使用M-IR雷射的非侵入式血糖監測儀
使用M-IR雷射的非侵入式血糖監測儀
全球有超過 4 億人患有糖尿病。對他們來說，能夠非侵入性（不刺穿皮膚）測量血糖水平將是一個巨大的緩解。由於 DiaMonTech AG 的專利開發，許多人的這個夢想很快就能實現。該技術使用紅外線量子級聯雷射，已經可以作為桌面設備使用。但智慧型手機大小的儀器很快就會出現。為了在不損失品質的情況下實現這種小型化，有必要檢測雷射光束的微小變化。DiaMonTech 使用 Ophir Pyrocam 來測量和表徵他們所有的雷射開發。
成功的研究
許多測量血糖的非侵入性方法都失敗了，因為它們不夠準確：眼淚、唾液或汗液等體液中的葡萄糖值與血液中的葡萄糖值沒有足夠的相關性。皮膚液（組織液 - ISF）的情況則有所不同。在血液供應良好的點對 ISF 進行的測量與血液中的實際葡萄糖含量非常吻合。DiaMonTech 經過在法蘭克福歌德大學多年的研究後於 2015 年成立。在此研究的基礎上，該公司開發了第一款非侵入性血糖儀，並於2019年獲得了醫療器材CE認證。
圖1 . D-Base，DiaMonTech 的非侵入性血糖儀
工作原理
D-Base（桌上型設備的名稱）的工作原理是基於紅外光譜，特別是光熱偏轉原理。為此，量子級聯雷射將波長範圍在 8 至 11μm 之間的紅外線脈衝輻射到更深的皮膚層。這些波長的脈衝穿過感測器元件並激發葡萄糖分子短暫振盪，隨著快速弛豫，少量熱量被釋放到環境中。在皮膚表面，這會導致溫度微量增加。在感測器元件中，熱梯度會導致熱透鏡效應。紅色雷射二極體的測試光束在穿過 IRE 時會被該熱透鏡偏轉。由位置敏感光電二極體測量出偏轉；本設備根據偏轉計算葡萄糖濃度。
圖2 . DiaMonTech無創血糖測量的功能原理
小型化作為目標
該測量原理現已在日常臨床實踐中得到證實，大量測試表明測量結果可靠。然而，縮小測量設備的尺寸仍然是一個挑戰：「糖尿病患者需要快速、緊湊的測量技術，以便他們可以在家里和路上輕鬆使用。只有少數製造商提供用於 D-Base 的可調諧量子級聯雷射。為了減小測量裝置的整體尺寸，雷射必須盡可能小。然而，雷射光束的具體參數不得受到尺寸減小的影響。即使是迄今為止使用的經典量子級聯雷射也必須完全滿足這些規格。
關鍵測量
為了評估給定量子級聯雷射的質量，DiaMonTech 實驗室對所有這些雷射進行了詳細的測量，以解釋雷射光束輪廓是什麼樣的、雷射的輸出功率是多少、光束發散程度如何、脈衝間的穩定性和脈衝形狀、皮膚上的焦點大小。
在公司成立之初，團隊依靠刀口技術進行雷射測量來獲取光束輪廓。但由於所需的測量點數量較多，因此以這種方式測量雷射光束需要花費幾個小時。如果該公司在開發新型緊湊型血糖儀時應用這種方法，就會浪費大量時間，而且結果仍然不夠精確。經過深入研究並在自己的實驗室進行一系列測試後，專家決定選擇 Ophir Pyrocam-III-HR-CA-PRO。使用這種高解析度熱釋電矩陣相機，可以快速可靠地測量紅外線雷射的光束輪廓。對於 DiaMonTech 的應用，相機被單獨校準到適當的訊號水平。然後使用 BeamGage 軟體評估相機數據。相機只需幾秒鐘即可確定輸出功率、光束輪廓和光束發散度。Sergius Janik 解釋道：「Ophir Pyrocam 是我們用於表徵雷射光束的關鍵測量設備，我們每天都使用它。我們不僅用它來開發新原型，還用它來進行品質評估和故障排除。如有必要，我們還製作Pyrocam 可供我們的開發合作夥伴使用，以便他們能夠做出精確可靠的調整。”
故障排除變得簡單
作為 Pyrocam 節省大量時間的範例。在 DiaMonTech 實驗室對新型雷射的一系列測試中，工程師無法聚焦光束。光束的功率分佈很不規則，但乍看之下原因並不明顯。
圖3 . 雖然光束在y軸上具有所需的高斯分佈，但x軸的輪廓非常不均勻。
只有用 Pyrocam 拍攝的圖像提供了解釋。光束出現嚴重扭曲，而不是所需的對稱高斯光束輪廓（見圖 4，左）。
圖4 . 使用 Pyrocam 對原始光束輪廓進行成像：左為鏡頭調整前，右為鏡頭調整後。
這些結果表明，光束的準直透鏡失準，這可能是在運輸過程中發生的。雷射系統被送回製造商，重新調整鏡頭，然後 Pyrocam 測量顯示均勻的光束輪廓，如右圖 4 所示。
圖5 . 雷射光束偏移
可調諧雷射的簡易量測
開發緊湊型血糖儀時出現的另一個挑戰是任何給定波長的不同光束位置。為了檢測皮膚中的葡萄糖，需要使用紅外線範圍內的各種波長進行測量。但對於可調諧雷射器，一旦波長改變，光束就會移動（也稱為“光束跳躍”）。結果，它進入皮膚的位置略有不同（最多約 1/4 毫米），並且類似於錯誤矯正的視力，熱透鏡變得模糊。當 DiaMonTech 團隊改變波長時，他們使用 Pyrocam 來測量焦點位置，該位置以十字線標記。BeamGage 軟體記錄十字準線位置的變化，以便準確追蹤。然後可以根據這些讀數的結果確定提供最精確測量的波長。
更快的測量意味著更有效率的開發
在非侵入性血糖監測小型化的道路上，無法繞過基於攝影機的光束輪廓測量。在購買測量設備之前，DiaMonTech 測試了市場上可用的解決方案。Ophir 測量設備不僅具有適合該用途的波長範圍，還提供了所需的性能範圍，並且物有所值。讓客戶的日常工作變得更加輕鬆。不再將時間浪費在耗時的測量上；相反，可以很快獲得可靠的結果。
宏惠光電可提供雷射光束分析器
