CN114469043A - 一种基于fpga的组织血流检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，可实现对组织血流的便携式无创检测。所述装置包括：光源模块、探测器模块、FPGA处理模块、测量探头和显示模块。其中，光源模块为近红外长相干激光器；探测器模块为单光子计数器；FPGA处理模块用于计算组织血流；测量探头用于固定光源光纤与探测光纤；显示模块用于组织血流数据的实时显示。所述方法利用DCS技术将近红外波段光源照射与被测组织表面，通过FPGA处理模块实现探测器采集数据的分析处理，由FPGA处理模块替代传统上位机完成组织血流数据计算的全过程，在降低装置体积和成本的同时，为临床组织血流检测提供一种便捷式的无创检测装置与方法。
Description
技术领域
本发明涉及生物信息检测工程技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法。
背景技术
脑卒中、冠心病、外周动脉疾病等心脑血管类疾病严重威胁着人类生命健康，我国脑卒中发病率排名世界第一且有年轻化趋势，如今虽然心脑血管类疾病的救治率逐年增高，但此类疾病的复发风险依然很高，脑血流、骨骼肌血流等组织血流的便携式检测对提升治疗效果和避免复发具有重要的意义。然而，目前临床所使用的血流检测技术均无法满足对组织血流的便携式无创检测，其中，激光多普勒(Laser Doppler,LD)穿透深度低、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)时间分辨率低且不能长时间实时床边诊断、正电子发射断层成像技术(Positron Emission Tomography,PET)存在辐射损害。例如，脑卒中等脑疾病一旦出现脑缺血，脑组织存储的能量3分钟左右便会耗竭，5分钟左右大脑皮层神经细胞开始死亡，出现不可逆损伤。因此，唯有实现组织血流的便携式无创检测才能有助于及时发现异常生理信号。
扩散相关光谱(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)利用近红外光谱照射到组织表面，通过计算组织表面散射光斑的光强自相关函数(g2(τ))，推算组织中红细胞的运动状态，从而实现组织血流的定量检测。该技术将信息处理、人工智能、生物医学光学等技术应用到组织血流检测中，可实现对深层组织血流的无创检测，从而连续实时获取组织血流脉动信息，解决了激光多普勒、核磁共振等临床血流检测技术存在辐射、实时性连续性差、仪器成本高、操作难度大等问题。然而，传统DCS通过上位机对采集的数据进行分析处理，存在检测装置体积大、不易便携式操作等问题；此外，为获取不同深度的组织血流数据，通常以增加通道数的方式获取不同光源和探测器间距的数据，即需要增加光源和探测器的数目，如仍通过上位机对采集的多距离数据进行分析处理，必然会带来检测装置体积大、操作难等问题，无法满足组织血流的便携式无创检测。
针对上述迫切问题，本发明提供一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，可实现对组织血流的便携式无创检测。利用DCS技术将近红外波段光源照射与被测组织表面，通过FPGA处理模块实现下位机探测器信号的分析处理，由FPGA处理模块替代传统上位机完成组织表面散射光斑数据处理的全过程，在降低装置体积和成本的同时，为临床组织血流检测提供一种便捷式的无创检测装置与方法。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，旨在以实现心脑血管类重大疾病的早期检测为目标，提供一种便携式的组织血流无创检测解决方案。该组织血流检测装置利用DCS技术可实现深层组织血流长时间、连续、实时的无创检测；通过FPGA处理模块实现下位机探测器信号的处理与传输，由FPGA处理模块替代传统上位机完成组织表面散射光斑数据处理的全过程，极大地降低了装置的体积和成本，保证了装置的便捷性；测量探头与受试者接触面积小，新生儿、孕妇、重症患者均适用，检测要求低、操作方便。
详见下文描述：
一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，所述装置包括：光源模块、探测器模块、FPGA处理模块、测量探头和显示模块。各模块具体组成如下：
(1)光源模块为近红外波段长相干激光器和激光器电源组成，激光器与光源光纤耦合，近红外光照射至被测组织表面。
(2)探测器模块为单光子计数器，用于接收经光源照射后被测组织体表面的散射光斑强度，与探测光纤耦合，记录光子数并转换为电脉冲信号输出。
(3)FPGA处理模块用于接收并处理探测器输出的电脉冲信号，依据光强归一化自相关(g2(τ))衰减程度快慢表征被测组织内部介质动态特性的高低，计算得到组织血流的实时数据。
