CN112914505A - 一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置及方法。该装置包括激光器、光纤、双微通道板光电倍增管、时间相关单光子计数的印刷电路板、光电倍增管和处理器。方法为：首先使用基于光学方法的骨质疏松症检测装置，得到650nm至2000nm的时间分辨透过率曲线；然后将得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为传输方程，得到每个波长的优化散射系数和吸收系数的值；最后将吸收光谱与骨骼中主要成分的光谱进行线性拟合，算出骨骼中骨矿物质、胶原、脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白的含量，以及血液总含量和血氧饱和度，评估是否存在骨质疏松。本发明具有无损伤、可定量骨组织成分、检测成本低、操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及骨质评估技术领域，特别是一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置及方法。
背景技术
骨质疏松症是由于多种原因导致的骨密度和骨质量下降，骨微结构破坏，造成骨脆性增加，从而容易发生骨折的全身性骨病。骨质疏松症通常会影响全身骨骼，最常见的是导致腕部、脊柱和臀部骨折。其研究表明，世界上每3分钟就有人因骨质疏松症而发生骨折，其中50岁以上女性每3名中有1名患有骨质疏松症，并且随着人口的老龄化，患病人数预计还会增多。
目前临床常用的骨质评估方法主要是双能X射线吸收测定法(Dual X-rayabsorptiometry,DXA)，可以提供骨质的BMD信息，但这些信息只能表征一部分的骨强度变化，无法表征骨微结构、骨弹性等同样决定骨折的重要因素，因此一些研究人员质疑BMD测量在预测骨折风险中的准确性。因此，光活检由于其固有的非侵入性和组织成分的光谱区分所具有的高信息含量，成为一种探测骨骼和关节病变的重要方法。但是，即使是几厘米的厚度，生物组织的扩散特性及其衰减也会阻碍使用标准技术对组织吸收特性的直接估计。研究表明，光学层析成像技术可重建手指关节的光学特性，具有诊断关节炎的潜在潜力。
对于骨质疏松症这一重大问题，研究人员利用光散射技术发现了骨头的散射系数与钙含量之间的关系，但这些结果是在干燥和变性的骨骼上体外获得的，同时还需要研究其在体内情况下的适用性以及有机基质产生的干扰。其他光学技术(如拉曼光谱法)已用于体外研究骨骼的病理变化，而在体内使用却几乎是不可行的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无损伤、定量骨组织成分、检测成本低、操作方便的基于光学方法的骨质疏松症检测装置及方法。
实现本发明目的对的技术及决方案为：一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置，包括激光器、光纤、双微通道板光电倍增管、时间相关单光子计数的印刷电路板、光电倍增管和处理器；
所述激光器发射出不同波长的激光，由光纤传播，其中：
90％以上入射光入射到样品上，样品下方设置有光纤接收透射光，光信号通过所述双微通道板光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
其余入射光耦合到光纤上，直接馈入所述光电倍增管，通过所述光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
时间相关单光子计数的印刷电路板记录仪器响应函数即IRF，最终得到650nm至2000nm的时间分辨透过率曲线，并发送至处理器进行数据处理。
进一步地，所述的激光器选用同步泵浦锁模染料激光器和蓝宝石激光器，入射光波长范围在650nm至2000nm之间。
进一步地，所述的光纤，包括用于传播的光纤和用于接收透射光的光纤两种，其中用于传播的光纤直径约为1mm，用于接收透射光的光纤直径为约5mm。
进一步地，所述的光纤的功率密度小于10mW。
进一步地，所述双微通道板光电倍增管的型号为日本滨松的R1564U，带有S1光电阴极。
进一步地，所述时间相关单光子计数的印刷电路板的型号为德国Becker&Hickl的SPC130。
一种基于光学方法的骨质疏松症检测方法，包括以下步骤，
步骤1、使用所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，得到650nm至2000nm 的时间分辨透过率曲线；
步骤2、将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，得到每个波长的优化散射系数和吸收系数的值；
