本發(fā)明屬于生物組織參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

糖尿病是一種由于胰島素分泌缺陷或生物學(xué)作用障礙引起的以高血糖為特征的代謝性疾病。它是當(dāng)前威脅全球人類健康的最重要的慢性非傳染性疾病之一。目前，大多數(shù)自我監(jiān)控血糖儀采用微創(chuàng)血糖檢測(cè)方法，該方法既給患者帶來了痛楚也增加了感染風(fēng)險(xiǎn)。

中國專利201519152.1公開了一種《無創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)》，包括光源模塊、光傳導(dǎo)模塊、光檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，該系統(tǒng)既可以采用透射的方式也可以采用反射的方式進(jìn)行血糖檢測(cè)?，F(xiàn)有的無創(chuàng)檢測(cè)儀器多選擇手指、耳垂、手掌等部位作為檢測(cè)對(duì)象，雖然該部位包含血糖成分信息，但由于其組織成分復(fù)雜，且受體溫、人體機(jī)能狀態(tài)等影響較大，因此測(cè)量精度很難保證。

德國Wurzburg大學(xué)的Wolfgang Schrader等在《Non-invasive glucose determination in the human eye 》一文中以房水作為檢測(cè)對(duì)象，建立了無創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)，其選擇從晶狀體表面反射回的光作為檢測(cè)光譜，但由于晶狀體反射率很低，因此獲取的光譜信號(hào)信噪比較低，檢測(cè)精度大受影響。

現(xiàn)有的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置體積龐大，檢測(cè)精度較低，成本較為昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置，克服了傳統(tǒng)微創(chuàng)檢測(cè)對(duì)病人手指的損傷，在無創(chuàng)檢測(cè)的前提下，利用組織成分單純的房水作為檢測(cè)對(duì)象，提高了檢測(cè)的精度。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置，包括鹵鎢燈、帶通濾光片、注視目標(biāo)、近紅外光譜儀、數(shù)據(jù)處理模塊、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊和LED屏；帶通濾光片設(shè)置在鹵鎢燈的出光口，注視目標(biāo)位于人眼正前方，鹵鎢燈和近紅外光譜儀均位于人眼斜前方，鹵鎢燈和近紅外光譜儀分別位于注視目標(biāo)的兩側(cè)，近紅外光譜儀、數(shù)據(jù)處理模塊、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊和LED屏依次連接；鹵鎢燈產(chǎn)生連續(xù)的近紅外光束，經(jīng)帶通濾光片濾光后變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)在1500~1800 nm范圍內(nèi)的近紅外光，以傾斜方向入射到人眼，經(jīng)人眼的角膜和房水透射后入射虹膜，再經(jīng)人眼虹膜的反射，第二次通過房水區(qū)域，出射的近紅外光中包含房水內(nèi)的葡萄糖含量信息；近紅外光譜儀對(duì)出射的近紅外光進(jìn)行收集，并分析得到其光譜數(shù)據(jù)信息，再將其送入數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)送入人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊，得到準(zhǔn)確的血糖值，并在LED屏上顯示。

所述的鹵鎢燈的波長(zhǎng)范圍是600 ~2500 nm，帶通濾光片的中心波長(zhǎng)為1650 nm，半峰寬為150 nm。

所述數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理包括以下步驟：噪聲濾除、歸一化處理及光譜范圍的優(yōu)化選擇。

所述人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊中人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立方法如下：

步驟1：建立人造前房模型，將人造房水溶液注入人造前房模型，以填充了人造房水溶液的人造前房模型作為校正集；

步驟2：應(yīng)用近紅外光譜儀從校正集中采集人造前房模型中返回的包含人造房水溶液內(nèi)葡萄糖含量信息的近紅外光譜數(shù)據(jù)；

步驟3：對(duì)測(cè)得的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

步驟4：對(duì)預(yù)處理后的近紅外光譜數(shù)據(jù)利用偏最小二乘法將人造房水溶液中實(shí)際葡萄糖含量與經(jīng)光譜預(yù)處理后的人造房水溶液的近紅外光譜數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用完全交互檢驗(yàn)驗(yàn)證法對(duì)所建模型的擬合及預(yù)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而建立起基于近紅外光譜信息的人眼中葡萄糖含量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。

