CN111870816B - 一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构设计方法，包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机。本发明设计了应用于蓝光治疗仪的专用光谱仪，其通过改变狭缝的位置以及光学机构的对应设计，不但省去了冗余功能，缩小了设备体积，使得成本降低，而且提高了对于蓝光范围内的波长的响应度，能够更好的匹配到所需波长，提升使用效果。

Description

一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构 设计方法

技术领域

本发明属于医疗器材领域，涉及质量检测技术，具体涉及一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光源分光系统设计方法。

背景技术

新生儿黄疸是新生儿时期胆红素在体内积攒过多而引起全身皮肤、粘膜、巩膜等部位出现黄色症状，若不及时治疗可引起智力低下、听觉障碍、死亡或出现永久性神经系统后遗症。

新生儿黄疸是新生儿的常见疾病，通常可区分为生理性黄疸和病理性黄疸。一般生理性黄疸是指新生儿的血清胆红素含量未超出一个允许的范围，并且在出生后短时间内通过喂养、排泄的方式会自行消退。对超过生理性允许范围的，我们称作病理性黄疸，病理性黄疸如若不及时治疗，可造成新生儿脑部损伤，严重影响其智力发育，甚至可能导致新生儿的死亡。

目前，用于新生儿黄疸治疗除了口服茵栀黄等药物外，主要采用蓝光照射的方法进行，也是目前最有效的手段。蓝光照射治疗即利用具有一定强度的蓝光对新生儿除了眼睛和生殖器官外的身体皮肤进行均匀照射，利用胆红素能吸收光，在光和氧的作用下，脂溶性的胆红素氧化成一种水溶性的产物(光-氧化胆红素，即双吡咯)能从胆汁和尿液排出体外，从而降低血清胆红素浓度。胆红素的吸收光带是400～500毫微米，尤其在420～440毫微米波长时光分解作用最强，蓝光荧光波长主峰在425～475毫微米之间，故多采用蓝色荧光灯进行治疗。

现有技术中新生儿蓝光治疗现状：市场上现有的光谱仪型号大多数是通用型，其有些功能在应用到蓝光治疗检测中显得过于冗余；光谱仪所用的光电探测器CCD的波长响应度不能与所要求的波长匹配；光谱仪的体积相较于该设备所需的略显庞大，不能很好的从结构上去优化该检测装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，所述盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，所述准直镜用于将入射光反射给光栅，所述光栅用于进行分光给聚焦镜，所述聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，所述CCD探测器用于将光信号转换成电信号，所述驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，所述CCD探测模块连接着信号调理电路模块，所述信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，所述ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，所述上位机用于根据数字信号进行光谱成像。

进一步的，所述CCD探测模块和FPGA系统之间设置有时序电平转换模块，所述时序电平转换模块用于对CCD探测模块的电压进行稳压。

进一步的，所述盒体的狭缝口处设置有聚焦透光镜。

进一步的，所述准直镜位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处。

进一步的，所述准直镜、光栅和聚焦镜分别通过第一固定底座、第二固定底座和第三固定底座安装在盒体内的底面、左侧面和右侧面上。

一种专用光谱仪的光学机构设计方法，包括如下步骤：

S1：确定工作波长、光谱分辨率和光栅常数；

S2：确定在工作波长的光经过准直后照射到光栅上选取合适的入射角i和衍射角θ的夹角Φ；

S3：根据光栅的衍射方程计算出i、θ的设计值，因为i+θ＝Φ；

S4：根据闪耀波长和工作波长的关系，得到闪耀波长的取值范围，选取闪耀波长的值；

S5：利用分辨率和准直镜的关系计算准直镜的焦距f₁；

S6：确定狭缝宽度，根据线色散函数求得聚焦镜的焦距f₂；

S7：根据消慧差公式，计算出准直镜的离轴倾角

和聚焦镜的离轴倾角

S8：根据球差判据公式求出准直镜的口径D1；依据从准直镜发射的光恰好都能被光栅接受来确定光栅宽度W；依据从光栅发出的衍射光的工作波长的最大值和最小值恰好能在聚焦镜的两个边缘处被接受来确定聚焦镜的口径D2；

