專利名稱：正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及生物醫(yī)學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量人體血糖濃度的裝置。

背景技術(shù)：
目前，還沒(méi)有根治糖尿病的有效治療手段，主要是通過(guò)頻繁的檢測(cè)和胰島素注射來(lái)對(duì)血糖濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制，以減少或減輕由糖尿病導(dǎo)致的長(zhǎng)期并發(fā)癥。對(duì)于1型糖尿病患者，要有效的控制血糖，每天應(yīng)做6次以上的血糖檢測(cè)。目前的血糖檢測(cè)方法主要有生化血糖檢測(cè)方法、微創(chuàng)血糖檢測(cè)方法和無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法。生化血糖檢測(cè)方法和微創(chuàng)血糖檢測(cè)方法需取血液或組織液進(jìn)行測(cè)量，會(huì)造成疼痛且有感染的危險(xiǎn)，這就限制了測(cè)定血糖的頻率，使大多數(shù)糖尿病患者不能實(shí)現(xiàn)所希望的血糖檢測(cè)。
無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)就是在這一背景下發(fā)展起來(lái)的，由于其巨大的市場(chǎng)前景，近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)正成為國(guó)際上熱門的研究課題，無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法中主要是采用近外光譜預(yù)測(cè)血糖值。
因?yàn)檠旱墓庾V是多種成分的加和，葡萄糖僅占很小的一部分，光譜常受噪聲、體內(nèi)組織的其它成分的光譜疊加和基線變化的影響，這就需要復(fù)雜的光譜學(xué)計(jì)算程序。Heise采用偏最小二乘法PSL，以單人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型，所得血糖值均方預(yù)測(cè)誤差的平均值為2.5mmol/dL(45mg/dL)，以多人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型，所得血糖值均方預(yù)測(cè)誤差的平均值為3.1mmol/dL(55mg/dL)；Arnold采用PSL模型與Fourier濾波數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法相結(jié)合，所得血糖值均方預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差的平均值為2.6mmol/dL(46mg/dL)，從以上結(jié)果可以看出，近紅外光譜預(yù)測(cè)血糖值的誤差大，不適合用于正?；虻脱堑娜巳?正常人的血糖值為110mg/dL/±25mg/dL)。
Ruchti等在美國(guó)專利(專利號(hào)6990364)、Pezzaniti等在美國(guó)專利(專利號(hào)5788632)、Mills等在美國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?0040162493)提出利用近紅外光譜估算人體血糖濃度的方法。近紅外光譜(NIR)用于血糖的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，存在以下問(wèn)題(1)血糖的濃度很低，其吸收光譜信號(hào)更易受其他生物組織成分(水、脂肪、蛋白質(zhì)等)的廣吸收干擾和光譜疊加的影響；(2)光散射的影響很大；(3)光譜學(xué)計(jì)算程序復(fù)雜。由于以上的原因，至今近紅外光譜(NIR)測(cè)量方法和計(jì)算模型還不能在臨床上應(yīng)用。
旋光無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)是一種利用光學(xué)旋光原理檢測(cè)血糖的方法，具有原理清晰、光路簡(jiǎn)單、光學(xué)元器件易于小型化、計(jì)算簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)旋光檢測(cè)血糖濃度的基本原理是當(dāng)一束線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)時(shí)，其透射光也是線偏振光，而且偏振方向與原入射光的偏振方向有一個(gè)夾角，這是物質(zhì)的旋光特性。葡萄糖具有穩(wěn)定的旋光特性，而在特定波長(zhǎng)下，人體組織中其它成份的旋光性與血糖相比不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通過(guò)測(cè)量透射光的偏轉(zhuǎn)角，可以得出人體血糖濃度。
