光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、血糖檢測(cè)儀是糖尿病患者檢測(cè)血糖的主要工具，但目前存在的血糖檢測(cè)儀多是有創(chuàng)的，存在患者的順從性差和限制血糖監(jiān)測(cè)頻率的主要缺點(diǎn)。因此，研發(fā)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀具有重要的意義。最近三十年，許多大學(xué)和公司試圖探索各種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度的方法，包括光譜法以及光學(xué)相干斷層掃描法等。
　　光學(xué)偏振法被認(rèn)為是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)眼前房水中的葡萄糖濃度來(lái)確定人體血糖水平，其基本原理是：當(dāng)線偏振光通過(guò)房水后，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與前

2、房水內(nèi)的葡萄糖濃度成正比，且房水內(nèi)的葡萄糖糖濃度與血糖濃度具有相關(guān)性，因此，可確定血糖濃度。目前，偏振法實(shí)現(xiàn)的首要限制因素是眼偽運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)變雙折射，時(shí)變雙折射是雙波長(zhǎng)系統(tǒng)的共同噪聲源，為了減少其影響，前輩采用實(shí)時(shí)反饋方法，提出閉環(huán)雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)，該系統(tǒng)中主要缺點(diǎn)為：響應(yīng)時(shí)間較慢，不利于降低噪聲；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配置兩個(gè)光電探測(cè)器以區(qū)分不同波長(zhǎng)的光信號(hào)和存在電磁干擾和1f噪聲。本論文針對(duì)目前雙波長(zhǎng)偏振檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，主要進(jìn)行了如下研究工作

3、：
　　首先，提出雙調(diào)制偏振測(cè)量方法。雙調(diào)制是激光強(qiáng)度調(diào)制（fc）結(jié)合同步的法拉第偏振調(diào)制(fm），該方法提高了鎖相放大器檢測(cè)信號(hào)的頻率（從fm提高到fc±fm），從而減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。基于光學(xué)元器件歸一化瓊斯矩陣，理論推導(dǎo)了探測(cè)光強(qiáng)度表達(dá)式，得出fc±fm的邊頻信號(hào)強(qiáng)度大小隨旋轉(zhuǎn)角Φ線性變化，Φ與血糖濃度滿足正比關(guān)系。由數(shù)字鎖相放大器檢測(cè)攜帶有用信息?的邊頻信號(hào)，輸出與邊頻信號(hào)強(qiáng)度成正比的直流電壓，經(jīng)PID（比例-積分-微分）

4、控制器輸出補(bǔ)償電壓，用于驅(qū)動(dòng)法拉第補(bǔ)償器抵消血糖引起Φ變化，補(bǔ)償電壓與血糖濃度滿足線性關(guān)系，從而得到血糖濃度。
　　其次，采用實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋法，設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試了雙調(diào)制單波長(zhǎng)偏振無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間由補(bǔ)償電壓的上升時(shí)間來(lái)確定，補(bǔ)償電壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間小于10ms，相比于報(bào)道的實(shí)時(shí)、閉環(huán)雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)提高了近30倍，結(jié)果表明，雙調(diào)制具有減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的能力。對(duì)變化范圍為0-600mg/dl、間隔為100mg/dl的葡萄糖

5、溶液濃度進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，葡萄糖檢測(cè)濃度與實(shí)際濃度具有很高的線性度，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9979，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差小于10mg/dl。偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度優(yōu)于0.4×10-3度，達(dá)到了所報(bào)道的精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙調(diào)制偏振測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)。
　　再次，為了減輕偽運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)變雙折射的影響，設(shè)計(jì)、構(gòu)建及測(cè)試了雙調(diào)制雙波長(zhǎng)偏振無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)。雙調(diào)制使該系統(tǒng)所需的探測(cè)器數(shù)量減為1，結(jié)合優(yōu)化的PID（比例-積分-微分）控制器參數(shù)，相比于先前的實(shí)時(shí)、閉環(huán)雙

6、波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高了響應(yīng)速度。在靜止?fàn)顟B(tài)即無(wú)雙折射存在和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即雙折射存在的情況下，對(duì)葡萄糖溶液濃度進(jìn)行測(cè)量，在靜止?fàn)顟B(tài)下，利用多元線性回歸分析法，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9996，三次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為4.26mg/dl、4.43mg/dl和5.63mg/dl；在運(yùn)動(dòng)情況下，單波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)無(wú)法預(yù)測(cè)葡萄糖濃度，這是由于雙折射對(duì)信號(hào)變化有影響，然而，利用雙波長(zhǎng)得到的信息和多元線性回歸算法，可補(bǔ)償由雙折射引起的定量信號(hào)變化，

7、標(biāo)準(zhǔn)誤差為13.0mg/dl、13.7mg/dl和13.9mg.dl，因而，雙調(diào)制、雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)可彌補(bǔ)眼運(yùn)動(dòng)引起的較小變化。另外，激光由交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光同時(shí)結(jié)合法拉第偏振矢量調(diào)制，可減小電磁干擾和1/f噪聲，有提高系統(tǒng)信噪比的潛力。
　　最后，由于實(shí)際角膜雙折射產(chǎn)生的生理噪聲與試管情況下不同，在眼耦合裝置的幫助下對(duì)眼模型內(nèi)的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量研究。裝置基于光反射原理，用來(lái)耦合通過(guò)人造眼前房室的光，使光沿直線通過(guò)前房室，減少雙折射