基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器及處理方法

基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器及處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器及處理方法，儀器包括處理器、光強接收單元、光強控制單元、按鍵輸入單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和無線通訊單元，處理器通過光強控制單元控制LED燈組的發光強度，LED燈組發出的光線照射到人體的手指或耳垂，光強接收單元對透射光強采集，處理器根據透射光強信息和體溫信息判定各個人體內血酒精濃度值，并通過液晶顯示單元顯示。其顯著效果是：能實現便于攜帶、快速、高精度、高效在體血酒精的檢測，能很好地滿足交警在“路旁”快速、定量檢測駕駛員是否酒后違章駕車的需求，而且有著非常廣闊的應用前景。
【專利說明】基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器及處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物醫學中的酒精檢測技術，具體地說，是一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器及方法，屬于光學檢測領域。
【背景技術】
[0002]目前，對于血酒精的檢測主要有呼氣式酒精測試法、乙醇脫氫酶法和頂空氣相色譜法三種。其中呼氣式酒精測試法具有操作簡單、價格低廉，無創、測試快速等優點，但精度不夠高，若駕駛員吃了某些食品(如蛋塔)，也會檢測出較高的酒精濃度，因此不能作為執法法定依據。乙醇脫氫酶法測量精度高，但其處理過程繁瑣，儀器設備龐大，測量效率低，無法現場進行實時檢測，同時其精度也受處理過程的好壞的影響，且為有創檢測；頂空氣相色譜法具有測量精度高，可以作為執法認定，但其測量過程耗時長，效率低，儀器設備龐大，同樣無法進行實時檢測并且也是有創檢測。上述三種方法均各有利弊，但還沒有一種方法能做到同時具有便于攜帶、快速、高精度、高效等能滿足交警在“路旁”快速、定量檢測駕駛員是否酒后違章駕車的需求。
[0003]另外，也有利用電化學生物傳感器進行血酒精即時檢測，但其仍為有創，且還未達到實用的程度。在國外，有不少公司和學者開始從事無創血酒精的在體實時檢測的研究，并取得了一定的成果。如美國InLight Solutions公司，近幾年研制出了一種新型紅外在體酒精檢測儀，可以在無需針管抽取血樣的情況下獲知駕駛員血液中的酒精含量。其原理為，利用紅外光束在皮膚表面不斷地移動，由于人體內酒精含量的多少與紅外輻射的吸收情況有著密切的聯系，通過觀察反射回的紅外輻射光譜圖形，獲知被檢測者血液內的酒精含量是否超標。但目前仍未在實際中大量應用，主要原因在于設備精度不高以及個體差異較大。
[0004]因而在實際操作過程中，交警一般是用呼出氣體酒精含量檢測法測定駕駛員，如果懷疑駕駛人員酒后駕車，再 將駕駛人員帶到臨床實驗室、醫院等專門機構抽取靜脈血檢測確定，不但影響交警的執法效率，而且有創檢測容易影響駕駛員的身體健康。

【發明內容】

[0005]針對現有技術的不足，本發明的目的在于實現便攜式、快速、高精度以及高效的在體血酒精濃度檢測，從而提供一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，而為了讓這種便攜式檢測儀器符合精度要求，本發明還提出了一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器的處理方法，具體技術方案如下:
[0006]一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其關鍵在于:包括處理器以及連接在處理器上的光強接收單元、光強控制單元、按鍵輸入單元、溫度測量單元和液晶顯示單元，在所述光強控制單元上連接有LED燈組，該LED燈組中包含200nm~2600nm波長范圍內的多個LED燈管，所述多個LED燈管發出的光線照射在人體檢測部位上，通過光強接收單元獲取各個LED燈管的透射光強信息，溫度測量單元用于獲取人體體溫信息，處理器根據所述透射光強信息和體溫信息判定人體內血酒精濃度值，并通過液晶顯示單元顯示。[0007]本發明利用200nm~2600nm波長范圍內的多個光束對人體檢測部位進行照射，波長范圍涵蓋了紫外光、可見光以及近紅外光，可以選取該范圍內光吸收率受人體血酒精濃度影響較大的多個典型波長作為入射光束，通過光強接收單元獲取不同波長的透射光強度，由于人體內血酒精含量的多少與不同波長光束照射時的吸收情況有著密切的關系，通過分析各個波長透射光強值即可獲知被檢測者血液內的酒精含量是否超標，為交警檢查駕駛員是否“酒駕”提供了可靠的法律依據。