S9：根据计算得到的参数值，确定光学机构中各个元件在盒体内的相对位置；

S10：将准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块参照获取的相对位置，分别安装在盒体内。

进一步的，所述步骤S3中光栅的衍射方程具体为：

d(sini-sinθ)＝mλ

其中，d为光栅线对数；m为衍射等级；λ为入射光波长。

进一步的，所述步骤S6中线色散函数具体为：

其中，θ为探测器的面倾角；λ₁,λ₂为工作波长最小值、最大值；n为光栅线对数的倒数。

进一步的，所述步骤S7中消慧差公式为：

其中，R₁,R₂为准直镜和聚焦镜的曲率半径；α₁,α₂为离轴倾角；i为入射角。

本发明的专用光谱仪包括光学系统结构和软、硬件系统结构。光学系统在CT光学结构的原理上简化设计成交叉式的光学系统，从结构上减小了光谱仪体积，便于光谱仪安装在检测系统上，其狭缝口置于盒体上方中央位置；硬件电路通过FPGA驱动且将其设计在盒体外可以进一步减小光谱仪的体积，通过USB将数据传输到上位机上，整个操作流程简单、体型微小。

传统的微型光谱仪的光学系统结构主要放置于水平面进行光路传输，其狭缝位置设与光谱仪盒体侧面，其驱动电路内置于盒体。本发明设计的光谱仪为了能良好的运用在新生儿黄疸蓝光治疗仪检测装置上，将其光学系统的结构放置在竖直空间中进行光路传输，将狭缝入口置于光谱仪顶面且在狭缝口处安装一个聚焦透光镜，该聚焦透光镜可以将光源的光聚集射入到狭缝内，能更高效的接受光信号，将驱动电路外置，通过开口接出排针相连接，通过其元件空间排布、驱动电路外置可以将其体积在原有的基础上更加微小型化，解决了因体积过大、光谱范围不合适、光源利用效率、成本过高等在新生儿黄疸蓝光治疗仪检测光谱检测过程中出现的问题。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明提供的光谱仪是应用于蓝光治疗仪的专用光谱仪，其通过改变狭缝的位置以及光学机构的对应设计，不但省去了冗余功能，缩小了设备体积，使得成本降低，而且提高了对于蓝光范围内的波长的响应度，能够更好的匹配到所需波长，提升使用效果。

2、采用专用光谱仪对蓝光治疗仪光源光谱的范围的检测以及研究，对于相关标准规范的探讨、推进具有积极的作用，对于蓝光治疗仪主要质量参数的日常检测维护，对于了解蓝光治疗仪的性能状态非常重要，能够有效避免源于蓝光治疗仪的医疗事故，降低临床使用风险。

附图说明

图1为专用光谱仪的系统结构图；

图2为光电探测器驱动系统的结构图；

图3为光学机构的设计流程图；

图4为光学元件参数示意图；

图5为光学机构的基本原理图；

图6为光学机构在盒体内的示意图；

图7为准直镜口径D1、光栅宽度W和聚焦镜口径D2的光学示意图；

图8为CCD探测器中的应用电路示意图；

图9为时序电平转换模块的电路示意图；

图10为信号调理电路示意图；

图11为ADC模数转换器中的电路示意图；

图12为USB控制芯片的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，包括盒体、位于盒体内的光学机构以及外置于盒体外的驱动电路模块，盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，准直镜用于将入射光反射给光栅，光栅用于进行分光给聚焦镜，聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，CCD探测器用于将光信号转换成电信号，驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，CCD探测模块连接着信号调理电路模块，信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，上位机用于根据数字信号进行光谱成像；CCD探测模块和FPGA系统之间设置有时序电平转换模块，时序电平转换模块用于对CCD探测模块的电压进行稳压；盒体的狭缝口处设置有聚焦透光镜；准直镜位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处。

本实施例中上述光学机构是经过创新设计而成，基于光谱仪光学系统的经典微型光学路线即Czerny-Turner光学系统为基础，Czerny-Turner光学系统具体可参考图5，首先确定其各个元件的参数，具体参数如图4所示。

如图3所示，光学机构具体的设计过程包括如下步骤：

1、根据YY 0669-2008中标出，用于新生儿黄疸蓝光治疗的设备的光谱波长范围值400-550nm之间，考虑到其可能会在紫外部分掺杂一定波长的光，将用于检测其光谱波长范围内的光谱仪的工作波长设计在300-700nm之间，且分辨率按照其要求不高于5nm。光谱仪光栅常数与波长关系满足关系：

其中m为衍射级数，在计算中通常取1，当工作光谱波长最大为700nm时，其光栅刻度线最大不应该超过1428线/毫米，按照经验在600线/毫米处最符合设计要求，所以现取400nm,600nm,800nm,1000nm，1200nm进行一级衍射仿真，选出合适的光栅常数d。

