專利名稱：一種光纖近紅外光譜檢測儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療設備技術領域的光纖近紅外光譜檢測儀。
背景技術：
近紅外光譜術是近20年來發(fā)展起來的一種非侵入式測量血液動力學參數(shù)變化的 光學成像技術。生物組織對波長為60(T900nm的近紅外光存在低吸收、高散射的特性，因此 這一波段的光可以穿透生物組織幾個厘米的厚度而對深層生物組織進行探測。近紅外光 譜術根據(jù)成像原理的不同，又可以分為連續(xù)光技術、頻域調(diào)制技術和時間分辨技術。其中， 基于修正的Beer-Lambert吸收定律的連續(xù)光近紅外光譜術具有時間分辨率高、測量過程 中受運動限制少、成本低、可實現(xiàn)便攜化等優(yōu)勢，是目前應用最為廣泛的近紅外光譜測量技 術。目前國內(nèi)外已有多個便攜式近紅外檢測儀的專利和研制文章報道，國外已有 商用產(chǎn)品被廣泛應用在腦功能研究、運動肌氧檢測、乳腺癌檢測等領域。比如，國內(nèi)公 開號 CN101002673A，CN1223858C, CN1540314A, CN1239125C 的儀器；美國 NIM 公司的 Micro-RunMan 儀器，Somanetics 公司的 INV0S5100 儀器，日本 0MR0N 公司的 HE0-200 儀器， 意大利NIR0X公司的NIM0儀器等。這些儀器的光源和探測器均是直接與被測生物組織接 觸，在滿足激光安全標準的前提下，以增大光源出光面積進而增大入射生物組織的光功率 (最高可達幾十毫瓦)。相對較高的入射光功率和較大的探測器光敏面使得這些儀器能夠獲 得較高的信噪比。因此，這些儀器的探頭、后續(xù)信號處理電路的設計都較易實現(xiàn)，也較易實 現(xiàn)便攜化。但是，這些儀器由于受探頭光源出光面和探測器光敏面尺寸的限制，僅能對沒有 濃密毛發(fā)遮擋的生物組織，如人腦前額葉，肌肉組織，乳房等進行檢測，黑色毛發(fā)對光的吸 收導致這些儀器無法對有頭發(fā)遮擋的生物組織，如人腦頂葉，枕葉等腦區(qū)進行檢測，這就使 這些儀器的應用范圍受到了限制。為了擴大近紅外檢測儀的應用范圍，實現(xiàn)對有毛發(fā)遮擋的生物組織的檢測，目前 國外已有一些公司研制出采用光纖探頭的近紅外腦功能成像儀。比如，日本日立公司的 ETG-100、ETG-4000、ETG-7000 產(chǎn)品，島津公司的 0MM-2000、0MM-3000 產(chǎn)品，美國 NIRx 公司 的DYN0T儀器等。這些儀器光源發(fā)出的光先耦合進光纖束，光纖束的出光端與大腦頭皮接 觸將光射入大腦，探測光纖束接收經(jīng)過大腦吸收和散射后的出射光，并傳輸給探測器。光纖 由于截面小，可以放置在頭發(fā)間隙中與頭皮接觸，因此光纖的設計優(yōu)化了出光面和接光面 的面積，從而可以對有頭發(fā)遮擋的腦區(qū)進行探測。為了滿足激光安全標準的限制，光源的 入射光功率一般只有幾mW。入射光功率的減弱，探測光纖接光面積的變小，導致探測器能 接收到的信號非常微弱，一般僅為10pW至nW量級，因此，這些儀器在設計上對后續(xù)弱信號 處理硬件電路設計要求非常高，電路設計復雜，一般均采用模擬鎖定放大陣列來實現(xiàn)對弱 信號的提取，這就導致整個儀器體積龐大，無法實現(xiàn)便攜。此外，這些儀器均采用光纖束作 為光源光纖和探測光纖，但是眾所周知，光纖束不僅存在填充比損耗，而且在頻繁使用過程 中，極易出現(xiàn)內(nèi)部單絲折斷破損，從而導致光纖傳光效率下降，傳光不均，并且光纖束造價昂貴，成本高。因此，這些儀器一般應用在醫(yī)院內(nèi)部臨床腦功能疾病的檢測。對于很多腦功能研究者來說，比如對于認知神經(jīng)科學研究者來說，他們往往希望 能夠在真實的生活環(huán)境中對人的大腦進行無損檢測，以研究大腦的認知活動過程或?qū)δX精 神疾病進行檢測，這就要求光纖近紅外腦功能成像儀盡可能做到便攜化，光纖也需要具有 不易破損，耐用性高，成本低廉的特點。上述國外的光纖近紅外腦功能成像儀，由于受體積 和成本的限制，是無法滿足認知神經(jīng)科學研究這一需求的。