CN111297346B - 一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，包括脉冲光滤波和准直单元、脉冲激光振幅调制单元、样品单元、收集放大单元、信号解调单元和频谱分析单元；本发明同时公开了采用上述测量系统的测量方法。本发明的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统和测量方法具有测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大、检测带宽高、系统灵敏度高的特点。

Description

一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及流速测量技术领域，具体是指一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法。

背景技术

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。通过测量获得平均多普勒频移f_d,通过计算可以获得平均流速其中θ为血流方向和超声换能器轴线之间的夹角,c_a为声波的传播速度，f₀为连续光波的强度调制频率。

现有的光声血流流速测量技术，主要包括连续波光声多普勒流速测量、正弦脉冲波光声多普勒流速测量、脉冲波光声多普勒流速测量等。

连续波光声多普勒流速测量中的激光源为正弦连续调制波，所用的光源为正弦调制连续波，对于多普勒频移的提取是通过锁相放大器对光声多普勒频移信号和参考信号的解调来完成的。最后，通过信号采集软件将时域信号存储到计算机中，计算机进行FFT(快速傅里叶变换)处理，得到光声多普勒频移信号，从而计算出流速大小和方向。

正弦脉冲波光声多普勒的流速测量中的激光源为正弦脉冲连续调制波，利用相对灵活的外部调制方式和高灵敏度的外差检测，使得可测流速范围增大，能够同时测量流速和位置，能够缓解测量轴向位置和可探测最大速率的折中问题，与锁相测量机制相比，这里的信号接收器的中心频率可以改变，并不只限于直流。

脉冲波光声多普勒流速测量是用脉冲激光激发。一种脉冲激光声多普勒流速测量技术，用几个光脉冲对来激发，利用互相关方法来获得光声波形对的时间频移，从而推测速度。另一种脉冲激光声多普勒流速测量提出了一种基于光声多普勒带宽展宽测量横向流速的新方法由探测光束的几何形状和速度决定横向流速，通过利用脉冲激光激发和光栅电机扫描，三维结构和流速都可以同时进行，多普勒带宽依赖于流速的线性相关性，可以精确的流速测量。

在连续波光声多普勒流速测量中，由于光声信号比较微弱，能够测量的流速不能太快，随着流速的增大，多普勒频谱会展宽、峰值变多，影响测量的灵敏度而且不能获得超声换能器与颗粒之间的深度信息。正弦脉冲波光声多普勒的流速测量，使用正弦脉冲信号调制连续波光强，外部调制和外差检测，使用的激光功率比较低，所产生的光声信号比较弱，频谱分辨率比较低，信噪比比较差。一种脉冲激光声多普勒流速测量技术，用几个光脉冲对来激发，利用互相关方法来获得光声波形对的时间频移，从而推测速度，但是，较高浓度的粒子和粒子的非线性运动(湍流和涡流)导致不良相关性，速度测量的精度和准确性越差。另一种脉冲激光声多普勒流速测量提出了一种基于光声多普勒带宽展宽测量横向流速的新方法由探测光束的几何形状和速度决定横向流速，通过利用脉冲激光激发和光栅电机扫描，多普勒带宽依赖于流速的线性相关性，由于组织的低信噪比和流动的湍流，流速的测量精度会受到较大的影响，需要通过对模型的校正才能提高测量的精度。如果光声信号与噪声相差不大或者光声信号比噪声要小时，不能充分利用数字信号处理和锁相技术的优势来精确提取所需要的信号，从而很难精确测量血液的流速和不能做多个波长的光声多普勒流速测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法，具有测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大、检测带宽高、系统灵敏度高的特点。

本发明是通过以下方法实现的：

本发明公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，包括：

用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；

用于把准直激光进行振幅调制的偏振方向互相垂直的格兰棱镜、1/4波片的脉冲激光振幅调制单元；

用于置入血管样品的样品单元；

用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；

用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；

用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行处理多普勒分析得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元。

在本发明中，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，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，而且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2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。

进一步地，脉冲光滤波和准直单元包括超连续谱激光器、滤波器和耦合准直透镜，超连续谱激光器产生的脉冲激光依次通过滤波器、单模光纤传输到耦合准直透镜耦合准直后得到准直激光。

