CN103462614B - 基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器及处理方法，仪器包括处理器、光强接收单元、光强控制单元、按键输入单元、温度测量单元、液晶显示单元和无线通讯单元，处理器通过光强控制单元控制LED灯组的发光强度，LED灯组发出的光线照射到人体的手指或耳垂，光强接收单元对透射光强采集，处理器根据透射光强信息和体温信息判定各个人体内血酒精浓度值，并通过液晶显示单元显示。其显著效果是：能实现便于携带、快速、高精度、高效在体血酒精的检测，能很好地满***警在“路旁”快速、定量检测驾驶员是否酒后违章驾车的需求，而且有着非常广阔的应用前景。

Description

基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器及处理方法

技术领域

本发明属于生物医学中的酒精检测技术，具体地说，是一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器及方法，属于光学检测领域。

背景技术

目前，对于血酒精的检测主要有呼气式酒精测试法、乙醇脱氢酶法和顶空气相色谱法三种。其中呼气式酒精测试法具有操作简单、价格低廉，无创、测试快速等优点，但精度不够高，若驾驶员吃了某些食品（如蛋塔），也会检测出较高的酒精浓度，因此不能作为执法法定依据。乙醇脱氢酶法测量精度高，但其处理过程繁琐，仪器设备庞大，测量效率低，无法现场进行实时检测，同时其精度也受处理过程的好坏的影响，且为有创检测；顶空气相色谱法具有测量精度高，可以作为执法认定，但其测量过程耗时长，效率低，仪器设备庞大，同样无法进行实时检测并且也是有创检测。上述三种方法均各有利弊，但还没有一种方法能做到同时具有便于携带、快速、高精度、高效等能满***警在“路旁”快速、定量检测驾驶员是否酒后违章驾车的需求。

另外，也有利用电化学生物传感器进行血酒精即时检测，但其仍为有创，且还未达到实用的程度。在国外，有不少公司和学者开始从事无创血酒精的在体实时检测的研究，并取得了一定的成果。如美国InLightSolutions公司，近几年研制出了一种新型红外在体酒精检测仪，可以在无需针管抽取血样的情况下获知驾驶员血液中的酒精含量。其原理为，利用红外光束在皮肤表面不断地移动，由于人体内酒精含量的多少与红外辐射的吸收情况有着密切的联系，通过观察反射回的红外辐射光谱图形，获知被检测者血液内的酒精含量是否超标。但目前仍未在实际中大量应用，主要原因在于设备精度不高以及个体差异较大。

因而在实际操作过程中，交警一般是用呼出气体酒精含量检测法测定驾驶员，如果怀疑驾驶人员酒后驾车，再将驾驶人员带到临床实验室、医院等专门机构抽取静脉血检测确定，不但影响交警的执法效率，而且有创检测容易影响驾驶员的身体健康。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于实现便携式、快速、高精度以及高效的在体血酒精浓度检测，从而提供一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，而为了让这种便携式检测仪器符合精度要求，本发明还提出了一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器的处理方法，具体技术方案如下：

一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其关键在于：包括处理器以及连接在处理器上的光强接收单元、光强控制单元、按键输入单元、温度测量单元和液晶显示单元，在所述光强控制单元上连接有LED灯组，该LED灯组中包含200nm～2600nm波长范围内的多个LED灯管，所述多个LED灯管发出的光线照射在人体检测部位上，通过光强接收单元获取各个LED灯管的透射光强信息，温度测量单元用于获取人体体温信息，处理器根据所述透射光强信息和体温信息判定人体内血酒精浓度值，并通过液晶显示单元显示。

本发明利用200nm～2600nm波长范围内的多个光束对人体检测部位进行照射，波长范围涵盖了紫外光、可见光以及近红外光，可以选取该范围内光吸收率受人体血酒精浓度影响较大的多个典型波长作为入射光束，通过光强接收单元获取不同波长的透射光强度，由于人体内血酒精含量的多少与不同波长光束照射时的吸收情况有着密切的关系，通过分析各个波长透射光强值即可获知被检测者血液内的酒精含量是否超标，为交警检查驾驶员是否“酒驾”提供了可靠的法律依据。

为了在减小处理器成本的基础上提高检测精度，所述处理器为STM32F103RD微控制芯片，在处理器上还连接有参考电压单元，该参考电压单元采用基准电压产生芯片ADR363B。

