CN112741600B - 一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，包括人机交互模块、近红外LD耦合光纤、APD耦合光纤、生物组织固定装置和测距模块；其中近红外LD耦合光纤通过光纤耦合接口与LD光源耦合来发射近红外光，APD耦合光纤通过光纤耦合接口与APD耦合用来采集经反射后的近红外光，测距模块的测距管与生物组织固定装置连接，LD耦合光纤可伸入测距模块的测距管；使用者通过按键向FPGA输入指令，FPGA根据输入指令来操控设备的开始、光频率和结束。本发明是一款成本低、微型化、无创的频域近红外光检测装置，可满足研究者的基本需求。

Description

一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置
技术领域
本发明涉及近红外光谱检测技术领域，主要涉及一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置。
背景技术
生物组织的光学参数，如生物组织对光的吸收系数和散射系数，因生物组织的复杂性而不同。fNIRS因具有无创、低成本、优良的时间分辨率和空间分辨率等优势，在最近十几年的时间里快速发展，成为一种新兴的具有潜力的无创功能检测技术。频域fNIRS技术于1990年提出该方法使用高频近红外光对生物组织进行照射，测量出反射光的强度和相位，通过对比入射光和出射光的强度衰减和相位延迟来获得生物组织的光学信息，代入由玻尔兹曼辐射方程推导出的标准扩散近似方程来得到生物组织的吸收系数和散射系数，进而计算得出HbO2和Hb的绝对浓度。1998年，美国ISS公司研发了第一套商用的单通道频域近红外光血氧计Oxiplex，之后一些大学和公司也相继研发了频域近红外光谱术成像系统。
伊利诺伊的研究小组研发出一套频域近红外光谱成像系统，由16个光强度调制光源和2个探测器构成，可实现对人体大脑皮层运动区激活时的实时成像，在2001年，这套仪器被美国ISS公司首先商用，升级到128通道，这是频域多通道近红外光谱术的唯一商用系统。频域fNIRS技术可获得更多的生物组织信息，但是需要大量高频设备，同时该设备的便捷性同样重要，然而由于商用频域近红外光谱系设备价格高昂且系统复杂程度较高导致了很多研究者不能从事相关方面的研究，不能被广泛使用。
发明内容
发明目的：为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，该装置简单便携、无创、价格低廉，能够稳定地输出设定频率的近红外光、检测出生物组织光学参数。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，包括人机交互模块、近红外LD耦合光纤、APD耦合光纤、生物组织固定装置和测距模块；所述人机交互模块包括FPGA主控芯片，所述FPGA主控芯片一段输出通过高速DA转换模块与近红外LD驱动电路输入相连；所述近红外LD驱动电路输出端连接有近红外LD光源；所述近红外LD光源与近红外LD耦合光纤耦合；所述APD耦合光纤一端通过APD光电转换电路连接至锁相模块；所述锁相模块输出端通过高速AD转换模块输入至FPGA主控芯片；
所述测距模块包括第一测距管和第二测距管；近红外LD耦合光纤插入第一测距管中，APD耦合光纤插入第二测距管中；所述第一测距管和第二测距管管壁均刻有测量刻度；所述生物组织固定装置供测距模块插入测量。
进一步地，所述FPGA主控芯片分别与操作按键、显示屏和数码管连接；所述操作按键的输出端与FPGA主控芯片的信号输入端电连接，所述显示屏和数码管的输入控制端分别与FPGA主控芯片的信号输出端电连接。
进一步地，所述生物固定装置为四周及底部密封的长方体容器，其中四周及底部内侧采用镜面材料，内部反射近红外光；所述生物固定装置顶部固定设置有透明玻璃，透明玻璃上开有与第一测距管和第二测距管匹配的通孔。
进一步地，所述近红外LD光源的波长范围为780～1300nm，光强的变化范围为0～10mW，近红外LD光源频率可调节范围为800kHz～1.5MHz。
进一步地，所述LD光源耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm；所述APD耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm。
有益效果：
本发明将频域近红外光检测技术运用于生物组织的光学信息检测，是一款成本较低、微型化、无创的频域近红外光检测装置。采用近红外LD作为输出光源，该光源的输出功率在阈值电流和工作电流之间的线性程度非常好，适用于生物医疗检测领域。本装置中采用高速AD/DA芯片可输出和采集频率较高的信号，一定程度上提高了设备的性能。对研究频域近红外光谱技术在生物组织光学信息上的检测具有重要意义。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明中人机交互模块结构示意图；
图3是本发明中生物组织固定装置和测距模块示意图。
附图标记说明：
