CN115137358B - 一种皮下无创检测装置、信号收集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种皮下无创检测装置，包括第一光路的激光器、波前调节部件和聚焦部件；第二光路的探测部件，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；所述探测部件的接收面与所述聚焦部件的焦点在一对共轭面上，用于收集信号光。波前调节部件包括通信连接的波前传感器、控制器和可变形镜；所述激光器的激发光经准直后入射到所述可变形镜，经可变形镜反射后再进入所述聚焦部件，经所述聚焦部件在皮下聚焦。结构简单，利于小型化。改善了波前失真情况，实现高效的激发，也提高收集效率。本发明的信号收集系统及方法因采用本发明的皮下无创检测装置而具有相应优势，有利于皮下无创检测技术的进一步推广应用。
Description
技术领域
本发明属于医学检测设备技术领域，尤其涉及一种皮下无创检测装置、信号收集系统与信号收集方法。
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。
光信息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。通过光信息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。
例如基于近红外光谱分析的测量方法以无痛、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。又例如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。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。
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，然后传输到探测部件，探测不同波长处拉曼信号强度。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。如果让激发光准确的聚焦到样品上特定位置，在光路设计不变的情况，显然需要设计合理样品架或样品台，以及对样品表面进行可能的预处理，测试效率受到影响，每次调节样品，效率低，还可能增加成本。而在实验室之外的应用则测试条件受到限制，要测试的样品与光源之间的介质就是一个难以避免的影响激发光聚集到特定位置以及后续信号收集的问题。
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、皮下脂肪基本构成。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。皮肤是一种浑浊的散射介质，会将入射光散射开，导致进入皮肤内部的光子的波前出现很大的偏差，聚焦至皮下特定位置的效果大打折扣，收集效率也亟需提高。因此有必要研发一种能够准确聚焦到特定检测部位，有利于提高收集效率，检测结果可靠的皮下无创检测装置及相应的信号收集系统与方法。
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
本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明提供了一种皮下无创检测装置及相应的信号收集系统及方法，使激发光的波前与皮肤内部的波前匹配，可以高效的对皮肤下方的组织液或血液进行检测，从而得到一些生物标志物的信息，精准高效的反映疾病或者健康状况。
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，进行的示例性而非限定性解释，不应限制以此本发明的范围。
波传播到某一位置处等相位面组成的曲面称为波前。波前是一种波面，或者说是波阵面。本发明利用可变形镜对随机介质的入射光波前相位进行调控，使透过随机介质的光束在目标点发生相干增强，实现了波前调制聚焦。本发明的皮下无创检测装置基于波前调整聚焦设计，对于反馈的波前信号进行调控实现了光透过随机介质更高质量、更快速度及更准确的特定位置聚焦。本发明的皮下无创检测装置对入射波前进行优化，在散射介质后的特定位置处，多个子波的光学相位（最初是随机分布的）变得匹配，从而由两者之间的线性关系而形成相长干涉，即寻找到最优的波前信息。本发明的皮下无创检测装置因而更容易地产生聚焦，因为每个子波的光学路径长度或每个空间频率分量的光学相位延迟可在聚焦处精确匹配。
