CN115120233A - 一种无创生物特征信号探测装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无创生物特征信号探测装置，包括激光器、激发光纤耦合器、锥形透镜、CPC结构、聚焦部件和探测器，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；从所述锥形透镜凸起面出射的光为环形光束；所述CPC结构包括反射区、透光区和开口区；所述环形光斑激发产生的信号光从所述透光区进入经所述反射区准直后从所述开口区进入聚焦部件收集到所述探测器。避免了点状光斑激发可能的风险，提高了信号收集效率且安全性高；结构简单、灵活、设置方便的优势。本发明的探测系统及方法，因采用本发明的无创生物特征信号探测装置而具有相应优势，步骤简洁，高效，有利于皮下无创检测设备的进一步普及应用。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种无创生物特征信号探测装置、探测系统及相应探测的方法。
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。
光学检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。
例如拉曼光谱检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都有很大价值。特别在生物医学领域的应用中拉曼光谱检测技术能够反映出人体组织细胞分子的变化，是早期病变检测的新技术。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。
还以拉曼检测系统为例，现有的光学检测系统一般包括激光光源，光路部件，探测部件。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。激发光聚焦成点照射到样品表面，所产生的拉曼信号光以激发光照射点为中心向四周辐射，而光路部件的拉曼光收集系统受限于其透镜的数值孔径NA和工作距离限制，只能收集很小的一个范围角内的拉曼辐射信号，因此使本就比较微弱的拉曼信号更加微弱，难于探测。
因此在光学检测中如何有效和充分的收集信号是光学检测系统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检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检测，例如血糖的检测需要抽血化验，或者扎手指取血进行检测。如果能将光学检测技术用于无创的皮下医学检测其意义重大，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，光学检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，激发光经第一光路L1聚焦照射在生物体上，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距中心激发点的偏移距离Δs1越大，来自更深层样品的生物特征信号对应的信号光所占比重越大。显然需要新的无创生物特征信号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，检测结果可靠的无创生物特征信号探测装置、系统及相应的探测方法。对于光学检测技术的应用和发展十分重要，意义深远。
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
本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明提供了一种无创生物特征信号探测装置、系统及相应的探测方法。
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所示当激光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光光源入射点在样品表层上X方向有不同的空间偏移距离ΔS1。
复合抛物曲面聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）是一种根据边缘光学原理设计的非成像低聚焦度的器件，它能够将指定接收半角范围内的光线收集汇聚。其结构包括呈抛物曲面的内反射区，一般用于太阳能热收集装置中，入射的太阳光从抛物曲面的开口进入，在CPC中通过几次反射到达位于抛物曲面底部的接收表面。本发明基于复合抛物曲面聚光器的结构（以下称CPC结构）及其相关原理，但不是现有的复合抛物曲面聚光器的直接应用，设计用于收集皮下信号光，信号光从抛物曲面底部的透光区进入，本发明中的抛物曲面的内表面为高反射率材料形成的反射区，反射区将发散的入射光进行准直后从抛物曲面的开口（以下称开口区）输出。同时本发明的CPC结构在有的实施例中还用于调节环形激发光的环形大小。