根据比尔定律，吸光度等于吸光物质的浓度、吸收池光程长和吸收系数的乘积，由于吸光物质的浓度和吸收池光程长是固定值，因此吸光度正比于吸收系数，吸收系数与对应波长作图得到样品的吸收光谱；
步骤3、将吸收光谱与骨骼中包括骨矿物质、胶原、脂肪、水、含氧和脱氧血红蛋白的主要成分光谱进行线性拟合，反解出骨骼中骨矿物质、胶原、脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白的相对吸收比，以及血液总含量和血氧饱和度，评估是否存在骨质疏松。
进一步地，步骤2中所述的将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，具体如下：
使用外推边界条件，并且根据Furutsu和Yamada理论，扩散系数与介质的吸收特性无关；用IRF对理论曲线进行卷积，并归一化为实验曲线的面积，积分时间以曲线峰值的百分比为单位，时间范围从上升沿的80％开始到下降沿的1％；使用Levenberg-Marquardt算法进行最小二乘优化，得到最优的散射系数和吸收系数，实现最佳拟合。
进一步地，步骤3中所述的血液总含量和血氧饱和度，具体如下：
所述血液总含量为脱氧血红蛋白与含氧血红蛋白之和，所述血氧饱和度为含氧血红蛋白占血液总含量之比。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)无创伤性，与金标准DXA方法相比较，避免X射线透射，安全性好；(2)可以得到活体骨头中主要成分的含量，提高了对骨质量的评价能力；(3)可选择性的对骨松质部位进行评估。
附图说明
图1为本发明基于光学方法的骨质疏松症检测装置的结构示意图。
图2为本发明基于光学方法的骨质疏松症检测的实例图。
具体实施方式
结合图1～2，本发明一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置，包括激光器、光纤、双微通道板光电倍增管、时间相关单光子计数的印刷电路板、光电倍增管和处理器；
所述激光器发射出不同波长的激光，由光纤传播，其中：
90％以上入射光入射到样品上，样品下方设置有光纤接收透射光，光信号通过所述双微通道板光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
其余入射光耦合到光纤上，直接馈入所述光电倍增管，通过所述光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
时间相关单光子计数的印刷电路板记录仪器响应函数即IRF，最终得到650nm至2000nm的时间分辨透过率曲线，并发送至处理器进行数据处理。
进一步地，所述的激光器选用同步泵浦锁模染料激光器和蓝宝石激光器，入射光波长范围在650nm至2000nm之间。
进一步地，所述的光纤，包括用于传播的光纤和用于接收透射光的光纤两种，其中用于传播的光纤直径约为1mm，用于接收透射光的光纤直径约为5mm。
进一步地，所述的光纤的功率密度小于10mW。
进一步地，所述双微通道板光电倍增管的型号为日本滨松的R1564U，带有S1光电阴极。
进一步地，所述时间相关单光子计数的印刷电路板的型号为德国Becker&Hickl的SPC130。
一种基于光学方法的骨质疏松症检测方法，包括以下步骤，
步骤1、使用所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，得到650nm至2000nm 的时间分辨透过率曲线；
步骤2、将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，得到每个波长的优化散射系数和吸收系数的值；
根据比尔定律，吸光度等于吸光物质的浓度、吸收池光程长和吸收系数的乘积，由于吸光物质的浓度和吸收池光程长是固定值，因此吸光度正比于吸收系数，吸收系数与对应波长作图得到样品的吸收光谱；
步骤3、将吸收光谱与骨骼中包括骨矿物质、胶原、脂肪、水、含氧和脱氧血红蛋白的主要成分光谱进行线性拟合，反解出骨骼中骨矿物质、胶原、脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白的相对吸收比，以及血液总含量和血氧饱和度，评估是否存在骨质疏松。
进一步地，步骤2中所述的将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，具体如下：