由于STM32F103RD内带A/D转换的值均是以模拟输入的电源电压A/D转换为参考电压，考虑到模拟输入的电源可能波动，因此选用一高精度3V参考电压芯片ADR363B作为参考电压单元，其输出的电压噪声峰峰值仅为3.6uV，电压精度±3mV，温度系数仅为9ppm/℃。

针对某些特殊需要，所述处理器上连接有无线通讯单元，使得该仪器检测所得的数据实现无线传输。

为了保证入射光束的光强恒定，所述光强控制单元包括第一集成运放、第三集成运放以及第一模拟开关芯片和第二模拟开关芯片，处理器输出的LED控制信号经过第一集成运放放大后送入所述第一模拟开关芯片中，该第一模拟开关芯片设置有8路信号输出管脚，每路信号输出管脚可连接一路LED控制电路，在所述第二模拟开关芯片上设置有8路信号输入管脚，每路信号输入管脚可获取一路LED控制电路的反馈信号，第二模拟开关芯片获取的反馈信号经过所述第三集成运放送入所述处理器中；

每路LED控制电路包括一个集成运放和一个三极管Q1，第一模拟开关芯片输出的信号送入集成运放的正相输入端，集成运放的输出端经过限流电阻R6连接在三极管Q1基极，三极管Q1的集电极经电阻R5连接在电源VCC上，三极管的发射极与LED灯管的正极连接，LED灯管的负极连接集成运放的反相输入端，LED灯管的负极还经电阻R8接地，LED灯管的负极还作为反馈信号采样点连接在第二模拟开关芯片的一个输入端上。

实际应用时，考虑精度需求和实际技术情况，所述LED控制电路中LED灯管的波长为420±50nm、620±50nm、940±50nm、1300±50nm、1450±50nm、1720±50nm、1950±50nm或2300±50nm。

为了保证透射光强信号的有效采集，所述光强接收单元包括第一光敏二极管D1、第二光敏二极管D2、第五运算放大器、第六运算放大器以及程控运算放大器，所述第一光敏二极管D1检测到的光强信息经过第五运算放大器放大后送入程控运算放大器的零号输入通道，第二光敏二极管D2检测到的光强信息经过第六运算放大器放大后送入程控运算放大器的一号输入通道，通过处理器控制所述程控运算放大器并接收该程控运算放大器输出的光强信息。

作为一种实施方式，所述第一光敏二极管D1为硅光敏二极管，测量波长范围为200nm～1100nm，所述第二光敏二极管D2为锑砷化铟镓光敏二极管，测量波长范围为1000nm～2600nm。通过光敏二极管D1和D2的配合从而实现200nm-2600nm范围内的透射光强测试。

基于上述电路结构的描述，本发明还提出一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器的处理方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：处理器通过光强控制单元按照恒定的光照强度控制LED灯组中各个LED灯管工作；

步骤2：处理器通过光强接收单元和温度测量单元依次获取所述LED灯组中各个LED灯管透射光的光强信息以及人体体温信息；

步骤3：处理器按照 $y^{*}=c_0+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i-1}{R}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{R}_i^2+c_{T}T+{c_T}^{\′}{T}^2$ 计算血酒精浓度值y^*，其中：

c₀，c_2i-1，c_2i，c_T以及c_T′为预设的系数，M为LED灯组中LED灯管的个数，R_i为第i个LED灯管的透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数，T为人体体温。

作为一种实施方式，所述LED灯组中设置有3个LED灯管，即M=3，i=1:M，其波长依次为620±50nm，1300±50nm，2300±50nm，系数c₀，c_2i-1，c_2i，c_T以及c_T′分别为：

c₀=7.8093,c₁=-8.7772,c₂=-80.9564,

c₃=7.8045,c₄=21.6076,c₅=-2.1435,

c₆=21.6076,c_T=-0.4240,c_T′=0.0058。

该方法充分考虑了血酒精浓度对入射光束吸收状况以及体温的影响，利用现有精密仪器的经验数值来拟合各个检测指标的计算系数，将这些系数通过程序固化到微处理器中，即可直接计算出各个检测指标的血酒精浓度值，降低处理器的计算量，在选用处理器时所需的成本更加低廉，而且检测精度也能够满足精密仪器的标准。

本发明的显著效果是：电路结构简单，成本低廉，通过光强传感器和温度检测单元的配合，微处理器就能利用这些系数计算出精确的检测指标，而且设备精度高，适用温度范围广，能实现携带式、快速、高精度、高效在体血酒精浓度检测，能很好地满***警在“路旁”快速、定量检测驾驶员是否酒后违章驾车的需求，而且有着非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是图1中光强控制单元的前端输出控制电路图；

