1.本发明属于人体血糖检测领域，尤其涉及一种高集成便携式偏振调控血糖测量装置及方法。


背景技术：

2.目前血糖的常规检测方法可以分为两大类，有创检血糖测检法和无创血糖检测。传统全自动化生化分析仪和手指采血式血糖仪属于有创检测法，主要是通过医院抽取血液样本进行分析或利用针刺手指的方式，通过试纸进行检测。这些方法都需要刺穿皮肤，并且频繁的采集。不仅令被测者产生心理恐惧，还易造成感染，同时检测成本较高，无法实现连续的血糖监控。对被测者带来较大的身体痛苦；此外，长期购买血糖试纸给被测者家庭带来较大经济负担。
3.目前无创血糖检测技术主要有光学方法、能量代谢守恒法、人体体液法等。在众多的研究方法中，光学方法具有快速、无创伤、信息多维化等特点，是目前无创伤血糖检测的主要研究领域。常见的光学检测方法有拉曼光谱法、光声光谱法、荧光法、光学相干成像法、穆勒矩阵旋光法和近红外光谱法。其中近红外光谱法与旋光法研究备受研究人员关注。
4.近红外光谱法利用近红外吸收与人体血糖浓度有很好的线性相关性的特点，同时还具有穿透性较强，信号灵敏度高等一系列优点，己有众多公开文献对其进行报道，如中国专利cn 103349553b公开了一种双波长差分近红外无创伤血糖仪，结合了近红外光的幅度和相位特征，利用吸收光谱的波峰和波谷变化差，实现高精度高无创血糖检测；中国专利cn108593593a公开了一种采用串行双红外光谱检测与分析的无创血糖测量装置，采用了单一光源和单一传感器避免了光源或传感器差异带来的误差影响；中国专利cn110575181a公开了一种近红外光谱无创血糖检测网络模型训练方法，通过神经网络算法优化近红外检测精度，然而，目前的近红外光谱无创血糖测量技术仍面临着人体个体差异较大、人体组织干扰信号难以扣除等问题，影响了该方法的准确性与稳定性。
5.穆勒矩阵旋光无创血糖检测技术是一种利用光学偏振光旋光原理检测血糖的方法，其利用了葡萄糖特有的旋光特性即当一束线偏振光通过葡萄糖溶液时，其透射光也是线偏振光，而且偏振方向与原入射光的偏振方向有一个夹角，该夹角与葡萄糖的浓度有关，受人体背景噪声干扰较小。目前旋光无创血糖检测技术多采用正交双偏振光检测技术实现血糖浓度检测，如中国专利cn100482162c所述，通过正交双偏振光将所测量的血糖信号转化为两个偏振方向的信号强度差，通过信号强度差判断血糖浓度。
6.穆勒矩阵旋光法能够完备地描述人体生物组织、血糖等混沌介质的偏振光学特性，根据血糖浓度与偏振光旋转角间的线性关系，实现对血糖浓度较为准确的无创检测。偏振态控制器是穆勒矩阵旋光法检测系统中的关键器件。然而，传统偏振态控制器通常由多个分立式偏振片、波片、电光调制器等偏振光学元件级联组成，存在系统尺寸较大、控制复杂、需多次校准、成本昂贵等问题，难以满足实际便携式血糖仪的设计要求。


技术实现要素：

7.为了克服现有基于穆勒矩阵旋光法的高精度血糖浓度无创检测装置中，分立式偏振态控制器通常由多个分立式偏振片、波片、电光调制器等偏振光学元件级联组成，存在系统尺寸较大、控制复杂、需多次校准、成本昂贵等问题，本发明提出一种高集成便携式偏振调控血糖测量装置及方法。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
9.一种高集成便携式偏振调控血糖测量装置，其特殊之处在于：包括光源模块1、起偏器模块2、检偏器模块4以及探测器模块5；
10.所述光源模块1包括依次设置的光源6和耦合透镜7；所述光源6发出检测光通过耦合透镜7形成准直平行光，准直平行光并入射到起偏器模块2；
11.所述起偏器模块2包括第一集成式偏振态控制单元8，用于将入射的准直平行光进行偏振态调控后产生特定偏振态的偏振光射到人体待测部位3；所述第一集成式偏振态控制单元8包括一个集成式偏振态控制器；
12.所述检偏器模块4包括沿光路依次设置的成像透镜9和第二集成式偏振态控制单元10，用于检测经人体待测部位3反射的偏振光的偏振态；所述第二集成式偏振态控制单元10包括至少一个集成式偏振态控制器；
13.所述第二集成式偏振态控制单元10设置在探测器模块5的焦面上；所述探测器模块5包括至少一个探测元；
14.所述集成式偏振态控制器包括2
×
2阵列排布的4个偏振基元，沿入射光方向顺时针设置分别为第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和四分之一波片组；
