CN111449623A - 快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学检测系统，包括光源系统、信号采集系统及光纤探头；光源系统用于产生多种波长入射光；光纤探头用于传导光源系统产生的入射光来照射宫颈组织及接收宫颈组织的反射光；信号采集系统用于接收来自光纤探头的反射光并将反射光转变为电信号；光纤探头包括入射光纤和多个不同源探距离的接收光纤；信号采集系统包括光接收与处理模块和信号采集模块；光接收与处理模块包括光电传感器模块和放大滤波电路模块；放大滤波电路模块对输入的每路电信号放大及滤波处理后输出至信号采集模块；信号采集模块将输入的模拟量信号转换成数字信号后输出。本发明实现了无创、实时、高效的粘膜组织病变早期检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物医学工程技术领域的光电检测技术领域，特别涉及一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统。
背景技术
目前，宫颈癌是世界范围内第二常见的女性癌症，世界上每年约有53万宫颈癌新发病例，由于经济状况、种族和地理等因素，发展中国家宫颈癌的发生率为发达国家的6倍，其中有50％的病例发生在中国和印度。近几年研究表明，宫颈癌的发病率有上升趋势，发病的年龄也趋向年轻化。从感染HPV病毒到发展成为浸润癌需要大约十年的历程，因此定期做好预防和筛查工作并及时加以治疗可以有效防止宫颈癌的发生。
一般来说，子宫颈疫苗可以有效预防接近100％的第16、18型人类乳头病毒感染。但是子宫颈癌大约6-7成是由第16、18型人类乳头病毒感染导致，此疫苗无法有效预防剩下3-4成子宫颈癌之病因。自2016年7月18日，二价疫苗(Cervarix)在中国大陆获批上市，作为新兴自费防癌疫苗，公众对其相关知识所知甚少。此外，近年来我国由疫苗安全引起的公共卫生事件频发，公众对疫苗的信任受到此类负面消息的拖累。同时，媒体在对疫苗传播报道时也存在一定不合理性，致使疫苗的接种率普遍不高。因此每年进行子宫颈筛查检测十分有必要。
目前宫颈癌的筛查方法主要有：宫颈涂片、阴道镜检查、组织活检、HPV-DNA检测、膜式液基薄层细胞学检测(Thin-Cytologic Test，TCT)等。常规巴氏涂片由于血液、粘液、炎症等因素影响，常使样本模糊，其准确率较低且假阴性率高。对于阴道镜检查结合活检检查技术，国内外的相关研究对其检测结果的准确性仍存在争议，而且检查结果的准确性受医师技术水平、取材部位的深浅、大小等因素的限制。TCT或HPV-DNA检测—第二代基因杂交捕获技术(Hybrid capture，HC2)是比较有效的宫颈癌筛查方法，尤其对30岁以上的妇女，其阴性预测值很高，最高可达99.9％，但其价格相对比较贵，在国内做两种筛查大概需要500元左右，不同地区的收费标准也不同，因此不适合大规模的普查。以上的方法还存在着检查周期长，有组织损伤等不足之处。
近年来，近红外漫射光检测技术越来越多的被应用在生物医学工程领域。漫反射光信号是入射到组织体表面的空间光与组织体内部分子发生了复杂的相互作用后返回组织体表面的光，因而携带了组织体在特定光源激励下丰富的生理学信息。另外，生物组织的空间分辨漫反射研究是生物医学光子学研究领域的一个热点。漫反射测量可以粗略的分为时间分辨、频域分辨、空间分辨和近红外光谱四类方法。时间分辨和频域测量精度较高，但由于需要的设备比较复杂，费用高，限制了一些生物医学应用。而空间分辨和近红外光谱都是用连续光，空间分辨方法具有简便、费用低的等优点，近年来研究表明其结果也可以达到时间分辨的测量精度。通过多年的理论和实验研究发现，测量生物组织的空间分辨漫反射率可以给出生物组织的光学参量，从而反映出被测组织的光学性质。目前，这种检测方法已经应用于医学领域的血氧计、光动力学疗法、以及血糖监测等。