使用外推边界条件，并且根据Furutsu和Yamada理论，扩散系数与介质的吸收特性无关；用IRF对理论曲线进行卷积，并归一化为实验曲线的面积，积分时间以曲线峰值的百分比为单位，时间范围从上升沿的80％开始到下降沿的1％；使用 Levenberg-Marquardt算法进行最小二乘优化，得到最优的散射系数和吸收系数，实现最佳拟合。
进一步地，步骤3中所述的血液总含量和血氧饱和度，具体如下：
所述血液总含量为脱氧血红蛋白与含氧血红蛋白之和，所述血氧饱和度为含氧血红蛋白占血液总含量之比。
本发明利用光活检对骨质量进行评估，与传统骨质评估技术相比，对人体无损伤，可以得到骨头中主要成分的含量，为骨质疏松的诊断提供更为准确的帮助。
Claims (9)
1.一种基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，包括激光器、光纤、双微通道板光电倍增管、时间相关单光子计数的印刷电路板、光电倍增管和处理器；
所述激光器发射出不同波长的激光，由光纤传播，其中：
90％以上入射光入射到样品上，样品下方设置有光纤接收透射光，光信号通过所述双微通道板光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
其余入射光耦合到光纤上，直接馈入所述光电倍增管，通过所述光电倍增管和所述时间相关单光子计数的印刷电路板进行检测；
时间相关单光子计数的印刷电路板记录仪器响应函数即IRF，最终得到650nm至2000nm的时间分辨透过率曲线，并发送至处理器进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，所述的激光器选用同步泵浦锁模染料激光器和蓝宝石激光器，入射光波长范围在650nm至2000nm之间。
3.根据权利要求1所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，所述的光纤，包括用于传播的光纤和用于接收透射光的光纤两种，其中用于传播的光纤直径约为1mm，用于接收透射光的光纤直径约为5mm。
4.根据权利要求1所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，所述的光纤的功率密度小于10mW。
5.根据权利要求1所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，所述双微通道板光电倍增管的型号为日本滨松的R1564U，带有S1光电阴极。
6.根据权利要求1所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，其特征在于，所述时间相关单光子计数的印刷电路板的型号为德国Becker&Hickl的SPC130。
7.一种基于光学方法的骨质疏松症检测方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1、使用权利要求1～6任一项所述的基于光学方法的骨质疏松症检测装置，得到650nm至2000nm的时间分辨透过率曲线；
步骤2、将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，得到每个波长的优化散射系数和吸收系数的值；
根据比尔定律，吸光度等于吸光物质的浓度、吸收池光程长和吸收系数的乘积，由于吸光物质的浓度和吸收池光程长是固定值，因此吸光度正比于吸收系数，吸收系数与对应波长作图得到样品的吸收光谱；
步骤3、将吸收光谱与骨骼中包括骨矿物质、胶原、脂肪、水、含氧和脱氧血红蛋白的主要成分光谱进行线性拟合，反解出骨骼中骨矿物质、胶原、脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白的相对吸收比，以及血液总含量和血氧饱和度，评估是否存在骨质疏松。
8.根据权利要求7所述的基于光学方法的骨质疏松症检测方法，其特征在于，步骤2中所述的将步骤1得到的透过率数据与基于对辐射传递理论的扩散近似解拟合为均匀介质的传输方程，具体如下：
使用外推边界条件，并且根据Furutsu和Yamada理论，扩散系数与介质的吸收特性无关；用IRF对理论曲线进行卷积，并归一化为实验曲线的面积，积分时间以曲线峰值的百分比为单位，时间范围从上升沿的80％开始到下降沿的1％；使用Levenberg-Marquardt算法进行最小二乘优化，得到最优的散射系数和吸收系数，实现最佳拟合。
9.根据权利要求7所述的基于光学方法的骨质疏松症检测方法，其特征在于，步骤3中所述的血液总含量和血氧饱和度，具体如下：
所述血液总含量为脱氧血红蛋白与含氧血红蛋白之和，所述血氧饱和度为含氧血红蛋白占血液总含量之比。
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