CN116098590A - 一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，它由两部分组成，即主机以及光声探头，其中主机包括激光器、信号发生器、锁相放大器、控制模块与数据处理模块；所述的光声探头是由高灵敏度超声探头、平行光管以及聚焦透镜组成。组织液是血液的替代检测物，通过检测其特定物质含量以达到疾病的检测、诊断与治疗。目前存在的组织液成分检测方法大多属于有创或无痛微创，且只能检测特定的物质，本发明报导的装置可通过改变激光器波长来达到检测多种物质，改变调制频率调节光穿透深度，属于无创方法。激光能量安全，光声方法可以实现对人体健康的无创监测，最大限度地减少对患者的干扰或伤害，同时保持较高的敏感性和特异性。

Description

一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种用于医学无创检测组织液成分的测量仪，具体涉及一种基于光声方法检测组织液内特定成分方法与装置。

背景技术

健康问题越来越受到关注，医学上通过对生物样品进行定量或者定性分析以进行疾病的诊断、监测和治疗。研究表明分析测定患者体液成分在疾病的诊断和管理过程中具有重要作用。血液采样因为其效率高成本低，已成为一种常见的现代医学诊断手段，许多生物分析测试的标准都是以血样作为基准。然而在血液采样日渐普遍的同时其背后的问题也越来越凸显：(1)血液采样是一种侵入式采样，皮下针刺采样过程会导致患者的依从性下降，尤其是对于儿童和针头恐惧症患者，对疼痛的恐惧可能会导致其避免寻求相应的医疗护理；(2)血液采样通常需要专业人员进行操作，医疗欠发达地区以及偏远山区的患者不能得到及时的治疗；(3)操作不规范或者使用未消毒的针头，可能会造成血液传播的生物病原体感染的风险，因此亟需一种针刺采血的替代方法。

汗液、泪液和唾液等体液不经过血液的循环系统，其组成成分与血液差异较大，不适合作为血液的替代品，并且这些体液暴露于体外，容易受到外界环境的影响从而对检测结果造成误差。组织液浸润着组织的细胞，功能为向细胞输送物质、细胞间通讯以及清除代谢废物等。作为一种交换媒介，组织液具有与血液相似的组成，有着丰富的生化信息。组织液由含有氨基酸、糖类、脂肪酸、辅酶、激素、神经递质、盐类以及细胞废物的水溶剂组成，因此组织液比较适合成为血液的替代品。皮肤有表及里可分为三层：角质层、活性表皮层和真皮层，死亡的角质细胞堆形成角质层，质地坚实，形成了天然的药物输送屏障；表皮层不含血管，有活性细胞和少量神经组织；位于最里层的真皮层是人体皮肤的主要结构，该层的皮肤状态决定了人体皮肤的整体情况，它含有大量的神经组织，会感到外界的刺激，也含有很多活性细胞和血管组织。而组织液角质层以下就存在，角质层厚度约15-20μm，有效阻止了组织液的外渗。通过对组织液中的生化成分含量分析可以对患者的健康状况进行监测和诊断，比如与心脑血管疾病相关的胆固醇、与癌症相关的特异性生物标志物等等。

目前存在的组织液成分监测方法通常有两种。第一种是使用微针技术的传感器提取组织液，微针技术属于微创无痛方法，微针只穿透至表皮层，并未到达含有大量神经的真皮层因此无痛。目前很大部分的专利都是用到了微针技术，如陈惠琄等人的“一种组织液检测装置及系统”、乔建民等人的“血液或组织液采集处理芯片及检测装置和方法”等组织液检测系统都是用到了微针阵列。但微针技术毕竟是属于微创技术，微针穿透角质层过程可能会带入有害微生物，引起炎症反应，且单根微针通常只能监测组织液中的特定成分，因此要监测多个成分时需使用多个微针，即微针阵列。第二种是使用特殊方法无创提取组织液，比如刘仁材等人的“一种无创皮下组织液提取-检测装置和提取-检测方法”，通过反向离子电渗技术经皮提取皮下组织液，属于无创方法，但仪器是使用电流作用于皮肤，会带来皮肤刺激或损伤等不适感。