波前传感器的主要作用是测量光瞳面位置的光学像差，本发明中可以采用常见的Shack-Hartmann传感器、Pyramid传感器、曲率传感技术和剪切干涉仪等多种类型。波前传感器是一种内部使用CMOS传感器，用来测量入射光波前信息的仪器。它的入射窗口处有多个微型透镜组成的阵列，用于将入射光束聚焦到传感器表面，并与传感器表面上的参考点阵列位置进行对比。如果入射光的波前非常平整，则经过微透镜阵列后，每个微透镜之后的焦点光斑都沿着微透镜本身的光轴，与CMOS传感器上的参考点重合；如果入射光的波前在到达之前由于经过不均匀的散射介质（比如生物组织），则波前形状发生畸变，在聚焦后无法与参考点重合。通过分析实际聚焦光斑与参考点的位置差异，可以计算重构出入射光的波前形状。
可变形镜在能动器上固定有较薄的镜面，其主要工作原理为给能动器上加载电压时，能动器便可以产生一定的形变，从而促使其上的镜面发生变化改变镜面的表面形状，达到改变光束相位的目的。能动器具有较小的位移变化量，精度能精确到纳米级别，响应时间也较快，促动器单元的数量问题也能够有效的反映进行相位补偿和校正的空间分辨率。通过薄镜面和支撑控制的促动器所组成，通过外在电压控制促动器来改变镜面形状，从而影响光路长度达到改变局部光程的目的，最终能够补偿和校正整个光波的畸变波前。可变形镜通过反射能够缩短光程，优化波前的同时也更有利于缩小整个激发光模组的空间大小，这对于皮下无创检测的普及应用尤为重要。
人工神经网络算法模拟生物神经网络，是一类模式匹配算法。通常用于解决分类和回归问题。人工神经网络是机器学习的一个庞大的分支，其中深度学习就是其中的一类算法。本发明的预设算法以人工智能技术为基础。
本发明提供的一种皮下无创检测装置，包括激发光照射的第一光路和收集信号光的第二光路；沿所述第一光路设置的激光器、波前调节部件和聚焦部件，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；设置于第二光路上的探测部件；所述探测部件的接收面与所述聚焦部件的焦点在一对共轭面上；所述波前调节部件包括依次通信连接的波前传感器、控制器和可变形镜；所述激光器发出激发光经准直后入射到所述可变形镜，经可变形镜反射后再进入所述聚焦部件，经所述聚焦部件在皮下聚焦；所述控制器包括处理单元，所述处理单元基于预设算法，对接收到所述波前传感器的反馈进行学习，计算优化波前，并依此控制电压信号调节所述可变形镜输出的反射光波前。利用可变形镜一方面实现了激发光的波前调节，同时光路结构空间布局的灵活性高，极有利于用于皮下无创检测的设备小型化，进而推广其应用。
所述可变形镜包含的可操控单元数量范围是20-1000个。优选的，所述可变形镜包含的可操控单元数量是140个。
一个具体情况中，所述可变形镜是薄膜变形镜。传统的变形镜由于其子镜是拼接而成，其间的缝隙会降低光能的利用率，同时使得调整难度也比较大。采用薄膜变形镜一方面占用空间少，另外薄膜由于自身刚度小的原因故很容易就能使得面型产生变化。
另一个具体情况中，所述可变形镜是双压电变形镜。将薄光学玻璃片作为反射镜粘连到其中一面的压电陶瓷片上，压电陶瓷具有的横向压电效应，当控制电极被加载上控制电压时，其中之一压电陶瓷会形成横向扩张的现象，相反的另一片压电陶瓷会横向收缩，整体作用的效果会造成镜面在加载电压的电极位置产生局部弯曲变形。
所述激光器的激发光进入准直光纤，通过光纤耦合器入射到所述可变形镜。优选的，所述光纤耦合器的数值孔径是0.22。采用聚焦光纤配合光纤耦合器实现光路连接有利于皮下无创检测装置的光路设计更加灵活，能够根据实际结构设计要求实现光路转折，满足皮下无创检测设备设计的小型化或便携化要求。
所述波前调节部件还包括第一分束元件；所述第一分束元件设置在所述可变形镜与聚焦部件之间，将所述可变形镜输出的反射光分束，分别进入所述波前传感器和所述聚焦部件；所述波前传感器将接收到的皮肤内部光子的波前信息与所述出射光的当前波前信息进行比对后反馈给所述控制器。通过第一分束元件的设置使得经所述可变形镜调制后输出的反射光束也能被所述波前传感器接收，因而更有利于所述控制器能根据获取的反馈持续实现波前的迭代优化。所述第一分束元件将所述可变形镜输出的反射光分成90°夹角的两束光束。
所述第一分束元件包括但不限于分束镜、半透半反镜、分光棱镜、激光分束器或薄膜分束器。
所述聚焦部件的焦距范围是5mm-900mm。优选的，所述聚焦部件的焦距是300mm。
所述聚焦部件包括聚焦透镜。优选的，所述聚焦透镜至少有2个，构成聚焦透镜组；所述聚焦透镜组的焦距可调节。
所述聚焦部件还包括挡光部，所述聚焦透镜组设置在所述挡光部内，所述挡光部沿光路方向设置有孔径光阑，所述孔径光阑的大小与所述聚焦透镜组的数值孔径相匹配。中心激发点及附近的波前信号会被所述挡光部遮挡有利于后续的信号光收集以及减少荧光干扰。
所述聚焦部件包括聚焦光纤，所述聚焦光纤与所述波前调节部件通过光纤耦合器连接。
