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MSP430光电微损法血糖监测设计方案
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2017-10-29
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WHO在2007年报告中指出，目前全世界有糖尿病（DM）患者1.7亿，预测到2025年将剧增至2.99亿，糖尿病已成为世界第五位死亡原因［1］。我国DM患者占3.3%。胰岛素疗法是所有胰岛素依赖型糖尿病人的主要治疗方法。而胰岛素剂量确定的基础是严密监察血糖的控制情况。在常用的评估病情的手段中，静脉血糖与毛细血管血糖测定是目前最直接的评估血糖控制的方法，后者更是适合家庭和病人自我血糖监护的方法。研究证明，长期严格的血糖监测，可预防或延缓糖尿病并发症的发生和发展［2］。因此，本文设计了适合糖尿病患者在家庭中实现血糖自我监护的监测系统。
1 设计原理
1.1 测量原理
将血样滴在含有氧化葡萄糖的氧化酶（GOD）的试纸上，血样中的葡萄糖被GOD氧化为葡萄糖酸内脂（Gluconic acid），此物质与试剂中的另一种酶——过氧化酶（Peroxidase）发生反应，生成一种吸光物质，测试时将试纸放置在反射式强度调制型光纤传感器的光路中，如图1所示。整个传感器系统包括光源、发射光纤、接收光纤和光电探测器［3］。光源发出的光经滤波、发射光纤至被测血样表面，由于吸光物质的调制，带有血糖浓度信息的反射光由接收光纤接收，最后由光电接收器将接收到的光转换成电信号。当光源功率以及光纤探头和反射面之间的距离保持不变时，接收光纤接收到的一定波长的光强和该波长的入射光强的比值与血糖浓度存在对应关系。根据检测到的光强信号，便可计算出血糖浓度。但这种光纤传感器的主要缺点是当光源激励不稳定时，会使光源光功率发生变化，造成测量误差。另外，反射体表面反射率的不同以及光在光纤中的传输损耗，都会对测量带来误差。因此，本文提出三探头光纤传感器补偿测量法，以消除测量环境中各种不稳定因素的影响。
1.2 三探头光纤束传感器补偿测量法原理
由于传统的反射式强度调制型光纤传感器使用单根光纤发送和接收的光能量非常的微弱，为此本设计采用由数千根光纤组成的光纤束来发送和接收光，并增加一路参考光路，组成三探头的光纤束传感器，如图2所示。为使参考光对测量光起到参考意义，要求参考和测量光照射到待测样品上的光斑一致，因此整个光纤传感探头采用了同心圆的结构，两路发射光纤束为内圆，并对其进行随机均匀分布排列，而外环为接收光纤束。在测量光纤和参考光纤足够多的情况下，两种波长的光照射到物体上的光斑面积近似相等，实际制作过程中测量和参考光纤束都各使用了4 000根玻璃光纤原丝，因此可近似认为测量光和参考光为同光路，其结构如图3所示。根据光谱分析理论，波长为635nm的光不能被血样中的吸光物质有效地吸收，只跟血样中除了该吸光物质的因素有关，因此可作为参考波长。而波长为700nm的光既同吸光物质浓度有关，又与除该吸光物质以外的因素有关，因此可作为测量波长。在图2中，由发光二极管D1、D2分别发出强度相同，波长分别为635nm、700nm的光入射到光纤，反射后由D3导出，再通过分光元件和滤波片分离出不同波长的光，其光强比值反映了血糖浓度的大小。这种光纤探头无间隙紧密排列，光纤尺寸、光路相同，易于做成带状，能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响。
1 设计原理
1.1 测量原理
将血样滴在含有氧化葡萄糖的氧化酶（GOD）的试纸上，血样中的葡萄糖被GOD氧化为葡萄糖酸内脂（Gluconic acid），此物质与试剂中的另一种酶——过氧化酶（Peroxidase）发生反应，生成一种吸光物质，测试时将试纸放置在反射式强度调制型光纤传感器的光路中，如图1所示。整个传感器系统包括光源、发射光纤、接收光纤和光电探测器［3］。光源发出的光经滤波、发射光纤至被测血样表面，由于吸光物质的调制，带有血糖浓度信息的反射光由接收光纤接收，最后由光电接收器将接收到的光转换成电信号。当光源功率以及光纤探头和反射面之间的距离保持不变时，接收光纤接收到的一定波长的光强和该波长的入射光强的比值与血糖浓度存在对应关系。根据检测到的光强信号，便可计算出血糖浓度。但这种光纤传感器的主要缺点是当光源激励不稳定时，会使光源光功率发生变化，造成测量误差。另外，反射体表面反射率的不同以及光在光纤中的传输损耗，都会对测量带来误差。因此，本文提出三探头光纤传感器补偿测量法，以消除测量环境中各种不稳定因素的影响。
1.2 三探头光纤束传感器补偿测量法原理
由于传统的反射式强度调制型光纤传感器使用单根光纤发送和接收的光能量非常的微弱，为此本设计采用由数千根光纤组成的光纤束来发送和接收光，并增加一路参考光路，组成三探头的光纤束传感器，如图2所示。为使参考光对测量光起到参考意义，要求参考和测量光照射到待测样品上的光斑一致，因此整个光纤传感探头采用了同心圆的结构，两路发射光纤束为内圆，并对其进行随机均匀分布排列，而外环为接收光纤束。在测量光纤和参考光纤足够多的情况下，两种波长的光照射到物体上的光斑面积近似相等，实际制作过程中测量和参考光纤束都各使用了4 000根玻璃光纤原丝，因此可近似认为测量光和参考光为同光路，其结构如图3所示。根据光谱分析理论，波长为635nm的光不能被血样中的吸光物质有效地吸收，只跟血样中除了该吸光物质的因素有关，因此可作为参考波长。而波长为700nm的光既同吸光物质浓度有关，又与除该吸光物质以外的因素有关，因此可作为测量波长。在图2中，由发光二极管D1、D2分别发出强度相同，波长分别为635nm、700nm的光入射到光纤，反射后由D3导出，再通过分光元件和滤波片分离出不同波长的光，其光强比值反映了血糖浓度的大小。这种光纤探头无间隙紧密排列，光纤尺寸、光路相同，易于做成带状，能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响。
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