CN116807465A - 一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置及检测方法，该装置由光源单元、光纤耦合单元、反射式激发探测一体化单元、样品测试单元、信号处理和控制单元构成；其中，反射式激发探测一体化单元包括反射式物镜、超声探测器、石英密封罩和硅油；样品测试单元由被测组织、样品支架和水箱构成；信号处理和控制单元由信号放大器、信号滤波器、数据采集卡、计算机、三维扫描平台控制器和三维扫描平台构成。本发明采用的光纤耦合和反射式激发一体化方式，可以使得血糖光声检测使用更便捷、临床适用性更广。同时，采用激发和探测同轴结构和多光谱光声显微成像技术，可以大大提高血糖精准检测的准确度。

Description

一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光声检测技术领域，具体为一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置及检测方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高和饮食结构的变化，越来越多的人罹患糖尿病。当前医学水平还不能彻底根治糖尿病，主要是通过频繁地监测血糖浓度变化并以此为依据，准确、及时控制饮食和调整口服降糖药物或胰岛素用量来控制血糖值。故准确地监测患者的血糖值是糖尿病诊断和治疗的关键。

目前，随着科技的进步，血糖检测技术快速发展，光声技术是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的非介入型无创光子医学检测技术。由于采用检测超声波代替检测散射光子，从原理上避开了纯光谱法中组织散射光干扰大和光谱重叠等缺点，是一种有效结合光子学和超声学的新型无创血糖检测技术。但是，过去血糖光声在体检测大多是获取人体皮肤组织液(或体液)中的葡萄糖光声信号，而并没有真正对血管中的血糖进行精准光声检测；从医学角度来讲，糖尿病患者血液中的血糖含量和组织液中的葡萄糖之间存在一定的数值偏差和时间延迟，血液中的血糖含量可以较全面地反映人体整个机体的新陈代谢水平。如果只是单纯地获取组织液中的葡萄糖含量，这势必会使得血糖检测准确度和可靠性受到影响；并且，目前血糖光声检测采用的是激光激发透射式探测模式，这种模式主要针对薄层组织进行检测，无法实现对较厚组织中血糖的光声检测，因此不利于临床实际应用；此外，现有的光声检测技术，产生的光声信号较弱，稳定性差，存在成像质量差的缺点。

发明内容

本发明提供一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置及检测方法，旨在解决背景技术中所指出的现有血糖光声检测技术产生的检测准确度低、可靠性差，以及光声显微成像中光声信号较弱，稳定性差，成像质量差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的技术方案，一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，包括：

光源单元，光源单元包括脉冲激光器，所述脉冲激光器用于发出不同波长的脉冲激光；

光纤耦合单元，用于将光源单元发出的脉冲激光进行传输；

反射式激发探测一体化单元，位于光纤耦合单元的后端，依光传输方向依次设置有反射式物镜和超声探测器，所述反射式物镜包括凸面反射镜和凹面反射镜，所述凸面反射镜设置于凹面反射镜的正下方，凹面反射镜中部开设有用于光纤耦合单元输出的准直光束平行入射至凸面反射镜上的圆孔，所述准直光束依次经过凸面反射镜反射和凹面反射镜全反射后，穿过反射式物镜上开设的出射窗口后汇聚成焦斑入射至样品测试单元上；超声探测器安装于凸面反射镜与样品测试单元之间，且超声探测器焦点与反射式物镜的焦点在同一个光轴上，并且反射式物镜的焦点落在超声传感器的声聚焦区域范围内；

样品测试单元，位于反射式激发探测一体化单元正下方；

信号处理和控制单元，包括信号处理器、数据采集卡、计算机、三维扫描平台控制器和三维扫描平台，所述信号处理器的输入端和超声探测器相连接，所述信号处理器的输出端和数据采集卡相连接，所述数据采集卡通过总线方式与计算机相连接，所述计算机通过三维扫描平台控制器与三维扫描平台和脉冲激光器相连接，脉冲激光器还连接有数据采集卡，用于输出触发信息给数据采集卡，来触发数据采集卡采集数据，所述三维扫描平台通过连接支架与光纤耦合单元的后端和反射式激发探测一体化单元相连接，用于驱动反射式激发探测一体化单元进行三维平移扫描。

由上述技术方案可见，本发明通过凹面反射镜、凸面反射镜、中间圆孔和超声探测器的相互配合，使得光纤耦合单元输出的准直光束进入反射式物镜中由凸面反射镜进行全反射；经凸面反射镜反射的光，由凹面反射镜进行全反射，再经过反射式物镜出射窗口后汇聚成焦斑入射至被测组织，从而可以避开超声探测器，超声探测器不会阻挡到光束，使得反射式物镜和超声探测器能够采用同侧同轴结构，使得超声探测器获得的光声信号强，稳定性高，从而通过光声信号生成的光谱图像成像质量好；通过三维扫描平台驱动反射式激发探测一体化单元进行三维平移扫描，能够获取被测组织的二维和三维光声数据，可以先确定被测组织中毛细血管的位置，然后获取毛细血管中血液的光声信号，相比现有技术中光声技术获取组织液中血糖的光声信号，提高了血糖含量检测的准确性，通过脉冲激光器发出不同波长的脉冲激光，从而可以获得不同波长对应的光声信号，从而便于筛选成像质量好的光谱图像；由于光传播速度快，通过脉冲激光器输出触发信息给数据采集卡，来触发数据采集卡采集数据，使得数据采集卡采集的数据和脉冲激光器发出的波长一一相对应，不会造成混乱。

