CN105030223A - 一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统，该测量系统拟采用多路经强度调制频率编码的不同波长激光束聚焦照明血管的同一个区域，利用锁相放大器来解调获得由超声换能器获取的多个不同中心频率处的光声多普勒频谱信号。其特点为充分利用了血红细胞的光声光谱随含氧量的变化特性，不仅能准确地给出血液流速、流动方向，而且能判别血液的含氧量从而能区分动、静脉血。该测量方法和测量系统可以被用来研究血液微循环，通过对血液流速以及血液含氧量的同时检测来获取局部组织的新陈代谢状况。

Description

一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于一种多普勒血流测量方法及其实现系统,该测量方法充分利用了生物医学光声成像的多光谱生物体识别特性,能够在应用光声多普勒效应测量血液流速分布的同时还能获得关于血红细胞含氧量的信息。

背景技术

光声效应是指当光吸收物质受到强度变化的光照时，由于部分光吸收转化成热而引起该物质受热膨胀从而向外辐射声波的现象。

多普勒效应是指当一定频率的波源和检测器有相对运动时，检测器测量到的波信号发生频移的现象。当波源与检测器相向运动时，测量到的频移为正；当波源与检测器相背运动时，测量到的频移为负。

光声多普勒效应是指当相对于超声换能器运动的光吸收物质样品吸收光时，在光照下由于光声效应和多普勒效应，被超声换能器检测到的声波有多普勒频移的现象。

基于光声多普勒效应的测流技术是利用了示踪颗粒的光吸收特性，这不同于激光多普勒测流技术和超声多普勒测流技术是利用了示踪颗粒的光散射或声散射特性，而血红细胞是一种内源性的光吸收性能良好的颗粒，其光吸收系数比一般的生物组织要高将近3个数量级。对血液流速测量而言，光声多普勒技术具有探测深度相对于激光多普勒测流技术要大，探测灵敏度相对于超声多普勒侧流技术要高的优点，适用于对血液微循环的测量研究(可参阅文献FangH,,MaslovK,,WangLV.PhotoacousticDopplereffectfromflowingsmalllight-absorbingparticles[J].PhysicalReviewLetters,2007,99:184501.)。

光声生物医学成像除了具有成像深度相对于纯光学方法大的优点外，还具有能利用生物体的吸收光谱特性来进行区分判别组织结构的优点，例如由于血红细胞随含氧量不同其吸收光谱会有特定的变化，因此利用多波长扫描的光声成像能测量出血管中血红细胞的血氧含量，并以此区分动静脉血管(可参阅文献ChenZ.,YangS,XiangD.Invivodetectionofhemoglobinoxygensaturationandcarboxyhemoglobinsaturationwithmultiwavelengthphotoacousticmicroscopy[J].OpticsLetters,2012,37:3414-3416.)。

目前还没有同时既能判定血红细胞的血氧含量又能根据多普勒效应精确测量血液流速的光声技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种可应用于血液微循环测量研究的，判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统，可同时测量血液流速和血红细胞含氧量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法，由以下几个功能环节构成：

对若干个波长为λ₁<λ₂<λ₃<...的激光束分别进行正弦波或方波强度调制，对各个调制频率进行编码分别设为f₀+Δf,f₀+2Δf,f₀+3Δf,...；

将这些激光束利用光纤耦合方法耦合成为一束光并进行聚焦，照射到待测血管上产生光声波；

利用中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器收集待测血管所产生的光声波；

将超声换能器输出的光声信号放大后输入锁相放大器进行解调，输出光声多普勒信号；

对光声多普勒信号进行功率谱分析，获得关于血流的流动方向、血流的流速分布，和血红细胞的血氧含量信息；

其中光照射焦点与超声换能器焦点重合。

对所述的若干波长激光束进行正弦波或方波强度调制的各强度调制波形之间保持固定的相位关系。

在对若干不同波长激光束进行等频率间隔调制频率编码时，设置f₀等于收集光声波用的超声换能器的中心频率，设置Δf处于一定范围。

进一步的，对以上所述的Δf的范围设置，首先要求满足Δf/f₀>2v_max/c，其中v_max代表带测血流的最大流速，c代表在生物组织中的声速，另外要求满足Δf＜f_d＜(2n)，其中n代表所用的不同波长激光束的数目,f_d为频谱总宽，且f_d＝1/Δt,Δt为测量步长，即相邻两次探测之间的时间间隔。