2、本实施例中准直镜和聚焦镜都采用球面镜，其材质采用金属膜反射镜，设计在工作波长的光准直后照射到光栅上选取合适的入射角i和衍射角θ的夹角Φ，即i+θ的值，令i+θ＝Φ，根据光栅的衍射方程计算出i、θ的设计值。

光栅的衍射方程为：d(sini-sinθ)＝mλ。

其中，d为光栅线对数；m为衍射等级，本实施例中取m＝1；λ为入射光波长。

3、根据闪耀波长λ_B和工作波长λ的关系选取合适的λ_B的值：

当工作光谱波长最大为700nm时，其光栅刻度线最大不应该超过1428线/毫米，按照经验在600线/毫米处最符合设计要求，故分光光栅选用600刻线/毫米，闪耀波长为400nm(依据公式

)的衍射光栅来实现300-700nm工作波长的范围的要求，由刻线行成的狭缝将不同波长的光利用衍射原理色散成不同衍射角的光。本实施例中分光光栅选用玻璃制作。

4、利用分辨率和准直镜的关系确定准直镜焦距，

对市面上已有的微型光谱仪做统计可以得出，将狭缝的宽度设计为25um可以即保证入射光强度又可以得到有效的分辨率，分辨率取不大于5nm的值，本实施例中分辨率取4nm，由于入射角的值很小这里cosi＝1，故可以计算出准直镜焦距f₁＝41.75mm，最终取其焦距为45mm。

5、根据线色散函数求出聚焦镜的焦距f₂：

其中，θ为探测器的面倾角，λ₁,λ₂为工作波长最小值、最大值；n为光栅线对数的倒数。

本实施例中在设计时取θ＝0方便计算，求得f₂＝43.71mm，最终取聚焦镜的焦距f₂为45mm。

6、根据消慧差公式，计算出准直球面镜的离轴倾角

和聚焦球面镜的离轴倾角

消慧差公式为：

其中，R₁,R₂为准直镜和聚焦镜的曲率半径；α₁,α₂为离轴倾角；i为入射角。

7、根据球差判据公式求出准直球面镜的口径D1；依据从准直球面镜发射的光恰好都能被光栅接受来确定光栅宽度W；依据从光栅发出的衍射光的工作波长的最大值和最小值恰好能在聚焦球面镜的两个边缘处被接受来确定聚焦球面镜的口径D2。其光学示意图具体如图7所示。

8、根据计算得到的参数值，确定各个元件的相对位置，依据场曲公式可以算出AB和AG，

(狭缝在准直镜的子午焦距点上可以减小成像误差)，BD＝f₂。

本实施例中计算得到的光学机构参数，将对应的准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块分别安装于盒体内，其具体的过程为：

首先是选择盒体，本实施例中光谱仪盒体为涂有遮光漆的金属材质，为了防止在测量光源的照射下从盒体其他位置进入光线而产生干扰，狭缝口刻于盒体顶面的中央处，狭缝口上置有聚焦透光镜，用于将光导入到准直镜上，提高光利用效率。

如图6所示，光学机构在盒体内采用竖直空间排布方式：准直镜4的位置位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处，准直镜4的第一固定底座3将准直镜4固定并偏斜一定角度；光栅6通过第二固定底座7固定在盒体的左面并偏斜一定角度；聚焦镜2通过第三固定底座1固定在盒体的右面并偏斜一定角度；CCD探测器5安装在盒体的左面位于光栅6的下方并使其接受面对于盒体右面，其排针通过左面向外引出连接信号调理电路模块。

本实施例中CCD探测器和光电探测器驱动系统的各个部分的情况如下：

CCD探测器：CCD采用TC1340DG,该探测器的波长响应峰值在550nm处，比较符合所需测量的工作波长范围，CCD以光电效应为原理将接受到的光信号转换成电信号，根据不同光的波长产生不同的响应，将其区分开。其应用电路原理具体如图8所示。

时序电平转换模块：本实施例中CCD的驱动电压为5V，主控制芯片的I/O口电压为3.3V，在进行控制时需要将电平转换，本实施例时序电平转换模块采用74HC04电平转换芯片将电压进行稳压，其电路原理具体如图9所示。

信号调理电路：因为从CCD获取的电信号还是一种微弱的，需要将其进行放大等相关信号处理工作，本实施例选用AD放大芯片AD4807-1作为信号调理电路，其电路原理具体如图10所示。

