CN115120187A - 一种生物组织内部信号探测装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物组织内部信号探测装置，包括激光器、第一成像模组、第二成像模组和探测器，所述激光器用于发出激发光，所述激发光经皮下生物标志物的发射或折射后发出信号光；所述探测器通过收集光纤束与第二成像模组连接；所述第一成像模组与第二成像模组呈共轭光学结构；所述收集光纤束为环状层叠结构，包括中心光纤及向外若干层光纤环。信号光收集效率高且能灵活探测特定空间偏移位置对应的生物特征信号，结构简单，成本低。本发明的探测系统及探测方法因采用本发明的探测装置而具有相应优势，有利于无创探测技术的进一步推广应用。
Description
技术领域
本发明属于光学探测技术领域，尤其涉及一种生物组织内部信号探测装置、探测系统及探测方法。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就应认为是现有技术。
光学探测技术的应用已经推广到生活中的各个领域，特别在关系人体健康的医疗检查中有了普遍的应用，同时也有进一步深入和普及的需求。通过信号光的特性可以反映出生物特征，进行分析后能够有力的支持治疗和日常健康监测。
例如拉曼光谱探测技术已经广泛应用于食品安全、生物医学考古公共等领域，对于物质的定性分析以及子结构解析都有很大价值。特别在生物医学领域的应用中，拉曼光谱探测技术能够反映出人体组织细胞分子的变化，是早期病变探测的新技术，其以无痛、无创、简单、快速等特点，能改善常规检验方法出现的问题，是血液无创生化分析能够获得应用的有潜力的方法之一。不同的拉曼峰是某些特定分子的特征，使拉曼光谱具有定性分析并对相似物质进行区分的功能，拉曼光谱的峰强度与对应分子的浓度成正比，也能用于定量分析，可以为临床诊断提供理论依据。预测将来可根据血液样本在拉曼光谱中的特征峰强度，判断出是否患疾病。
还以拉曼探测装置为例，现有的探测装置一般包括激发光光源、光路结构、探测部件。其中激发光光源经激发光路照射到被测样品。通过收集光路对拉曼信号光进行收集、滤波，然后传输到探测部件，探测不同波长处拉曼信号强度。激发光照射到样品表面，所产生的拉曼信号光以激发光照射点为中心向四周辐射，使本就比较微弱的拉曼信号更加微弱，难于探测。
因此在光学探测中如何有效和充分的收集信号是光学探测装置中光路设计的一个突出问题，也是当前技术中需要优化的关键设计之一。另外一方面，在收集之前的问题是激发光如何准确聚焦到需要探测的位置，这个关乎样品制备的繁简程度和是否能在实验室以外的地方推广应用。
其中在皮下生物标志物探测的应用中尤其突出。皮肤是人体表面积最大且最有用的器官，总重量大概是人体重的百分之八，它容纳了人体全部循环血液25%-30%的水，皮肤组织主要由表皮、真皮、皮下脂肪构成。皮肤下方的组织液或血液中含有很多生物特异性标志物，这些标志物与人体的健康状况和疾病程度有密切的联系。然而，目前的很多医学技术很难通过皮肤对生物标志物进行无创的探测，例如血糖的探测需要抽血化验，或者扎生物指或趾端取血进行探测。如果能将光学探测技术用于无创的皮下医学探测其意义重大，特别是如果普通人群能在医学实验室之外的地方对个人健康进行监测，光学探测技术的应用就必不可少。例如，传统拉曼光谱只能测试到表面以下几百微米的深度，无损探测深层皮下生物标志物的光谱信息的应用中，如图1所示，激发光L1聚焦照射在待测组织上，会在激发区域及其周围不同组织深度（皮肤A、皮下组织B、血管U）处产生拉曼信号光，根据光子迁移理论，沿空间偏移方向X距中心激发点的空间偏移距离ΔS越大，来自更深层样品的信号光所占比重越大。显然需要新的光学探测装置才能探测到更深层的信号光。因此有必要研发一种能够有效探测到皮下特定深度部位、有利于提高收集效率、探测结果可靠的探测装置、系统及方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的已有的现有技术。
发明内容
以下对于本发明可能涉及的一些原理和概念进行叙述，这些叙述是为了便于理解本发明，进行的示例性或原理性说明而非限定性解释，不应限制以此本发明的范围。
