CN107643254B - 一种基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法，该方法是在一种冻存全血分析仪上实现的。方法包括样品室恒温、初始定标、升温时域分辨光谱采集、测试结果分析等四个步骤，可用于海关对冻存全血的检测、识别、建库、溯源及保护。本发明的有益效果是，采用了样品室恒温和初始标定方法，提高了测试环境的统一性以及测试的重复性；对冻存全血样品的测试，进行时域序列光谱采集，该方法提取的不同种属的时域光谱特征差异将远大于常规单次测量的光谱差异，进而有效提高不同种属的识别率。

Description

一种基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法

技术领域

本发明涉及一种超连续谱激光光谱分析方法，尤其涉及一种采用时域分辨激光超连续综合光谱技术的全血分析方法，适用于人与动物冻存全血样品的测试、建库及甄别,属于光电成像领域。

背景技术

在进出口领域，各国对血液制品的进出口大都采取严格控制的措施。由于人与动物的血液成分中含有物种的遗传特性等重要的生物信息，因此对其的进出口管制非常严格，需要特制的仪器设备进行检测。

由于血液制品的特殊性，因此对测试设备的要求是非接触式，以免血液外露造成的变性和对测试人员的危害。现有的血液检测设备大都基于流式细胞术，需要对血样进行抽样、稀释等操作，对检测环境要求高，只能用于精细检测，不适合海关快速通关高速检测的需要。此外，目前国际上血液制品的进出口遵循冻存管保存、通关、运输的规定，即全血、血清等制品必须保存在零下40-80度的环境下进行进出口，所以海关检测的是固态血液的制品。这样，市面上的生物医学设备无法胜任。目前，我国的法律规定禁止人的血液制品出口，允许部分动物血液制品出口，因为，为了防止不法人员将人血混入动物血中进行出口，必须一种能快速区别人与动物冻速血液制品的仪器和方法。

面对这一需求，本发明提出一种采用时域分辨激光超连续综合光谱技术的全血分析方法，根据人与动物冻存全血的时域激光超连续光谱差异，提取相应的时域光谱特征，可进行快速检测、建库与识别，方便海关进出口检测检疫部门进行冻存血液制品的溯源、鉴别及保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时域分辨超连续谱分析方法，可获取人与动物冻存全血的时域激光超连续综合序列光谱，序列光谱反映了全血不同种属的特征，该分析方法用于海关对冻存全血的检测、识别、建库、溯源及保护。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法是在一种冻存全血分析仪上实现的，冻存全血分析仪由机身和装配在机身内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派、超连续谱光纤激光器、光谱仪、样品室、直流稳压电源、触摸屏以及辅助部件；

其中机身除了容纳这些内部组件外，还有机身USB接口、键盘接口、鼠标接口和市电开关；辅助部件包括USB供电器、若干USB线、一分二USB线、HDMI线、串口数据线、发射光纤和接收光纤；

超连续谱光纤激光器通过激光器光纤输出端口输出可见至中红外的超连续谱激光至发射光纤，发射光纤另一端联接积分球光纤输入端，用以对积分球进行照明；积分球内壁涂覆有白色哑光均光材料，可对进入的光线多次漫反射进行匀光；积分球光纤输出端与光谱仪的光谱仪光纤接口通过接收光纤联接，将积分球的出射光引入光谱仪进行分析；

样品室包括样品架、积分球与恒温器三部分；其中样品架为透明石英玻璃材质，内部用以放置冻存管，冻存管内部装有冷冻全血样品；恒温器使样品室处于一个恒定的室温环境，恒定的温度使得所有测试全血样品与测试环境的温差一致，升温也保持一致，保证了测试环境的统一性；

直流稳压电源将输入的市电转换成直流电，并分成三路输出；第一路用以提供恒温器所需的直流电源；第二路用对超连续谱光纤激光器进行供电；第三路用以提供USB供电器所需的直流电压；USB供电器有USB接口丙、USB接口乙、USB接口甲三个5V输出供电端口，其中光谱仪USB口通过一分二USB线分别与USB接口丙及机身USB接口相连，当仪器工作时，USB接口丙输出5V直流电压通过光谱仪USB口给光谱仪供电；当仪器不工作时，USB接口丙无输出，此时，光谱仪USB口可通过机身USB接口连接外部计算机，进行离线调试；USB接口乙通过USB线与树莓派USB接口丙相连，用以对树莓派供电；USB接口甲通过USB线与触摸屏USB接口相连，用以对触摸屏供电；