图3是图1中光强控制单元每一路LED控制电路图；

图4是图1中光强控制单元的后端反馈电路图；

图5是图1中光强接收单元的控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

参见附图1，一种基于多波长无创在体血酒精浓度检测仪器，包括处理器1以及连接在处理器1上的光强接收单元2、光强控制单元3、按键输入单元4、温度测量单元5和液晶显示单元6，在所述光强控制单元3上连接有LED灯组9，该LED灯组9中包含200nm～2600nm波长范围内的多个LED灯管，所述多个LED灯管发出的光线照射在人体检测部位上，通过光强接收单元2获取各个LED灯管的透射光强信息，温度测量单元5用于获取人体体温信息，处理器1根据所述透射光强信息和体温信息判定人体内血酒精浓度值，并通过液晶显示单元6显示，在处理器1上还连接有无线通讯单元7。

实施过程中，处理器1选择高性价比32位微处理器，型号为STM32F103RD，其内带12位、1μs转换速度的A/D转换器、有384K可用于程序和数据存储的flash存储器、最高频率可达72MHz。液晶显示单元6由FM12864图像点阵液晶显示屏组成,温度测量单元5利用18B20实现温度的测量，无线通讯单元7利用NRF2401+无线通信模块构成，LED灯组9由多种波长LED灯组成。一方面，处理器1通过光强控制单元3控制LED灯组9的发光强度，保证入射光强的稳定；另一方面，处理器1用于将光强接收单元2以及温度测量单元5输出的模拟电压转换为相应的数字值，实现光强和温度的采集，通过内部算法，计算出各个指标的血酒精浓度值，同时利用无线通信单元7实现与外部通讯。

考虑到模拟输入的电源可能波动，为了满足不同模块之间的一致性，在处理器1上还连接有参考电压单元8，该参考电压单元8选用一高精度3V参考电压芯片ADR363B，输出电压噪声峰峰值仅为6.8μV，电压精度±3mV，温度系数仅为9ppm/℃。

如图2图4所示，为了保证入射光束的光照强度，所述光强控制单元3包括第一集成运放U1、第三集成运放U3以及第一模拟开关芯片CD4051-1和第二模拟开关芯片CD4051-2，处理器1输出的LED控制信号DA1经过第一集成运放U1放大后送入所述第一模拟开关芯片CD4051-1中，该第一模拟开关芯片CD4051-1设置有8路信号输出管脚，每路信号输出管脚可连接一路LED控制电路，在所述第二模拟开关芯片CD4051-2上设置有8路信号输入管脚，每路信号输入管脚可获取一路LED控制电路的反馈信号，第二模拟开关芯片CD4051-2获取的反馈信号经过所述第三集成运放U3送入所述处理器1中；

在实施过程中，处理器1与第一集成运放U1之间设置有电阻R3、R4，电容C3、C4，在第一集成运放U1输出端与反相输入端之间设置有电阻R2，电阻R2的两端并联有电容C1，第一集成运放U1的反相输入端还经电阻R1接地。处理器1与第三集成运放U3之间设置有电阻R9和电容C5。

参见图3，每路LED控制电路包括一个集成运放U2和一个三极管Q1，第一模拟开关芯片CD4051-1输出的信号送入集成运放U2的正相输入端，集成运放U2的输出端经过限流电阻R6连接在三极管Q1基极，三极管Q1的集电极经电阻R5连接在电源VCC上，三极管的发射极与LED灯管的正极连接，LED灯管的负极连接集成运放U2的反相输入端，LED灯管的负极还经电阻R8接地，LED灯管的负极还作为反馈信号采样点连接在第二模拟开关芯片CD4051-2的一个输入端上。

实施过程中，可以选择2-8路LED控制电路，LED灯管的波长可以选择420±50nm、620±50nm、940±50nm、1300±50nm、1450±50nm、1720±50nm、1950±50nm或2300±50nm中的至少两种组合。

参见图5，为了保证透射光强信息的可靠接收，所述光强接收单元2包括第一光敏二极管D1、第二光敏二极管D2、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6以及程控运算放大器U7，所述第一光敏二极管D1检测到的光强信息经过第五运算放大器U5放大后送入程控运算放大器U7的零号输入通道CH0，第二光敏二极管D2检测到的光强信息经过第六运算放大器U6放大后送入程控运算放大器U7的一号输入通道CH1，通过处理器1控制所述程控运算放大器U7并接收该程控运算放大器U7输出的光强信息。