进一步地，脉冲激光振幅调制单元包括水平偏振格兰棱镜、偏振方向和水平偏振格兰棱镜的方向成45度的1/4波片、电光晶体和垂直偏振格兰棱镜，脉冲激光依次通过水平偏振的格兰棱镜、1/4波片、电光调制器、垂直偏振格兰棱镜变成正弦波振幅调制的脉冲激光。

进一步地，信号解调单元包括波形发生器、锁相放大器，锁相放大器与频谱分析单元连接。

进一步地，收集放大单元包括用于收集照射样品后频移光声波的宽带聚焦型超声换能器、用于将超声换能器的焦斑与激光的光斑重合产生光声信号的三维精密位移平台和用于将光声信号进行放大处理的前置放大器。

进一步地，频谱分析单元包括用于将前置放大器的放大输出的光声信号和波形发生器输出的参考信号进行锁相处理提取光声波频移的锁相放大器和用于观察存储频移后光声波信号的数字示波器。利用高重复频率的锁模激光加入光强度频率调制，然后结合相敏锁相探测技术，在相干非线性光学成像中具有明显的优势。

进一步地，频谱分析单元还包括用于对锁相放大器的解调信号和数字示波器的频移的光声信号进行数据处理的电子计算机，数据处理过程包括傅里叶变换处理。

进一步地，滤波器把超连续谱激光器产生的脉冲激光筛选形成532nm、20MHz重频的脉冲激光。

进一步地，超声换能器设置在三维精密位移平台上，超声换能器的中心频率为1MHz。

本发明的另外一个目的在于保护采用上述光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的测量方法。

本发明一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，具有如下的有益效果：

本发明将高频脉冲激光与正弦波强度调制相结合，从而得到流速测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大从可见光到红外、检测带宽高、系统灵敏度高的可测吸收光谱的光声多普勒血流流速测量系统，从而实现对血管的血红细胞流速的精确测量以及对动静脉血的区分

附图说明

图1为本发明一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的系统组成示意图；

图2为本发明一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的模拟的连接关系示意图；

图3为本发明一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统模拟连接关系示意图中样品与光路关系示意图；

图4为未经过调制的10MHz脉冲激光激发的光声信号的频谱图；

图5未经过调制的10MHz脉冲激光激发的光声信号部分区域频谱图；

图6经过1MHz的正弦信号强度调制的10MHz脉冲激光激发的光声信号的频谱图；

图7为经过1MHz的正弦信号强度调制的10MHz脉冲激光激发的光声信号的部分区域频谱图；

图8为+0.2mm/s对应的解调信号的频域图和时域图；

图9为-0.2mm/s对应的解调信号的频域图和时域图；

图10为+1.6mm/s对应的解调信号的频域图和时域图；

图11为-1.6mm/s对应的解调信号的频域图和时域图；

图12为-1.6mm/s-1.6mm/s范围内测量对应的频移值和理论频移值；

图13为静止条件下和0.2mm/s的速率下测得100nm石墨烯层的吸收光谱图；

图14为100微米的红色颗粒和100微米的黑色颗粒的吸收光谱以及它们吸收光谱的比值；

附图中的标记包括：1、超连续谱激光器；2、滤波器；3、单模光纤；4、耦合准直透镜；5、水平偏振格兰棱镜；6、1/4波片；7、电光晶体；8、水平偏振格兰棱镜；9、波形发生器；10、宽带聚焦型超声换能器；11、前置放大器；12、锁相放大器；13、数字示波器；14、液管；15、样品测量室；16、注射器；17、微流泵；18、集液容器；19、三维精密位移平台；20、电子计算机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，包括：

用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；

用于把准直激光进行振幅调制的偏振方向互相垂直的格兰棱镜、1/4波片的脉冲激光振幅调制单元；

用于置入血管样品的样品单元；

用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；

用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；

用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行处理多普勒分析得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元。

实施例2

如图2所示，本发明公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，，其中各组成单元介绍如下：

脉冲光滤波和准直单元包括超连续谱激光器1、滤波器2和耦合准直透镜4，超连续谱激光器1产生的脉冲激光依次通过滤波器2、单模光纤3传输到耦合准直透镜4耦合准直后得到准直激光。滤波器2把超连续谱激光器1产生的脉冲激光筛选形成532nm、20MHz重频的脉冲激光。