而由于宫颈粘膜组织厚度仅微米量级，根据近红外光漫射光谱成像将穿透组织的香蕉状区域从皮肤表面照射到的最大深度为光源与探测器之间距离的一半，因此需要采集近光源区的空间分辨漫反射光，即亚扩散组织域空间分辨漫反射光，由于这类漫反射光经历了较少次数的散射事件，因而携带了更多的组织微观形态信息，因此通过测量生物的亚扩散组织域空间分辨漫反射光，可以得到更多的关于组织的结构信息，定量地反演生物组织的吸收和散射特性。从空间分辨漫反射光测量数据反演生物组织的光学特性参数，建立实验测量数据与光学特性参数相关的理论模型，再通过非线性拟合的方法反演出所测量的生物组织的光学特性参数。进而可以得到与之关联的生理参数(脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白浓度，以及氧饱和度等)作为疾病诊断和测评的依据，非常适合于粘膜等薄层组织疾病的诊断及治疗监测。
数字锁相检测技术作为一种发展较为成熟的微弱信号检测技术，基于光学信号通过人体后其频率不会发生改变的特点，可以将人体中强度微弱、噪声大的经调制后的微弱信号检测出来，实现不同调制频率源之间的最佳降噪和分辨，具有噪声抑制和多通道并行检测等功能。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，包括光源系统、信号采集系统及光纤探头；所述光源系统用于产生多种波长的入射光；所述光纤探头用于传导所述光源系统产生的入射光来照射宫颈组织及接收宫颈组织的反射光；所述信号采集系统用于接收来自所述光纤探头的反射光并将反射光转变为电信号；所述光纤探头包括入射光纤和多个不同源探距离的接收光纤；所述信号采集系统包括光接收与处理模块和信号采集模块；所述光接收与处理模块包括光电传感器模块和放大滤波电路模块；所述光电传感器模块接收来自多个所述接收光纤的反射光并同时转换为对应的多路电信号输出至所述放大滤波电路模块；所述放大滤波电路模块对输入的每路电信号进行放大及滤波处理后输出至所述信号采集模块；所述信号采集模块将输入的模拟量信号转换成数字信号后输出。
进一步地，所述光源系统包括依次连接的方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器及光纤合束器；所述方波信号发生器输出多路频率不同的方波信号至所述LD激光驱动模块；所述LD激光驱动模块对应不同频率的方波信号输出多路电流信号至所述LD激光器；所述LD激光器对应不同的电流信号产生多路不同波长的光源至所述光纤合束器，所述光纤合束器将多路光源集合成一路入射光输出至所述光纤探头。
LD激光驱动模块又称半导体激光驱动模块，LD激光器又称半导体激光器；LD激光驱动模块和LD激光器均可采用现有技术中产品。
进一步地，所述LD激光器对应四路频率不同的方波信号产生四路不同波长的光源，四路光源的波长分别为520nm、650nm、785nm、830nm。
进一步地，还包括用于对所述信号采集系统采集的数据进行分析处理的信号处理系统；所述信号处理系统包括数字锁相模块；所述信号处理系统接收来自所述信号采集模块的信号；通过所述数字锁相模块将离散叠加信号中不同波长下的反射信号分离出来。
进一步地，所述光纤探头耦合一根入射光纤和五根接收光纤，所述光纤探头末端包覆不锈钢外套。
进一步地，各所述接收光纤与所述入射光纤的中心距离分别为220um、440um、660um、880um、1100um，所述入射光纤与所述接收光纤的芯径均为200um的石英光纤。
进一步地，所述信号采集系统还包括电学检测模块，所述光纤探头设有检测电极；所述电学检测模块，其输出电脉冲信号至所述检测电极，通过所述检测电极对宫颈组织进行刺激，其通过所述检测电极输入经宫颈组织衰减后的电压信号。
进一步地，所述信号采集模块包括微处理器模块、A/D转换器以及稳压电源；所述电学检测模块包括与所述微处理器模块连接的多通道单刀双掷模拟开关及若干个单刀八掷模拟开关；所述放大滤波电路模块输出信号至所述A/D转换器；所述微处理器模块输出控制信号至所述多通道单刀双掷模拟开关及所述单刀八掷模拟开关的控制端；每个所述单刀八掷模拟开关，其一个输入端与所述稳压电源连接，其输出端对应与所述多通道单刀双掷模拟开关的一个通道输入端连接；所述多通道单刀双掷模拟开关的每个通道输入端对应一对输出端，一对输出端的其中一个输出端与一个所述检测电极连接，另一个输出端输出电学自检信号。