所述步驟1中人造前房模型包括有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板，有機(jī)玻璃接觸鏡模仿角膜，石英平板模仿虹膜，在有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充調(diào)配好的人造房水溶液。

所述有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充的人造房水溶液體積為50~80 μL，從石英平板的內(nèi)表面到有機(jī)玻璃接觸鏡的內(nèi)表面距離為3.00~3.35 mm。

所述步驟1中人造房水溶液以0.9%的生理鹽水為基底，人造房水溶液的pH值為8，葡萄糖濃度為1~30 mmol/L，濃度間隔為1 mmol/L，各組分物質(zhì)濃度的協(xié)方差為0。

所述步驟2的近紅外光譜儀的采樣方式為反射，光譜掃描范圍為1500~1800 nm，分辨率為2 nm，對(duì)校正集中的每一個(gè)樣品重復(fù)掃描三次，取平均值作為樣品近紅外光譜。

所述步驟3中預(yù)處理包括噪聲濾除、歸一化處理、數(shù)據(jù)篩選、光譜范圍的優(yōu)化選擇、中心化及標(biāo)準(zhǔn)化處理。

所述步驟3中預(yù)處理選取的譜區(qū)范圍為1500~1800 nm，17點(diǎn)平滑處理，4個(gè)主成分?jǐn)?shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）以人眼為檢測(cè)對(duì)象，利用人眼房水這一組織成分單純的優(yōu)良的光學(xué)介質(zhì)，采用光線傾斜入射角膜，經(jīng)房水后由虹膜反射回，并再次經(jīng)過房水出射，相較于從晶狀體前表面反射，出射近紅外光譜信號(hào)的信噪比有了很大程度的提高。

（2）在分析波段的選取上，選擇1500~1800 nm的波段作為主分析峰，區(qū)別于一般的800~2500 nm的全譜段分析，能夠提高光譜分析的精度，保證血糖檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（3）無創(chuàng)檢測(cè)的方式相較于微創(chuàng)檢測(cè)可以消除感染風(fēng)險(xiǎn)，減輕檢測(cè)的不適感。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置的光路圖。

圖3為本發(fā)明的人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立流程圖。

圖4為本發(fā)明的人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型中的人造前房模型圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1和圖2，一種基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置，包括鹵鎢燈1、帶通濾光片2、注視目標(biāo)3、近紅外光譜儀4、數(shù)據(jù)處理模塊5、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6和LED屏7。帶通濾光片2設(shè)置在鹵鎢燈1的出光口，注視目標(biāo)3位于人眼正前方，鹵鎢燈1和近紅外光譜儀4分別位于注視目標(biāo)3的兩側(cè)，近紅外光譜儀4、數(shù)據(jù)處理模塊5、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6和LED屏7依次連接。鹵鎢燈1產(chǎn)生連續(xù)的近紅外光束，經(jīng)帶通濾光片2濾光后變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)在1500~1800 nm范圍內(nèi)的近紅外光，以傾斜方向注入到人眼，經(jīng)人眼的角膜和房水透射后入射虹膜，經(jīng)過人眼虹膜的反射后，第二次通過房水區(qū)域，出射的近紅外光中包含房水內(nèi)的葡萄糖含量信息。近紅外光譜儀4對(duì)出射的近紅外光進(jìn)行收集，并分析得到其光譜數(shù)據(jù)信息，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊5。數(shù)據(jù)處理模塊5對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)送入人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6，得到準(zhǔn)確的血糖值，并在LED屏7上顯示。

所述的鹵鎢燈1的波長(zhǎng)范圍是600 ~2500 nm，帶通濾光片2的中心波長(zhǎng)為1650 nm，半峰寬為150 nm。

所述數(shù)據(jù)處理模塊5對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理包括以下步驟：噪聲濾除、歸一化處理及光譜范圍的優(yōu)化選擇。