所述探测部件包括探测器、收集光纤束，沿第二光路设置有聚光镜和第二分束元件；所述第二分束元件具有二向色性，设置于所述第一分束元件与所述聚焦部件之间的第一光路中，用于透射激发光并反射激发产生的信号光；所述聚光镜与所述聚焦部件成共轭光学系统，所述收集光纤束的入射端面即所述探测部件的接收面。采用二向色的第二分束元件，实现第一光路与第二光路有部分重合，利于结构设计的灵活性。
所述第二分束元件包括但不限于二向色镜。
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信号收集方法，采用本发明的皮下无创检测装置，包括：步骤S1.在皮肤下方植入生物相容且可降解的荧光诱发物；步骤S2.激发光照射所述荧光诱发物，通过波前传感器检测荧光，散射光，解析皮肤内部光子的波前信息；将波前信息反馈给所述控制器；步骤S3.所述控制器控制可变形镜动态改变激发光的波前信息，使激发光的波前与皮肤内部的波前匹配；步骤S4.将经调制的激发光通过所述聚焦部件聚焦到皮肤下特定位置产生信号光；步骤S5.所述信号光经所述第二光路被所述探测部件收集进行后续信号分析。
所述步骤S2中，还包括波前传感器检测可变形镜输出的反射光的当前波前信息，将当前波前信息与皮肤内部光子的波前信息进行比对，将比对结果反馈给所述控制器。
所述步骤S3之前，所述处理单元基于神经网络算法对所述波前传感器的反馈信息进行深度学习，训练出自适应的最优算法，并进行迭代计算获取最优波前。
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信号收集系统，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皮下无创检测装置除所述激光器和所述控制器之外的部分；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。
所述光学仓用于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。所述信号收集系统用于无创信号收集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信号收集系统，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皮下无创检测装置除所述激光器和所述控制器之外的部分；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，将本发明的皮下无创检测装置通过光学仓集成，便于使用。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
1.本发明的一种皮下无创检测装置，采用可变形镜结合波前传感器能够优化进入皮肤的激发光波前，实现对皮下特定位置的准确会聚，提高了激发效率，也有利于提高光学检测中的信号收集效率；通过控制器采用卷积神经网络算法能够得到最优的皮下波前，并以此来控制所述可变形镜，得到最优的激发光波前，提高了光学检测的效率，极大的提高了光学检测的可靠性和准确性。采用可变形镜通过反射调制波前，提高了光路结构设计的灵活性，极有利于皮下无创检测医疗设备的小型化。本发明的信号收集系统因集成有本发明的检测装置而具有相应优势，且适用于特定应用场景，使用方便，结构集成程度高，便于生产，有利于无创检测在家庭场景中的应用推广。
2.本发明另一方面提供的一种信号收集方法，因采用本发明的皮下无创检测装置而具有相应优势，通过深度学习，能够智能的控制可变形镜，将人工智能技术应用在光学检测领域，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为本发明实施例一的第一光路及相关结构的示意图。
图2为本发明实施例一的信号收集方法的示意图。
图3(a)为本发明实施例二的皮下无创检测装置的示意图。
图3(b)为本发明实施例二的聚焦部件的示意图。
图4为本发明实施例三中的信号收集系统示意图。
图5为本发明实施例四中的信号收集系统示意图。
图6为本发明实施例四中光学仓旋转示意图。
图7为本发明实施例五中的信号收集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
本实施例的皮下无创检测装置通过一个光学仓I-1集成，光学仓I-1开设有通光窗口。皮下无创检测装置包括激发光照射的第一光路和收集信号光的第二光路；如图1所示，第一光路中包括沿光路设置的激光器1、波前调节部件和聚焦部件3，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；所述波前调节部件包括依次通信连接的波前传感器21、控制器22和可变形镜23；所述激光器1的激发光经准直后进入可变形镜23，经其调制后输出的反射光再进入聚焦部件3，经聚焦部件3在皮肤4下聚焦，本实施例中以需要聚焦的特定位置为血管40为例进行说明。本实施例中，除了激光器1、控制器22，其它第一光路部件均集成在光学仓I-1内。激发光的初始波前如图1中1w所示意。第二光路设置探测部件；所述探测部件的接收面与所述聚焦部件的焦点在一对共轭面上，用于收集激发光激发产生的信号光，进行后续信号处理。
