少检测4 次血糖水平，而根据统 计结果表明目前患者实际检测次数不足每日一次。鉴于有创检测的诸多不足，急 需开发无创血糖检测系统，来适应患者检测频度的需要。 1 3 无创血糖浓度检测方法概述 无创血糖检测是国内外研究的热点，同有创检测方法相比，有以下优点： ( 1 ) 可以避免患者经常刺破组织进行采血的痛苦，提高患者的生存质量。 ( 2 ) 大大提高了血糖检测的频度，从而实现几乎是连续的血糖控制，有效降低 血糖病患者长期并发症的危险性。 ( 3 ) 无创检测摈弃了一次性血糖试纸，使检测血糖的费用大为降低，同时也避 免了因采血而引发的交叉感染和环境污染。 血糖浓度无创伤测量的方法有很多，包括阻抗法【3 1 、电化学方法【4 1 、微波技 术【5 卅、光学方、法【7 。2 3 1 等等。相对于其它方法，光学方法具有快速、无创伤、信息 多维化等特点，成为了目前无创伤血糖测量的主要手段。以下简述常见的光学无 创血糖测量方法： ( 1 ) 近红外光谱法 近红外光对于体液和软组织具有很好的穿透性，是较为理想的检测光谱段。 而随着计算机技术和化学计量理论的发展，近红外光谱定量分析的灵敏度、准确 性和可靠性都有较大提高，并被迅速应用于无试剂医学检验。 根据光源以及接收方式的不同可以分为漫反射测量、漫透射测量。在漫反射 测量技术中，用一窄束光照射到人体的某个部位，并从距光照点一定距离的一点 或多点测量漫反射光强。漫反射射光很弱，要获得高质量的漫反射谱，需要高输 天津大学硕：i ：学位论文第一章绪论 出光强的红外光源和灵敏度较高的检测器，现有的光学技术已经能够满足这一需 求。在漫透射测量中，光源与检测器分别置于被测部位的两侧，该方法对于检测 器和光谱仪的要求与漫反射测量相同，但测量部位仅限于耳垂、指尖等较薄部位。 ( 2 ) 中红外光谱法 血糖的无创伤测量通常都是经皮测量的，而皮肤中含有6 0 以上的水分， 且水在中红外的强烈吸收，使得中红外在血糖的无创伤测量中受到了很大的限 制。通常只有在血液的分析中，采用a t r ( a t t e n u a t i o nt o t a lr e f l e c t a n c e ) 方法时 才能采用中红外光谱法。因此，中红外光谱法并不适合于无创伤的检测。 ( 3 ) 喇曼散射光谱法 喇曼散射光谱是利用激光照射在样品后产生的非弹性散射，散射后光的频率 产生频移来实现测量的。当一束光入射到分子上时，除了产生与入射光频率y 。相 同的散射光以外，还有频率为+ y 和y 。一a v 的散射光，这种光散射现象被 称为喇曼效应。在理想条件下，喇曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓 度成正比例关系，因而可以利用喇曼谱线来进行血糖定量分析。 ( 4 ) o c t 方法 o c t 方法是利用由于葡萄糖浓度改变将引起真皮层的衰减系数的变化，从 而反映到o c t 信号则表现为在真皮层所对应的信号斜率变化。每1 0 m g d l 的糖 浓度变化将引起o c t 信号的斜率改变2 8 。由于采用相干测量方式，能很好的 保证背向散射光子来自特定的深度，而不会受到其它层光子的干扰，因此血糖浓 度与o c t 信号的斜率具有很好的相关性。 在众多光学无创检测方法中，最有代表性的是近红外光谱法，并且已有很多 学者做出了积极的探索【2 牝6 1 。近红外光谱法是通过化学计量理论对样品光谱和成 分浓度进行关联，建立矫正模型，然后通过矫正模型和未知浓度的样品的光谱信 息来预测样品的组成【2 7 】。 1 4 本论文的主要内容及结构安排 1 4 1 主要内容 本文基于近红外漫反射检测原理，研制了一个手持式全光纤激光无创血糖 检测系统。具体的工作包括： 1 测量波长的选定和激光二极管光源的选型。 2 光纤测头的设计，对入射光加以准直，对漫反射光加以耦合。 