CN113197574B - 一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近红外F‑theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，该装置主要用于监测人体手指血氧饱和度和层析血氧浓度的变化。该装置由光源模块、光学扫描模块、图像探测模块、控制与处理模块组成。通过光源模块在时间上依次出射双波长光束，经过光学扫描模块，其中该模块包含一种760nm～850nm波段的近红外F‑theta扫描场镜，从而实现对手指皮肤的快速二维扫描，再经过CCD探测器采集散射光强图像，最后经过图像处理重建，可以同时实现非接触式血氧饱和度和层析血氧浓度变化的监测。

Description

一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置

技术领域

本发明属于血氧监测装置领域，具体涉及一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置。该装置主要用于非接触式的血氧监测，该装置具有非接触式、血氧饱和度和层析血氧浓度变化同时重建、入射光点阵密集和能量集中以及扫描速度快的特点。适用于手指或者手腕不适合夹持患者的血氧监测，也适用于在体组织的实时动态的血氧参数层析测量与显示。

背景技术

血氧饱和度是反映人身体的健康状况的重要指标之一，血氧饱和度低会造成生理状况的不可逆的损伤。目前，主要的血氧监测装置是手指夹持式的血氧监测仪器和穿戴式的手腕血氧饱和度监测装置。但是接触式仪器对于一些手指和手腕不适合安放夹持装置的病人相对不便。

同时医院或者诊所进行基础的健康评估时，血氧饱和度值相比层析的血氧浓度变化显示仍显得不够直观。所以同时进行血氧饱和度监测和实现血氧饱和度的层析扫描重建会使得监测信息变得更丰富。公开号CN101816552A的专利申请公开的层析扫描方式为旋转待测样品，该方式不适用于检测在体的皮肤血氧层析参数。公开号CN102920434的专利申请公开的层析测量方式为入射光纤阵列和出射光纤阵列，缺点是接触式测量方法，且光纤阵列的数量限制了采集密度，最终导致层析精度的下降。公开号CN103271743A的专利申请公开的基于成像设备的非接触血氧饱和度测量方法涉及的照明方式光能量不集中，不利于检测反映血氧饱和度的出射光强信息。因此采用F-theta扫描场镜的方式，可以实现实时在体非接触式测量、提高入射点阵密度、提高反映血氧参数信息散射信号的强度。

目前用于血氧监测波段的F-theta扫描物镜设计较少，该场景所使用的扫描场镜要求不同视场出射的光斑形状大小一致，圈入能量集中，轴向色差小，具有负畸变。满足这样要求的扫描场镜能够提高层析血氧浓度变化监测的准确性。公开号CN101846791B的专利申请公开的一种单波长355nm的F-theta镜头，虽然视场和焦距都适用于人体皮肤的扫描，但是其为单波长场镜，轴向色差较大，会导致不同波长的光斑形状的不一致性和光能量的不集中性，不适用于血氧监测的扫描系统。

发明内容

为了解决目前使用的接触式血氧仪器存在的不足，如需要接触手指皮肤、血氧浓度变化不能层析直观显示，以及血氧参数层析装置扫描速度慢、入射光能量不集中和F-theta场镜轴向色差较大的问题，本发明提供了一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，在光学系统的扫描下，可以快速的实现实时的血氧监测和层析，该装置具有无需接触，不同波长的入射光斑形状一致、入射点阵密度大、能量集中和扫描速度快的特点。适合于临床对病人的监测，同时也适合医院诊所对普通患者的健康评估。该技术方案是这样实现的：