本发明基于SORS技术原理，其根本出发点在于光子迁移理论，如图1所示当激发光L1入射到待测样品表层时，表层样品被激发或散射出宽带荧光，其中有一部分散射光将到达样品内部，样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移，经多次散射后返回样品表层被收集。到达样品内部不同深度的散射光返回表层后的位置距离激发光L1入射点在样品表层上X方向有不同的空间偏移距离ΔS1。当空间偏移距离ΔS1＝0时，光源入射点与信号光收集点重合，此处激发的光子密度最大，系统收集到的信号大部分来自样品表层，样品深层信号被淹没；当空间偏移距离ΔS1≠0时，收集到的信号光中来自表层的信号光衰减很快，来自样品深层的信号光衰减较慢，更深层的拉曼散射光子比重变大，从而实现光谱分离，再结合多元数据分析方法可以获得样品内部不同深层次的特征信号。该技术原理一般应用于隐蔽在不透明包装材料下的物质拉曼光谱的提取的场景。
本发明基于上述原理，针对生物组织内部标志物的特征信号探测的特殊性，为解决上述现有技术的全部或部分问题，提供了一种生物组织内部信号探测装置及相应的探测系统与方法。本发明中将生物组织表面激发点返回的信号光，位置称为零级偏移点；距离激发点ΔS1处的皮肤表面位置返回的信号光，该位置称为一级偏移点，依此类推，考虑的空间偏移范围为多级偏移。
本发明提供的一种生物组织内部信号探测装置，包括激光器、第一成像模组、第二成像模组和探测器，所述激光器用于发出激发光，所述激发光经皮下生物标志物的发射或折射后发出信号光；所述探测器通过收集光纤束与第二成像模组连接；所述第一成像模组与第二成像模组呈共轭光学结构；所述激光器发出激发光照射生物组织产生信号光，信号光依次经所述第一成像模组、第二成像模组进入所述收集光纤束；激发光会聚点与所述收集光纤束的入射面在一对共轭面上；所述收集光纤束为环状层叠结构，包括中心光纤及若干外层光纤环。生物组织表面的空间偏移距离ΔS1与收集光纤表面的空间偏移距离ΔS2存在一定数值关系，根据光学共轭原理，ΔS1与ΔS2的数值关系与所述第一成像模组、第二成像模组的焦距f1和f2有关，因此在激发光会聚点与所述收集光纤束的入射面在一对共轭面上时，f1不变和ΔS1已经确定的情况下，预设第二成像模组的焦距f2，外层光纤环能够收集到特定ΔS1（ΔS1≠0）处的信号光，即探测器能够探测生物组织内部特定深度的特征信号。
所述外层光纤环至少有两层。优选的所述外层光纤环有3层、4层或5层。第一层光纤环收集到的信号光就是距离激发点ΔS1处的生物组织表面位置返回的信号光，当有第二层或更多层所述外层光纤环时能收集更多级偏移的信号光。所述外层光纤环的层数较好的范围是1-9层，能够获得0-9级偏移范围的信号光，即能够探测生物组织内部9种不同深度的生物特征信号。优选的实施例中所述外层光纤环有3层、4层或5层，能够收集0-3级、0-4级或0-5级偏移点的信号光。将激发区域及其周围生物组织的表层特征信号和不同深度处的特征信号充分的收集到所述探测器，能够通过改变第二成像模组的焦距f2收集生物组织内部特定深度范围的特征信号，极大提高了收集效率，及探测的灵活性，且结构简单、成本低。
所述第二成像模组包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和固定在与所述第一聚焦透镜的光轴平行位置的轨道；所述第一聚焦透镜与所述轨道滑动连接；所述第二聚焦透镜的光轴与所述第一聚焦透镜的光轴重合；所述第二聚焦透镜与所述轨道滑动连接或者固定连接。所述第二成像模组是焦距可调节的透镜组，所述第一聚焦透镜与所述第二聚焦透镜的相对位置发生改变时，透镜组的焦距相应调节，达到生物组织实际探测位置连续可调的目的。
所述第二成像模组设置在贯通的套筒内，所述套筒两端的贯穿开口大小与所述第二成像模组的数值孔径相匹配；所述轨道设置在所述套筒侧壁上。
所述轨道是所述套筒侧壁上的滑槽；所述滑槽内设置有滑块，所述滑块包括限位部和控制限位部运动的控制部，所述限位部与所述第一聚焦透镜边缘固定连接；所述控制部的控制端设置在套筒侧壁外部。采用机械结构控制所述第一聚焦透镜的位置，调节所述第二成像模组的焦距，容易制作，成本低，同时便于操作。