进一步地，所述光纤探头末端边缘周向均布三个检测电极。
进一步地，还包括与所述信号采集模块连接的按键模块；所述按键模块用于操作者输入检测参数。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明克服了目前检测方法中检测周期长，特异性低、有组织损伤等缺点，通过利用病变组织与正常组织在亚扩散域的不同吸收与散射性质以及生物组织中癌变组织比正常组织阻抗值低，容抗值高的电阻抗特征，实现了无创、实时、高效的粘膜组织病变早期检测。本发明可以采集患者宫颈可疑的亚扩散组织域空间分辨漫反射光和电压衰减曲线，后期可以利用该数据实时分析出病人宫颈组织的性质，真正做到无痛无创，实时高效，降低了患者因被要求多次做检查而引起的不必要的担心，适合用于大规模的筛查检测工作。同时基于生物组织的电阻抗特性，并借助放置于组织体表面的电极向生物物质体内注入低频的测量电压，然后检测相应的反馈电阻抗信息，也可以获取相关组织的生命状态特征或生理病理信息。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是本发明的一种光纤探头横截面结构示意图；
图3是本发明的一种放大滤波电路模块电路原理图；
图4是本发明的一种信号采集模块与电学检测模块的连接结构示意图。
图中：1-入射光纤；2-光纤探头；3-检测电极；4-接收光纤；PD-光电二极管。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图4，一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，包括光源系统、信号采集系统及光纤探头2；所述光源系统用于产生多种波长的入射光；所述光纤探头2用于传导所述光源系统产生的入射光来照射宫颈组织及接收宫颈组织的反射光；所述信号采集系统用于接收来自所述光纤探头2的反射光并将反射光转变为电信号；所述光纤探头2包括入射光纤1和多个不同源探距离的接收光纤4；所述信号采集系统包括光接收与处理模块和信号采集模块；所述光接收与处理模块包括光电传感器模块和放大滤波电路模块；所述光电传感器模块接收来自多个所述接收光纤4的反射光并同时转换为对应的多路电信号输出至所述放大滤波电路模块；所述放大滤波电路模块对输入的每路电信号进行放大及滤波处理后输出至所述信号采集模块；所述信号采集模块将输入的模拟量信号转换成数字信号后输出。
所述光电传感器模块可包括若干光电二极管PD；所述光电传感器模块同时将每个接收光纤4的反射光转换为一路电信号，然后每路电信号均通过一路放大及滤波电路进行处理后输出。每路放大滤波电路可包括多级放大电路及抗混叠低通滤波器，所述光接收与处理模块可实现每一路电信号的两级放大与滤波处理，第一级放大电路实现微弱电信号的放大；第二级放大电路实现电压增益的进一步增加，提高放大器的带宽；所述放大滤波电路模块可包括抗混叠低通滤波器，而抗混叠低通滤波器解决检测信号与噪声信号在高频部分的混叠问题。
进一步地，所述光源系统可包括依次连接的方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器及光纤合束器；LD激光驱动模块即用于驱动半导体激光器工作的半导体激光驱动模块，LD激光器即半导体激光器。所述方波信号发生器可输出多路频率不同的方波信号至所述LD激光驱动模块；所述LD激光驱动模块对应不同频率的方波信号输出多路电流信号至所述LD激光器；所述LD激光器对应不同的电流信号产生多路不同波长的光源至所述光纤合束器，所述光纤合束器将多路光源集合成一路入射光输出至所述光纤探头2。即所述LD激光器对应所述方波信号发生器输出的每路方波信号各输出一路光源；可在占空比不变的情况下，调节每路方波信号的频率；所述LD激光器对应每路方波信号的频率输出不同波长的光源，这样可实现对LD激光器波长的调制。
