CN105996995B - 一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统和仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，被测样品、平凸透镜、分束镜、CMOS相机排列成直线，对被测样品进行光学成像；沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、平凸透镜、被测样品依次设置，沿着光的出射方向，被测样品、平凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测样品进行反射光谱测量和对充有气体的被测样品进行气体吸收光谱测量；当用于反射光谱测量时，光源选用照明光源，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源选用二极管激光器，探测器选用光电二极管。本发明还涉及一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器。本发明结构简单，制作方便，能运用科学手段对中耳炎进行准确排查，属于医疗设备技术领域。

Description

一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统和仪器

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，具体的说，涉及一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，以及基于该诊断系统制作的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，利用漫反射光谱技术和激光吸收光谱技术结合的方法，对中耳炎进行光学诊断。

背景技术

中耳炎是儿童常见的一种感染性疾病，它会引起耳痛耳鸣和听力下降，严重的话可引起头颅内外并发症。统计表明大约75％的美国儿童在三岁之前都患过中耳炎，而且其中1/3的患者会有复发的病症。在中国，统计表明大约一半以上的儿童在三岁之前都患过中耳炎。对于中耳炎的诊断，一个比较重要的问题是中耳炎多发于婴幼儿，由于婴儿不能清楚地描述症状而导致家长的忽视或医生的误诊，从而耽误了及时的治疗。另一个问题是抗生素的滥用导致的抗药性，使得精准的诊断和合理的用药变得尤其重要。目前中耳炎的诊断主要是利用耳窥镜观察鼓膜的变化，由于发炎的鼓膜会由半透明灰色变成膨胀发红的膜。然而，当儿童患鼓膜炎时，与中耳炎患者有着非常相似的病症，这给中耳炎的诊断带来了困难。因此一些精确且易于操作的方法需要被用于客观地对中耳炎进行诊断。

通常情况下，人耳的鼓膜是一个弹性灰白色半透明薄膜，将外耳道和中耳隔开。当处于感染状态时，鼓膜变得红肿，不透明。漫反射光谱技术是一种无创定量的光谱技术，可以实现对生物组织的浅层组分的检测，包括黑色素和血红蛋白。该技术已经成功用于人体皮肤癌和乳腺癌的光学诊断中。因此，通过利用漫反射光谱技术测量鼓膜的血红蛋白含量变化，可以判断出鼓膜是否发炎。正常情况下，人体的中耳腔通过咽鼓管与鼻咽部相连，可以进行气体通风。咽鼓管可以保持中耳腔内外的气压平衡以及引流腔内的液体。一旦发生感染，咽鼓管的通风功能受损，中耳腔内的液体无法正常排出，使得腔内充满液体。作为一种激光吸收光谱技术，散射介质中的气体吸收光谱技术(gas in scattering mediaabsorption spectroscopy,GASMAS)是一种用于多孔介质中气体含量的无创检测方法，已经成功用于人体鼻窦炎的无创诊断和新生儿肺功能的监测。因此，散射介质中的气体吸收光谱技术可以通过测量中耳腔内的气体含量对中耳炎进行诊断。

基于半导体激光吸收光谱技术，散射介质中的气体吸收光谱技术可以对分布在介质中的微弱气体信号进行测量。这是由于气体的吸收线非常窄(大概为固体或液体的1/10⁴)，因此可以非常容易从固体的宽吸收中把气体的吸收信号提取出来。通过波长调制光谱和锁相放大技术，从气体吸收信号中提取出来二次谐波信号，极大地提高了探测的灵敏度和信噪比。

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：提供一种可靠的诊断中耳炎的基于光谱技术的中耳炎诊断系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，包括平凸透镜、分束镜、CMOS相机、探测器、光纤、光源；光源包括二极管激光器和照明光源，探测器包括光电二极管和光谱仪；被测样品、平凸透镜、分束镜、CMOS相机排列成直线，对被测样品进行光学成像；沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、平凸透镜、被测样品依次设置，沿着光的出射方向，被测样品、平凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测样品进行反射光谱测量和对充有气体的被测样品进行气体吸收光谱测量；当用于反射光谱测量时，光源选用照明光源，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源选用二极管激光器，探测器选用光电二极管。

作为一种优选，一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，还包括电脑；光纤、电脑、探测器、CMOS相机依次相接。

