基于近红外透射法的无创血糖检测系统研制

郭力+冯斌+葛松伟

摘 要：针对已有的近红外无创血糖检测设备昂贵、使用繁琐等问题，设计了一种简便的基于近红外透射法的无创血糖检测系统。采用波长为1310nm的光束作为参考光，波长为1550nm的光束作为测量光，整个光路采用光纤结构。将无创测量系统测得光电信号幅值与有创测量的血糖值进行关联，得到了信号幅值和血糖浓度之间的函数关系，利用Arduino单片机实现了人机接口。该检测系统结构简单，操作简便，测得值可有效反映血糖变化。

关键词：血糖；无创检测；近红外；透射法

引言

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，对患者身体组织造成慢性损害。糖尿病患者需要频繁测量血糖浓度，有时甚至一天多达三次。传统测血糖的方法是抽取血液进行化验，这种有创检测给病人带来了生理创伤和心理压力。因此，研究一种无创的血糖检测技术势在必行。根据现有的科研成果，利用红外光谱分析法测量血糖浓度的技术得到多方论证[1，2]。

利用近红外光谱分析法进行无创血糖检测，大多需要光谱仪等昂贵的设备，检测成本高，测量数据量大，且利用率较低。因此，本文在前人的研究的基础上，通过对比各种测量方法，采用近红外光透射法测量血糖浓度。该方法以两种不同波长的红外光为光源，两种光通过光纤后照射组织，血糖分子对其中一种光有吸收作用，对另一种没有吸收作用，前者可作为测量光，后者作为参考光，通过捕捉两种光的信号强度并做数学分析，得到信号强度和血糖浓度的关系。该方法具有无创伤、成本低、速度快等优点。

1 检测原理分析

1.1光源波长选择

由于水分子在1440-1470nm和1940-1970nm波段是强吸收区，因此选取的波长要避开这两个波段，即在800-1400nm和1500-1900nm中选取。葡萄糖分子在1200-1400nm之间吸收较弱，在1500-1800nm之间吸收较强，综合以上条件，应该在1200-1400nm之间选择参考光，在1500-1800nm之间选择测量光[3]。本文选择1310nm作为参考光，1550nm为测量光，从而实现近红外无创血糖检测技术。

1.2 测量方式的选择

根据探测器接收的散射光的不同，可分为透射测量法和漫反射测量法。透射测量法是将被测组织放在光源和检测器之间，此时光在组织中传播的光程较长，可以被血糖充分吸收，携带着较多的血糖信息，但到达探测器的光能量随着被测组织厚度的增加而严重衰减，使得待测信号十分微弱，需要复杂的后续电路来处理。漫反射检测法中，光源和探测器位于检测部位的同一侧，这种方法虽不受组织厚度差异的影响，但漫反射光本身能量很小，且探测器放置的位置稍有偏差就会严重影响测量结果。

综合比较两种检测方法可以看出，透射检测法相对容易实现，本文将用该方法实现近红外无创血糖检测技术。

1.3 检测部位的选择

由于手指、手掌、胳膊的内部结构都有骨骼，阻挡了红外光的透射，不适合作为透射法的检测对象，所以本文选择耳垂作为检测部位。

2 检测系统设计

检测系统由光学系统、检测电路和人机交互模块三部分组成。

2.1 光学系统设计

检测系统的光路结构如图1所示，以红外激光二极管LD为光源，两个LD光源分别发出1310nm和1550nm的红外光，两个自聚焦透镜将LD发出的散射光聚焦为平行光，耦合到2X2光纤分路器。光经过光纤分路器后被分成两束能量相同的光，其中一束光透过被测组织后进入传导光纤，再照射到光电二极管上，另一束光则直接进入传到光纤，再照射在光电二极管上。

2.2 检测电路设计

传导光纤传出的光照射在光电二极管上，光电二极管将光信号转化为电流信号，使用高精度I/V转换电路将电流信号转化为电压信号。由于光电二极管传出的电流信号十分微弱，所以此时得到的电压信号也十分微弱，后续电路再对微弱电压信号进行滤波和多级放大，最终输出0-5V的电压。

2.3 人机交互模块设计

使用arduino开发板编写程序，控制测量过程，并采集电路输出的信号，将电信号转化为直观的血糖信息，通过LCD液晶屏显示出来。

3 检测系统的实现

3.1 搭建光学系统

根据图1搭建光学系统，所需的器件有激光二极管LD、聚焦透镜、2X2光纤分路器、传导光纤和FC/PC光纤适配器。

1310nm和1550nm的红外光由LD-1310s和LD-1550s的激光二极管产生。使用10mA的恒流源为其供电，LD達到峰值波长分别为1310nm和1550nm，发光功率均为1mW。

光纤分路器选用接口为FC/PC 的2X2单模双窗光纤分路器。该光纤分路器传播1310nm和1550nm的红外光时，最大损耗为3.8dB。

传导光纤使用镀金管封装的G-lens单模光纤准直器，中心波长1260-1650nm，具有低插入损耗和高回波损耗，满足设计需求。

3.2 检测电路的设计

检测电路由光探测器、电流/电压转换电路和电压放大电路三部分组成。

光探测器使用铟镓砷光电二极管KPDE030-46，灵敏度高，响应度速度快，暗电流小，响应波长为1310nm和1550nm，25℃下使用5V恒流源为其供电，响应度为S=0.95A/W。

检测电路选择差分运放电路，它具有高增益、高共模抑制比和高输入阻抗的特点，满足设计需求。

4 系统实验

设某人某时刻用有创型血糖仪测得的血糖浓度为x，与此同时用本文设计的检测系统测得的信号强度为？驻U，如果血糖浓度x和信号强度？驻U存在线性关系，x=k·？驻U+b，则认为本文设计的检测系统可以反映血糖信息。

用有创血糖仪记录某健康成年人饭前和饭后血糖浓度的变化，同时用本文设计的检测系统测量血糖信息，记录数据如表1。

图中各点近似分散在一条直线附近，根据最小二乘法原理，将x和？驻U的关系用直线拟合，拟合出的方程为：

从图2可以看出，血糖浓度和信号强度之间呈近似线性关系。根据拟合得到计算公式（1），为Arduino单片机写入程序，设计出人机交互模块，最终得到的检测系统实物照片如图3所示。

5 结束语

近红外无创血糖检测技术是近几年的研究热点。本文在前人研究的基础上，使用1310nm和1550nm的近红外光作为检测光源，使用光纤搭建光学系统，并制作出高精度的检测电路，继而通过Arduino单片机将电信号转化为可视化的血糖信息，最终实现了近红外无创血糖检测技术。该技术和传统测血糖技术相比，具有无创伤、成本低、效率高、易于实现和方便操作的优点。

参考文献

[1]刘蓉，徐可欣，陈文亮，等.光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展[J].中国科学G组，2007，37：124-131.

[2]陈玲玲.近红外无创血糖浓度检测技术的初步研究[D].哈尔滨：黑龙江大学，2010.

[3]卢启鹏.近红外光谱无创血糖检测中的生理背景问题[J].光机电信息，2010，27（12）：44-48.