进一步地，所述LD激光器可对应四路频率不同的方波信号产生四路不同波长的光源，四路光源的波长分别为520nm、650nm、785nm、830nm。
进一步地，所述光纤探头2可耦合一根入射光纤1和五根接收光纤4，所述光纤探头2末端包覆不锈钢外套。
进一步地，各所述接收光纤4与所述入射光纤1的中心距离可分别为220um、440um、660um、880um、1100um，所述入射光纤1与所述接收光纤4的芯径可均为200um的石英光纤。
进一步地，所述信号采集系统还可包括电学检测模块，所述光纤探头2可设有检测电极3；所述电学检测模块，其可输出电脉冲信号至所述检测电极3，通过所述检测电极3对宫颈组织进行刺激，其通过所述检测电极3输入经宫颈组织衰减后的电压信号。
可在所述光纤探头末端边缘周向均布三个检测电极3；通过对检测电极3施加高、低、低电平脉冲，使粘膜组织的刺激区域扩展为扇形，使电学测量覆盖更广的上皮组织，通过检测电极3检测经宫颈组织衰减后的电压信号，来分析判断宫颈组织的情况。三个检测电极3可分别称为电极A、电极B、电极C；可对电极A施加20ms脉冲电压，电极B和C与地相连，采集电极A的电压衰减曲线，并对电极A进行四次充放电。对电极B施加20ms脉冲电压，电极A和C与地相连，采集电极B的电压衰减曲线，并对电极B进行四次充放电。对电极C施加20ms脉冲电压，电极A和B与地相连，采集电极C的电压衰减曲线，并对电极A进行四次充放电。
进一步地，所述信号采集模块可包括微处理器模块、A/D转换器以及稳压电源；所述电学检测模块可包括与所述微处理器模块连接的多通道单刀双掷模拟开关及若干个单刀八掷模拟开关；所述放大滤波电路模块输出信号至所述A/D转换器；所述微处理器模块可输出控制信号至所述多通道单刀双掷模拟开关及所述单刀八掷模拟开关的控制端；所述A/D转换器将输入的模拟量信号转换成数字信号后输出；所述A/D转换器输入来自所述光接收与处理模块的模拟电信号，转换为数字信号后输出至信号处理系统等信号处理及储存装置中，对信号进行分析处理。所述微处理器模块输出控制信号至所述多通道单刀双掷模拟开关及所述单刀八掷模拟开关的控制端，实现对所述多通道单刀双掷模拟开关及所述单刀八掷模拟开关的通断控制；每个所述单刀八掷模拟开关，其一个输入端与所述稳压电源连接，其输出端对应与所述多通道单刀双掷模拟开关的一个通道输入端连接；所述多通道单刀双掷模拟开关的每个通道输入端对应一对输出端，一对输出端的其中一个输出端与一个所述检测电极3连接，另一个输出端输出电学自检信号。电学自检信号输入至电学自检电路，自检电路主要通过对已知参数的阻容并联电路进行充放电，以取得放电过程的电压衰减曲线来判断电学检测过程是否有效。设置电学检测自检信号，可在检测前进行自检，避免检测结果不准确。
进一步地，本发明还可包括用于对所述信号采集系统采集的数据进行分析处理的信号处理系统；通过所述信号处理系统可以对数据进行分析处理，比如根据大量采集到的数据进行组织分类算法包括形成组织宫颈组织的检测光学图像及波形图等，便于诊断及形成诊断报告；所述信号处理系统可包括数字锁相模块；所述信号处理系统接收来自所述信号采集模块的信号；通过所述数字锁相模块将离散叠加信号中不同波长下的反射信号分离出来。信号处理系统可采用现有技术中信号处理器，及采用现有软件运算方法处理数据的计算机等。
进一步地，本发明还可包括与所述信号采集模块连接的按键模块；所述按键模块用于操作者输入检测参数。
进一步地，本发明还可包括人机交互系统，人机交互系统可采用人机界面等用于操作者输入指令及显示检测过程及检测结果等。也可采用在计算机由软件实现人机交互系统。
上述中的方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器、光纤合束器以及光纤探头2、微处理器、单刀双掷模拟开关及三个单刀八掷模拟开关，人机界面、计算机、数字锁相模块、光电传感器模块、放大滤波电路模块、微处理器模块、A/D转换器、按键模块等各模块及装置均可采用现有技术中的产品。
