CN101849821B

CN101849821B - 一种光纤近红外光谱检测仪

Info

Publication number: CN101849821B
Application number: CN2010102000351A
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 龚辉; 张中兴; 何勇
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-06-13
Also published as: CN101849821A

Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域的光纤近红外光谱检测仪，它以多尾纤光纤准直器作为光源光纤，采用数字锁定技术作为微弱信号提取技术方案，以带有PD的激光二极管作为光源进行正弦调制，以雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT作为探测器，以粗芯径塑料光纤、液芯光纤、石英光纤、石英光纤束或玻璃光纤束作为探测光纤。该仪器对即使有毛发遮挡的生物组织也可进行无损实时的血液动力学参数检测，仪器噪声水平低，时间分辨率高，稳定性高，价格便宜，大大简化硬件电路设计，实现了仪器的便携化。

Description

一种光纤近红外光谱检测仪

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域的光纤近红外光谱检测仪。

背景技术

近红外光谱术是近20年来发展起来的一种非侵入式测量血液动力学参数变化的光学成像技术。生物组织对波长为600~900nm的近红外光存在低吸收、高散射的特性，因此这一波段的光可以穿透生物组织几个厘米的厚度而对深层生物组织进行探测。近红外光谱术根据成像原理的不同，又可以分为连续光技术、频域调制技术和时间分辨技术。其中，基于修正的Beer-Lambert吸收定律的连续光近红外光谱术具有时间分辨率高、测量过程中受运动限制少、成本低、可实现便携化等优势，是目前应用最为广泛的近红外光谱测量技术。

目前国内外已有多个便携式近红外检测仪的专利和研制文章报道，国外已有商用产品被广泛应用在脑功能研究、运动肌氧检测、乳腺癌检测等领域。比如，国内公开号CN101002673A，CN1223858C，CN1540314A，CN1239125C的仪器；美国NIM公司的Micro-RunMan仪器，Somanetics公司的INVOS 5100仪器，日本OMRON公司的HEO-200仪器，意大利NIROX公司的NIMO仪器等。这些仪器的光源和探测器均是直接与被测生物组织接触，在满足激光安全标准的前提下，以增大光源出光面积进而增大入射生物组织的光功率（最高可达几十毫瓦）。相对较高的入射光功率和较大的探测器光敏面使得这些仪器能够获得较高的信噪比。因此，这些仪器的探头、后续信号处理电路的设计都较易实现，也较易实现便携化。但是，这些仪器由于受探头光源出光面和探测器光敏面尺寸的限制，仅能对没有浓密毛发遮挡的生物组织，如人脑前额叶，肌肉组织，乳房等进行检测，黑色毛发对光的吸收导致这些仪器无法对有头发遮挡的生物组织，如人脑顶叶，枕叶等脑区进行检测，这就使这些仪器的应用范围受到了限制。

为了扩大近红外检测仪的应用范围，实现对有毛发遮挡的生物组织的检测，目前国外已有一些公司研制出采用光纤探头的近红外脑功能成像仪。比如，日本日立公司的ETG-100、ETG-4000、ETG-7000产品，岛津公司的OMM-2000、OMM-3000产品，美国NIRx公司的DYNOT仪器等。这些仪器光源发出的光先耦合进光纤束，光纤束的出光端与大脑头皮接触将光射入大脑，探测光纤束接收经过大脑吸收和散射后的出射光，并传输给探测器。光纤由于截面小，可以放置在头发间隙中与头皮接触，因此光纤的设计优化了出光面和接光面的面积，从而可以对有头发遮挡的脑区进行探测。为了满足激光安全标准的限制，光源的入射光功率一般只有几mW。入射光功率的减弱，探测光纤接光面积的变小，导致探测器能接收到的信号非常微弱，一般仅为10pW至nW量级，因此，这些仪器在设计上对后续弱信号处理硬件电路设计要求非常高，电路设计复杂，一般均采用模拟锁定放大阵列来实现对弱信号的提取，这就导致整个仪器体积庞大，无法实现便携。此外，这些仪器均采用光纤束作为光源光纤和探测光纤，但是众所周知，光纤束不仅存在填充比损耗，而且在频繁使用过程中，极易出现内部单丝折断破损，从而导致光纤传光效率下降，传光不均，并且光纤束造价昂贵，成本高。因此，这些仪器一般应用在医院内部临床脑功能疾病的检测。

