新型无创血糖仪探测器的设计

一、引言

无创血糖检测方法不需刺破皮肤采血，极大地改善了糖尿病患者频繁取血带来的不便和痛苦，近年来已经成为了发达国家在生物医学工程领域的重要课题。目前研究的重点是光学血糖无损检测，在光学血糖无损检测中，光纤探测器的设计是血糖无损检测中的一个重要环节，也是血糖无损检测成功的关键。

Thennadil[1]等对真皮组织液与静脉、毛细血管等三个不同部位的葡萄糖浓度在血糖浓度变化过程中的相关性进行了系统的研究。从表 1 中可以看出，人体的真皮组织液与血液中的葡萄糖浓度具有极好的相关性。光学血糖无损检测光纤探测器共有两种结构：漫反射结构、透射结构。据有关研究可知，反射回来的光来自表皮层的漫反射光子占 64%，来自真皮层的漫反射光子占 36%，来自皮下组织的几乎可以忽略不计[2]。因此，血糖无损检测研究的重点是检测到经过真皮层反射到皮肤表面且带有大量血糖信息的漫反射光。

二、系统入射光三波长的选择

对于人体血糖浓度的无创测量而言，波长应该选择一部分光谱对血糖浓度很敏感，另一部分光谱对血糖变化敏感度较低，这样才能最大限度地减小血液中其它成份的影响。一般利用的是葡萄糖的倍频和合频吸收区域，此时水的吸收占主要优势，光在组织中的衰减程度十分严重，导致测量光的信噪比较低，严重影响测量精度。葡萄糖在倍频区的吸收主要集中在 1530~850 nm 内，其主要的吸收峰在 1613 nm，因此将信号波长选为 1610 nm。另外为避免血液中血色素和胆固醇等的干扰，另外选择两个参考波长 λ2=1200 nm，λ3=1350 nm来提高测量准确度[3]。系统采用多波长传感器阵列发射 3 个离散波长的入射信号，来对经过真皮层回到皮肤的漫反射光信号分析，测量部位在手指，这样收集到的信息就比较全面，以便从各种衰减因素，如水份、皮肤、血液、蛋白等血液成份的光谱中提取足够的信号，有效地测量出血糖浓度，得到比单一传感器更精确的血糖值，工作也比单传感器稳定。由于阵列技术使各自波长通道的信息分布到各自的传感器，因此由动态范围和光噪声引起的误差问题不会很严重。

三、光纤探测器结构与参数设计

蒙特卡罗方法是一种统计模拟随机抽样方法，为了确定探测器结构及参数，采用蒙特卡洛方法对模拟光在皮肤组织中的传播过程进行了模拟[4]。在模拟时取光束的总功率为 1J，被模拟光子的数量是 10 万个，组织光学参数如表 2。

用蒙特卡罗方法得到皮肤组织表面径向分辨的漫反射率与径向距离 r 和出射角 α 的一维变化关系如图 2、图 3所示。结果表明在设计光纤探测器时，光源—探测器距离在 0.05cm~0.1cm 范围内选择，探测器边缘的光入射角 α 不小于 10o，有助于检测更多的漫反射光信号，提高系统检测准确度。