作为一种优选，照明光源为卤钨灯光源或LED光源。

作为一种优选，分束镜替换为回转反射镜，和/或光电二极管替换为光电倍增管。

作为一种优选，光纤包括一根直径为600微米的入射光纤和八根直径为400微米的收集光纤，入射光纤位于中心，收集光纤以入射光纤为中心在入射光纤周围呈环形排列，入射光纤和收集光纤之间的距离为0.5-1毫米。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的另一个目的是：提供一种可靠的诊断中耳炎的基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，对现有的视频耳窥镜进行改造。

一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，包括视频耳窥镜、光源、光纤、探测器、电脑；视频耳窥镜包括从前往后排列成直线依次设置的窥耳器、LED白光光源、凸透镜、分束镜、CMOS传感器，对被测对象进行直线的光学成像；沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、凸透镜、被测对象依次设置，沿着光的出射方向，被测对象、凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测对象进行反射光谱测量和对充有气体的被测对象进行气体吸收光谱测量；探测器包括光电二极管和光谱仪；当用于反射光谱测量时，LED白光光源开启，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源为二极管激光器，探测器选用光电二极管；CMOS传感器、光源、探测器均与电脑连接。

作为一种优选，视频耳窥镜包括手枪形的外壳；圆筒形的窥耳器套接在外壳的前端外侧，环形的LED白光光源安装在外壳的前端内侧，凸透镜、分束镜、CMOS传感器均位于外壳内。

作为一种优选，窥耳器为圆筒形，侧壁接有充气通道。

作为一种优选，分束镜替换为回转反射镜，和/或光电二极管替换为光电倍增管。

作为一种优选，光纤包括一根直径为600微米的入射光纤和八根直径为400微米的收集光纤，入射光纤位于中心，收集光纤以入射光纤为中心在入射光纤周围呈环形排列，入射光纤和收集光纤之间的距离为0.5-1毫米。

本发明的原理是：

针对中耳炎的主观诊断带来的缺陷而提出。本发明的研究内容主要包括两个方面，一个是对中耳的鼓膜进行反射光谱测量和光学成像，另一个是对中耳腔内的气体进行吸收光谱信号的测量。光学成像可对鼓膜清晰成像，清楚了解鼓膜状态。反射光谱测量时所测量的组织成分主要为鼓膜中的血红蛋白，可以判断出鼓膜是否发炎。气体吸收光谱测量所测量的气体可以是中耳腔内的氧气，水蒸气，二氧化碳等，对中耳炎进行诊断。

通过平凸透镜(凸透镜)和分束镜组成的光路转换模块，切换各种检测状态。被测样品(被测对象)的反射光直线通过分束镜传递到CMOS相机(CMOS传感器)完成光学成像。通过光纤的光通过分束镜垂直转向射向被测样品(被测对象)且沿原路返回。通过分束镜的光路转向及光源和探测器的选用，即可在一个系统或仪器上完成光学成像、反射光谱测量、气体吸收光谱测量，准确对中耳炎进行确诊或排除。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.结构简单，制作方便，操作方便。

2.三步测量集中在一个系统或仪器上，结构精简。

3.能运用科学手段对中耳炎进行准确排查，而非凭经验主观排查。

4.对现有的视频耳窥镜进行简单改造即可，取材方便，改装方便。

附图说明

图1是一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统的基本构造图。

图2是本发明入射光束示意图。

图3是本发明出射光束示意图。

图4a是光纤的横截面的示意图，图4b是光在被测样品中传输的示意图。

图5是一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器的基本构造图。

图6a是用图5的仪器测量正常鼓膜所得的反射光谱图，图6b是用图5的仪器测量发炎鼓膜所得的反射光谱图，箭头所示为血红蛋白吸收峰。

图7a是用图5的仪器测量正常的中耳腔所得的气体吸收光谱的二次谐波信号，图7b是用图5的仪器测量患病的中耳腔所得的气体吸收光谱的二次谐波信号。

图8为将图5中的分束镜替换为回转反射镜的示意图。

一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统中，1为光源，2为光纤，3为光路转换模块，4为分束镜，5为平凸透镜，6为被测样品，7为CMOS相机，8为探测器，9为电脑。

