CN102384889A - 一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，属于便潜血分析仪的光学系统。包括依次相连的照明单元、样本单元、信号采集单元、信号处理单元，光学系统中加入积分球，实现透射光和散射光的同时测量，用比值的方法解决色度吸收的问题，并对光源的光强波动进行修正，提高了灵敏度。所述的积分球式光学系统可以修正由于色度/或吸光物质的干扰，并能补偿光强的波动，提供长期的校准稳定，使本发明具有较强的实用性。

Description

一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统

技术领域

本发明涉及一种便潜血分析仪的光学系统。

背景技术

便潜血是指消化道每日出血量小于5ml、肉眼见不到粪便颜色改变、在粪便图片镜检中也看不到完整的红细胞、需要采用其他方法才能证实的出血。临床证实，87％的消化道癌肿的病人粪便潜血试验为阳性。因此粪便隐血试验(fecal occult blood test，FOBT)对消化道出血的诊断及消化道恶性肿瘤的筛查有重要的参考价值。

消化道上皮细胞从异常增生发展到癌变平均需10年时间，这为早期筛查及预防提供了充分时间，但由于肠癌早期多无症状，待出现症状大多已是中晚期，因此早期筛查就尤其重要。

100多年以来，临床粪便潜血试验均是采用化学法进行检测，化学法检测便隐血操作简便，但干扰因索多，特异性差，灵敏度低，受饮食的影响(肉类、蔬菜、药物、维生素C、铁剂等)常出现假阳性反应，在一定程度上影响临床的诊断和治疗。并且化学法是人工检验，检体外观令人不舒服、有异味，无法直接在马桶内取检体，废弃物处理麻烦。

近年来发展的免疫法，如图1，从根本上克服了化学法的不足，在特异性和灵敏度方面有突破性进展，不受食物药物的影响，采便方法方便卫生，外观清爽，无异味，废弃物体积小、处理容易，并且有自动仪器检验，速度快，可大量分析。目前国外已经有全自动的便潜血分析仪，但国内仍为空白。

现有技术中，按光路分，免疫法可以分为透射比浊法、散射比浊法。

透射免疫比浊法如图2所示，是在180°角，即在直射角度上测定光透射强度。抗原与抗体在一定缓冲液中形成凝结，当光线透过反应溶液时，由于溶液内凝结粒子对光线的反射和吸收，引起透射光减少，凝结越多透射光越少，可用吸光度表示。

散射比浊法如图2所示，是在光路的5°～96°角的方向上测量散射光强度。抗原抗体复合物对一定波长的光产生折射、偏转，偏转角度及散射光强度与复合物粒子的大小和量有关。

在现有技术中，透射检测和散射检测采用单光路进行测试，光源的波动将会对检测带来影响。同时由于凝结颗粒对不同波长的光吸收度不同，因此测试结果受色度影响，给便潜血分析带来误差。

发明内容

本发明提供一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，

本发明采取的技术方案是，

一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，包括依次相连的照明单元、样本单元、信号采集单元、信号处理单元：

所述照明单元包括：

光源，采用碘钨灯，色温2200～3000K；

光束整形模块，所述光束整形模块将光源发出的光转换为准平行光束，用于照射被测样本；

样本单元，用来盛放液体样本；

信号采集单元，是由一个积分球、一个消光筒和两个分别用于收集透射光和散射光的探测器组成，积分球上开有光束入射孔和光束透射孔以及漫反射孔，透射孔一侧安装有消杂光的消光筒，消光筒与透射光探测器连接，积分球散射孔处与散射光探测器连接，透射光探测器输出线和散射光探测器输出线分别与信号处理单元连接；

信号处理单元，用于将收集到的透射光信号、散射光信号进行运算处理。

本发明一种实施方式是光源与其后的光束整形模块同轴。

本发明一种实施方式是光束整形模块包括：针孔，置于光源之后，用于限制进入准直镜的光的口径；准直镜组件，置于针孔之后，用于将从针孔发出的光整形为准平行光；该针孔处于准直镜组件的物方焦面上，该准直镜组件至少由一片球面或非球面的具有汇聚作用的凸面镜组成。

本发明一种实施方式是积分球上开有的光束入射孔和光束透射孔以及散射孔处于积分球最大直径的同一个圆周上，透射孔在与入射孔相对的位置上，入射孔和透射孔的连线与所述光源同轴。

