【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及血糖浓度分析领域，特别涉及一种基于量子级联激光器和人工智能技术的便携式无创血糖仪。
技术介绍
1、血糖检测的需求极为迫切，鉴于当下确诊的糖尿病患者已逾5亿，他们被建议每日监测血糖水平。另外，糖尿病患者的数量不断攀升，高血糖的发病初始年龄持续走低，目前已降至35岁。尽管糖尿病难以根治，但监测血糖浓度有利于更有效地管控糖尿病，并降低出现致命糖尿病并发症的风险。据世界卫生组织最新公布的统计数据，非传染性疾病每年致使410万人丧生，占全球死亡人数的74％，当中最为危险的四类疾病分别为心血管疾病(1790万例)、癌症(930万例)、慢性呼吸系统疾病(410万例)以及糖尿病(200万例)。糖尿病的医疗保健迫切需要创新型的血糖仪。
2、当下，血糖检测普遍采用指尖血糖仪，借由检测血糖试纸的电导率得以实现。在每一次检测时，患者需从指尖采血并滴至试纸上，试纸上的血液葡萄糖会在预先装载的葡萄糖特异性酶的作用下被氧化成为具备导电性的葡萄糖酸。尽管目前市场上存在能够缓解指尖刺痛这一不便且缓慢过程的微针阵列，但其侵入性以及相关健康风险依旧存在。从理论层面而言，凭借光线穿透患者皮下微循环网络抵达间质液，而后再折返回来，能够以非侵入性的方式迅速检测出葡萄糖的分子特性。
3、诚然，数十年来，有关通过红外、拉曼以及声光光谱法针对无创血糖仪的研究与开发始终保持着活跃态势。不过，全球范围内的密集投入却成果寥寥。譬如，美国食品药品监督管理局(fda)规定，此类无创血糖仪的误差不得高于相对于标准指尖血糖仪测试结果的15％，并且要有95
4、近期发现(宋等人于《spectrochimica acta part a》#124738发表)，上述光谱分析手段的精度受间质液中其他组分分子于1080cm-1处生成的光谱干扰所影响。通过精确选取干扰最小的光谱数据进行深入挖掘，得以证实，在无需进行任何硬件变更的状况下，凭借改进数据管理软件能够提升如图1(a)所示无创血糖仪配置的精度。更为确切地说，对1000-1040cm-1范围的光谱强度予以采样，并运用主成分分析法，如图1(b)所示，精度的提升是清晰可见的。然而，尽管取得进步，但仍缺乏一种既能满足fda精度标准，又无需给患者带来不便或不适(如要求患者以20n/cm2的压力按压传感器与患者接触界面)的便携式无创血糖仪。
技术实现思路
1、为改善现有指尖采血血糖仪的技术问题，并弥补市场上缺乏符合fda精度标准的便携式无创血糖仪的现状，本专利技术提供了一种利用奇异系数分析技术的便携式无创血糖仪(简称奇异系数血糖仪)，实现血糖浓度的精准测量。
2、一种利用奇异系数分析技术的便携式无创血糖仪，该血糖仪包括由内置奇异系数计算器与机器学习回归模型处理器的集成电路芯片构成的主控单元(mcu)以及与其连接的量子级联激光系统(qcl)、红外透明的衰减全反射棱镜(atr)、探测器(detector)、模数转换器(adc)。
3、本申请的一个实施例中，所述由内置奇异系数计算器与机器学习回归模型处理器的集成电路芯片构成的主控单元(mcu)信号发生器与量子级联激光器系统相连接，用于控制量子激光器系统发射波数可调的梳状脉冲信号的形状及发射时间；
4、本申请的一个实施例中，所述衰减全反射棱镜与量子级联激光器输出端相连接。在典型的检测过程中，患者将小鱼际或其他部位皮肤按压在无创血糖仪的衰减全反射棱镜上，以开展数据采集。多次衰减全反射棱镜(matr)具有45°端面以在上表面产生3-15次全反射。作为最合适的，这个衰减全反射棱镜在上表面形成7次全反射。
5、本申请的一个实施例中，所述探测器设置在衰减全反射棱镜的末端，用于捕获多次衰减全反射棱镜输出的光信号；
6、本申请的一个实施例中，所述模数转换器与探测器相连接，用于将探测器捕获的光信号转换为包含血糖信息的数字化梳状时域吸光率信号；
7、本申请的一个实施例中，所述奇异系数计算器处理模数转换器的梳状时域吸光率信号，利用多重分形去趋势波动分析(mfdfa)方法或类似mfdfa的其他奇异系数分析方法导出奇异基数和奇异谱，并提取关键奇异系数，随后采用常见的机器学习回归方法对关键奇异系数进行数据挖掘，从而获取血糖浓度。
8、本申请的一个实施例中，所述关键奇异强度为从奇异谱中提取的由最左点、最右点和最大点的奇异强度组成的一级关键奇异强度，并从一级关键奇异强度中导出多个二级关键奇异强度；所述多个二级关键奇异强度包括一个定义为最左点和最右点的宽度的二级关键奇异强度，必要时还包括一级关键奇异强度的其他衍生值；所述奇异基数、一级关键奇异强度和二级关键奇异强度构成一组关键奇异系数。
9、本申请的一个实施例中，常用的机器学习回归方法为支持向量机回归方法。
10、本申请的一个实施例中，量子级联激光系统包括直接或间接连接到所述主控单元，以接收和跟踪来自主控单元的控制信号，进而在时域内发射频率为10khz至1mhz、100khz至500khz或150khz至200khz的激光脉冲；所述量子级联激光器系统包括从20至300cm-1、从40至200cm-1或200cm-1宽波数范围和中央波数在1000-1100cm-1的宽带激光器；所述量子级联激光器系统包括一个可旋转和滤波波数由微机电驱动器操纵的光栅或一个长度和滤波波数由施加在光栅板的两个端电极上的电压控制的光栅，用于将宽带激光脉冲滤成波数可调的单色激光脉冲，滤过的激光脉冲宽度设置为50-500ns、50-200ns、50-100ns或100ns；所述量子级联激光器系统包括沿着所述激光器系统的光路的多个光阑，用于实现激光脉冲的滤波和将光谱分辨率设置为0.05-8cm-1、1-8cm-1、4cm-1或1.6cm-1。
11、本申请的一个实施例中，探测器(detector)包含inassb红外探测器或mct红外探测器。
12、本申请的一个实施例中，模数转换器(adc)包括以10-100mhz、20-60mhz采样频率工作的模数转换器(adc)。