國(guó)外的旋光法的研究大多采用外差法，而外差法對(duì)相位變化極其敏感，漂移大，需頻繁校準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度、重復(fù)性還未達(dá)到血糖濃度的水平。
中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?00510020410.3)“無(wú)創(chuàng)激光血糖檢測(cè)儀”提出了一種從指尖部位進(jìn)行血糖測(cè)量的裝置，采用單偏振光直接檢測(cè)血糖濃度，該種測(cè)量方式屬直接檢測(cè)方式，檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但它只響應(yīng)入射光輻射的功率，僅適宜于強(qiáng)光信號(hào)的檢測(cè)，而在采用偏振光測(cè)量血糖濃度系統(tǒng)中，檢測(cè)光通過(guò)起偏器、透過(guò)人體組織，再通過(guò)偏振方向與起偏器偏振方向垂直的檢偏器后，其強(qiáng)度是極其微弱的。直接檢測(cè)方式的靈敏度與外差檢測(cè)方式相比差7-8個(gè)數(shù)量級(jí)(見文獻(xiàn)趙遠(yuǎn) 張宇 光電信號(hào)檢測(cè)原理與技術(shù)136頁(yè)、142頁(yè)，機(jī)械工業(yè)出版社2005)，因此其測(cè)量靈敏度有待進(jìn)一步提高。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，利用偏振光的特性，綜合“直接探測(cè)法”和“外差法”的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型提出了一種正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置，這樣既可大大減小相位變化的影響，減少漂移，提高測(cè)量的靈敏度，又可使操作簡(jiǎn)便，不需頻繁校準(zhǔn)。
本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置，該裝置包括以下幾部分光學(xué)測(cè)量單元、拇指厚度(光程)測(cè)量單元、信號(hào)處理與控制單元、電源，其中，光學(xué)測(cè)量單元產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光透射被測(cè)物體，測(cè)量透射光的偏轉(zhuǎn)角，確定兩偏振光的光強(qiáng)分量的差值，輸出包含參考信號(hào)分量的直流電壓至信號(hào)處理與控制單元中的鎖定放大器。拇指厚度測(cè)量單元根據(jù)被測(cè)物體的厚度，確定光程值L。拇指厚度測(cè)量單元位于光學(xué)測(cè)量單元的電光調(diào)制器和檢偏器之間。信號(hào)處理控制器輸出作用于法拉第旋光器驅(qū)動(dòng)直流電源，控制法拉第旋光器校正光學(xué)測(cè)量單元中線偏振光的光路誤差和偏振角的旋轉(zhuǎn)。信號(hào)處理與控制單元對(duì)來(lái)自光學(xué)測(cè)量單元和拇指厚度測(cè)量單元的信號(hào)進(jìn)行處理，信號(hào)處理與控制單元中的方波信號(hào)發(fā)生器為光學(xué)測(cè)量單元提供參考信號(hào)及檢測(cè)信號(hào)，參考信號(hào)反饋到電光調(diào)制器控制電光調(diào)制器輸出正交雙偏振光，鎖定放大器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)鎖定并處理光學(xué)測(cè)量單元中光電接收器輸出的正交雙偏振光光強(qiáng)分量的差值中的參考信號(hào)成分，輸出直流電壓；由此直流電壓確定加載到法拉第旋光器上的直流電壓差ΔUR，信號(hào)處理控制器根據(jù)直流電壓差及光程調(diào)用公式確定放入檢測(cè)腔中的被測(cè)對(duì)象的血糖濃度。將血糖濃度測(cè)量結(jié)果送入液晶顯示器中顯示。
利用上述裝置對(duì)人體血糖濃度進(jìn)行測(cè)試，包含以下步驟 (1)準(zhǔn)直后的激光作為檢測(cè)光通過(guò)起偏器、法拉第旋光器后，輸入電光調(diào)制器，在電光調(diào)制器上加載由正負(fù)方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的、并通過(guò)功率放大器放大的一系列正負(fù)方波電壓信號(hào)，對(duì)輸入的檢測(cè)光進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生正交雙偏振光； (2)正交雙偏振光通過(guò)被測(cè)物體，再通過(guò)放置在接收端的偏振方向與起偏器偏振方向相垂直的檢偏器，及放置在其后的透鏡，將兩正交雙偏振光光束會(huì)聚在光電接收器上； (3)光電接收器將接收到的兩正交雙偏振光的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光電接收器輸出的電信號(hào)經(jīng)前置放大器隔直、放大后，計(jì)算單元對(duì)由兩正交雙偏振光光強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)相減； (4)光強(qiáng)信號(hào)的差值信號(hào)進(jìn)入鎖定放大器LIA(Lock