CN107510434B - 矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，光源出射光经过光束整形部件、偏振调节部件、照射分光镜照射到眼球，照射分光镜对宽光束矢量光场分光，反射光束构成参考光束，参考光束的光路上依次设置参考光束分光镜、参考光束传感器，眼球反射光束经过照射分光镜反射的光束光路上依次设置信息光束分光镜、信息光束传感器，参考光束分光镜的反射光束构成干涉用参考光束和信息光束分光镜的反射光束构成干涉用信息光束进行矢量光场干涉，并由矢量干涉图样光电采集部件接收。由信息处理模块分析矢量干涉图样演化特性，得到房水痕量物质浓度信息。本发明具有无创、方法简单、便于实现、灵敏度高、高可靠性、高稳定性、抗干扰性强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种房水中痕量物质分析装置，特别是一种用于健康监测、疾病监控、生命科学、医疗诊断、生物技术、人机交互、行为组织、智慧感知等领域的房水痕量物质分析的矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，属于房水痕量物质分析技术领域。
背景技术
在角膜后面与虹膜和晶体前面之间的空隙叫前房，中央部深约2.5～3mm，其周围部称前房角。在虹膜后面，睫状体和晶状体赤道部之间的环形间隙叫后房。充满前、后房的透明液体叫房水。房水不断由睫状体产生，经后房-瞳孔-前房角-排出进入血液，房水产生及排出是循环往复的过程。眼睛的房水系统工作正常的话，房水生成量应正好等于房水的排出量，眼内压在一天内的不同时间有变化，一般都保持在安全范围。房水属于组织液的一种，其要成分是水，同时含有蛋白质、电解质、葡萄糖、乳酸、氧、维生素C、氨基酸、脂质、酶、微量元素及其他物质（如透明质酸盐、唾液酸、三价铬离子、维生素B、内源性皮质）。房水中乳酸脱氢酶含量的正常范围为160-400U，房水中乳酸脱氢酶低于400U为正常，超过1000U怀疑恶性病变，可以作为临床辅助诊断依据；房水中葡萄糖的浓度大约为血浆中浓度的80%；房水与血浆中氨基酸的种类相似，但房水中乳酸，维生素C的浓度较血浆中的为高。房水中物质检测在健康监测、疾病监控、生命科学、医疗诊断、生物技术、人机交互、行为组织、智慧感知等领域中具有非常重要的研究意义和应用前景。
在先技术中，存在一种房水中痕量物质分析方法，在先技术参见美国专利，专利名称为Apparatus for non-invasive glucose monitoring,专利号为US9662004B2，专利申请人为Taiwan Biophotonic Corporation，专利授权时间为2017年05月30日。在先技术利用光电技术检测房水中痕量葡萄糖成分，可以对糖尿病或相关健康方面进行关键指标监测，具有相当的优点，但是存在一些本质不足：1）采用光束经过分光镜进行分光，并且聚焦进入眼球，回返光束经过检偏器进行线偏振光束的偏振方向转变测量，利用葡萄糖旋光特性，结合回返光束吸收能力谱，进行多元方程分析得到葡萄糖含量，具有结构复杂、监测灵敏度低、抗干扰性差、安全性低等特点；2）系统采用眼球定位系统进行监测情况的检测进行信息处理时补偿，在增加了系统复杂性同时，未解本质决监测灵敏度低的问题，增加可干扰因素，进步影响系统可靠性；3）装置体积大、机械结构定位要求高，难于实现小型化，影响适用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，该装置具有无创、方法简单、流程简洁、便于实现、灵敏度高、高可靠性、高稳定性、抗干扰性强、安全性好、便于集成、功能易于扩充等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