[0008]為了在減小處理器成本的基礎上提高檢測精度，所述處理器為STM32F103RD微控制芯片，在處理器上還連接有參考電壓單元，該參考電壓單元采用基準電壓產生芯片ADR363B。
[0009]由于STM32F103RD內帶A/D轉換的值均是以模擬輸入的電源電壓A/D轉換為參考電壓，考慮到模擬輸入的電源可能波動，因此選用一高精度3V參考電壓芯片ADR363B作為參考電壓單兀，其輸出的電壓噪聲峰峰值僅為3.6uV,電壓精度±3mV,溫度系數僅為9ppm/°C ο
[0010]針對某些特殊需要，所述處理器上連接有無線通訊單元，使得該儀器檢測所得的數據實現無線傳輸。
[0011]為了保證入射光束的光強恒定，所述光強控制單元包括第一集成運放、第三集成運放以及第一模擬開關芯片和第二模擬開關芯片，處理器輸出的LED控制信號經過第一集成運放放大后送入所述第一模擬開關芯片中，該第一模擬開關芯片設置有8路信號輸出管腳，每路信號輸出管腳可連接一路LED控制電路，在所述第二模擬開關芯片上設置有8路信號輸入管腳，每路信號輸入管腳可獲取一路LED控制電路的反饋信號，第二模擬開關芯片獲取的反饋信號經過所述第三集成運放送入所述處理器中；
[0012]每路LED控制電路包括一個集成運放和一個三極管Ql，第一模擬開關芯片輸出的信號送入集成運放的正相輸入端，集成運放的輸出端經過限流電阻R6連接在三極管Ql基極，三極管Ql的集電極經電阻R5連接在電源VCC上，三極管的發射極與LED燈管的正極連接，LED燈管的負極連接集成 運放的反相輸入端，LED燈管的負極還經電阻R8接地，LED燈管的負極還作為反饋信號采樣點連接在第二模擬開關芯片的一個輸入端上。
[0013]實際應用時，考慮精度需求和實際技術情況，所述LED控制電路中LED燈管的波長為 420 土 50nm、620 土 50nm、940 土 50nm、1300 土 50nm、1450 土 50nm、1720 土 50nm、1950 土 50nm或 2300±50nm。
[0014]為了保證透射光強信號的有效采集，所述光強接收單元包括第一光敏二極管D1、第二光敏二極管D2、第五運算放大器、第六運算放大器以及程控運算放大器，所述第一光敏二極管Dl檢測到的光強信息經過第五運算放大器放大后送入程控運算放大器的零號輸入通道，第二光敏二極管D2檢測到的光強信息經過第六運算放大器放大后送入程控運算放大器的一號輸入通道，通過處理器控制所述程控運算放大器并接收該程控運算放大器輸出的光強信息。
[0015]作為一種實施方式，所述第一光敏二極管Dl為硅光敏二極管，測量波長范圍為200nm~llOOnm，所述第二光敏二極管D2為銻砷化銦鎵光敏二極管，測量波長范圍為IOOOnm~2600nm。通過光敏二極管Dl和D2的配合從而實現200nm-2600nm范圍內的透射光強測試。[0016]基于上述電路結構的描述，本發明還提出一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器的處理方法，具體按以下步驟進行:
[0017]步驟1:處理器通過光強控制單元按照恒定的光照強度控制LED燈組中各個LED燈管工作；
[0018]步驟2:處理器通過光強接收單元和溫度測量單元依次獲取所述LED燈組中各個LED燈管透射光的光強信息以及人體體溫信息；
MM
[0019]步驟3:處理器按照y* = cQ+；J>2M尺+乏>2A2+crr+c/r2計算血酒精濃度值




?~1
/，其中:
[0020]c0, c2i_1； c21, cT以及c/為預設的系數，M為LED燈組中LED燈管的個數，Ri為第i個LED燈管的透射光強度與入射光強度比值在3個以上脈搏周期中的平均值的常用對數，T為人體體溫。
[0021]作為一種實施方式，所述LED燈組中設置有3個LED燈管，即M=3，i=l:M，其波長依次為 620±50nm，1300±50nm，2300±50nm，系數 c。，C2i^1, c2i，cT 以及 c/ 分別為:
[0022]c0=7.8093, C1=-S.7772, c2=_80.9564,
[0023]c3=7.8045, c4=21.6076, cs=~2.1435,