3 设计稳定的激光二极管驱动和温控电路 天津大学硕士学位论文第一章绪论 4 设计光电检测器a d 转换电路 5 人机接口的硬件设计 6 系统的软件设计 1 4 2 结构安排 本文首先介绍了近红外漫反射血糖检测的相关理论和方法，为血糖检测系统 的设计提供理论依据；然后介绍了测量波长、测试部位、入射点与出射点间距等 系统设计；再对具体的光路和电路设计作了详细的说明；对系统进行了调试，并 通过实验对系统的稳定性作了分析；最后分析了系统的优点和不足，并提出了进 一步的改进措施。文章的具体结构安排如下： 第一章为绪论 阐述了糖尿病的危害以及常规的检测方法；介绍了无创伤测量的方法和意 义；最后提出了本论文的主要内容及结构安排。 第二章为近红外漫反射血糖检测相关理论的介绍 简要介绍了近红外光谱测量的常用理论、方法，以及近红外漫反射无创血糖 检测的工作原理，为系统的设计提供理论依据。 第三章为系统总体设计 介绍了系统的总体框架，并根据近红外皮肤漫反射血糖检测原理，分析了测 量波长的选择、漫反射光接收点位置的确定、数据处理与建模方法等。 第四章为硬件设计 先叙述了系统光路设计，具体包括：分布反馈式半导体激光器的原理和光源 的选用；p i n 光电检测器的原理和具体器件的选用；光纤测头的设计。然后详细 介绍了激光器驱动模块、激光器温控模块、检测器的a d 转换模块和人机接口 等电路设计。 第五章为软件设计 先介绍了光谱仪的主程序流程，然后分别详细介绍了用户模型、血糖预测液 晶显示和键盘扫描等子程序设计。 第六章为系统测试 对l d 控制电路进行了调试，并通过实验对系统的稳定性作了分析。 第七章为总结与展望。 总结全文的主要内容；分析了本系统的优点和不足，并提出系统改进和提高 的具体方案和下一步的工作计划。 天津大学硕士学位论文第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 本章将简要介绍近红外光谱测量的常用理论、方法，以及近红外漫反射无创 血糖检测的工作原理，为系统的设计提供理论依据。 2 1 近红外光谱分析 2 1 1 近红外光谱 近红外光州e a ri n f r a r e d , n i r ) 是指可见光谱区到中红外光谱区之问的电磁 波，a s t m 将近红外光谱区的范围定义为7 8 0 2 5 2 6 n m ( 1 2 8 2 0 3 9 5 9 c m 1 ) ， - 3 惯上又 划分为短波( 7 8 0 1 0 0 0m ) 和长波( 11 0 0 2 5 2 6n m ) 两个区埘2 引。近红外光谱信息来 源于分子内部振动的倍频与合频，并且主要反映分子中c h ，n h 与o h 基团的倍 频和合频振动吸收，因此常用于含有这些基团的有机物的测定。其中c h 、c = o 、 o h 等含氢基团的倍频和合频吸收带【2 9 】如表2 1 所示。 表2 1 c h 、o h 、c = o 键在有机化合物中的谱带近似位置 c ho hc = o 合频( n n l )2 3 0 02 3 0 0 2 6 1 5 3 - 3 5 4 8 6 一倍频( n m ) 1 6 9 0 - l 7 5 51 4 9 9 9 2 0 0 01 7 6 0 6 - 2 4 7 3 3 二倍频( 砌)1 1 2 7 - 1 1 7 01 0 0 9 7 - 1 5 3 3 31 3 3 3 3 1 9 3 5 6 = 倍j 葡( n m )9 3 47 6 4 7 1 2 0 07 8 5 2 1 2 近红外光谱分析技术 近红外光谱分析技术是利用样品组分的近红外光谱吸收特性进行定性定量 分析的技术。近红外光谱分析必须依靠现代化学计量学方法和计算机技术，利用 标准被测样品近红外光谱的多波长信息，建立样品光谱和被测量问的校正模型， 然后通过校正模型实现对未知样品性质的定量或定性分析，具体过程如图2 1 所示。 天津大学硕士学位论文第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 校正过程 预测过程 图2 1 近红外光谱的分析过程 校正模型是用来关联光谱信息及性质的计算式。