，包括：光源、光束整形部件、偏振调节部件、照射分光镜、参考光束分光镜、参考光束传感器、信息光束分光镜、信息光束传感器、频率信息分析模块、矢量干涉图样光电采集部件、信息处理模块，所述光源出射光依次经过光束整形部件、偏振调节部件、照射分光镜照射到眼球，其中，光束整形部件对光束进行整形后形成照射用宽光束，偏振调节部件调节光束偏振态分布，实现矢量光场，照射分光镜的透射光束为矢量光场照射光束，照射分光镜对宽光束矢量光场分光，反射光束构成参考光束，参考光束的光路上依次设置参考光束分光镜、参考光束传感器，其中，参考光束分光镜的反射光束构成干涉用参考光束，参考光束分光镜的透射光束被参考光束传感器接收；所述眼球反射光束经过照射分光镜反射的光束光路上依次设置信息光束分光镜、信息光束传感器，其中，信息光束分光镜的反射光束构成干涉用信息光束，信息光束分光镜的透射光束被信息光束传感器接收；所述参考光束传感器和信息光束传感器均与频率信息分析模块相连接，由频率信息分析模块分析参考光场和信息光场时间频率信息，处理排除外界杂散光和眼球运动的干扰；所述参考光束分光镜的反射光束构成干涉用参考光束和所述信息光束分光镜的反射光束构成干涉用信息光束进行矢量光场干涉，并由设置在矢量干涉图样区域的矢量干涉图样光电采集部件接收，矢量干涉图样光电采集部件和频率信息分析模块均与信息处理模块相连接，由信息处理模块分析矢量干涉图样演化特性，得到房水痕量物质浓度信息。
所述的偏振调节部件为维纳结构偏振调节部件、液晶偏振调节部件、高精细度腔偏振调节部件的一种。
所述的光源采用红光波段激光器，光束整形部件采用伽利略型扩束系统，照射分光镜采用分光棱镜，参考光束分光镜和信息光束分光镜均采用平面分光镜，参考光束传感器和信息光束传感器均采用APD传感器，矢量干涉图样光电采集部件采用面阵光电传感器。
所述的参考光束分光镜和信息光束分光镜的反射光束均朝向远离眼球一侧，并且相互存在交叉区域。
本发明的有益效果是：
本发明是基于矢量光场干涉原理，利用空间分布矢量调控光场经过分光镜，实现弱光宽场照射眼球，被分光镜分光形成参考光场和照明光场，矢量光场经过眼球多光学界面回返，经过分光镜反射形成信息光场；两个光电传感器检测参考光场和信息光场，获得参考光场和信息光场时间频率信息；参考光场和信息光场进行矢量光场干涉，矢量干涉图样被光电采集；房水痕量物质浓度大小影响矢量光场偏振态分布，进而引起矢量干涉图样变化，信息处理模块分析矢量干涉图样演化特性，可以得到房水痕量物质浓度信息，分析参考光场和信息光场时间频率信息，处理排除外界杂散光和眼球运动的干扰，进一步提高监测性能。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1）在先技术采用光束经过分光镜进行分光，并且聚焦进入眼球，回返光束经过检偏器进行线偏振光束的偏振方向转变测量，利用葡萄糖旋光特性，结合回返光束吸收能力谱，进行多元方程分析得到葡萄糖含量，具有结构复杂、监测灵敏度低、抗干扰性差、安全性低等特点。本发明基于矢量光场干涉原理，空间分布矢量调控光场经过分光镜被分光镜分光形成参考光场和照明光场，矢量光场经过眼球多光学界面回返，经过分光镜反射形成信息光场，房水痕量物质浓度大小影响矢量光场偏振态分布，进而引起矢量干涉图样变化，信息处理模块分析矢量干涉图样演化特性，得到房水痕量物质浓度信息，具有无创、方法简单、流程简洁、便于实现、灵敏度高、高可靠性、高稳定性安全性好、便于集成、功能易于扩充等特点；
2）在先技术采用眼球定位系统进行监测情况的检测进行信息处理时补偿，在增加了系统复杂性同时，未解本质决监测灵敏度低的问题，增加可干扰因素，进步影响系统可靠性。本发明两个光电传感器检测参考光场和信息光场，获得参考光场和信息光场时间频率信息，分析参考光场和信息光场时间频率信息，处理排除外界杂散光和眼球运动的干扰，进一步提高监测性能，具有灵敏度高、高可靠性、高稳定性、抗干扰性强、安全性好等特点；