进一步的方案是，所述反射式物镜包括上密封罩和下密封罩，所述上密封罩的外壁与下密封罩的内壁螺纹连接，所述凹面反射镜安装在上密封罩内壁上，凸面反射镜安装在下密封罩底壁上，所述出射窗口为下密封罩出射窗口。

由上述技术方案可见，由于上密封罩和下密封罩相互之间螺纹连接，通过转动上密封罩，能够驱动凹面反射镜相对于凸面反射镜的上下运动，从而实现调节凹面反射镜与凸面反射镜之间距离的目的，达到改变光路角度的作用，使得进入到反射式物镜内部的脉冲激光经过凸面反射镜反射后，尽可能反射到凹面反射镜上，保证大部分脉冲激光从下密封罩出射窗口出射，成像质量好，同时改变光路角度后，使得脉冲激光经过凹面反射镜反射后，尽量避开超声探测器，使得微型的超声探测器能够小型化，从而减小了超声探测器的制造成本；此外，调节凹面反射镜与凸面反射镜之间的距离，虽然会改变反射式物镜的焦距，但由于在超声探测器具有较宽的有效探测范围内，探测效果并不会受到影响。

进一步的方案是，所述凸面反射镜为非球面反射镜，凹面反射镜为球面反射镜，凸面反射镜的曲率从中心到边缘逐渐减小。

由上述技术方案可见，由于凸面反射镜的曲率从中心到边缘逐渐减小，使得照射在靠近凸面反射镜中心处的脉冲激光向外反射的角度扩大，进一步使得进入到反射式物镜内部的脉冲激光经过凹面反射镜反射后，能够尽可能避开超声探测器，使得微型的超声探测器能够小型化，小型化的超声探测器边缘也不容易阻挡到光路的出射。

进一步的方案是，所述反射式激发探测一体化单元还包括有石英密封罩，所述反射式物镜的出射窗口、凸面反射镜支架和超声探测器均密封在石英密封罩内，出射窗口处设置有石英玻璃，所述石英密封罩内部充满硅油。可以理解的是，通过设置石英玻璃，可以避免石英密封罩内的硅油进入到反射式物镜的内部，硅油起到耦合作用，起到增强信号的作用，同时硅油粘性好，石英密封罩位移过程中，硅油不会震荡，从而能够避免光路在硅油中折射和散射。

进一步的方案是，所述光源单元还包括有依次设置的光阑、第一聚焦透镜、针孔和第一准直透镜，所述光阑设置于脉冲激光器的光束出口的前端，所述第一聚焦透镜用于对光束进行聚焦；所述针孔设置于第一聚焦透镜的焦点处，所述第一准直透镜用于对光束再进行扩束并准直。

由上述技术方案可见，光阑用于滤除脉冲激光器发出的光束中存在的旁瓣散射光，针孔用于将聚焦的高斯光斑进行空间滤波整形，提高光束质量，使得光束质量好。

进一步的方案是，所述光纤耦合单元包括有入射光光纤耦合器、光纤和出射光光纤耦合器，所述入射光光纤耦合器由第二聚焦透镜、入射光光纤耦合头和光纤调节支架构成，第二聚焦透镜用于将光束汇聚进入入射光光纤耦合头，所述入射光光纤耦合头用于将光束导入到光纤中，所述光纤调节支架用于调节入射光光纤耦合头的水平位置、纵向位置和俯仰角，所述出射光光纤耦合器包括出射光光纤耦合头、光纤固定支架和第二准直透镜，所述出射光光纤耦合头用于将光纤的出口端固定在光纤固定支架上；第二准直透镜用于将出射光光纤耦合头出射的光束再次进行准直，并出射到反射式激发探测一体化单元中。

由上述技术方案可见，通过光纤调节支架调节入射光光纤耦合头的水平位置、纵向位置和俯仰角，起到调节光纤入射端面位置的作用，使得入射激光光束最大限度地导入光纤中进行传输。

进一步的方案是，所述样品测试单元包括水槽，所述水槽内充满水，所述水槽内放置有样品支架，所述样品支架上放置有生物组织，可以理解的是，如此设置，使得生物组织浸没在水中，水作为耦合剂，起到增强信号的作用。

进一步的方案是，所述信号处理器包括信号放大器和信号滤波器，所述信号放大器为一级或多级信号放大器；所述的信号滤波器为低通或带通滤波器；所述数据采集卡为PCl总线、PXI总线和GPIB串口通讯方式的数据采集卡；所述光纤作为单模光纤和多模光纤，芯径范围为10微米至400微米。