对于很多脑功能研究者来说，比如对于认知神经科学研究者来说，他们往往希望能够在真实的生活环境中对人的大脑进行无损检测，以研究大脑的认知活动过程或对脑精神疾病进行检测，这就要求光纤近红外脑功能成像仪尽可能做到便携化，光纤也需要具有不易破损，耐用性高，成本低廉的特点。上述国外的光纤近红外脑功能成像仪，由于受体积和成本的限制，是无法满足认知神经科学研究这一需求的。

发明内容

针对目前近红外检测仪器存在的不足，本发明所要解决的问题是提供一种近红外检测仪，该仪器对即使有毛发遮挡的生物组织也可进行无损实时的血液动力学参数检测，并且仪器噪声水平低，时间分辨率高，稳定性高，光纤不易破损，传光均匀，价格便宜，大大简化微弱信号提取的硬件电路设计，真正实现便携化。

为解决上述技术问题，本发明提出一种采用数字锁定放大技术的便携式近红外检测仪，包括光源，光源光纤，探测光纤，探测器，光源调制电路，A/D数据采集模块，处理器，显示屏，存储器和数据发送模块。所述处理器向所述光源调制电路发出控制指令，所述光源调制电路对所述各波长光源分别进行正弦调制发光，所述光源调制电路调节所述光源的正弦发光频率和发光功率，所述光源发出的正弦波光耦合进所述光源光纤，经光源光纤传输入射生物组织，所述探测光纤一端接收经过生物组织吸收和散射后的后向散射光子，并将光子传输给探测光纤另外一端耦合的所述探测器，探测器将接收到的光信号转换为电压信号，并对电压信号进行前置放大后发送到所述A/D数据采集模块，所述A/D数据采集模块将模拟电压信号转换为数字信号，并将数字信号发送给所述处理器，所述处理器用于对信号进行数字锁定放大提取信号幅值信息，以得到光强变化信息，并通过算法将所述光强变化信息转换成各种生理参数的变化信息，所述显示屏连接所述处理器以显示各种生理参数的变化过程，所述存储器连接所述处理器，对数据进行存储，所述数据发送模块连接所述处理器，可以将各种生理参数的变化信息发送给其他处理器进行离线数据分析；其特征在于，本发明所采用的光源光纤优先选用多尾纤光纤准直器，以实现将多个波长的入射光通过不同的尾纤传输到准直器准直透镜的焦点处，从焦点处出射的光经透镜后以平行光均匀入射生物组织。该设计既可以实现多个波长入射光同时从同一位置均匀入射生物组织，又可以省去传统光纤近红外检测仪光源光纤设计中采用的光纤切换开关和波分复用器，大大简化了系统设计，便于实现系统的便携化。

光源光纤设计中选用的光纤准直器的尾纤是普通的多模光纤，准直器前端的准直透镜对从多模光纤传输至透镜焦点处的入射光束进行扩束，从而实现入射光的均匀入射。与传统光纤近红外检测仪的光源光纤采用光纤束的设计相比，该设计可以克服光纤束易出现单丝折断而导致入射生物组织的光不均匀的缺点，并且大大降低了成本。

进一步改进的，本发明还包括数字锁定放大器，所述数字锁定放大器连接所述A/D数据采集模块,用于对探测光纤采集模块采集到的10pW至nW级微弱信号进行数字化锁定放大提取。

所述数字锁定放大器的功能由处理器或者另外的计算机实现。更具体来说，设输入的模拟信号源为：

·································· （2）

其中A_s为信号幅度，f_s为信号初相位，f_m为信号频率。假设以f_s采样频率对信号进行采样N_s个点，可以产生离散信号：

················· （3）

处理器内部生成的正弦和余弦参考信号为：

···························· （4）

···························· （5）

离散的参考信号与离散的测量信号相乘，展开以后就得到：

························· （6）

········ （7）

························ （8）

········· （9）

I[n]和Q[n]中的第一项是只含有信号幅值和相位信息的直流成分，对I[n]和Q[n]进行低通滤波，去除交流成分，只保留直流成分，则得到：

····················· （10）

···················· （11）

最后进行下面的运算就可以得到下面的幅度信号：

························· （12）

相对于模拟锁定放大器，数字锁定放大器在设计上简化了模拟器件的使用，不仅适合于便携式仪器的设计，还可以避免直流放大器使用所引入的直流漂移、温漂、非线性误差和增益误差，因此具有更高的微弱信号提取能力。数字锁定放大器相关运算的数据点数（相对于模拟积分时间常数）和低通滤波器的参数可以根据信号特点的不同而随时进行调节，具有更高的设计灵活性。