下面通过本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，包括光源系统、信号采集系统、信号处理系统、人机交互系统及光纤探头2。所述光源系统包括依次连接的方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器及光纤合束器。所述信号采集系统包括电学检测模块、光接收与处理模块及信号采集模块；所述光接收与处理模块包括光电传感器模块和放大滤波电路模块。
一、所述光源系统包括：方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器、光纤合束器以及光纤探头2。
1、所述方波信号发生器是利用晶振、振荡器、计数器以及一个单刀双掷模拟开关设计电路实现，可以产生4路频率分别为100Hz、200Hz、250Hz和400Hz，占空比为50％的方波信号，分别用作波长为520nm、650nm、785nm、830nm的LD激光器的调制信号。单刀双掷模拟开关可用于选择LD调制信号的状态。
2、LD激光驱动模块采用ELM185xB模块输出驱动电流，可驱动输出多个波长的LD激光器，波长可设定为520nm、650nm、785nm、830nm四种波长，LD激光驱动模块接收方波信号发生器产生的相应频率的方波信号，使其工作在相应频率方波调制模式下，对应相应频率使LD激光器输出对应波长的激光。
3、所述光纤合束器中输入一端包含四根光纤，分别接四个波长LD激光器的光输出端。将此四根光纤熔融拉锥后和输出光线焊接在一起，输出光纤接入光纤探头2的入射光纤1端。
4、所述光纤探头2耦合一根入射光纤1和五根接收光纤4，所述光纤探头2末端包覆不锈钢外套，其边缘上附着三个对称排列的检测电极3，检测时，所述光纤探头2套上一次性耗材与粘膜组织直接接触。所述接收光纤4中心与所述入射光纤1中心的距离分别为220um、440um、660um、880um、1100um，以便能采集到近光源区域的扩散反射光谱。所述入射光纤1与所述接收光纤4采用的芯径均为200um的石英光纤。
二、所述信号采集模块包括：光接收与处理模块和信号采集模块。
1、所述光接收与处理模块包含五个光电二极管PD(Photo Diode，简称PD)，用于接收在亚扩散域内五个源探距离下，接收光纤4所采集到的经不同频率编码后的多波长漫反射光信号，并将五路不同的光信号同时转换为电信号再经过相同放大、滤波后输入到信号采集模块中。其中，所述光电二极管PD将检测到的光信号转换为微弱的电流信号，所述光接收与处理模块实现每一路电流信号的两级放大与滤波处理，第一级放大电路实现微弱电流信号的放大到电压信号的转换；第二级放大电路实现电压增益的进一步增加，提高放大器的带宽；而抗混叠低通滤波器解决检测信号与噪声信号在高频部分的混叠问题。
2、所述信号采集模块用于该系统的数据采集、A/D转换、存储、控制等功能，其中，模拟输入端用于高速连续采集光电信号并进行A/D转换；模拟输出端可用于输出电学检测中的刺激电压以及为电学检测模块供电；数字输出端可控制光电时序、实现电学检测过程；数字输入端用于判断外部按键模块的状态。
三、所述电学检测模块包含：三个单刀八掷模拟开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，一个单刀双掷模拟开关Ⅳ。所述电学检测模块主要用于电学检测的控制，通过所述信号采集模块的数字输出端控制开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的数字控制端以实现电学检测的自检并分时赋予光纤探头2末端边沿上的三个检测电极3高、低、低电平脉冲，使粘膜组织的刺激区域扩展为扇形，使电学检测覆盖更广的上皮组织，电学检测的数据亦通过所述电学检测模块输入到所述信号采集模块中。