(4)测量探头用于固定光源光纤与探测光纤，使光源光纤与探测光纤垂直于被测组织表面，可依据光源光纤和探测光纤的探头距离大小获取不同深度的组织血流参数。
(5)显示模块用于接收并显示组织血流的实时变化。
进一步地，本发明所述光源为近红外波段不同波长的长相干激光器，功率大于50mW，相干长度为10m以上，波长范围为650nm-950nm，中心波长可选择为685nm、785nm或者830nm，经多模光纤传导。
进一步地，本发明所述光源光纤为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
进一步地，本发明所述探测光纤为单模光纤，芯径为5μm或9μm。
进一步地，本发明所述FPGA处理模块替代上位机完成数据处理的全过程，首先利用探测器输出的电脉冲信号计算得到光强归一化自相关(g2(τ))；依据DCS理论，光强归一化自相关(g2(τ))衰减程度快慢表征被测组织内部介质动态特性的高低，将光强归一化自相关(g2(τ))数据转换得到组织血流的实时数据。
进一步地，本发明所述光强归一化自相关(g2(τ))计算公式为：
式中，I(t)代表t时刻探测的光强，τ为延迟时间，<>代表时间上取平均。
本发明的创新性在于将组织血流的计算由FPGA处理模块实现，相比于通过上位机将探测器输出的电脉冲信号计算得到组织血流，FPGA处理模块直接完成由电脉冲信号到组织血流的变换，可有效减少组织血流检测装置的体积，降低装置成本，有助于实现组织血流的便捷式无创检测。
有益效果
本发明提供一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，可实现对组织血流的便携式无创检测。传统DCS通过上位机对采集的数据进行分析处理，存在检测装置体积大、不易便携式操作等问题；此外，为获取不同深度的组织血流数据，通常以增加通道数的方式获取不同光源和探测器间距的数据，即需要增加光源和探测器的数目，如仍通过上位机对采集的多距离数据进行分析处理，必然会带来检测装置体积大、操作难等问题，无法满足组织血流的便携式无创检测。为解决上述问题，本发明利用DCS技术将近红外波段光源照射与被测组织表面，通过FPGA处理模块实现下位机探测器信号的分析处理，关键在于由FPGA处理模块替代传统上位机完成组织表面散射光斑数据处理的全过程，在降低装置体积和成本的同时，为临床组织血流检测提供一种便捷式的无创检测装置与方法。此外，该组织氧代谢检测装置采用光纤耦合测量探头，与受试者接触面积小，新生儿、孕妇、重症患者均适用，检测要求低、操作方便。
附图说明
图1为基于FPGA的组织血流检测装置的系统图；
图2为基于FPGA的组织血流检测方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：测量探头 2：光源光纤
3：探测光纤 4：激光器
5：激光器电源 6：单光子计数器
7：FPGA处理模块 8：第一数据线
9：第二数据线 10：显示模块
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，图1展示了本发明所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置的系统示意图，该装置包括：
测量探头(1)，用于固定光源光纤(2)与探测光纤(3)，使其垂直于被测组织表面。
光源光纤(2)，用于将激光器光源的出射光经其传导后照射至被测组织体表面。
探测光纤(3)，用于将被测组织体表面的散射光斑传导至探测器。
激光器(4)，激光器的中心波长可在650nm-950nm之间进行选择，相干长度大于10m，功率大于50mW。本公开实施例中列举了激光器的中心波长为685nm、785nm或者830nm，可根据实际需求选择其他波长，亦可以增加波长数目，为其供电的为激光器电源(5)。
单光子计数器(6)，用于接收经光源照射后被测组织体表面的散射光斑强度，记录光子数并转换为TTL电脉冲信号。
FPGA处理模块(7)，用于采集并处理单光子计数器(6)输出的电脉冲信号，完成光强归一化自相关(g2(τ))的计算，从而得到组织血流变化的实时数据。
第一数据线(8)，用于单光子计数器(6)与FPGA处理模块(7)之间的数据传输。
第二数据线(9)，用于FPGA处理模块(7)与显示模块(10)之间的数据传输。
显示模块(10)，用于实时显示组织血流。
图2展示了本发明提供的一种基于FPGA的组织血流检测方法，利用图1所述装置可完成对被测组织血流的检测。具体步骤如下：
步骤一：测量探头固定于被测组织表面，确保光源光纤和探测光纤垂直入射与被测组织表面。
步骤二：为所述装置供电，保证激光器、单光子计数器、上位机等均已上电。打开激光器供电模块开关，此时，光束经光源光纤传导照射至所被测组织所需的位置点，单光子计数器通过测量探头探测被测组织表面的散射光斑强度，对该位置点处散射光子进行计数，并输出电脉冲信号。