本发明一种实施方式是散射孔位于入射孔和透射孔中心连线的正交方向上。

本发明一种实施方式是入射孔和透射孔和散射孔的通光孔径总面积小于积分球内表面积的4％。

本发明一种实施方式是入射孔与透射孔的直径相同。

所述散射光测器接收散射光，记为I_s，所述透射光探测器接收透射光，记为I_t；

所述信号处理单元将所述散射光探测器、透射光测器接收到的光信号进过信号滤波、放大，分别记为：AD_s、AD_t，进行如下处理：

AD_s＝a×I_s

AD_t＝b×I_t

$\mathrm{AD}=K\frac{{\mathrm{AD}}_s}{{\mathrm{AD}}_t}=\mathrm{abK}\frac{I_s}{I_t}$

a、b、K：比例系数；

假定样本是无色的，进入样本的入射光通量为I₀，则样本透过率为1，出射光通量I′₀亦为I₀；出射光通量I′₀、散射光通量I_s和透射光通量I_t三者关系为：

I′₀＝I_t+I_s

如果样本带色，进入样本的入射光将部分被吸收，设样本透过率为t，此时出射光通量I′₀、散射光通量I′_s和平行透射光通量I′_t有如下关系：

I′₀＝t×I₀

I′_s＝t×I_s

I′_t＝I′₀-I′_s＝t×I₀-t×I_s＝t(I₀-I_S)＝t×I_t

因此消除了色度对测量的影响。

光学系统中加入积分球，实现透射光和散射光的同时测量，用比值的方法解决色度吸收的问题，并对光源的光强波动进行修正，提高了灵敏度。

所述的积分球式光学系统可以修正由于色度/或吸光物质的干扰，并能补偿光强的波动，提供长期的校准稳定，使本发明具有较强的实用性。

附图说明

图1是现有技术中免疫比浊技术的光学原理图；

图2是现有技术中透射比浊法和散射比浊法示意图；

图3是本发明系统结构示意图；

图4是本发明中光束整形模块的示意图；

图5是本发明中信号采集单元的示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明包括依次相连的照明单元1、样本单元2、信号采集单元3、信号处理单元4。

照明单元1包括光源11和光束整形模块12，光源采用碘钨灯，色温在2200～3000K之间，本发明优选色温为2700K的碘钨灯，本发明中的光源11功率为9W；

光束整形模块，所述光束整形模块将光源发出的光转换为准平行光束，用于照射被测样本；

光源与其后的光束整形模块同轴。

光束整形模块包括：针孔，置于光源之后，用于限制进入准直镜的光的口径；准直镜组件，置于针孔之后，用于将从针孔发出的光整形为准平行光；该针孔处于准直镜组件的物方焦面上，该准直镜组件至少由一片球面或非球面的具有汇聚作用的凸面镜组成。

如图4所示，光束整形模块12对光源11发出的光束LB进行准直处理，光束整形模块12包括一个针孔121和至少一片准直透镜122，其作用是将光源11发出的光准直为截面直径小于5mm的圆形光束照射于样本单元2内的样本上；准直透镜122优选凸透镜，因为光源11发出的光LB为发散光，因此这里可以直接使用凸透镜进行准直。准直透镜也可以是一片以上的凸透镜组合，也可以使一个以上个凹、凸透镜的组合，只要其总的效果是准直即可；

为了将光源11发出的发散光准直在样本单元的检测区，并使光束在检测区处无明显的灯丝，并且光束完全照射在透射光探测器上，针孔121的尺寸要与准直透镜的放大倍率相匹配，以使样本能够得到充分的照明的同时，透射光探测器能够接受到全部的透射光；一般情况下，可以使用下式进行近似：

