CN104224198A - 基于拉曼散射的多功能无创便携医疗检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种基于拉曼散射的多功能无创便携医疗检测装置及检测方法。本发明装置包括激光发生、光信号处理、光电信号转换以及数据处理等系统；激光发生系统将固定波长的激光照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的散射光送至光信号处理系统；光信号处理系统可以通过能够表征某一物质的特定波长的散射光，滤除其他波长的散射光；光电信号转换系统将特定波长的散射光信号转换成相应的数字电信号；数字信号处理系统对数字电信号进行处理，得到相对应的表征某一物质体征的物质含量。整个系统集成在很小的装置中，可用于无创检测人体血糖、血红素等各体征指标，具有无创、便携、功能多样的特点。

Description

基于拉曼散射的多功能无创便携医疗检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种基于拉曼散射的多功能无创便携医疗检测装置及检测方法。

背景技术

当光照射试样时,根据散射光的频率与入射光是否相同可以将散射现象分为瑞利散射和拉曼散射。拉曼散射光谱属于分子振动-转动光谱,它是源于试样分子的振动和转动能级,对拉曼散射光谱的研究可以直接获得分子结构的信息，从而对物质进行分析。就拉曼光谱本身而言，具有分辨率高，积分时间短，重现率好等特点，又因为其谱峰清晰尖锐，且谱峰强度与被检测物质呈良好的正相关关系，因此可以利用拉曼光谱实现对人体内某些成分如血糖、血红素、脂肪、胆固醇等组分进行的精确定量检测和分析。目前的无创检测设备由于光学系统以及成像系统结构复杂，整个设备庞大且功能单一，无法做到便于携带并灵活检测多种物质。

糖尿病是由于人体胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损，所引发的以高血糖为特征的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱的疾病。目前糖尿病的治疗通过频繁的检测患者的血糖浓度值并依此来从外部注射或口服胰岛素来控制血糖浓度。但是目前普遍的血糖检测方法都是有创的，每天4-7次的血糖检测对患者造成了身体上的疼痛和心灵上的伤害，并加大了感染的风险。而利用拉曼光谱检测血糖具有减轻患者痛苦和感染的风险，提高血糖精确度，降低检测成本的优点。

动脉粥样硬化是由脂肪代谢紊乱，神经血管功能失调引起的在大中动脉内膜出现含胆固醇、类脂肪等物质的疾病。利用拉曼光谱对血管内脂肪、胆固醇等成分的检测对诊断治疗有很大帮助。

细胞的癌变及扩散是从细胞形、组织成分的变化开始的。在细胞癌变的过程中，细胞内的DNA、蛋白质等成分发生变化。因此对细胞内DNA、蛋白质等组分进行实时监测对患者和疑似患者病情的治疗和诊断有很重要的意义。

本发明是基于拉曼光谱分析的无创便携检测的新技术，该技术可以方便快捷的为人体各体征成分参数的检测和确定提供依据，大大提高医疗检测诊断的效果，具有很高的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测方法及装置。 

本发明提出的基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置，其结构如图1所示，包括激光发生系统、光信号处理系统、光电信号转换系统以及数据处理系统；其中，所述激光发生系统将固定波长的激光（可以是但不局限于785nm）,经过检测探头照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的散射光经由检测探头送至光信号处理系统；所述光信号处理系统是一种滤光装置，该滤光装置可以通过能够表征某一物质的特定波长的散射光（如在血液光谱中的峰为血糖峰,峰为血红素峰），滤除其他波长的散射光，并不对入射光及散射光分别处理，特定波长的散射光由光电信号转换系统接收；所述光电信号转换系统采用电荷耦合元件，经由滤光装置处理的单一的特定波长的散射光信号被电荷耦合元件采集并转换成相应的数字电信号；所述数字信号处理系统对采集到的数字电信号进行处理，得出相对应的表征某一物质体征的物质含量。 

本发明中，所述光电信号转换系统可以但不局限为CCD成像模块。

本发明中，所述数据处理系统用于对电信号进行处理，得到相应物质的活性浓度值；整个数据处理系统可集成在芯片中，因此结构小巧易于携带。

本发明中，所述数据处理系统在使用前先针对每一种被测物质测定一系列参数值，得到拉曼峰强度与该物质活性浓度的函数关系，建立关联模型，进而对人体进行检测。

本发明提供的基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测方法，具体步骤如下：

步骤：A、选取一组已知活性浓度的物质样品（如血糖、血红素、胆固醇、恶性肿瘤等物质）作为校准集，测出其拉曼散射光谱的拉曼峰强度，建立该物质活性浓度与拉曼散射峰强度之间的定量数学模型，也称校准模型；

