高麗麗，陶 衛(wèi)，趙 輝

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

引 言

糖尿病（diabetes mellitus）是由于體內(nèi)胰島素缺乏引起的代謝紊亂性疾病或內(nèi)分泌疾病，病癥最初為體內(nèi)血糖失控，血糖濃度的異常導(dǎo)致體內(nèi)代謝紊亂，引起糖尿病酮癥、心腦血管病、腎病、眼病等并發(fā)癥［1］，以高血糖為主要特征，是一種世界范圍內(nèi)的流行疾病。隨著生活水平的提高，糖尿病的發(fā)病率日益上升。據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)90年代全球糖尿病患者約為1億人，然而到2007年，該數(shù)字已經(jīng)迅速增長到2.46億人，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂?.8億人受到糖尿病的困擾。目前，中國已成為僅次于印度的糖尿病第二大國［2］。

對糖尿病患者來說，除了要有標(biāo)準(zhǔn)的生活規(guī)律外，若對糖尿病進(jìn)行嚴(yán)密的控制對患者來說具有重大意義［3］?，F(xiàn)有的無創(chuàng)血糖測試主要是通過提取光學(xué)信息來測量患者血糖濃度［4］。目前各國科學(xué)家進(jìn)行研究和探索。利用光學(xué)方法檢測血糖濃度的方法包括近紅外光譜分析法、遠(yuǎn)紅外光譜分析法、激光拉曼光譜分析法、光聲光譜分析法、光散射譜分析法以及光偏振譜分析法等等［5］。

光聲光譜法利用光聲信號的幅度與吸收系數(shù)之間的關(guān)系檢測組織內(nèi)部葡萄糖成分的含量。光聲法對血漿內(nèi)血糖的含量具有較高的靈敏性［1，6］。凌明勝等通過對葡萄糖粉末、血清、血細(xì)胞和不同葡萄糖含量的全血溶液的光聲譜分析得670nm區(qū)域峰是葡萄糖特征峰［4］，所以文中選用650nm激光作為調(diào)制光源。利用光聲法原理，首先對葡萄糖粉末用不同調(diào)制頻率進(jìn)行激勵，檢測激發(fā)的聲信號，得到聲信號幅值和調(diào)制頻率之間的關(guān)系，進(jìn)而找到最大聲信號對應(yīng)的調(diào)制頻率。在最佳調(diào)制頻率的前提下，研究聲信號幅值和葡萄糖水溶液濃度之間的關(guān)系。

1 整體方案圖

整體方案圖如圖1所示。

圖1 整體方案圖Fig.1 The overall schematic drawing

2 激光的調(diào)制電路

激光調(diào)制電路（見圖2）主要是基于信號發(fā)生器驅(qū)動電流不足，而且有反向擊穿激光的危險(xiǎn)而添加的。主要由穩(wěn)壓電源、三極管和電阻構(gòu)成，圖中發(fā)光二極管代表激光。

基極電流：

因?yàn)?050的放大倍數(shù)為252，所以激光的驅(qū)動電流大約在280mA。激光的頻率和信號發(fā)生器發(fā)出的方波信號的頻率是一致的。

3 聲信號幅值與調(diào)制頻率的關(guān)系測試

以葡萄糖為樣品，用不同調(diào)制頻率激光照射，在光聲池內(nèi)產(chǎn)生的光聲信號通過微音器傳出并通過放大后由數(shù)據(jù)采集卡采到。被采到的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行FFT變換，從得到的頻譜圖上可以清楚的看到各頻率點(diǎn)處的聲信號幅值。從而得到在相應(yīng)各個(gè)調(diào)制頻率下的光聲信號幅值。

通過RG理論知聲信號頻率和調(diào)制激光頻率一致，而且隨著調(diào)制頻率的增大而變小，即在低頻時(shí)光聲信號較強(qiáng)，所以實(shí)驗(yàn)選取1～95Hz的低頻段作為研究頻率并分別在各頻率點(diǎn)上進(jìn)行測試。圖3是調(diào)制頻率為24Hz時(shí)的幅頻特性圖。

圖2 激光調(diào)制電路Fig.2 Laser processing circuits

從圖3中可以看到幾條非常明顯的聲信號幅值。24Hz處的y坐標(biāo)是聲信號的幅值0.022 74V，即22.74mV。50Hz是工頻信號干擾噪聲，72Hz是24Hz的諧波信號。各個(gè)頻率幅頻特性不再一一列舉。

通過對信號發(fā)生器頻率的設(shè)置分別得到不同頻率的調(diào)制信號，并得到相應(yīng)調(diào)制信號的聲信號幅值，進(jìn)而得到聲信號幅值隨頻率改變的變化趨勢如圖4所示。