一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，用于非接触式的血氧监测，该装置由光源模块、光学扫描模块、图像探测模块、控制与图像处理模块组成。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，所述的图像探测模块由三个探测组组成，所述的两个LED光源连接光开关，通过光开关控制两个光波长的出射时间；光束经过准直透镜出射，再经过二维扫描振镜对光路进行偏转，光线再经过近红外F-theta扫描场镜，从而实现聚焦光斑在手指皮肤上线性扫描。三个探测组接收光强信号，经过图像处理算法重建血氧饱和度和层析血氧浓度的变化，所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的光学扫描模块的准直透镜工作波段覆盖760nm～850nm，经过准直模块的出射光束直径为8mm～10mm，所述一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的光学扫描模块的一种760nm～850nm波段的近红外扫描场镜由三组透镜组成，工作波段760nm～850nm，焦距为100mm，视场2ω＝30°，入瞳距50mm，后顶截距为90mm。扫描线视场40mm×40mm，所述的一种760nm～850nm波段的近红外扫描场镜从光源入射方向开始，包括第一透镜组G1、第透镜组G2、第三组透镜组G3。其中所述的第一透镜组焦距-443mm，第二透镜组焦距41mm，第三透镜组焦距-65mm，系统总焦距为100mm。其中所述的第一透镜组包括第一透镜：负光焦度双胶合透镜，所述的第二透镜组包括第一透镜：正光焦度双凸透镜，第二透镜：正光焦度双凸透镜；第三透镜组包括第一透镜：负光焦度双凹透镜，第二透镜：凹面朝向入射光的负光焦度弯月透镜。

作为本发明进一步的，第一透镜组的第一透镜的第一表面S1曲率半径为-24.03mm，第一透镜的第二表面S2曲率半径为-44.68mm；第一透镜的第三表面S3曲率半径为-30.67mm，第一透镜的第一表面与第二表面的中心厚度的d1为2.94mm；材料折射率为1.78，阿贝数为25.75；第一透镜的第二表面S2与第三表面S3的中心厚度d3为7.39mm，材料折射率为1.77，阿贝数为49.60。

作为本发明进一步的，第二透镜组的第一透镜的第一表面S4曲率半径为884.96mm，第二透镜的第二表面S5曲率半径为-59.98mm；第一透镜的中心厚度d5为7.18mm；材料折射率为1.74，阿贝数为35.02。

作为本发明进一步的，第二透镜组的第二透镜的第一表面S6曲率半径满足84.25mm；第二透镜的第二表面S7曲率半径为-204.19mm；第二透镜的中心厚度d7为6.30mm，材料折射率为1.71，阿贝数为53.86。

作为本发明进一步的，第三透镜组第一透镜的第一表面S8曲率半径为-96.42mm；第一透镜的第二表面S9曲率半径为111.40mm；第一透镜的中心厚度d9为2.92mm；材料为折射率为1.84，阿贝数为23.82。

作为本发明进一步的，第一透镜组的第二透镜与第二透镜组的第一透镜的空气间隔d4为0.06mm，第二透镜组的第一透镜与第二透镜的空气间d6隔为0.32mm，第二透镜组的第二透镜与第三透镜组的第一透镜的空气间隔d8为2.15mm，第三透镜的第一透镜第二透镜的空气间隔d10为6.00mm，第三透镜组的第二透镜与像面的空气间隔d12为97.34mm。

作为本发明进一步的，各所述曲率半径的公差范围、各所述透镜厚度的公差范围、各所述空气间隔的公差范围、各所述材料折射率的公差范围、各所述材料阿贝数的公差范围均为±5％。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的图像探测模块由三组CCD探测器组成，第一组在Z轴0度方向，第二组绕X轴逆时针旋转125°，第三组绕X轴逆时针旋转215°，同步信号连接光开关和三个CCD探测组，同步采集图像光强信号。探测器可以使用1～3个，血氧饱和度模式可以只开机2～3，血氧层析模式开机1～3。

2、本发明通过设置所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的控制与处理模块的控制系统控制光开关的时序动作，每隔100ms切换一次波长。

3、本发明通过设置所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的图像探测模块的探测器与手指的距离50mm～150mm。

4、本发明通过设置所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置的控制模块对振镜进行二维偏转控制。进行层析血氧浓度监测时，振镜X轴转角从42.15°～47.85°，Y轴转角42.15°～47.85°，覆盖手指10mm×10mm的面积。

5、本发明通过设置所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置使用光电容积脉搏波描记法，利用动脉在舒张和收缩时血氧蛋白的变化，间接得到吸收光强的多少，根据反射光强的变化量记作交流分量，根据反射光强的最小平稳量记作直流分量。