in Amplifier)，同時(shí)，方波信號(hào)發(fā)生器向鎖定放大器提供檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)，鎖定放大器根據(jù)參考信號(hào)鎖定并處理光學(xué)測(cè)量單元輸出電信號(hào)中包含的參考信號(hào)成分，輸出直流電壓Uout； (5)通過(guò)鎖定放大器輸出的直流電壓Uout確定加載到法拉第旋光器上的直流電壓差ΔUR，ΔUR與旋光物質(zhì)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)角度成正比。
(6)信號(hào)處理控制器根據(jù)拇指厚度測(cè)量單元測(cè)量的光程L、直流電壓差ΔUR，算法模塊調(diào)用公式計(jì)算檢測(cè)腔中被測(cè)物體的血糖濃度C，式中，k為常數(shù)。
本實(shí)用新型提出的基于正交雙偏振光和相關(guān)原理的旋光血糖測(cè)量裝置是用調(diào)制的正交雙偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器后產(chǎn)生的光強(qiáng)差值，通過(guò)檢測(cè)該差值得到血糖濃度的值。這種裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)較多的復(fù)雜反饋電路，并且大大減小相位變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，能夠提高測(cè)量的靈敏度和精度，操作簡(jiǎn)便，不需頻繁校準(zhǔn)。方便病人長(zhǎng)期使用，從而實(shí)現(xiàn)非侵入式的、連續(xù)的、小型化的血糖測(cè)量。

圖1為正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置原理框圖 圖2為偏振光通過(guò)光學(xué)元件后偏振面變化圖 圖3為正交雙偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器后產(chǎn)生的光電場(chǎng)矢量差值示意圖 圖4為使用本實(shí)用新型測(cè)量血糖濃度的流程圖 具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置，該裝置包括以下幾部分光學(xué)測(cè)量單元1001、拇指厚度(光程)測(cè)量單元1002、信號(hào)處理與控制單元1003、電源117，其中，光學(xué)測(cè)量單元產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光透射被測(cè)物體，測(cè)量透射光的偏轉(zhuǎn)角，確定兩偏振光的光強(qiáng)分量的差值，輸出包含參考信號(hào)分量的直流電壓至鎖定放大器。該單元包括以下部件帶準(zhǔn)直系統(tǒng)半導(dǎo)體激光發(fā)生器101、起偏器102、法拉第旋光器103、電光調(diào)制器104、檢偏器108、光電接收器109。拇指厚度測(cè)量單元位于光學(xué)測(cè)量單元的電光調(diào)制器和檢偏器之間，根據(jù)被測(cè)物體(如拇指)的厚度，確定光程L的值。本單元包括檢測(cè)腔105、位移傳感器107。信號(hào)處理與控制單元對(duì)來(lái)自光學(xué)測(cè)量單元和拇指厚度測(cè)量單元的信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制法拉第旋光器校正光學(xué)測(cè)量單元中線偏振光的光路誤差和偏振角的旋轉(zhuǎn)，提供檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)，對(duì)輸入電光調(diào)制器的線偏振光進(jìn)行調(diào)制輸出正交雙偏振光；根據(jù)參考信號(hào)鎖定光學(xué)測(cè)量單元輸出的偏振光的光強(qiáng)分量的差值中的參考信號(hào)成分，計(jì)算被測(cè)物體中所包含的血糖濃度。將血糖濃度測(cè)量結(jié)果送入液晶顯示器116中顯示。本單元包括信號(hào)處理控制器115、正負(fù)方波信號(hào)發(fā)生器112、功率放大器113、法拉第旋光器驅(qū)動(dòng)直流電源114、鎖定放大器111等。