步骤B、再取另一组已知活性浓度的该物质作为预测集，将预测样品的近红外光谱代入校准模型，得到样品的预测值，用预测值和实际样品活性浓度之间的相关系数和相对标准偏差来衡量所建校准模型的可靠程度，对校准模型不断进行训练得到相关度最优的该种物质的强度—浓度关联模型，并将每种检测物质的关联模型存储在装置的数据处理系统中；

步骤C、对患者身体情况进行检测和记录，建立患者个人的身体数据库；

步骤D、选定相应的光信号处理系统以及强度—浓度关联模型，结合患者的个人数据库，进行某项指标的检测；

步骤E、检测完一项指标后，如需检测另外一种物质，可以更换事先已经制作好的光学处理零件，从而实现检测功能的多样化。

本发明步骤A中，通过大量对同一物质不同活性浓度样品的拉曼散射光谱分析，得到能够表征其活性浓度的特定拉曼峰，并建立相应的计算模型。 

本发明步骤A或步骤B中，分析物质活性浓度和拉曼峰强度以及建立计算模型可以但不局限于使用偏最小二乘回归法（PLSR）进行分析。

本发明步骤A中，通过大量实验得到与该物质活性浓度相关的拉曼峰之后，由该拉曼峰的拉曼位移或所对应的散射光线波长决定光信号处理系统筛选散射光线的相关参数数。

本发明中，在针对某一患者实际使用前，应对该患者进行多次体征指标的测量，使检测装置建立起该患者的个人身体情况数据库，进而对关联模型进一步校准。

本发明应用拉曼光谱分析的方法对目标物质的活性含量进行探测和鉴定。与现有技术相比具有的有益的效果是：

（一）本发明装置结构简单，光信号处理系统仅需针对某一散射光进行处理，并且无需光电转换系统在很大范围内的光谱上进行扫描而采集和处理多个信号，因此装置体积小，便于患者随身携带。

（二）本发明可以通过更换光信号处理系统（可以但不局限于更换筛选不同波长散射光线的滤光镜）来检测不同的物质，因此可以很方便的根据患者需要进行不同物质的检测，从而实现医疗临床上的多功能检测。

（三）本发明所基于的是拉曼散射光谱分析的原理，在测试过程中无需消耗品，因此大大降低了检测成本，便于患者和医护人员多次检测。

附图说明

图1为本发明的便携医疗检测装置结构示意图。

图2为本发明结构原理图。

图3为本发明在实施例1的测试步骤流程图。

图中标号：1为检测对象，使用时为人体皮肤，2为光信号处理系统， 3为光电信号转换系统， 4为数据处理系统；5为激光发生系统，包括供电、显示等附加模块。

具体实施方式

下文结合附图和实施例进一步具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了方便说明，人体皮肤和具体设备中元器件的尺寸，所示大小并不代表实际尺寸。

图1是本发明的装置结构示意图，其中1为检测对象，使用时为人体皮肤；2为光信号处理系统，可以但不局限于一套光学参数不同的滤光镜；3为光电信号转换系统，可以但不局限为CCD成像模块；4为数据处理模块；5为激光发生及供电、显示等附加模块。本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的结构，而是包括图中的结构。例如装置结构图中激光发生及供电、显示等附加模块集成在一起并置于整个装置的末端，实际设计中可以灵活置于装置的任何位置。因此装置结构图的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

实施例1，一种血糖无创检测装置，结合图1及图3说明本具体实施方式。它包括激光发生系统5，产生固定波长的激光（可以选用但不局限于固体激光发生器，产生如波长为785nm的激光）。所产生的激光照射到人体皮肤表面1，产生各种波长的拉曼散射光线。散射光线经由光信号处理系统（可以但不局限于滤光镜），仅筛选出能够表征血糖含量的散射光。该散射光在血液光谱中的拉曼位移为1125。经过光学处理的单一的散射光信号被光电转换系统3接收，并转换成与血糖强度关联的电信号。电信号传递到数据处理系统4，通过对患者个人的强度-浓度关联模型进行比对，从而得出血糖含量。因此本实施方式对于糖尿病的诊断和治疗有着极其重要的意义。

在针对具体患者进行血糖检测时，依据血糖的特征峰1125选定滤光装置，使之仅能筛选出拉曼位移为1125的散射光。在此基础上选定数据处理系统中已有的血糖强度—浓度关联模型，并结合患者个人的数据库，建立患者个人的血糖浓度—强度关联模型，通过对患者的检测值与关联模型进行比对即可检测出患者的血糖值。