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前近紅外檢測儀器存在的不足，本發(fā)明所要解決的問題是提供一種近紅外 檢測儀，該儀器對即使有毛發(fā)遮擋的生物組織也可進行無損實時的血液動力學參數(shù)檢測， 并且儀器噪聲水平低，時間分辨率高，穩(wěn)定性高，光纖不易破損，傳光均勻，價格便宜，大大 簡化微弱信號提取的硬件電路設計，真正實現(xiàn)便攜化。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種采用數(shù)字鎖定放大技術的便攜式近紅外檢 測儀，包括光源，光源光纖，探測光纖，探測器，光源調(diào)制電路，A/D數(shù)據(jù)采集模塊，處理器，顯 示屏，存儲器和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。所述處理器向所述光源調(diào)制電路發(fā)出控制指令，所述光源 調(diào)制電路對所述各波長光源分別進行正弦調(diào)制發(fā)光，所述光源調(diào)制電路調(diào)節(jié)所述光源的正 弦發(fā)光頻率和發(fā)光功率，所述光源發(fā)出的正弦波光耦合進所述光源光纖，經(jīng)光源光纖傳輸 入射生物組織，所述探測光纖一端接收經(jīng)過生物組織吸收和散射后的后向散射光子，并將 光子傳輸給探測光纖另外一端耦合的所述探測器，探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信 號，并對電壓信號進行前置放大后發(fā)送到所述A/D數(shù)據(jù)采集模塊，所述A/D數(shù)據(jù)采集模塊將 模擬電壓信號轉(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 進行數(shù)字鎖定放大提取信號幅值信息，以得到光強變化信息，并通過算法將所述光強變化 信息轉(zhuǎn)換成各種生理參數(shù)的變化信息，所述顯示屏連接所述處理器以顯示各種生理參數(shù)的 變化過程，所述存儲器連接所述處理器，對數(shù)據(jù)進行存儲，所述數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接所述處理 器，可以將各種生理參數(shù)的變化信息發(fā)送給其他處理器進行離線數(shù)據(jù)分析；其特征在于，本 發(fā)明所采用的光源光纖優(yōu)先選用多尾纖光纖準直器，以實現(xiàn)將多個波長的入射光通過不同 的尾纖傳輸?shù)綔手逼鳒手蓖哥R的焦點處，從焦點處出射的光經(jīng)透鏡后以平行光均勻入射生 物組織。該設計既可以實現(xiàn)多個波長入射光同時從同一位置均勻入射生物組織，又可以省 去傳統(tǒng)光纖近紅外檢測儀光源光纖設計中采用的光纖切換開關和波分復用器，大大簡化了 系統(tǒng)設計，便于實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜化。光源光纖設計中選用的光纖準直器的尾纖是普通的多模光纖，準直器前端的準直 透鏡對從多模光纖傳輸至透鏡焦點處的入射光束進行擴束，從而實現(xiàn)入射光的均勻入射。 與傳統(tǒng)光纖近紅外檢測儀的光源光纖采用光纖束的設計相比，該設計可以克服光纖束易出 現(xiàn)單絲折斷而導致入射生物組織的光不均勻的缺點，并且大大降低了成本。進一步改進的，本發(fā)明還包括數(shù)字鎖定放大器，所述數(shù)字鎖定放大器連接所述A/D 數(shù)據(jù)采集模塊，用于對探測光纖采集模塊采集到的10pW至nW級微弱信號進行數(shù)字化鎖定 放大提取。所述數(shù)字鎖定放大器的功能由處理器或者另外的計算機實現(xiàn)。更具體來說，設輸 入的模擬信號源為
其中K為信號幅度，fs為信號初相位，fffl為信號頻率。假設以fs采樣頻率對信號進行 采樣Ns個點，可以產(chǎn)生離散信號
處理器內(nèi)部生成的正弦和余弦參考信號為
離散的參考信號與離散的測量信號相乘，展開以后就得到
I[n]和Q[n]中的第一項是只含有信號幅值和相位信息的直流成分，對I [n]和Q[n]進 行低通濾波，去除交流成分，只保留直流成分，則得到
最后進行下面的運算就可以得到下面的幅度信號
