CN101581666A - 基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪及探头制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学光学检测技术领域，它公开了一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪及其探头制作方法，所述测试仪包括光源、光源光纤、探测光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上组成光纤阵列探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各端面平齐，端面中心点在一条直线上。本发明结构简单、可靠，易操作，光纤阵列探头的设计，提升了本发明测试仪的性能，使其测量空间分辨率达到亚毫米量级。并可根据需要调整光源与探测器间距，分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮下组织光学特性参数的实时的探测测量。本发明还提出了探测光纤与光源光纤紧密排列光纤阵列探头的制作方法。

Description

基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪及探头制作方法

技术领域

本发明属于生物医学检测技术领域，涉及一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪。

背景技术

近年来光学方法在医学诊断及研究上的应用已成为一个新的研究热点。光源发出的光经过组织后被探测器所探测，因此探测器探测到的光信号为组织所调制后的信号，其信号特征能反映光所经组织的光学特性，生物组织的光学特性参数对于生物组织疾病的临床诊断具有重要的意义。例如，吸收系数可以反映生物组织中的色团浓度，散射系数则与细胞的尺寸大小、组织超微结构等相关。已有研究证实，正常组织和癌变组织中的色团浓度存在显著差异；而细胞发生癌前病变时，细胞核尺寸会增加，从而引起组织散射系数的增大。相比于其他的医学检测技术，如X射线、CT、核磁共振成像等方法，光学技术可以以非侵入式的方式实施组织的无损结构与功能检测，并具有适用范围广、便携性高、成本低廉等优点。

由于近红外光在组织中有较大的穿透深度，而被看作是组织的光学窗。因此，光学检测所用的光波长一般都选在近红外波段。而连续波光学检测方法由于设备简单、方便易用而备受关注。目前连续波的光学检测系统大都是基于扩散近似，所测得的组织光学特性参数为光源与探测器之间组织的平均值。为提高组织的探测深度，目前常用的连续波光学测量技术一般都选用更大的光源与探测器距离，从而降低组织光学特性参数测量的空间分辨率。而要实现对诸如皮肤等浅表组织光学特性参数的测量，则须将光源与探测器间距缩小至几个毫米以内。但在这种情况下，现有的扩散近似理论并不适用。

作为人体最大和最重要的器官，皮肤的厚度约为0.5～4mm，总重量约占人体的8％，皮肤内容纳了人体约1/3的循环血液和约1/4的水分。准确获取皮肤的吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s等光学特性参数，对于激光诊断、激光治疗、光剂量学等理论研究和临床实践有着非常重要的意义。

公开号CN101426419A和公开号CN101427125A的发明，介绍了一种测量皮肤表面光学外观的仪器。该两项专利介绍的仪器都是通过拍摄皮肤表面图像，然后对图片进行分析，得出皮肤表面的光学外观，诸如粗糙度，纹理，硬度，摩擦阻力等机械属性或者光泽，发光，黑暗和颜色变化等可见外观属性，而无法测得皮肤的吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s等自身光学特性参数，而且仪器的光路实现复杂，需要光学屏幕，相机，滤光片，偏振滤光片等；公开号CN101313847A的发明提供了一种对人体皮肤病变组织进行无损光学参数成像的装置与方法。该装置使用白光光源照射皮肤，采用线阵CCD接受出射光子，光源与线阵CCD是靠计算机控制的三维移动工作台进行固定，实现对测量皮肤表面的扫描成像。该装置利用Monte Carlo统计方法逆向求解皮肤组织的吸收系数和约化散射系数的数值，线阵CCD探测到的漫反射强度曲线的中心与光束入射点的偏移量和曲线的不对称度用来限制逆向求解的可能的数值范围。但是，总所周知，Monte Carlo的计算算法繁琐，计算精度严重受限于其计算时间，不可能得实时的处理结果。而且该发明中提及的装置包括机械三维移动工作台，光栅光谱仪，线阵CCD等，价格昂贵，可实施性差。

发明内容

鉴于上述方法对于皮肤光学特性参数测量的局限性，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光纤阵列的连续波皮肤光学特性参数测试仪，可以非侵入的方式无损、实时获取皮肤吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s等光学特性参数。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，包括光源、光源光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤末端与所述光源耦合，首端向皮肤组织发出入射光，所述光探测器接收皮肤组织的后向散射光，经所述光信号采集转换单元采集、转换成数字信号后输入到所述数据处理单元进行运算处理得到皮肤组织的光吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s，其特征在于，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上，不限于所述光源光纤、探测光纤、基体组成探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各端面平齐，各端面中心点在一条直线上，所述探测光纤末端与所述光探测器耦合，探测光纤首端接收皮肤的后向散射光，然后传输给所述光探测器。