以上所述的锁相放大器解调输入的参考信号为频率为f₀的正弦波或方波，而且该参考信号的波形与调制激光束的各个波形有固定的相位关系。

以上所述的光声多普勒功率谱分析方法包含以下几个步骤；1)对光声多普勒功率谱进行低通滤波获得分布Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪声功率谱；2)分析各去噪声功率谱的形状，获得关于血流方向和血流速度分布信息；3)分析各去噪声功率谱的面积，获得关于血红细胞血氧含量信息。

进一步的，所述的血流的流动方向判定方法如下，当分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪声功率谱都集中在Δf,2Δf,3Δf,...左侧时，可以判断血流的方向是沿着远离超声换能器的方向，当各去噪声功率谱都集中在Δf,2Δf,3Δf,...右侧时，可以判断血流的方向是沿着朝向超声换能器的方向，而当各去噪声功率谱平均分布在Δf,2Δf,3Δf,...两侧时，可以判断血流的方向是沿着垂直于超声换能器轴线的方向。

进一步的，对血流的流速平均速度计算分析方法如下：首先计算分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪光声功率谱的平均频率f₁,f₂,f₃,...，再计算f₁-Δf,f₂-2Δf,f₃-3Δf,...的平均多普勒频移值f_d，由此可得血液平均流速v_mean＝f_d/(f₀cosθ)，其中θ为血流方向和超声换能器轴线之间的夹角。

进一步的，对血红细胞血氧含量的计算分析方法如下：从计算分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪光声功率谱的面积，获得血红细胞在λ₁,λ₂,λ₃,...处的吸收光谱，由吸收光谱再计算出血红细胞的血氧含量。

一种用于实现可判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法的测量系统，包含以下几个功能单元：

强度调制激光器光源单元，包括若干个具有不同波长的光强度内部调制型激光器，还包括对其各自激光光束进行强度调制的一个或多个时钟同步的函数发生器；

多光束光纤耦合及血管扫描照射单元，包括一个光纤耦合器，其一端为分立的若干根入射光纤，另一端为耦合后的一根出射光纤，还包括在各个入射光纤端各配置一个将激光束聚焦耦合到光纤内的会聚透镜，在出射光纤端配置一个将多波长光束聚焦照明到血管上的消色差物镜和会聚透镜，另外还包括一个三维精密平移台来固定所有以上的各个部件以实现对血管的扫描照射；

光声波探测收集单元，包括一个中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器,还包括一个三维精密平移台用于固定超声换能器,以使超声换能器的焦点位置与激光照射区域重合；

光声信号解调单元，包括一个前置放大器用于放大超声换能器收集到的光声信号，还包括一个锁相放大器用于光声信号的解调以获得光声多普勒信号；

光声多普勒信号频谱分析单元，包括一台计算机和相关软件，用于对锁相放大器输出的光声多普勒信号的显示、存储，和频谱分析。

本发明的优点和有益效果是：

1.本发明的测量方法基于光声多普勒的基本原理进行光学激发和声学检测，与基于激光多普勒或超声多普勒的测流技术相比,探测深度大、分辨率高，并且可以探测超低血流，能很好地适用于对血液微循环的测量。

2.本发明的创新性在于在光声多普勒测流技术中融入了光声多光谱技术及强度调制频率编码技术，不仅可以探测血流速度和血流方向，还可以探测到血红细胞血氧含量信息。

3.本发明使用的激光处于可见光波段并且激光平均强度可以控制在对人体安全范围之内，所激发的超声波强度也处在对人体安全的范围，因此可以达到非侵入式，无损探测的目的。

附图说明

图1为可判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量系统示意图；

图2为光声信号的产生及收集过程示意图；

图3为已测的黑色聚苯乙烯颗粒的光声多普勒功率谱示意图。

图中：1、2：两个函数发生器，3、4：两个激光器，5、6：两个会聚透镜，7：光纤耦合器，8：三维精密平移台，9：消色差物镜，10：会聚透镜，11：会聚的激光束，12：血管，13：超声换能器，14：三维可调固定支架，15：信号放大器，16：锁相放大器，17：电脑，