相對于模擬鎖定放大器，數(shù)字鎖定放大器在設計上簡化了模擬器件的使用，不僅適合 于便攜式儀器的設計，還可以避免直流放大器使用所引入的直流漂移、溫漂、非線性誤差和 增益誤差，因此具有更高的微弱信號提取能力。數(shù)字鎖定放大器相關運算的數(shù)據(jù)點數(shù)(相對 于模擬積分時間常數(shù))和低通濾波器的參數(shù)可以根據(jù)信號特點的不同而隨時進行調(diào)節(jié)，具 有更高的設計靈活性。 本發(fā)明中，數(shù)字鎖定運算需要的正弦和余弦參考信號優(yōu)選方案為由處理器內(nèi)部數(shù) 字合成或者另外的計算機合成處理，這樣可以保證兩路參考信號同頻且初始相位相差90度的絕對正交，參考信號不會受到外界噪聲干擾。所述探測光纖可以是粗芯徑的塑料光纖、液芯光纖、石英光纖中的一種，也可以是 石英光纖束和玻璃光纖束。本發(fā)明中，優(yōu)選方案為粗芯徑塑料光纖，其直徑為1mm至3. 5mm, 因為與傳統(tǒng)采用光纖束作為探測光纖的設計相比，粗芯徑塑料光纖在實現(xiàn)大數(shù)值孔徑的同 時，不存在光纖束設計中具有填充比損耗的問題，而且，可以克服光纖束的光纖單絲易折斷 從而導致傳光效率下降的問題，并且大大降低了成本。本發(fā)明所采用的光源優(yōu)選為帶有PD的激光二極管，以實現(xiàn)對光源的正弦調(diào)制，產(chǎn) 生正弦光信號。光源波長范圍為eOCTlOOOnm。但是本發(fā)明的光源不僅僅限于激光二極管， 也可以是其他可實現(xiàn)正弦調(diào)制的近紅外光源，如集成近紅外激光光源模塊。本發(fā)明所采用的探測器為高探測靈敏度、低噪聲水平、帶有前置放大功能的雪崩 光電二極管APD或光電倍增管PMT，以實現(xiàn)對pW級微弱光信號的探測。但是，如有其他光電 探測器，在光源波長范圍內(nèi)滿足高探測靈敏度、低噪聲水平的要求，也可以作為本發(fā)明的探 測器。所述處理器，可以是嵌入式微處理器，也可以是計算機CPU。所述處理器，當探測通道增多時，為了保證足夠高的時間分辨率，需要提高數(shù)字鎖 定運算的速度，此時處理器可以是計算機集群或者圖形處理器GPU，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的并行加 速處理。作為優(yōu)選，本發(fā)明還包括存儲器，所述存儲器連接所述處理器，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)明還包括顯示屏，所述顯示屏連接所述處理器，接收并顯示所 述生理參數(shù)變化信息。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)送模塊連接所述處理器， 所述處理器通過所述數(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，以供所述 外部PC機進行離線分析，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的數(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。本發(fā)明采用數(shù)字鎖定技術作為微弱信號提取的技術方案，以帶有PD的激光二極 管作為光源進行正弦調(diào)制，以多尾纖光纖準直器作為光源光纖，以雪崩光電二極管APD或 光電倍增管PMT作為探測器，以粗芯徑塑料光纖、液芯光纖、石英光纖、石英光纖束或玻璃 光纖束作為探測光纖，設計了一種基于光纖探頭的便攜式近紅外檢測儀，該儀器對即使有 毛發(fā)遮擋的生物組織也可進行無損實時的血液動力學參數(shù)檢測，儀器噪聲水平低，時間分 辨率高，穩(wěn)定性高，價格便宜，大大簡化硬件電路設計，實現(xiàn)了儀器的便攜化。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術方案作進一步具體說明。圖1為一種便攜式光纖近紅外檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實施案例之一基于PC機的便攜式光纖近紅外檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本發(fā)明實施案例之一基于PC機的便攜式光纖近紅外檢測儀應用于在體前 臂阻斷實驗結(jié)果圖。
