CN104266996A - 基于近红外光谱分析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，具体为一种基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置。本发明装置包括光源、单色仪、探测器以及数字信号处理系统；光源用于产生足够功率的辐射光束,辐射光束经过探测器探头照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的漫反射光经由探测器探头送至单色仪；单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中或从连续光谱中分离出不同波长的单色光的仪器；探测器用于检测经单色仪筛选出的特定光信号，并将光信号转变为电信号，最终以数字信号形式输出；数字信号处理系统对采集到的数字信号进行处理，得出相对应的某一表征体征的物质含量。本发明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

基于近红外光谱分析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，具体涉及一种无创便携医疗检测装置及检测方法。

背景技术

近红外光谱是一种可用于多组份同时测定、无损、快速检测的分析方法。近红外光谱是指波长介于可见区和中红外区之间的电磁波。近红外光谱反应的信息主要是分子内部一些含氢基团振动的倍频和合频吸收，化学信息比较丰富，当同一基团或不同基团所在的化学环境不同时，它们对近红外光吸收的波长与强度也有明显区别。因为这类型基团可以在大部分有机物中找到，因此可以应用近红外光谱分析来测定多种有机物的种类和含量。漫反射光是光源发出的光进入样品内部经过多次反射、折射，衍射及吸收后返回样品表面的光，因此漫反射光负载了样品的化学组成和结构信息。反之，如果在经过大量的检测之后得到与特定化学物质相对应的特定漫反射光的光学参数，即可通过对该种漫反射光的检测来得知人体内该种物质的浓度。

人体的骨骼、肌肉、脂肪、皮肤及体液等在近红外光谱区吸收系数小，在近红外范围内的光不易被散射和反射，再加上是线偏振光，使穿透力增强，容易穿透人的体表皮肤和组织，深度可达5厘米以上，从而得到深层丰富的较强吸收信号，因而被用于人体组织成分的研究中。与传统检测方法相比，近红外光谱分析法无创、简便，因此可以用于人体内多种物质的检测。

本发明是基于近红外光谱无创检测的新技术，该技术可以精确监控人体多种生命参数指标，使人体生命参数的检测更加系统化，从而有助于人们对自己的健康进行管理，提高生活质量，具有很好的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置。 

本发明提出的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置，其结构如图1所示，包括光源、单色仪、探测器以及数字信号处理系统。其中，所述光源结构图中5（可以但不局限于卤钨灯）为光源，用于产生足够功率的辐射光束, 辐射光束经过探测器探头照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的漫反射光经由探测器探头送至单色仪（模块2）；所述单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中或从连续光谱中分离出不同波长的单色光的仪器，单色仪使能够表征某一物质的特定波长的漫反射光通过，并滤除掉其他的光线；单色仪并不对入射的辐照光束与多种漫反射光分别处理，而是对入射的辐照光束一次性筛选出能够表征人体生命参数指标的散射光；所述探测器（模块3）由光敏元件构成，用于检测经单色仪筛选出的特定光信号，并将光信号转变为电信号，最终以数字信号形式输出；所述数字信号处理系统（图中模块4）对采集到的数字信号进行处理，从而得出相对应的表征某一物质体征的物质含量。 

本发明中，所述单色仪可以是但不局限于一套光学参数不同的棱镜单色仪、光栅单色仪或者滤光片分光单色仪。

本发明中，所述数据处理系统作用是对电信号进行处理，并得到相应物质的活性浓度值。整个数据处理系统可集成在单片机中。

本发明中，装置利用近红外光谱分析的方法，可以在经过大量的检测之后得到与特定化学物质相对应的特定漫反射光的光学参数，即可通过对该种漫反射光的逆向检测来得知人体内该种物质的浓度。

本发明中，数据处理系统在使用前应先针对每一种被测物质测定一系列参数值，得到漫反射光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。

本发明中，用于近红外光谱分析的近红外光处理元件的特点是仅能够筛选出波长一定的漫反射光，无需对入射光和出射光进行分别处理，因此体积小巧。使用时通过更换已经调制好的相应的单色仪即可实现对检测物质的转换。因此检测装置便携，检测物质灵活多样。