15.所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片的偏振方向分别为0度、45度和90度；所述四分之一波片组的快轴方向为45度。
16.进一步地，所述集成式偏振态控制器为转轮式结构或面阵式微纳结构。
17.进一步地，所述起偏器模块2利用马达驱动第一集成式偏振态控制单元8旋转，依次选通出集成式偏振态控制器的第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组置于光路中，分别对应于调控产生平行线偏振光、45度线偏振光、垂直线偏振光和圆偏振光。
18.进一步地，所述检偏器模块4利用马达驱动第二集成式偏振态控制单元10旋转，依次选通出集成式偏振态控制器的第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组置于光路中，检测出经由成像透镜9的出射光中平行线偏振光、45度线偏振光、垂直线偏振光和圆偏振光。
19.进一步地，所述第二集成式偏振态控制单元10包括一个集成式偏振态控制器，所述探测器模块5包括一个探测元；
20.所述第二集成式偏振态控制单元10的旋转周期为第一集成式偏振态控制单元8旋转周期的四倍，对应于起偏器模块2调控产生的每种偏振光，检偏器模块4对偏振光中四种偏振态分量全部扫描，以得到16种组合的偏振态检测。
21.进一步地，所述第二集成式偏振态控制单元10包括n个集成式偏振态控制器，n≥1且n为整数；所述探测器模块5包括4n个探测元；
22.所述第二集成式偏振态控制单元10的每个偏振基元与探测器模块5上的探测元数
目相等、尺寸相同、空间位置相对应。
23.进一步地，所述第一集成式偏振态控制单元8旋转一周，第二集成式偏振态控制单元10对起偏器模块2调控产生的偏振光中四种偏振态分量进行实时检偏以及空间分布特性的面阵式探测。
24.进一步地，所述探测器模块5为光电信号转换装置，可以为面阵相机、线阵相机、单点探测器、四象限探测器或面阵探测器。
25.本发明还提供了一种基于上述高集成便携式偏振调控血糖测量装置的血糖测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
26.1)、将准直平行光经集成式偏振态控制器调控，产生特定偏振态的偏振光照射于人体待测部位；
27.2)、利用检偏器模块的集成式偏振态控制器对经过人体待测部位反射的偏振光的偏振态进行检测；
28.3)、利用探测器模块对经过检偏器模块的偏振光进行偏振成像及检测，获得偏振信息的检测结果，再根据偏振信息的检测结果计算出血糖浓度。
29.进一步地，步骤3)中，所述根据偏振信息的检测结果计算出血糖浓度具体为：
30.探测器模块检测得到偏振光的斯托克斯矢量满足：
31.s
′
＝m
·s32.其中s为经过起偏器模块产生的入射光偏振态的斯托克斯矢量,m为人体待测部位的穆勒矩阵并满足：
[0033][0034]
由微分穆勒矩阵理论可计算出相应的微分穆勒矩阵m为：
[0035][0036]
其中v和λ分别为穆勒矩阵m的特征向量与特征值，z
′
为光程；
[0037]
由微分穆勒矩阵m计算出由血糖旋光效应所产生的偏转角γ为：
[0038][0039]
根据血糖旋光效应所产生的偏转角γ计算人体血糖浓度c为：
[0040][0041]
其中γ0＝45.23deg/(amg/ml)为葡萄糖的特征偏转角。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
[0043]
1.本发明采用集成有多种偏振光学元件的集成式偏振态控制器，可实现对平行线偏振光、45度线偏振光、垂直线偏振光以及圆偏振光的便捷调控，避免传统分立式偏振态控
制器尺寸较大、需多次校准、控制复杂等问题，符合无创血糖仪微型化、集成化、轻型化的发展趋势。
[0044]
2.本发明的集成式偏振态控制器既可通过将传统分立式薄膜偏振片、波片等偏振光学元件依次安装在转轮上制作，也可通过平面微加工技术将线栅等多种微纳结构集成制作，其制作工艺成熟、便捷、兼容性高、价廉，容易实现批量化工业生产。
[0045]
3.本发明的集成式偏振态控制器可设置在探测器的焦面上，实现对出射光偏振分量的实时检测，以及偏振信息空间分布的面阵式成像，进一步提高系统的集成性及检测精度。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例高集成便携式偏振调控血糖测量装置(分时检偏)的结构示意图；