常用的关联方法有偏最小 二乘法【3 m 3 1 1 ，多元线性回归，主成分分析及它们的组合。其中偏最小二乘回归方 法是近红外光谱分析中使用较多、效果较好的一种多变量校正方法。它主要是进 行成分提取，即对变量系统中的信息重新进行综合筛选，从中选取若干个对系统 具有最佳解释能力的新综合变量( 成分) ，用它们进行回归建模。通过对变量进 行综合，将克服多重相关性造成的信息重叠；通过对变量系统中的信息进行筛选， 将有效地区分系统的信息和噪声，提高系统模型的准确性。 在进行模型计算前，光谱数据需要进行预处理。受样品本身、近红外光谱仪 器以及测量环境等因素的影响，用n i r 光谱仪测得的原始光谱数据中除了包含与 样品组成有关的信息外，还会含有各种噪声。为了消除或减少噪声干扰，使所获 得的样本光谱尽量真实反映样本含氢基团的组成信息，必须对这些原始数据进行 预处理。预处理后的光谱数据具有较高的信噪比，可以用于建立定性和定量校正 模型。 2 1 3 近红外漫反射血糖检测 近红外血糖检测根据所接受的散射光的不同可以分为漫反射测量、漫透射测 量，如图2 2 所示。 透射法测量接收组织的透射光，检测器和光源分别位于被测部位的两侧，光 在组织中传输的光程较长，光的衰减程度十分严重，导致测量光的信噪比较低， 严重影响测量精度。此外，光程长与组织厚度相关，测量受到人体组织厚度差异 的影响很大。 漫反射法测量接收组织的漫反射光，检测器位于与光源同侧的被测部位，接 天津大学硕士学位论文第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 收携带血糖浓度信息的漫反射光，其有效光程长与径向检测距离相关，不受整个 组织厚度差异的影响。 入射光 图2 - 2 两种不同的近红外血糖检测方法 2 1 4 近红外光谱分析的优点 近红外波段的吸收特性决定了近红外光谱分析方法具有如下显著的应用优 点： ( 1 ) 分析对象广泛 近红外光谱几乎可用于所有与含氢基团有关的样品物化性质分析，不仅能反 映绝大多数有机化合物的组成和结构信息，对某些无近红外吸收的物质( 如某些 无机离子化合物) ，也可通过它对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接 地反映它存在的信息。 ( 1 ) 吸收强度低，穿透深度大 近红外分析可采用透射、散射、漫反射等光学检测原理，对分析样品的外观 宽容度大，样品可为清澈的气态、液态及各种不规则形状( 颗粒状、粉末状、糊 状、不透明) 的固态等，具有能反映样品综合质量状况的特点，可通过建立标准 光谱图库，对样品进行一次性质量评价，大大提高了分析效率、节省了分析时间 和费用。 ( 3 ) 分析快速简便 样品在分析测试前无须进行复杂的前处理。扫描得到样品的近红外光谱后， 通过事先建立的数学模型，可以在短时间内得到样品的多个待测参数。 ( 4 ) 可使用光纤传输 近红外区的波长短，不被玻璃或石英介质吸收，分析样品池可由常用的玻璃 或石英制成。同时可使用玻璃或石英光纤，使近红外光谱分析方法从实验室走向 生产现场，适用于在线分析。 天津大学硕士学位论文第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 ( 5 ) 可用于定性定量分析 采用多元校正方法及一组己知的同类样品所建立的定量校正模型，可快速得 到精度很高的分析结果。可采用模式识别方法，对样品进行聚类等定性分析工作。 ( 6 ) 不破坏样品，不污染环境 近红外光谱分析只需取得样品的光谱信号，有时甚至可直接在原容器中进行 测定，不使用其它溶剂，样品测定后一般可送回生产地或容器，测试过程中不产 生污染。 2 2 光在组织中的传播 人体组织是一种复杂介质，属于不均匀性的散射系统，吸收与散射同时存在。 如图2 3 ，所示当入射光进入组织后，与粒子发生碰撞，其中一部分光子被粒子 吸收而损耗，另一部分光子被粒子散射。