本發(fā)明屬于光譜檢測領(lǐng)域中的人體成分無創(chuàng)檢測研究，涉及一種生物組織光譜測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

人體成分無創(chuàng)檢測具有快速、方便、無感染風(fēng)險等優(yōu)點(diǎn)，對于臨床診斷以及病人監(jiān)護(hù)護(hù)理具有十分重要的意義。光譜檢測方法利用組織各種成分特征吸收，對測量得到的組織光譜進(jìn)行建模分析，獲取待測成分信息，其特點(diǎn)是快速，方便，無創(chuàng)。并且可以根據(jù)不同成分光譜吸收峰的不同，同時測量多種成分，在人體成分無創(chuàng)檢測中應(yīng)用廣泛，也是研究熱點(diǎn)。

利用在體光譜進(jìn)行生物組織成分檢測研究中，某些待測量成分，如血糖，膽固醇，甘油三酯等成分含量相對較少，光譜吸收信號相對較小，往往被淹沒在較大的生理背景噪聲中。要消除生理背景影響，較為有效的方法是采用差分光譜檢測的方法，將生理噪聲視為檢測中的共模噪聲，而組織中待檢測成分信息可以同差分光譜的形式獲得。這種動態(tài)光譜檢測方式可以通過活體組織本身的生理變化獲得，如人體脈搏信號會造成組織中血液體積產(chǎn)生周期性變化，于此同時生理背景噪聲基本不變，一個周期內(nèi)血液體積容積差產(chǎn)生的差分光譜信號與血液中待測成分吸收信號具有很好的相關(guān)性，通過差分測量方式可以有效減少組織生理背景影響，提高檢測靈敏度。由于生物組織本身生理活動產(chǎn)生的光譜動態(tài)相對較小，再進(jìn)行差分光譜處理后得到的差分信號幅度較低，因此，研究一種能夠主動調(diào)制組織變換產(chǎn)生動態(tài)調(diào)制光譜的測量裝置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)調(diào)制光譜測量，分析組織接觸及調(diào)制狀態(tài)，并進(jìn)行動態(tài)差分光譜處理，獲得組織中微量成分變化信息，對于減少生理背景影響，提高檢測靈敏度具有非常重要意義。

根據(jù)生物組織力學(xué)以及傳熱特性，可以采用壓力或者溫度調(diào)制激勵待測組織產(chǎn)生動態(tài)周期性變化，同時測量調(diào)制過程中的組織光譜，獲得組織動態(tài)調(diào)制光譜。一些研究小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人體組織在壓力作用下會產(chǎn)生幾何厚度及液體體積變化，皮膚等軟組織在一定壓力作用下，應(yīng)變大小與壓力值具有線性相關(guān)性，因此可以通過控制作用于待測組織的壓力大小來控制其應(yīng)變。溫度變化也會造成組織吸收系數(shù)與散射系數(shù)變化，相關(guān)研究結(jié)果表明，在一定溫度范圍內(nèi)，散射系數(shù)變化與溫度之間也呈線性相關(guān)關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種能夠減少光譜測量中生理背景影響、提高人體成分測量靈敏度的基于外部激勵的動態(tài)調(diào)制光譜測量方法。技術(shù)方案如下：

一種生物組織動態(tài)調(diào)制光譜測量裝置，包括導(dǎo)軌，電機(jī)，連接桿，光纖探頭，壓力傳感器，加熱電路，溫度傳感器，反饋控制電路，寬譜光源，光譜儀和數(shù)據(jù)采集與處理單元，其中，連接桿的一端置于導(dǎo)軌上，另一端與光纖探頭相連，步進(jìn)電機(jī)用以推動連接桿帶動光纖探頭運(yùn)動，使光纖探頭作用于待測組織表面產(chǎn)生壓力變化，在光纖探頭端部設(shè)置有壓力傳感器、加熱電路和溫度傳感器，分別用以測量待測組織所受壓力、加熱待測組織并測量溫度值變化，壓力傳感器及溫度傳感器的測量值進(jìn)入反饋控制電路，反饋控制電路將壓力傳感器及溫度傳感器的測量值傳送至數(shù)據(jù)采集與處理單元，并根據(jù)測量值調(diào)節(jié)待測組織表面壓力和加熱功率，光纖探頭與寬譜光源與光譜儀相連，光譜儀測量值進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元。