3）在先技术装置体积大、机械结构定位要求高，难于实现小型化，影响适用范围。本发明采用矢量光场偏振模式进行无创房水痕量物质分析，进行时间频率和空间矢量光场分析，具有结构简单、机械结构定位要求低、可以实现微型化，模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充等特点。
附图说明
图1为本发明的矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，包括：光源1、光束整形部件2、偏振调节部件3、照射分光镜4、参考光束分光镜6、参考光束传感器7、信息光束分光镜8、信息光束传感器9、频率信息分析模块10、矢量干涉图样光电采集部件11、信息处理模块12。
光源1出射光路上依次设置有光束整形部件2、偏振调节部件3、照射分光镜4，光束整形部件2对光束进行整形后形成照射用宽光束，偏振调节部件3调节光束偏振态分布，实现矢量光场，照射分光镜4透射光束为矢量光场照射光束，照射到眼球5；照射分光镜4对宽光束矢量光场分光，反射光束构成参考光束，参考光束上依次设置有参考光束分光镜6、参考光束传感器7，参考光束分光镜6的反射光束构成干涉用参考光束，参考光束分光镜6的透射光束被参考光束传感器7接收；光束眼球5反射光束经过照射分光镜4反射的光束光路上依次设置有信息光束分光镜8、信息光束传感器9，信息光束分光镜8的反射光束构成干涉用信息光束，信息光束分光镜8的透射光束被信息光束传感器9接收；参考光束传感器7和信息光束传感器9均与频率信息分析模块10相连接；参考光束分光镜6的反射光束构成干涉用参考光束和信息光束分光镜8的反射光束构成干涉用信息光束进行矢量光场干涉，矢量干涉图样光电采集部件11设置在矢量干涉图样区域；矢量干涉图样光电采集部件11和频率信息分析模块10均与信息处理模块12相连接。
本实施例中，光源1采用红光波段激光器，光束整形部件2采用伽利略型扩束系统，偏振调节部件3采用微纳结构矢量光场调节部件，照射分光镜4采用分光棱镜，参考光束分光镜6和信息光束分光镜8均采用平面分光镜，参考光束传感器7和信息光束传感器9均采用APD传感器，频率信息分析模块10采用FPGA家DSP构架，矢量干涉图样光电采集部件11采用面阵光电传感器，信息处理模块12采用DSP加ARM构架。参考光束分光镜6和信息光束分光镜8的反射光束均朝向远离眼球5一侧，并且相互存在交叉区域。
本实施例工作过程为：光源1出射光束进过光束整形部件2、偏振调节部件3、照射分光镜4后，照射到眼球5；照射分光镜4对宽光束矢量光场分光，反射光束构成参考光束，参考光束分光镜6的反射光束构成干涉用参考光束，参考光束分光镜6的透射光束被参考光束传感器7接收；光束眼球5反射光束经过照射分光镜4反射的光束光路上依次设置有信息光束分光镜8、信息光束传感器9，信息光束分光镜8的反射光束构成干涉用信息光束，信息光束分光镜8的透射光束被信息光束传感器9接收；参考光束分光镜6的反射光束构成干涉用参考光束和信息光束分光镜8的反射光束构成干涉用信息光束进行矢量光场干涉，眼球5中房水痕量物质浓度大小影响矢量光场偏振态分布，进而引起矢量干涉图样变化，信息处理模块12分析矢量干涉图样演化特性，可以得到房水痕量物质浓度信息，频率信息分析模块10分析参考光场和信息光场时间频率信息，处理排除外界杂散光和眼球5运动的干扰，进一步提高监测性能。本实施例成功实现了房水中葡萄糖的监测，克服了现在技术不足。