一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器中，10为视频耳窥镜，11为窥耳器，12为人耳，13为LED白光光源，14为凸透镜，15为分束镜，16为CMOS传感器，17为光纤，18为光源，19为探测器，20为电脑。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

图1的一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，主要包括：光源、光纤、光路转换模块(包括一个分束镜和平凸透镜)，被测样品，CMOS相机，探测器，电脑。所选光源为照明光源(在卤钨灯光源或LED光源中选择)和二极管激光器，所选探测器为光电二极管(或光电倍增管)和光谱仪。被测样品、平凸透镜、分束镜、CMOS相机排列成直线，对被测样品进行光学成像；沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、平凸透镜、被测样品依次设置，沿着光的出射方向，被测样品、平凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测样品进行反射光谱测量和对充有气体的被测样品进行气体吸收光谱测量。光纤、电脑、探测器、CMOS相机依次相接。当用于反射光谱测量时，光源选用照明光源，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源选用二极管激光器，探测器选用光电二极管。

分束镜可替换为回转反射镜，即可转动的平面镜，当其用于光学成像时，转至水平方向，不阻挡被测样品和CMOS相机之间的光路；当其用于反射光谱测量和气体吸收光谱测量时，转至倾斜45度方向，将光路改为垂直方向传播。

图2中，光源发出的光经过光纤进入光路转换模块中，在光路转换模块中光通过分束镜转向平凸透镜，随后聚焦到被测样品。

图3中，被测样品中散射回来的光经过平凸透镜，再经过分束镜进行聚焦。此时光线可以转向两个方向，一部分光线直接聚焦到CMOS相机进行光学成像；另一部分光线将发生垂直转向聚焦到光纤的末端，通过收集光纤传输到探测器进行信号的采集。

图4a中的光纤，由一根位于中央部位的600微米的入射光纤和在其周围呈环形排列的8根400微米的收集光纤构成。其中入射光纤和收集光纤有一定的距离，距离为0.5-1毫米。图4b为光进入被测样品后的所走的路径，由于散射使得光在被测样品的路程是不确定的。

图5的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，将视频耳窥镜与一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统集成在一起。一方面，可以对中耳的鼓膜进行光学成像，观察鼓膜的位置和颜色变化；另一方面，可以采用漫反射光谱技术和气体吸收光谱技术分别测量鼓膜的血红蛋白含量和中耳腔内的气体浓度。如图所示，一个经过改造的视频耳窥镜通过配置合适的窥耳器放入人耳的外耳道中。该视频耳窥镜包括LED白光光源，凸透镜，分束镜和CMOS传感器。窥耳器需要带有充气通道，实验过程中通过充入氮气，可以用来消除外耳道以及耳窥镜中空气的存在带来的干扰。另外，视频耳窥镜通过连接光纤，将由光源发出的光束传输到人耳，同时由探测器采集背向散射光。二极管激光光源，探测器以及视频耳窥镜的CMOS传感器连接电脑，通过电脑进行光源的调制，以及数据和图像的采集。探测器可以是光谱仪和光电二极管(或光电倍增管)，分别用于反射光谱和气体吸收光谱的测量。

视频耳窥镜包括从前往后排列成直线依次设置的窥耳器、LED白光光源、凸透镜、分束镜、CMOS传感器，对被测对象进行直线的光学成像；沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、凸透镜、被测对象依次设置，沿着光的出射方向，被测对象、凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测对象进行反射光谱测量和对充有气体的被测对象进行气体吸收光谱测量；探测器包括光电二极管和光谱仪；当用于反射光谱测量时，LED白光光源开启，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源为二极管激光器，探测器选用光电二极管；CMOS传感器、光源、探测器均与电脑连接。视频耳窥镜包括手枪形的外壳；圆筒形的窥耳器套接在外壳的前端外侧，环形的LED白光光源安装在外壳的前端内侧，凸透镜、分束镜、CMOS传感器均位于外壳内。

测量过程如下：

第一步是利用LED白光光源通过CMOS传感器观察鼓膜图像，通过移动视频耳窥镜使得窥耳器放置在外耳道中的合适位置，即不会造成鼓膜损伤又能够得到清晰的图像。

第二步是进行反光谱测量，依然选择LED白光光源，从鼓膜反射回来的光通过光纤传输给光谱仪。

第三步是进行气体吸收光谱测量，关闭LED白光光源，同时通过窥耳器的充气通道向外耳道内缓缓充入氮气，采用二极管激光器作为光源，光源通过光纤传输给到中耳腔内，而从中耳腔内散射回来的光被光纤接收并传输到光电二极管(或光电倍增管)。