二向色分光元件是指具有二向色性的光学分束元件，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。
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，特别是皮下组织深层生物特征信号的获取中，为解决上述现有技术的全部或部分问题，提供了一种无创生物特征信号探测装置、系统及相关的探测方法。
本发明一方面提供的一种无创生物特征信号探测装置，包括第一光路和第二光路；所述第一光路上设置有激光器、激发光纤耦合器和锥形透镜，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；所述第二光路上设置有CPC结构、聚焦部件和探测器；所述激发光纤耦合器直接与激光器通过光纤连接，将激光器输出的光转化为平行光束进入所述锥形透镜的平面侧，从所述锥形透镜凸起面出射的光为环形光束；所述环形光束经所述第一光路照射在生物体表面形成环形光斑；所述CPC结构包括反射区、透光区和开口区；所述环形光斑激发产生的信号光从所述透光区进入第二光路，经所述反射区准直后从所述开口区进入聚焦部件收集到所述探测器；所述环形光斑的中心区域位于所述透光区内部。
激发光纤耦合器为单个透镜或多个透镜结构，所述激发光纤耦合器的数值孔径是0.22。采用光纤配合激发光纤耦合器实现光路连接，既能产生平行光束又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弯折，更好的满足无创检测设备设计的小型化或便携化要求。
基于锥形透镜产生环形光斑，即进行环形激发，所述环形光斑的中心区域是到激发点空间偏移距离相同的位置，此处的信号光反映来自生物体相同深度层次的生物特征信号，信号经累加而强度高，环形光斑的激发有利于在其中心区域位置实现更高效的单点信号收集，更重要的是环形光斑激发可以有效降低注入点状光斑激发带来的局部过热、能量密度过高、有灼烧组织风险的副作用，特别有利于无创探测生物体内部的特征信号，安全性好，可靠性高。
反射区表面为高反射率材料，可以将CPC结构底部一定角度范围内入射透光区的光线进行偏折，全部转化为平行于CPC结构中心轴的平行光束输出（输出光路即所述第二光路）。利用CPC结构原理，可以把底部收集到的来自生物组织的发散信号光进行准直后输出至上方的第二光路，便于后续接收。采用了CPC结构，将距离激发中心区域预设空间偏移距离位置的信号光，即来自特定组织深度处产生的向不同方向发散的信号光通过反射区进行充分的收集并准直后会聚到所述探测器，提高了收集效率，同时结构简单、利于降低设备成本。
所述第一光路与第二光路部分重合，两者交汇处设置有二向色分光元件。采用二向色分光元件可以将第一光路或第二光路转折。一个实施情况中，采用二向色分光元件将锥形透镜的出射光在所述开口区上方反射，同时透射从所述开口区出射的经所述CPC结构准直收集的信号光。实现了第一光路和第二光路可以部分重合，激发光与信号光相分离，有利于无创生物特征信号探测装置整体结构设计的灵活性，及小型化要求。
所述反射区是抛物线绕所述CPC结构的中心轴旋转而成的抛物曲面；所述聚焦部件的光心位于所述中心轴上。
沿所述抛物曲面的外部设置有环形波导层，所述环形光束耦入所述环形波导层，所述环形光斑是从所述环形波导层的环形出射面出射形成的光斑；所述环形出射面的内圆与所述透光区的边缘重合。所述环形光斑的中心区域到其环形激发区的距离能够通过由CPC结构的尺寸设计决定，即可根据空间偏移距离预设所述透光区的大小，用于探测来自生物体指定的深度的生物特征信号。
实施例中，所述透光区边缘到中心的预设距离取值范围是0.1mm-10mm，其中优选的范围是2mm-5mm。
其中，所述环形波导层在所述抛物曲面向外的方向上的厚度范围是0.1mm-10mm。优选值为1mm。
所述环形波导层是硅材质制作的。
沿所述第二光路在所述聚焦部件之前设置有带通滤光部件，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除，所述带通滤光部件的中心波长与所述激光器的波长相适配。
所述聚焦部件的通光直径大于所述开口区的直径。从CPC结构开口区收集的信号光能够完全进入所述聚焦部件，收集损失最小，收集效果好。
所述探测器通过收集光纤束接收所述聚焦部件会聚的信号光。
所述聚焦部件包括聚焦透镜；所述聚焦部件的焦距范围是5mm-900mm。其中优选的是50mm。
所述聚焦部件包括至少2个聚焦透镜形成的透镜组，所述透镜组的焦距可调节，有利于实际应用的灵活性。
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。