本發(fā)明同時提供一種采用上述裝置實(shí)現(xiàn)的生物組織動態(tài)調(diào)制光譜測量方法，包括下列步驟：

(1)利用電機(jī)帶動光纖探頭運(yùn)動產(chǎn)生作用于待測組織表面的壓力或利用加熱電路加熱待測組織，通過調(diào)制激勵信號使得待測組織光譜信號周期性變化；

(2)根據(jù)壓力傳感器及溫度傳感器的測量值調(diào)節(jié)待測組織表面壓力和加熱功率；

(3)寬譜光源通過光纖探頭入射到待測組織，漫反射光譜信號通過光纖探頭和光譜儀的采集后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元；

(4)數(shù)據(jù)采集與處理單元通過二維相關(guān)光譜處理，獲得與調(diào)制激勵信號同步的組織調(diào)制光譜信號，對每個周期內(nèi)光譜信號進(jìn)行歸一化及差分處理，得到包含有組織中待測成分凈信號的重復(fù)性差分光譜信息，進(jìn)一步進(jìn)行光譜建模處理得到待測成分濃度等信息。

優(yōu)選地，光譜建模方法選擇最小二乘法模型及基于信號正交分解的凈信號處理方法。

本發(fā)明采用壓力溫度等調(diào)制信號作用于待測組織，待測組織受到周期性調(diào)制后漫反射光譜也產(chǎn)生相應(yīng)變化，利用反饋方法保證調(diào)制信號具有較高的重復(fù)性，將測量得到的動態(tài)調(diào)制光譜進(jìn)行二維相關(guān)分析得到調(diào)制狀態(tài)同步信號，將同步校準(zhǔn)后的動態(tài)光譜信號進(jìn)程差分處理，多個調(diào)制周期差分信號求得差分光譜有效值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最小二乘法建模得到組織中待測成分信息。本發(fā)明提供的方法能夠利用動態(tài)調(diào)制得到差分光譜信號，減少組織背景影響，提高人體成分測量靈敏度。

附圖說明

圖1本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本發(fā)明的測量系統(tǒng)由導(dǎo)軌1，步進(jìn)電機(jī)2，連接桿3，光纖探頭4，壓力傳感器5，半導(dǎo)體加熱與溫度傳感器6，反饋控制電路7，寬譜光源8，光譜儀9，數(shù)據(jù)采集與處理單元10組成，其中，導(dǎo)軌1通過連接桿3與光纖探頭4相連，步進(jìn)電機(jī)2與連接桿3相連，步進(jìn)電機(jī)2可以推動連接桿3帶動光纖探頭4運(yùn)動，使光纖探頭4作用于待測組織產(chǎn)生壓力變化，光纖探頭4上連接有壓力傳感器5，可以測量壓力值，光纖探頭上同時連接半導(dǎo)體加熱與溫度傳感器6，可以加熱待測組織并測量溫度值變化，壓力及溫度傳感器測量值可以進(jìn)入反饋控制電路。光纖探頭4與寬譜光源與光譜儀相連，光譜儀測量值進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元。

系統(tǒng)按照功能可以分為四個部分，動態(tài)調(diào)制單元，反饋單元，光譜測量單元與數(shù)據(jù)采集處理單元，各單元功能如下

1.動態(tài)調(diào)制單元利用壓力及溫度變化作用于待測組織，壓力作用于組織可以改變組織厚度及其中所含的液體體積，內(nèi)溫度變化會改變組織散射特性。本發(fā)明中，兩種調(diào)制作用可分別作用于組織，或者同時作用于組織，生物組織受到壓力或者溫度調(diào)制作用后，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)及散射特性變化，從而調(diào)制光在組織中傳輸過程及出射光譜強(qiáng)度，測量得到動態(tài)調(diào)制光譜信號

2.反饋單元主要有壓力與溫度傳感器及相應(yīng)的信號放大與反饋電路組成，實(shí)現(xiàn)壓力及溫度調(diào)制激勵信號監(jiān)測與反饋控制，提高每個周期調(diào)制激勵信號重復(fù)性，并且實(shí)時檢測組織形變及溫度變化，作為動態(tài)差分光譜處理參考。

3.光譜測量單元由寬譜光源，高分辨率光譜儀以及光纖探頭組成。光纖探頭與動態(tài)調(diào)制單元相連接，測量調(diào)制信號作用于組織后組織光譜信號。