具体实施方式

如图1所示，为本发明所述可判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量系统，为便于介绍，以双波长为例，包括两个函数发生器1、2，两个激光器3、4，两个会聚透镜5、6，光纤耦合器7，三维精密平移台8，消色差物镜9，会聚透镜10，会聚的激光束11，血管12，超声换能器13，三维可调固定支架14，信号放大器15，锁相放大器16，电脑17。

如图3所示，为已测的黑色聚苯乙烯颗粒在双路激光激发下的光声多普勒功率谱示意图，在功率谱图上可以看到两个峰值分别分布在5Hz和15Hz左侧，据此可推断，频移为负，即血液是背向超声换能器13运动；从功率谱中提取平均光声多普勒频移f_d，代入公式v_mean＝f_d/(f₀cosθ)计算出血液平均流速，其中θ为血流方向和超声换能器13轴线之间的夹角；从计算分布在5Hz和15Hz附近的各去噪光声功率谱的面积，获得血红细胞在λ₁、λ₂处的吸收光谱，由吸收光谱再计算出所对应的血红细胞血氧含量。

本发明方法既能测量血液流速又能判定血红细胞的含氧量，具体包括以下几个功能环节：

一、使用一个或多个时钟同步的函数发生器发出若干个相位关系固定的正弦波或方波信号，频率分别为f₀、f₀+Δf、f₀+2Δf、f₀+3Δf，……；其中第一个信号用作锁相放大器的参考信号，后面的信号分别用来依次调制波长λ₁＜λ₂＜λ₃＜……的连续激光的光强；各个激光的平均光强要限制在对人体安全的范围内，为了提高光声波的激发效率，将各个光强调制深度设置接近100％。

二、将这些激光束利用光纤耦合方法耦合成为一束光并进行聚焦，照射到待测血管上产生光声波。

三、利用超声换能器13对光声波进行探测，为了提高信噪比，调节超声换能器13的聚焦点与激光的聚焦点重合，以实现光声共聚焦条件。

四、超声换能器13收集到的光声波信号经前置信号放大器15放大后输入锁相放大器16进行解调，经解调后获得的光声多普勒信号输出到电脑17上的信号收集及处理软件，得到血液流速信息和血红细胞的含氧量信息。

本发明光声波探测收集部分中，调节激光与超声换能器13共聚焦的步骤如下：

1)、利用一个几何尺寸与超声换能器13相同、中空、焦距与超声换能器13的焦距相同且可容纳光纤发射端口的中空的圆柱体构件在超声换能器13的三维调节架上置换超声换能器13；通过二维平面调节，使构件中光纤出射的可见聚焦光斑与激发光声波的激光光斑在血管12上重合；然后把超声换能器13置换回来，从而完成共聚焦的粗调节；

2)、扫描移动血管12至已粗调好的超声换能器13与聚焦照射激光的共聚焦点处，对激光聚焦斑点和超声换能器13的空间位置再进行三维精细调节，观察光声信号在无光和有光照射条件下的变化，当光声信号幅值变化最大时，已达到了共聚焦的精细调节要求，可以进行探测。在接下来的血管扫描测量过程中，激光照射部分和超声换能器13部分的相对位置要保持固定。

光声多普勒血液流速测量以及血红细胞含氧量判别：

如附图1所示，光声多普勒血液流速测量以及血红细胞含氧量判别系统。包括：两个激光器3、4，两个函数发生器1、2组成强度调制激光器光源单元；一个光纤耦合器7，消色差物镜8，会聚透镜10，一个三维精密平移台8组成多光束光纤耦合及血管扫描照射单元；一个中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器13,还包括一个三维可调固定支架14用于固定超声换能器13组成光声波探测收集单元；一个前置信号放大器15和一个锁相放大器16组成光声信号解调单元；一台电脑17和相关软件组成光声多普勒信号频谱分析单元。