实现无创检测光学方法是很好的选择，因为光学方法不涉及提取组织液过程，而是通过组织液对光的吸收情况判断组织液内物质含量，安全性更好且不会带来不适感。光学方法中传统光学技术如拉曼光谱、近红外光谱法等方法存在光在人体组织中散射和衰减强的问题，使得穿透深度较浅，信号弱容易受生理背景信号干扰。相反，基于光声谱的技术有助于缓解这一问题，因为光声谱具有高光学对比度和深声穿透的优势。此外由于组织液存在于角质层下，角质层厚度存在个体差异，微针技术为了保证能够穿透角质层，因此长度都较长，而光声方法使用的光源是经过方波强度调制的，调制频率越高光的穿透深度就越浅，因此可以通过改变调制频率去选择最合适的穿透深度。光声方法可以实现对人体健康的无创监测，最大限度地减少对患者的干扰或伤害，同时保持较高的敏感性和特异性。本发明具有以下显著的创新性：(1)目前常见的组织液成分检测方法都需要提取组织液，光声方法不需要提取出人体内的组织液安全性更高，实现了无创检测；(2)可通过改变激光器的波长扫描光声光谱以达到检测多种物质的效果；(3)可通过改变调制频率改变光的穿透深度以适应人的个体皮肤差异。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，用以实现组织液成分含量的检测监控人的健康情况。本发明中创新设计采用光声方法避免了传统光学方法在人体组织内的散射和衰减问题，有着更高的光学对比度；同时，本发明使用多波长可调谐激光器实现各种生理物质的浓度检测，物质对不同波长的光的吸收情况是不同的，只要激光波段涵盖需检测物质的特征吸收波长即可检测该物质；并且，基于锁相放大器的加持，在低能量的激光下也可以保持了高的性噪比，对人体来说更加安全且检测效果更好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明公开了一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，它由两部分组成，即主机以及光声探头，其中主机包括激光器、信号发生器、锁相放大器、控制模块与数据处理模块；所述的光声探头是由高灵敏度超声探头、平行光管以及聚焦透镜组成。

所述信号发生器产生50％占空比方波分为两路，一路与激光器相连接以一定频率进行强度调制，另一路送入锁相放大器作为参考信号，激光器受到控制模块的控制，可以控制输出光的波长以及功率。光声探头在超声探头前涂抹超声凝胶后贴合皮肤，超声凝胶效果为与皮肤更好耦合，增强信号。经过调制的激光经过平行光管和聚焦透镜聚焦照射皮肤，激光能量穿透角质层，组织液吸收激光能量由于光声效应产生超声波，高灵敏度超声探头将光声信号转化成电信号，传输给锁相放大器；锁相放大器将信号处理后的锁相信号送入数据处理模块；除此以外激光器的激光能量数据送入数据处理模块进行记录，数据经过处理后得出待测物质的预测结果；

进一步地，所述的激光器是多波长可调谐激光器，该激光器作为光源，可以发出功率恒定的激光，波长选择范围宽且可调，波长范围应涵盖所需检测物质的特征吸收波长。

进一步地，所述的激光器受到激光调制器的控制，可以进行50％占空比的方波强度调制，可以输出不同调制光强的激光，同时也可以在不同波长下稳定工作。

进一步地，所述的光声探头高灵敏度超声探头、信号放大器、平行光管、聚焦透镜组成。

进一步地，超声探头在贴合组织时需配合超声凝胶进行耦合。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，用以实现组织液成分的无创检测；更为具体的讲：