图6a和图6b所示，由于鼓膜的发炎会导致血管的扩张，血液流速加快，使得鼓膜颜色呈现红色。因此正常人体鼓膜的反射光谱中血红蛋白的吸收比发炎鼓膜的少。

图7a和图7b所示，对于中耳炎患者，由于细菌或病毒的感染导致咽鼓管堵塞，进而使得粘液无法从咽鼓管排出，中耳腔内的空气会被粘液替代。因此在中耳炎患者的中耳腔内几乎测量不到气体的吸收信号，而从正常人体的中耳腔内可以得到比较明显的气体吸收信号。

按照本发明的实施例，用于中耳炎诊断的视频耳窥镜可以与漫反射光谱技术，以及GASMAS技术相结合组成新的诊断系统，不仅能够极大地提高中耳炎诊断的精确性，而且其小巧便携的特点将会使得该系统适用于医院的临床诊断中。

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 (10)

1.一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，其特征在于：包括平凸透镜、分束镜、CMOS相机、探测器、光纤、光源；光源包括二极管激光器和照明光源，探测器包括光电二极管和光谱仪；

被测样品、平凸透镜、分束镜、CMOS相机排列成直线，对被测样品进行光学成像；

沿着光的入射方向，光源、光纤、分束镜、平凸透镜、被测样品依次设置，沿着光的出射方向，被测样品、平凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测样品进行反射光谱测量和对充有气体的被测样品进行气体吸收光谱测量；

当用于反射光谱测量时，光源选用照明光源，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，光源选用二极管激光器，探测器选用光电二极管。

2.按照权利要求1所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，其特征在于：它还包括电脑；光纤、探测器、电脑、CMOS相机依次相接。

3.按照权利要求1所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，其特征在于：所述照明光源为卤钨灯光源或LED光源。

4.按照权利要求1所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，其特征在于：光电二极管替换为光电倍增管。

5.按照权利要求1所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断系统，其特征在于：所述光纤包括一根直径为600微米的入射光纤和八根直径为400微米的收集光纤，入射光纤位于中心，收集光纤以入射光纤为中心在入射光纤周围呈环形排列，入射光纤和收集光纤之间的距离为0.5-1毫米。

6.一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，其特征在于：包括视频耳窥镜、二极管激光器、光纤、探测器、电脑；

视频耳窥镜包括从前往后排列成直线依次设置的窥耳器、LED白光光源、凸透镜、分束镜、CMOS传感器，对被测对象进行直线的光学成像；

沿着光的入射方向，二极管激光器、光纤、分束镜、凸透镜、被测对象依次设置，沿着光的出射方向，被测对象、凸透镜、分束镜、光纤、探测器依次设置，对被测对象进行反射光谱测量和对充有气体的被测对象进行气体吸收光谱测量；

探测器包括光电二极管和光谱仪；当用于反射光谱测量时，LED白光光源开启，探测器选用光谱仪；当用于气体吸收光谱测量时，二极管激光器开启，探测器选用光电二极管；

CMOS传感器、二极管激光器、探测器均与电脑连接。

7.按照权利要求6所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，其特征在于：所述视频耳窥镜包括手枪形的外壳；圆筒形的窥耳器套接在外壳的前端外侧，环形的LED白光光源安装在外壳的前端内侧，凸透镜、分束镜、CMOS传感器均位于外壳内。

8.按照权利要求6所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，其特征在于：所述窥耳器为圆筒形，侧壁接有充气通道。

9.按照权利要求6所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，其特征在于：所述分束镜替换为回转反射镜，和/或光电二极管替换为光电倍增管。

10.按照权利要求6所述的一种基于光谱技术的中耳炎诊断仪器，其特征在于：所述光纤包括一根直径为600微米的入射光纤和八根直径为400微米的收集光纤，入射光纤位于中心，收集光纤以入射光纤为中心在入射光纤周围呈环形排列，入射光纤和收集光纤之间的距离为0.5-1毫米。