一種光致超聲的血糖無創檢測裝置及方法與流程
2023-12-11 22:04:12
本發明屬於生物醫療檢測技術領域，具體涉及一種光致超聲的血糖無創檢測裝置及方法。
背景技術：
糖尿病正嚴重威脅著人們的生命健康和生存質量。到目前為止，醫學上還沒有任何一種特效藥或方法可以根治糖尿病，只能是對糖尿病患者自身的血糖濃度和血糖值進行長期監測，並根據監測病情變化來通過藥物來加以控制，以此來穩定血糖濃度和避免併發症的產生。因此，血糖濃度及變化趨勢進行準確地監測，這對於合理地控制糖尿病來講至關重要。目前，醫學上對血糖濃度進行監測基本上採用的是針刺和靜脈抽血檢測法，這種方法首先是需要利用針刺破人體皮膚或靜脈血管採血，然後利用生化分析儀器(如：酶免反應法或電化學法)來對全血或經過離心機分離的血清進行生化指標分析，獲得相應的血糖濃度值，這種方法存在一些弊端，一方面，該方法是對人體組織有損傷的檢測方法；另一方面，該檢測方法過程繁瑣、樣品製備複雜、可操作性不高；並且，對於病情嚴重的糖尿病患者和需要經常監測血糖值變化的患者而言，頻繁地進行針刺或靜脈抽血，會帶來巨大的身心和經濟負擔，而且易引發二次感染的風險。因此，對血糖濃度進行無損傷地監測是未來治療糖尿病的發展趨勢。目前，已有多種無損檢測方法運用於血糖濃度的檢測，如：近紅外光譜法、中紅外光譜法、偏振光法、光學相干層析法、太赫茲法和光致超聲法等。其中，光致超聲法(又稱「光聲法」)由於融合了光學和超聲技術，利用脈衝雷射激發被測組織，由於組織吸收或者釋放能量而產生攜帶能表徵被測組織某種屬性的超聲信號，經過採用高靈敏度的超聲探測器捕獲產生的超聲信號，再通過數據分析處理算法便可以對被測組織中攜帶某些特徵的信號進行解析，從而了解被測組織的具體屬性。雖然激發光源是脈衝雷射，從激發光源來講與光譜法類似，但是從捕獲的信號來講，與光譜法截然不同，光聲法是利用探測超聲信號來代替光譜法的探測光子信號的特點，從而從原理上避開了組織中散射光對有用信號帶來的強烈幹擾，可以提高光致超聲信號的信噪比和測量準確度。過去，對血糖進行光聲檢測，人們主要是採用光路和探測單元固定的檢測方式來對被測對象進行血糖光聲檢測，雖然有一定的效果，但是該結構過於單一，無法滿足不同形狀檢測對象和不同檢測部位的需求。並且，這種固定的檢測方式，只能對組織中某一個固定深度的血糖濃度進行檢測，但是由於不同檢測對象和同一檢測對象的不同檢測部位，其內部深度方向的組織結構是不同的，如果依然採用固定光路和探測單元固定的檢測方式，勢必會造成不同檢測部位檢測的結果存在很大差異。另外，到目前為止，人們對利用光聲技術來檢測血糖濃度，主要是利用光聲信號的幅值或者峰峰值來作為光聲信號研究的對象。由於實際情況中，系統穩定性(如：脈衝雷射器能量穩定性、超聲探測器相應頻率匹配度和光路系統等)、測量環境(溫度、溼度等)和其他信號幹擾等，使得所得到的血糖光聲信號的幅值和峰峰值存在漂移或不穩定現象，這大大地影響了血糖光聲值和血糖濃度預測的準確性。因此，除了對光聲檢測系統的穩定性、消除測量環境以及其他信號幹擾等方面進行提高之外，還需要從技術和方法上來對光聲血糖無損檢測進行探究。另外，由於實際光聲血糖測試時，超聲探頭的位置和角度會與入射到樣品中的光聲源產生一定的偏移，使得探測到的血糖光聲信號與實際真實血糖光聲信號在時間分辨和光聲強度等方面存在一定的偏差，從而使得血糖光聲測量會造成誤差。
技術實現要素：
為了解決血糖光聲無創檢測存在的上述問題，提供一種結構簡單、易於實現的光致超聲的血糖無創檢測裝置及方法。