所述套筒采用经过氧化发黑处理的铝材质制作。轻便，材料成本低且避免套筒对信号光的散射。
所述激光器通光激发光纤连接有准直光纤耦合器，激发光经所述准直光纤耦合器准直后出射。所述准直光纤耦合器为单个透镜或多个透镜结构，直接与激光器通过激发光纤连接，起到将激光器输出的光转化为平行光进入后续光路的作用，激光器连接的激发光纤和准直光纤耦合器的数值孔径优选0.22。采用激发光纤配合准直光纤耦合器实现光路连接有利于光路设计更加灵活，能够根据实际结构设计要求实现光路转折，更好的满足探测设备设计的小型化或便携化要求。
所述第一成像模组的焦距范围是5mm-500mm。优选的，所述第一成像模组的焦距是20mm。
所述激光器包括但不限于830nm半导体激光器、785nm半导体激光器。
所述第一成像模组和所述第二成像模组之间光路上设置有二向色镜；所述二向色镜将激发光反射后经所述第一成像模组会聚，并将所述第一成像模组收集的信号光透射至所述第二成像模组。通过二向色镜合并了部分激发光路和收集光路，利于简化光学结构设计，提高探测装置的整体结构设计的灵活性。
所述二向色镜与所述第二成像模组之间的光路上设置有第一滤光部件；所述第一滤光部件的中心波长与激光器波长相适配，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除。
优选的，所述二向色镜将激发光反射的角度是45°。
所述二向色镜与激光器之间的光路上设置有第二滤光部件，所述第二滤光部件包括与激光器相适配的窄带滤光片，用于滤除激发光中除激光器发射波长外的其它波长。
本发明还提供了一种无创检测指或趾甲甲床血液生物标志物信息的探测系统，包括光学仓和支撑件，所述光学仓和所述支撑件形成指或趾端放置仓，以容纳手指或脚趾；所述支撑件与所述光学仓活动连接；所述光学仓用于集成本发明的生物组织内部信号探测除所述激光器和所述探测器之外的部分；所述光学仓朝向所述支撑件的一面开设有光学窗口，所述放置仓对应所述光学窗口；所述光学仓提供的所述激发光经所述光学窗口投射至待检测手指或脚趾的甲床，对甲床血液中的生物标志进行检测，并收集反射或折射的所述信号光，从而得到甲床血液中生物标志物的信息。
所述光学仓提供激发光与收集返回的信号光，通过所述光学窗口将激发光出射，并收集返回的信号光。所述支撑件用于支撑待检测生物指或趾端。所述探测系统用于无创探测生物指或趾端的甲床特征信号。在对甲床血液中的生物标志物进行检测时，将待检测生物指或趾端放在所述生物指或趾端放置仓内，且指甲对应放置在所述光学窗口的正下方，即可进行无创检测，操作简单且高效，检测得到甲床血液中生物标志物的信息，精准反映甲床的疾病或者健康状况。
所述光学仓与所述支撑件通过旋转件连接，且在所述光学仓与所述支撑件之间形成有生物指或趾端放置仓。所述生物指或趾端放置仓用于放置待检测生物指或趾端。
所述旋转件为铰链或轴承。所述光学仓通过所述铰链或轴承可逆时针旋转，所述光学仓优选逆时针旋转90°，便于检查所述光学窗口透光情况，以及当所述光学窗口损坏时便于更换。
所述生物指或趾端放置仓的入口处设有可拆卸的橡胶环。所述橡胶环用于固定待检测生物指或趾端，可根据待检测生物指或趾端的大小进行更换。所述橡胶环的直径优选为10mm-20mm。
所述光学仓与所述支撑件之间还可以滑动连接。所述光学仓上设置有滑槽，所述支撑件上设置有滑轨；所述支撑件固定不动，所述光学仓向远离所述支撑件方向进行滑动，根据待检测生物指或趾端的尺寸，在所述光学仓与所述支撑件之间形成所述生物指或趾端放置仓。
或所述光学仓上设置有滑轨，所述支撑件上设置有滑槽；所述光学仓固定不动，所述支撑件向远离所述光学仓方向进行滑动，根据待检测生物指或趾端的尺寸，在所述光学仓与所述支撑件之间形成所述生物指或趾端放置仓。
或所述光学仓与所述支撑件通过一滑动连接件实现滑动连接。所述光学仓与所述支撑件可同时进行滑动，在所述光学仓与所述支撑件之间形成所述生物指或趾端放置仓。
