CN106442406A - 一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置及方法，该装置包括触发式双波长激光光源、光纤头、扩束镜、反射镜、载物台、成像装置及电脑；载物台上嵌设毛玻璃；触发式双波长激光光源交替发射两种波长的激光，激光经过光纤头射向扩束镜，从扩束镜出来的激光通过反射镜反射射向置于毛玻璃上的被测样品并透射过被测样品进入成像装置，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。本发明能对被测样品无损伤地进行全场扫描，交替采集不同波长照射下的散斑信号能有效抑制被测样品位置改变和血氧含量改变带来的影响，检测的血氧饱和度精度高。

Description

一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置及方法。

背景技术

无创血氧饱和度检测是基于血红蛋白对不同波长光吸收量的变化，从而测量出氧合血红蛋白(HbO)占全部血红蛋白的百分比而实现的。透视式血氧饱和度检测中，如果忽略由于散射、反射等因素造成的衰减，根据比尔—朗伯定律(Beer-Lambert Law)可以求得血氧饱和度。

若要得出精确的血氧饱和度的值，入射光和透射光的光强测量应尽可能精确，但是现在普遍的测量方法的精度并不理想且速度不够快，其主要原因在于探测器所采集到的信号的空间分辨率不高、不是全场的光学扫描、以及血液的流速对测量会产生较大影响。所以，现有的检测血氧饱和度的方法均存在检测精度不高的问题，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，该装置能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，且检测的血氧饱和度精度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，包括触发式双波长激光光源、光纤头、扩束镜、反射镜、载物台、成像装置及电脑；载物台上开设有通孔，所述通孔内嵌设有毛玻璃；触发式双波长激光光源交替发射出两种波长的激光，激光经过光纤头射向扩束镜，从扩束镜出来的激光通过反射镜的反射后射向置于毛玻璃上的被测样品，激光透射过被测样品进入成像装置，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。

上述方案中，通过设置触发式双波长激光光源并使触发式双波长激光光源交替发射出两种波长的激光，用成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。本发明一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号能有效抑制被测样品位置改变和血氧含量改变带来的影响，检测的血氧饱和度精度高。

优选地，所述反射镜与水平面的夹角为45°，触发式双波长激光光源、光纤头及扩束镜的中心位于同一水平线上，毛玻璃的中心与激光经过反射镜反射后的反射光在同一竖直线上。这样设置能保证激光的入射光和透射光的光强，有利于提高检测的血氧饱和度的精度。

优选地，所述成像装置为COMS相机。这样设置不但能获取更高空间分辨率的图像数据，而且能节省成本。

优选地，触发式双波长激光光源交替发射出的两种激光的波长分别为650nm及940nm。血红蛋白对这两种波长的激光的吸收系数相差较大，计算时产生的误差小，有利于提高检测的血氧饱和度的精度。

本发明的另一个目的是提供一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法，该方法使用上述一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，包括如下步骤：

S1.将被测样品放置在载物台上的毛玻璃上；设置成像装置的采集速度、曝光时间及采集的激光散斑信号作为图像数据的帧数，同时设置触发式双波长激光光源发射两种波长激光的触发信号及成像装置采集激光散斑信号的采集信号；

S2.设置完毕后，向触发式双波长激光光源发出触发信号，触发式双波长激光光源发射波长为λ₁的激光，同时向成像装置发出采集信号，成像装置开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源发出触发信号，触发式双波长激光光源停止发射波长为λ₁的激光；向触发式双波长激光光源发出触发信号，触发式双波长激光光源发射波长为λ₂的激光，同时向成像装置发出采集信号，成像装置开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源发出触发信号，触发式双波长激光光源停止发射波长为λ₂的激光；如此往复，直至成像装置采集的图像数据的帧数达到设置值时停止；其中，λ₁＝650nm，λ₂＝940nm；

S3.将成像装置交替采集的两种波长激光的散斑信号作为图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度，包括如下步骤：

S31.根据采集的图像数据的排列顺序将波长λ₁及波长λ₂激光照射下采集的图像数据分离出来，第奇数张的图像数据为波长λ₁激光照射下采集的图像数据，第偶数张的图像数据为波长λ₂激光照射下采集的图像数据；

S32.对分离出的波长λ₁及波长λ₂的图像数据中的每个像素点按时间t方向分别进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

成像装置采集的图像数据中任意像素点的信号强度表示为(1)式；

I_p(t)＝I₀+I_n(t)+I_RBC (1)