利用函数发生器1发出两个正弦波信号，频率为f₀+Δf的信号用来调制波长为λ₁的连续波激光3，频率为f₀+2Δf的正弦信号用来调制波长为λ₂的连续波激光4，另一个函数发生器2发出频率为f₀的正弦信号输入锁相放大器16。利用光电探测器检验，以保证两个激光的调制深度接近100％。测量步长Δt＝0.02s,整个频谱宽度f_d＝50Hz,2V_maxf₀/c＜Δf＜f_d＜(2n)＝12.5Hz,n为激光器数目。

参见附图1和附图2，从激光器3、4出射的两束激光分别经过会聚透镜5、6会聚到光纤耦合器7的两个入射端，通过光纤耦合器7将波长分别为λ₁和λ₂的两束激光合成一束后通过消色差物镜9准直，再通过会聚透镜10聚焦到血管12上，并保证光入射方向与血液流动方向的夹角为45°。消色差物镜9和会聚透镜10固定在三维精密平移台8上，以便于进行光聚焦调节。

超声换能器13固定在一个三维可调固定支架14上，超声换能器13与人体皮肤之间涂有耦合胶，以保证声阻抗的匹配。调节超声换能器13的位置，使血液流速方向与超声换能器13的轴线夹角大致为45°，并使超声换能器13的聚焦点与激光的聚焦点重合，以满足光声共聚焦条件，其具体细节如附图2所示。

超声换能器13收集到的光声波信号经信号放大器15放大后输入锁相放大器16。光声信号和参考信号经锁相放大器解调后输出到电脑17上的信号收集软件，并进行后续的信号分析和处理，最后得到动、静脉血管两种不同的光声多普勒去噪功率谱，如附图3所示。对去噪功率谱进行进一步分析，从而得到血液流速信息并得到血液的血红红细胞含氧量信息。

信号处理过程包括：

首先将光声多普勒信号做傅里叶变换，得到分布在Δf，2Δf附近的光声多普勒功率谱；然后对功率谱进行低通滤波，滤去高频噪声，得到平滑的去噪光声多普勒功率谱；由各光声多普勒功率谱相对于Δf、2Δf的分布位置，可以确定流速方向；由各光声多普勒频谱的平均多普勒频移f_d可以按公式v_mean＝f_d/(f₀cosθ)计算出血液平均流速，其中θ为血流方向和超声换能器13轴线之间的夹角。由于血红细胞含氧量不同的血液在λ₁、λ₂波长处的光吸收不同，而这种差异将反映在这两个波长所对应的Δf、2Δf各自的光声多普勒功率谱的总功率上，通过分析光声多普勒功率谱面积大小就可以判别两种血液血红细胞的血氧含量。血液中血红细胞包括含氧血红细胞和脱氧血红细胞，其浓度分别为[H_bO₂]和[H_b]，其对波长为λ₁、λ₂的光的光吸收因子分别为通过如下关系可以计算出[H_bO₂]和[H_b]： ${\mathrm{\&epsiv;}}_{H_b{O}_2}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)\&lsqb;H_b{O}_2\&rsqb;+{\mathrm{\&epsiv;}}_{H_b}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)\&lsqb;H_b\&rsqb;=S_{{\mathrm{\&lambda;}}_1}K\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right),{\mathrm{\&epsiv;}}_{H_b{O}_2}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)\&lsqb;H_b{O}_2\&rsqb;+{\mathrm{\&epsiv;}}_{H_b}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)\&lsqb;H_b\&rsqb;=S_{{\mathrm{\&lambda;}}_2}K\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right),$ 其中K(λ₁)和K(λ₂)是与光强相关的参数，则血氧含量