所述光学窗口为片状结构。所述光学窗口的厚度取值范围为0.5mm-10mm，优选为1mm；当所述光学窗口为圆形片状结构时，所述光学窗口直径取值范围为0.5mm-25mm，优选为5mm。
所述光学窗口由透明树脂或石英玻璃制成。所述光学窗口所选择的材料应具有高透过率，且能允许波长优选为785nm或830nm的激发光透过。
本发明还提供了另一种用于检测肢体皮肤下的生物标志物信息的探测系统，包括光学仓、光纤传输结构和绑带，所述光纤传输结构用于光连接所述光学仓和所述绑带，所述绑带用于环绕容纳肢体；所述光学仓表面开设有通光孔，所述光学仓用于集成本发明的生物组织内部信号探测装置除所述激光器和所述探测器之外的部分；所述光纤传输结构包括光纤束、光纤耦合系统连接所述光纤束两端的第一光纤耦合系统和第二光纤耦合系统，所述第一光纤耦合系统用于将所述激发光导出所述光学仓，依次沿着所述光纤束、所述第二光纤耦合系统导入所述绑带，经肢体皮肤下的生物标志物反射或折射后发出所述信号光，所述信号光依次沿着所述第二光纤耦合系统、所述光纤束和第一光纤耦合系统导入所述光学仓；所述光纤束与所述通光孔通过所述光纤耦合系统连接。通过所述光纤传输结构将所述光学仓内提供的激发光传输至待测肢体的表面；并将表面返回的信号重新耦合再传输至所述光学仓内。利于适用于不同的场景，改变所述光纤束的长度满足光学仓与待测肢体所在不同的空间位置，将本发明的探测装置通过光学仓集成，便于使用。
另一方面本发明还提供了一种探测方法，采用本发明的探测装置，包括：步骤S1.激发光照射生物组织，根据激发光会聚点的位置确定所述第一成像模组位置；步骤S2.根据光子迁移理论确定特定组织深度对应的空间偏移距离；步骤S3.根据所述空间偏移距离设定所述第二成像模组的焦距，将信号光收集至所述探测器，用于后续生物特征信号分析。
所述步骤S3中调节所述第二成像模组的焦距获得多级偏移点的信号光。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
1.本发明的一种生物组织内部信号探测装置，采用光学共轭的所述第一成像模组和第二成像模组配合收集光纤，能够收集特定空间偏移距离位置对应的信号光、探测生物组织内的深层生物特征信号，提高了信号收集效率；有利提高光学无创探测的可靠性和准确性。采用焦距可调节的第二成像模组能够让外层光纤环连续收集到多级偏移点对应的信号光，进一步提高了信号光收集的灵活性和完整性。整体结构简单、成本低、结构设计灵活，特别适用于生物组织内部信号探测。
2.本发明其它方面提供的探测系统及探测方法，因采用本发明的探测装置而具有相应优势，能够获取生物组织内部预定深度的生物特征信号，步骤简洁、探测高效且方便，有利于皮下无创探测的进一步普及应用。
附图说明
图1为空间偏移的示意图。
图2为本发明实施例一的探测装置的示意图。
图3为本发明实施例一的收集光纤束入射端面的放大示意图。
图4为本发明实施例一的探测方法的示意图。
图5为本发明实施例二的探测装置的示意图。
图6为本发明实施例二的套筒及第二成像模组相关结构的示意图。
图7为本发明实施例三中的探测系统示意图。
图8为本发明实施例四中的探测系统示意图。
图9为本发明实施例四中光学仓旋转示意图。
图10为本发明实施例五中的探测系统及相关结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。
实施例一
如图2所示，本实施例的生物组织内部信号探测装置，包括激光器1、第一成像模组3、第二成像模组4和探测器2，所述激光器1用于发出激发光，所述激发光经皮下生物标志物的发射或折射后发出信号光；探测器2通过收集光纤束5与第二成像模组4光耦合连接；第一成像模组3与第二成像模组4呈共轭光学结构；激光器1发出激发光L1照射生物组织产生信号光L2，信号光L2依次经所述第一成像模组、第二成像模组进入收集光纤束5；激发光L1会聚点与收集光纤束5的入射面在一对共轭面上。如图3所示，收集光纤束5为环状层叠结构，包括中心光纤(通光纤芯0)、用于支撑和稳定光纤束结构的若干暗芯5a，及外层的外层光纤环5b。