其中，I₀为背景光强，I_n(t)是系统噪声，I_RBC是红细胞对光的吸收强度；

对(1)式按公式(2)进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

FFT_t→u[I_p(t)]＝i₀[u]+i_n[u]+i_RBC[u±f_i] (2)

其中，i₀[u]是频域静态信号，i_n[u]是系统噪声的频谱信号，i_RBC[u±f_i]是频域动态信号；

S33.对快速傅里叶变换后得到的频域信号FFT_t→u[I_p(t)]进行低频滤波，以得到频域动态信号i_RBC[u±f_i]；

S34.对得到频域动态信号按(3)式进行逆傅里叶变换，以得到血红细胞吸收光强的信号I_RBC[t]；

iFFT_u→t[i_RBC(u±f_i)]＝I_RBC[t] (3)

S35.按(4)式计算血红细胞对波长λ₁及波长λ₂激光的吸收强度的变化量；

S36.根据Beer-Lambert定律，按(5)式计算氧合血红蛋白ΔC_HbO(t)和脱氧血红蛋白ΔC_HbR(t)的浓度变化量；

其中，氧合血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为368和1214，脱氧血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为3750.12和693.44；

S37.根据(6)式计算被测样品的血氧饱和度；

其中，ΔSO₂即为被测样品的血氧饱和度。

本发明一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法，能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，能同时检测被测样品的主干血管及毛细血管内的血氧饱和度，检测的血氧饱和度精度高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，通过设置触发式双波长激光光源并使触发式双波长激光光源交替发射出两种波长的激光，用成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度，该装置能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号能有效抑制被测样品位置改变和血氧含量改变带来的影响，检测的血氧饱和度精度高；通过将触发式双波长激光光源交替发射出的两种激光的波长分别为650nm及940nm，血红蛋白对这两种波长的激光的吸收系数相差较大，使得计算时产生的误差小，有利于提高检测的血氧饱和度的精度。

附图说明

图1为本实施例一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置的结构示意图。

图2为图1中成像装置采集信号及触发式双波长激光光源触发信号示意图。

图3为本实施例一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

本实施例一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置的结构示意图如图1所示，包括触发式双波长激光光源1、光纤头2、扩束镜3、反射镜4、载物台7、成像装置6及电脑5；载物台7上开设有通孔，所述通孔内嵌设有毛玻璃8；触发式双波长激光光源1交替发射出两种波长的激光，激光经过光纤头2射向扩束镜3，从扩束镜3出来的激光通过反射镜4的反射后射向置于毛玻璃8上的被测样品，激光透射过被测样品进入成像装置6，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑5，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。

本实施例中，触发式双波长激光光源1交替发射出的两种激光的波长分别为650nm及940nm，血红蛋白对这两种波长的激光的吸收系数相差较大，计算时产生的误差小，有利于提高检测的血氧饱和度的精度。触发式双波长激光光源1先发射波长为650nm的激光，成像装置6采集650nm激光透射过被测样品的散斑信号，然后，触发式双波长激光光源1先发射波长为940nm的激光，成像装置6采集940nm激光透射过被测样品的散斑信号，如此反复，直至成像装置6采集的图像数据的帧数达到设置值时停止。

使用该装置检测被测样品的血氧饱和度时，将被测样品放置在载物台7上的毛玻璃8上，并使触发式双波长激光光源1交替发射波长为650nm及940nm的激光，成像装置6交替采集这两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑5，电脑5对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。本发明一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，成像装置6交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号能有效抑制被测样品位置改变和血氧含量改变带来的影响，检测的血氧饱和度精度高。

其中，所述反射镜4与水平面的夹角为45°，触发式双波长激光光源1、光纤头2及扩束镜3的中心位于同一水平线上，毛玻璃8的中心与激光经过反射镜4反射后的反射光在同一竖直线上。这样设置能保证激光的入射光和透射光的光强，有利于提高检测的血氧饱和度的精度。

另外，所述成像装置6为COMS相机。这样设置不但能获取更高空间分辨率的图像数据，而且能节省成本。

本实施例还提供了一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法，该方法使用上述一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，包括如下步骤，该步骤如图3所示：