ADC模数转换器：其采用A/D模块将CCD输出的时间上离散的模拟信号转换成能够被计算机识别的二进制数字信号。模数转换过程分为采样、保持、量化三部分，总过程表示为：采样、保持样值信号至量化结束、量化完成并输出二进制值。本实施例中A/D转换模块采样的型号为AD9945,是12位40MSPS的ADC、三线式串行数字接口、3V单电源供电、低功耗等的高性能ADC。按照其数据手册，设计的电路原理具体如图11所示。

USB控制芯片：USB控制模块是连接上位机的控制接口，USB用一个4针插头作为标准插头，VUSB和GND是5V的电源和地，而VD+和VD-是一对3.3V的差分信号线。USB相对于其他传统数据传输方式，其优点有：传输速度快、支持热插拔、连接灵活、易于扩展、优秀的电源管理、良好的兼容性、成本低。

该部分USB模块采用了CH372USB控制芯片，该芯片具有8个读写数据位，并配备简洁的数据传输控制指令，内置USB的通讯协议，这使得在光谱仪的软件开发上提供了良好的接口条件，在套件中提供了API，支持5V及3.3V电压供电，其设计电路具体如图12所示。

基于上述设计内容，本实施例中将设计好的光学系统元件按照参数要求进行选型购买，按照其相对位置、角度参数实施精确定位和夹持结构设计，将固定好的光学系统封装在密闭的、带有狭缝的箱体内，将设计好的光谱仪硬件电路PCB板嵌入在盒体内，保留USB接口，完成对整个光谱仪的封装。

基于上述设计内容，本实施例设计的专用光谱仪，与现有的通用光谱仪相比成本降低且不失工作精度；与现有的平面放置元件的方式相比，采用竖直空间排布放置元件，充分利用了空间大小，减小了设备体积；将狭缝置于盒体上面中央处，在狭缝前置有聚焦镜，可以在不用光纤传导的条件下直接将待测光源置于其正上方，方便了测量操作，简化了检测装置。

Claims (5)

1.一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，所述盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，所述准直镜用于将入射光反射给光栅，所述光栅用于进行分光给聚焦镜，所述聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，所述CCD探测模块用于将光信号转换成电信号，所述驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，所述CCD探测模块连接着信号调理电路模块，所述信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，所述ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，所述上位机用于根据数字信号进行光谱成像；

所述CCD探测模块和FPGA系统之间设置有时序电平转换模块，所述时序电平转换模块用于对CCD探测模块的电压进行稳压。

2.根据权利要求1所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述盒体的狭缝口处设置有聚焦透光镜。

3.根据权利要求2所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述准直镜位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处。

4.根据权利要求1所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述准直镜、光栅和聚焦镜分别通过第一固定底座、第二固定底座和第三固定底座安装在盒体内的底面、左侧面和右侧面上。

5.一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪的光学机构设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：确定工作波长、光谱分辨率和光栅常数；

S2：确定在工作波长的光经过准直后照射到光栅上选取合适的入射角i和衍射角θ的夹角Φ；

S3：根据光栅的衍射方程计算出i、θ的设计值，因为i+θ＝Φ；

S4：根据闪耀波长和工作波长的关系，得到闪耀波长的取值范围，选取闪耀波长的值；

S5：利用分辨率和准直镜的关系计算准直镜的焦距f₁；

S6：确定狭缝宽度，根据线色散函数求得聚焦镜的焦距f₂；

S7：根据消慧差公式，计算出准直镜的离轴倾角

和聚焦镜的离轴倾角

S8：根据球差判据公式求出准直镜的口径D1；依据从准直镜发射的光恰好都能被光栅接受来确定光栅宽度W；依据从光栅发出的衍射光的工作波长的最大值和最小值恰好能在聚焦镜的两个边缘处被接受来确定聚焦镜的口径D2；

S9：根据计算得到的参数值，确定光学机构中各个元件在盒体内的相对位置；

S10：将准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块参照获取的相对位置，分别安装在盒体内；

所述步骤S3中光栅的衍射方程具体为：

d(sin i-sinθ)＝mλ

其中，d为光栅线对数；m为衍射等级；λ为入射光波长；

所述步骤S6中线色散函数具体为：

其中，θ为探测器的面倾角，λ₁,λ₂为工作波长最小值、最大值；n为光栅线对数的倒数；

所述步骤S7中消慧差公式为：

其中，R₁,R₂为准直镜和聚焦镜的曲率半径；α₁,α₂为离轴倾角；i为入射角。

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