本实施例中以需要收集的信号光L2对应自皮下组织的生物特征信号为例进行说明，结合参考图1，皮肤A表面的空间偏移距离ΔS1与到达收集光纤束5的入射端面（本实施例中是光纤束端部的光纤耦合器50的入射端面）的空间偏移距离ΔS2存在一定数值关系，根据光学共轭原理，ΔS1与ΔS2的数值关系与第一成像模组3、第二成像模组4的焦距f1和f2有关，具体关系为：ΔS2/ΔS1=f2/f1。因此在激发光L1会聚点与收集光纤束5的入射面在一对共轭面上时，f1不变和ΔS1确定的情况下，预设第二成像模组的焦距f2，外层光纤环5b能够收集到特定空间偏移距离处的信号光，即探测器2能够探测生物组织表面（皮肤A）及内部特定深度（例如，皮下组织B、血管U等）的特征信号。
本实施例中，激光器1采用785nm波长的半导体激光器，激光器也可以采用830nm半导体激光器，并不限定。激光器1连接有激发光纤101，激发光纤101包括光纤准直镜和出射端的会聚光纤透镜，沿第一成像模组3的光轴由上而下入射，经光纤透镜会聚照射到生物组织上。本实施例的一个实际应用情况中，除了激光器1和探测器2，其它部件集成在光学仓I-1中。
第一成像模组3的焦距f1范围是5mm-500mm。本实施例中优选的，第一成像模组的焦距f1是20mm，采用一个凸透镜。本实施例中第二成像模组4也采用一个凸透镜。通过替换不同焦距的凸透镜，快速切换第二成像模组4的焦距f2，能根据空间偏移距离将来自预定位置的信号光收集到收集光纤束7。本实施例中外层光纤环5b有2层，通过替换或选取预设焦距的凸透镜第二成像模组4能够收集激发中心区域信号光和2个不同偏移位置处的信号光即探测器2能够探测生物组织内部2个不同深度的生物特征信号。通过增加外层光纤环5b的层数，在实际应用中替换凸透镜就能获得特定处的信号光，满足探测生物组织内部一定深度处的信号要求。外层光纤环5b中可以根据实际情况在特定位置上有暗芯，以利于节约材料成本，并不限定。
如图4所示，本实施例中的探测方法，采用本实施例的探测装置，包括：步骤S1.激发光照射生物组织，根据激发光会聚点的位置确定所述第一成像模组位置；步骤S2.根据光子迁移理论确定特定组织深度对应的空间偏移距离；步骤S3.根据所述空间偏移距离设定所述第二成像模组的焦距，将信号光收集至所述探测器，用于后续生物特征信号分析。
实施例二
本发明实施例二与实施例一的主要区别，如图5、图6所示，第二成像模组4包括第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜42和固定在与第一聚焦透镜41的光轴N平行位置的轨道；第一聚焦透镜41与所述轨道滑动连接；第二聚焦透镜42的光轴与第一聚焦透镜41的光轴N重合。第二成像模组4是焦距可调节的透镜组，第一聚焦透镜41与第二聚焦透镜42的相对位置发生改变时，透镜组的焦距相应调节。达到生物组织实际探测位置连续可调的目的。本实施例中，第二聚焦透镜42可以与所述轨道滑动连接也可以固定连接在轨道上。当第二聚焦透镜42也与所述轨道滑动连接时，可以调节第二聚焦透镜42、也可以调节第一聚焦透镜41，也可以同时调节两者，实现第二成像模组4的透镜组的焦距调节。当第二聚焦透镜42与所述轨道固定连接时，只调节第一聚焦透镜41，也可以改变透镜组的焦距，并不限定。第一聚焦透镜41、第二聚焦透镜42的数量及其在轨道上排列的位置也不限定。第一成像模组3也可以是与第二成像模组4相同或相似的透镜组结构，使得f1的数值可以调节形成特定激发光L1的会聚点与实际探测的具体需要及结构设计相匹配，当激发光源波长改变或者要求激发光L1聚焦到皮下的深度变化时，可以相应调整而不用替换第一成像模组3，f1的数值可以根据实际应用需要设定，并不限定。
本实施例中，第一成像模组3和所述第二成像模组4之间的光路上设置有二向色镜M；二向色镜M将激发光L1反射后通过第一成像模组3会聚，第一成像模组3收集的信号光L2则通过二向色镜M透射至第二成像模组4。通过二向色镜合并了部分激发光路和收集光路，简化了光学结构设计，提高探测装置的整体结构布局的灵活性。本实施例中优选的，二向色镜M将激发光L1反射的角度是45°。本实施例中激光器1连接激发光纤101、准直光纤耦合器102，激发光纤101和准直光纤耦合器102的数值孔径是0.22。激发光L1通过激发光纤101和准直光纤耦合器102后平行光入射到二向色镜M表面。