前向散射光子由组织的另一侧射出，构 成透射光：而后向散射光子由入射侧射出，构成漫反射光。 漫反射光 _ _ h 矮收。扩。 入射光 图2 3散射光子在组织中的传播示意图 2 2 1l a m b e r t - - b e e r 定律 透射光 光在组织中的传播遵从光的吸收定律，即朗伯一比耳( l a m b e r t b e e r ) 定律 3 2 1 ，该定律是近红外光谱定量分析的理论依据。 物质的吸光度于浓度成正比，当一束强度为i 。的平行单色光入射到某种吸光 溶液中，透过的光线强度为i ，由于部分光线被溶液吸收，则有： 删g 导一c d n ， 其中a 表示溶液对入射光的吸收程度，称为吸光度；占为溶液的吸光系数； d 为单色光在溶液中的光程；c 为吸光物质的浓度。 l a m b e r t - - b e e r 定律偏移： 天津大学硕：l ：学位论文第二章近红外漫反射血糖检测相关原理 l a m b e r t - - b e e r 定律适用于单色光，而实际测量中，我们只能得到一定宽度 的窄带光谱。假设入射光的光谱带宽从的波长范围为五一如，对 设其吸光度 为a l ，则a 1 = 一l g ( i 】1 0 1 ) = 占1 c d ：对如设其吸光度为a 2 ，贝i i a 2 一l g ( 1 2 1 0 2 ) = 62 c d 。 但实际测定时，入射光强度为i o l + 1 0 2 ，透射光强度为i l + 1 2 ，因此吸光度值为： 肛g 糕叫g 竖篙铲 2 ， 若= 岛= 占时，上式可写成： a - 1 9 1 0 一咖= 6 b c( 1 3 ) 此时，a 与c 成直线关系。但实际上，占是与波长有关的特征常数，对同 一吸光物质而言，其他条件一定时，不同波长有不同的s 值，所以蜀和占：不完全 相等。因此，对非单一波长的入射光，a 与c 不可能成直线关系，因而产生了 比耳定律偏移。同时，杂散光也会引起比耳定律偏移。吸光物质会对入射光产生 散射，而且吸光物质浓度越大，散射越强。 2 2 2 蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗模拟【3 3 】( m o n t ec a r l o ，m c ) 是一种重要的数值模拟方法，在组织 光学领域已被成功地用来研究光子在组织中的传输问题。模拟的主要思想是：应 用吸收和散射现象来仿真追踪大量光子在生物组织中的传输过程，得到光在组织 内部和表面的统计分布规律。该方法具有精度高、适应性强、可编程、可同时求 得多个光学参数值等特点。 在一种散射介质中，光子的路径并不是以直线传播。通过蒙特卡罗模拟，得 到光源发出的光子到皮肤组织表面的接收点的迁移轨迹如图2 - 4 所示。可见光子 在入射点和接收点之间的近似为一条香蕉形路径，穿透深度近似于入射点和接收 点距离的一半。 图2 4光子在组织中传输的蒙特卡罗模拟 l 天津大学硕十学位论文第三章系统设计 3 1 概述 第三章系统设计 本文设计了一个基于近红外漫反射原理为基础、采用兄l 和兄2 两个固定波长 的便携式全光纤激光无创血糖检测系统，如图3 1 所示。其中旯l 波长的血糖吸收 较强，组织其他成份的干扰较少，用以携带组织中的血糖浓度信息；五2 波长的 血糖吸收较弱，用以在后续的数据处理中减少组织不同内部结构的影响。其中漫 散射光分为参考光和测量光。其中参考光的传输轨迹主要分布在表皮层和浅真皮 层，不受血糖浓度影响。系统利用参考光的光强来衡量进入组织的光强的大小， 以消除不同的组织表面的反射效果。以下将分别就五1 和兄2 的波长选择、漫反射 光接收点的位置、数据建模方法等进行分析。 光源 ；12 ：m 图3 1 血糖检测系统原理图 3 2 五l 和五2 的波长选择 参考光接收点 测量光接收点 血液中的糖类主要是葡萄糖，简称血糖。葡萄糖的分子式为c 6 h 1 2 0 6 ，其结 构中包含有多个羟基( o h ) 和甲基( c h ) ，均为能在近红外光谱区产生吸收的主要 含氢官能团。