本发明还可以包括前置放大电路和低通滤波电路，所述光探测器将接收到的光信号转换成电压信号，再经过所述前置放大电路和低通滤波电路进行放大滤波，之后通过与作为所述数据处理单元的PC连接的数据采集转换单元对信号实现数据采集、处理、显示和存储。所述前置放大电路可以是集成在探测器内部的前置放大器，也可以是连接在探测器后面的分立放大电路。所述滤波电路可以是模拟滤波电路，也可以是数字滤波电路。

作为优选，所述光探测器为光敏二极管，光敏三极管或者硅光电池。

作为优选，所述光源可以是LED光源，也可以是LD或其它激光光源，波长范围为600～1400nm。

更加优选的，所述光源光纤与探测器光纤的最小轴心间距为125微米，即，系统测量的空间分辨率为亚毫米量级。并可根据需要调整光源与探测器间距，可以分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮下组织的探测。

本发明还提出了光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基体上刻出能容纳所述全部探测光纤与光源光纤并排排列的矩形槽，

剥去所述探测光纤与光源光纤外面的包层，将所述光源光纤与多根探测光纤紧密的排列在所述矩形槽中，

将所述光源光纤与多根探测光纤在所述矩形槽中胶合固定，

待胶水完全干后，将光源光纤、多根探测光纤的首端面抛光，

在所述光源光纤、多根探测光纤的末端制作APC/FC光纤连接器，使所述光源光纤、多根探测光纤分别与光源、光探测器耦合。

作为优化的方案，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上的方法还包括以下步骤：将包括所述光源光纤与多根探测光纤已胶合固定的基体安装在光纤套筒内。

本发明所述数据处理单元的运算处理原理是利用皮肤组织光子分布的经验算法，进行反演计算，具体如下：

光在大部分生物组织中传播时，以指数形式衰减，其衰减单指数函数f(x)表示经过生物组织的光强的改变：

f(x)＝A*exp(-τ*x)        (1)

其中，参数x代表光源点与探测点的距离，A和τ为最优化中间参数，表达式分别为：

$A=e^{1.31*(3+5.1*{7\mathrm{\μ}}_a/{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}-2e^{-9.7e^{-7{\mathrm{\μ}}_a/{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}}})}---\left(2\right)$

τ＝0.184*μ_eff        (3)

其中μ_a为吸收系数，μ_eff为有效衰减系数，其表达式为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{{3\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{{\mathrm{\μ}}_s}^{\′})}---\left(4\right)$

最优化中间参数A和τ的值，可以通过拟合所测数据得到。然后，根据公式(2)、(3)、(4)，即可以求出皮肤组织的光吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s。

本发明采用探测光纤与光源光纤紧密排列，组成本发明测试仪的探头，该探头结构简单、可靠，易操作。同时，提升了本发明测试仪的性能，使其测量空间分辨率达到亚毫米量级。并可根据需要调整光源与探测器间距，分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮下组织的探测。另外，采用探测光纤与光源光纤紧密排列的探头，克服了现有技术采用线阵CCD作为光探测器所带来设备造价高的缺陷。本发明还提出了探测光纤与光源光纤紧密排列探头的制作方法。

附图说明

图1是一种基于连续光光学检测技术的皮肤光学特性参数检测仪的系统结构组成示意图。

图2是一种基于本发明的光纤阵列探头结构示意图。

图3是利用函数f(x)＝A*exp(-τ*x)对经过两种不同浓度的脂肪乳模型溶液的出射光强测量结果进行拟合后的曲线。

图4是参数A和τ的拟合值与脂肪乳模型溶液样品约化散射系数μ′_s的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，基于连续光光学检测技术的皮肤光学特性参数检测仪由光源4，光探测器5，探测光纤与光源光纤紧密排列的光纤阵列2，光纤套筒3，前置放大电路6，低通滤波电路7，数据采集卡8和计算机9等部分组成。光源4发出的光耦合进光源光纤，从光源光纤出射的光射入皮肤组织1，经过皮肤组织吸收和散射后的出射光被探测光纤接收，并经光纤传导给光探测器5，光探测器5将光信号转换为电信号，经过前置放大电路6进行放大，再经低通滤波电路7滤波后，被数据采集卡8采集，并传送给计算机9进行数据处理分析和存储。光纤阵列2外面套有光纤套筒3，对光纤阵列起到固定和保护的作用。

光纤阵列2中的光源光纤和探测光纤的排列如图2所示，它们左右紧密相邻排列，所有光纤的首端中心点在一条直线上，实现对该直线线性方向的皮肤组织的光学特性参数测量。由于该光纤首端中心点排列直线的方向是不特定的或者是可调整的，因此，光纤阵列2可以实现以某入射光源点为中心的向量区域的皮肤组织光学特性参数的测量。光源光纤与探测器光纤的排列间距最小可达0.125mm，这就使系统测量的空间分辨率可达亚毫米量级，最大可达12.5mm，因此，可以实现对皮肤组织表皮层，真皮层和皮下组织的探测。

