專利名稱：一種光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀器。
背景技術(shù)：
多參數(shù)生理監(jiān)測可以更加全面的反映被測生物組織的狀況，為臨床疾病的檢測和生理監(jiān) 測提供更加全面的信息。無創(chuàng)性，多參數(shù)監(jiān)測和小型化已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)療檢測設(shè)備發(fā)展的重 要趨勢。能夠?qū)ι锝M織很方便的進(jìn)行無創(chuàng)在體的多參數(shù)同時監(jiān)測一直是醫(yī)學(xué)界長期以來夢 寐以求的愿望。
生物組織光譜學(xué)技術(shù)，是根據(jù)生物組織內(nèi)不同的吸收色團(tuán)對光的吸收和散射特性來推導(dǎo) 出組織內(nèi)色團(tuán)濃度變化的方法。相比于其他在體檢測方法，如計(jì)算機(jī)斷層成像CT，核磁共振 成像MRI，正電子斷層成像PET等，生物組織光譜學(xué)技術(shù)具有成本低，時間分辨率高，實(shí)現(xiàn)簡 單，檢測方便，適用場合受限小等優(yōu)點(diǎn)；而其與微電子技術(shù)和嵌入式開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，則可 以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測小型化和個體化的新要求。
目前我國已有數(shù)個獲得公開號或者授權(quán)的基于生物組織光譜學(xué)技術(shù)的生物檢測儀器，但 是這些儀器有的存在理論算法描述不詳或者不準(zhǔn)確的問題，有的監(jiān)測的生理參數(shù)單一，獲得 信息有限，有的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，未能做到便攜化。例如，公開號 CN1365649A的文件中描述的近紅外光譜術(shù)的檢測理論是經(jīng)典的Lambert-Beer定律，但是該定 律沒有考慮人體或者其他生物組織的強(qiáng)散射光學(xué)特性；公開號CN2691489Y， CN201079390Y和 CN1333011A的文件中沒有對檢測理論算法的描述，而且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；公開號CN1540314A的 系統(tǒng)只能檢測生物組織的血氧飽和度一個生理參數(shù)；公開號CN101002673A的裝置只能檢測人 體局部血容量的變化；公開號CN1672628A的儀器光源和探測器是分別放置在被測生物組織兩 側(cè)的，不能對厚的生物組織進(jìn)行檢測；公開號CN1223858C介紹的檢測方法只能監(jiān)測血液動力 學(xué)參數(shù)的變化，雖然儀器設(shè)計(jì)采用了微處理器，可以做到便攜，但是在應(yīng)用中需要心率測試 儀和超聲測試儀的配合才能使用，這就使儀器的實(shí)際應(yīng)用條件受到了限制；公開號 CN101342080A， CN100464695C， CN1239125C， CN101103905A和CN101283906A的儀器有的使用 分離式的激光或者燈泡作為光源，光纖和濾光片的使用導(dǎo)致系統(tǒng)光路復(fù)雜，有的系統(tǒng)中應(yīng)用 了復(fù)雜的機(jī)械平臺，這都導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難，未能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的便攜化。上述專利的檢測儀器中，所使用的光源均沒有超過三種波長，提供的生理信息僅局限于血液動力學(xué)參數(shù)的變化， 不能同時提供多種生理參數(shù)的變化信息。
另外，目前還沒有光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀可以無損檢測生物組織內(nèi)部溫度變化的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，可對多種生理參 數(shù)進(jìn)行同時監(jiān)測，并且實(shí)現(xiàn)簡單，功耗低，便攜性高。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，包括光源，光源驅(qū)動 模塊，光電探測模塊，濾波器，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，處理器，所述處理器向所述光源驅(qū)動電 路發(fā)出控制指令，所述光源驅(qū)動電路點(diǎn)亮LED光源，所述光源驅(qū)動電路調(diào)節(jié)所述光源的波長 發(fā)光頻率和發(fā)光功率，所述光電探測器用于接收經(jīng)過生物組織吸收和散射后的后向散射光子 ，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述濾波器接收所述電壓信號，濾除工頻干擾和高頻噪聲后發(fā) 送到所述A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并 將數(shù)字信號發(fā)送給所述處理器，所述處理器用于對信號進(jìn)行數(shù)字濾波和后期處理得到光強(qiáng)變 化信息，并通過算法將所述光強(qiáng)變化信息轉(zhuǎn)換成各種生理參數(shù)的變化信息；其特征在于，