根据分子结构特点，葡萄糖在近红外区域的吸收特性如图3 2 所示： 其中在1 1 0 0 1 3 0 0 n m 波段范围内存在葡萄糖分子的二阶倍频吸收，在 1 5 0 0 1 8 0 0 r i m 波段范围内存在一阶倍频吸收。 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 同时，血液及组织液中其他一些成份( 如血红蛋白、水等) 的分子结构中也包 含能够产生近红外吸收的含氢基团，在近红外区域产生相应的吸收光谱，各成分 在不同波段的吸收峰值如表3 1 所示。其中水在波长为1 4 4 0 h m 1 4 6 0 n m 和 1 9 4 0 n m1 9 6 0 h m 区域具有强吸收，检测波长应避开这两个区域。而在1 5 0 0 1 8 0 0 n m 范围内只有水分子的1 7 8 7 处有吸收峰，而脂肪、蛋白质在此区域均没有吸收峰。 因此，1 5 0 0 1 8 0 0 h m 波段范围最适合作为检测波长。同时1 2 1 l n m 和1 4 0 8 n m 之间 的葡萄糖吸收微弱，水的干扰较少，能有效反应皮肤组织差异带来的影响。所以， 我们选取名1 = 1 6 0 0 ，兄2 = 1 3 0 0 n m 。 图3 2 葡萄糖分子的吸收光谱 表3 - 1血液及组织液中的各种物质的近红外吸收峰值 葡萄 水 血色 脂肪蛋白 糖素质 1 1 2 61 2 l l1 0 2 01 0 4 01 0 2 0 1 4 0 81 4 5 0 1 5 3 6 1 6 8 8 1 7 8 7 1 9 3 4 2 2 6 12 2 4 92 1 7 4 2 3 2 62 3 4 2 2 2 8 8 天津大学硕l ：学位论文 第三章系统设计 3 3 检测部位的选择 人体皮肤组织是一种复杂的异质组织，不同部位的结构与组成各不相同。随 着人年龄和外界环境的变化，皮肤组织也发生变化，在不同部位检测的结果也不 相同。在近红外漫反射血糖检测中，人体的不确定因素较多，要想得到最佳的检 测结果，必须选择一个合适的检测部位。具体应从以下几点考虑： ( 1 ) 应尽量选择人体外露部位，检测方便。 ( 2 ) 考虑到患者的性别、年龄和身体状况之间存在差异，应选择个体差异较小 的部位，尽量减少外界因素对检测结果的影响。 ( 3 ) 人体内部干扰因素较少的部位，如体温、汗液的影响等。 ( 4 ) 检测部位血液较丰富，其它物质成分干扰较少。 人体前臂内侧皮肤的附属器较少，内部干扰和个体差异小，含有丰富的血管 群，并且容易取样，检测方便，是比较理想的检测部位。 3 4 漫反射接收点位置 接收点位置和入射深度、平均光程长的关系： 人体的皮肤组织具有明显的分层结构特性，由表皮层、真皮层、皮下组织层 和肌肉层组成。入射光在皮肤分层组织中的传播如图3 3 所示：i 。光射入皮肤组 织，忽略光在皮下组织层中的传递，则经组织表面出射的光实际由3 部分组成： 入射光在皮肤表面的镜面反射光i 。，直接由表皮层扩散反射出的光i ：，达到真皮 层后扩散反射出的光i ，。由于表皮层内不含有血管，皮肤组织中的血管都分布在 真皮层中，因此只有入射深度达到真皮层的漫反射光i ，才携带了血糖浓度信息。 i -hb h 吸收 皮下组织 _ _ l 一_ 1 1i - 图3 - 3入射光在皮肤分层组织中的传播 天津大学硕：t 学位论文第三章系统设计 前臂组织的皮肤组织的平均厚度为3 m m ，其中表皮组织的厚度为0 1 m m 左 右【1 8 】。经过对模拟皮肤介质试验可知，光子平均穿透深度与入射点和接收点的距 离成正比，如图3 - 4 所示；同时入射点和接收点的距离也决定了出射点光子在不 同皮层的平均光程长，如图3 - 4 所示。 