一种基于上述装置的多光谱光纤耦合反射式血糖光声精准检测方法，具体包括：

步骤S1、将被测组织放置于样品测试单元上，将被测组织放置于反射式激发探测一体化单元的超声探测器正下方；

步骤S2、将三维扫描平台在纵深位置上复位到被测组织的初始值，设置好脉冲激光器的初始输出波长和能量参数后，开启脉冲激光器，发出脉冲激光光束，同时输出触发信息给数据采集卡，触发数据采集卡采集数据；

步骤S3、激光光束依次经过光源单元和光纤耦合单元后，进入反射式激发探测一体化单元，由反射式物镜将激光光束垂直聚焦并避开超声探测器后，穿过反射式物镜出射窗口汇聚成焦斑入射至被测组织；

步骤S4、在被测组织内部的光斑焦点处，由于被照射组织快速吸收和释放激光能量，产生能量沉积和释放并导致局部快速温度变化，局部的快速体积膨胀或收缩进而引发超声机械波，被测组织发出光声信号；

步骤S5、由超声探测器捕获光声信号并转化为对应强度的电压信号，经过信号处理器进行放大和滤波处理后，由计算机编程控制数字采集卡进行采集，并通过数据总线将光声数据传输到计算机进行存储、分析和处理；

步骤S6、在计算机编程控制下，三维扫描平台控制器控制三维扫描平台，三维扫描平台驱动反射式激发探测一体化单元，在被测组织上进行某个纵深位置上的二维逐点扫描和多个纵深位置上的三维逐渐点扫描，获得被测组织二维和三维光声数据；

步骤S7、根据每个纵深位置上的光声数据，利用最大振幅投影算法重建得到每个纵深位置上的二维多光谱光声显微图像，利用三维重建算法进而得到被测组织的三维多光谱光声显微图像；

步骤S8、改变脉冲激光器的激发波长，回到步骤S2，获得所有波长下被测组织的二维和三维多光谱光声显微图像；

步骤S9、当获得所有波长下被测组织的二维和三维多光谱光声显微图像后，利用同态滤波图像增强算法、局部二值模式特征提取算法、支持向量机机器学习算法和深度卷积神经网络YOLO v5算法，对多光谱光声显微图像中的毛细血管进行识别，并根据三维图像空间信息，获取毛细血管在被测组织中的三维空间坐标信息；

步骤S10、根据获取的毛细血管的三维空间坐标信息，通过计算机编程控制三维扫描平台，将聚焦光斑产生的光声源移至被测组织的毛细血管的血液中，从而激发产生真正血液的血糖光声信号，再由超声探测器进行捕获，经过信号放大和滤波后，由数据采集卡进行采集并通过数据总线方式将真正血糖的光声信号输送至计算机存储、分析和处理。

由上述技术方案可见，本发明通过三维扫描平台驱动反射式激发探测一体化单元先在生物组织某一个纵深位置上进行逐点扫描，获取该纵深位置生物组织的二维光声数据，再调节反射式激发探测一体化单元的纵向位置，获取其他纵深位置生物组织的二维光声数据，从而获取被测组织的三维光声数据，通过现有的算法处理，进一步获得三维多光谱光声显微图像，对多光谱光声显微图像中的毛细血管进行识别，并结合三维图像空间信息，获取毛细血管在被测组织中的三维空间坐标信息，最后获取毛细血管中血液中血糖的光声信号，相比现有技术中光声技术获取组织液中血糖的光声信号，提高了血糖含量检测的准确性；通过脉冲激光器发出不同波长的脉冲激光，从而可以获得不同波长对应的光声信号，从而便于筛选成像质量好的光谱图像；由于光传播速度快，通过脉冲激光器输出触发信息给数据采集卡，来触发数据采集卡采集数据，使得数据采集卡采集的数据和脉冲激光器发出的波长一一相对应，不会造成混乱。

进一步的方案是，所述步骤S6具体包括：

步骤S61、三维扫描平台控制器控制三维扫描平台的X方向和Y方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元以一定步长在被测组织的某个纵深位置上进行×和Y方向的二维逐点扫描，逐点扫描的方式为“弓”字型模式，参见图2，扫描的行间距和点间距事先由程序设定，然后得到并存储×和Y方向上每个步长下的被测组织光声数据，从而获得二维光声数据；

步骤S62、完成某一个纵深位置的二维扫描完成后，三维扫描平台控制器控制三维扫描平台Z方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元以一定步长在某个纵深位置移动到另外一个纵深位置Z’，再在新的纵深Z’位置上，进行X和Y方向的二维逐点扫描，依次类推，得到每个纵深位置上的二维扫描数据，从而获得三维光声数据。