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法，其特征在于由以下几个功能环节构成：

对若干个波长为λ₁<λ₂<λ₃<...的激光束分别进行正弦波或方波强度调制，对各个调制频率进行编码分别设为f₀+Δf,f₀+2Δf,f₀+3Δf,...；

将这些激光束利用光纤耦合方法耦合成为一束光并进行聚焦，照射到待测血管上产生光声波；

利用中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器收集待测血管所产生的光声波；

将超声换能器输出的光声信号放大后输入锁相放大器进行解调，输出光声多普勒信号；

对光声多普勒信号进行功率谱分析，获得关于血流的流动方向、血流的流速分布，和血红细胞的血氧含量信息；

其中光照射焦点与超声换能器焦点重合。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：对所述的若干波长激光束进行正弦波或方波强度调制的各强度调制波形之间保持固定的相位关系。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：在对若干不同波长激光束进行等频率间隔调制频率编码时，设置f₀等于收集光声波用的超声换能器的中心频率，设置Δf处于一定范围。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：对Δf的范围设置，首先要求满足Δf/f₀>2v_max/c，其中v_max代表带测血流的最大流速，c代表在生物组织中的声速，另外要求满足Δf＜f_d/(2n)，其中n代表所用的不同波长激光束的数目,f_d为频谱总宽，且f_d＝1/Δt,Δt为测量步长，即相邻两次探测之间的时间间隔。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：锁相放大器解调输入的参考信号为频率为f₀的正弦波或方波，而且该参考信号的波形与调制激光束的各个波形有固定的相位关系。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：光声多普勒功率谱分析方法包含以下几个步骤；1)对光声多普勒功率谱进行低通滤波获得分布Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪声功率谱；2)分析各去噪声功率谱的形状，获得关于血流方向和血流速度分布信息；3)分析各去噪声功率谱的面积，获得关于血红细胞血氧含量信息。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：血流的流动方向判定方法如下，当分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪声功率谱都集中在Δf,2Δf,3Δf,...左侧时，可以判断血流的方向是沿着远离超声换能器的方向，当各去噪声功率谱都集中在Δf,2Δf,3Δf,...右侧时，可以判断血流的方向是沿着朝向超声换能器的方向，而当各去噪声功率谱平均分布在Δf,2Δf,3Δf,...两侧时，可以判断血流的方向是沿着垂直于超声换能器轴线的方向。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：对血流的流速平均速度计算分析方法如下：首先计算分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪光声功率谱的平均频率f₁,f₂,f₃,...，再计算f₁-Δf,f₂-2Δf,f₃-3Δf,...的平均多普勒频移值f_d，由此可得血液平均流速v_mean＝f_d/(f₀cosθ)，其中θ为血流方向和超声换能器轴线之间的夹角。

9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：对血红细胞血氧含量的计算分析方法如下：从计算分布在Δf,2Δf,3Δf,...附近的各去噪光声功率谱的面积，获得血红细胞在λ₁,λ₂,λ₃,...处的吸收光谱，由吸收光谱再计算出血红细胞的血氧含量。

10.一种用于实现可判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法的测量系统，其特征在于包含以下几个功能单元：

强度调制激光器光源单元，包括若干个具有不同波长的光强度内部调制型激光器，还包括对其各自激光光束进行强度调制的一个或多个时钟同步的函数发生器；

多光束光纤耦合及血管扫描照射单元，包括一个光纤耦合器，其一端为分立的若干根入射光纤，另一端为耦合后的一根出射光纤，还包括在各个入射光纤端各配置一个将激光束聚焦耦合到光纤内的会聚透镜，在出射光纤端配置一个将多波长光束聚焦照明到血管上的消色差物镜和会聚透镜，另外还包括一个三维精密平移台来固定所有以上的各个部件以实现对血管的扫描照射；

光声波探测收集单元，包括一个中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器,还包括一个三维精密平移台用于固定超声换能器,以使超声换能器的焦点位置与激光照射区域重合；

光声信号解调单元，包括一个前置放大器用于放大超声换能器收集到的光声信号，还包括一个锁相放大器用于光声信号的解调以获得光声多普勒信号；

光声多普勒信号频谱分析单元，包括一台计算机和相关软件，用于对锁相放大器输出的光声多普勒信号的显示、存储，和频谱分析。