[0047]
图2是本发明实施例高集成便携式偏振调控血糖测量装置(实时检偏)的结构示意图；
[0048]
图3是本发明实施例集成式偏振态控制器的转轮式结构示意图；
[0049]
图4是本发明实施例集成式偏振态控制器的面阵式微纳结构的排布示意图；
[0050]
图5是本发明实施例2
×
2第二集成式偏振态控制单元与四象限探测器的集成示意图；
[0051]
图6是本发明实施例n个2
×
2第二集成式偏振态控制单元与面阵探测器的集成示意图；
[0052]
附图说明：
[0053]
1-光源模块，2-起偏器模块，3-人体待测部位，4-检偏器模块，5-探测器模块，6-光源，7-耦合透镜，8-第一集成式偏振态控制单元，9-成像透镜，10-第二集成式偏振态控制单元。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种高集成便携式偏振调控血糖测量装置及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
[0055]
本发明提出的一种高集成便携式偏振调控血糖测量装置，主要包括分时检偏和实时检偏两种类型。第一种类型包括光源模块1、起偏器模块2、检偏器模块4以及探测器模块5(详见实施例1)；第二种类型包括光源模块1、起偏器模块2以及n个(n≥1且n为整数)集成式偏振态控制器的检偏器模块以及探测器模块5(详见实施例2)。起偏器模块2和检偏器模块4均利用集成式偏振态控制器实现对入射光偏振态的便捷调控，此装置的结构紧凑、稳定性高、价格低廉，满足便携式血糖仪的设计要求。
[0056]
实施例1
[0057]
便携式偏振调控血糖测量装置(分时检偏)
[0058]
如图1所示，该血糖测量装置由光源模块1产生准直平行光并照射到起偏器模块2
的选通区域；起偏器模块2利用第一集成式偏振态控制单元8调控由光源模块1发出入射光的偏振态，产生特定的偏振态，并照射于人体待测部位3；检偏器模块4利用第二集成式偏振态控制单元10对经过人体待测部位3出射光的偏振态进行检测；探测器模块5对通过检偏器模块的偏振光进行偏振成像及探测，根据偏振信息的检测结果可计算出血糖浓度。
[0059]
光源模块1由光源6发出光线，并通过耦合透镜7准直成平行光。
[0060]
起偏器模块2利用第一集成式偏振态控制单元8实现对入射光偏振态的调控。该第一集成式偏振态控制单元8包括一个集成式偏振态控制器，集成式偏振态控制器包括2
×
2阵列排布的4个偏振基元，分别为第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组四部分偏振光学元件，设置如图1所示的坐标系xyz，其中第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片的偏振方向与x轴的夹角分别为0度、45度和90度；四分之一波片组的快轴方向与x轴的夹角为45度。
[0061]
该第一集成式偏振态控制单元8由马达驱动旋转，依次选通出第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组置于光路中，分别对应于产生斯托克斯矢量为s0°
＝[1 1 0 0]
t
、s
45
°
＝[1 0 1 0]
t
、s
90
°
＝[1
ꢀ‑
1 0 0]
t
以及sr＝[1 0 0 1]
t
的平行线偏振光、45度线偏振光、垂直线偏振光以及右旋圆偏振光的四种入射偏振光。
[0062]
检偏器模块4与起偏器模块2的原理和基本结构相同，利用第二集成式偏振态控制单元10检测经由成像透镜9出射光中斯托克斯矢量为s
′0°
＝[1 1 0 0]
t
、s
′
45
°
＝[1 0 1 0]
t
、s
′
90
°
＝[1
ꢀ‑
1 0 0]
t
以及s
′r＝[1 0 0 1]
t
的四种偏振态分量。
[0063]
第二集成式偏振态控制单元10的旋转周期为第一集成式偏振态控制单元8的四倍，对应于起偏器模块2选通出的每种入射偏振光，检偏器模块4需完成出射光中上述四种偏振态分量的分时扫描，得到16种组合的偏振态检测方式。该16种组合的偏振态检测方式如表一所示：
[0064]