由上述技术方案可见，逐点扫描的方式为“弓”字型模式，使得扫描点位既兼顾被测组织的长度方向(Y方向)，又兼顾到被测组织的宽度方向(×方向)，使得部分扫描点位能够全面反映被测组织的信息，由于采用“弓”字型模式，使得反射式激发探测一体化单元朝一个方向移动，不会来回移动，从而不容易造成混乱，不会出现对同一点位重复扫描的情况出现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)采用光纤耦合方式和反射式激发探测一体化结构，可以对任何形状和部位的被测组织进行光声显微成像，临床操作性和实用性更广；(2)采用多光谱光声显微成像技术，在多个不同波长下，获得被测组织的光声显微图像，可以提高被测组织中血管定位成像的准确度；(3)反射式物镜和超声探测器采用同侧同轴结构，可以大大提高被测组织光声显微成像质量，从而大大提高血管定位检测准确度和血糖光声检测的精度；(4)通过灵活调节凹面反射镜相对于凸面反射镜的距离，使得脉冲激光经过凸面反射镜反射后，尽可能反射到凹面反射镜上，提高成像质量，同时兼顾到经过凹面反射镜反射后的脉冲激光尽可能避开超声探测器，使得微型的超声探测器能够小型化，减少超声探测器的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构示意图；

图2是反射式激发探测单元在被测组织上扫描路径结构示意图；

图3是反射式激发探测一体化单元的结构示意图；

图4是反射式激发探测一体化单元的小密封罩底部俯视图。

附图标记：1.光源单元、2.光纤耦合单元、3.反射式激发探测一体化单元、4.样品测试单元、5.信号处理和控制单元、1-1.脉冲激光器、1-2.光阑、1-3.第一聚焦透镜、1-4.针孔、1-5.第一准直透镜、2-1.入射光光纤耦合器、2-1-1.第二聚焦透镜、2-1-2.入射光光纤耦合头、2-1-3.光纤调节支架、2-2.光纤、2-3.出射光光纤耦合器、2-3-1.出射光光纤耦合头、2-3-2.光纤固定支架、2-3-3.第二准直透镜；3-1.反射式物镜、3-1-1.凸面反射镜、3-1-2.凹面反射镜、3-1-3.上密封罩、3-1-4.下密封罩、3-1-3-1.下密封罩出射窗口、3-1-3-2.凸面反射镜支架、3-1-5.圆孔、3-2.超声探测器、3-3.石英密封罩、3-4.硅油4-1.被测组织、4-2.样品支架、4-3.水槽、5-1.信号放大器、5-2.信号滤波器、5-3.数据采集卡、5-4.计算机、5-5.三维扫描平台控制器、5-6.三维扫描平台。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明提供一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声精准检测装置，该装置由光源单元1、光纤耦合单元2、反射式激发探测一体化单元3、样品测试单元4、信号处理和控制单元5构成。其中，光源单元1依光传输方向依次由脉冲激光器1-1、光阑1-2、第一聚焦透镜1-3、针孔1-4和第一准直透镜1-5构成；光纤耦合单元2依光传输方向依次由入射光光纤耦合器2-1、光纤2-2、出射光光纤耦合器2-3构成；反射式激发探测一体化单元3依光传输方向依次由反射式物镜3-1、超声探测器3-2、石英密封罩3-3和硅油3-4构成；样品测试单元4由被测组织4-1、样品支架4-2、水槽4-3构成；信号处理和控制单元5沿信号传输方向依次由信号处理器、数据采集卡5-3、计算机5-4、三维扫描平台控制器5-5和三维扫描平台5-6构成，信号处理器包括信号放大器5-1和信号滤波器5-2。

进一步的，所述的光源单元1中脉冲激光器1-1为光学参数振荡固体脉冲激光器，光学参数振荡型脉冲激光器为Nd：YAG激发532nm泵浦的OPO波长可调谐脉冲激光器(OPOletteTM，532II，OPO TEK Inc，USA)，波长可调范围为680-2500nm，有效波长范围内的激光最大能量约为10mJ，且能量在0-100％范围可调，激光重复频率20Hz，持续时间7ns。

所述的光阑1-2置于脉冲激光器1-1光束出口的前端，其作用是滤除脉冲激光器1-1发出的光束中存在的旁瓣散射光；所述的第一聚焦透镜1-3的作用是将通过光阑1-2的光束进行聚焦；所述的针孔1-4位于第一聚焦透镜1-3焦点处，针孔1-4为圆形精密针孔，其作用是将聚焦的高斯光斑进行空间滤波整形，提高光束质量；所述的第一准直透镜1-5将经过针孔1-4整形后的光束再进行扩束并准直。

进一步的，所述的光纤耦合单元2中的入射光光纤耦合器2-1由第二聚焦透镜2-1-1、入射光光纤耦合头2-1-2和光纤调节支架2-1-3构成。

更进一步的，所述的第二聚焦透镜2-1-1是将光源单元1中经过第一准直透镜1-5扩束准直后的光束汇聚进入入射光光纤耦合头2-1-2，再由入射光光纤耦合头2-1-2将光束导入到光纤2-2中进行传输；入射光光纤耦合头2-1-2起到连接光纤2-2入射端面的作用，入射光光纤耦合头2-1-2由光纤调节支架2-1-3固定在光学平台上，光纤调节支架2-1-3可以通过调节入射光光纤耦合头2-1-2的左右位置、上下位置和俯仰角，来调节光纤2-2入射端面的位置，使得入射激光光束最大限度地导入光纤2-2中进行传输。