半導(dǎo)體激光發(fā)生器產(chǎn)生激光通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直提供檢測(cè)光送入起偏器，起偏器生成線偏振光，法拉第旋光器校正線偏振光的光路誤差和偏振角的旋轉(zhuǎn)，法拉第旋光器的輸出信號(hào)送入電光調(diào)制器，電光調(diào)制器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后產(chǎn)生正交雙偏振光；正交雙偏振光輸入檢測(cè)腔，通過(guò)檢測(cè)腔中的被測(cè)物體后輸出的出射光送入檢偏器得到兩個(gè)偏振分量在檢偏器透光軸上的投影；光電接收器將檢偏器輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，算法模塊計(jì)算兩偏振光的光強(qiáng)分量的差值；前置放大器對(duì)光強(qiáng)分量的差值信號(hào)放大處理后送入鎖定放大器，鎖定并處理差值信號(hào)中包含的參考信號(hào)成分，輸出直流電壓Uout；信號(hào)處理控制器對(duì)輸入的直流電壓Uout進(jìn)行調(diào)節(jié)處理后，輸入法拉第旋光器驅(qū)動(dòng)直流電源輸入端，當(dāng)檢測(cè)腔中未放置被測(cè)物體時(shí)，鎖定放大器輸出的直流電壓Uout減小到設(shè)定值，校準(zhǔn)光學(xué)測(cè)量單元的光路誤差；當(dāng)檢測(cè)腔中放置被測(cè)物體時(shí)，被測(cè)物體中的旋光物質(zhì)(血糖)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)微小角度，鎖定放大器輸出的直流電壓，調(diào)節(jié)加在法拉第旋光器上驅(qū)動(dòng)直流電壓至U1，使鎖定放大器輸出直流電壓Uout重新減小到設(shè)定值，這樣法拉第旋光器上直流電壓差ΔUR＝(U1-U0)就與旋光物質(zhì)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)角度成正比。這樣得到與偏振面偏轉(zhuǎn)角相關(guān)的信號(hào)直流電壓差ΔUR。
方波信號(hào)發(fā)生器為電光調(diào)制器和鎖定放大器提供標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，分別作為檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)，作為檢測(cè)信號(hào)的方波提供給電光調(diào)制器，與線偏振光作用產(chǎn)生正交雙偏振光，作為參考信號(hào)的方波提供給鎖定放大器，鎖定并處理鎖定放大器的信號(hào)中包含的與參考信號(hào)頻率成分一致的信號(hào)。
以下對(duì)本實(shí)用新型所述裝置的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。
(1)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光準(zhǔn)直后的檢測(cè)光通過(guò)起偏器、法拉第旋光器后，送入電光調(diào)制器； (2)正負(fù)方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一系列方波信號(hào)加載在電光調(diào)制器上，對(duì)輸入的檢測(cè)光進(jìn)行調(diào)制，使其產(chǎn)生正交雙偏振光； (3)正交雙偏振光通過(guò)檢測(cè)腔中的被測(cè)物體(如拇指等)，送入偏振方向與起偏器偏振方向相垂直的檢偏器，檢偏器得到兩個(gè)偏振分量在檢偏器透光軸上的投影，將其發(fā)送到光電接收器上，在檢偏器和光電接收器之間還設(shè)置有一透鏡，透鏡對(duì)投影光進(jìn)行會(huì)聚； (4)光電接收器將兩正交雙偏振光光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)前置放大器隔直、放大后，將兩正交雙偏振光光強(qiáng)信號(hào)相減；經(jīng)相減處理后的差值信號(hào)送入鎖定放大器，鎖定放大器根據(jù)方波信號(hào)發(fā)生器提供的參考信號(hào)，從相位和頻率上鎖定并處理差值信號(hào)中包含的與參考信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)成分，輸出直流電壓Uout； (5)由鎖定放大器輸出的直流電壓Uout控制加載到法拉第旋光器(Faraday Rotator)的直流電壓，用于校正光路誤差和補(bǔ)償血糖引起的偏振角的旋轉(zhuǎn)法拉第旋光器上直流電壓差ΔUR＝(U1-U0)與旋光物質(zhì)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)角度成正比。該信號(hào)ΔUR與偏振面偏轉(zhuǎn)角相關(guān)。
(6)由拇指厚度測(cè)量單元測(cè)量放入檢測(cè)腔中的被測(cè)物體的光程長(zhǎng)L，算法模塊通過(guò)公式計(jì)算血糖濃度。