本发明中机械结构、频率信息处理、时序控制、模块构建、信号传输处理、矢量偏振分布调控器件等均为成熟技术，本发明的发明点在于基于矢量光场干涉原理，空间分布矢量调控光场经过分光镜被分光镜分光形成参考光场和照明光场，矢量光场经过眼球多光学界面回返，经过分光镜反射形成信息光场；两个光电传感器检测参考光场和信息光场，获得参考光场和信息光场时间频率信息；房水痕量物质浓度大小影响矢量光场偏振态分布，进而引起矢量干涉图样变化，信息处理模块分析矢量干涉图样演化特性，分析参考光场和信息光场时间频率信息，可以得到房水痕量物质浓度信息，给出具有无创、方法简单、便于实现、灵敏度高、高可靠性、高稳定性、抗干扰性强的一种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，本质上避免在先技术的不足。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，包括：光源（1）、光束整形部件（2）、偏振调节部件（3）、照射分光镜（4）、参考光束分光镜（6）、参考光束传感器（7）、信息光束分光镜（8）、信息光束传感器（9）、频率信息分析模块（10）、矢量干涉图样光电采集部件（11）、信息处理模块（12），其特征在于：所述光源（1）出射光依次经过光束整形部件（2）、偏振调节部件（3）、照射分光镜（4）照射到眼球（5），其中，光束整形部件（2）对光束进行整形后形成照射用宽光束，偏振调节部件（3）调节光束偏振态分布，实现矢量光场，照射分光镜（4）的透射光束为矢量光场照射光束，照射分光镜（4）对宽光束矢量光场分光，反射光束构成参考光束，参考光束的光路上依次设置参考光束分光镜（6）、参考光束传感器（7），其中，参考光束分光镜（6）的反射光束构成干涉用参考光束，参考光束分光镜（6）的透射光束被参考光束传感器（7）接收；所述眼球（5）反射光束经过照射分光镜（4）反射的光束光路上依次设置信息光束分光镜（8）、信息光束传感器（9），其中，信息光束分光镜（8）的反射光束构成干涉用信息光束，信息光束分光镜（8）的透射光束被信息光束传感器（9）接收；所述参考光束传感器（7）和信息光束传感器（9）均与频率信息分析模块（10）相连接，由频率信息分析模块（10）分析参考光场和信息光场时间频率信息，处理排除外界杂散光和眼球（5）运动的干扰；所述参考光束分光镜（6）的反射光束构成干涉用参考光束和所述信息光束分光镜（8）的反射光束构成干涉用信息光束进行矢量光场干涉，并由设置在矢量干涉图样区域的矢量干涉图样光电采集部件（11）接收，矢量干涉图样光电采集部件（11）和频率信息分析模块（10）均与信息处理模块（12）相连接，由信息处理模块（12）分析矢量干涉图样演化特性，得到房水痕量物质浓度信息。
2.根据权利要求1所述的种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，其特征在于：所述的偏振调节部件（3）为维纳结构偏振调节部件、液晶偏振调节部件、高精细度腔偏振调节部件的一种。
3.根据权利要求1所述的种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，其特征在于：所述的光源（1）采用红光波段激光器，光束整形部件（2）采用伽利略型扩束系统，照射分光镜（4）采用分光棱镜，参考光束分光镜（6）和信息光束分光镜（8）均采用平面分光镜，参考光束传感器（7）和信息光束传感器（9）均采用APD传感器，矢量干涉图样光电采集部件（11）采用面阵光电传感器。
4.根据权利要求1所述的种矢量光场偏振模式无创房水痕量物质分析装置，其特征在于：所述的参考光束分光镜（6）和信息光束分光镜（8）的反射光束均朝向远离眼球（5）一侧，并且相互存在交叉区域。
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