进一步的，所述的光纤2-2作为光束传输介质，可以为单模光纤和多模光纤，芯径范围为10微米至400微米。

进一步的，所述的出射光光纤耦合器2-3由出射光光纤耦合头2-3-1、光纤固定支架2-3-2和第二准直透镜2-3-3构成。出射光光纤耦合头2-3-1将光纤2-2出口端固定在光纤固定支架2-3-2上；第二准直透镜2-3-3将出射光光纤耦合头2-3-1出射的光束再次进行准直后进入反射式激发探测一体化单元3中。

进一步的，如图3和图4所示，所述的反射式激发探测一体化单元3中反射式物镜3-1由凸面反射镜3-1-1、凹面反射镜3-1-2、上密封罩3-1-3和下密封罩3-1-4组成，其中上密封罩3-1-3的外壁与下密封罩3-1-4的内壁螺纹连接，所述凹面反射镜3-1-2安装在上密封罩3-1-3内壁上，凸面反射镜3-1-1安装在下密封罩3-1-4底壁上；其中凹面反射镜3-1-2为中间留有圆孔3-1-5的凹面结构，中间留有的圆孔3-1-5用于让光纤耦合单元2中输出的准直光束入射到凸面反射镜3-1-1，先由凸面反射镜3-1-1进行全反射；经凸面反射镜3-1-1反射的光，由凹面反射镜3-1-2进行全反射，再经过下密封罩3-1-4底壁上设置的出射窗口后汇聚成焦斑入射至样品测试单元4的被测组织4-1上，从而可以避开超声探测器3-2，超声探测器3-2尽可能不阻挡到光束，使得反射式物镜3-1和超声探测器3-2能够采用同侧同轴结构，使得超声探测器3-2获得的光声信号强，稳定性高，从而通过光声信号生成的光谱图像成像质量好；由于上密封罩3-1-3和下密封罩3-1-4相互之间螺纹连接，通过旋转上密封罩3-1-3，能够驱动凹面反射镜3-1-2相对于凸面反射镜3-1-1的上下运动，从而实现调节凹面反射镜3-1-2与凸面反射镜3-1-1之间距离的目的，起到改变光路角度的作用，使得进入到反射式物镜3-1内部的脉冲激光经过凸面反射镜3-1-1反射后，尽可能反射到凹面反射镜3-1-2上，保证大部分脉冲激光从下密封罩出射窗口3-1-3-1出射，成像质量好，同时改变光路角度后，使得脉冲激光经过凹面反射镜3-1-2反射后，尽可能避开超声探测器3-2的边缘，使得微型的超声探测器3-2能够小型化，有利于减小超声探测器3-2的制造成本。

在一些实施例中，所述凸面反射镜3-1-1为非球面反射镜，凹面反射镜3-1-2为球面反射镜，凸面反射镜3-1-1的曲率从中心到边缘逐渐减小，使得照射在靠近凸面反射镜3-1-1中心处的脉冲激光向外反射的角度扩大，进一步使得进入到反射式物镜3-1内部的脉冲激光尽可能避开超声探测器3-2，进一步使得微型的超声探测器3-2能够小型化，小型化的超声探测器3-2边缘也不容易阻挡到光路的出射。

其中，样品支架4-2放置在水槽4-3中，被测组织4-1可以是人或动物的皮肤组织或者肌肉组织，皮肤组织放置在样品支架4-2上，水槽4-3中充满水。

在一些实施例中，被测组织4-1可以是活体，可以是人的手部或者腿部。

更进一步的，如图3和图4所示，所述的凸面反射镜3-1-1由下密封罩出射窗口3-1-3-1处三根凸面反射镜支架3-1-3-2固定，且为了增强光束反射效率，凸面反射镜3-1-1和凹面反射镜3-1-2的表面均镀增强膜。

更进一步的，所述的反射式物镜3-1的放大倍数为10、20、25、40、50和100可选，数值孔径NA为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8可选。

更进一步的，如图3和图4所示，所述的超声探测器3-2为聚焦式超声传感器，并通过防水胶固定于反射式物镜3-1的凸面反射镜支架3-1-3-2下方，超声探测器3-2位于凸面反射镜3-1-1的正下方；超声探测器3-2其响应中心频率有为10MHz、20MHz和50MHz等可选。

更进一步的，如图3和图4所示，所述石英密封罩3-3将反射式物镜3-1的下密封罩出射窗口3-1-3-1、凸面反射镜支架3-1-3-2和超声探测器3-2全部密封在石英密封罩3-3中，并且石英密封罩3-3内部充满硅油3-4。

