CN104161520A - 一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，在测量表皮黑色素浓度时，通过分析光声信号的时域特征，得到黑色素层光声信号强度，参照标准化黑色素浓度曲线，得出待测黑色素浓度。标准化黑色素浓度曲线的测定，通过测量不同浓度的黑色素溶液光声信号强度，得到黑色素浓度-光声信号强度的关系参数。还包括据此方法搭建基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，包括计算机系统、光声信号激发系统、手持式探头、光声信号采集系统。手持式探头沿着光的传播方向，滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜、超声探测器和耦合杯依次设置在外壳内。本发明具有结构简单，操作快捷，易于推广的优点，属于黑色素的浓度测定技术领域。

Description

一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种黑色素的浓度测定技术，具体的说，涉及一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法及其装置。

背景技术

目前，测量表皮黑色素浓度的方法有漫反射光谱和分光光度计等方法，漫反射光谱法和分光光度计法虽然可以测量表皮中黑色素的浓度，但是受血液流动的影响较大，如按压导致的皮肤失血等。因此需要开发一种不易受血液流动影响的方法。

光致声效应原理是使用纳秒量级的短脉冲激光(光信号)照射生物组织，生物组织吸收短脉冲激光后，引起快速的热弹性膨胀产生机械波，由此产生超声波(光声信号)。超声探测器接收产生的超声波，通过时域分析，可以得到组织中的光吸收分布。

光致声效应原理可以准确的测定表皮中黑色素浓度，由于目标物质受到脉冲激光激发产生的超声信号到达超声探测器的时间不同，可以准确的分辨不同深度上的吸收体，从而排除了血红素对于肤色的影响，通过黑色素层的光声信号强度测定表皮黑色素浓度。

因此，将光致声效应原理应用于表皮黑色素浓度的确定，不仅可实现无损快速测定，还能排除血液流动的干扰。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能对表皮黑色素浓度进行快速无损检测且不受血液流动干扰的基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法及其装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，包括如下步骤：光声信号激发系统发出脉冲激光，被待测表皮及其内的黑色素吸收，由于吸收能量导致瞬间温升，从而应激产生出光声信号；将手持式探头紧贴待测表皮上方，光声信号采集系统通过超声探测器接收待测表皮产生的光声信号，并储存数据；计算机系统自动处理被记录的待测表皮光声信号波形，通过时域分析，得到黑色素层光声信号波形及强度，进行数据拟合，对比黑色素浓度标准曲线，得到待测表皮的黑色素浓度。

一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，计算机系统分析得到表皮黑色素层的光声信号强度，对照黑色素浓度标准曲线，读取黑色素浓度标准曲线得出待测表皮的黑色素浓度；黑色素浓度标准曲线的绘制工序包括如下步骤：a.在水温40℃时将黑色素颗粒溶于浓度为10％氢氧化钠溶液中作为体外标定黑色素浓度的试剂，氢氧化钠溶液的PH值>12；b.以同一浓度的氢氧化钠溶液为溶剂配置不同黑色素浓度的体外标定黑色素浓度的试剂，利用手持式探头测定不同浓度的试剂所产生的光声信号强度，得到黑色素浓度-光声信号强度幅值坐标图上的多个点，将多个点连接拟合成直线得到黑色素浓度标准曲线及其关系式P＝a*C+b，其中P为测量光声信号强度幅值，C为黑色素浓度，a为直线的斜率，b为直线的截距。

根据一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法搭建的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，包括：计算机系统、光声信号激发系统、手持式探头、光声信号采集系统。超声探测器和耦合杯安装在手持式探头上；光声信号激发系统发出的光信号穿过超声探测器和耦合杯照射待测表皮；光声信号采集系统通过超声探测器接收待测表皮产生的光声信号，并储存数据；计算机系统控制光声信号激发系统的启闭，接收光声信号采集系统的数据并处理数据。

光声信号激发系统包括：沿着光信号传播方向依次设置的脉冲激光器、光纤耦合器、光纤。脉冲激光器、光纤耦合器、光纤、滤波准直系统依次相接。脉冲激光器输出的激光通过光纤耦合器耦合进入光纤，光束经过光纤传导，激光出射后由滤波准直系统后输出准直激光。滤波准直系统可采用光束准直器。光声信号激发系统根据黑色素的吸收光谱选取的脉冲激光激发波长为532nm。

脉冲激光器发出的光信号波长为532纳米。

手持式探头还包括滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜和外壳；沿着激光的传播方向，滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜、超声探测器和耦合杯依次设置在外壳内；经光纤出射的光信号经滤波准直系统成为准直激光后，再经一维扫描振镜转向，经物镜聚焦，穿过超声探测器和耦合杯入射至表皮。物镜到待测表皮中黑色素的距离，选取放大倍数为4倍的物镜，焦长17mm。

耦合杯的端部凸出于外壳的端部。

超声探测器和物镜通过转接环螺纹旋接；物镜与外壳的内壁通过另一个转接环螺纹旋接。

超声探测器是中空平场探测器，激光穿过超声探测器的中空孔入射至待测表皮；耦合杯与待测表皮接触的一端设有透光透声薄膜；超声探测器和耦合杯内充满水作为超声耦合介质，水将超声探测器的接收元件淹没。