$d=\frac{D_1}{L_1}f$

$d=\frac{D_2}{L_2}f$

其中d为针孔的大小，

f为准直透镜122的焦距；

D₁为光束在样本单元2的检测区的截面直径；

L₁为准直透镜122距离样本单元2的检测区的距离；

D₂为光束在信号采集单元3的透射光探测器上的截面直径；

L₂为准直透镜122距离信号采集单元3的透射光探测器的距离。

样本单元2，用来盛放液体样本，样本杯为方形容器。

积分球上开有的光束入射孔和光束透射孔以及散射孔处于积分球最大直径的同一个圆周上，透射孔在与入射孔相对的位置上，入射孔和透射孔的连线与所述光源同轴。

散射孔位于入射孔和透射孔中心连线的正交方向上。

入射孔和透射孔和散射孔的通光孔径总面积小于积分球内表面积的4％。

入射孔与透射孔的直径相同；

如图3所示，信号采集单元包括依次相连的积分球31、消光筒32、透射光探测器33以及和积分球相连的散射光探测34器；积分球31用于同时收集透射光和散射光，如图5所示，入射光穿过样本单元后将会发生散射，传播方向不变的直射光将穿过积分球31的入射孔径和透射孔径，经过消光筒32照射在透射光探测器33上，然后穿过样本的透射光信息经透射光探测器33转换成相应的透射光电信号，记为I_t，并将其发送至信号处理单元4；传播方向改变的散射光也将从积分球31的入射孔径进入积分球，然后在积分球内经过漫反射从散射孔径射出，散射的光信号经散射光探测器34转换成相应的散射光电信号，记为I_s，同样发送至信号处理单元4；还有一部分散射光信号将会从透射孔径传出，由于散射光的方向是杂乱无章的，而透射光的方向是一致的，因此经过消光筒32后，透射光将顺利的到达透射光探测器33，散射光将在消光筒32的传输过程中损失殆尽，无法到达透射光探测器33。

如图3，信号处理单元4将透射光探测器33、散射光探测器34接收到的光信号I_t、I_s进过信号滤波、放大，分别记为：AD_t、AD_s进行如下处理：

AD_s＝a×I_s

AD_t＝b×I_t

$\mathrm{AD}=K\frac{{\mathrm{AD}}_s}{{\mathrm{AD}}_t}=\mathrm{abK}\frac{I_s}{I_t}$

a、b、K：比例系数。

假定样本是无色的，进入样本的入射光通量为I₀，则样本透过率为1，出射光通量I′₀亦为I₀；出射光通量I′₀、散射光通量I_s和透射光通量I_t三者关系为：

I′₀＝I_t+I_s

如果样本带色，进入样本的入射光将部分被吸收，设样本透过率为t，此时出射光通量I′₀、散射光通量I′_s和平行透射光通量I′_t有如下关系：

I′₀＝t×I₀

I′_s＝t×I_s

I′_t＝I′₀-I′_s＝t×I₀-t×I_s＝t(I₀-I_S)＝t×I_t

也就是说：无论透过光或散射光它们的强度都衰减了同一系数t；因此消除了色度对测量的影响。

Claims (8)

1.一种全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于，包括依次相连的照明单元、样本单元、信号采集单元、信号处理单元：

所述照明单元包括：

光源，是由一支色温为2700K的碘钨灯为光源；

光束整形模块，所述光束整形模块将光源发出的光转换为准平行光束，用于照射被测样本；

样本单元，用来盛放液体样本；

信号采集单元，是由一个积分球、一个消光筒和两个分别用于收集透射光和散射光的探测器组成，积分球上开有光束入射孔和光束透射孔以及漫反射孔，透射孔一侧安装有消杂光的消光筒，消光筒与透射光探测器连接，积分球散射孔处与散射光探测器连接，透射光探测器输出线和散射光探测器输出线分别与信号处理单元连接；

信号处理单元，用于将收集到的透射光信号、散射光信号进行运算处理。

2.根据权利要求1所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于光源与其后的光束整形模块同轴。

3.根据权利要求1所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于光束整形模块包括：针孔，置于光源之后，用于限制进入准直镜的光的口径；准直镜组件，置于针孔之后，用于将从针孔发出的光整形为准平行光；该针孔处于准直镜组件的物方焦面上，该准直镜组件至少由一片球面或非球面的具有汇聚作用的凸面镜组成。

4.根据权利要求1所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于积分球上开有的光束入射孔和光束透射孔以及散射孔处于积分球最大直径的同一个圆周上，透射孔在与入射孔相对的位置上，入射孔和透射孔的连线与所述光源同轴。

5.根据权利要求4所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于：散射孔位于入射孔和透射孔中心连线的正交方向上。

6.根据权利要求4所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于：入射孔和透射孔和散射孔的通光孔径总面积小于积分球内表面积的4％。

7.根据权利要求4所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于：入射孔与透射孔的直径相同。

8.根据权利要求1所述的全自动便潜血分析仪的积分球式光学系统，其特征在于：所述信号处理单元将所述散射光探测器、透射光测器接收到的光信号进过信号滤波、放大，分别记为：AD_s、AD_t，进行如下处理：

AD_s＝a×I_s

AD_t＝b×I_t

$\mathrm{AD}=K\frac{{\mathrm{AD}}_s}{{\mathrm{AD}}_t}=\mathrm{abK}\frac{I_s}{I_t}$

a、b、K：比例系数；所述散射光测器接收散射光，记为I_s，所述透射光探测器接收透射光，记为I_t。

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