树莓派HDMI接口通过HDMI线与触摸屏的触摸屏HDMI接口相连，用以对触摸屏提供显示；树莓派串口与光谱仪串口通过串口数据线连接，用以进行通讯；树莓派控制口连接恒温器，用以设定恒温温度，并接收恒温器的已到控温温度信号；键盘接口通过USB线与树莓派USB接口乙相连，外部键盘插入键盘接口可在树莓派中进行键盘输入；鼠标接口通过USB线与树莓派USB接口甲相连，外部鼠标插入鼠标接口可在树莓派中进行鼠标操作；树莓派装有主控软件，用户可以通过外部键鼠或对触摸屏进行触摸操作进行软件的操作，进行人机交互；

本发明提出的时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法包括以下步骤：

(1)样品室恒温

用户将样品架放入样品室，打开机身的市电开关，此时，直流稳压电源产生输出，使得树莓派、超连续谱光纤激光器、光谱仪、样品室、触摸屏以及恒温器都通电处于工作状态；树莓派通电启动主控软件，用户点击操作主控软件的样品室恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定温度值T给恒温器；恒温器开始进行加热或冷却，恒温器里有温度传感器，当到达预定温度时，恒温器返回信号给主控软件，完成恒温，进入下一步；

(2)初始定标

用户点击操作主控软件的初始定标按钮，主控软件产生响应，设定光谱仪的采集积分时间A；超连续谱光纤激光器进入积分球的光线经多次漫反射进行匀光；由于样品架为透明石英玻璃材质，因此，对光线基本无吸收；主控软件启动光谱仪对积分球的出射光按积分时间A进行光谱采集，得到基准光谱并存入树莓派内部的存储器；

(3)升温时域分辨光谱采集

用户取出样品架，将处于低温状态的装有冷冻全血样品的冻存管放入样品架，然后将样品架放入样品室，用户点击操作主控软件的开始测试按钮，主控软件产生响应，设定时域分辨的时间间隔B，以及总测试时长C；超连续谱光纤激光器进入积分球的光线经多次漫反射进行匀光后，入射进入全血样品的光将会产生吸收、透射、反射、再发射等多种综合效应，再沿各个方向射向积分球的器壁，经漫反射后又有部分光射向全血样品，经多次反复后，经积分球积分球光纤输出端通过接收光纤引入光谱仪；主控软件启动光谱仪按单次积分时间A、时间间隔B、总测试时长C进行时域序列光谱采集，并存入树莓派内部的传感器；由于在测试的C时间内，全血样品与恒温器设定的恒定温度值有巨大的差异，因此全血样品处于快速升温过程，其时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的全血在此升温过程中，由于粘度、色度、吸收等特性的差异，其时域序列光谱特性也将有所区别；

(4)测试结果分析

用户点击操作主控软件的结果分析按钮，主控软件产生响应，将第三步获得的各组时域序列光谱数据除以第二步获得的基准光谱，获得各组时域序列综合透过率光谱，对其进行主成分分析、时域变化曲线拟合，得到其时域分辨超连续谱特征向量；与基础数据库的大量已知种属的样品的特征向量进行模式识别计算、聚类分析后，得出该全血样品的种属。

本发明的有益效果是，采用了样品室恒温和初始标定方法，提高了测试环境的统一性以及测试的重复性；对冻存全血样品的测试，进行时域序列光谱采集，因冻存全血与样品室存在温差，时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的全血在升温过程中，由于粘度、色度、吸收等特性的差异，其时域序列光谱特性也将有所区别，因此该方法提取的不同种属的时域光谱特征差异将远大于常规单次测量的光谱差异，进而有效提高不同种属的识别率。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——机身；2——USB接口丙；3——USB接口乙；4——USB接口甲；5——机身USB接口；6——键盘接口；7——鼠标接口；8——市电开关；9——直流稳压电源；10——USB供电器；11——超连续谱光纤激光器；12——激光器光纤输出端口；13——发射光纤；14——积分球光纤输入端；15——积分球光纤输出端；16——样品室；17——样品架；18——冻存管；19——全血样品；20——积分球；21——恒温器；22——接收光纤；23——光谱仪光纤接口；24——光谱仪；25——光谱仪串口；26——光谱仪USB口；27——串口数据线；28——树莓派串口；29——树莓派控制口；30——树莓派USB接口甲；31——树莓派USB接口乙；32——树莓派HDMI接口；33——树莓派USB接口丙；34——触摸屏；35——HDMI线；36——触摸屏HDMI接口；37——触摸屏USB接口；38——一分二USB线；39——USB线；40——树莓派。