脉冲激光振幅调制单元包括水平偏振格兰棱镜5、偏振方向和水平偏振格兰棱镜5的方向成45度的1/4波片6、电光晶体7和垂直偏振格兰棱镜8，脉冲激光依次通过水平偏振的格兰棱镜、1/4波片6、电光调制器、垂直偏振格兰棱镜8变成正弦波振幅调制的脉冲激光。

信号解调单元包括波形发生器9、锁相放大器12，锁相放大器12与频谱分析单元连接。

收集放大单元包括用于收集照射样品后频移光声波的宽带聚焦型超声换能器10、用于将超声换能器10的焦斑与激光的光斑重合产生光声信号的三维精密位移平台19和用于将光声信号进行放大处理的前置放大器11。超声换能器10设置在三维精密位移平台19上，超声换能器10的中心频率为1MHz。

频谱分析单元包括用于将前置放大器11放大输出的光声信号和波形发生器9输出的参考信号进行锁相处理提取光声波频移的锁相放大器12和用于观察存储频移后光声波信号的数字示波器13。频谱分析单元还包括用于对锁相放大器12的解调信号和数字示波器13频的光声信号进行数据处理的电子计算机20，数据处理过程包括傅里叶变换处理。

在图2、图3中，本实施例采用液管14模拟血管，照射液管14的信号通过超声换能器10进行换能处理。

本发明采用电光调制器对高频(MHz)的脉冲激光进行外部灵活的幅度调制，这样产生的光声信号比较强，使得可探测深度大，同时使用锁相放大器解调光声多普勒信号，能够提高系统的分辨率、灵敏度，采用超连续谱激光器能够测量不同样品的吸收光谱。

实施例3

本发明的另外一个目的在于保护采用上述光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的测量方法。

本发明将超连续谱激光器应用到光声多普勒血流流速测量中，在1兆赫兹频率下对脉冲激光进行正弦波强度调制，目前使用调制后的激光直接照射透明软管中的流动的颗粒产生的光声信号比较强，然后分别用超声换能器、前置放大器、锁相放大器收集、放大、解调和处理信号，形成一套流速测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大从可见光到红外、检测带宽高、系统灵敏度高的光声多普勒血流流速测量系统。本方法可以用于实现对血管内的血流测量，同时也可以根据吸收光谱光声响应对动静脉血的区分

实施例4

本发明公开了采用上述光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的测量方法，其具体步骤为：

由超连续谱激光器产生激光通过滤波器和单模光纤产生重频为20MHz、波长为532nm的脉冲激光先通过耦合准直透镜；

再依次通过偏振方向水平的格兰棱镜、偏振方向跟水平偏振格兰棱镜夹角为45度的1/4波片、由波形发生器产生的一路1MHz的正弦波信号驱动电光调制器进行调制里面的晶体再经过偏振方向垂直的格兰棱镜再垂直照射血管；

由于光声多普勒效应会产生光声多普勒频移信号由安装在三维精密位移平台上的水浸式宽频聚焦型超声换能器接收，在接受过程中，通过调节三维精密位移平台来调节激光的光斑与超声换能器的焦点重合，超声换能器的轴线与颗粒的流动方向垂直)超声换能器将所接收的光声信号转化为电信号；

电信号经过前置放大器放大后接到数字示波器观察光声多普勒频移信号然后接到锁相放大器；波形发生器的另一路相同的正弦波信号作为参考信号接到锁相放大器；解调得到多普勒频移信号再接到电子计算机进行傅里叶变换处理。

实施例5

为有效模拟本发明测量装置的测量过程，本发明采用液管模拟血管，具体如图2所示。在图2中，液管14置于样品测量室15中，液管14的另一端连接有由微流泵17驱动的注射器16，注射器16内含有50微米的微粒悬浮液，微流泵17调节液管14内液体不同的流速，液管14排出的液体置于集液容器18中。然后采用液管模拟血管进行具体性能的测试。

本发明经过模拟验证，对进行了脉冲激光的振幅调制的光声多普勒测量，在时域进行调制后，光声信号相应的傅里叶变换，发现整个频谱分别向左和向右移动一个正弦调制信号的1兆赫兹基本频率单位，由于样品运动，整个频谱再移动相应的频移，可以利用锁相放大器对光声多普勒频移的部分进行解调得到，从而计算出流速。具体模拟验证的结果如图4～14所示。