本发明中，数字锁定运算需要的正弦和余弦参考信号优选方案为由处理器内部数字合成或者另外的计算机合成处理，这样可以保证两路参考信号同频且初始相位相差90度的绝对正交，参考信号不会受到外界噪声干扰。

所述探测光纤可以是粗芯径的塑料光纤、液芯光纤、石英光纤中的一种，也可以是石英光纤束和玻璃光纤束。本发明中，优选方案为粗芯径塑料光纤，其直径为1mm至3.5mm，因为与传统采用光纤束作为探测光纤的设计相比，粗芯径塑料光纤在实现大数值孔径的同时，不存在光纤束设计中具有填充比损耗的问题，而且，可以克服光纤束的光纤单丝易折断从而导致传光效率下降的问题，并且大大降低了成本。

本发明所采用的光源优选为带有PD的激光二极管，以实现对光源的正弦调制，产生正弦光信号。光源波长范围为600~1000nm。但是本发明的光源不仅仅限于激光二极管，也可以是其他可实现正弦调制的近红外光源，如集成近红外激光光源模块。

本发明所采用的探测器为高探测灵敏度、低噪声水平、带有前置放大功能的雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT，以实现对pW级微弱光信号的探测。但是，如有其他光电探测器，在光源波长范围内满足高探测灵敏度、低噪声水平的要求，也可以作为本发明的探测器。

所述处理器，可以是嵌入式微处理器，也可以是计算机CPU。

所述处理器，当探测通道增多时，为了保证足够高的时间分辨率，需要提高数字锁定运算的速度，此时处理器可以是计算机集群或者图形处理器GPU，以实现对数据的并行加速处理。

作为优选，本发明还包括存储器，所述存储器连接所述处理器，接收并存储所述生理参数变化信息。

作为又一优选，本发明还包括显示屏，所述显示屏连接所述处理器，接收并显示所述生理参数变化信息。

作为还一优选，本发明还包括数据发送模块，所述数据发送模块连接所述处理器，所述处理器通过所述数据发送模块将所述生理参数变化信息传输给外部PC机，以供所述外部PC机进行离线分析，数据发送模块的数据发送方式可以是有线数据传输方式，也可以是无线数据传输方式。

本发明采用数字锁定技术作为微弱信号提取的技术方案，以带有PD的激光二极管作为光源进行正弦调制，以多尾纤光纤准直器作为光源光纤，以雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT作为探测器，以粗芯径塑料光纤、液芯光纤、石英光纤、石英光纤束或玻璃光纤束作为探测光纤，设计了一种基于光纤探头的便携式近红外检测仪，该仪器对即使有毛发遮挡的生物组织也可进行无损实时的血液动力学参数检测，仪器噪声水平低，时间分辨率高，稳定性高，价格便宜，大大简化硬件电路设计，实现了仪器的便携化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为一种便携式光纤近红外检测仪的结构框图。

图2为本发明实施案例之一基于PC机的便携式光纤近红外检测仪的结构框图。

图3为本发明实施案例之一基于PC机的便携式光纤近红外检测仪应用于在体前臂阻断实验结果图。

具体实施方式

便携式光纤近红外检测仪的结构框图如图1所示。处理器向光源调制电路发出控制指令，使光源调制电路对光源进行正弦调制发光，光源的正弦发光频率和发光功率均可由光源调制电路进行控制。光源发出的正弦光耦合入光源光纤，经光源光纤传输入射被测生物组织。在被测生物组织表面与光源光纤同侧间隔几厘米距离处放置的探测光纤接收经过生物组织吸收和散射后的后向散射光子，探测光纤将接收的光子传输给探测光纤另外一端耦合的探测器。探测器将接收到的光信号转换为电压信号，并对电压信号进行前置放大后发送到A/D数据采集模块。A/D数据采集模块将模拟电压信号转换为数字信号，并将数字信号发送给处理器。处理器对信号进行数字锁定运算以提取信号幅值信息，即光强变化信息。在处理器内部，光强变化信息再通过修正的Beer-Lambert吸收定律转换成血液动力学参数等生理参数的变化信息。然后处理器将生理参数的变化传输到显示屏和存储器进行显示和存储。处理器也可以选择将生理参数变化信息通过数据发送模块发送给其他处理器进行离线数据分析。