更进一步的，如图3和图4所示，所述的反射式物镜3-1与超声探测器3-2为同轴结构，反射式物镜3-1的焦点与超声探测器3-2的焦点在同一光轴上，并且反射式物镜3-1的焦点落在超声探测器3-2的声聚焦区域范围内。

更进一步的，所述的反射式激发探测一体化单元3与光纤耦合单元2采用全连接方式，且通过连接件将第二准直透镜2-3-3与反射式物镜3-1进行整合连接成一体化结构。

进一步的，所述的信号处理和控制单元5中信号放大器5-1为一级或多级信号放大器，其作用是将超声探测器3-2捕获的光声信号进行放大；信号滤波器5-2为低通或带通滤波器，其作用是滤除高频噪声信号；数据采集卡5-3是将滤波后的光声信号进行采集，并转换为数字信号，数据采集卡5-3可以为PCI总线、PXI总线和GPIB串口通讯方式传输数据；计算机5-4通过数据采集控制程序来控制数据采集卡5-3采集、数据保存，脉冲激光器1-1的开启和参数设置，以及三维扫描平台控制器5-5的开启和扫描参数设置，其中脉冲激光器1-1还与数据采集卡5-3通信连接，脉冲激光器1-1发出脉冲激光的同时输出触发信息给数据采集卡5-3，来触发数据采集卡5-3及时采集数据。

更进一步的，所述的三维扫描平台5-6，为电动式全自动三维扫描平台，三维扫描平台5-6带有X方向、Y方向和Z方向的步进电机，三维扫描平台5-6的输出端通过连接支架连接固定在一起的出射光光纤耦合器2-3和反射式激发探测一体化单元3，在计算机5-4程序控制的三维扫描平台控制器5-5驱动下，能够向左、向右、向前、向后、向上和向下运动，按照设定的移动步长进行三维平移扫描。

本发明还提出了利用上述装置的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声精准检测方法，具体步骤如下：

步骤S1、将脉冲激光器1-1及其他实验仪器预热30分钟后，将水槽4-3中充满水，把被测组织4-1放置于样品测试单元4的样品支架4-2上，在被测组织4-1的被测区域均匀涂抹医用超声耦合液，将被测组织4-1放置于反射式激发探测一体化单元3的超声探测器3-2正下方。

步骤S2、将三维扫描平台5-6在纵深位置上复位到被测组织4-1的初始值，设置好脉冲激光器1-1的输出波长和能量等参数后，开启脉冲激光器1-1，发出脉冲激光光束；

步骤S3、激光光束依次经过光阑1-2(ID25SS，Thorlabs)、第一聚焦透镜1-3(LA1131，Thorlabs，USA)和针孔1-4(P50C，Thorlabs，USA)进行光束整形和扩束后，再经过第一准直透镜1-5(LA1951，Thorlabs)进行准直后进入光纤耦合单元2的入射光光纤耦合器2-1(C80FC-A，SM2CP1，Thorlabs)，由入射光光纤耦合器2-1中的第二聚焦透镜2-1-1将准直光束进行聚焦进入光纤2-2(400-2000nm，NA＝0.22，Thorlabs)入口端面，由光纤2-2进行激光传输至出射光光纤耦合器2-3，经过出射光光纤耦合器2-3中的第二准直透镜2-3-3(ZC618FC-A，SM1CP1，Thorlabs)准直后，进入反射式激发探测一体化单元3，由反射式物镜3-1将激光光束垂直聚焦后，穿过反射式物镜3-1(LMM-15X-UVV，Thorlabs，USA)的出射窗口汇聚成焦斑入射至被测组织4-1；

步骤S4、在被测组织4-1内部的光斑焦点处，由于被照射组织快速吸收和释放激光能量，产生能量沉积和释放并导致局部快速温度变化，局部的快速体积膨胀或收缩进而引发超声机械波，即：光声信号；

步骤S5、由超声探测器3-2捕获光声信号并转化为对应强度的电压信号，经过信号放大器5-1(5678，OlympusCo，Japan)对电压信号进行放大，再由信号滤波器5-2(DC-7MHz，Mini-Circuits Co.，USA)进行滤波处理后，由计算机5-4编程控制数字采集卡5-3进行采集，并通过数据总线将光声数据传输到计算机5-4进行存储、分析和处理；

步骤S6、在计算机5-4编程控制下，三维扫描平台控制器5-5控制三维扫描平台5-6，三维扫描平台5-6驱动反射式激发探测一体化单元3，在被测组织4-1上进行某个纵深位置上的二维逐点扫描和多个纵深位置上的三维逐渐点扫描，获得被测组织4-1二维和三维光声数据；

具体的说，所述步骤S6具体包括以下步骤：

步骤S61、三维扫描平台控制器5-5控制三维扫描平台5-6的X方向和Y方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元3以一定步长在被测组织4-1的某个纵深位置上进行×和Y方向的二维逐点扫描，逐点扫描的方式为“弓”字型模式，扫描的行间距和点间距事先由程序设定，然后得到并存储X和Y方向上每个步长下的被测组织4-1的光声数据，从而获得二维光声数据；