[0024]c6=21.6076, cT=-0.4240, cT/ =0.0058。
[0025]該方法充分考慮了血酒精濃度對入射光束吸收狀況以及體溫的影響，利用現有精密儀器的經驗數值來擬合各個檢測指標的計算系數，將這些系數通過程序固化到微處理器中，即可直接計算出各個檢測指標的血酒精濃度值，降低處理器的計算量，在選用處理器時所需的成本更加低廉，而且檢測精度也能夠滿足精密儀器的標準。
[0026]本發明的顯著效果是:電路結構簡單，成本低廉，通過光強傳感器和溫度檢測單元的配合，微處理器就能利用這些系數計算出精確的檢測指標，而且設備精度高，適用溫度范圍廣，能實現攜帶式、快速、高精度、高效在體血酒精濃度檢測，能很好地滿足交警在“路旁”快速、定量檢測駕駛員是否酒后違章駕車的需求，而且有著非常廣闊的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的電路原理框圖；
[0028]圖2是圖1中光強控制單元的前端輸出控制電路圖；
[0029]圖3是圖1中光強控制單元每一路LED控制電路圖；
[0030]圖4是圖1中光強控制單元的后端反饋電路圖；
[0031]圖5是圖1中光強接收單元的控制電路原理圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細說明。
[0033]參見附圖1，一種基于多波長無創在體血酒精濃度檢測儀器，包括處理器I以及連接在處理器I上的光強接收單元2、光強控制單元3、按鍵輸入單元4、溫度測量單元5和液晶顯示單元6，在所述光強控制單元3上連接有LED燈組9，該LED燈組9中包含200nm~2600nm波長范圍內的多個LED燈管，所述多個LED燈管發出的光線照射在人體檢測部位上，通過光強接收單元2獲取各個LED燈管的透射光強信息，溫度測量單元5用于獲取人體體溫信息，處理器I根據所述透射光強信息和體溫信息判定人體內血酒精濃度值，并通過液晶顯示單元6顯示,在處理器I上還連接有無線通訊單元7。
[0034]實施過程中，處理器I選擇高性價比32位微處理器，型號為STM32F103RD，其內帶12位、I μ S轉換速度的A/D轉換器、有384Κ可用于程序和數據存儲的flash存儲器、最高頻率可達72MHz。液晶顯示單元6由FM12864圖像點陣液晶顯示屏組成，溫度測量單元5利用18B20實現溫度的測量，無線通訊單元7利用NRF2401+無線通信模塊構成，LED燈組9由多種波長LED燈組成。一方面，處理器I通過光強控制單元3控制LED燈組9的發光強度，保證入射光強的穩定；另一方面，處理器I用于將光強接收單元2以及溫度測量單元5輸出的模擬電壓轉換為相應的數字值，實現光強和溫度的采集，通過內部算法，計算出各個指標的血酒精濃度值，同時利用無線通信單元7實現與外部通訊。
[0035]考慮到模擬輸入的電源可能波動，為了滿足不同模塊之間的一致性，在處理器I上還連接有參考電壓單元8，該參考電壓單元8選用一高精度3V參考電壓芯片ADR363B，輸出電壓噪聲峰峰值僅為6.8 μ V，電壓精度±3mV，溫度系數僅為9ppm/°C。
[0036]如圖2圖4所示，為了保證入射光束的光照強度，所述光強控制單元3包括第一集成運放U1、第三集成運放U3以及第一模擬開關芯片⑶4051-1和第二模擬開關芯片⑶4051-2，處理器I輸出的LED控制信號DAl經過第一集成運放Ul放大后送入所述第一模擬開關芯片⑶4051-1中，該第一模擬開關芯片⑶4051-1設置有8路信號輸出管腳，每路信號輸出管腳可連接一路LED控制電路，在所述第二模擬開關芯片⑶4051-2上設置有8路信號輸入管腳，每路信號輸入管腳可獲取一路LED控制電路的反饋信號，第二模擬開關芯片⑶4051-2獲取的反饋信號經過所述第三集成運放U3送入所述處理器I中；
[0037]在實施過程中，處理器I與第一集成運放Ul之間設置有電阻R3、R4，電容C3、C4，在第一集成運放Ul輸出端與反相輸入端之間設置有電阻R2，電阻R2的兩端并聯有電容Cl，第一集成運放Ul的反相輸入端還經電阻Rl接地。處理器I與第三集成運放U3之間設置有電阻R9和電容C5。
[0038]參見圖3，每路LED控制電路包括一個集成運放U2和一個三極管Ql，第一模擬開關芯片⑶4051-1輸出的信號送入集成運放U2的正相輸入端，集成運放U2的輸出端經過限流電阻R6連接在三極管Ql基極，三極管Ql的集電極經電阻R5連接在電源VCC上，三極管的發射極與LED燈管的正極連接，LED燈管的負極連接集成運放U2的反相輸入端，LED燈管的負極還經電阻R8接地，LED燈管的負極還作為反饋信號采樣點連接在第二模擬開關芯片0)4051-2的一個輸入端上。