具体连接方式如图3所示，模拟电子开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ设有输入输出端口(S0、S1、S2、S3、S4、S5、Sm)和控制端口(A、B、C)，模拟电子开关Ⅳ设有输入输出端(D1、D2、D3、S1A、S2A、S3A、S1B、S2B、S3B)和控制端口(IN1、IN2、IN3)，所述信号采集模块的模拟输出部分设有模拟输出端口(AY1、AY2)，数字输出部分设有数字输出端口(DY1至DY10)，A/D转换部分设有A/D转换端口(A1至A6)，数字输入部分设有数字输入端口(DX1、DX2)。信号采集模块的模拟输出端口AY1分别与三片模拟电子开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的数字控制端(S0、S1、S2)三个端口相连接，模拟输出端口AY2用于给四片电子开关供电。数字输出端口(DY1、DY2、DY3)相对应地分别与三片模拟电子开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的数字控制端口(A、B、C)相连接，数字输出端口(DY4、DY5、DY6、DY7)用于控制LD调制信号的状态，数字输出端口(DY8、DY9、DY10)分别与模拟电子开关Ⅳ对应的控制端口(IN1、IN2、IN3)相连接。A/D转换端口(A1、A2、A3、A4、A5)分别与5个PD相连接，A/D转换端口6与模拟电子开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的开关控制端口(S3、S4、S5)连接。数字输入端口(DX1、DX2)分别与外部按键模块的“上一测量点”、“下一测量点”相连。模拟电子开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Sm端口分别与模拟电子开关Ⅳ的输入端口(D1、D2、D3)相连接，模拟电子开关Ⅳ的开关控制端(S1A、S2A、S3A)分别与三个电极A、B、C相连接，而开关控制端(S1B、S2B、S3B)与自检电路连接，余下的端口接地。自检电路主要通过对已知参数的阻容并联电路进行充放电，以取得放电过程的电压衰减曲线来判断电学检测过程是否有效。
四、信号处理系统及人机交互系统；信号处理系统通过Labview软件实现信号处理系统与信号采集模块的通信。信号处理系统用于对所述信号采集系统采集的数据进行分析处理；所述信号采集系统采集的数据包括：由接收光纤4模块采集的反射光信号转换的光学检测数据；及有检测电极3检测的电信号转换的电学检测数据；光学检测的数据处理部分是采用数字锁相检测技术将离散叠加信号中不同波长下的反射信号分离出来，以得到不同波长在多个源探距离下的漫反射光强。电学检测的数据处理部分后得到三个检测电极3的电压衰减曲线。信号处理系统将采集到的光电数据保存在文件夹中以备后续使用。人机交互系统包括病人信息录入、光电参数的选择、光电检测数据显示，测量点的选择，以及相应的操作按钮和系统错误提示窗口等等。今后还可添加算法将采集到的光电数据进行分析处理并将结果实时的显示在人机交互界面。
数字锁相检测技术：待测信号经过方波调制后作用于待测生物组织，光信号经过生物组织后频率不发生变化，利用待测信号具有周期性而噪声随机的特点，互相关检测能够达到提取信号、去除噪声的目的。锁相放大器通过对待测信号和参考信号进行互相关运算，提取待测信号中的有效信号，从而提高测量有效信号的信噪比。参考信号由两路相互正交的离散正弦参考信号和离散余弦参考信号组成。使用(1)式与(2)式中的简单的矩阵乘法即可求得待测信号的幅值与相位。其中，
是Nm个不同频率的叠加信号经AD转换后连续采集到的Ns个点,
是Nm个被不同频率的方波调制后的待测信号经解调后的实部，
是Nm个被不同频率的方波调制后的待测信号经解调后的虚部，Ns为采样点数，
为第Nm个信号的调制频率，fs为采样频率，
为Nm个经计算得到的待测信号的幅值，则Nm个待测信号的幅值
由(3)式得到。本系统选择频率fm分别为100Hz、200Hz、250Hz、400Hz的方波信号作为调制信号，Nm为4，采样频率fs为20KHz，采样点数Ns为400，满足数字锁相检测的约束条件：