表一16种组合的偏振态检测方式
[0065]
s0°
/s
′0°
s0°
/s
′
45
°
s0°
/s
′
90
°
s0°
/s
′rs
45
°
/s
′0°s45
°
/s
′
45
°s45
°
/s
′
90
°s45
°
/s
′rs
90
°
/s
′0°s90
°
/s
′
45
°s90
°
/s
′
90
°s90
°
/s
′rsr/s
′0°
sr/s
′
45
°
sr/s
′
90
°
sr/s
′r[0066]
探测器模块5可为面阵相机、线阵相机、单点探测器或四象限探测器等光电信号转换装置，对上述16种组合的偏振态检测方式分别进行成像及探测。利用偏振光学的相关理论，对16种组合的偏振态探测结果进行数据处理，可计算出人体待测部位的穆勒矩阵以及血糖浓度。具体计算过程如下：
[0067]
探测器模块5探测得到出射光的斯托克斯矢量满足：
[0068]s′
＝m
·s[0069]
其中s为经过起偏器模块产生的入射光偏振态的斯托克斯矢量，m为人体待测部位的穆勒矩阵并满足：
[0070]
[0071]
由微分穆勒矩阵理论可计算出相应的微分穆勒矩阵m为：
[0072][0073]
其中v和λ分别为穆勒矩阵m的特征向量与特征值，z
′
为光程。由微分穆勒矩阵m可计算出由血糖旋光效应所产生的偏转角γ为：
[0074][0075]
进一步，可计算出人体血糖浓度c为：
[0076][0077]
其中γ0＝45.23deg/(amg/ml)为葡萄糖的特征偏转角。
[0078]
实施例2
[0079]
便携式偏振调控血糖测量装置(实时检偏)
[0080]
本实施例在实施例1的基础上，将第二集成式偏振态控制单元10放置在探测器模块5的焦面上实现对出射光四种偏振态分量的实时检偏以及空间分布特性的面阵式探测，进一步提高系统的集成性、检测精度。
[0081]
如图2所示，该血糖测量装置由光源模块1产生准直平行光，并照射到起偏器模块2的选通区域；起偏器模块2利用第一集成式偏振态控制单元8调控由光源模块1发出入射光的偏振态，产生s0°
＝[1 1 0 0]
t
、s
45
°
＝[1 0 1 0]
t
、s
90
°
＝[1
ꢀ‑
1 0 0]
t
以及sr＝[1 0 0 1]
t
四种偏振态，并照射于人体待测部位3；人体待测部位3的反射光经成像透镜13，在第二集成式偏振态控制单元10进行偏振分光，最后成像在探测器模块5。
[0082]
第二集成式偏振态控制单元10包括n个集成式偏振态控制器，集成式偏振态控制器包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和四分之一波片组构成的2
×
2阵列排布的偏振基元组，其中n≥1且n为整数。第二集成式偏振态控制单元10设置在探测器模块5的焦面上，其中n＝1时，探测器模块5选用典型的四象限探测器；n＞1时，探测器模块5选用探测元数目与偏振基元数目相等的面阵探测器。
[0083]
当n＝1时，第二集成式偏振态控制单元10包括1个2
×
2偏振基元组，可实现对出射光的四种偏振分量s
′0°
＝[1 1 0 0]
t
、s
′
45
°
＝[1 0 1 0]
t
、s
′
90
°
＝[1
ꢀ‑
1 0 0]
t
以及s
′r＝[1 0 0 1]
t
的实时检偏。
[0084]2×
2的第二集成式偏振态控制单元10设置在包括4个探测元的探测器模块5(四象限探测器)的焦面上，其中第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和四分之一波片组分别与探测器模块5的4个探测元的尺寸相同、空间位置相对应，完成对上述四种偏振分量的实时探测。
[0085]
所述起偏器模块2的第一集成式偏振态控制单元8旋转一周，集成有2
×
2第二集成式偏振态控制单元10的四象限探测器模块5可完成16种组合的实时偏振成像及探测，采用实施例1所述的计算方法，可计算出血糖浓度。
[0086]
当n＞1时，第二集成式偏振态控制单元10包括n个2
×
2偏振基元组，任意第n个2
×
2偏振基元组对应于不同空间位置，可实现对出射光四种偏振分量s
′0°
(n)、s
′
45
°
(n)、s
′
90
°
(n)以及s
′r(n)的实时检偏，其中斯托克斯矢量s
′0°
(n)、s
′
45
°
(n)、s
′
90
°
(n)以及s