注：USB，即Universal Serial Bus，通用串行总线；HDMI，即High DefinitionMultimedia Interface，高清晰度多媒体接口。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法是在一种冻存全血分析仪上实现的，冻存全血分析仪由机身1和装配在机身1内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派40、超连续谱光纤激光器11、光谱仪24、样品室16、直流稳压电源9、触摸屏34以及辅助部件；

其中机身1除了容纳这些内部组件外，还有机身USB接口5、键盘接口6、鼠标接口7和市电开关8；辅助部件包括USB供电器10、若干USB线39、一分二USB线38、HDMI线35、串口数据线27、发射光纤13和接收光纤22；

超连续谱光纤激光器11通过激光器光纤输出端口12输出可见至中红外(本实施例为400至1700纳米)的超连续谱激光至发射光纤13，发射光纤13另一端联接积分球光纤输入端14，用以对积分球20进行照明；积分球20内壁涂覆有白色哑光均光材料，可对进入的光线多次漫反射进行匀光；积分球光纤输出端15与光谱仪24的光谱仪光纤接口23通过接收光纤22联接，将积分球20的出射光引入光谱仪24(本实施例光谱仪的检测光谱范围为400至1700纳米)进行分析；

样品室16包括样品架17、积分球20与恒温器21三部分；其中样品架17为透明石英玻璃材质，内部用以放置冻存管18，冻存管18内部装有冷冻全血样品19；恒温器21使样品室16处于一个恒定的室温环境，恒定的温度使得所有测试全血样品19与测试环境的温差一致，升温也保持一致，保证了测试环境的统一性；

直流稳压电源9将输入的市电转换成直流电，并分成三路输出；第一路用以提供恒温器21所需的直流电源；第二路用对超连续谱光纤激光器11进行供电；第三路用以提供USB供电器10所需的直流电压；USB供电器10有USB接口丙2、USB接口乙3、USB接口甲4三个5V输出供电端口，其中光谱仪USB口26通过一分二USB线38分别与USB接口丙2及机身USB接口5相连，当仪器工作时，USB接口丙2输出5V直流电压通过光谱仪USB口26给光谱仪24供电；当仪器不工作时，USB接口丙2无输出，此时，光谱仪USB口26可通过机身USB接口5连接外部计算机，进行离线调试；USB接口乙3通过USB线39与树莓派40的树莓派USB接口丙33相连，用以对树莓派40供电；USB接口甲4通过USB线39与触摸屏USB接口37相连，用以对触摸屏34供电；

树莓派40的树莓派HDMI接口32通过HDMI线35与触摸屏34的触摸屏HDMI接口36相连，用以对触摸屏34提供显示；树莓派40的树莓派串口28与光谱仪24的光谱仪串口25通过串口数据线27连接，用以进行通讯；树莓派40的树莓派控制口29连接恒温器21，用以设定恒温温度，并接收恒温器21的已到控温温度信号；键盘接口6通过USB线39与树莓派USB接口乙31相连，外部键盘插入键盘接口6可在树莓派40中进行键盘输入；鼠标接口7通过USB线39与树莓派USB接口甲30相连，外部鼠标插入鼠标接口7可在树莓派40中进行鼠标操作；树莓派40装有主控软件，用户可以通过外部键鼠或对触摸屏34进行触摸操作进行软件的操作，进行人机交互；

本发明提出的时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法包括以下步骤：

(1)样品室恒温

用户将样品架17放入样品室16，打开机身1的市电开关8，此时，直流稳压电源9产生输出，使得树莓派40、超连续谱光纤激光器11、光谱仪24、样品室16、触摸屏34以及恒温器21都通电处于工作状态；树莓派40通电启动主控软件，用户点击操作主控软件的样品室恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定温度值T(本实施例为20度)给恒温器21；恒温器21开始进行加热或冷却，恒温器21里有温度传感器，当到达预定温度T时，恒温器21返回信号给主控软件，完成恒温，进入下一步；

(2)初始定标

用户点击操作主控软件的初始定标按钮，主控软件产生响应，设定光谱仪24的采集积分时间A(本实施例为200毫秒)；超连续谱光纤激光器11进入积分球20的光线经多次漫反射进行匀光；由于样品架17为透明石英玻璃材质，因此，对光线基本无吸收；主控软件启动光谱仪24对积分球20的出射光按积分时间A进行光谱采集，得到基准光谱并存入树莓派40内部的存储器；