采用数字锁相检测技术提取出经不同频率编码的待测信号，可以提高系统的抗干扰能力，增强系统线性度。
五、外部按键模块用于实现“上一测量点”与“下一测量点”的状态控制，通过所述信号采集模块的数字输入端来判断外部按键的状态，并根据按键的状态执行所述信号处理及人机交互系统中的相应程序，以此实现所述状态控制的功能。
上述的一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学检测系统的具体检测步骤可如下：
S1：首先填写病人的基本信息，包括姓名、年龄、病例描述等等，并保存在文件夹中，设置光电检测的参数，一般选用默认值，不需要修改。
S2：在信号处理及人机交互模块启动程序控制信号采集模块的数字输出端口(DY8、DY9、DY10)输出高电平，控制模拟输出端AY1输出2V的电压，模拟输出端AY2输出5V的电压，进行电学检测的自检，判断电学检测过程是否有效。若自检通过，则进行下一步操作，若自检不通过，则对该系统进行错误排查，直至自检通过。
S3：选择测量点，将该筛查系统中光源系统中的光纤探头2放置在待测粘膜组织相应测试点的表面。
S4：在信号处理及人机交互模块启动程序控制信号采集模块的数字输出端口(DY4、DY5、DY6、DY7)输出高电平，即可打开分别经100Hz、200Hz、250Hz、400Hz调制后的520nm、650nm、785nm、830nm光源，四个光源经光纤合束器后合成一束光，通过入射光纤1照射到被测组织表面，对受检查者进行光学检查。
S5：通过信号采集模块的接收光纤4将采集到的被测组织的反馈信号投射到探测器上，该接收光纤4可以同时检测五个探测距离下的光信号。
S6：探测器将采集到的光信号转换成电信号，经放大后传输到信号采集模块中进行A/D转换，最后传输到计算机中的信号处理及人机交互模块进行数字锁相解调，得到不同频率的待测信号的幅值并显示在人机交互界面上。
S7：在信号处理及人机交互模块启动程序控制信号采集模块的数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出低、低、低电平，使电极A与模拟输出端AY1连接，电极B和C与地相连，对电极A进行20ms的充电，之后控制数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出低、高、高电平，采集电极A的电压衰减曲线，并对电极A进行四次充放电。控制信号采集模块的数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出低、低、高电平，使电极B与模拟输出端AY1连接，电极A和C与地相连，对电极B进行20ms的充电，之后控制数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出高、低、低电平，采集电极B的电压衰减曲线，并对电极B进行四次充放电。控制信号采集模块的数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出低、高、低电平，使电极C与模拟输出端AY1连接，电极A和B与地相连，对电极C进行20ms的充电，之后控制数字输出端口(DY1、DY2、DY3)分别输出高、低、高电平，采集电极C的电压衰减曲线，并对电极C进行四次充放电。
S8：电学检测后的数据通过电学检测模块传输到信号处理及人机交互模块，并将电压衰减曲线显示在人机交互界面，采集到的光电参数均被保存下来以备后续处理，然后继续选择下一测量点从步骤S3开始检测。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (10)