图2所示为本发明实施案例之一，基于PC机的便携式光纤近红外检测仪的结构框图。PC机向下位机微处理器AT89C2051发送工作指令，AT89C2051向直接数字合成正弦波发生芯片ML2035发送16位频率编码指令，使正弦波发生芯片ML2035开始产生特定频率的正弦波驱动信号。正弦波驱动信号驱动LD驱动芯片iC-WJZ工作，以使iC-WJZ输出正弦波驱动电流点亮690nm波长LD和850nm波长LD。690nm波长LD和850nm波长LD以与驱动正弦波电流相同的频率发出正弦波光，发出的光分别通过双尾纤光纤准直器的尾纤1和尾纤2传输到双尾纤光纤准直器前端的准直透镜焦点处，经过准直透镜扩束后，以近似平行光均匀入射被测生物组织。经过生物组织吸收和散射后的后向散射光子被放置在被测生物组织表面的芯径1～3.5mm塑料光纤接收。塑料光纤将接收的光子传输给探测器APD模块C5460-01，探测器将接收到的光信号转换为电压信号，并对电压信号进行前置放大。电压信号直接被数据采集卡PCI6259采集传输给PC机。PC机内部对采集到的信号进行数字锁定运算，提取光强变化信息，将光强变化信息转换为血液动力学参数变化，并进行存储和显示。

图3所示为本发明实施案例之一基于PC机的便携式光纤近红外检测仪应用于在体前臂阻断实验结果图。实验过程中，将仪器探头绑在人体前臂，将血压计绷带绑在上臂，通过血压计对上臂加压，以实现对前臂血液供应的阻断导通控制。静息状态测量30s，含氧血红蛋白HbO₂，脱氧血红蛋白Hb和血容Bv没有变化，因此相对浓度变化为0。然后加压至200mmHg，阻断前臂血液的供给和回流。阻断后，前臂由于得不到血液供应，血液也无法回流，因此血容Bv基本保持稳定；肌肉组织需要不断消耗氧气，因此HbO₂减少，Hb以同样的速率增加；当减压至正常状态时，淤积的静脉血得到快速释放，大量动脉血迅速涌入，都出现了“过偿”效应；随后HbO₂， Hb和Bv逐渐恢复至初始状态。该实验测量的前臂血管内的血液动力学参数的变化与实际的生理变化过程相符合，表明仪器可以对人体的血液动力学参数变化进行有效监测。

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

1.一种近红外光谱检测仪，包括光源，光源光纤，探测光纤，探测器，光源调制电路，A/D数据采集模块和处理器，其特征在于，所述光源光纤为多尾纤光纤准直器，以实现将多个波长的入射光通过不同的尾纤传输到准直器准直透镜的焦点处，从焦点处出射的光经透镜后以平行光均匀入射生物组织。

2.根据权利要求1所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，还包括数字锁定放大器，所述数字锁定放大器连接所述A/D数据采集模块，用于对探测光纤采集到的10pW至nW级微弱信号进行数字化锁定放大提取。

3.根据权利要求2所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，所述数字锁定放大器的功能由处理器或者另外的计算机实现。

4.根据权利要求3所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，所述光源为带有PD的激光二极管，以实现对光源的正弦调制，产生正弦光信号。

5.根据权利要求4所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，所述探测光纤为粗芯径塑料光纤，其直径为1mm至3.5mm。

6.根据权利要求5所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，所述探测器为高探测灵敏度、低噪声水平、带有前置放大功能的雪崩光电二极管APD或高探测灵敏度、低噪声水平、带有前置放大功能的光电倍增管PMT，以实现对pW级微弱光信号的探测。

7.根据权利要求6所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，它还包括存储器，所述存储器连接所述处理器，接收并存储生理参数变化信息。

8.根据权利要求7所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏连接所述处理器，接收并显示所述生理参数变化信息。

9.根据权利要求8所述的近红外光谱检测仪，其特征在于，还包括数据发送模块，所述数据发送模块连接所述处理器，所述处理器通过所述数据发送模块将所述生理参数变化信息传输给外部PC机，以供外部PC机进行离线分析。