本实施例中，经由光信号处理系统筛选过的散射光线由光电信号转换系统（可以但不局限于CCD成像处理模块）采集并加工，转换成电信号。因为仅需要采集特定波长的拉曼散射峰强度，因此无需在很宽光谱范围内进行扫描，从而大大简化了设备，这也是本发明的一个独特的创新点。

实施例2，一种血红素无创检测装置，与实施例1所述的血糖无创检测装置的区别在于，光信号处理系统的具体参数不同，利用光信号处理系统（可以但不局限于滤光镜）将表征血红素含量的特定散射光(在拉曼血液光谱中具体为拉曼位移为1549)筛选出，从而可以通过类似于实施方式一的步骤得出血液中血红素的含量。本实施方式对于心肺疾病（如阻塞性肺炎、心衰竭）、高山症、红血球过多症等疾病的诊断和治疗有重要意义。

实施例3，一种肿瘤细胞以及胆固醇无创检测装置，与实施例2所述的血红素检测装置的区别在于，光信号处理系统的具体参数、数据处理的具体方式以及使用时的实施步骤不同。改变光信号处理系统的滤光参数，将能够表征肿瘤细胞以及胆固醇等物质的散射光线筛选出。在使用时，先测量出使用者正常状态下的指标值，并由数据处理系统做出相应的记录。在正常测量的过程中，数据处理系统将事先记录的数据与实时测量数据进行比较，并对比较结果进行分析，最终得出该项指标是否异常的结论。

在本实施例中，待测物质可以但不局限于肿瘤细胞以及胆固醇，对于其他并未提及到的物质，在已知表征其特点的散射光线的基础上均可进行测量标定。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单变换或替代，都属于本发明范围。

Claims (9)

1.一种基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于，包括激光发生系统、光信号处理系统、光电信号转换系统以及数据处理系统；其中，所述激光发生系统将固定波长的激光,经过检测探头照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的散射光经由检测探头送至光信号处理系统；所述光信号处理系统是一种滤光装置，该滤光装置可以通过能够表征某一物质的特定波长的散射光，滤除其他波长的散射光，特定波长的散射光由光电信号转换系统接收；所述光电信号转换系统采用电荷耦合元件，经由滤光装置处理的单一的特定波长的散射光信号被电荷耦合元件采集并转换成相应的数字电信号；所述数字信号处理系统对采集到的数字电信号进行处理，得出相对应的表征某一物质体征的物质含量。

2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于，所述光电信号转换系统为CCD成像模块。

3.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于，所述数据处理系统用于对电信号进行处理，得到相应物质的活性浓度值；整个数据处理系统可集成在芯片中。

4.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于，所述数据处理系统在使用前先针对每一种被测物质测定一系列参数值，得到拉曼峰强度与该物质活性浓度的函数关系，建立关联模型，进而对人体进行检测。

5.一种基于权利要求1-4之一所述基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤A、选取一组已知活性浓度的物质样品作为校准集，测出其拉曼散射光谱的拉曼峰强度，建立该物质活性浓度与拉曼散射峰强度之间的定量数学模型，也称校准模型；

步骤B、再取另一组已知活性浓度的该物质作为预测集，将预测样品的近红外光谱代入校准模型，得到样品的预测值，用预测值和实际样品活性浓度之间的相关系数和相对标准偏差来衡量所建校准模型的可靠程度，对校准模型不断进行训练得到相关度最优的该种物质的强度—浓度关联模型，并将每种检测物质的关联模型存储在装置的数据处理系统中；

步骤C、对患者身体情况进行检测和记录，建立患者个人的身体数据库；

步骤D、选定相应的光信号处理系统以及强度—浓度关联模型，结合患者的个人数据库，进行某项指标的检测；

步骤E、检测完一项指标后，如需检测另外一种物质，则更换事先已经制作好的光学处理零件。

6.根据权利要求5所述基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于所述物质样品为血糖、血红素、胆固醇或恶性肿瘤。

7.根据权利要求5所述基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于步骤A或步骤B中，分析物质活性浓度和拉曼峰强度以及建立计算模型，使用偏最小二乘回归法。

8.根据权利要求5所述基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于步骤A中，通过大量实验得到与该物质活性浓度相关的拉曼峰之后，由该拉曼峰的拉曼位移或所对应的散射光线波长决定光信号处理系统筛选散射光线的相关参数数。

9.根据权利要求5所述基于拉曼光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于在针对某一患者实际使用前，对该患者进行多次体征指标的测量，使检测装置建立起该患者的个人身体情况数据库，进而对关联模型进一步校准。