下面針對(duì)附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施進(jìn)行具體說(shuō)明。通過(guò)這些說(shuō)明，本實(shí)用新型的上述原理、目的、優(yōu)點(diǎn)及特征將變得更加清楚。
當(dāng)一束線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)時(shí)，其透射光也是線偏振光，而且偏振方向與原入射光的偏振方向有一個(gè)夾角，這是物質(zhì)的旋光特性。葡萄糖具有穩(wěn)定的旋光特性，通過(guò)測(cè)量透射光的偏轉(zhuǎn)角以及試樣光程長(zhǎng)，可以得出葡萄糖溶液的濃度(即人體血糖濃度)。
描述此物理現(xiàn)象的方程如下式 其中，[α]λ，PHT特征偏轉(zhuǎn)角，單位°/(dm g/L)，該值與入射光的波長(zhǎng)、溶液的溫度、PH值有關(guān)；α偏轉(zhuǎn)角，單位度(°)；C葡萄糖溶液(血糖)的濃度，單位是克每100毫升(g/100ml)；L試樣光程長(zhǎng)，單位分米(dm)。由此可見，所需測(cè)量的血糖濃度與偏轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，這樣，如果測(cè)量出試樣光程長(zhǎng)L和偏轉(zhuǎn)角α，即可計(jì)算出葡萄糖溶液的濃度。而偏轉(zhuǎn)角與加載到法拉第旋光器上的直流電壓差ΔUR成正比，光程長(zhǎng)通過(guò)試樣光程測(cè)量單元得到，于是可根據(jù)公式計(jì)算出血糖濃度，其中k為常數(shù)，與特征偏轉(zhuǎn)角有關(guān)。
圖1為本實(shí)用新型所述正交雙偏振光血糖測(cè)量方法與裝置原理框圖。
半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直系統(tǒng)提供準(zhǔn)直后的激光作為檢測(cè)光，檢測(cè)光通過(guò)起偏器P1成為線偏振光，再通過(guò)法拉第旋光器校正光路誤差和補(bǔ)償血糖引起的偏振角的旋轉(zhuǎn)后，送入電光調(diào)制器。方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一系列正負(fù)方波信號(hào)，方波信號(hào)通過(guò)功率放大器放大后加載到電光調(diào)制器上，對(duì)輸入電光調(diào)制器的線偏振光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)電光調(diào)制器的輸出端輸出正交雙偏振光。
如方波信號(hào)發(fā)生器選擇產(chǎn)生1.2kHz的正負(fù)方波信號(hào)，1.2kHz的正負(fù)方波信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)KDP晶體電光調(diào)制器，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器調(diào)制的出射光的偏振方向就與起偏器輸出的入射光的線偏振光方向成±θ夾角，將出射光再送入檢偏器P2，檢偏器的偏振方向與起偏器的垂直，并在兩偏振光夾角的平分線方向，于是可得到兩個(gè)偏振分量在檢偏器P2透光軸上的投影。設(shè)兩偏振光電場(chǎng)矢量為E，則兩偏振光電場(chǎng)矢量E在檢偏器P2的偏振方向的投影為Esinθ。
檢偏器P2的輸出送入光電接收器，光電接收器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，得到兩偏振光的光強(qiáng)分量分別產(chǎn)生的電信號(hào)，在光路中未放被測(cè)拇指等測(cè)試物體時(shí)，由于光的兩個(gè)偏振分量在檢偏器透光軸上的投影相等，兩路信號(hào)差等于零，得到一個(gè)直流信號(hào)。
圖3顯示了本實(shí)用新型中正交雙偏振光經(jīng)過(guò)檢偏器P2后產(chǎn)生的光電場(chǎng)矢量投影到檢偏器透光軸上的差值示意圖。若在光路中放置被測(cè)拇指，光的偏振方向就會(huì)發(fā)生改變，其中的一個(gè)偏振方向產(chǎn)生的信號(hào)向量的分量增加了，為Esin(θ+α)，而另一個(gè)偏振方向產(chǎn)生的信號(hào)向量的分量減小了，為Esin(θ-α)。
根據(jù)馬呂斯定律，這兩個(gè)光強(qiáng)分量分別為f+α(θ)＝E2sin2(θ+α)，f-α(θ)＝E2sin2(θ-α)，對(duì)兩個(gè)光強(qiáng)分量求差值為 Δf(θ)＝E2sin2(θ+α)-E2sin2(θ-α)(3) θ角的取值范圍是

對(duì)(3)式求導(dǎo)，令其等于0，可得當(dāng)時(shí)，f(θ)取最大值 在血糖水平上，Δfmax＝1.4×10-4E2，這個(gè)差值可以通過(guò)信號(hào)相關(guān)方法檢測(cè)出來(lái)。因?yàn)閮蓚€(gè)偏振分量相互垂直，因此為正交雙偏振光。