圖3 24Hz調(diào)制頻率時(shí)頻譜圖Fig.3 Frequency spectrogram of 24Hz as modulation frequency

圖4 理論曲線與實(shí)驗(yàn)測量曲線圖Fig.4 Theoretical curves vs experimental curves

圖4是頻率從1～95Hz變化時(shí)聲信號幅值的變化曲線，實(shí)線是實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，虛線是理論分析曲線。由RG理論分析知隨著樣品熱擴(kuò)散長度的增加，即調(diào)制頻率的減小，光聲信號的頻率依賴性逐漸由ω－3／2變?yōu)棣兀?［7］。

由圖4可知：（1）聲信號隨著調(diào)制頻率的增加而變小。葡萄糖在光學(xué)上屬于不透明固體，理論預(yù)計(jì)，當(dāng)調(diào)制頻率為50Hz以上時(shí)，光聲信號將主要是ω－3／2的關(guān)系范圍，當(dāng)調(diào)制頻率小于50Hz時(shí)主要是ω－1的關(guān)系［8］，而ω＝2πf，這與理論分析十分吻合。只是實(shí)驗(yàn)存在一定誤差，數(shù)據(jù)點(diǎn)在理論曲線上下浮動。（2）由圖可得在5Hz左右最大，通過對4～6Hz再次測量得出在5.2Hz處聲信號幅值最大。由于實(shí)驗(yàn)所用傳聲器CHZ－211與YG－201前置放大器配合，低頻－3dB截止頻率低于3Hz，3Hz以下會有很大衰減，所以雖然從圖4上看到低于3Hz聲信號較小，但是未必不存在峰值。由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，故只考慮3 Hz以上的頻段。

4 水溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果

濃度的單位為g／ml，其范圍為0.01～0.27g／ml，人體正常血糖濃度為0.018～0.450mg／ml［9］。雖然此濃度范圍與人體血糖濃度有差別，但是從原理上可以驗(yàn)證光聲光譜法是完全可行的。實(shí)驗(yàn)主要目的是找出光聲信號幅值和葡萄糖濃度之間存在的關(guān)系。

對不同濃度的葡萄糖水溶液分別進(jìn)行檢測，得出不同濃度下的光聲信號幅值，以濃度0.26g／ml為例，其幅頻特性見圖5。

圖5是濃度為0.26g／ml聲信號的幅頻特性，在5.2Hz處聲信號幅值為0.021 61V，即21.61mV，15.6Hz處是5.2Hz的諧波分量，其他濃度不再一一贅述。通過對各個(gè)濃度的檢測繪制幅值與濃度的關(guān)系圖如圖6所示。

由圖6可知，聲信號幅值和濃度之間有明顯的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為8.133。但是可看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有些離散，分布并不緊湊。若加大濃度范圍其線性會更清晰，另外利用互相關(guān)算法也會減少誤差使線性關(guān)系更加精確［10］。但是試驗(yàn)中分析其原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）葡萄糖粉末稱重時(shí)天平讀數(shù)的誤差；（2）配置溶液濃度時(shí)水的體積存在誤差；（3）更換溶液時(shí)，微音器會有微小的位移，光聲池也會有一定的抖動，不能保證嚴(yán)格意義上的相對位置不變，即不能保證嚴(yán)格的相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境；（4）濃度分布不均勻；（5）環(huán)境的偶然誤差較大，來著外界的干擾也是隨機(jī)的，沒有完全相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和噪聲背景；（6）處理數(shù)據(jù)時(shí)也會帶來一定誤差。

圖5 濃度為0.26g／ml時(shí)頻譜圖Fig.5 Frequency spectrogram of concentration at 0.26g／ml

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直線擬合圖Fig.6 Experimental data linear fitting chart

5 結(jié) 論

由以上的分析可以認(rèn)為，利用光聲光譜法可以對血糖濃度進(jìn)行檢查，其原理是可行的。光聲光譜法用于無創(chuàng)血糖檢測的方法已經(jīng)通過對葡萄糖水溶液、全血、血漿的實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)［11］，而且在試管實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中得出葡萄糖對光聲反應(yīng)的敏感度并沒有因?yàn)槠渌治鑫锏某霈F(xiàn)而消弱［12］，這為研制一款新型血糖檢測光聲譜儀提供了一定的參考價(jià)值。在無創(chuàng)血糖檢測儀的研發(fā)項(xiàng)目中有著巨大潛力［11］。

實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了光聲法用于無創(chuàng)血糖檢測的可行性［13］，從圖中可以清晰地看到聲信號隨著濃度增加而變大的關(guān)系。隨著光聲池設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法、微音器及其他儀器分辨力和試驗(yàn)環(huán)境的發(fā)展，數(shù)據(jù)的誤差會越來越小，精度越來越高。

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