另一方面本发明还提供了一种探测方法，采用本发明的无创生物特征信号探测装置，包括：步骤S1.根据需要探测的生物体具体深度层次，确定空间偏移距离；步骤S2.将激光器产生的平行光束经所述锥形透镜形成环形光束经第一光路照射生物体形成环形光斑，环形光斑的中心区域位于所述透光区内部；步骤S3.根据所述空间偏移距离，调节环形激发半径；通过所述第二光路将激发产生的信号光经所述反射区准直后收集至所述探测器，用于生物特征信号分析。
所述步骤S3中，调节环形激发半径满足所述空间偏移距离后，通过改变所述开口区与所述透光区在CPC结构中心轴上的垂直距离控制收集的信号光强度。CPC结构本身具有固定的接收半角，生物体发出的信号光进入所述透光区后，一部分信号光不能被所述反射区准直，而无法被后续光路接收，因而影响收集的信号光强度。
其中，所述步骤S3中采用所述透光区半径与所述激发半径相匹配的外部设置有环形波导层的CPC结构。
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上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无创生物特征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光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所述光学仓集成，便于在不同应用场景中使用。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
1.本发明的一种无创生物特征信号探测装置，基于锥形透镜形成环形激发，结合CPC结构能够加强信号光的收集，同时避免了点状光斑激发对生物体可能的风险，提高了皮下无创检测设备的信号收集效率且安全性好；有利于进一步优化光学无创检测的可靠性和准确性。结构简单、成本低也具有高效、设计灵活、设置方便的优势。本发明的两种探测系统，因集成有本发明的无创生物特征信号探测装置，适于特定场景的应用需要，便携性好，结构简单，使用方便。
2.本发明另一方面提供的一种探测方法，因采用本发明的探测装置而具有相应优势，步骤简洁，高效，能够根据需要获取生物体相同深度层次的生物特征信息，有利于皮下无创检测设备的进一步普及应用。
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无创生物特征信号探测装置的示意图。
图3为本发明实施例一的环形光斑及中心区域示意图。
图4为本发明实施例一的探测方法的示意图。
图5(a)为本发明实施例二的无创生物特征信号探测装置的示意图。
图5(b)为本发明实施例二中涉及CPC结构的局部示意图
图6为本发明实施例二的CPC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，并参考图3，本实施例的无创生物特征信号探测装置通过光学仓I-1集成，包括第一光路L1和第二光路L2；所述第一光路L1上依次设置有激光器1、激发光纤耦合器102、锥形透镜3和二向色分光元件6，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；所述第二光路L2上依次设置有CPC结构2、二向色分光元件6、带通滤光部件7、聚焦部件4和探测器5；激发光纤耦合器102直接与激光器1通过光纤101连接，将激光器1输出的光转化为平行光束进入锥形透镜3的平面侧，从锥形透镜3凸起面出射的光为环形光束；所述环形光束经所述第一光路L1照射在生物体（本实施例中以皮肤A为例）表面形成环形光斑Q；CPC结构2包括反射区21、透光区22和开口区23；环形光斑Q激发产生的信号光从透光区22进入第二光路L2，经反射区21准直后从开口区23进入聚焦部件4收集，探测器5通过收集光纤束51经光纤耦合器52接收聚焦部件4会聚的信号光。环形光斑的中心区域C位于透光区22内部。本实施例中中心区域C位于透光区22的中心。本实施例中以需要收集的信号光来自皮下组织为例进行说明，透光区22和待测皮肤A之间的距离D的范围是0.1mm-10mm，优选的设定值是2mm。本实施例的一个应用情况中，除激光器1和探测器5，其它部件集成在一个光学仓内。
本实施例中，激发光纤耦合器102为单个透镜或多个透镜结构，激发光纤耦合器102的数值孔径是0.22。采用光纤配合激发光纤耦合器102实现光路连接，既能产生平行光束又能够根据实际结构设计要求实现光路弯折。本实施例中，激光器的输出波长优选为785nm或830nm。基于锥形透镜3产生环形光斑Q，即进行环形激发，环形光斑的中心区域C是到激发点（环形光斑Q圆周上的点）空间偏移距离offset相同的位置，此处的信号光反映来自生物体相同深度层次的生物特征信号，信号经累加而强度高，环形光斑Q的激发在其中心区域C位置实现了高效的单点信号收集，也有效降低注入点状光斑激发带来的局部过热、能量密度过高、有灼烧组织风险的副作用。反射区21表面为高反射率材料，可以将CPC结构2底部一定角度范围内入射透光区22的光线进行偏折，全部转化为平行于CPC结构2中心轴的平行光束输出（输出光路即所述第二光路L2）。需要说明的是，上述“一定角度范围”与CPC结构的接收半角θ有关（参考图6），特定CPC结构本身具有固定的接收半角，皮肤A发出的信号光进入CPC结构时，一部分光不会被反射区21准直，无法被后续光路接收。