光声信号采集系统包括：前置信号放大器和高速数据采集卡；超声探测器、前置信号放大器和高速数据采集卡依次相接；高速数据采集卡与计算机系统相接。超声探测器将接收到的光声信号转化为电信号，经过前置信号放大器滤波放大，通过高速数据采集卡采集输入计算机系统。

计算机系统包括激光器驱动、一维振镜驱动、软件控制系统、数据处理系统。软件控制系统基于LabView开发软件，通过控制激光器驱动使得脉冲激光器输出脉冲激光，同时触发高速数据采集卡采集光声信号，数据经过小波变换，逆卷积处理后，实时呈现在电脑软件上；一维振镜驱动控制一维扫描振镜旋转，实现光束在皮肤表面的扫描。采集数据时，手持式探头保持固定，内部一维扫描振镜旋转扫描。数据处理系统基于LabView开发软件，根据表皮对532波长的吸收体根据结构从表层开始，依次分为角质层、黑色素层以及血管，通过分析采集到的光声信号波形的时域特征，自动提取黑色素层的光声信号强度，并与对比黑色素浓度标准曲线，得到表皮黑色素浓度。

本发明的原理是：

利用光致声效应原理，由于人体表皮对532nm波长的吸收体根据结构从表层开始，依次分为角质层、黑色素层以及血管，通过时域分析采集到的光声信号，得到黑色素层发出光声信号的强度，由光声信号的强度值对比黑色素浓度标准曲线读取黑色素的浓度值。

黑色素浓度标准曲线的绘制原理是：配置各种不同浓度的体外标定黑色素浓度的试剂，由一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置测量不同浓度黑色素对应的光声信号强度，得出光声信号强度对应黑色素浓度的曲线。一台设备对应专属的黑色素浓度标准曲线，当设备中零部件更换或拆卸后，可重新绘制黑色素浓度标准曲线。

采用光纤和光纤耦合器对光信号进行传导，实现探头的手持式操作。

总的说来，本发明具有如下优点：

(1)利用本方法和装置可以无损的测定表皮中黑色素浓度。

(2)采用手持式探头，方便操作人员快速对准被测试者待测部位，探头小巧灵活，适用于不同人群的测量，且移动灵活方便，操作快捷。

(3)测量速度快，每次扫描时间不超过3秒钟。

(4)本发明系统操作简便，一体化程度高，易于推广。

(5)结构简单，生产成品较低。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是手持式探头的剖视图。

图3是采用本发明装置检测体外标定黑色素浓度的试剂标定黑色素含量图。

图4a和图4b是检查同一个人不同部位的皮肤光声信号图。

其中，1为激光器驱动，2为脉冲激光器，3为光纤耦合器，4为滤波准直系统，5为一维扫描振镜，6为物镜，7为超声探测器，8为前置信号放大器，9为计算机系统，10为光纤，11为耦合杯，12为外壳，13为转接环，4-1-1为第一个部位的皮肤角质层信号，4-1-2为第一个部位的皮肤黑色素层信号，4-1-3为第一个部位的血管信号，4-2-1为第二个部位的皮肤角质层信号，4-2-2为第二个部位的皮肤黑色素层信号，4-2-3为第二个部位的血管信号。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，包括：计算机系统、光声信号激发系统、光声信号采集系统和手持式探头。

计算机系统包括：前置放大器、高速数据采集卡、激光器驱动、一维振镜驱动、数据处理系统，能够实时处理采集到的信号，通过时域分析，小波变换等信号处理，得到表皮黑色素浓度，并可实时对激光器驱动和一维振镜驱动进行控制。

光声信号激发系统包括：沿着光信号的传播方向依次设置的脉冲激光器、光纤耦合器、光纤。激光驱动器、脉冲激光器、光纤耦合器、光纤、滤波准直系统依次相接。一维扫描振镜与一维振镜驱动相接。脉冲激光器发出的激光波长为532纳米，特征波长的选择兼顾黑色素的吸收强度以及脉冲激光在组织中的穿透深度。

手持式探头包括：超声探测器、耦合杯、滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜和外壳；沿着激光的传播方向，滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜、超声探测器和耦合杯依次设置在外壳内。如图2所示，滤波准直系统设置在左上方，一维扫描振镜设置在右上方；一维扫描振镜、物镜、超声探测器和耦合杯成一直线从上往下依次设置。滤波准直系统采用光束准直器。超声探测器和物镜之间通过一个转接环螺纹旋接，物镜和外壳的内壁通过另一个转接环螺纹旋接。超声探测器为中空平场探测器；耦合杯的下端设有透光透声薄膜，耦合杯移动时，保证水不会溢出；耦合杯的下端凸出于外壳的下端；超声探测器和耦合杯内充满水作为超声耦合介质，水将超声探测器的接收元件淹没。