結(jié)合圖3和圖4，所述人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊5中人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立方法如下：

步驟1：建立人造前房模型，將人造房水溶液注入人造前房模型，以填充了人造房水溶液的人造前房模型作為校正集；

步驟2：應(yīng)用近紅外光譜儀從校正集中采集人造前房模型中返回的包含人造房水溶液內(nèi)葡萄糖含量信息的近紅外光譜數(shù)據(jù)；

步驟3：對(duì)測(cè)得的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

步驟4：對(duì)預(yù)處理后的近紅外光譜數(shù)據(jù)利用偏最小二乘法將人造房水溶液中實(shí)際葡萄糖含量與經(jīng)光譜預(yù)處理后的人造房水溶液的近紅外光譜數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用完全交互檢驗(yàn)驗(yàn)證法對(duì)所建模型的擬合及預(yù)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而建立起基于近紅外光譜信息的人眼中葡萄糖含量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。

所述步驟1中人造前房模型包括有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板，有機(jī)玻璃接觸鏡模仿角膜，石英平板模仿虹膜，在有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充調(diào)配好的人造房水溶液。

所述有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充的人造房水溶液體積為50~80 μL，從石英平板的內(nèi)表面到有機(jī)玻璃接觸鏡的內(nèi)表面距離為3.00~3.35 mm。

所述步驟1中人造房水溶液以0.9%的生理鹽水為基底，人造房水溶液的pH值為8，葡萄糖濃度為1~30 mmol/L，濃度間隔為1 mmol/L，各組分物質(zhì)濃度的協(xié)方差為0。

所述步驟2的近紅外光譜儀的采樣方式為反射，光譜掃描范圍為1500~1800 nm，分辨率為2 nm，對(duì)校正集中的每一個(gè)樣品重復(fù)掃描三次，取平均值作為樣品近紅外光譜。

所述步驟3中預(yù)處理包括噪聲濾除、歸一化處理、數(shù)據(jù)篩選、光譜范圍的優(yōu)化選擇、中心化及標(biāo)準(zhǔn)化處理。

所述步驟3中預(yù)處理選取的譜區(qū)范圍為1500~1800 nm，17點(diǎn)平滑處理，4個(gè)主成分?jǐn)?shù)。

實(shí)施例1

結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明一種基于人眼虹膜反射房水近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測(cè)裝置，包括鹵鎢燈1、帶通濾光片2、注視目標(biāo)3、近紅外光譜儀4、數(shù)據(jù)處理模塊5、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6和LED屏7。帶通濾光片2設(shè)置在鹵鎢燈1的出光口，注視目標(biāo)3位于人眼正前方，鹵鎢燈1和近紅外光譜儀4分別位于注視目標(biāo)3的兩側(cè)，近紅外光譜儀4、數(shù)據(jù)處理模塊5、人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6和LED屏7依次連接。鹵鎢燈1產(chǎn)生連續(xù)的近紅外光束，經(jīng)帶通濾光片2濾光后變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)在1500~1800 nm范圍內(nèi)的近紅外光，以傾斜45°角方向注入到人眼，經(jīng)人眼的角膜和房水透射后入射虹膜，經(jīng)過人眼虹膜的反射后，第二次通過房水區(qū)域，出射的近紅外光中包含房水內(nèi)的葡萄糖含量信息。近紅外光譜儀4對(duì)出射的近紅外光進(jìn)行收集，并分析得到其光譜數(shù)據(jù)信息，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊5。數(shù)據(jù)處理模塊5對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)送入人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊6，得到準(zhǔn)確的血糖值，并在LED屏7上顯示。

所述的鹵鎢燈1的波長(zhǎng)范圍是600 ~2500 nm，帶通濾光片2的中心波長(zhǎng)為1650 nm，半峰寬為150 nm。

所述數(shù)據(jù)處理模塊5對(duì)光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理包括以下步驟：噪聲濾除、歸一化處理及光譜范圍的優(yōu)化選擇。