需要说明的是，逐点扫描的方式为“弓”字型模式，使得扫描点位既兼顾被测组织的长度方向(Y方向)，又兼顾到被测组织的宽度方向(X方向)，使得部分扫描点位能够全面反映被测组织的信息，由于采用“弓”字型模式，使得反射式激发探测一体化单元3朝一个方向移动，不会来回移动，从而不容易造成混乱，不会出现对同一点位重复扫描的情况出现。

步骤S62、完成某一个纵深位置的二维扫描完成后，三维扫描平台控制器5-5控制三维扫描平台5-6的Z方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元3以一定步长在某个纵深位置移动到另外一个纵深位置Z’，再在新的纵深Z’位置上，进行X和Y方向的二维逐点扫描，依次类推，得到每个纵深位置上的二维扫描数据，从而获得三维光声数据。

步骤S7、根据每个纵深位置上的光声数据，利用最大振幅投影算法重建得到每个纵深位置上的二维光声图像，利用三维重建算法进而得到被测组织4-1的三维光声图像；

步骤S8、改变脉冲激光器1-1的激发波长，从步骤S2开始重复上述步骤、扫描和图像算法处理，获得所有波长下被测组织4-1的二维和三维多光谱光声显微图像；

步骤S9、利用同态滤波图像增强算法、局部二值模式特征提取算法、支持向量机机器学习算法和深度卷积神经网络YOLO v5算法，对多光谱光声显微图像中的毛细血管进行识别，并根据三维图像空间信息，获取毛细血管在被测组织4-1中的三维空间坐标信息；

步骤S10、根据获取的毛细血管的准确三维空间坐标信息，通过计算机5-4编程控制三维扫描平台控制器5-5，并驱动三维扫描平台5-6将聚焦光斑产生的光声源移至被测组织4-1的毛细血管的血液中，从而激发产生真正血液的血糖光声信号，再由超声探测器3-2进行捕获，经过信号放大器5-1放大和信号滤波器5-2滤波后，由数据采集卡5-3进行采集并通过数据总线方式将真正血糖的光声信号输送至计算机5-4存储、分析和处理。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于，包括：

光源单元，光源单元包括脉冲激光器，所述脉冲激光器用于发出不同波长的脉冲激光；

光纤耦合单元，用于将光源单元发出的脉冲激光进行传输；

反射式激发探测一体化单元，位于光纤耦合单元的后端，依光传输方向依次设置有反射式物镜和超声探测器，所述反射式物镜包括凸面反射镜、凹面反射镜、出射窗口和凸面反射镜支架，所述凸面反射镜设置于凹面反射镜的正下方，凸面反射镜通过凸面反射镜支架连接并固定在反射式物镜的底部；凹面反射镜中部开设有用于光纤耦合单元输出的准直光束平行入射至凸面反射镜上的圆孔，所述准直光束依次经过凸面反射镜反射和凹面反射镜全反射后，穿过反射式物镜上开设的出射窗口后汇聚成焦斑入射至样品测试单元上；超声探测器安装于凸面反射镜与样品测试单元之间，且超声探测器焦点与反射式物镜的焦点在同一个光轴上，并且反射式物镜的焦点落在超声传感器的声聚焦区域范围内；

样品测试单元，位于反射式激发探测一体化单元正下方；

信号处理和控制单元，包括信号处理器、数据采集卡、计算机、三维扫描平台控制器和三维扫描平台，所述信号处理器的输入端和超声探测器相连接，所述信号处理器的输出端和数据采集卡相连接，所述数据采集卡通过总线方式与计算机相连接，所述计算机通过三维扫描平台控制器与三维扫描平台和脉冲激光器相连接，脉冲激光器还连接数据采集卡，用于输出触发信息给数据采集卡，来触发数据采集卡采集数据，所述三维扫描平台通过连接支架与光纤耦合单元的后端和反射式激发探测一体化单元相连接，用于驱动反射式激发探测一体化单元进行三维平移扫描。

2.根据权利要求1所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述反射式物镜包括上密封罩和下密封罩，所述上密封罩的外壁与下密封罩的内壁螺纹连接，所述凹面反射镜安装在上密封罩内壁上，凸面反射镜安装在下密封罩底壁上，所述出射窗口为下密封罩出射窗口。

3.根据权利要求2所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述凸面反射镜为非球面反射镜，凹面反射镜为球面反射镜，凸面反射镜的曲率从中心到边缘逐渐减小。

4.根据权利要求1或3所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述反射式激发探测一体化单元还包括有石英密封罩，所述反射式物镜的出射窗口、凸面反射镜支架和超声探测器均密封在石英密封罩内，出射窗口处设置有石英玻璃，所述石英密封罩内部充满硅油。

5.根据权利要求1所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述光源单元还包括有依次设置的光阑、第一聚焦透镜、针孔和第一准直透镜，所述光阑设置于脉冲激光器的光束出口的前端，所述第一聚焦透镜用于对光束进行聚焦；所述针孔设置于第一聚焦透镜的焦点处，所述第一准直透镜用于对光束再进行扩束并准直。