[0039]實施過程中，可以選擇2-8路LED控制電路，LED燈管的波長可以選擇420 土 50nm、620± 50nm、940± 50nm、1300± 50nm、1450± 50nm、1720 ±50nm、1950 ±50nm 或 2300±50nm
中的至少兩種組合。
[0040]參見圖5，為了保證透射光強信息的可靠接收，所述光強接收單元2包括第一光敏二極管D1、第二光敏二極管D2、第五運算放大器U5、第六運算放大器U6以及程控運算放大器U7，所述第一光敏二極管Dl檢測到的光強信息經過第五運算放大器U5放大后送入程控運算放大器U7的零號輸入通道CHO，第二光敏二極管D2檢測到的光強信息經過第六運算放大器U6放大后送入程控運算放大器U7的一號輸入通道CHl，通過處理器I控制所述程控運算放大器U7并接收該程控運算放大器U7輸出的光強信息。
[0041]實施過程中，所述第一光敏二極管Dl為硅光敏二極管，測量波長范圍為200nm~llOOnm，所述第二光敏二極管D2為銻砷化銦鎵光敏二極管，測量波長范圍為IOOOnm~2600nm。通過光敏二極管Dl和D2的配合從而實現200nm~2600nm波長范圍內的透射光
強信息檢測。
[0042]在實現上述電路結構的基礎上，下面重點對所述基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器的處理方法進行闡述，具體為:
[0043]首先是確定儀器中各個LED燈管的波長及計算系數，具體為:
[0044]I)利用紫外-可見-近紅外分光光度計在200nm-2600nm范圍內對人體全血進行掃描，分析出的全血的吸收峰和吸收比較平坦的波長。
[0045]2)將全血的各吸收峰的波長位置，對比分析化學中各基團、功能團或分子等的吸收峰進行分析，并從中分析出各吸收峰出現的原因。
[0046]3)利用紫外-可見-近紅外分光光度計在200nm-2600nm范圍內對人體已知不同濃度的血酒精進行掃描，對比全血時各吸收峰波長光強的變化情況，分析出光強隨酒精濃度變化較大的波長、光強不隨酒精濃度變化的吸收峰波長和波段范圍。
[0047]4)根據獲取的數據，從光強隨酒精濃度變化較大的波長中選出2-4種波長，從光強不隨酒精濃度變化的吸收峰波長中選擇1-3種波長，從光強不隨酒精濃度變化的波段中選擇1-3種波長，最后確定出4-10種測量波長。
[0048]接著獲取上述4-10種測量波長在體血酒精濃度與透射光強度與入射光強度比值在3個以上脈搏周期中的平均值的常用對數關系，具體為: [0049]I)利用確定的4-10種測量波長，同時測量不同人體在未飲酒時，手指和耳垂處不同波長透射光強度及體溫。
[0050]2)利用確定的4-10種測量波長，同時測量不同人體在飲酒后時，手指和耳垂處不同波長透射光強度及體溫，并同時抽血利用頂空氣相色譜測量出其真實血酒精濃度。
[0051]3)搜集確定的4-10種測量波長透射光強度與入射光強度比值在3個以上脈搏周期中的平均值的常用對數、體溫的關系數據，并分析出實際在體血酒精濃度與透射光強度與入射光強度比值在3個以上脈搏周期中的平均值的常用對數關系較大的波長3-8種波長及測量的位置。
[0052]在本例中，分析出了血酒精濃度與透射光強度與入射光強度比值在3個以上脈搏周期中的平均值的常用對數關系較大的波長3種波長，依次為620±50nm，1300±50nm，2300±50nm，其檢測部位為耳垂處，測得的數據如表1所示:
[0053]表1三波長光束測量數據
【權利要求】
1.一種基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:包括處理器(I)以及連接在處理器(I)上的光強接收單元(2)、光強控制單元(3)、按鍵輸入單元(4)、溫度測量單元(5)和液晶顯示單元(6),在所述光強控制單元(3)上連接有LED燈組(9),該LED燈組(9)中包含200nm~2600nm波長范圍內的多個LED燈管，所述多個LED燈管發出的光線照射在人體檢測部位上，通過光強接收單元(2)獲取各個LED燈管的透射光強信息，溫度測量單元(5)用于獲取人體體溫信息，處理器(I)根據所述透射光強信息和體溫信息判定人體內血酒精濃度值,并通過液晶顯示單元(6)顯示。
2.根據權利要求1所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述處理器(I)為STM32F103RD微控制芯片，在處理器(I)上還連接有參考電壓單元(8)，該參考電壓單元(8)采用基準電壓產生芯片ADR363B。