所述光源為超過三種波長的集成多波長LED，所述處理器為嵌入式微處理器，所述嵌入 式微處理器還包括光強(qiáng)變化信息修正單元，所述光強(qiáng)變化信息修正單元內(nèi)置于所述嵌入式微 處理器，用于對所述光強(qiáng)變化信息進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算處理，使所測量的所述光強(qiáng)變化信息更接近 其真實(shí)值。
作為優(yōu)選，本發(fā)明還包括存儲器，所述存儲器連接所述嵌入式微處理器，接收并存儲所 述生理參數(shù)變化信息。
作為又一優(yōu)選，本發(fā)明還包括液晶屏，所述液晶屏連接所述嵌入式微處理器，接收并顯 示所述生理參數(shù)變化信息。
作為再一優(yōu)選，本發(fā)明還包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接所述嵌入式微處理 器，所述嵌入式微處理器通過所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將所述生理參數(shù)變化信息傳輸給外部PC機(jī)， 以供所述外部PC機(jī)進(jìn)行離線分析。
作為還一優(yōu)選，本發(fā)明還包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接所述嵌入式微處理 器，所述嵌入式微處理器通過所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將所述生理參數(shù)變化信息傳輸給外部PC機(jī)， 以供所述外部PC機(jī)進(jìn)行離線分析，數(shù)據(jù)發(fā)送方式可以是有線數(shù)據(jù)傳輸方式，也可以是無線數(shù) 據(jù)傳輸方式。優(yōu)選的，所述集成多波長LED可發(fā)出波長范圍為300 1100nm波長光，該范圍內(nèi)的波長光 可用于檢測生理組織的血液動力學(xué)、脂肪含量、黑色素參數(shù)變化信息。
更加改進(jìn)的，所述集成多波長LED可發(fā)出包括970nm波長光和1010nm波長光，用于檢測組 織內(nèi)部溫度變化。
本發(fā)明所述嵌入式微處理器及其光強(qiáng)變化信息修正單元對所述光強(qiáng)變化信息的計(jì)算處理 原理是基于修正的Lambert-Beer定律。具體來說，在生物組織光譜學(xué)領(lǐng)域通常用光密度OD 來描述光在生物組織中傳播時的能量損失，假設(shè)入射光強(qiáng)為I'，出射光強(qiáng)為I，則OD可以表 述為
O" = -log(///) = lge.c.0L.i:.￡ + G
(1)
式(1)中，c為生物組織中的吸收色團(tuán)濃度；崳 庀凳 煌櫓識雜①牟煌i13 南庀凳強(qiáng)紗幼櫓庋a(bǔ)芯恐脅櫚降?；L是光源與探測器之間的物理距離，是已知的；B為 微分光程因子，與波長和組織種類有關(guān)，其值可用獨(dú)立的時間分辨光譜技術(shù)測得，目前各個 波長在不同生物組織中的B值已經(jīng)被很多研究所測定，B值是可査的；G是被測生物組織外層 組織光學(xué)特性和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)損耗因子。
生物組織的光譜檢測中通常是選取一個參考狀態(tài)下的光密度ODo，然后檢測其它狀態(tài)相
對與參考狀態(tài)的變化值 OD，設(shè)參考狀態(tài)的出射光強(qiáng)為Io，則 AOD = OD-, =-l。g(J/^) = lge.A。a.i:.5
(2 )
因而生物組織內(nèi)的吸收色團(tuán)濃度變化值 c可以表示為 log(/〃。)
上式(3)中，lge是常數(shù)，L為光源與探測器之間的物理距離，是已知的。只要査到所 要求得的吸收色團(tuán)的消光系數(shù)岷臀7.止獬桃蜃覷，再測得出射光的光強(qiáng)值I和Io，就可以求 得所測吸收色團(tuán)的濃度變化值 C，根據(jù)吸收色團(tuán)的濃度變化值 C及可以計(jì)算不同波長下對應(yīng) 的生物組織生理參數(shù)變化值，生理參數(shù)變化值包括含氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白，血容量， 脂肪含量，生物組織內(nèi)部溫度變化等多種生理參數(shù)的信息。
本發(fā)明使用的光源是集成多波長LED，集成的波長超過三種，波長范圍為300 1100nm。 其無損檢測生物組織內(nèi)部溫度變化的檢測原理是利用生物組織內(nèi)水對光的吸收隨溫度變化而 變化的特性。組織內(nèi)部的水對970nm波長光的吸收隨組織溫度升高而增加，而對101 Onm波長 光的吸收不隨溫度變化而變化，因此以水對101 Onm波長的吸收值作為參考點(diǎn)，以970nm波長 的光經(jīng)過組織的光密度變化值減去101 Onm波長的光經(jīng)過組織的光密度變化值，即用？0D970 — ODkuo可以反映組織內(nèi)部溫度變化。本發(fā)明采用可超過三種波長的集成多種波長的LED作為光源，將生物組織光譜學(xué)技術(shù)與 嵌入式開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，提出的一種便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，可以同時提供諸如血液 動力學(xué)參數(shù)變化，脂肪和黑色素含量，組織內(nèi)部溫度變化等多種生理參數(shù)信息，可以為人體 疾病診斷和生理監(jiān)測提供更加全面的參考信息。本發(fā)明采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，簡化了模擬電 路，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了儀器的便攜化。