步骤三：FPGA处理模块接收步骤二中传输的电脉冲信号并进行分析，处理后得到光强归一化自相关(g2(τ))，依据DCS理论将光强归一化自相关(g2(τ))数据计算得到组织血流的实时数据，并将组织血流数据传输至显示模块。
步骤四：显示模块接收组织血流数据并实时显示。
进一步，本发明所述一种基于FPGA的组织血流检测装置及方法，利用近红外光对组织血流变化的具体计算过程如下：
对于步骤三所得的电脉冲信号，即不同时刻的光强信号I(t)，由FPGA模块实现光强归一化自相关(g2(τ))计算，其公式为：
式中，I(t)代表t时刻探测的光强，τ为延迟时间，<>代表时间上取平均。
Db为布朗散射系数，依赖于相关函数g2(τ)的指数衰减率。
血流因子(Blood Flow Index,BFI)BFI≡αDb，其中α取值于0～1之间，代表运动的散射粒子占生物组织体内所有粒子的比例。
血流(BF)与血流因子(BFI)的关系如下：
BF＝γBFI
其中，BF为血流，单位为mL·100mL-1·min-1；BFI为血流因子，单位为cm2/s；γ为比例常数，单位为(mL·100mL-1·min-1)/(cm2/s)。
相对血流(relative blood flow,rBF)，即组织血流变化的计算公式如下：
其中，BF0与BFI0分别代表初始时刻的血流和血流因子。
本装置测量探头可在不同的待测位置进行测量，对人体不同部位的组织血流变化进行检测。
最后所应说明的是，虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的群里保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于包括：由测量探头(1)、光源光纤(2)、探测光纤(3)、激光器(4)、激光器电源(5)、单光子计数器(6)、FPGA处理模块(7)、第一数据线(8)、第二数据线(9)和显示模块(10)；
所述测量探头(1)，用于固定光源光纤(2)与探测光纤(3)，使光源光纤(2)与探测光纤(3)垂直于被测组织表面；
光源光纤(2)，用于将激光器(4)的出射光经其传导后照射至被测组织体表面；
探测光纤(3)，用于将被测组织体表面的散射光斑传导至探测器；
激光器(4)，为近红外波段长相干激光器，由激光器电源(5)控制其开关，与光源光纤(2)相连，照射到组织体表面；
单光子计数器(6)，用于接收经光源照射后被测组织体表面的散射光斑强度，记录光子数并转换为TTL电脉冲信号；
FPGA处理模块(7)，用于采集并处理单光子计数器(6)输出的电脉冲信号，完成光强归一化自相关(g2(τ))的计算，从而得到组织血流变化的实时数据；
第一数据线(8)，用于单光子计数器(6)与FPGA模块(7)之间的数据传输；
第二数据线(9)，用于FPGA模块(7)与显示模块(10)之间的数据传输；
显示模块(10)，用于实时显示组织血流。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于，所述的激光器(4)为长相干激光器，相干长度为10m以上，波长范围为650nm-950nm，中心波长优选为685nm、785nm或者830nm，可根据实际需求选择其他波长，亦可以增加波长数目。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于，所述的光源光纤(2)为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于，所述的探测光纤(3)为单模光纤，芯径为5μm或9μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于，所述的FPGA处理模块(7)替代上位机完成组织血流数据处理的全过程，首先利用探测器输出的电脉冲信号计算得到光强归一化自相关(g2(τ))；依据DCS理论，光强归一化自相关(g2(τ))衰减程度快慢表征被测组织内部介质动态特性的高低，将光强归一化自相关(g2(τ))数据转换得到组织血流的实时数据。
6.一种基于FPGA的组织血流检测方法，基于权利要求1所述的一种基于FPGA的组织血流检测装置，其特征在于包括以下步骤：
(1)将测量探头(1)置于被测组织表面；
(2)供电后，打开激光器电源(5)开关，激光器(4)光束经光源光纤(2)传导照射至所被测组织所需的位置点，单光子计数器(6)通过测量探头(1)探测被测组织表面的散射光斑强度，对该位置点处散射光子进行计数，并输出电脉冲信号。
(3)FPGA处理模块(7)接收步骤二中传输的电脉冲信号并进行分析，处理后得到光强归一化自相关(g2(τ))，依据DCS理论将光强归一化自相关(g2(τ))数据计算得到组织血流的实时数据，并将组织血流数据传输至显示模块(10)。
(4)显示模块(10)接收组织血流数据并实时显示。
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