為了解決本發明的技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：一種光致超聲的血糖無創檢測裝置，包括光源單元1、被測組織2、環形超聲探測器3和信號處理裝置4，所述光源單元1沿光傳播方向由雷射器11、準直透鏡12和聚焦透鏡13構成，所述雷射器11的出口與所述準直透鏡12和聚焦透鏡13的中心在一條軸線上，所述聚焦透鏡13內嵌於所述環形超聲探測器3內環中，所述環形超聲探測器3與所述聚焦透鏡13為一體化結構；所述聚焦透鏡13為焦距可調式聚焦透鏡，所述環形超聲探測器3的探測位置隨著聚焦透鏡13的焦距調節而同步調節；所述信號處理裝置4包括信號放大器41、數字示波器42、gpib-usb接口卡43、計算機44和焦距控制器45；所述信號放大器41、數字示波器42、gpib-usb接口卡43、計算機44和焦距控制器45之間依次電氣連接，所述雷射器11與數字示波器42電氣連接，所述環形超聲探測器3與信號放大器41電氣連接，所述聚焦透鏡13與計算機44之間通過焦距控制器45電氣連接；所述環形超聲探測器3與被測組織2之間均勻塗抹超聲耦合液，所述環形超聲探測器3的前端面與所述被測組織2的表面平行緊密接觸。
優選地，所述聚焦透鏡13的焦距調節可以通過計算機44向焦距控制器45發送指令調節，也可以手動調節。
優選地，所述環形超聲探測器3的環數至少為1環。
優選地，所述被測組織2為生物活體組織、離體組織或溶液。
一種光致超聲的血糖無創檢測方法，包括以下步驟：
第一步：開啟雷射器11的電源開關，設置雷射器11的能量、頻率和激發波長等參數，將雷射器11預熱約30分鐘。
第二步：在已知血糖濃度c1的被測組織2外表面均勻塗抹超聲耦合液，再將環形超聲探測器3前端面與被測組織2外表面平行緊密接觸。
第三步：點擊雷射器11的光源激發按鍵，使得一定波長、頻率和能量的脈衝雷射光束從雷射器11出口射出，射出的脈衝雷射束依次經過準直透鏡12準直和聚焦透鏡13聚焦後，將聚焦光束入射到被測組織2中；
第四步：由環形超聲探測器3探測被測組織2的血糖光聲信號，經過信號放大器41放大後，被數字示波器42進行採集和顯示，並且通過gpib-usb接口卡43將數字示波器42採集到的血糖光聲信號送入到計算機44中進行分析和處理，同時保存該被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號波形，並記錄下被測組織2的血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間t1，根據公式①得到血糖光聲信號在被測組織中的聲速v1，即：
v1＝d/t1①
式中，v1為血糖光聲信號在被測組織中的聲速；d為血糖激發光聲源與環形超聲探測器環形中心軸的空間距離，其中，l為聚焦透鏡13的焦距，r為聚焦透鏡13中心至環形超聲探測器13中心環軸的距離；t1為被測組織中血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間；
第五步：調節聚焦透鏡13的焦距，獲得並保存不同焦距下血糖光聲實時信號和記錄下該被測組織的血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間t1，然後根據公式①得到不同焦距下的血糖光聲信號在被測組織中的聲速；
第六步：將前一個被測組織2換下，重複第二步至第五步，獲得已知血糖濃度c2第二個被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號，以及記錄下第二個被測組織2的血糖光聲實時信號的第一個特徵波長處的時間t2，然後再利用公式①，得到第二個被測組織2血糖光聲信號的聲速v2；以此反覆，獲得n個已知血糖濃度(c1,c2,...,cn)的被測組織2的血糖光聲信號的聲速(v1,v2,...,vn)；
第七步：利用數理統計算法，建立上述n個被測組織中不同焦距下的血糖濃度矩陣c和血糖光聲信號的聲速矩陣v之間的對應關係，即：
c＝a*v②