激光器驱动由计算机系统控制，驱动脉冲激光器输出波长为532nm的激光，通过光纤耦合器耦合进入光纤中，由光纤导入手持式探头内的光束准直器后出射准直激光，经一维扫描振镜，改变出射的光束角度，经过物镜聚焦，聚焦光束通过中空的超声探测器和耦合杯后，激发表皮组织产生光声信号。组织产生的光声信号通过固定在探测器下方的透光透声薄膜耦合进超声探测器，接收的信号转变为电信号，通过前置信号放大器放大，被高速数据采集卡采集并储存到计算机系统中。经过LabView软件处理得到有关表皮黑色素浓度的信息。

配置体外标定黑色素浓度的试剂，在水温40℃时将黑色素颗粒溶于氢氧化钠溶液中，其中，氢氧化钠浓度10％，分别配置黑色素浓度为1mg/ml、0.75mg/ml、0.5mg/ml、0.25mg/ml、0.125mg/ml、0mg/ml的试剂。定标相同光强下，不同浓度黑色素溶液的光声信号幅值，拟合光声信号幅值随黑色素浓度变化的变化曲线，如图3所示，根据测得的数据点绘制拟合图线，从图得出斜率和截距，a＝8.47,b＝0.37。

实施例二

采用实施例一的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置在体检测人体皮肤的光声信号。

图像4a、4b分别为同一个人不同部位的皮肤光声信号。利用本发明的装置，能够在通过时域分析，在信号上清晰的区分出皮肤的角质层和黑色素层，并能对表皮黑色素浓度进行测量，通过对信号进行处理，可以得出图4a所示的皮肤信号，黑色素层光声信号强度为2.6微伏，图4b所示的皮肤信号，黑色素层的光声信号强度为1.4微伏，对应图3黑色素浓度标准曲线，分别为0.26mg/ml，0.12mg/ml。

本实施例未提及部分同实施例一。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

(1)光声信号激发系统发出脉冲激光，被待测表皮及其内的黑色素吸收，由于吸收能量导致瞬间温升，从而应激产生出光声信号；

(2)将手持式探头紧贴待测表皮上方，光声信号采集系统通过超声探测器接收待测表皮产生的光声信号，并储存数据；

(3)计算机系统自动处理被记录的待测表皮光声信号波形，通过时域分析，得到黑色素层光声信号波形及强度，进行数据拟合，对比黑色素浓度标准曲线，得到待测表皮的黑色素浓度。

2.根据权利要求1所述一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，其特征在于：所述黑色素浓度标准曲线的测定过程包括如下步骤：

(1)在水温40℃时将黑色素颗粒溶于10％的氢氧化钠溶液中作为体外标定黑色素浓度的试剂；

(2)以同一浓度的氢氧化钠溶液为溶剂配置不同黑色素浓度的体外标定黑色素浓度的试剂，利用手持式探头测定不同浓度的试剂所产生的光声信号强度，得到黑色素浓度-光声信号强度幅值坐标图上的多个点，将多个点连接拟合成直线得到黑色素浓度标准曲线及其关系式P＝a*C+b，其中P为测量光声信号强度幅值，C为黑色素浓度，a为直线的斜率，b为直线的截距。

3.一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，实现权利要求1或2所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的方法，其特征在于：

包括计算机系统、光声信号激发系统、手持式探头、光声信号采集系统；

超声探测器和耦合杯安装在手持式探头上；

光声信号激发系统发出的光信号穿过超声探测器和耦合杯照射待测表皮；光声信号采集系统通过超声探测器接收待测表皮产生的光声信号，并储存数据；计算机系统控制光声信号激发系统的启闭，接收光声信号采集系统的数据并处理数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：所述光声信号激发系统根据黑色素的吸收光谱选取的脉冲激光激发波长为532nm。

5.根据权利要求3所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：所述手持式探头还包括滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜和外壳；沿着激光的传播方向，滤波准直系统、一维扫描振镜、物镜、超声探测器和耦合杯依次设置在外壳内；激光经滤波准直系统成为准直激光后，再经一维扫描振镜转向，经物镜聚焦，穿过超声探测器和耦合杯入射至待测表皮。

6.根据权利要求3所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：所述耦合杯与待测表皮接触的一端设有透光透声薄膜；耦合杯内充满水，水将超声探测器的接收元件淹没。

7.根据权利要求3所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：所述超声探测器是中空平场探测器，激光穿过超声探测器的中空孔入射至待测表皮。

8.根据权利要求5所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：根据所述物镜到待测表皮中黑色素的距离，选取放大倍数为4倍的物镜，焦长17mm。

9.根据权利要求3所述的一种基于光致声效应原理的测定表皮黑色素浓度的装置，其特征在于：所述计算机系统中安装的数据处理软件基于LabView开发软件,根据表皮的吸收体，从上层开始，依次分为角质层、黑色素层以及血管，数据处理软件通过分析采集到的光声信号波形的时域特征，自动提取黑色素层的光声信号强度，并与黑色素浓度标准曲线对比，得到待测表皮的黑色素浓度。