图2所示为基于本发明的一种一维光纤阵列探头结构示意图。光纤阵列包括一根光源光纤2a和九根探测光纤2b，光纤选用通讯用的1310nm带状多模光纤(芯径62.5μm，外径125.0μm)。在玻璃基体10上蚀刻出宽1.25mm，深1mm的矩形槽，剥去多模光纤外面的包层，将10根光纤紧密的排列在矩形槽中，使所有的光纤芯径中心基本在一条直线上，然后胶合固定，待胶水完全干后，将光纤阵列的端面抛光。光纤阵列外面套有光纤套筒3，对光纤阵列2起到固定和保护的作用。光纤套筒3和光纤阵列2之间填充有树脂胶11，将光纤阵列2和光纤套筒3粘合在一起，并起到填充保护的作用。光纤的末端制作APC/FC光纤连接器，可以通过法兰盘与探测器和光源方便的耦合。

下面通过一个具体的实验介绍本发明仪器是如何拟合出最优化参数A和τ的值，只要拟合出A和τ的值，则可以通过公式(2)、(3)和(4)计算出吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s。我们还通过实验定性给出A和τ与约化散射系数μ′_s的关系曲线。

在组织光学测量中广泛使用不同浓度的脂肪乳溶液模拟生物组织的光学特性。图3是利用函数f(x)＝A*exp(-τ*x)对经过浓度分别为10％和4％的脂肪乳溶液的出射光强测量结果进行拟合后的曲线，分别对应图3中的左、右图。将光纤阵列探头垂直接触被测的脂肪乳溶液，每次测量一分钟，每种浓度溶液测量4次。横坐标为探测光纤对应的测量通道，在本实验中，我们选取了8根探测光纤的测量数据作为横坐标，纵坐标是探测器测量到的出射光强值。图3中的曲线为按函数f(x)＝A*exp(-τ*x)进行拟合的结果。得到参数A和τ的拟合值，左图A＝1.197，τ＝0.6277；右图A＝0.5739，τ＝0.5402。

在组织光学中，使用约化散射系数描述组织对光的散射特性。脂肪乳为高散射介质，改变脂肪乳的浓度可以得到不同约化散射系数的溶液。图4是我们通过模型实验得到的参数A和τ的拟合值与脂肪乳模型溶液样品约化散射系数μ′_s的关系曲线。分别对浓度为16％、13％、10％、8％和4％的脂肪乳溶液进行测量，并按图3所示曲线拟合方法得到不同浓度脂肪乳溶液的参数A和τ的拟合值。分别绘制参数A和τ与不同浓度脂肪乳溶液的约化散射系数μ′_s(溶液浓度越高，约化散射系数越大)之间的关系曲线，结果如图4所示，参数A和τ与约化散射系数成近似线性关系。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1、一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，包括光源、光源光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤末端与所述光源耦合，首端向皮肤组织发出入射光，所述光探测器接收皮肤组织的后向散射光，经所述光信号采集转换单元采集、转换成数字信号后输入到所述数据处理单元进行运算处理得到皮肤组织的光吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_S，其特征在于，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上，不限于所述光源光纤、探测光纤、基体组成探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各端面平齐，各端面中心点在一条直线上，所述探测光纤末端与所述光探测器耦合，探测光纤首端接收皮肤的后向散射光，然后传输给所述光探测器。

2、根据权利要求1所述的基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，其特征在于，所述光探测器为光敏二极管，光敏三极管或者硅光电池等光电探测器。

3、根据权利要求1所述的基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，其特征在于，所述光源可以是LED光源，也可以是LD或其它激光光源，波长范围为600～1400nm。

4、根据权利要求1所述的基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，其特征在于，所述光源光纤与探测器光纤的最小轴心间距为125微米，即，系统测量的空间分辨率为亚毫米量级。

5、一种根据权利要求1、2、3、4之一所述的基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪的探头制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基体上刻出能容纳所述全部探测光纤与光源光纤并排排列的矩形槽，

剥去所述探测光纤与光源光纤外面的包层，将所述光源光纤与多根探测光纤紧密的排列在所述矩形槽中，

将所述光源光纤与多根探测光纤在所述矩形槽中胶合固定，

待胶水完全干后，将光源光纤、多根探测光纤的首端面抛光，

在所述光源光纤、多根探测光纤的末端制作APC/FC光纤连接器，使所述光源光纤、多根探测光纤分别与光源、光探测器耦合。

6、根据权利要求5所述的探头制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：将包括所述光源光纤与多根探测光纤已胶合固定的基体安装在光纤套筒内。

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