控制器22包括处理单元，本实施例的所述处理单元基于预设的神经网络卷积算法，对接收到所述波前传感器21的反馈进行深度学习，计算优化波前，并依此控制电压信号调节所述可变形镜23输出的反射光波前。本实施例中，可变形镜23采用的是薄膜变形镜。所述可变形镜包含的可操控单元数量范围较好的是20-1000个，其中一个优选的示例值是140个。激光器1采用785nm波长的半导体激光器，用准直光纤101配合光纤耦合器102将激发光准直后入射到可变形镜23。本实施例中光纤耦合器102的数值孔径是0.22。
聚焦部件3包括一个聚焦透镜，在一些实际场景中也可以采用聚焦光纤通过光纤耦合器与波前调节部件实现光路连接，并不限定。聚焦部件3的焦距范围较好的是5mm-900mm。本实施例中优选的，焦距为300mm。
如图2所示，本实施例中的信号收集方法包括：步骤S1.在皮肤下方植入生物相容且可降解的荧光诱发物；步骤S2.激发光照射所述荧光诱发物，通过波前传感器检测荧光，散射光，解析皮肤内部光子的波前信息；将波前信息反馈给所述控制器；步骤S3.所述控制器控制可变形镜动态改变激发光的波前信息，使激发光的波前与皮肤内部的波前匹配；步骤S4.将经调制的激发光通过所述聚焦部件聚焦到皮肤下的血管产生信号光；步骤S5.所述信号光经所述第二光路被所述探测部件收集进行后续信号分析。本实施例中，暂时性在皮肤下方植入一些可检测的微球或者颗粒作为荧光诱发物，可以发射荧光，优选真皮层皮下200µm-300µm为植入深度。此种微球或颗粒具有生物相容性，生物可降解性。
实施例二
本发明实施例二与实施例一的主要区别，如图3(a)所示，所述波前调节部件还包括第一分束元件24；所述第一分束元件24设置在可变形镜23与聚焦部件3的光路之间，可变形镜23和波前传感器21分别与第一光路L1的入射光瞳共轭，第一分束元件24将所述可变形镜23输出的反射光分束，分别进入所述波前传感器21和聚焦部件3；所述波前传感器21将接收到的皮肤4内部光子的波前信息与所述反射光的当前波前信息23w进行结果比对后反馈给所述控制器22。通过第一分束元件24的设置使得经所述可变形镜23调制后的出射光束也能被波前传感器21接收，因而更有利于控制器22能根据获取的反馈持续实现波前的迭代优化。
本实例中所述第一分束元件24采用无二向色性的分光棱镜，透射功率与反射功率比例是90：10。也有的实际设计中采用分束镜、激光分束器、半透半反镜或薄膜分束器，并不限定，可以不改变波前而分束的分光结构都可以被采用。本实施例中第一分束元件24将所述可变形镜输出的反射光分成90°夹角的两束光束，可变形镜23输出的反射光进入第一分束元件24的入射角度是45°。
本实施例中，如图3(b)所示，聚焦部件3包括2个聚焦透镜30构成的焦距可调节的聚焦透镜组，也可以根据实际应用场景设置更多的聚焦透镜30，并不限定。聚焦透镜30设置在挡光部31内，挡光部31沿光路方向设置有孔径光阑，所述孔径光阑的大小与聚焦透镜组的数值孔径相匹配。激光器1采用830nm波长的半导体激光器，可变形镜23采用的是双压电变形镜，也可以根据是实际应用场景需要选择其它特定类型激光器以及其它类型的可变形镜，并不限定。
本实施例中，如图3(a)所示，探测部件包括探测器5、收集光纤束51、沿第二光路L2设置有聚光镜52和第二分束元件53；第二分束元件53是具有二向色性的光学元件，设置于第一分束元件24与聚焦部件3之间的第一光路L1中，用于透射激发光并反射产生的信号光，聚光镜53与聚焦部件3成共轭光学系统，收集光纤束51的入射端面即探测部件的接收面。本实施例中探测器5设置在光学仓Ⅰ-1之外，其它第二光路L2上的部件集成在光学仓Ⅰ-1内。采用具有二向色性的第二分束元件53，实现第一光路与第二光路有部分重合，利于结构设计的灵活性。本实施例中第二分束元件53反射信号光的反射角是45°。第二分束元件53本实施例中采用的是二向色镜，也可以是具有其它二向色性的光学元件，并不限定。
本实施例中，所述步骤S2中，还包括波前传感器检测可变形镜反射光的当前波前信息，将所述当前波前信息与皮肤内部光子的波前信息进行比对，将比对结果反馈给所述控制器。所述步骤S3之前，所述处理单元基于神经网络算法对所述波前传感器的反馈信息进行深度学习，训练出自适应的最优算法，并进行迭代计算获取最优波前。透过皮肤4聚焦后波前如图3(a)中4w所示意。
实施例三