1)本发明中创新设计采用光声方法，有着更高的安全性，光源能量符合安全要求且光声检测方法完全无创，避免了伤口感染过敏等问题；

2)本发明使用多波长可调谐激光器以实现多种物质检测，检测更加全面，系统只要激光源涵盖需检测物质的特征波长，即可推测出待测物质对应含量；

3)本发明使用调制光源可控制光的穿透深度以适应个体差异，且系统使用锁相放大器，信号信噪比高。

附图说明

图1为本发明中光声方法的组织液成分无创检测装置的结构示意图。

图2为图1所示组织液成分无创检测装置中光声探头的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，所述检测装置如图1所示，包括：主机以及光声探头；其中，主机包括：激光器、信号发生器、锁相放大器、控制模块与数据处理模块，所述光声探头结构如图2所示，光声探头包括：高灵敏度超声探头、平行光管以及聚焦透镜；

具体而言：所述信号发生器产生50％占空比方波分为两路，一路与激光器相连接以一定频率进行强度调制，另一路送入锁相放大器作为参考信号，激光器受到控制模块的控制，可以控制输出光的波长以及功率。光声探头在超声探头前涂抹超声凝胶后贴合皮肤，超声凝胶效果为与皮肤更好耦合，增强信号。经过调制的激光经过平行光管和聚焦透镜聚焦照射皮肤，激光能量穿透角质层，组织液吸收激光能量由于光声效应产生超声波，高灵敏度超声探头将光声信号转化成电信号，传输给锁相放大器；锁相放大器将信号处理后的锁相信号送入数据处理模块；除此以外激光器的激光能量数据送入数据处理模块进行记录，数据经过处理后得出待测物质的预测结果。

从工作原理上讲：

建立检测方法的数学模型是选择光声技术的理论依据，光声过程中产生的压力可以用波动方程来描述，具体如下：

其中，t表示时间，I表示入射激光的光强，v表示待测液中的声速，α表示待测液的光吸收系数，β表示待测液的体积热膨胀系数，C_p表示待测液的比热容，P表示光声信号的声压，

表示求导符号；

当待测液中葡萄糖的光吸收较弱时，光声信号的声压P可表示为：

其中，c表示系统常数、为常量，E₀表示入射激光的脉冲能量：

从而有：

由此可见，当其他参数一定时，光声信号的声压P与组织液的光吸收系数α、体积热膨胀系数β、声速v、比热容Cp成正比，当激光波长为对应待测物质的特征波长时，待测物质浓度的改变主要会影响组织液的光吸收系数α。待测物质浓度上升时，光吸收系数α上升，光声信号的声压P上升；待测物质浓度下降时，光吸收系数α下降，光声信号的声压P下降，即光声信号的声压P的变化能够间接反映出待测物质浓度的变化，基于此，在待测物质的特征吸收波长的照射下本发明实现待测物质浓度检测。

更为具体的讲：

若要进行多种物质的浓度检测，只需将激光的波长调整为对应物质的特征波长即可。比如胆固醇的一个特征吸收波长为487nm，脂质于1210nm存在一个特征吸收波长，因此在检测这两个物质含量时可以由487nm切换至1210nm。不过不同物质可能存在相同的吸收特征波长，因此在选择波长时应避免吸收波长的重叠。除此以外应添加一个参考波长用于校准其余波长的数据，可以选择水的特征吸收波长1400nm作为参考波长。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，它由两部分组成，即主机以及光声探头，其中主机包括激光器、信号发生器、锁相放大器、控制模块与数据处理模块；所述的光声探头是由高灵敏度超声探头、平行光管以及聚焦透镜组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，其特征在于：所述的激光器是多波长可调谐激光器，该激光器作为光源，可以发出功率恒定的激光，波长选择范围宽且可调，波长范围应涵盖所需检测物质的特征吸收波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，其特征在于：所述的激光器受到激光调制器的控制，可以进行50％占空比的方波强度调制，可以输出不同调制光强的激光，同时也可以在不同波长下稳定工作。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，其特征在于：所述的光声探头高灵敏度超声探头、平行光管、聚焦透镜组成。

5.根据权利要求1、4所述的一种基于光声方法的组织液成分无创检测方法与装置，其特征在于：超声探头在贴合组织时需配合超声凝胶进行耦合。

Images