测量光和参考光接收点的位置： 由模拟实验可知，光子在真皮层的平均光程长随入射点和接收点的距离的增 大而增加，并在间距达到4 m m 时达到一个稳定值，为了提高血糖检测的灵敏度， 同时保证出射光的强度，我们选择平均穿透深度为l m m ，入射点和测量光接收 点的距离为4 m m 。 入射点和接收点的距离小于2 m m 时，光子在真皮层的平均光程长很小，可 忽略血糖浓度对漫反射光强的影响，并可用来衡量进入皮肤组织的光强的大小。 考虑器件本身的尺寸，我们选择入射点和参考光接收点的距离为1 8 r a m 。 t m a - e e m e t e e t o rm , m t i o r m a ) 图3 - 4 平均穿透深度随光源与检测器之间距离的关系 图3 5 在不同皮层的光子经历的平均程长 天津大学硕士学位论文第三章系统设计 3 5 数据建模过程 进行血糖检测前，必须先利用有创检测血糖浓度值和近红外漫反射光谱数据 进行数据建模；然后利用所建模型，通过测得的光谱数据得到预测血糖浓度值。 在血糖检测系统中，我们对两个固定波长五l = 1 6 0 0 n m 、兄2 = 1 3 0 0 n m 的漫反 射光进行检测。设l d l 、l r l 分别为1 6 0 0 n m 波长的测量光强和参考光强，l m 、 ，t，t、 l r 2 分别为1 3 0 0 n m 波长的测量光强和参考光强，定义x = 芸型掣为自变量， ( l d 2 l m j 定义y ( 有创血糖浓度值) 因变量，由朗伯一比耳定律可知，屿确呈线性关系。 利用一元线性回归描述屿。啪的关系，线性回归方程如下： y = 口+ 膨( 3 1 ) 式中，a 为截距，夕为回归系数，即直线的斜率。 采用最小二乘( 1 e a s ts q u a r e s ) 进行线性回归方程的模型校正，使每个血糖浓度 n 检测值距离回归线的纵向距离的平方和最小，即翠y t 一( a - 4 - p x i ) 】2 达到最小值， 则有： n a y ；一 + x ；) 2 生l 一= 0 ， 加 得到： n a y ；一( 口+ x ；) 】2 塑一= o 宅b e ( t - i ) f y ，一歹) = 型_ - 一 ( _ 一i ) 2 j = l a = 歹一撅 校正模型本身的性能一般采用相关系数r 和均方根预测误差r m s e p 等指标 进行评价，其计算公式如下： r = r m s e p = ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中，y ，为使用有创检测方法得到的血糖浓度值，夕，为通过校正曲线预测 得到的血糖浓度值，夕。为夕，的平均值，力为计算所使用的样本数。 天津大学硕士学位论文第四章硬件设计 4 1 系统简介 第四章硬件设计 系统硬件可分为光路和电路两部分。系统光路采用全光纤结构，由光源、光 纤传导、光纤测头和光电检测器组成。系统的电路包括l d 驱动电路、制冷器驱 动电路、a d 采样电路和人机接口。系统硬件结构如图4 - 1 所示： ( 1 ) l d 光源：利用半导体激光器，得到1 3 0 0 n m 和1 6 0 0 r i m 的两个固定波长 的近红外光，并通过光纤传导至测量部位： ( 2 ) l d 的驱动和温度模块：保证l d 工作在恒温环境下，并输出恒定的光 功率； ( 3 ) 光学测头：对入射光加以准直，使其以最窄的光束垂直入射到测量组 织；并将组织的漫反射光耦合至接收光纤； ( 4 ) 光电检测器：接收光学测头耦合得到的漫反射光，将光信号转换为电 信号； ( 5 ) a d 采样：对光电检测器的电流信号进行模数转换，并传输给单片机； ( 6 ) 单片机：血糖仪的控制中枢，用来处理a d 采样信号并预测出血糖浓度 值，并存储用户信息和测量结果； ( 7 ) 人机接口：血糖仪的操作界面，包括测量操作和用户管理等功能。 图4 - 1 血糖仪的系统构成 以下章节将分别就光路系统和电路系统的设计作详细的分析。 天津大学硕士学位论文第四章硬件设计 4 2 光路系统设计 血糖检测系统的光路采用全光纤结构，具有系统体积小、调整方便、模块化 程度高等特点。