13、本申请的一个实施例中，量子级联激光系统、衰减全反射棱镜、探测器、模数转换器(adc)和主控单元(mcu)采用表面贴装技术封装在塑料印刷电路板或陶瓷印刷电路板上，或采用芯片集成技术高度集成为单芯片无创血糖仪。
14、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本专利技术提出的无创血糖仪可以将无创血糖检测设备集成化和小型化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用奇异系数分析技术的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述便携式无创血糖仪包括一个由内置奇异系数计算器与机器学习回归模型处理器的集成电路芯片构成的主控单元以及与其连接的量子级联激光系统、红外透明的衰减全反射棱镜、探测器以及模数转换器；所述无创血糖仪由主控单元指令量子级联激光系统发射波数随时域连续变化的时域单色脉冲光，经过与患者皮肤接触的衰减全反射棱镜的外表面后进入探测器及模数转换器，主控单元内的奇异系数计算器对时域吸光率信号进行数据挖掘，提取出一组关键奇异系数，交由机器学习回归模型处理器进一步分析，以推算出血糖浓度。
2.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述便携式无创血糖仪比典型的FTIR光谱仪尺寸和重量都小10倍以上或100倍以上。
3.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述奇异系数计算器包括由主控单元集成电路芯片里匹配的软件与硬件，该奇异系数计算器从时域吸光率信号中取第i个时间单位的吸光率xi，在总持续时间为N个时间单位内计算其平均值<x>，并构造滤波吸光率信号轮廓Y(i)：
4.根据权利
5.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述量子级联激光系统包括直接或间接连接到所述主控单元，以接收和跟踪来自主控单元的控制信号，进而在时域内发射频率为10kHz至1MHz、100kHz至500kHz或150kHz至200kHz的激光脉冲。
6.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述量子级联激光器系统包括从20至300cm-1、从40至200cm-1或200cm-1宽波数范围和中央波数在1000-1100cm-1的宽带激光器；所述量子级联激光器系统包括一个可旋转和滤波波数由微机电驱动器操纵的光栅或一个长度和滤波波数由施加在光栅板的两个端电极上的电压控制的光栅，用于将宽带激光脉冲滤成波数可调的单色激光脉冲，滤过的激光脉冲宽度设置为50-500ns、50-200ns、50-100ns或100ns；所述量子级联激光器系统包括沿着所述激光器系统的光路的多个光阑，用于实现激光脉冲的滤波和将光谱分辨率设置为0.05-8cm-1、1-8cm-1、4cm-1或1.6cm-1。
7.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述探测器包含InAsSb红外探测器或MCT红外探测器。
8.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述模数转换器包括以10-100MHz、20-60MHz采样频率工作的模数转换器。
9.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述模数转换器包括n在10至24范围的n位模数转换器。
10.根据权利要求1所述的无创血糖仪，其特征在于，所述量子级联激光系统、衰减全反射棱镜、探测器和模数转换器以及主控单元采用表面贴装技术封装在塑料印刷电路板或陶瓷印刷电路板上，或采用芯片集成技术高度集成为单芯片无创血糖仪。
...【技术特征摘要】
1.一种利用奇异系数分析技术的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述便携式无创血糖仪包括一个由内置奇异系数计算器与机器学习回归模型处理器的集成电路芯片构成的主控单元以及与其连接的量子级联激光系统、红外透明的衰减全反射棱镜、探测器以及模数转换器；所述无创血糖仪由主控单元指令量子级联激光系统发射波数随时域连续变化的时域单色脉冲光，经过与患者皮肤接触的衰减全反射棱镜的外表面后进入探测器及模数转换器，主控单元内的奇异系数计算器对时域吸光率信号进行数据挖掘，提取出一组关键奇异系数，交由机器学习回归模型处理器进一步分析，以推算出血糖浓度。
2.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述便携式无创血糖仪比典型的ftir光谱仪尺寸和重量都小10倍以上或100倍以上。
3.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述奇异系数计算器包括由主控单元集成电路芯片里匹配的软件与硬件，该奇异系数计算器从时域吸光率信号中取第i个时间单位的吸光率xi，在总持续时间为n个时间单位内计算其平均值<x>，并构造滤波吸光率信号轮廓y(i)：
4.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述机器学习回归模型处理器包括带有用于设置和应用支持向量机回归模型的软件，以从奇异系数计算器输出的一组关键奇异系数中数据挖掘得到血糖浓度。
5.根据权利要求1所述的便携式无创血糖仪，其特征在于，所述量子级联激光系统包括直接或间接连接到所述主控单元，以接收和跟踪来自主控单元的控制信号，进而在时域内发射频率为10khz至...
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