实施过程中，所述第一光敏二极管D1为硅光敏二极管，测量波长范围为200nm～1100nm，所述第二光敏二极管D2为锑砷化铟镓光敏二极管，测量波长范围为1000nm～2600nm。通过光敏二极管D1和D2的配合从而实现200nm～2600nm波长范围内的透射光强信息检测。

在实现上述电路结构的基础上，下面重点对所述基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器的处理方法进行阐述，具体为：

首先是确定仪器中各个LED灯管的波长及计算系数，具体为：

1）利用紫外-可见-近红外分光光度计在200nm-2600nm范围内对人体全血进行扫描，分析出的全血的吸收峰和吸收比较平坦的波长。

2）将全血的各吸收峰的波长位置，对比分析化学中各基团、功能团或分子等的吸收峰进行分析，并从中分析出各吸收峰出现的原因。

3）利用紫外-可见-近红外分光光度计在200nm-2600nm范围内对人体已知不同浓度的血酒精进行扫描，对比全血时各吸收峰波长光强的变化情况，分析出光强随酒精浓度变化较大的波长、光强不随酒精浓度变化的吸收峰波长和波段范围。

4）根据获取的数据，从光强随酒精浓度变化较大的波长中选出2-4种波长，从光强不随酒精浓度变化的吸收峰波长中选择1-3种波长，从光强不随酒精浓度变化的波段中选择1-3种波长，最后确定出4-10种测量波长。

接着获取上述4-10种测量波长在体血酒精浓度与透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数关系，具体为：

1）利用确定的4-10种测量波长，同时测量不同人体在未饮酒时，手指和耳垂处不同波长透射光强度及体温。

2）利用确定的4-10种测量波长，同时测量不同人体在饮酒后时，手指和耳垂处不同波长透射光强度及体温，并同时抽血利用顶空气相色谱测量出其真实血酒精浓度。

3）搜集确定的4-10种测量波长透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数、体温的关系数据，并分析出实际在体血酒精浓度与透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数关系较大的波长3-8种波长及测量的位置。

在本例中，分析出了血酒精浓度与透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数关系较大的波长3种波长，依次为620±50nm，1300±50nm，2300±50nm，其检测部位为耳垂处，测得的数据如表1所示：

表1 三波长光束测量数据

然后分析出3种测量波长在体血酒精浓度与透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数、体温等的具体关系式，具体为：利用上述获取的数据和偏最小二乘法进行数据分析。

设拟合的血酒精浓度为y^*，其表达式表示为：

$y^{*}=c_0+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i-1}{R}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{R}_i^2+c_{T}T+{c_T}^{\′}{T}^2---\left(a\right)$

式中M取值为3，c₀表示拟合计算系数；c_2i-1表示第i种波长的一次方的计算系数；R_i表示第i种波长透射光强度与入射光强度比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数；c_2i表示第i种波长的二次方的计算系数；T表示测量时的体温；c_T表示对体温T的一次方的计算系数，c_T′表示对体温T的二次方的计算系数。

通过偏最小二乘法的拟合得到系数c₀，c_2i-1，c_2i，c_T以及c_T′分别为：

c₀=7.8093,c₁=-8.7772,c₂=-80.9564,

c₃=7.8045,c₄=21.6076,c₅=-2.1435,

c₆=21.6076,c_T=-0.4240,c_T′=0.0058。

分析出该系数后，通过程序将公式（a）及其相应的系数固化到处理器1中，处理器1即可按照以下步骤实现数据处理：

步骤1：处理器1通过光强控制单元3按照恒定的光照强度控制LED灯组9中各个LED灯管工作；

步骤2：处理器1通过光强接收单元2和温度测量单元5依次获取所述LED灯组9中各个LED灯管透射光的光强信息以及人体体温信息；

步骤3：处理器1按照 $y^{*}=c_0+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i-1}{R}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{R}_i^2+c_{T}T+{c_T}^{\′}{T}^2$ 计算血酒精浓度值y^*。

本发明采用紫外-可见-近红外波段内更能反映血酒精浓度的几个波长作为检测光束波长，同时引入与代谢有关的体温作为补偿，比现有反射方法等在体血酒精浓度检测精度更高，适用温度范围更广，具有很好的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：包括处理器(1)以及连接在处理器(1)上的光强接收单元(2)、光强控制单元(3)、按键输入单元(4)、温度测量单元(5)和液晶显示单元(6)，在所述光强控制单元(3)上连接有LED灯组(9)，该LED灯组(9)中包含200nm～2600nm波长范围内的多个LED灯管，所述多个LED灯管发出的光线照射在人体检测部位上，通过光强接收单元(2)获取各个LED灯管的透射光强信息，温度测量单元(5)用于获取人体体温信息，处理器(1)根据所述透射光强信息和体温信息判定人体内血酒精浓度值，并通过液晶显示单元(6)显示；

