CN100438829C - 光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置。应用光学相干层析技术对人眼视网膜的毛细血管层进行层析成像，通过分析该层组织体的散射系数的变化来间接检测人体血糖含量，最终达到人体血糖的无损检测。该检测方法的装置采用光纤型光学相干层析技术系统，由宽带光源、2×2宽带光纤耦合器、位相调制器、快速扫描光学延迟线、偏振控制器、准直镜、物镜、探测器、XY方向扫描组件、前置放大器、数据采集卡、计算机等部分组成，利用上述方法可得到不同血糖浓度下人眼视网膜的毛细血管层的层析图像。本发明具有无损、层析以及高分辨率的特点，可以通过鉴别眼底视网膜毛细血管层的光强信息变化，反映出人体血糖的变化。

Description

光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置

技术领域

本发明涉及基于光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置。

背景技术

随着人们生活水平的逐渐提高，人们的体力劳动量明显下降，同时伴随饮食结构的不合理，糖尿病越来越成为影响人们身体健康的一大疾病。糖尿病的危害在人体血糖含量的波动过大，从而引发各种并发疾病，如心血管、眼科等疾病，为使糖尿病人体内的血糖含量趋于合理，必须频繁检测病人的血糖含量，然后根据其含量的大小人工注射适量的药物来控制血糖含量。

现有的通过美国FDA认证的血糖检测方法，都是有损或者微损检测方式，如美国强生公司的Onetouch血糖仪，这些仪器需要在人体采集一定量的血液样本，来测试人体的血糖含量。即使是微小的采血液量，对于每天要测试数次的病人来说也已经是非常痛苦了。相对于有损检测，无损检测方式有明显的优势：(1)减少患者每天采血测量的痛苦，提高病人的生活质量；(2)可方便地增加血糖测试次数，提高血糖控制精确度，降低糖尿病并发症发生的危险；(3)降低每次测量的成本。鉴于全世界庞大的糖尿病人数，无损血糖检测仪有着很大的市场空间，国外很多大公司和研究机构都投入了大量的精力来研究人体血糖的无损检测问题。国外研究比较多的方法有近红外光谱分析法、旋光偏振法、喇曼光谱分析法、光声法等，然而这些方法普遍存在信噪比低、精度和灵敏度不够高等缺点，到目前为止，都还无法得到临床应用。

光学相干层析技术(OCT)是新近发展的一种层析技术，但已在组织体的无损分析检测方面显示出了强大的实力，使其在检测生物组织体时能够达到很高的精度和分辨率。

人眼结构独特的光学特性，给眼底结构的光学成像带来了方便。光从眼瞳入射到处于视网膜最外层的色素层，再反射回来被光敏细胞探测。眼底视网膜结构层次分明，有着丰富的血管网络供应，为视神经以及视敏细胞提供养份。

眼底的视网膜层和脉络膜层的子层次结构都很清楚。供血层主要有两个：

(a)紧邻视网膜的脉络层。脉络层有丰富的动、静脉血管和专门一层毛细血管层，提供养分给视网膜外层中光敏细胞(杆细胞和锥细胞)。

(b)视网膜里层的供血层，动、静脉从视神经乳突处向外伸展，给整个视网膜内核层眼内的组织提供养分。

根据Mie理论，散射体和散射体所在介质的折射率差会通过散射体系的散射系数反应出来。而血糖浓度的变化会改变组织体体液的折射率，进而影响组织体的整体散射系数。散射系数跟细胞内外的折射率差的关系，可以用公式表示如下：

${u_s}^{\′}=3.2{\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\ρ}}_s{\left(\frac{2\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.37}{(\frac{n_s}{n_{\mathrm{medium}}}-1)}^{2.09}---\left(1\right)$

其中，r是散射球体的半径，ρ_s是单位体积里散射球体的个数，λ是入射光波长，n_s为细胞内物质的折射率，n_medium为细胞外体液的折射率，且n_s＞n_medium。随着血糖浓度的增大，n_medium会变大，所以上式表示的散射系数会变小。反之，血糖浓度的变小，n_medium变小，散射系数变大。