具體實施例方式便攜式光纖近紅外檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。處理器向光源調(diào)制電路發(fā)出控 制指令，使光源調(diào)制電路對光源進行正弦調(diào)制發(fā)光，光源的正弦發(fā)光頻率和發(fā)光功率均可 由光源調(diào)制電路進行控制。光源發(fā)出的正弦光耦合入光源光纖，經(jīng)光源光纖傳輸入射被測 生物組織。在被測生物組織表面與光源光纖同側(cè)間隔幾厘米距離處放置的探測光纖接收經(jīng) 過生物組織吸收和散射后的后向散射光子，探測光纖將接收的光子傳輸給探測光纖另外一 端耦合的探測器。探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對電壓信號進行前置放大 后發(fā)送到A/D數(shù)據(jù)采集模塊。A/D數(shù)據(jù)采集模塊將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字 信號發(fā)送給處理器。處理器對信號進行數(shù)字鎖定運算以提取信號幅值信息，即光強變化信 息。在處理器內(nèi)部，光強變化信息再通過修正的Beer-Lambert吸收定律轉(zhuǎn)換成血液動力學 參數(shù)等生理參數(shù)的變化信息。然后處理器將生理參數(shù)的變化傳輸?shù)斤@示屏和存儲器進行顯 示和存儲。處理器也可以選擇將生理參數(shù)變化信息通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給其他處理器進 行離線數(shù)據(jù)分析。圖2所示為本發(fā)明實施案例之一，基于PC機的便攜式光纖近紅外檢測儀的結(jié)構(gòu)框 圖。PC機向下位機微處理器AT89C2051發(fā)送工作指令，AT89C2051向直接數(shù)字合成正弦波 發(fā)生芯片ML2035發(fā)送16位頻率編碼指令，使正弦波發(fā)生芯片ML2035開始產(chǎn)生特定頻率的 正弦波驅(qū)動信號。正弦波驅(qū)動信號驅(qū)動LD驅(qū)動芯片iC-WJZ工作，以使iC-WJZ輸出正弦波 驅(qū)動電流點亮690nm波長LD和850nm波長LD。690nm波長LD和850nm波長LD以與驅(qū)動 正弦波電流相同的頻率發(fā)出正弦波光，發(fā)出的光分別通過雙尾纖光纖準直器的尾纖1和尾 纖2傳輸?shù)诫p尾纖光纖準直器前端的準直透鏡焦點處，經(jīng)過準直透鏡擴束后，以近似平行 光均勻入射被測生物組織。經(jīng)過生物組織吸收和散射后的后向散射光子被放置在被測生物 組織表面的芯徑1 3. 5mm塑料光纖接收。塑料光纖將接收的光子傳輸給探測器APD模塊 C5460-01，探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對電壓信號進行前置放大。電壓信 號直接被數(shù)據(jù)采集卡PCI6259采集傳輸給PC機。PC機內(nèi)部對采集到的信號進行數(shù)字鎖定運 算，提取光強變化信息，將光強變化信息轉(zhuǎn)換為血液動力學參數(shù)變化，并進行存儲和顯示。圖3所示為本發(fā)明實施案例之一基于PC機的便攜式光纖近紅外檢測儀應用于在 體前臂阻斷實驗結(jié)果圖。實驗過程中，將儀器探頭綁在人體前臂，將血壓計繃帶綁在上臂， 通過血壓計對上臂加壓，以實現(xiàn)對前臂血液供應的阻斷導通控制。靜息狀態(tài)測量30s，含氧 血紅蛋白Hb02，脫氧血紅蛋白Hb和血容Bv沒有變化，因此相對濃度變化為0。然后加壓至 200mmHg，阻斷前臂血液的供給和回流。阻斷后，前臂由于得不到血液供應，血液也無法回 流，因此血容Bv基本保持穩(wěn)定；肌肉組織需要不斷消耗氧氣，因此Hb02減少，Hb以同樣的 速率增加；當減壓至正常狀態(tài)時，淤積的靜脈血得到快速釋放，大量動脈血迅速涌入，都出 現(xiàn)了 “過償”效應；隨后Hb02，Hb和Bv逐漸恢復至初始狀態(tài)。