CN112294255A - 一种基于可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式提供了一种利用可见光通信方法与计算机中模式识别等新技术，探测人体器官中异物的系统与方法。该方法在原理上不同于以往采用喉镜或者肠镜等方法，它不是直接传输咽喉或者肠道中的图像信息，而是将人体器官看作一个信道，将调制了电信号的可见光信号发送出去，由于咽喉或大肠等人体器官可以反射可见光信号，因此，通过检测反射的可见光信号，并把它转化为电信号，通过对比发送和接收电信号的特征，得到可见光通信信道响应函数。由于在人体器官中加入异物时，该函数会发生改变，因此可以通过该函数的改变来检测异物是否存在。该方法利用了可见光通信和人工神经网络技术，无论是传感还是信息检测，相对于已有技术均有较大突破。

Description

一种基于可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统与 方法

技术领域

本发明涉及一种可见光传感系统，特别涉及利用可见光传感系统进行医学检测的应用领域。

背景技术

纤维喉镜是目前在耳鼻咽喉科应用最广泛的导光纤维内镜。纤维喉镜利用透光玻璃纤维的可弯曲性、纤维光束亮度强和可向任何方向导光的特点，制成镜体细而软的喉镜，光源用卤素灯的冷光源。纤维喉镜检查系统可经前鼻孔插入而检查鼻咽、口咽、喉咽和喉部，故又称之为纤维鼻咽喉镜。与喉镜类似，肠镜也可以利用导光纤维内镜来检测人体大肠和小肠中的异常情况。

但是喉镜和肠镜需要将较长的光纤插入到病人的咽喉或者肠道中，以此来检测咽喉或者肠道中是否存在异物。虽然光纤外面有一层较软的材质，能够减轻人体的痛苦，但是，毕竟是异物在人体中，病人会有种种不适应，甚至伴随呕吐等生理现象，影响诊断。

文献1提供一种多光谱切换光纤照明喉镜，包括喉镜把手，喉镜把手上设置有连接部件，连接部件机械连接并固定喉镜叶片。喉镜把手中设置有LED灯模块，LED灯模块包括多光谱LED灯，多光谱LED灯发出至少两种颜色的光谱。该光纤照明喉镜能够让医师根据不同的复杂使用环境，方便地切换不同颜色的光谱进行照明，以帮助医师更好地辨别喉部、气管及阻碍物，顺利地进行插喉手术或其他治疗。

文献2公开了一种带有光源和摄像头的直肠镜，该发明提供的直肠镜经肛门进入直肠，经摄像头传导到显示器后放大手术视野，病灶呈现清晰，可完成肿物切除、止血、缝合。

正是由于上述原因，研究新的咽喉与肠道中异物检测新原理、新系统和新设备是当前医用设备发展的一个关键问题。

参考文献：

1.郭岳荣，专利名称：一种多光谱切换光纤照明喉镜，申请号：201710134034.3。

2.程效林，专利名称：一种带有光源和摄像头的直肠镜，申请号：201710116377.7。

发明内容：

针对背景技术中的需求，本发明的目的在于提供一种利用可见光通信方法与计算机领域的模式识别等新技术，探测人体器官中异物的系统与方法。该方法在原理上不同于以往采用喉镜或者肠镜等方法，它不是直接传输咽喉或者肠道中的图像信息，而是将人体器官看作一个信道，将调制了电信号的可见光信号发送出去，由于咽喉或大肠等人体器官可以反射可见光信号，因此，通过检测反射的可见光信号，并把它转化为电信号，通过对比发送和接收电信号的特征，得到可见光通信信道响应函数。由于在人体器官中加入异物时，该函数会发生改变，因此可以通过该函数的改变来检测异物是否存在。以上原理如图1所示。

本发明的基本结构包括：

可见光发射模块(10)，包括包括LED电源驱动电路，LED数据发射机驱动电路和LED灯。LED电源驱动电路，用来提供适合LED发光要求的稳定驱动电压；LED数据发射机驱动电路，用来选择电信号波形集合(20)中的信号，并将其调制到LED灯珠上，最终发送出去；