本发明探测的是组织体的后向散射信号，它的强度曲线斜率表征了组织体散射系数的大小。光在有散射和吸收的媒介中的衰减可近似表示为：

$I=I_0\·{\mathrm{Ae}}^{-u_{s}d}$

随着组织体的血糖浓度变化，光在组织体中的强度信号指数衰减的斜率反应了u_s的大小，所以，通过OCT探测的组织体强度信号曲线，根据曲线斜率的数值，就能获得散射系数的大小，进而可间接获得组织体血糖浓度含量的大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置。应用光学相干层析技术(OCT)对人眼视网膜的毛细血管层进行层析成像，通过分析该层组织体的散射系数的变化来间接检测人体血糖含量，最终达到人体血糖的无损检测。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一、光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测方法

应用光学相干层析技术对人眼视网膜的毛细血管层进行层析成像，通过分析该层组织体的散射系数的变化来间接检测人体血糖含量，最终达到人体血糖的无损检测；其方法的具体步骤如下：

1)当一束光进入组织体后，光在组织体中的强度信号指数衰减的斜率反应了组织体的信息，通过OCT探测组织体强度信号曲线，根据曲线斜率的数值，就能获得散射系数的大小，由于血糖浓度的变化会改变组织体体液的折射率，进而影响组织体的整体散射系数，所以通过探测组织体的后向散射信号，它的强度曲线斜率就表征了组织体散射系数的大小；

2)人眼视网膜的毛细血管层的特定被测位置的后向散射光，进入OCT系统后，与样品光在光纤耦合器处汇合时发生干涉，通过XY方向扫描组件进行层面扫描，则得到该特定层的多点调制信号，然后由探测器和前置放大器转换为电信号，数据采集卡将该信号转换为数字信号，并由计算机进行图像重建工作，通过数据处理，可间接获得组织体血糖浓度含量的大小。

二、光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置

宽带光源低相干光经光纤入射到2×2宽带光纤耦合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂，进入参考臂的一路通过位相调制器，然后进入依次由准直镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和振镜组成的快速扫描系统；进入样品臂的一路依次经偏振控制器、准直镜、XY方向扫描组件和物镜投射于样品池；两路反射光经2×2宽带光纤耦合器汇合时发生干涉后，接入探测器和前置放大器，依次与数据采集卡、计算机电气连接。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

(一)用光学相干层析技术(OCT)方法对眼底成像无损检测人体血糖含量，相对于对皮肤的OCT检测，它有如下优势：

a.皮肤对探测光波长(1310nm)虽然有比较大的探测深度(1～2mm)，但是其表面的角质层对光信号的衰减较大，而眼睛却对该探测光几乎是透明的，探测深度可达2～3cm。

b.真皮组织中有大量的毛囊、脂肪团等大组织体干扰OCT探测信号，而视网膜结构相对均匀，而且其分层结构非常明显，对于OCT层析成像的特点来说，能更加有效检测。

c.人眼的供血系统比皮肤的供血系统丰富，血糖含量的变化对组织散射系数变化影响大，对检测有利。

(二)通过用OCT检测散射系数的变化来间接检测人体血糖含量，相对于其他无损检测方法，该方法有高精度、高灵敏度以及层析带来的高抗干扰性等特点。

(三)通过建立眼底毛细血管层散射模型，进而可以通过检测模型中糖浓度的变化进行仿组织体散射系数变化的微球模拟体系。

(四)由于本装置的结构为非接触测量，类似于眼科检查，因此容易被接受，使用操作亦比较方便。

附图说明

图1是本发明基于光学相干层析技术对眼底成像的血糖无损检测装置的结构图；

图2是OCT信号及拟合强度曲线图；

图3是不同折射率溶液的OCT信号强度曲线比较图。

图中：1、宽带光源，2、光纤，3、2×2宽带光纤耦合器，4、位相调制器，5、快速扫描系统，5-1、准直镜，5-2、衍射光栅，5-3、傅里叶变换透镜，5-4、振镜，6、偏振控制器，7、准直镜和物镜，8、探测器和前置放大器，9、数据采集卡，10、XY方向扫描组件，11、计算机，12、样品池。