結(jié)合圖2，選用鹵鎢燈1作為近紅外光源，其優(yōu)點(diǎn)主要包括波帶范圍寬、發(fā)光性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等。在鹵鎢燈1光源后插入中心波長(zhǎng)為1650 nm的帶通濾光片2，選擇波長(zhǎng)為1500~1800 nm的光進(jìn)入人眼。經(jīng)過會(huì)聚透鏡組后，以45°的角度傾斜入射角膜，入射光線經(jīng)過角膜和房水后照射在虹膜表面，經(jīng)過虹膜的反射，再次通過房水并經(jīng)過角膜出射。圖2 人眼局部放大框圖中，L表示傾斜45°角的入射光線，A表示經(jīng)角膜前表面反射的光線，B表示經(jīng)角膜前表面透射后從角膜后表面反射的光線，C表示經(jīng)角膜和房水透射后從虹膜反射的光線。根據(jù)反射定律及浦-桑二氏（Purkinje-Sanson）像，僅對(duì)從虹膜表面反射回的兩次經(jīng)過房水的光線即光線C進(jìn)行會(huì)聚，并用光纖采集。為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用發(fā)光的注視目標(biāo)3實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程中人眼位置的相對(duì)固定。

結(jié)合圖3和圖4，所述人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型模塊5中人眼房水葡萄糖含量近紅外光譜預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立方法如下：

步驟1：建立人造前房模型，將人造房水溶液注入人造前房模型，以填充了人造房水溶液的人造前房模型作為校正集；

步驟2：應(yīng)用近紅外光譜儀從校正集中采集人造前房模型中返回的包含人造房水溶液內(nèi)葡萄糖含量信息的近紅外光譜數(shù)據(jù)；

步驟3：對(duì)測(cè)得的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

步驟4：對(duì)預(yù)處理后的近紅外光譜數(shù)據(jù)利用偏最小二乘法將人造房水溶液中實(shí)際葡萄糖含量與經(jīng)光譜預(yù)處理后的人造房水溶液的近紅外光譜數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用完全交互檢驗(yàn)驗(yàn)證法對(duì)所建模型的擬合及預(yù)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而建立起基于近紅外光譜信息的人眼中葡萄糖含量的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。

所述步驟1中人造前房模型包括有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板，有機(jī)玻璃接觸鏡模仿角膜，石英平板模仿虹膜，在有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充調(diào)配好的人造房水溶液。

所述有機(jī)玻璃接觸鏡和石英平板間填充的人造房水溶液體積為60 μL，從石英平板的內(nèi)表面到有機(jī)玻璃接觸鏡的內(nèi)表面距離為3.13 mm。

所述步驟1中人造房水溶液以0.9%的生理鹽水為基底，人造房水溶液的pH值為8，葡萄糖濃度為1~30 mmol/L，濃度間隔為1 mmol/L，各組分物質(zhì)濃度的協(xié)方差為0。

所述步驟2的近紅外光譜儀的采樣方式為反射，光譜掃描范圍為1500~1800 nm，分辨率為2 nm，對(duì)校正集中的每一個(gè)樣品重復(fù)掃描三次，取平均值作為樣品近紅外光譜。

所述步驟3中預(yù)處理包括噪聲濾除、歸一化處理、數(shù)據(jù)篩選、光譜范圍的優(yōu)化選擇、中心化及標(biāo)準(zhǔn)化處理。

所述步驟3中預(yù)處理選取的譜區(qū)范圍為1500~1800 nm，17點(diǎn)平滑處理，4個(gè)主成分?jǐn)?shù)。

本發(fā)明通過人眼虹膜反射的方法，采集包含房水中葡萄糖含量信息的近紅外光譜，并將光譜數(shù)據(jù)代入已構(gòu)建好的數(shù)學(xué)模型中，從而計(jì)算得出人體的血糖含量。整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，在對(duì)人體無損傷的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)血糖的準(zhǔn)確檢測(cè)，有較大的應(yīng)用前景。