本实施例中的信号收集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4，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用于集成本发明的皮下无创检测装置，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皮下无创检测装置，提供一种无创检测指或趾甲甲床血液中生物标志物的信号收集系统，参照图5，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皮下无创检测装置除去所述激光器和所述控制器之外的部分，使用时，外接所述激光器和所述控制器，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6，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皮下无创检测装置，包括所述激光器和所述控制器。
实施例五
本实施例集成实施例一至实施例三中任一皮下无创检测装置，提供一种用于检测肢体皮肤下的生物标志物信息的信号收集系统。参照图7，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皮下无创检测装置除所述激光器和所述控制器之外的部分；使用时，光学仓外接所述激光器和所述控制器，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。所述绑带上设有信号收集窗口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与所述信号收集窗口Ⅱ-4相连。所述信号收集窗口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。每个信号收集窗口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Ⅱ-5的内侧，本实施例中，绑带Ⅱ-5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皮下无创检测装置，包括所述激光器和所述控制器。
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 (4)
1.一种皮下无创检测装置，其特征在于：包括激发光照射的第一光路和收集信号光的第二光路；沿所述第一光路设置的激光器、波前调节部件和聚焦部件，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；设置于第二光路上的探测部件；所述探测部件的接收面与所述聚焦部件的焦点在一对共轭面上；
所述波前调节部件包括依次通信连接的波前传感器、控制器和可变形镜；所述激光器的激发光经准直后入射到所述可变形镜，经可变形镜反射后再进入所述聚焦部件，经所述聚焦部件在皮下聚焦；所述聚焦部件还包括挡光部，聚焦透镜组设置在所述挡光部内，所述挡光部沿光路方向设置有孔径光阑，所述孔径光阑的大小与所述聚焦透镜组的数值孔径相匹配；
所述波前调节部件还包括第一分束元件；所述第一分束元件设置在所述可变形镜与聚焦部件之间，将所述可变形镜输出的反射光分束，分别进入所述波前传感器和所述聚焦部件；所述波前传感器将接收到的皮肤内部光子的波前信息与所述反射光的当前波前信息进行比对后反馈给所述控制器；
所述探测部件包括探测器、收集光纤束，沿第二光路设置有聚光镜和第二分束元件；所述第二分束元件具有二向色性，设置于所述第一分束元件与所述聚焦部件之间的第一光路中，用于透射所述激发光并反射所述信号光；所述聚光镜与所述聚焦部件成共轭光学系统，所述收集光纤束的入射端面即所述探测部件的接收面；
所述控制器包括处理单元，所述处理单元基于预设算法，对接收到所述波前传感器的反馈进行学习，计算优化波前，并依此控制电压信号调节所述可变形镜输出的反射光波前。
2.根据权利要求1所述的一种皮下无创检测装置，其特征在于：所述可变形镜包含的可操控单元数量范围是20-1000个。
3.一种无创检测指或趾甲甲床血液生物标志物信息的信号收集系统，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1-2任意一项所述皮下无创检测装置除所述激光器和所述控制器之外的部分；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。
4.一种用于检测肢体皮肤下的生物标志物信息的信号收集系统，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1-2任意一项所述的皮下无创检测装置除所述激光器和所述控制器之外的部分；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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