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。 圖l為便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施案例之一基于DSP的七波長便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施案例之一中采用的集成多波長LED結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。嵌入式微處理器向光源驅(qū)動電路 發(fā)出控制指令，光源驅(qū)動電路按照一定的時序依次點(diǎn)亮多波長集成LED的各個波長，光源各 波長點(diǎn)亮的頻率和光源發(fā)光功率可以通過光源驅(qū)動電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。光源發(fā)出的光射入被測生 物組織，位于光源同側(cè)的帶有前置放大功能的光電探測器接收經(jīng)過生物組織吸收和散射后的 后向散射光子，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行前置放大。光源對生物組織的探測深度由光 源與探測器之間的間距決定，通常探測深度為光源與探測器間距的一半左右。經(jīng)過前置放大 的電壓信號經(jīng)過截止頻率為10Hz的低通濾波器，濾除50Hz工頻干擾和高頻噪聲。A/D轉(zhuǎn)換模 塊將濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送給嵌入式微處理器。嵌入式微處 理器對信號進(jìn)行數(shù)字濾波和后期處理，通過算法將光強(qiáng)變化信息轉(zhuǎn)換成各種生理參數(shù)的變化 信息，如血液動力學(xué)參數(shù)變化，脂肪和黑色素含量，組織內(nèi)部溫度變化等，嵌入式微處理器 內(nèi)部的光強(qiáng)變化信息修正單元用于對所述光強(qiáng)變化信息進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算處理，使所測量的所述 光強(qiáng)變化信息更接近其真實(shí)值。這些生理參數(shù)變化信息被送到液晶屏進(jìn)行顯示，并存儲在外 部存儲器中，也可以通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳輸給PC機(jī)以進(jìn)行離線分析。
圖2所示為本發(fā)明的實(shí)施案例之一，基于DSP的七波長便攜式光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀的結(jié) 構(gòu)框圖。本案例中采用的光源為集成七波長LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。LED陽極公共端 l與電源正極相連，680nm波長陰極端2， 780nm波長陰極端3， 805nm波長陰極端4， 850nm波長 陰極端5， 910nm波長陰極端6， 970nm波長陰極端7， 1010nm波長陰極端8與光源驅(qū)動芯片TB62726的七個驅(qū)動電流輸出端口連接。
如圖2，驅(qū)動電路在DSP數(shù)字信號處理器的控制下按照一定的頻率依次循環(huán)點(diǎn)亮七個波長 的LED。位于光源同側(cè)的帶有前置放大功能的光電探測器S8745-01接收經(jīng)過被測生物組織吸 收和散射后的后向散射光子，將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號并進(jìn)行前置放大。模擬電壓信號 經(jīng)過截止頻率為10Hz的低通濾波器后，被A/D轉(zhuǎn)換器ADS1211轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳送給DSP 。DSP對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，DSP內(nèi)部的光強(qiáng)變化信息修正單元根據(jù)修正的 Lambert-Beer定律，利用680nm、 780nm、 805nm、 850nm和910nm波長的光強(qiáng)變化計(jì)算出被測 生物組織內(nèi)部含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、血容量和脂肪含量等生理參數(shù)的變化，利用 970nm和101 Onm波長的光強(qiáng)變化計(jì)算出被測生物組織內(nèi)部溫度的變化。這些生理參數(shù)的信息 被送到液晶屏進(jìn)行顯示，并被存儲到外部存儲器中，也可以選擇將數(shù)據(jù)通過RS232串口數(shù)據(jù) 發(fā)送模塊傳輸給PC機(jī)，以便進(jìn)行各種離線數(shù)據(jù)分析。
為了使本發(fā)明獲得更高的探測靈敏度和探測動態(tài)范圍，以及更高的信噪比，光電探測器 是具有前置放大功能的探測器，可以是集成前置放大器的硅光電池，光電倍增管，雪崩光電 二極管，集成前置放大器的硅光電二極管和PIN光電二極管，光敏三極管。低通濾波器可以 是模擬低通濾波器，也可以是數(shù)字低通濾波器，濾波器的截止頻率為10Hz，主要作用是去除 50Hz工頻干擾和高頻噪聲。所采用的嵌入式微處理器可以是數(shù)字信號處理器DSP，現(xiàn)場可編 程門陣列FPGA，高級精簡指令集計(jì)算機(jī)ARM等，也可以是多種嵌入式微處理器相結(jié)合。