所述光强控制单元(3)包括第一集成运放(U1)、第三集成运放(U3)以及第一模拟开关芯片和第二模拟开关芯片，处理器(1)输出的LED控制信号(DA1)经过第一集成运放(U1)放大后送入所述第一模拟开关芯片中，该第一模拟开关芯片设置有8路信号输出管脚，每路信号输出管脚可连接一路LED控制电路，在所述第二模拟开关芯片上设置有8路信号输入管脚，每路信号输入管脚可获取一路LED控制电路的反馈信号，第二模拟开关芯片获取的反馈信号经过所述第三集成运放(U3)送入所述处理器(1)中；

每路LED控制电路包括一个集成运放(U2)和一个三极管Q1，第一模拟开关芯片输出的信号送入集成运放(U2)的正相输入端，集成运放(U2)的输出端经过限流电阻R6连接在三极管Q1基极，三极管Q1的集电极经电阻R5连接在电源VCC上，三极管的发射极与LED灯管的正极连接，LED灯管的负极连接集成运放(U2)的反相输入端，LED灯管的负极还经电阻R8接地，LED灯管的负极还作为反馈信号采样点连接在第二模拟开关芯片的一个输入端上。

2.根据权利要求1所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：所述处理器(1)为STM32F103RD微控制芯片，在处理器(1)上还连接有参考电压单元(8)，该参考电压单元(8)采用基准电压产生芯片ADR363B。

3.根据权利要求1所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：所述处理器(1)上连接有无线通讯单元(7)。

4.根据权利要求1所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：所述LED控制电路中LED灯管的波长为420±50nm、620±50nm、940±50nm、1300±50nm、1450±50nm、1720±50nm、1950±50nm或2300±50nm。

5.根据权利要求1所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：所述光强接收单元(2)包括第一光敏二极管D1、第二光敏二极管D2、第五运算放大器(U5)、第六运算放大器(U6)以及程控运算放大器(U7)，所述第一光敏二极管D1检测到的光强信息经过第五运算放大器(U5)放大后送入程控运算放大器(U7)的零号输入通道(CH0)，第二光敏二极管D2检测到的光强信息经过第六运算放大器(U6)放大后送入程控运算放大器(U7)的一号输入通道(CH1)，通过处理器(1)控制所述程控运算放大器(U7)并接收该程控运算放大器(U7)输出的光强信息。

6.根据权利要求5所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器，其特征在于：所述第一光敏二极管D1为硅光敏二极管，测量波长范围为200nm～1100nm，所述第二光敏二极管D2为锑砷化铟镓光敏二极管，测量波长范围为1000nm～2600nm。

7.一种如权利要求1所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器的处理方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤1：处理器(1)通过光强控制单元(3)按照恒定的光照强度控制LED灯组(9)中各个LED灯管工作；

步骤2：处理器(1)通过光强接收单元(2)和温度测量单元(5)依次获取所述LED灯组(9)中各个LED灯管透射光的光强信息以及人体体温信息；

步骤3：处理器(1)按照 $y^{*}=c_0+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i-1}{R}_i+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{R_i}^2+c_{T}T+{c_T}^{\′}{T}^2$ 计算血酒精浓度值y^*，其中：

c₀，c_2i-1，c_2i，c_T以及c_T'为预设的系数，M为LED灯组(9)中LED灯管的个数，R_i表示第i个LED灯管的透射光强度与入射光强比值在3个以上脉搏周期中的平均值的常用对数，T为人体体温。

8.根据权利要求7所述的基于多波长光束无创在体血酒精浓度检测仪器的处理方法，其特征在于：所述LED灯组(9)中设置有3个LED灯管，即M＝3，i＝1～M，其波长依次为620±50nm，1300±50nm，2300±50nm，系数c₀，c_2i-1，c_2i，c_T以及c_T'分别为：

c₀＝7.8093,c₁＝-8.7772,c₂＝-80.9564,

c₃＝7.8045,c₄＝21.6076,c₅＝-2.1435,

c₆＝21.6076,c_T＝-0.4240,c_T'＝0.0058。