具体实施方式

根据Mie理论，散射体和散射体所在介质的折射率差会通过散射体系的散射系数反应出来。而血糖浓度的变化会改变组织体体液的折射率，进而影响组织体的整体散射系数。散射系数跟细胞内外的折射率差的关系，可以用公式表示如下：

${u_s}^{\′}=3.28{\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\ρ}}_s{\left(\frac{2\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.37}{(\frac{n_s}{n_{\mathrm{medium}}}-1)}^{2.09}---\left(1\right)$

其中，r是散射球体的半径，ρ_s是单位体积里散射球体的个数，λ是入射光波长，n_s为细胞内物质的折射率，n_medium为细胞外体液的折射率，且n_s＞n_medium。随着血糖浓度的增大，n_medium会变大，所以上式表示的散射系数会变小。反之，血糖浓度的变小，n_medium变小，散射系数变大。

本发明探测的是组织体的后向散射信号，它的强度曲线斜率表征了组织体散射系数的大小。光在有散射和吸收的媒介中的衰减可近似表示为：

$I=I_0\·{\mathrm{Ae}}^{-u_{s}d}$

随着组织体的血糖浓度变化，光在组织体中的强度信号指数衰减的斜率反应了u_s的大小，所以，通过OCT探测的组织体强度信号曲线，根据曲线斜率的数值，就能获得散射系数的大小，进而可间接获得组织体血糖浓度含量的大小。

本发明的装置如图1所示，它由宽带光源1、光纤、2×2宽带光纤耦合器3、位相调制器4、快速扫描系统5、偏振控制器6、准直镜和物镜7、探测器和前置放大器8、数据采集卡9、XY方向扫描组件10、计算机11组成。宽带光源1低相干光经光纤2入射到2×2宽带光纤耦合器3，经分光后分别进入参考臂和样品臂，进入参考臂的一路通过位相调制器4，然后进入依次由准直镜5-1、衍射光栅5-2、傅里叶变换透镜5-3和振镜5-4组成的快速扫描系统5；进入样品臂的一路依次经偏振控制器6、准直镜、XY方向扫描组件10和物镜7投射于样品池12；两路反射光经2×2宽带光纤耦合器3汇合时发生干涉后，接入探测器和前置放大器8，依次与数据采集卡9、计算机11电气连接。

人眼视网膜的毛细血管层的特定被测位置的后向散射光，进入OCT系统后，与样品光在光纤耦合器处汇合时发生干涉，通过XY方向扫描组件进行层面扫描，则得到该特定层的多点调制信号，然后由探测器和前置放大器转换为电信号；数据采集卡将该信号转换为数字信号，并由计算机进行图像重建工作。

图2是模型的OCT图像及其经过横向平均处理的深度信号强度曲线，其曲线的指数斜率反应了散射系数的大小。根据OCT信号的指数斜率以及系统分辨率，可以算得具体的散射系数。

图3显示了不同掺糖浓度的聚苯乙烯微球悬浊液的OCT深度信号曲线，图中的曲线表明6个样品的散射系数的关系为3-1＞3-2＞3-3＞3-4＞3-5＞3-6，与理论计算结果一致。图中实验数据证明，OCT能够检测到5％糖浓度变化引起的模型散射系数的变化，从而验证了用OCT方法的检测人体血糖含量的可行性。

(1)对眼底毛细血管层的OCT散射检测

散射方法比较适合于毛细血管比较丰富而且散射比较明显的组织体部位，眼底有两个供血层，分别位于光敏细胞层之前和之后，血糖浓度的改变在该处对组织体液的折射率的影响较大。因此，准确快速地寻找到两个供血层，并获得重复性好的后向散射信号是本发明的主要内容。

考虑到OCT信号中，多次散射光的相互干扰，实际要建立的关系要复杂的多。OCT信号曲线的获得需要通过对原始OCT信号数据进行处理得到，由于OCT检测的是后向散射相干光信号，通过扫描臂的轴向扫描，可以获得不同深度层的散射光强度信息。经过横向多次平均，可以得到均匀稳定的以深度为自变量的OCT散射强度曲线。由于眼底视网膜的子层有随着位置的不同在厚度上有比较大的变化，所以横向平均需要考虑目标层的在不同位置处的深度差异问题。