光電接收器的輸出經(jīng)前置放大器放大處理，將兩個(gè)偏振分量的電信號(hào)相減，放大后送入鎖定放大器，鎖定并處理信號(hào)中包含的參考信號(hào)成分，輸出直流電壓，該直流電壓Uout與血糖信號(hào)成正比。鎖定放大器輸出的直流電壓送入信號(hào)處理與控制單元，用以控制加載到法拉第旋光器的直流電壓。
鎖定放大器是根據(jù)互相關(guān)檢測(cè)原理做成的相關(guān)檢測(cè)儀器，具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，可測(cè)信號(hào)達(dá)pV量級(jí)。它可采用一個(gè)相敏檢波器(PSD，PhaseSensitive Detector)及積分器來(lái)抑制噪聲，并檢測(cè)出周期信號(hào)的幅值和相位。鎖定放大器從相位和頻率上鎖定并處理信號(hào)中包含的參考信號(hào)(如1.2kHz方波)信號(hào)成分，輸出直流電壓，此直流電壓與探測(cè)器檢測(cè)到的1.2kHz參考信號(hào)成正比。鎖定放大器輸出的直流電壓Uout與血糖信號(hào)成正比。
法拉第旋光器(Faraday Rotator)用于校正光路誤差和補(bǔ)償血糖引起的偏振角的旋轉(zhuǎn)當(dāng)光學(xué)測(cè)量單元中未放置被測(cè)拇指時(shí)，起偏器和檢偏器由于光學(xué)系統(tǒng)的誤差，不可能絕對(duì)垂直，鎖定放大器會(huì)輸出一個(gè)直流電壓Uout，調(diào)節(jié)加在法拉第旋光器上驅(qū)動(dòng)直流電壓U0，鎖定放大器輸出的直流電壓Uout減小到設(shè)定值，這樣光學(xué)測(cè)量單元得到校準(zhǔn)；當(dāng)光學(xué)測(cè)量單元的檢測(cè)腔中放置被測(cè)拇指時(shí)，被測(cè)拇指中的旋光物質(zhì)(血糖)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)微小角度，從鎖定放大器輸出直流電壓，調(diào)節(jié)加在法拉第旋光器上驅(qū)動(dòng)直流電壓至U1，使鎖定放大器輸出直流電壓Uout重新減小到設(shè)定值，這樣法拉第旋光器上直流電壓差ΔUR＝(U1-U0)就與旋光物質(zhì)使光的偏振面方向轉(zhuǎn)過(guò)角度成正比。這樣得到與偏振面偏轉(zhuǎn)角相關(guān)的信號(hào)ΔUR。
調(diào)用算法模塊中計(jì)算血糖濃度的公式(1)計(jì)算放入檢測(cè)腔中的被測(cè)物體的血糖濃度，送入顯示器中顯示測(cè)試結(jié)果。檢測(cè)腔中包括位移傳感器，用于測(cè)量被測(cè)拇指厚度L，即光程長(zhǎng)度。
圖2所示為偏振光通過(guò)光學(xué)元件后偏振面變化示意圖。
光源為半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光(波長(zhǎng)可為650nm、功率5mW)，準(zhǔn)直后的激光束210通過(guò)起偏器P1后成為線偏振光(X方向)220，然后通過(guò)KDP晶體電光調(diào)制器，KDP晶體電光調(diào)制器輸出的出射光的偏振方向就與入射的線偏振光方向成±θ角(X±θ方向)240，當(dāng)θ角為45度時(shí)，成為正交雙偏振光；這束光再通過(guò)檢偏器P2，檢偏器P2的方向與起偏器P1偏振方向垂直，即在兩偏振光夾角的平分線方向，于是可得到兩個(gè)偏振分量在檢偏器透光軸上的投影260，最后用光電接收器接收投射過(guò)來(lái)的光束，光電接收器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在檢偏器和光電接收器之間可加一凸透鏡匯聚光束。
法拉第旋光器(Faraday Rotator)，是利用磁致旋光物質(zhì)的磁致旋光效應(yīng)。線偏振光經(jīng)過(guò)磁致旋光物質(zhì)后，偏振方向偏轉(zhuǎn)Φ角度。
Φ＝VHL(5) 其中，V是磁光物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)，L是磁光物質(zhì)的長(zhǎng)度，H是磁場(chǎng)強(qiáng)度。
下面以一具體實(shí)例對(duì)利用本血糖測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。
圖4為本裝置在整體操作時(shí)的流程圖，主要包括4個(gè)步驟，步驟1系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)測(cè)模式，確定血糖測(cè)量過(guò)程中所需的相關(guān)參數(shù)(系數(shù)k，通過(guò)調(diào)測(cè)模式確定)；步驟2測(cè)量拇指厚度L，以及檢測(cè)鎖定放大器輸出直流電壓Uout；步驟3確定Uout是否大于預(yù)設(shè)值，如果Uout大于預(yù)設(shè)值，則執(zhí)行步驟4；步驟4調(diào)整法拉第旋光器驅(qū)動(dòng)直流電壓Uo，以減小Uout，直至Uout小于預(yù)設(shè)值；步驟5算法模塊調(diào)用血糖測(cè)量公式(1)確定血糖濃度；步驟6測(cè)量結(jié)果送入顯示器中顯示。