1-第一测距管；2-第二测距管；3-透明玻璃板；4.1-左侧板；4.2-前板；4.3-右侧板；4.4-后板；4.5-底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，包括人机交互模块、近红外LD耦合光纤、APD耦合光纤、生物组织固定装置和测距模块。人机交互模块包括FPGA主控芯片，所述FPGA主控芯片一段输出通过高速DA转换模块与近红外LD驱动电路输入相连；所述近红外LD驱动电路输出端连接有近红外LD光源；所述近红外LD光源与近红外LD耦合光纤耦合；所述APD耦合光纤一端通过APD光电转换电路连接至锁相模块；所述锁相模块输出端通过高速AD转换模块输入至FPGA主控芯片。使用者通过操作按键向FPGA输入指令，FPGA根据使用者输入的指令来调控设备的开始、正弦光的频率和结束。在本例中，近红外LD光源的波长范围为780～1300nm，光的正弦波动频率调节范围为800kHz～1.5MHz，光强的调节范围为0～10mW。LD光源耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm；所述APD耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm。
FPGA主控芯片分别与操作按键、显示屏和数码管连接；所述操作按键的输出端与FPGA主控芯片的信号输入端电连接，所述显示屏和数码管的输入控制端分别与FPGA主控芯片的信号输出端电连接。如图2所示，操作按键包括开关键、复位键、开始键、光频率加键、光频率减键、停止键；开关键用于控制装置电源的启动和关闭，复位键用于将装置的状态设置为初始状态，开始键用于对LD驱动电路施加输入信号以使近红外LD光源发光，光频率加减键用于调节近红外LD光源发出的光的正弦频率，停止键用于停止近红外LD光源输出光。显示屏用于显示生物组织光学参数信息(约化散射系数、吸收系数)、设定的近红外光频率。数码管用于显示运行时间。
测距模块包括第一测距管和第二测距管；近红外LD耦合光纤插入第一测距管中，APD耦合光纤插入第二测距管中；所述第一测距管和第二测距管管壁均刻有测量刻度；所述生物组织固定装置供测距模块插入测量。如图3所示，1为近红外LD耦合光纤传输光的第一测距管，其外壁有分辨率为0.5mm的刻度，该测距管用来测近红外LD耦合光纤的头部与生物组织薄片表面之间的距离，用于后续数据的处理，待测距管插入固定装置指定位置后，测距管管壁上的刻度恰能与实际距离对应起来。2为APD耦合光纤采集光的第二测距管，同管1，反映的是APD耦合光纤头与生物组织薄片表面之间的距离。3为一透明玻璃作为固定模块的顶部，从该处可以方便使用者看到光纤头与生物组织薄片之间的距离。4.1～4.5为镜面作为固定模块四周的内部，其作用是减少反射光的损失，以便APD耦合光纤采集经过生物组织薄片表面漫反射后的近红外光。
本发明提供的近红外光检测装置工作流程如下：
首先，接通频域近红外光检测装置电源，按下开关键，此时电源指示灯亮起，显示屏上显示电源正常，接着按下复位键，数码管上显示的运行时间为零，显示屏上显示的近红外光未施加。
然后将生物组织薄片固定在装置中，接着将测距模块的两根测距管插入固定装置的两个孔内并调整距离，然后将近红外LD耦合光纤和APD耦合光纤分别插入固定装置的两个测距管内并调整光纤与生物组织之间的距离，此时通过光频率加减键来设置近红外LD光源输出光的频率，然后按下开始键，近红外LD光源开始输出相应频率的近红外光，此时，数码管开始显示运行时间，显示屏显示近红外光的频率、该生物组织的约化散射系数和吸收系数。
最后，按下停止键，结束近红外LD光源的输出，然后按下开关键，断开电源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，其特征在于，包括人机交互模块、近红外LD耦合光纤、APD耦合光纤、生物组织固定装置和测距模块；所述人机交互模块包括FPGA主控芯片，所述FPGA主控芯片一端输出通过高速DA转换模块与近红外LD驱动电路输入相连；所述近红外LD驱动电路输出端连接有近红外LD光源；所述近红外LD光源的波长范围为780～1300nm，光强的变化范围为0～10mW，近红外LD光源频率可调节范围为800kHz～1.5MHz；所述近红外LD光源与近红外LD耦合光纤耦合；所述APD耦合光纤一端通过APD光电转换电路连接至锁相模块；所述锁相模块输出端通过高速AD转换模块输入至FPGA主控芯片；
所述测距模块包括第一测距管和第二测距管；近红外LD耦合光纤插入第一测距管中，APD耦合光纤插入第二测距管中；所述第一测距管和第二测距管管壁均刻有测量刻度；所述生物组织固定装置供测距模块插入测量。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，其特征在于，所述FPGA主控芯片分别与操作按键、显示屏和数码管连接；所述操作按键的输出端与FPGA主控芯片的信号输入端电连接，所述显示屏和数码管的输入控制端分别与FPGA主控芯片的信号输出端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，其特征在于，所述生物组织固定装置为四周及底部密封的长方体容器，其中四周及底部内侧采用镜面材料，内部反射近红外光；所述生物组织固定装置顶部固定设置有透明玻璃，透明玻璃上开有与第一测距管和第二测距管匹配的通孔。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量生物组织光学参数的频域近红外光检测装置，其特征在于，所述LD光源耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm；所述APD耦合光纤的长度为500mm，外侧设有保护层，靠近测距管一端光纤裸露，裸露部分长度为100mm。
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