本发明中，探测器功能是将筛选过的特定波长的漫反射光信号转换为电信号，因此仅需处理某一特定波长的漫反射光信号，无需在一定波长范围内进行扫描。

本发明装置利用近红外光谱分析方法，可用于无创检测人体血糖，血红素等各体征指标，由于对分光系统即单色仪和探测器进行了简单化处理，整个系统结构简单，能够集成在很小的一个装置中，并且可以通过更换相应结构实现检测多种物质的目的。因此本发明具有功能多样、检测过程无创及易于携带等特点。

本发明提供的基于近红外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，测出其近红外光谱强度，建立该物质活性浓度与光谱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近红外光谱分析，得到能够表征其活性浓度的近红外光谱谱峰，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近红外谱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。

本发明应用分析近红外光谱的方法对目标物质的活性含量进行探测和鉴定。与目前通用的检测技术相比具有的有益的效果是：

（一）本发明装置的结构简单，单色仪仅需针对某一散射光进行处理，并且探测器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不同参数的单色仪来检测不同的物质，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）本发明所基于的是近红外光谱分析的原理，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。

（四）本发明所基于的是近红外光谱分析的原理，对于检测人体内的物质而言，没有创口，因此大大减轻了患者的痛苦。

附图说明

图1为本发明所阐述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。

图中标号：1为检测对象，2为单色仪，3为探测器；4为数据处理系统，5为光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，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为单色仪，可以但不局限于一套光学参数不同的棱镜单色仪、光栅单色仪或者滤光片分光单色仪；3为探测器；4为数据处理模块可以但不局限于用单片机实现；5为光源。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。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1，一种无创检测血糖装置。它包括光源5，产生功率一定的辐射光束。所产生的辐射光束照射到人体皮肤表面1，在人体表面反射或者在人体皮肤组织中经过透射、折射或者漫反射后从皮肤内部射出。漫反射光线经由单色仪2处理，仅筛选出能够表征血糖含量的光线。经过光学处理的单一的光信号被探测器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，依据血糖的特征光线选定单色仪参数，使之仅能筛选出该波长的光线。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，经由单色仪筛选过的漫反射光线由探测器采集并加工，转换成电信号。因为仅需要采集特定波长的漫反射光，所以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，单色仪的具体参数不同，利用光学参数与实施例1中不同单色仪的将表征血红素含量的特定漫反射光筛选出，从而可以通过类似于实施例1的步骤得出血液中血红素的含量。本实施例对于心肺疾病（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。本实施例与实施例2所述的血红素检测装置的区别在于，单色仪的具体参数、数据处理的具体方式以及使用时的实施步骤不同。改变单色仪参数，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，最终得出肿瘤细胞以及胆固醇的散射光线项指标是否异常的结论。 

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方式对本发明所作的进一步详细说明。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，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于包括光源、单色仪、探测器以及数字信号处理系统；其中，所述光源用于产生足够功率的辐射光束, 辐射光束经过探测器探头照射到人体皮肤，由人体皮肤返回的漫反射光经由探测器探头送至单色仪；所述单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中或从连续光谱中分离出不同波长的单色光的仪器，单色仪使能够表征某一物质的特定波长的漫反射光通过，并滤除掉其他的光线；单色仪对入射的辐照光束一次性筛选出能够表征人体生命参数指标的散射光；所述探测器由光敏元件构成，用于检测经单色仪筛选出的特定光信号，并将光信号转变为电信号，最终以数字信号形式输出；所述数字信号处理系统对采集到的数字信号进行处理，得出相对应的某一表征体征的物质含量。

2. 根据权利要求1所述的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于所述单色仪是一套光学参数不同的棱镜单色仪、光栅单色仪或者滤光片分光单色仪。

3. 根据权利要求1所述的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于所述所述数据处理系统集成在单片机中。

4. 根据权利要求1所述的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置，其特征在于所述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，得到漫反射光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. 基于权利要求1-4之一所述的基于近红外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，测出其近红外光谱强度，建立该物质活性浓度与光谱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所述的基于近红外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所述的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于在步骤A中，通过大量对同一物质不同活性浓度样品的近红外光谱分析，得到能够表征其活性浓度的近红外光谱谱峰，并建立相应的计算模型。

8. 根据权利要求5所述的基于近红外光谱分析的无创便携医疗检测装置的检测方法，其特征在于在步骤A或步骤B中，分析物质活性浓度和近红外谱峰强度以及建立计算模型，使用偏最小二乘回归法。