本实施例中的光路结构设计中，将第一光路L1与第二光路L2部分重合，两者交汇处设置有二向色分光元件6。本实施例中采用的二向色分光元件6是二向色镜，可以将第一光路L1或第二光路L2转折，进行光束分离。二向色分光元件6也可以采用二向色膜、二向色片及二向分束器等具有二向色性的部件，并不限定。本实施例中采用二向色分光元件6将锥形透镜3的出射光在开口区23上方反射，同时透射从开口区23出射的经所述CPC结构准直收集的信号光。具体的是二向色镜将第一光路L1转向，把所述环形光束反射至皮肤A方向，并能透过皮肤A处返回的信号光，所述环形光束在二向色镜的入射角度优选45°。本实施例中，反射区21是抛物线绕CPC结构的中心轴N旋转而成的抛物曲面；聚焦部件4的光心位于中心轴N上。在也有的实施例中反射区21是两个抛物曲面或多个不光滑连接的抛物曲面拼接而成的。开口区23的横截面可以是只有两条平行边缘的区域或者呈矩形以及多边形，并不限定。沿第二光路L2在聚焦部件4之前设置有带通滤光部件7，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除，带通滤光部件7的中心波长与所述激光器的波长相适配。本实施例中，带通滤光部件7设置在聚焦部件4和二向色分光元件6之间的第二光路L2上。能够提高收集质量，避免杂散光也被作为信号光收集、降低探测器5的信号真实性。参考图6，聚焦部件4的数值孔径与CPC结构的接收半角θ相匹配。从开口区23收集的信号光能够完全进入聚焦部件4，收集损失最小，收集效率好。本实施例中聚焦部件4包括一个聚焦透镜；聚焦部件4的焦距范围是5mm-900mm。其中优选的是50mm。
如图4所示，本实施例中的探测方法包括：采用本实施例的无创生物特征信号探测装置，包括：步骤S1.根据需要探测的生物体具体深度层次，确定空间偏移距离；步骤S2.将激光器产生的平行光束经所述锥形透镜形成环形光束经第一光路照射生物体形成环形光斑，环形光斑的中心区域位于所述透光区内部；步骤S3.根据所述空间偏移距离，调节环形激发半径；通过所述第二光路将激发产生的信号光经所述反射区准直后收集至所述探测器，用于生物特征信号分析。
所述步骤S3中，调节环形激发半径满足所述空间偏移距离后，通过改变所述开口区与所述透光区在CPC结构中心轴上的垂直距离控制收集的信号光强度。CPC结构本身具有固定的接收半角，生物体发出的信号光进入所述透光区后，一部分信号光不会被所述反射区准直，而无法被后续光路接收，通过调整所述垂直距离能够改变接收半角，因而影响收集的信号光强度。
实施例二
本发明实施例二与实施例一的主要区别，结合图2、图5、图6所示，沿CPC结构的反射区21的抛物曲面的外部设置有环形波导层8，经锥形透镜3形成的环形光束耦入环形波导层8，从所述环形波导层的环形出射面Out出射在皮肤A表面形成环形光斑Q，进行环形激发。环形出射面Out的内圆与透光区22的边缘重合。环形光斑Q的中心区域C到环形激发区的距离能够通过由CPC结构的尺寸设计决定，即可根据空间偏移距离预设透光区22的大小，设定环形光波导层的半径。
实施例中，中心区域C到环形激发区的预设距离，即透光区22的半径取值范围是0.1mm-10mm，其中优选的范围是2mm-5mm；光学仓I-1相应位置开设有与透光区22匹配的窗口。其中，环形波导层8在所述抛物曲面向外的方向上的厚度范围是0.1mm-10mm。优选值为1mm。本实施例中环形波导层8是硅材质制作的，具体可以是环形光纤阵列，或者环形透明导光结构，并不限定。
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用于集成本发明的探测装置，提供激发光与收集返回的信号光，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无创生物特征信号探测装置，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，用于无创检测指甲下方甲床内血液的生物标志物，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无创生物特征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；在所述光学仓Ⅰ-1上还设置有光学窗口Ⅰ-2，所述光学窗口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，所述光学窗口Ⅰ-2的形状为正方形片状结构，但不限于正方形片状结构，所述光学窗口Ⅰ-2的边长为10mm，厚度为1mm；所述光学窗口