S1.将被测样品放置在载物台7上的毛玻璃8上；设置成像装置6的采集速度、曝光时间及采集的激光散斑信号作为图像数据的帧数，同时设置触发式双波长激光光源1发射两种波长激光的触发信号及成像装置6采集激光散斑信号的采集信号；具体地，成像装置6的采集信号为频率2f的方波信号，下降沿触发成像装置6曝光，开始采集，不同波长激光的触发信号频率为f、两波长激光触发信号时间延迟半周期，成像装置6采集信号及触发式双波长激光光源1触发信号示意图如图2所示；

S2.设置完毕后，向触发式双波长激光光源1发出触发信号，触发式双波长激光光源1发射波长为λ₁的激光，同时向成像装置6发出采集信号，成像装置6开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源1发出触发信号，触发式双波长激光光源1停止发射波长为λ₁的激光；向触发式双波长激光光源1发出触发信号，触发式双波长激光光源1发射波长为λ₂的激光，同时向成像装置6发出采集信号，成像装置6开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源1发出触发信号，触发式双波长激光光源1停止发射波长为λ₂的激光；如此往复，直至成像装置6采集的图像数据的帧数达到设置值时停止；其中，λ₁＝650nm，λ₂＝940nm；

S3.将成像装置6交替采集的两种波长激光的散斑信号作为图像数据传输至电脑5，电脑5对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度，包括如下步骤：

S31.根据采集的图像数据的排列顺序将波长λ₁及波长λ₂激光照射下采集的图像数据分离出来，第奇数张的图像数据为波长λ₁激光照射下采集的图像数据，第偶数张的图像数据为波长λ₂激光照射下采集的图像数据；

S32.对分离出的波长λ₁及波长λ₂的图像数据中的每个像素点按时间t方向分别进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

成像装置6采集的图像数据中任意像素点的信号强度表示为(1)式；

I_p(t)＝I₀+I_n(t)+I_RBC (1)

其中，I₀为背景光强，I_n(t)是系统噪声，I_RBC是红细胞对光的吸收强度；

对(1)式按公式(2)进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

FFT_t→u[I_p(t)]＝i₀[u]+i_n[u]+i_RBC[u±f_i] (2)

其中，i₀[u]是频域静态信号，i_n[u]是系统噪声的频谱信号，i_RBC[u±f_i]是频域动态信号；

S33.对快速傅里叶变换后得到的频域信号FFT_t→u[I_p(t)]进行低频滤波，以得到频域动态信号i_RBC[u±f_i]；

S34.对得到频域动态信号按(3)式进行逆傅里叶变换，以得到血红细胞吸收光强的信号I_RBC[t]；

iFFT_u→t[i_RBC(u±f_i)]＝I_RBC[t] (3)

S35.按(4)式计算血红细胞对波长λ₁及波长λ₂激光的吸收强度的变化量；

S36.根据Beer-Lambert定律，按(5)式计算氧合血红蛋白ΔC_Hbo(t)和脱氧血红蛋白ΔC_HbR(t)的浓度变化量；

其中，氧合血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为368和1214，脱氧血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为3750.12和693.44；

S37.根据(6)式计算被测样品的血氧饱和度；

其中，ΔSO₂即为被测样品的血氧饱和度。

本发明一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法，能对被测样品进行全场扫描，对被测样品无损伤，能同时检测被测样品的主干血管及毛细血管内的血氧饱和度，检测的血氧饱和度精度高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，其特征在于，包括触发式双波长激光光源(1)、光纤头(2)、扩束镜(3)、反射镜(4)、载物台(7)、成像装置(6)及电脑(5)；载物台(7)上开设有通孔，所述通孔内嵌设有毛玻璃(8)；触发式双波长激光光源(1)交替发射出两种波长的激光，激光经过光纤头(2)射向扩束镜(3)，从扩束镜(3)出来的激光通过反射镜(4)的反射后射向置于毛玻璃(8)上的被测样品，激光透射过被测样品进入成像装置(6)，成像装置交替采集两种波长激光透射过被测样品的散斑信号并将其作为图像数据传输至电脑(5)，电脑对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，其特征在于，所述反射镜(4)与水平面的夹角为45°，触发式双波长激光光源(1)、光纤头(2)及扩束镜(3)的中心位于同一水平线上，毛玻璃(8)的中心与激光经过反射镜(4)反射后的反射光在同一竖直线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，其特征在于，所述成像装置(6)为COMS相机。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，其特征在于，触发式双波长激光光源(1)交替发射出的两种激光的波长分别为650nm及940nm。