1.一种快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，包括光源系统、信号采集系统及光纤探头；所述光源系统用于产生多种波长的入射光；所述光纤探头用于传导所述光源系统产生的入射光来照射宫颈组织及接收宫颈组织的反射光；所述信号采集系统用于接收来自所述光纤探头的反射光并将反射光转变为电信号；所述光纤探头包括入射光纤和多个不同源探距离的接收光纤；所述信号采集系统包括光接收与处理模块和信号采集模块；所述光接收与处理模块包括光电传感器模块和放大滤波电路模块；所述光电传感器模块接收来自多个所述接收光纤的反射光并同时转换为对应的多路电信号输出至所述放大滤波电路模块；所述放大滤波电路模块对输入的每路电信号进行放大及滤波处理后输出至所述信号采集模块；所述信号采集模块将输入的模拟量信号转换成数字信号后输出。
2.根据权利要求1所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述光源系统包括依次连接的方波信号发生器、LD激光驱动模块、LD激光器及光纤合束器；所述方波信号发生器输出多路频率不同的方波信号至所述LD激光驱动模块；所述LD激光驱动模块对应不同频率的方波信号输出多路电流信号至所述LD激光器；所述LD激光器对应不同的电流信号产生多路不同波长的光源至所述光纤合束器，所述光纤合束器将多路光源集合成一路入射光输出至所述光纤探头。
3.根据权利要求2所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述LD激光器对应四路频率不同的方波信号产生四路不同波长的光源，四路光源的波长分别为520nm、650nm、785nm、830nm。
4.根据权利要求1所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，还包括用于对所述信号采集系统采集的数据进行分析处理的信号处理系统；所述信号处理系统包括数字锁相模块；所述信号处理系统接收来自所述信号采集模块的信号；通过所述数字锁相模块将离散叠加信号中不同波长下的反射信号分离出来。
5.根据权利要求1所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述光纤探头耦合一根入射光纤和五根接收光纤，所述光纤探头末端包覆不锈钢外套。
6.根据权利要求5所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，各所述接收光纤与所述入射光纤的中心距离分别为220um、440um、660um、880um、1100um，所述入射光纤与所述接收光纤的芯径均为200um的石英光纤。
7.根据权利要求1所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述信号采集系统还包括电学检测模块，所述光纤探头设有检测电极；所述电学检测模块，其输出电脉冲信号至所述检测电极，通过所述检测电极对宫颈组织进行刺激，其通过所述检测电极输入经宫颈组织衰减后的电压信号。
8.根据权利要求7所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述信号采集模块包括微处理器模块、A/D转换器以及稳压电源；所述电学检测模块包括与所述微处理器模块连接的多通道单刀双掷模拟开关及若干个单刀八掷模拟开关；所述放大滤波电路模块输出信号至所述A/D转换器；所述微处理器模块输出控制信号至所述多通道单刀双掷模拟开关及所述单刀八掷模拟开关的控制端；每个所述单刀八掷模拟开关，其一个输入端与所述稳压电源连接，其输出端对应与所述多通道单刀双掷模拟开关的一个通道输入端连接；所述多通道单刀双掷模拟开关的每个通道输入端对应一对输出端，一对输出端的其中一个输出端与一个所述检测电极连接，另一个输出端输出电学自检信号。
9.根据权利要求8所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，所述光纤探头末端边缘周向均布三个检测电极。
10.根据权利要求1所述的快速诊断宫颈癌的亚扩散组织域空间分辨光学测量系统，其特征在于，还包括与所述信号采集模块连接的按键模块；所述按键模块用于操作者输入检测参数。
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