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，所述光学仓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，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无创生物特征信号探测装置，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无创生物特征信号探测装置，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，所述探测系统包括光学仓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无创生物特征信号探测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Ⅱ-7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，所述探测窗口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无创生物特征信号探测装置，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)
1.一种无创生物特征信号探测装置，其特征在于：包括第一光路和第二光路；所述第一光路上设置有激光器、激发光纤耦合器和锥形透镜；所述第二光路上设置有CPC结构、聚焦部件和探测器，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；
所述激发光纤耦合器直接与激光器通过光纤连接，将激光器输出的光转化为平行光束进入所述锥形透镜的平面侧，从所述锥形透镜凸起面出射的光为环形光束；所述环形光束经所述第一光路照射在生物体表面形成环形光斑；
所述CPC结构包括反射区、透光区和开口区；所述反射区是抛物线绕所述CPC结构的中心轴旋转而成的抛物曲面；所述聚焦部件的光心位于所述中心轴上。所述环形光斑激发产生的信号光从所述透光区进入第二光路，经所述反射区准直后从所述开口区进入聚焦部件收集到所述探测器；
所述环形光斑的中心区域位于所述透光区内部。
2.根据权利要求1所述的一种无创生物特征信号探测装置，其特征在于：所述第一光路与第二光路部分重合，两者交汇处设置有二向色分光元件。
3.根据权利要求1所述的一种无创生物特征信号探测装置，其特征在于：沿所述抛物曲面的外部设置有环形波导层，所述环形光束耦入所述环形波导层，所述环形光斑是从所述环形波导层的环形出射面出射形成的光斑；所述环形出射面的内圆与所述透光区的边缘重合。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无创生物特征信号探测装置，其特征在于：所述聚焦部件的通光直径大于所述开口区的直径。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无创生物特征信号探测装置，其特征在于：沿所述第二光路在所述聚焦部件之前设置有带通滤光部件，用于将波长短于信号光波长的杂散光滤除，所述带通滤光部件的中心波长与所述激光器的波长相适配。
6.一种探测方法，其特征在于：采用权利要求1-5任意一项所述的无创生物特征信号探测装置，包括：
步骤S1.根据需要探测的生物体具体深度层次，确定空间偏移距离；
步骤S2.将激光器产生的平行光束经所述锥形透镜形成环形光束经第一光路照射生物体形成环形光斑，环形光斑的中心区域位于所述透光区内部；
步骤S3.根据所述空间偏移距离，调节环形激发半径；通过所述第二光路将激发产生的信号光经所述反射区准直后收集至所述探测器，用于生物特征信号分析。
7.根据权利要求6所述的一种探测方法，其特征在于：所述步骤S3中，调节环形激发半径满足所述空间偏移距离后，通过改变所述开口区与所述透光区沿CPC结构中心轴的垂直距离控制收集的信号光强度。
8.根据权利要求6或7所述的一种探测方法，其特征在于：在所述步骤S3中采用所述透光区半径与所述激发半径相匹配的外部设置有环形波导层的CPC结构。
9.一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1-5任意一项所述无创生物特征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。
10.一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1-5任意一项所述的无创生物特征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。
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