權(quán)利要求1、一種正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置，光學(xué)測(cè)量單元中半導(dǎo)體激光發(fā)生器提供檢測(cè)光；起偏器根據(jù)檢測(cè)光產(chǎn)生線偏振光；拇指厚度測(cè)量單元位于電光調(diào)制器和檢偏器之間確定光程值L，其特征在于，信號(hào)處理與控制單元對(duì)來(lái)自光學(xué)測(cè)量單元和拇指厚度測(cè)量單元的信號(hào)進(jìn)行處理；方波信號(hào)發(fā)生器為光學(xué)測(cè)量單元提供參考信號(hào)及檢測(cè)信號(hào)；檢測(cè)信號(hào)反饋到電光調(diào)制器對(duì)輸入電光調(diào)制器的線偏振光進(jìn)行調(diào)制輸出正交雙偏振光；正交雙偏振光通過(guò)被測(cè)物體送入檢偏器得到兩個(gè)偏振分量在檢偏器透光軸上的投影；鎖定放大器根據(jù)參考信號(hào)鎖定并處理光電接收器輸出的正交雙偏振光光強(qiáng)分量的差值中的參考信號(hào)成分，輸出直流電壓；信號(hào)處理控制器根據(jù)直流電壓確定加載到法拉第旋光器上的直流電壓差ΔUR，根據(jù)直流電壓差及光程確定放入檢測(cè)腔中的被測(cè)物體的血糖濃度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖測(cè)量裝置，其特征在于，所述電光調(diào)制器為KDP晶體電光調(diào)制器，電光調(diào)制器使出射光的偏振方向與入射光偏振方向成±45度，產(chǎn)生正交雙偏振光。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖測(cè)量裝置，其特征在于，在檢偏器和光電接收器之間加一凸透鏡匯聚光束。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖測(cè)量裝置，其特征在于，在檢測(cè)腔和信號(hào)處理與控制部分之間還有位移傳感器。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖測(cè)量裝置，其特征在于，方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1.2kHz的正負(fù)方波信號(hào)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的血糖測(cè)量裝置，其特征在于，信號(hào)處理控制器調(diào)用公式計(jì)算血糖濃度C，式中，k為常數(shù)。
專利摘要本實(shí)用新型請(qǐng)求保護(hù)一種正交雙偏振光無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量裝置，涉及醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，光學(xué)測(cè)量單元產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光透射被測(cè)物體，采用正交雙偏振光，將所測(cè)量的血糖信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)偏振方向的信號(hào)強(qiáng)度差；輸出包含參考信號(hào)分量的直流電壓，直流電壓大于設(shè)定值時(shí)，改變加載到法拉第旋光器上的驅(qū)動(dòng)直流電壓，使鎖定放大器輸出的直流電壓低于設(shè)定值，從而對(duì)正交雙偏振光進(jìn)行校正和補(bǔ)償，增強(qiáng)微弱血糖信號(hào)檢測(cè)靈敏度，以消除光學(xué)系統(tǒng)的誤差和光源波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，最后通過(guò)加載到法拉第旋光器上的驅(qū)動(dòng)直流電壓差以及被測(cè)物體的光程計(jì)算病人的血糖濃度，本血糖測(cè)量裝置是一種無(wú)創(chuàng)式的血糖測(cè)量裝置，可以進(jìn)行血糖的連續(xù)檢測(cè)，并保證測(cè)量精度。
文檔編號(hào)A61B5/145GK201147318SQ20072018795
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者吳寶明, 洪 王, 豫 卓, 馮正權(quán), 何慶華, 閆慶廣 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所