′r(n)为n的函数。
[0087]
n个2
×
2偏振基元组设置在探测器模块5(此时探测器模块5为面阵探测器)的焦面上，该偏振基元与面阵探测器探测元的数目相等、尺寸相同，空间位置相对应，即为n个2
×
2子探测元。
[0088]
探测器模块5不同位置的子探测元，可实时探测出与位置相关的出射光偏振分量s
′0°
(n)、s
′
45
°
(n)、s
′
90
°
(n)以及s
′r(n)，得到偏振信息的空间分布特性。
[0089]
所述起偏器模块2的第一集成式偏振态控制单元8旋转一周，分别选通出s0°
、s
45
°
、s
90
°
以及sr四种入射偏振光。对应于每种入射偏振光，集成有n个2
×
2第二集成式偏振态控制单元10中任意第n个2
×
2偏振基元组对出射光中不同空间位置的四种偏振分量s
′0°
(n)、s
′
45
°
(n)、s
′
90
°
(n)以及s
′r(n)进行实时检偏，并由面阵探测器模块5中对应位置的探测元实时偏振成像及探测，得到不同位置的偏振信息。根据偏振信息空间特性的探测结果，采用实施例1所述的计算方法，可计算出血糖浓度的空间分布特性。
[0090]
上述实施例高集成便携式偏振调控血糖测量装置的集成式偏振态控制器根据集成制作工艺的不同，可分为转轮式结构和面阵式微纳结构两种类型。
[0091]
如图3所示，集成式偏振态控制器采用转轮式结构，集成式偏振态控制器可通过将常用分立式偏振片、波片等偏振光学元件依次安装在转轮上制作。第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片可为薄膜偏振片，以偏振方向分别为0度、45度和90度的参数安装在转轮上；四分之一波片组可将偏振方向为0度的偏振片和快轴方向为45度的四分之一波片相互粘接并安装在转轮上。该转轮式结构可通过电动马达驱动旋转，依次选通出片第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组置于光路中，实现对偏振态的便捷调控。
[0092]
如图4所示，集成式偏振态控制器采用面阵式微纳结构，集成式偏振态控制器可采用平面微加工技术将多种光学超表面集成制作出面阵式微纳结构。第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片均为线栅结构，对应的线栅方向分别为0度、45度和90度；四分之一波组可为纳米砖结构。该面阵式微纳结构可粘贴在电动旋转台上，通过马达驱动依次选通出片第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组置于光路中，实现对偏振态的便捷调控。
[0093]
此外，上述面阵式微纳结构的集成式偏振态控制器采用微纳工艺可与探测器相集成，实现对出射光偏振态的实时检偏，无需机械旋转。
[0094]
如图5所示，该面阵式微纳结构的第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组的尺寸应设计与探测器模块5(四象限探测器)的探测元尺寸相同。通过精密对准互联技术将该面阵式微纳结构的第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片以及四分之一波片组与探测器模块5(四象限探测器)的四个探测元对准，并设置在探测器模块5的焦面上，完成对出射光四种偏振分量的实时探测。
[0095]
最后，该集成有四种偏振态元件的2
×
2面阵式微纳结构可扩展为包括n个2
×
2集成式偏振态控制的面阵式微纳结构，探测器模块5选用面阵探测器，与面阵探测器相集成，实现对不同位置出射光偏振态的实时探测。如图6所示，通过图案化工艺可将2
×
2面阵式微纳结构扩展为包含n个第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片以及四分之一波片组的面阵式
微纳结构。通过精密对准互联技术将该n个2
×
2面阵式微纳结构与面阵探测器对准，并设置在面阵探测器模块5的焦面上，其中n个2
×
2面阵式微纳结构的每个偏振基元与面阵探测器模块5每个探测元的尺寸相同，位置相对准，可实现对不同位置出射光偏振态分量的实时探测。
[0096]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。