在具体设计中，要考虑光源的稳定性、减少光的背景噪声、提高 光纤的传输效率等环节。下面将阐述各光学组件的选用和光学测头的设计。 4 2 1 光源 概述： 在近红外漫反射血糖检测中，入射光经过组织的吸收和散射，在接收部位得 到的漫反射光十分微弱。同时，漫反射光中包含的血糖浓度的信息还受到来自光 源的背景噪声、其它组织成份和复杂的组织结构的干扰。因此，为了提高检测系 统的信噪比，并结合小型化的应用要求，对光源的具体要求如下： ( 1 ) 提供兄1 = 1 6 0 0 n m 和名2 = 1 3 0 0 n m 的单色光，且发光功率稳定、功率高 ( 2 ) 单色性好，波长稳定 ( 3 ) 结构简单、体积小、重量轻。 由系统的小型化要求，使用半导体发光器件作为光源：发光二极管( l e d ) 和半导体激光二极管( l d ) 。近红外l e d 虽然价格便宜、发光功率高，但是单色 性差，光谱宽度一般为几十纳米。激光二极管的光谱带宽窄，单色性好，能提供 相当大的发光功率。系统采用分布反馈式激光二极【3 4 】( d f bl d ) 为光源，其具 有动态波长特性好、单色性高等优点。 d f b 半导体激光器原理： 分布反馈( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 半导体激光器在内部拥有一个布拉格 光栅( 如图4 2 所示) ，靠光的反馈来实现纵模选择。布拉格反射的光反馈作用 使有源区中满足布拉格条件波长兄= 2 h a ( 五代表波长，人代表光栅周期，1 1 代 表有源区的折射率) 的前向波与后向波发生耦合，而对于那些远离布拉格波长位 置的光则基本没有作用。由于布拉格光栅的工作波长选择，所以d f b l d 的谐振 腔损耗具有明显的波长依存性，这种结构在更宽的工作温度和工作电流范围内， 抑制了在普通半导体激光器中常见的模式跳变，由此获得低噪声的优良特性。 图4 2d f b l d 结构示意图 天津大学硕士学位论文第四章硬件设计 器件参数： 本系统选用q p h o t o n i c s 公司的d f b s s 1 6 0 0 2 0 和q d f b l d 1 3 0 0 2 0 这两款 分布反馈式半导体激光器作为光源。激光器采用蝶形封装，内部有半导体制冷器、 光功率监测光电检测器和热敏电阻；带有f c a p c 接口的尾纤，用来连接后续光 路。通过外加驱动和温控模块，可使其工作在恒功率和恒温状态，提高激光器的 稳定性。 表4 10 d f b s s - 1 6 1 0 2 0 和q d f b l d 一1 3 1 0 一2 0 的具体参数 型号波长 输出功率一 阈值电流工作电流工作波长 ( n l l l )( m w )( m a )( m a )电压宽度 ( v )( n m ) o d f b s s 16 0 0 2 01 6 0 0 2 01 59 l1 3 70 0 1 q d f b l d 。1 3 0 0 2 0 1 3 1 32 01 61 0 51 4 80 o l p i nc o n n e c _ d o n t ec o o | e ri + 2 t h e r r n i s t o r 3 p d a n o o e 一 4p dc a t h o d el + 5t h e n t i i s t o r 1 0 l d a n o d e t 1 1l dc a t h o d et 1 t ec o o l e r 一i 7654321 891 0 1 11 2 1 31 4 图4 - 3q d f b s s - 1 6 0 0 - 2 0 的封装和管脚 p i nc o n n e c t i o n 1t h e r m l s t o r 2 t h e r m i s t o r 3 l dc 叭h o d e ( 一l 4 p d a n o d e