6.根据权利要求1所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述光纤耦合单元包括有入射光光纤耦合器、光纤和出射光光纤耦合器，所述入射光光纤耦合器由第二聚焦透镜、入射光光纤耦合头和光纤调节支架构成，第二聚焦透镜用于将光束汇聚进入入射光光纤耦合头，所述入射光光纤耦合头用于将光束导入到光纤中，所述光纤调节支架用于调节入射光光纤耦合头的水平位置、纵向位置和俯仰角，所述出射光光纤耦合器包括出射光光纤耦合头、光纤固定支架和第二准直透镜，所述出射光光纤耦合头用于将光纤的出口端固定在光纤固定支架上；第二准直透镜用于将出射光光纤耦合头出射的光束再次进行准直，并出射到反射式激发探测一体化单元中。

7.根据权利要求1所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述样品测试单元包括水槽，所述水槽内充满水，所述水槽内放置有样品支架，所述样品支架上放置有生物组织。

8.根据权利要求1所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声检测装置，其特征在于：所述信号处理器包括信号放大器和信号滤波器，所述信号放大器为一级或多级信号放大器；所述的信号滤波器为低通或带通滤波器；所述数据采集卡为PCI总线、PXI总线和GPIB串口通讯方式的数据采集卡；所述光纤作为单模光纤和多模光纤，芯径范围为10微米至400微米。

9.一种基于权利要求1所述装置的多光谱光纤耦合反射式血糖光声精准检测方法，其特征在于，具体包括：

步骤S1、将被测组织放置于样品测试单元上，将被测组织放置于反射式激发探测一体化单元的超声探测器正下方；

步骤S2、将三维扫描平台在纵深位置上复位到被测组织的初始值，设置好脉冲激光器的初始输出波长和能量参数后，开启脉冲激光器，发出脉冲激光光束，同时输出触发信息给数据采集卡，触发数据采集卡采集数据；

步骤S3、激光光束依次经过光源单元和光纤耦合单元后，进入反射式激发探测一体化单元，由反射式物镜将激光光束垂直聚焦并避开超声探测器后，穿过反射式物镜出射窗口汇聚成焦斑入射至被测组织；

步骤S4、在被测组织内部的光斑焦点处，由于被照射组织快速吸收和释放激光能量，产生能量沉积和释放并导致局部快速温度变化，局部的快速体积膨胀或收缩进而引发超声机械波，被测组织发出光声信号；

步骤S5、由超声探测器捕获光声信号并转化为对应强度的电压信号，经过信号处理器进行放大和滤波处理后，由计算机编程控制数字采集卡进行采集，并通过数据总线将光声数据传输到计算机进行存储、分析和处理；

步骤S6、在计算机编程控制下，三维扫描平台控制器控制三维扫描平台，三维扫描平台驱动反射式激发探测一体化单元，在被测组织上进行某个纵深位置上的二维逐点扫描和多个纵深位置上的三维逐渐点扫描，获得被测组织二维和三维光声数据；

步骤S7、根据每个纵深位置上的光声数据，利用最大振幅投影算法重建得到每个纵深位置上的二维多光谱光声显微图像，利用三维重建算法进而得到被测组织的三维多光谱光声显微图像；

步骤S8、改变脉冲激光器的激发波长，回到步骤S2，获得所有波长下被测组织的二维和三维多光谱光声显微图像；

步骤S9、当获得所有波长下被测组织的二维和三维多光谱光声显微图像后，利用图像增强、特征提取、机器学习和深度学习算法，对多光谱光声显微图像中的毛细血管进行识别，并根据三维图像空间信息，获取毛细血管在被测组织中的三维空间坐标信息；

步骤S10、根据获取的毛细血管的三维空间坐标信息，通过计算机编程控制三维扫描平台，将聚焦光斑产生的光声源移至被测组织的毛细血管的血液中，从而激发产生真正血液的血糖光声信号，再由超声探测器进行捕获，经过信号放大和滤波后，由数据采集卡进行采集并通过数据总线方式将真正血糖的光声信号输送至计算机存储、分析和处理。

10.根据权利要求9所述的一种多光谱光纤耦合反射式血糖光声精准检测方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

步骤S61、三维扫描平台控制器控制三维扫描平台的X方向和Y方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元以一定步长在被测组织的某个纵深位置上进行×和Y方向的二维逐点扫描，逐点扫描的方式为“弓”字型模式，扫描的行间距和点间距事先由程序设定，然后得到并存储X和Y方向上每个步长下的被测组织光声数据，从而获得二维光声数据；

步骤S62、完成某一个纵深位置的二维扫描完成后，三维扫描平台控制器控制三维扫描平台Z方向的步进电机，驱动反射式激发探测一体化单元以一定步长在某个纵深位置移动到另外一个纵深位置Z’，再在新的纵深Z’位置上，进行X和Y方向的二维逐点扫描，依次类推，得到每个纵深位置上的二维扫描数据，从而获得三维光声数据。