4.數(shù)據(jù)采集與處理單元包括兩部分，數(shù)據(jù)采集將光譜儀測量到的光譜信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于后續(xù)處理與傳輸。數(shù)據(jù)處理單元主要針對組織成分測量還要求，對采集到的調(diào)制光譜信號進(jìn)行處理，建模計(jì)算組織中待測成分信息

數(shù)據(jù)處理方法如圖2所示：

1，調(diào)制狀態(tài)判斷：在調(diào)制信號作用于組織過程中，周期性調(diào)制信號會造成組織光譜信號周期性變化，對于每一個調(diào)制周期內(nèi)的光譜信號，首先要判斷信號強(qiáng)度與調(diào)制狀態(tài)之間的關(guān)系。二維相關(guān)光譜(2dcos)是一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的分析技術(shù)，當(dāng)溫度、壓力等擾動施加到樣品后，會誘發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的動態(tài)變化，對其進(jìn)行二維相關(guān)計(jì)算，即可得到二維相關(guān)光譜，二維相關(guān)光譜中相關(guān)系數(shù)反映了調(diào)制狀態(tài)與光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系。利用二維相關(guān)光譜可以清晰地反映光譜強(qiáng)度和擾動變量的相關(guān)性，獲得激勵信號作用于組織初始狀態(tài)，調(diào)制光譜與調(diào)制信號之間延時以及周期特征。

2，動態(tài)光譜處理：通過二維相關(guān)光譜處理，可以獲得與調(diào)制激勵信號同步的組織調(diào)制光譜信號，對每個周期內(nèi)光譜信號進(jìn)行歸一化及差分處理，就可以得到重復(fù)性差分光譜信息，經(jīng)過差分處理后，可以消除生理背景信號影響，差分信號中包含組織中待測成分凈信號，便于后續(xù)建模處理。

3，光譜建模分析：經(jīng)過二維光譜相關(guān)分析及動態(tài)光譜信號提取處理后得到的差分光譜中包含有組織中待測成分凈信號，進(jìn)一步進(jìn)行光譜建模處理可以得到待測成分濃度等信息。光譜建模方法可選擇最小二乘法模型及基于信號正交分解的凈信號處理方法。

下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明。

耳垂組織具有表面平整，內(nèi)部血液豐富，無軟骨組織、無毛發(fā)及毛囊、皮下組織少等特點(diǎn)。因此該部位組織在調(diào)制信號激勵下變化相對較為穩(wěn)定，調(diào)制機(jī)理信號幅度與組織變化之間具有較好的線性相關(guān)性，因此可以為組織動態(tài)調(diào)制光譜檢測方法的典型實(shí)施例。在實(shí)驗(yàn)時，頭部通過限位裝置固定，頭部自然擺正，光纖探頭與調(diào)制裝置直接作用于耳垂。調(diào)制激勵信號采用兩種方式：壓力形變激勵及溫度激勵。

壓力形變調(diào)制光譜測量采用探頭擠壓待測量耳垂部位，引起耳垂形變，測量周期性激勵信號作用下調(diào)制光譜信號，測量過程中壓力傳感器用來簡介測量作用于耳垂的接觸壓力，并通過反饋單元控制每次作用于耳垂的壓力值基本相同，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制激勵信號以及組織調(diào)制光譜周期性變化。

溫度調(diào)制光譜測量采用接觸探頭擠壓待測量耳垂部位，引起耳垂形變，測量周期性激勵信號作用下調(diào)制光譜信號，測量過程中壓力傳感器用來簡介測量作用于耳垂的接觸壓力，并通過反饋單元控制每次作用于耳垂的壓力值基本相同，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制激勵信號以及組織調(diào)制光譜周期性變化。

提取1000-1400nm范圍內(nèi)漫反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行二維相關(guān)光譜分析處理，得到調(diào)制信號激勵下漫反射光譜同步信號，根據(jù)同步譜中自相關(guān)系數(shù)得到接觸點(diǎn)以及形變最大點(diǎn)位置，利用該結(jié)果對動態(tài)調(diào)制光譜進(jìn)行同步校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后動態(tài)調(diào)制光譜。對周期性動態(tài)調(diào)制光譜進(jìn)行處理，確定調(diào)直激勵信號起點(diǎn)以及變化最大點(diǎn)，以這兩天光譜信號進(jìn)行差分處理，得到差分光譜，分別對不同周期差差分信號進(jìn)行平均處理，得到動態(tài)差分光譜有效值。

利用動態(tài)差分光譜有效值進(jìn)行光譜建模處理，采用最小二乘方法建模獲得組織成分含量信息。