3.根據權利要求1所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述處理器(I)上連接有無線通訊單元(7)。
4.根據權利要求1-3任意一項權利要求所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述光強控制單元(3)包括第一集成運放(U1)、第三集成運放(U3)以及第一模擬開關芯片(⑶4051-1)和第二模擬開關芯片(⑶4051-2),處理器(I)輸出的LED控制信號(DAl)經過第一集成運放(Ul)放大后送入所述第一模擬開關芯片(⑶4051-1)中，該第一模擬開關芯片(⑶4051-1)設置有8路信號輸出管腳,每路信號輸出管腳可連接一路LED控制電路，在所述第二模擬開關芯片(⑶4051-2)上設置有8路信號輸入管腳，每路信號輸入管腳可獲取一路LED控制電路的反饋信號，第二模擬開關芯片(CD4051-2)獲取的反饋信號經過所述第三集成運放(U3)送入所述處理器(I)中； 每路LED控制電路包括一個集成運放(U2)和一個三極管Q1，第一模擬開關芯片(⑶4051-1)輸出的信號送入集成運放(U2)的正相輸入端，集成運放(U2)的輸出端經過限流電阻R6連接在三極管Ql基極，三極管Ql的集電極經電阻R5連接在電源VCC上，三極管的發射極與LED燈管的正極連接，LED燈管的負極連接集成運放(U2)的反相輸入端，LED燈管的負極還經電阻R8接地，LED燈管的負極還作為反饋信號采樣點連接在第二模擬開關芯片(0)4051-2)的一個輸入端上。
5.根據權利要求4所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述LED控制電路中LED燈管的波長為420±50nm、620±50nm、940±50nm、1300土 50nm、1450土 50nm、1720土 50nm、1950土 50nm 或 2300 土 50nm。
6.根據權利要求1所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述光強接收單元(2)包括第一光敏二極管D1、第二光敏二極管D2、第五運算放大器(U5)、第六運算放大器(U6)以及程控運算放大器(U7)，所述第一光敏二極管Dl檢測到的光強信息經過第五運算放大器(U5 )放大后送入程控運算放大器(U7 )的零號輸入通道(CHO )，第二光敏二極管D2檢測到的光強信息經過第六運算放大器(U6)放大后送入程控運算放大器(U7)的一號輸入通道(CH1)，通過處理器(I)控制所述程控運算放大器(U7)并接收該程控運算放大器(U7)輸出的光強信息。
7.根據權利要求6所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器，其特征在于:所述第一光敏二極管Dl為硅光敏二極管，測量波長范圍為200nm~llOOnm，所述第二光敏二極管D2為銻砷化銦鎵光敏二極管，測量波長范圍為IOOOnm~2600nm。
8.—種如權利要求1所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器的處理方法，其特征在于按以下步驟進行: 步驟1:處理器(I)通過光強控制單元(3)按照恒定的光照強度控制LED燈組(9)中各個LED燈管工作； 步驟2:處理器(I)通過光強接收單元(2 )和溫度測量單元(5 )依次獲取所述LED燈組(9)中各個LED燈管透射光的光強信息以及人體體溫信息； 步驟3:處理器(I)按照
9.根據權利要求8所述的基于多波長光束無創在體血酒精濃度檢測儀器的處理方法，其特征在于:所述LED燈組(9)中設置有3個LED燈管，即M=3，i=l:M，其波長依次為620±50nm, 1300±50nm, 2300±50nm,系數 c。，C2^1, c2i, cT 以及 c/ 分別為:
c0=7.8093，C1=-S.7772，c2=_80.9564，
c3=7.8045，c4=21.6076，c5=_2.1435，
c6=21.6076，cT=_0.4240，c/ =0.0058。
【文檔編號】A61B5/1455GK103462614SQ201310410445
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】宋鴻, 熊興良, 陳龍聰, 黃偉, 譚紅明, 曹峻華 申請人:宋鴻, 熊興良, 陳龍聰, 黃偉, 譚紅明, 曹峻華