該實驗測量的前臂血管內(nèi)的 血液動力學參數(shù)的變化與實際的生理變化過程相符合，表明儀器可以對人體的血液動力學 參數(shù)變化進行有效監(jiān)測。最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對 本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均 應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種近紅外光譜檢測儀，包括光源，光源光纖，探測光纖，探測器，光源調(diào)制電路，A/D數(shù)據(jù)采集模塊，處理器，其特征在于，所述光源光纖為多尾纖光纖準直器，以實現(xiàn)將多個波長的入射光通過不同的尾纖傳輸?shù)綔手逼鳒手蓖哥R的焦點處，從焦點處出射的光經(jīng)透鏡后以平行光均勻入射生物組織。
2.根據(jù)權利要求1所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，還包括數(shù)字鎖定放大器，所 述數(shù)字鎖定放大器連接所述A/D數(shù)據(jù)采集模塊，用于對探測光纖采集模塊采集到的IOpW 至nW級微弱信號進行數(shù)字化鎖定放大提取。
3.根據(jù)權利要求2所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，所述數(shù)字鎖定放大器的功 能由處理器或者另外的計算機實現(xiàn)。
4.根據(jù)權利要求3所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，所述光源為帶有PD的激光 二極管，以實現(xiàn)對光源的正弦調(diào)制，產(chǎn)生正弦光信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，所述探測光纖為粗芯徑塑 料光纖，其直徑為Imm至3. 5mm。
6.根據(jù)權利要求5所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，所述探測器為高探測靈敏 度、低噪聲水平、帶有前置放大功能的雪崩光電二極管APD或光電倍增管PMT，以實現(xiàn)對pW 級微弱光信號的探測。
7.根據(jù)權利要求6所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，它還包括存儲器，所述存儲 器連接所述處理器，接收并存儲所述生理參數(shù)變化信息。
8.根據(jù)權利要求7所述的近紅外光譜檢測儀，其特征在于，還包括顯示屏，所述顯示屏 連接所述處理器，接收并顯示所述生理參數(shù)變化信息。
9.根據(jù)權利要求8所述的近紅外光譜檢測儀，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)送模塊連接所述處理器，所述處理器通過所述數(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，以供外部PC機進行離線分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)療設備技術領域的光纖近紅外光譜檢測儀，它以多尾纖光纖準直器作為光源光纖，采用數(shù)字鎖定技術作為微弱信號提取技術方案，以帶有PD的激光二極管作為光源進行正弦調(diào)制，以雪崩光電二極管APD或光電倍增管PMT作為探測器，以粗芯徑塑料光纖、液芯光纖、石英光纖、石英光纖束或玻璃光纖束作為探測光纖。該儀器對即使有毛發(fā)遮擋的生物組織也可進行無損實時的血液動力學參數(shù)檢測，儀器噪聲水平低，時間分辨率高，穩(wěn)定性高，價格便宜，大大簡化硬件電路設計，實現(xiàn)了儀器的便攜化。
文檔編號A61B5/026GK101849821SQ20101020003
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權日2010年6月13日
發(fā)明者何勇, 張中興, 駱清銘, 龔輝 申請人:華中科技大學