电信号波形集合(20)，用来提供人体中异物探测时需要在LED上加载的基本信号波形；

可见光接收模块(30)，用于接收从待检测的人体器官中反射的可见光信号，并将其转化为电信号；

信息处理与识别模块(40)，用来结合可见光发射模块(10)的发送波形和可见光接收模块(30)接收到的可见光波形，计算得到待检测人体器官中的可见光通信信道响应函数，根据异物检测模式识别算法(50)对待检测人体器官中是否存在异物进行判别；待检测人体器官中的可见光通信信道响应函数为频域的传递函数；

异物检测模式识别算法(50)，用来从计算得到待检测的人体器官中的可见光通信信道响应函数，判决得到该待检测的人体器官中是否有异物，以及异物的大小等信息。

在该发明中，待检测的人体器官可以是咽喉、耳孔、鼻孔、大肠或小肠。例如，在吃饭时，将异物误吃入口中，进而进入咽喉；或是耳孔、鼻孔中有异物，或是大肠或小肠中有异物，均可以考虑采用该系统和方法进行检测。

考虑到可见光波在人体器官中传输的距离限制，所述LED灯珠可以是高功率LED灯珠，用来发送较强的可见光信号，从而提高可见光通信探测待检测的人体器官中异物到LED灯珠的距离。

考虑到可见光导入人体器官的便利性，可以在如下地方增加光纤等装置：

a)在可见光发射模块(10)之后加入柔性光纤等可见光传输装置；

b)在可见光接收模块(30)前加入柔性光纤等可见光传输装置；

c)同时加入a)和b)所述装置。

考虑到可见光导入人体器官的便利性，可以增加如下装置：

a)在可见光发射模块(10)之后加入灯罩；

b)在可见光接收模块(30)前加入可见光汇聚装置；

c)同时加入a)和b)所述装置。

进一步，本发明可以按照如下方法得到待检测人体器官中可见光信道响应函数：

a)选取正弦函数作为电信号波形集合(20)中的基本波形；

b)设定正弦函数的频率范围[f1，f2]；

c)将等幅度的正弦信号加载在可见光发射模块(10)上，将其转化为可见光信号；

d)利用可见光接收模块(30)接收频率范围[f1，f2]的可见光信号；

e)通过c)和d)的信号得到频率范围[f1，f2]的待检测的人体器官中的可见光通信信道响应函数。

进一步，本发明中异物检测模式识别算法可以包含人工神经网络，机器学习或者深度学习等人工智能类的算法。

进一步，在本系统工作之前，需要将下述信息提前输入到计算机的数据库，为异物检测模式识别算法(50)提供算法中的一些基本参数：

a)单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征，异物包括石块或金属等；

b)制作人体器官模型，将典型大小的异物放置于人体器官模型中，把单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征。

所述人体器官模型的材质可以选择与人体器官内壁光学特性接近的材质。

为了增强最终的检测效果，将如权利要求1所述的系统每次进入人体器官时的探测结果记录在计算机的数据库中作为下次判别的依据。

该方法利用了可见光通信的最新研究成果，同时结合了计算机技术中的人工神经网络技术，无论是传感还是信息检测，和现有方法均有较大差别。但是可见光对人体器官没有伤害，其传输系统价格低廉；人工神经网络等信息处理技术能够大幅度提升识别的准确程度，因此该系统和方法相对于已有技术具有突出的技术进步。

附图说明

根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：

图1是本发明提供的基于可见光波形模式识别探测人体器官中异物的基本原理示意图。

图2人体中咽喉结构示意图。

具体实施方式

1，利用本发明系统与方法进行咽喉异物检测的实施例：

图2是常见的人体中咽喉结构示意图，在常规的喉镜中，需要将光纤从鼻腔中插入，再进入咽喉部进行检测。而本发明的方法采用如图1所示的结构，将调制了某些波形的可见光信号对准咽喉发射，由于异物与人体器官组织构成不同，其反射可见光的特性也有所差异。根据石块、碎骨或金属等物体对可见光的吸收与反射等特性不同，在可见光接收模块(30)接收信号后，则可以结合信号的发射特性，对接收的由可见光转化的电信号进行识别。