(3)升温时域分辨光谱采集

用户取出样品架17，将处于低温状态(本实施例为零下60度)的装有冷冻全血样品19的冻存管18放入样品架17，然后将样品架17放入样品室16，用户点击操作主控软件的开始测试按钮，主控软件产生响应，设定时域分辨的时间间隔B(注：即步长，本实施例为5秒)，以及总测试时长C(本实施例为1分钟)；超连续谱光纤激光器11进入积分球20的光线经多次漫反射进行匀光后，入射进入全血样品19的光将会产生吸收、透射、反射、再发射等多种综合效应，再沿各个方向射向积分球20的器壁，经漫反射后又有部分光射向全血样品19，经多次反复后，经积分球20积分球光纤输出端15通过接收光纤22引入光谱仪24；主控软件启动光谱仪24按单次积分时间A、时间间隔B、总测试时长C进行时域序列光谱采集(本实施例共得到12组综合光谱数据)，并存入树莓派40内部的传感器；由于在测试的C时间内，全血样品19与恒温器21设定的恒定温度值有巨大的差异，因此全血样品19处于快速升温过程，其时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的全血在此升温过程中，由于粘度、色度、吸收等特性的差异，其时域序列光谱特性也将有所区别；

(4)测试结果分析

用户点击操作主控软件的结果分析按钮，主控软件产生响应，将第三步获得的各组时域序列光谱数据除以第二步获得的基准光谱，获得各组时域序列综合透过率光谱，对其进行主成分分析、时域变化曲线拟合，得到其时域分辨超连续谱特征向量；与基础数据库的大量已知种属的样品的特征向量进行模式识别计算、聚类分析后，得出该全血样品19的种属。

Claims (1)

1.一种基于时域分辨超连续综合光谱的冻存全血分析方法，该方法是基于冻存全血分析仪实现的，所述分析仪由机身(1)和装配在机身(1)内的内部组件组成；内部组件主要包括树莓派(40)、超连续谱光纤激光器(11)、光谱仪(24)、样品室(16)、直流稳压电源(9)、触摸屏(34)以及辅助部件；其特征在于所述的冻存全血分析方法包括以下步骤：

1)样品室恒温

用户将样品架放入样品室，打开机身的市电开关，此时，直流稳压电源产生输出，使得树莓派、超连续谱光纤激光器、光谱仪、样品室、触摸屏以及恒温器都通电处于工作状态；树莓派通电启动主控软件，用户点击操作主控软件的样品室恒温按钮，主控软件产生响应，设定恒定温度值T给恒温器；恒温器开始进行加热或冷却，恒温器里有温度传感器，当到达预定温度时，恒温器返回信号给主控软件，完成恒温，进入下一步；

2)初始定标

用户点击操作主控软件的初始定标按钮，主控软件产生响应，设定光谱仪的采集积分时间A；超连续谱光纤激光器进入积分球的光线经多次漫反射进行匀光；由于样品架为透明石英玻璃材质，因此，对光线基本无吸收；主控软件启动光谱仪对积分球的出射光按积分时间A进行光谱采集，得到基准光谱并存入树莓派内部的存储器；

3)升温时域分辨光谱采集

用户取出样品架，将处于低温状态的装有冷冻全血样品的冻存管放入样品架，然后将样品架放入样品室，用户点击操作主控软件的开始测试按钮，主控软件产生响应，设定时域分辨的时间间隔B，以及总测试时长C；超连续谱光纤激光器进入积分球的光线经多次漫反射进行匀光后，入射进入全血样品的光将会产生吸收、透射、反射、再发射多种综合效应，再沿各个方向射向积分球的器壁，经漫反射后又有部分光射向全血样品，经多次反复后，经积分球光纤输出端通过接收光纤引入光谱仪；主控软件启动光谱仪按单次积分时间A、时间间隔B、总测试时长C进行时域序列光谱采集，并存入树莓派内部的传感器；由于在测试的C时间内，全血样品与恒温器设定的恒定温度值有巨大的差异，因此全血样品处于快速升温过程，其时域序列光谱也将随时间发生变化，不同种属的全血在此升温过程中，由于粘度、色度、吸收特性的差异，其时域序列光谱特性也将有所区别；

4)测试结果分析

用户点击操作主控软件的结果分析按钮，主控软件产生响应，将步骤3)获得的各组时域序列光谱数据除以步骤2)获得的基准光谱，获得各组时域序列综合透过率光谱，对其进行主成分分析、时域变化曲线拟合，得到其时域分辨超连续谱特征向量；与基础数据库的大量已知种属的样品的特征向量进行模式识别计算、聚类分析后，得出该全血样品的种属。

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