基于巩膜血管检测的无创血糖检测系统的研发

摘要

本文采用了智能视觉成像与识别技术，振镜激光投射控制技术，近红外光漫反射与拉曼散射等技术，研发构建出一个基于人眼巩膜血管血液检测的可对人血进行直接实时无损测定的眼巩膜血管无创实时血糖检测系统。这个系统包括以下几个部分：1）可快速识别出血管，并能得到血管相应的空间坐标信息的智能巩膜血管成像及识别系统；2）将激光投射到振镜中的光路传输系统；3）通过一对振镜将激光准确投射到巩膜血管上的激光投射控制系统；4）积分球收集漫反射光系统；5）光电转换、放大、采集电路；6）数据采集与处理系统。7）拉曼散射检测系统。通过此系统，本文实现了对模拟人眼巩膜血管无损血糖直接与实时检测，并使用葡萄糖溶液、不同浓度血糖的血样本及模拟眼球血管血等样品和方式分别以近红外漫反射法和拉曼散射两种方法验证了对巩膜血管无创实时血糖检测系统的功能与性能。 本研究表明，本文所研发的无损血糖检测系统可完成如下功能： 1.血管识别定位系统可以一两秒内准确快速地识别出血管，并能得到血管相应的空间坐标信息。通过该识别定位系统将血管坐标信息传送给振镜系统，可使振镜在0.3秒内准确地将激光投射到标定的照射点。 2.积分球光采集系统可以实现收集巩膜血管的漫反射光。此外，将光电探测器、激光振镜投射系统和图像采集系统整合为一个整体，大大节约了空间利用率，使仪器小型化。 3.基于LabVIEW编写的软件实现了图像采集、识别、定位以及光电信号采集处理，可以有效地得到漫反射光转换后的电压信号，并将其经滤波等处理后，可得到人血实时血糖等相关数据。 4.拉曼光谱检测系统可以检测到模拟眼球血管中全血的不同浓度的1125cm-1处拉曼峰值与1549cm-1处的拉曼峰值的比值成线性变化。 5.研发出来的无创血糖检测系统，不但可以测量葡萄糖溶液，还可以测量血样本的血糖浓度变化情况，更进一步可以得到在眼球模型中血管血的血糖浓度的变化以及在不同位置均能较稳定准确地测量血糖浓度，证明了近红外漫反射法和拉曼散射法巩膜血管无创实时血糖检测系统的功能与性能。 本研究的创新点主要在于： 1.首次提出采用巩膜血管作为无损血糖检测的对象，实现对血液血糖直接无损实时检测。 2.以智能图像识别和控制技术，实现对巩膜血管的快速识别与定位，并精准投射激光对之进行照射测量。 3.首次分别以检测巩膜血管的漫反射光和拉曼散射光的方式实现对血管血的直接快速测定，从而获得真正的实时血糖信息，减少及避免不同人体组织的差异及非直接血液测定而引起的测量误差和时相延误。 本文通过研究基于巩膜血管检测的无创血糖检测的方法，提出了近红外漫反射法和拉曼光谱法两种检测手段用于血糖的无创检测。这样的无创血糖检测系统可望可真正实现对人血血糖的直接实时无损检测，具有重要的使用价值。

目录

第一个书签之前

绪论

1.1引言

1.2血糖检测的现状

1.2.1有创检测

1.2.2无创检测

1.3本文研发无损血糖检测系统的研究思路

1.4近红外光无损血糖检测原理

1.4.1近红外漫反射光无损血糖检测原理

1.4.2拉曼光谱无损血糖检测原理

1.5本文研究方法和技术路线

1.5.1检测系统流程

1.5.2本文主要研究内容

1.6本文的创新点和技术特色

1.7本文结构安排

检测光路模块的设计与制作

2.1光路的总体概述

2.2检测光源和照射点的选择

2.3光纤传导模块设计及选择

2.3.1光纤

2.3.2光纤连接器

2.3.3光纤耦合器

2.4 振镜设计

2.5成像系统设计

2.6积分球设计

2.7光电探测器

2.7.1光电倍增管

2.7.2光电二极管

2.8拉曼散射光收集与检测

2.9高仿真眼球模型的设计与结构

2.9.1 人眼结构概述

2.9.2 用于检测的巩膜血管

2.9.3 眼球模型设计

2.10小结

系统硬件电路的设计和制作

3.1系统电路的总体概述

3.2整机电源

3.3激光驱动电路

3.4 图像采集模块

3.5 激光投射振镜控制电路

3.6漫反射光电信号采集与放大

3.7引导光源与其它电路

3.8 小结

系统软件的设计和制作

4.1 软件的开发平台总体概述

4.1.1虚拟仪器技术

4.1.2 LabVIEW概述

4.1.3 LabVIEW应用程序

4.2 图像智能识别软件模块

图像处理与识别算法

4.2.2复杂背景下的巩膜血管识别

4.3 靶血管位置定标软件模块

4.3.1标定基本理论

4.3.2标定方法

4.3.3 标定软件设计

4.4振镜控制软件模块

4.5 数据采集与数据处理软件

4.6整机控制与显示软件

4.7小结

本巩膜血管无损血糖检测系统性能测试与分析

5.1 整机运行程序测试

5.2血管成像与识别系统及激光投射系统性能测试

5.2.1 模拟血管成像与识别性能测试

5.1.2 激光功率及光斑大小测试

5.1.3激光投射性能测试

5.2近红外光漫反射法检测葡萄糖溶液

5.3近红外光漫反射法测量模拟眼球血管不同位置的全血

5.3.1 血液样品的准备

5.3.2 血样检测

5.3.3 激光投射沿Y轴的位置变化

5.3.4 激光投射沿X轴的位置变化

5.4近红外光漫反射法测量不同血糖浓度的全血

5.4.1 血液样品的准备

5.4.2 无模拟眼球条件下毛细管中血样的检测

5.4.3 有模拟眼球条件下近红外漫反射法检测不同血糖浓度血样

5.5拉曼光谱无损血糖检测系统测试

5.6近红外漫反射法与拉曼光谱法的比较分析

5.7 小结

总结与展望

攻读博士学位期间发表的学术论文