本实施例中，二向色镜M与第二成像模组4之间的光路中设置有第一滤光部件T1；第一滤光部件T1的中心波长与激光器1波长相适配，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除。本实施例第一滤光部件T1是一个高通滤光片。
本实施例中，二向色镜M与激光器1之间还设置有第二滤光部件T2，所述第二滤光部件T2是一个与激光器1相适配的窄带滤光片，用于滤除激发光中除激光器发射波长外的其它波长。
本实施例中的一种做法里，如图6所示，第二成像模组4设置在贯通的套筒7内，套筒7两端的贯穿开口大小与所述第二成像模组的数值孔径相匹配，开口形成的孔径光阑不会影响信号光的收集。所述轨道设置在套筒侧壁71上。
本实施例具体的做法里所述轨道是开设套筒侧壁71上的滑槽G；滑槽G内设置有滑块，所述滑块包括限位部81和控制限位部运动的控制部82，限位部81与第一聚焦透镜41边缘固定连接；控制部82的控制端82a设置在套筒侧壁外部。采用机械结构控制第一聚焦透镜41的位置，调节所述第二成像模组的焦距，容易制作，成本低同时便于操作。应该可以相应理解，在本实施例其它一些具体做法中，第二聚焦透镜42也可以采用相似结构实现与所述轨道的滑动连接或者固定连接。所述滑块和滑槽G各自的数量可以根据实际应用情况设定，并不限定。本实施例的套筒7采用经过氧化发黑处理的铝材质制作。
结合参考图1和图3，本实施例中外层光纤环5b有2层，每层分别有通光纤芯1和通光纤芯2，通过连续调节第二成像模组4的焦距能够收集激发中心区域信号光，即零级偏移点信号光L20，和2个不同ΔS1处的信号光（一级偏移点信号光L21、二级偏移点信号光L22），即探测器2能够探测生物组织内部3个不同深度的生物特征信号。
本实施例的探测方法中，在实施例一的基础上，所述步骤S3中调节所述第二成像模组的焦距获得多级偏移点对应的信号光。
实施例三
本实施例中的探测系统用于无创检测指甲下方甲床血液中生物标志物，参照图7，包括光学仓Ⅰ-1以及设置在所述光学仓Ⅰ-1上的光学窗口Ⅰ-2。
所述光学仓Ⅰ-1用于集成本发明的生物组织内部信号探测装置，提供激发光并收集返回的信号光，通过所述光学窗口Ⅰ-2将激发光投射至待检测甲床，并收集返回的信号光。
在本实施例中，所述光学窗口Ⅰ-2为圆形片状结构。所述光学窗口Ⅰ-2的厚度为1mm，所述光学窗口直径为5mm。在其他实施例中，所述光学窗口Ⅰ-2还可以设置为椭圆形、正方形、长方形等。所述光学窗口Ⅰ-2的材料为透明树脂，所选的材料具有高透过率且能允许波长为785nm或830nm的激发光透过。
检测时，将待检测手指的指甲置于所述光学窗口Ⅰ-2的正下方，所述光学仓Ⅰ-1提供的激发光经所述光学窗口Ⅰ-2投射至待检测甲床，对甲床血液中的生物标志进行检测，并收集返回的信号光，从而得到甲床血液中生物标志物的信息。
实施例四
本实施例集成实施例一至实施例三中任一的生物组织内部信号探测装置，提供一种无创检测指或趾甲甲床血液中生物标志物的探测系统，参照图8，包括光学仓Ⅰ-1、支撑件Ⅰ-5，所述光学仓Ⅰ-1与所述支撑件Ⅰ-5活动连接，特别地，通过旋转件连接，在所述光学仓Ⅰ-1与所述支撑件Ⅰ-5之间形成有指或趾端放置仓Ⅰ-4，以容纳手指或脚趾。
所述光学仓Ⅰ-1用于集成本发明实施例一至实施例三中任一生物组织内部信号探测装置除去所述激光器和所述探测器之外的部分，使用时，外接所述激光器和所述探测器，用以提供激发光，光学仓用于收集皮肤反射或者折射的信号光；本实施例中，光学窗口Ⅰ-2设置于所述光学仓Ⅰ-1朝向所述支撑件Ⅰ-5的一面。
在本实施例中，光学窗口Ⅰ-2的形状为正方形片状结构，但不限于正方形片状结构，光学窗口Ⅰ-2的边长为10mm，厚度为1mm；光学窗口Ⅰ-2的材料为熔融石英玻璃，所选的材料具有高透过率且能允许波长为785nm或830nm的激发光透过。所述光学仓Ⅰ-1提供的激发光经所述光学窗口Ⅰ-2投射至待检测甲床，对甲床血液中的生物标志进行检测，并收集返回的信号光，从而得到甲床血液中生物标志物的信息。