其中，被測組織中血糖濃度矩陣c＝[c1,c2,...,cn]，血糖光聲信號的聲速矩陣v＝[v1,v2,...,vn]，a＝[a1,a2,...,an]為係數矩陣；
第八步：將未知血糖濃度cx的被測組織2，按照第二步至第五步，獲得其被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號，以及記錄下該被測組織2的血糖光聲實時信號的第一個特徵波長處的時間tx，並根據公式①獲得該被測組織2血糖光聲信號的聲速vx；然後，根據公式②被測組織2中對應不同焦距下的血糖濃度矩陣c和血糖光聲信號的聲速矩陣v之間的對應關係，得到被測組織2中不同焦距條件下的血糖濃度值。
與現有技術相比，本發明獲得的有益效果是：
本發明公開的一種光致超聲的血糖無創檢測裝置，採用光源單元和環形超聲探測器一體化，以及環形超聲探測器內嵌聚焦透鏡的結構來獲取被測組織的血糖光聲信號，不僅可以讓超聲探測器探測血糖光聲信號的同時，而且可以使得光源單元發射的雷射光束進入被測組織，使得檢測裝置結構緊湊、便捷，方便在體的光聲血糖濃度無創檢測。
本發明公開的一種光致超聲的血糖無創檢測裝置，通過調節聚焦透鏡的焦距大小，並能同步調節環形超聲探測器的位置，可以使得被測組織的激發光聲源位置得到較好地調節，既可以對在體的表皮組織中的血糖進行光聲檢測，也可以對較深層的血管或皮下組織的血糖進行光聲檢測，大大提高了檢測裝置適用的深度範圍。
本發明公開的一種光致超聲的血糖無創檢測裝置，採用探測血糖光聲信號時間分辨信號，並利用血糖光聲信號在被測組織中聲速與血糖濃度之間建立相互映射關係模型，來預測在體未知血糖濃度，該方法可以較好地解決血糖光聲實時信號漂移等不穩定性因素的影響，大大提高了血糖光聲檢測的穩定性和準確度。
附圖說明
圖1為本發明原理示意圖。
圖2為本發明環形超聲探測器與被測組織中血糖光聲源距離示意圖。
附圖標記：1、光源單元；11、雷射器；12、準直透鏡；13、聚焦透鏡；2、被測組織；3、環形超聲探測器；4、信號處理裝置；41、信號放大器；42、數字示波器；43、gpib-usb接口卡；44、計算機；45、焦距控制器。
具體實施方式
下面結合附圖，對實施例進行詳細說明。
參見附圖1和附圖2，一種光致超聲的血糖無創檢測裝置，包括光源單元1、被測組織2、環形超聲探測器3和信號處理裝置4，所述光源單元1沿光傳播方向由雷射器11、準直透鏡12和聚焦透鏡13構成，所述雷射器11的出口與所述準直透鏡12和聚焦透鏡13的中心在一條軸線上，所述聚焦透鏡13內嵌於所述環形超聲探測器3內環中，所述環形超聲探測器3內環直徑與所述聚焦透鏡13的外徑相等，所述環形超聲探測器3與所述聚焦透鏡13為一體化結構，不僅可以讓環形超聲探測器3探測血糖光聲信號，而且可以使得光源單元1發射的雷射光束進入被測組織，使得檢測裝置結構緊湊、便捷，方便在體的光聲血糖濃度無創檢測；所述聚焦透鏡13為焦距可調式聚焦透鏡，所述環形超聲探測器3的探測位置隨著聚焦透鏡13的焦距調節而同步調節，可以使得被測組織2的激發光聲源位置得到較好地調節，既可以對在體的表皮組織中的血糖進行光聲檢測，也可以對較深層的血管或皮下組織的血糖進行光聲檢測，大大提高了檢測裝置適用的深度範圍；所述信號處理裝置4包括信號放大器41、數字示波器42、gpib-usb接口卡43、計算機44和焦距控制器45；所述信號放大器41、數字示波器42、gpib-usb接口卡43、計算機44和焦距控制器45之間依次電氣連接，所述雷射器11與數字示波器42電氣連接，所述環形超聲探測器3與信號放大器41電氣連接，所述聚焦透鏡13與計算機44之間通過焦距控制器45電氣連接；所述環形超聲探測器3與被測組織2之間均勻塗抹超聲耦合液，所述環形超聲探測器3的前端面與所述被測組織2的表面平行緊密接觸。
進一步地，所述聚焦透鏡13的焦距調節可以通過計算機44向焦距控制器45發送指令調節，也可以手動調節，靈活選擇，使用方便。