最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的 技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，包括光源，光源驅(qū)動模塊，光電探測模塊，濾波器，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，處理器，所述處理器向所述光源驅(qū)動電路發(fā)出控制指令，所述光源驅(qū)動電路點(diǎn)亮LED光源，所述光源驅(qū)動電路調(diào)節(jié)所述光源的波長發(fā)光頻率和發(fā)光功率，所述光電探測器用于接收經(jīng)過生物組織吸收和散射后的后向散射光子，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述濾波器接收所述電壓信號，濾除工頻干擾和高頻噪聲后發(fā)送到所述A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送給所述處理器，所述處理器用于對信號進(jìn)行數(shù)字濾波和后期處理得到光強(qiáng)變化信息，并通過算法將所述光強(qiáng)變化信息轉(zhuǎn)換成各種生理參數(shù)的變化信息；其特征在于，所述光源為超過三種波長的集成多波長LED，所述處理器為嵌入式微處理器，所述嵌入式微處理器還包括光強(qiáng)變化信息修正單元，所述光強(qiáng)變化信息修正單元內(nèi)置于所述嵌入式微處理器，用于對所述光強(qiáng)變化信息進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算處理，使所測量的所述光強(qiáng)變化信息更接近其真實(shí)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于還包括 存儲器，所述存儲器連接所述嵌入式微處理器，接收并存儲所述生理參數(shù)變化信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于還 包括液晶屏，所述液晶屏連接所述嵌入式微處理器，接收并顯示所述生理參數(shù)變化信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于還 包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接所述嵌入式微處理器，所述嵌入式微處理器通過 所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將所述生理參數(shù)變化信息傳輸給外部PC機(jī)，以供所述外部PC機(jī)進(jìn)行離線分 析。
5 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于還包括 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接所述嵌入式微處理器，所述嵌入式微處理器通過所述 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將所述生理參數(shù)變化信息傳輸給外部PC機(jī)，以供所述外部PC機(jī)進(jìn)行離線分析。
6 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于，所述 集成多波長LED可發(fā)出波長范圍為300 1100nm波長光，該范圍內(nèi)的波長光可用于檢測生理組 織的血液動力學(xué)、脂肪含量、黑色素參數(shù)變化信息。
7 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，其特征在于，所述 集成多波長LED可發(fā)出包括970nm波長光和101 Onm波長光，用于檢測組織內(nèi)部溫度變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀屬于醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，它提供一種光學(xué)多參數(shù)生理監(jiān)測儀，采用集成多波長LED作為光源，可發(fā)出超過三種波長的光照射生物組織，位于LED同側(cè)的光電探測器接收經(jīng)過組織的后向散射光子，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該監(jiān)測儀還含有低通濾波器，A/D轉(zhuǎn)換模塊，嵌入式微處理器，外部存儲器，液晶屏和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。本發(fā)明首次采用超過三種波長的集成多波長LED作為光源，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)無損多參數(shù)生理監(jiān)測，可以同時提供被測生物組織內(nèi)部諸如含氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白，血容量，脂肪含量，生物組織內(nèi)部溫度變化等多種生理參數(shù)的信息；嵌入式開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使儀器具有小巧便攜，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號A61B5/00GK101564290SQ200910303109
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者張中興, 婷 李, 駱清銘, 輝 龔 申請人:華中科技大學(xué)