参照图9，光学仓Ⅰ-1与所述支撑件Ⅰ-5通过旋转件Ⅰ-3连接，所述旋转件Ⅰ-3为铰链，所述光学仓Ⅰ-1通过铰链可逆时针旋转，所述光学仓Ⅰ-1逆时针旋转角度优选为90°，便于检查所述光学窗口Ⅰ-2的透光情况，其次，在光学窗口Ⅰ-2损坏时，便于更换。
在光学仓Ⅰ-1与所述支撑件Ⅰ-5之间形成有指或趾端放置仓Ⅰ-4，指或趾端放置仓Ⅰ-4对应所述光学窗口Ⅰ-2，以容纳手指或脚趾，所述指或趾端放置仓Ⅰ-4用于放置待检测手指；所述支撑件Ⅰ-5用于支撑待检测手指。待检测手指放入所述指或趾端放置仓Ⅰ-4时，将待检测手指的指甲置于所述光学窗口Ⅰ-2的正下方。
在所述指或趾端放置仓Ⅰ-4的入口处设有橡胶环Ⅰ-6，所述橡胶环Ⅰ-6可拆卸与更换，用于固定待检测手指，防止待检测手指意外滑动带来的检测误差。所述橡胶环Ⅰ-6可制作为不同尺寸，以适用于不同粗细的待检测手指。在本实施例中，所述橡胶环Ⅰ-6的直径优选为15mm。
当需要对手指的甲床血液中的生物标志物进行检测时，将待检测手指放置在指或趾端放置仓Ⅰ-4内，将待检测手指的指甲对应放置在所述光学窗口Ⅰ-2的正下方，所述光学仓Ⅰ-1提供的激发光经所述光学窗口Ⅰ-2投射至待检测甲床，对甲床血液中的生物标志进行检测，并收集返回的信号光，从而得到甲床血液中生物标志物的信息。
优选地，光学仓Ⅰ-1用于集成本发明实施例一至实施例三中任一生物组织内部信号探测装置，包括所述激光器和所述探测器。
实施例五
本实施例集成实施例一至实施例三中任一生物组织内部信号探测装置，提供一种用于检测肢体皮肤下的生物标志物信息的探测系统。参照图10，所述信号收集系统包括光学仓Ⅰ-1、光纤传输结构及绑带Ⅱ-5，所述光纤传输结构用于光连接所述光学仓Ⅰ-1和所述绑带Ⅱ-5，所述绑带Ⅱ-5用以环绕容纳肢体Ⅱ-7。所述光学仓Ⅰ-1用于集成本发明实施例一至实施例三中任一信号收集装置除所述激光器和所述探测器之外的部分；使用时，光学仓外接所述激光器和所述探测器，用于提供激发光通过光学仓传导至皮肤，所述光学仓用于收集皮肤反射或折射的信号光，并进行分析。所述绑带上设有探测窗口Ⅱ-4。
所述光纤传输结构包括与所述通光孔连接的第一光纤耦合系统Ⅱ-2，第二光纤耦合系统Ⅱ-3，以及连接所述第一光纤耦合系统Ⅱ-2与第二光纤耦合系统Ⅱ-3的光纤束Ⅱ-6。所述光纤传输结构将所述光学仓Ⅰ-1内提供的激发光传输至待测肢体的皮肤表面；并将皮肤表面返回的信号光再传输至所述光学仓Ⅰ-1中进行分析。所述光纤传输结构将所述光学仓Ⅰ-1与所述探测窗口Ⅱ-4相连。所述探测窗口Ⅱ-4设在所述绑带Ⅱ-5的外侧，所述信号收集窗口Ⅱ-4数量为4~15个，均匀分布在绑带Ⅱ-5上；优选地，收集窗口Ⅱ-4数量为12个。每个所述探测窗口Ⅱ-4可以对应连接有一个光学仓Ⅰ-1，对肢体皮肤下方的组织液或血液中的生物标志进行检测时，将肢体放在绑带的内侧，由于所述绑带采用尼龙材质制成，可以直接贴合在肢体Ⅱ-7上，所述光学仓Ⅰ-1中的激发光经光纤传输结构传输至待测肢体的皮肤表面，之后再将检测皮肤返回的信号经光纤传输结构传输光学仓Ⅰ-1，并进行分析。
优选地，光学仓Ⅰ-1用于集成本发明实施例一至实施例三中任一生物组织内部信号探测装置，包括所述激光器和所述探测器。
本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。还需要说明的是，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。以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。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，还可以进行若干改进或修饰，这些改进也落入本发明权利要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：包括激光器、第一成像模组、第二成像模组和探测器，所述激光器用于发出激发光，所述激发光经皮下生物标志物的发射或折射后发出信号光；