6、本发明通过设置所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置使用连续光扫描方法，通过入射点位置的不同，出射光强采集位置的不同，实现光源-探测器对的矩阵数据采集，从而与正向问题的雅可比矩阵进行最小化迭代，得到组织的层析吸收系数。在两个波长的入射下，得到两组吸收系数，两波长吸收系数的变化量可以作为血氧蛋白和脱氧血红蛋白变化量的数据。

所述的LED光源不限于760nm和850nm，LED1波长可以在805nm两侧50nm范围内的双光波长均适用于血氧的监测。所述的准直透镜入射的物方数值孔径不限于0.25，可以增大数值孔径从而实现更大的出射准直光束直径，出射准直光束直径范围在8mm～10mm。所述的平场透镜距离手指皮肤上表面的距离在100mm，实现了非接触式扫描，该装置不限于增大平场透镜的焦距，使之增大场镜与皮肤的距离。所述的图像分析模块，可以更多地划分子区域进行平均光强的计算，不限于设置16个子区域。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的特点和效果：

1.该装置是一种非接触扫描式的血氧监测方法，可以实现非接触式高速扫描，能够同时监测血氧饱和度和层析血氧浓度的变化。

2.该装置包含一种近红外扫描场镜，保证出射聚焦光斑扫描的线性、形状大小的一致性、圈入能量的集中性，同时能够提供灵活的扫描面积，从而提高采集系统的稳定性和精度

附图说明

图1为本发明的实现形式图；

图2是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜结构图。

图3是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜光线追迹图。

图4是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的点列图。

图5是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的场曲、畸变图。

图6是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的传递函数曲线。

图7是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的圈入能量曲线图。

图8是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的轴向像差。

图9是本发明装置的近红外F-theta扫描场镜的离焦点列图。

图10是本发明装置的血氧饱和监测度算法。

图11是本发明装置的层析血氧浓度变化监测重建算法。

图12是本发明装置的血氧层析监测方式的入射光扫描皮肤位置图示。

图13是本发明装置的血氧层析监测方式的探测器图像子区域划分。

图中：Ⅰ为光源模块：1：760nmLED光源；2：850nmLED光源；3：2×1光开关；4：出射光纤；Ⅱ为光学扫描模块：5：准直透镜；6：X轴扫描振镜；7：Y轴扫描振镜；8：二维扫描振镜；9：近红外F-theta扫描场镜；Ⅲ为图像探测模块：10：人体手指；11：760、850nm双波长可切换滤光片1；12：CCD1；13：760、850nm可切换滤光片2；14：CCD2；15：760、850nm可切换滤光片3；16：CCD3；Ⅳ为控制与图像处理模块：17：控制系统；18：图像采集处理系统；19：显示系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，该装置由光源模块(Ⅰ)、光学扫描模块(Ⅱ)、图像探测模块(Ⅲ)：控制与图像处理模块(Ⅳ)构成；

光源模块(Ⅰ)由760nmLED光源(1)、850nmLED光源(2)、2×1光开关(3)、出射光纤(4)组成；

光学扫描模块(Ⅱ)由准直透镜(5)、X轴扫描振镜(6)、Y轴扫描振镜(7)、二维扫描振镜(8)、近红外F-theta扫描场镜(9)组成；

图像探测模块(Ⅲ)由人体手指(10)、760、850nm可切换滤光片1(11)、CCD1(12)、760、850nm可切换滤光片2(13)、CCD2(14)、760、850nm可切换滤光片3(15)、CCD3(16)组成。

Ⅳ为控制与图像处理模块：由控制系统(17)、图像采集处理系统(18)、显示系统(19)组成；

控制系统(17)的控制信号使光源模块的两个LED1(1)、LED2(2)同时打开，并一直处于开启状态，控制系统(17)的控制信号控制光开关(3)使得交替出射两个波长，时间间隔设为100ms，光束经过光开关的尾纤后再经准直透镜出射，准直光束到达振镜的X轴偏转反射镜(X轴反射镜控制光束的X轴偏转)，Y轴反射镜(Y轴反射镜控制光束的Y轴偏转)，之后经过近红外扫描场镜(9)，光束经过平场透镜聚焦到人体手指(10)的上表面；