5.一种基于双波长激光的血氧饱和度检测方法，使用权利要求4所述的一种基于双波长激光的血氧饱和度检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将被测样品放置在载物台(7)上的毛玻璃(8)上；设置成像装置(6)的采集速度、曝光时间及采集的激光散斑信号作为图像数据的帧数，同时设置触发式双波长激光光源(1)发射两种波长激光的触发信号及成像装置(6)采集激光散斑信号的采集信号；

S2.设置完毕后，向触发式双波长激光光源(1)发出触发信号，触发式双波长激光光源(1)发射波长为λ₁的激光，同时向成像装置(6)发出采集信号，成像装置(6)开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源(1)发出触发信号，触发式双波长激光光源(1)停止发射波长为λ₁的激光；向触发式双波长激光光源(1)发出触发信号，触发式双波长激光光源(1)发射波长为λ₂的激光，同时向成像装置(6)发出采集信号，成像装置(6)开始采集激光散斑信号，采集完成后再次向触发式双波长激光光源(1)发出触发信号，触发式双波长激光光源(1)停止发射波长为λ₂的激光；如此往复，直至成像装置(6)采集的图像数据的帧数达到设置值时停止；其中，λ₁＝650nm，λ₂＝940nm；

S3.将成像装置(6)交替采集的两种波长激光的散斑信号作为图像数据传输至电脑(5)，电脑(5)对接收的图像数据进行处理以获取被测样品的血氧饱和度，包括如下步骤：

S31.根据采集的图像数据的排列顺序将波长λ₁及波长λ₂激光照射下采集的图像数据分离出来，第奇数张的图像数据为波长λ₁激光照射下采集的图像数据，第偶数张的图像数据为波长λ₂激光照射下采集的图像数据；

S32.对分离出的波长λ₁及波长λ₂的图像数据中的每个像素点按时间t方向分别进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

成像装置(6)采集的图像数据中任意像素点的信号强度表示为(1)式；

I_p(t)＝I₀+I_n(t)+I_RBC (1)

其中，I₀为背景光强，I_n(t)是系统噪声，I_RBC是红细胞对光的吸收强度；

对(1)式按公式(2)进行快速傅里叶变换，以得到图像数据的频域分布；

FFT_t→u[I_p(t)]＝i₀[u]+i_n[u]+i_RBC[u±f_i] (2)

其中，i₀[u]是频域静态信号，i_n[u]是系统噪声的频谱信号，i_RBC[u±f_i]是频域动态信号；

S33.对快速傅里叶变换后得到的频域信号FFT_t→u[I_p(t)]进行低频滤波，以得到频域动态信号i_RBC[u±f_i]；

S34.对得到频域动态信号按(3)式进行逆傅里叶变换，以得到血红细胞吸收光强的信号I_RBC[t]；

iFFT_u→t[i_RBC(u±f_i)]＝I_RBC[t] (3)

S35.按(4)式计算血红细胞对波长λ₁及波长λ₂激光的吸收强度的变化量；

${\mathrm{\ΔI}}_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_1}\left(t\right)=I_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_1}\[t+\mathrm{\Δ}t\]-I_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_1}\[t\]$

${\mathrm{\ΔI}}_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_2}\left(t\right)=I_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_2}\[t+\mathrm{\Δ}t\]-I_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_2}\[t\]---\left(4\right)$

S36.根据Beer-Lambert定律，按(5)式计算氧合血红蛋白ΔC_Hbo(t)和脱氧血红蛋白ΔC_HbR(t)的浓度变化量；

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔC}}_{HbO\left(t\right)}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{HbR\left(t\right)}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{HbO}^{{\mathrm{\λ}}_1}& {\mathrm{\ϵ}}_{HbR}^{{\mathrm{\λ}}_1}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{HbO}^{{\mathrm{\λ}}_2}& {\mathrm{\ϵ}}_{HbR}^{{\mathrm{\λ}}_2}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_1}\left(t\right)\\ {\mathrm{\ΔI}}_{RBC}^{{\mathrm{\λ}}_2}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，氧合血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为368和1214，脱氧血红蛋白在650nm和940nm波长激光照射下的光吸收系数为3750.12和693.44；

S37.根据(6)式计算被测样品的血氧饱和度；

${\mathrm{\ΔSO}}_2=\frac{{\mathrm{\ΔC}}_{Hbo}\left(t\right)}{{\mathrm{\ΔC}}_{Hbo}\left(t\right)+{\mathrm{\ΔC}}_{HbR\left(t\right)}}---\left(6\right)$

其中，ΔSO₂即为被测样品的血氧饱和度。