从图5和图7比较中，明显看出在零频附近有1MHz的频谱分量；当样品以恒定的速率运动时，会在1MHz的频率再加上光声多普勒频移，因此，从模拟上证明振幅强度调制的脉冲激光声多普勒流速测量的可行性。

在脉冲调制型光声多普勒血流流速实验，进行了速度分别为±0.2mm/s和±1.6mm/s的光声多普勒的流速测量，将运动后的光声信号与参考信号进行解调，得到多普勒频移信号，最后进行傅里叶变换，为：

其中，f₀为正弦波调制信号的频率，v₀为颗粒的流动速率，v_c＝1500m/s为介质中声速。

从图8到图11，可以看到+0.2,-0.2mm/s,+1.6mm/s,-1.6mm/s分别对应的多普勒频移为+0.1277Hz,-0.1277Hz,+1.098Hz,-1.098Hz；理论计算频移为别为+0.1916mm/s,-0.1916mm/s,+1.647mm/s,-1.647mm/s。对应的误差为4.2％，4.2％，2.9％,2.9％。不同于连续波光声多普勒流速测量，多普勒频移没有展宽现象，一个速度只对应一个多普勒频移。无论噪是否比光声信号强，都能准确的解调出来。在零频附近的信号是波形发生器产生的噪声。

从图12中，可以看到在0.1-1.6mm/s的速率范围中，测量的频移值跟理论频移值很好一致；从图13中可以看到在静止时和0.2mm/s的速率下，分别测量100nm后的石墨烯层的归一化的吸收光谱基本接近。因此，本发明的策略系统不仅可以精确的测量吸收流速信息，而且还可以同时测量样品的吸收光谱。不同样品的吸收光谱不同，通过测量吸收光谱也可以分出不同的样品。

从图14中，可以看到100微米的红色颗粒和100微米的黑色颗粒的吸收光谱，500nm-600nm范围内，这两种吸收光谱基本相同，从600nm-700nm范围内，红色颗粒的吸收光谱比黑色颗粒下降的很快，在650nm吸收最小，因此可以测量不同的样品的吸收光谱来辨别不同的样品。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于包括：

用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；所述脉冲光滤波和准直单元包括超连续谱激光器、滤波器和耦合准直透镜，所述超连续谱激光器产生的脉冲激光依次通过滤波器、单模光纤传输到耦合准直透镜耦合准直后得到准直激光；所述滤波器把超连续谱激光器产生的脉冲激光筛选形成532nm、20MHz重频的脉冲激光；

用于把准直激光进行振幅调制的脉冲激光振幅调制单元；

用于置入血管样品的样品单元；

用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；

用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；

用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行多普勒分析处理得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元；

所述脉冲激光振幅调制单元包括水平偏振格兰棱镜、偏振方向和水平偏振格兰棱镜的方向成45度的1/4波片、电光晶体和垂直偏振格兰棱镜，经过准直单元的脉冲激光依次通过水平偏振的格兰棱镜、1/4波片、电光晶体、垂直偏振格兰棱镜变成正弦波振幅调制的脉冲激光；所述电光晶体对MHz高频脉冲激光进行幅度调制；由波形发生器产生的一路1MHz的正弦波信号驱动电光晶体。

2.根据权利要求1所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述信号解调单元包括波形发生器、锁相放大器，锁相放大器与频谱分析单元连接。

3.根据权利要求2所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述收集放大单元包括用于收集照射样品后频移光声波的宽带聚焦型超声换能器、用于将超声换能器的焦斑与激光的光斑重合产生光声信号的三维精密位移平台和用于将光声信号进行放大处理的前置放大器。

4.根据权利要求3所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述频谱分析单元还包括用于对锁相放大器的解调信号和数字示波器的光声信号进行数据处理的电子计算机，所述数据处理过程包括傅里叶变换处理。

5.根据权利要求4所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述超声换能器设置在三维精密位移平台上，所述超声换能器的中心频率为1MHz。

6.一种如上述权利要求1～5任意一项所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的测量方法。