扫描方式分为以下两种：

第一种是血氧饱和度监测，扫描位置为固定的一个位置点，X轴振镜和Y轴振镜均在45°方向，

第二种是层析血氧浓度的监测，X轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°,Y轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°进行离散扫描，入射光斑聚焦在皮肤表面。对应的线视场的扫描点阵间隔1mm，沿X轴扫描5个点阵，沿Y轴扫描5个点阵，共组成5×5个扫描入射点阵。

探测方式分为以下两种：

第一种是血氧饱和度监测，控制信号控制CCD2和CCD3同时启动，在每一个波长的时间内，滤光片切换到该波长透射范围，两个探测器各拍摄十幅图像。

第二种是层析血氧浓度的监测，控制信号控制CCD1、CCD2和CCD3同时启动，每扫描到一个位置点，三个探测器各拍摄一幅图像。

近红外扫描场镜具体实施方式表1所示。

扫描场镜各种参数：

表1.近红外扫描场镜具体参数

与上述实施例设计对应的其他参数如下：

工作波段760nm～850nm，焦距为100mm，全视场2ω＝23°，入瞳距50mm，后顶截距为90mm，扫描线视场40×40mm。

根据上述实施例的设计，得出图3～图9的扫描场镜性能仿真数据。

图3是扫描场镜光线追迹图。

图4是近红外F-theta扫描场镜的点列图。

图5是近红外F-theta扫描场镜的场曲畸变，场曲不超过0.2，校准的F-theta畸变小于0.01％。

图6是近红外F-theta扫描场镜的传递函图，三个视场传递函数均靠近衍射极限。

图7是近红外F-theta扫描场镜的圈入能量图，85％以上的能量在18μm半径范围内。

图8是近红外F-theta扫描场镜的轴向像差图，760nm和850nm的光线在0.707处的轴向色差像差为零。

图9是近红外F-theta扫描场镜的离焦点列图，离焦5mm和10mm时，三个视场的光斑的形状基本为圆形。

血氧饱和度监测算法图10所示，实施步骤如下：

Step1、控制模块控制LED1和LED2同时打开，手指放置在样品探测位置。

Step2、控制模块控制光开关以时序工作，两波长的切换时间100ms。

Step3、在LED1波长下，X轴振镜和Y轴振镜均在45°方向，保持入射光斑位置位于手指上表面皮肤的中心点位置。

Step4、在LED2波长下，X轴振镜和Y轴振镜均在45°方向，保持入射光斑位置位于手指上表面皮肤的中心点位置。

Step5、CCD2和CCD3在光开关动作之后，每一个波长下，采集10幅图像。

Step6、对时间序列图像进行统计光强均值，并绘制光强曲线，取最小值为平稳分量，差值最大为交流分量。

Step7、根据测得曲线的光强均值，计算得

根据R值曲线，即可得到血氧饱和度数值。

层析血氧浓度监测算法如图9所示，具体实施步骤如下：

Step1、控制模块控制LED1和LED2同时打开。

Step2、控制模块控制光开关以时序工作，两波长的切换间隔时间100ms。

Step3、在LED1波长下，扫描位置点从起始点开始，X轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°，Y轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°进行离散扫描，入射光斑聚焦在皮肤表面。对应的线视场的扫描点阵间隔1mm，沿X轴扫描5个点阵，沿y轴扫描5个点阵，共组成5×5个扫描入射点阵。在LED2波长下，扫描位置点从起始点开始，X轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°,Y轴振镜从43.86°方向偏转到46.14°方向，每隔0.57°进行离散扫描，入射光斑聚焦在皮肤表面。对应的线视场的扫描点阵间隔1mm，沿X轴扫描5个点阵，沿Y轴扫描5个点阵，共组成5×5个扫描入射点阵。