(2)对视网膜中央静脉血管内血液的OCT散射检测

鉴于视网膜的血管比较粗大(一般最大直径可达150um)，在视神经乳头处有比较粗的静脉血管，相对于OCT的um级的分辨率，已经足够检测，加上血液的散射系数比较大，由血糖浓度变化引起的散射会更加明显。所以，寻找理想被测血管，在获取信号的前提下，寻找血管内的合理检测点，获取最佳的相关性。

本发明基于光学相干层析技术对眼底成像的血糖无损检测方法包括如下步骤：

(一)从宽带光源出来的低相干光入射到2×2宽带光纤耦合器，经分光后分别进入参考臂和样品臂。

(二)进入参考臂的光先通过位相调制器(Phase modulator)，然后进入由准直镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和振镜组成的快速扫描光学延迟线(RapidScanning Optical Delay Line，RSOD)。

(三)入射到样品臂上的光经偏振控制器后，通过准直镜和物镜投射于眼底视网膜的毛细血管层。

(四)从参考臂和样品臂返回的光，如果所经历的光程差在光源的相干长度以内，则在光纤耦合器处汇合时发生干涉，如果进行层面扫描，则得到任意一个断层的多点调制信号。

(五)将产生的干涉信号经过探测器和前置放大器后输到数据采集卡，并由计算机进行后续处理和图像重建，从而获得眼底视网膜的毛细血管层的层析图像。

本发明所用的宽带光源发出的光是低相干光，其中心波长λ＝1310nm，带宽Δλ＝65nm。

该装置对样品在Z方向的扫描通过RSOD实现，XY方向扫描选择样品扫描方式，利用二维电动微位移平台实现。

本发明采用了干涉信号的载频技术，将参考臂中的PM的位相调制频率设在500KHz，使信号与低频噪音在频域上能有效分离。

本发明采用低噪音前置放大器实施电路滤波和后续软件的数字滤波。

选用各构件连接组成本装置，其中：宽带光源1选用B&W Tek.公司生产的中心波长λ＝1310nm，带宽Δλ＝65nm的光源；光纤2，可选南京玻璃纤维研究院生产的配有收集透镜的石英光纤(芯径0.1mm，数值孔径0.37)；2×2宽带光纤耦合器3选用杭州富通公司生产的分光度50/50，带宽80nm的宽带光纤耦合器；位相调制器4选用JDS Uniphase公司生产的产品；快速扫描系统5由准直镜5-1、衍射光栅5-2、傅里叶变换透镜5-3、振镜5-4依次连接构成，其中准直镜5-1与与位相调制器4通过光耦合连接；偏振控制器6其一端与2×2宽带光纤耦合器3通过光纤连接，一端和准直镜7通过光耦合连接；准直镜和物镜7可选用浙江舜宇集团的常规产品；探测器和前置放大器8选用日本滨松公司的产品；数据采集卡9选用Gage Applied公司的Compuscopel2100型高速采集卡(采集速率为10MHz)；XY方向扫描组件10是一个二维电动微位移平台，可使样品池12在二维平面上做微小位移；计算机11可选用奔腾586以上微机，并配有GPIB卡；样品池12用有机玻璃材料制成，并在两侧开有一对窗口，镶有石英窗片，其厚度为1mm，样品池中的模拟介质是聚苯乙烯微球悬浊液，模拟的目标组织是一个胶质立方体(5mm×5mm×5mm)，用来代替人眼底视网膜毛细血管层。

Claims (1)

1、光学相干层析技术眼底成像的血糖无损检测装置，其特征在于：宽带光源(1)低相干光经光纤(2)入射到2×2宽带光纤耦合器(3)，经分光后分别进入参考臂和样品臂，进入参考臂的一路通过位相调制器(4)，然后进入依次由准直镜(5-1)、衍射光栅(5-2)、傅里叶变换透镜(5-3)和振镜(5-4)组成的快速扫描系统(5)；进入样品臂的一路依次经偏振控制器(6)、准直镜、XY方向扫描组件(10)和物镜(7)投射于样品池(12)；两路反射光经2×2宽带光纤耦合器(3)汇合时发生干涉后，接入探测器和前置放大器(8)，依次与数据采集卡(9)、计算机(11)电气连接。

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