为了提高检测的准确性，在本系统工作之前，可以将下述信息提前输入到计算机的数据库，为异物检测模式识别算法(50)提供算法中的一些基本参数：

a)单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征，异物包括石块或金属等；

b)制作人体器官模型，将典型大小的异物放置于人体器官模型中，把单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征。

所述人体器官模型的材质可以选择与人体器官内壁光学特性接近的材质。在实验检测前，可以利用人体器官模型进行反复实验，若采用人工神经网络技术，相当于反复训练滤波器中抽头系数值。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用多种不同的可见光装置来实现，信号处理方法也不局限于某一种。

Claims (10)

1.一种可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，包括：

可见光发射模块(10)，包括LED电源驱动电路，LED数据发射机驱动电路和LED灯；其中LED电源驱动电路，用来提供适合LED发光要求的稳定驱动电压，LED数据发射机驱动电路，用来选择电信号波形集合(20)中的信号，并将其调制到LED灯上，最终发送出去；电信号波形集合(20)，用来提供人体中异物探测时需要在LED上加载的基本信号波形；可见光接收模块(30)，用于接收从待检测的人体器官中反射的可见光信号，并将其转化为电信号；

信息处理与识别模块(40)，用来结合可见光发射模块(10)的发送波形和可见光接收模块(30)接收到的可见光波形，计算得到待检测人体器官中的可见光通信信道响应函数，根据异物检测模式识别算法(50)对待检测人体器官中是否存在异物进行判别；待检测人体器官中的可见光通信信道响应函数为频域的传递函数；

异物检测模式识别算法(50)，用来从计算得到待检测的人体器官中的可见光通信信道响应函数，判决得到该待检测的人体器官中是否有异物，以及异物的大小等信息。

2.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：待检测的人体器官可以是如下器官：

a)咽喉；

b)耳孔；

c)鼻孔；

d)大肠；

e)小肠。

3.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

所述LED灯可以采用高功率LED芯片，用来发送较强的可见光信号，从而提高可见光通信探测待检测的人体器官中异物到LED灯珠的距离。

4.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

考虑到可见光导入人体器官的便利性，可以在如下地方增加光纤等装置：

a)在可见光发射模块(10)之后加入柔性光纤等可见光传输装置；

b)在可见光接收模块(30)前加入柔性光纤等可见光传输装置；

c)同时加入a)和b)所述装置。

5.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

考虑到可见光导入人体器官的便利性，可以增加如下装置：

a)在可见光发射模块(10)之后加入灯罩；

b)在可见光接收模块(30)前加入可见光汇聚装置；

c)同时加入a)和b)所述装置。

6.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

可以按照如下方法得到待检测人体器官中可见光信道响应函数：

a)选取正弦函数作为电信号波形集合(20)中的基本波形；

b)设定正弦函数的频率范围[f1，f2]；

c)将等幅度的正弦信号加载在可见光发射模块(10)上，将其转化为可见光信号；

d)利用可见光接收模块(30)接收频率范围[f1，f2]的可见光信号；

e)通过c)和d)的信号得到频率范围[f1，f2]的待检测的人体器官中的可见光通信信道响应函数。

7.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

异物检测模式识别算法可以包含人工神经网络，机器学习或者深度学习等人工智能类的算法。

8.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

需要将下述信息提前输入到计算机的数据库，为异物检测模式识别算法(50)提供算法中的一些基本参数：

a)单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征，异物包括石块或金属等；

b)制作人体器官模型，将典型大小的异物放置于人体器官模型中，把单一频率电信号调制的可见光照射到常见的异物上，记录在不同距离上反射的频谱特征。

9.如权利要求1所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

将如权利要求1所述的系统每次进入人体器官时的探测结果记录在计算机的数据库中作为下次判别的依据。

10.如权利要求6所述的可见光波形模式识别探测人体器官中异物的系统，其特征在于：

所述人体器官模型的材质可以选择与人体器官内壁光学特性接近的材质。

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