Step4、CCD1、CCD2和CCD3在光开关动作之后，每一个波长时间工作下，每扫描一个位置点对应的采集1幅图像。

Step5、对三幅图像的每幅图像进行区域划分为10个子垂直矩形区域，组成25×30个的光源-探测器对所对应的光强位置矩阵。

Step6、设置初始的手指模型参数，对扩散方程进行正向问题的求解，得到模型的出射光强数据矩阵。

Step7、测量得到的光强矩阵与模型正向问题的出射光强矩阵进行最优化拟合迭代，当误差满足时，输出该时刻吸收系数的数值，不同时刻和不同波长的系数作为血氧浓度重建的数据。

Step8、由

Step9、重建

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，用于非接触式血氧饱和度和层析血氧浓度变化监测，其特征在于该装置由光源模块、光学扫描模块、图像探测模块、控制与处理模块构成；所述的光源模块由760nm、850nm带尾纤的LED光源和760nm～850nm的2×1多模光开关组成；所述的光学扫描模块由准直透镜、二维扫描振镜、近红外F-theta扫描场镜组成，其中近红外F-theta扫描场镜由三组透镜组成，从光源入射方向开始，包括第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3；所述的图像探测模块由三个CCD探测组组成；所述的控制与处理模块由控制系统、图像采集处理系统和显示系统组成；所述第一透镜组的第一透镜L1为双胶合负透镜；第二透镜组的第一透镜L2为双凸正透镜，第二透镜L3为双凸正透镜；第三透镜组的第一透镜L4为双凹负透镜，第二透镜L5为凹面朝向入射光的弯月负透镜；每一探测组由760nm、850nm双波长可调滤光片和CCD组成，第一探测组位于沿光轴出射方向，第二探测组位于沿光轴出射方向逆时针旋转135°方向，第三探测组位于沿光轴出射方向逆时针旋转225°方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：所述的光源模块的光源由两个带尾纤的LED光源组成，两个LED光源的波长分别是760nm和850nm，分别在氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收曲线等值点的两侧，从而能够有效的重建血氧饱和度。

3.根据权利要求1所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：所述的光源模块的光开关是多模2×1连接方式，实现了两种入射波长光束的切换，该光开关波段覆盖近红外760nm～850nm的波段范围，适用于两LED光源的发射波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：所述的光学扫描模块的一种近红外F-theta扫描场镜由三组透镜组成，工作波段为760nm～850nm，焦距为100mm，全视场2ω＝23°，入瞳距50mm，后顶截距为90mm，扫描线视场为40mm×40mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：所述的一种近红外F-theta扫描场镜，其中所述的第一透镜组G1焦距-443mm，第二透镜组G2焦距41mm，第三透镜组G3焦距-65mm，系统总焦距为100mm，各透镜组焦距与系统总焦距的公差范围为±5％。

6.根据权利要求1所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：控制与处理模块的图像采集处理系统的血氧饱和度的监测算法主要采用第二探测组和第三探测组采集的图像光强数据；在每个波长入射的时间内，采集K幅图像，统计每个波长下的时间序列图像灰度值，将时间序列图像的灰度值的最大差值作为交流分量

将时间序列区域灰度值的最小均值作为直流分量/>

计算得到

根据R值曲线得到血氧饱和度曲线。

7.根据权利要求1所述的一种基于近红外F-theta扫描场镜的非接触式血氧监测装置，其特征在于：控制与处理模块的图像采集处理系统的组织层析血氧浓度变化算法根据两个波长在时间序列上交替入射，入射点在手指皮肤表面分为M个不同的位置，3个探测组同时接收光强图像信号，每幅采集到的图像划分为N个子区域，对子区域计算光强灰度的平均值，构成不同波长下的M×3N光源-探测器位置对所对应的光强数据矩阵；控制与处理模块的图像采集处理系统的组织层析血氧浓度变化算法根据手指模型参数进行初始设置，通过近似辐射传输方程计算正向问题的雅可比矩阵，当满足误差条件时，与经过F-theta扫描场镜入射组织后出射的实际测得的光强矩阵进行最优化拟合迭代，得到两个波长下的吸收系数后，通过计算

可以得到随时间变化的氧合血红蛋白浓度变化和脱氧血红蛋白浓度变化。/>

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