所述探测器通过收集光纤束与第二成像模组连接；所述第一成像模组与第二成像模组呈共轭光学结构；
所述激光器发出激发光照射生物组织产生信号光，信号光依次经所述第一成像模组、第二成像模组进入所述收集光纤束；
激发光会聚点与所述收集光纤束的入射面在一对共轭面上；所述收集光纤束为环状层叠结构，包括中心光纤及若干外层光纤环。
2.根据权利要求1所述的一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：所述外层光纤环至少有两层。
3.根据权利要求2所述的一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：所述第二成像模组包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和固定在与所述第一聚焦透镜的光轴平行位置的轨道；
所述第一聚焦透镜与所述轨道滑动连接；所述第二聚焦透镜的光轴与所述第一聚焦透镜的光轴重合；所述第二聚焦透镜与所述轨道滑动连接或者固定连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：所述第一成像模组和所述第二成像模组之间的光路上设置有二向色镜；所述二向色镜将激发光反射后经所述第一成像模组会聚，并将所述第一成像模组收集的信号光透射至所述第二成像模组。
5.根据权利要求4所述的一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：所述二向色镜与所述第二成像模组之间的光路上设置有第一滤光部件；所述第一滤光部件的中心波长与激光器波长相适配，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除。
6.根据权利要求5所述的一种生物组织内部信号探测装置，其特征在于：所述二向色镜与激光器之间的光路上设置有第二滤光部件，所述第二滤光部件包括与激光器相适配的窄带滤光片，用于滤除激发光中除激光器发射波长外的其它波长。
7.一种无创检测指或趾甲甲床血液生物标志物信息的探测系统，其特征在于：包括光学仓和支撑件，所述光学仓和所述支撑件形成指或趾端放置仓，以容纳手指或脚趾；所述光学仓用于集成权利要求1-6任意一项所述生物组织内部信号探测装置除所述激光器和所述探测器之外的部分；所述光学仓朝向所述支撑件的一面开设有光学窗口，所述放置仓对应所述光学窗口；所述光学仓提供的所述激发光经所述光学窗口投射至待检测手指或脚趾的甲床，对甲床血液中的生物标志进行检测，并收集反射或折射的所述信号光，从而得到甲床血液中生物标志物的信息。
8.一种用于检测肢体皮肤下的生物标志物信息的探测系统，其特征在于：包括光学仓、光纤传输结构和绑带，所述光纤传输结构用于光连接所述光学仓和所述绑带，所述绑带用于环绕容纳肢体；所述光学仓用于集成权利要求1-6任意一项所述的生物组织内部信号探测装置除所述激光器和所述探测器之外的部分；所述光纤传输结构包括光纤束、连接所述光纤束两端的第一光纤耦合系统和第二光纤耦合系统，所述第一光纤耦合系统用于将所述激发光导出所述光学仓，依次沿着所述光纤束、所述第二光纤耦合系统导入所述绑带，经肢体皮肤下的生物标志物反射或折射后发出所述信号光，所述信号光依次沿着所述第二光纤耦合系统、所述光纤束和第一光纤耦合系统导入所述光学仓。
9.一种探测方法，其特征在于：采用权利要求1-6任意一项所述的生物组织内部信号探测装置，包括：
步骤S1.激发光照射生物组织，根据激发光会聚点的位置确定所述第一成像模组位置；
步骤S2.根据光子迁移理论确定特定组织深度对应的空间偏移距离；
步骤S3.根据所述空间偏移距离设定所述第二成像模组的焦距，将信号光收集至所述探测器，用于后续生物特征信号分析。
10.根据权利要求9所述的一种探测方法，其特征在于：所述步骤S3中调节所述第二成像模组的焦距获得多级偏移点的信号光。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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