進一步地，所述環形超聲探測器3的環數至少為1環。
進一步地，所述被測組織2為生物活體組織、離體組織或溶液，適用範圍廣。
進一步地，所述計算機44、gpib-usb接口卡43和數字示波器42三者之間通過圖形化編程軟體labview來實現數據的外部觸發採集和保存等功能。
一種光致超聲的血糖無創檢測方法，包括以下步驟：
第一步：開啟雷射器11的電源開關，設置雷射器11的能量、頻率和激發波長等參數，將雷射器11預熱約30分鐘。
第二步：在已知血糖濃度c1的被測組織2外表面均勻塗抹超聲耦合液，再將環形超聲探測器3前端面與被測組織2外表面平行緊密接觸。
第三步：點擊雷射器11的光源激發按鍵，使得一定波長、頻率和能量的脈衝雷射光束從雷射器11出口射出，射出的脈衝雷射束依次經過準直透鏡12準直和聚焦透鏡13聚焦後，將聚焦光束入射到被測組織2中；
第四步：由環形超聲探測器3探測被測組織2的血糖光聲信號，經過信號放大器41放大後，被數字示波器42進行採集和顯示，並且通過gpib-usb接口卡43將數字示波器42採集到的血糖光聲信號送入到計算機44中進行分析和處理，同時保存該被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號波形，並記錄下被測組織2的血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間t1，根據公式①得到血糖光聲信號在被測組織中的聲速v1，即：
v1＝d/t1①
式中，v1為血糖光聲信號在被測組織中的聲速；d為血糖激發光聲源與環形超聲探測器環形中心軸的空間距離，其中，l為聚焦透鏡13的焦距，r為聚焦透鏡13中心至環形超聲探測器13中心環軸的距離；t1為被測組織中血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間；
第五步：調節聚焦透鏡13的焦距，獲得並保存不同焦距下血糖光聲實時信號和記錄下該被測組織的血糖光聲實時信號第一個特徵波峰處的時間t1，然後根據公式①得到不同焦距下的血糖光聲信號在被測組織中的聲速；
第六步：將前一個被測組織2換下，重複第二步至第五步，獲得已知血糖濃度c2第二個被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號，以及記錄下第二個被測組織2的血糖光聲實時信號的第一個特徵波長處的時間t2，然後再利用公式①，得到第二個被測組織2血糖光聲信號的聲速v2；以此反覆，獲得n個已知血糖濃度(c1,c2,...,cn)的被測組織2的血糖光聲信號的聲速(v1,v2,...,vn)；
第七步：利用數理統計算法，建立上述n個被測組織中不同焦距下的血糖濃度矩陣c和血糖光聲信號的聲速矩陣v之間的對應關係，即：
c＝a*v②
其中，被測組織中血糖濃度矩陣c＝[c1,c2,...,cn]，血糖光聲信號的聲速矩陣v＝[v1,v2,...,vn]，a＝[a1,a2,...,an]為係數矩陣；
第八步：將未知血糖濃度cx的被測組織2，按照第二步至第五步，獲得其被測組織2的時間分辨血糖光聲實時信號，以及記錄下該被測組織2的血糖光聲實時信號的第一個特徵波長處的時間tx，並根據公式①獲得該被測組織2血糖光聲信號的聲速vx；然後，根據公式②被測組織2中對應不同焦距下的血糖濃度矩陣c和血糖光聲信號的聲速矩陣v之間的對應關係，得到被測組織2中不同焦距條件下的血糖濃度值。
以上列舉的僅是本發明的具體實施例之一。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多類似的改形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明所要保護的範圍。