CN203287308U - 基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，由光学检测和信号分析两个部分组成，其中光学检测部分有LED光源、两个凹球面高反镜、血培养瓶、汇聚聚透镜、以及光电倍增管；信号分析部分则由信号发生器、锁相放大器、CPU中央处理器以及显示器四个模块构成。LED光源成本低，性能稳定；根据相移光谱得到的检测结果准确可信；血培养瓶位于两个高反镜中间，光在两个凹球面高反镜之间的多次反射都经过血培养瓶，使得有效吸收光程增大，极大的提高了检测的灵敏度。本实用新型还具有检测周期短，无污染等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，具体涉及一种用LED发光二极管作光源，并结合腔衰减相移光谱技术对血培养瓶中的细菌进行实时在线检测的装置，属于医疗器械技术领域。
背景技术
细菌是微生物中的一大类，存在于我们生活和工作的环境中，细菌感染后可造成机体的免疫功能紊乱从而引起许多疾病。正常的血液里是没有细菌的，当人体受到细菌感染后，在抵抗力降低的情况下即可发生局部炎症，如果细菌由局部炎症部位进入血循环，就称之为菌血症。细菌进入血液后在血液中生长繁殖就称为败血症。如果是化脓性细菌进入血液后，不但在血液中繁殖，还引起一些脏器形成脓肿，则称之为脓毒血症。这三种情况的一个共同点就是血液中都有细菌侵入。对血液中的细菌进行鉴定明确病因对疾病治疗有着重要意义，医学上通常使用血培养检查法，即将静脉穿刺得到的患者血液接种到一个或多个培养瓶中，用来发现、识别细菌。对血培养瓶进行检测时，可以根据细菌在新陈代谢过程或分解糖类时产生的二氧化碳浓度变化曲线来鉴定细菌。目前的血培养检测系统有放射性标记物质检测、二氧化碳感受器检测、荧光检测和光谱检测等。出于对环保和安全性方面的考虑放射性标记物质检测已较少使用；二氧化碳感受器检测是在每个血培养瓶底放置一个特殊的二氧化碳感应器，有半渗透膜性薄膜，将培养基与感应器隔离，只有二氧化碳能通过薄膜，引起pH 变化改变感应器的颜色，该检测系统成本高且需要长时间的血液细菌培养才能感受到二氧化碳的浓度变化，导致检测周期较长，灵敏度较低；荧光检测是通过二氧化碳浓度的改变激活培养瓶底部包埋的对二氧化碳浓度变化高度敏感的荧光物质，在二极管的激发下荧光物质释放荧光，不同强度的荧光以鉴定不同的细菌，该检测系统以激发出的荧光强度来鉴定细菌的类别，由于培养瓶中其它非致病菌也有可能激发荧光，导致检测假阳性率较高，而且这三种方法由于需要在培养瓶内放置辅助设备，处理不当可能会对培养瓶内血液样品造成污染，检测所用的耗材也会对环境造成二次污染。
随着光谱技术的发展，利用光谱技术对细菌进行鉴别检测的研究也逐渐兴起，光谱检测的特点是非侵入式的，对样品无污染，也不存在耗材的二次污染。常见的检测方法主要是直接吸收光谱技术，其中最普遍的是利用窄线宽的可调谐半导体激光器作为光源对二氧化碳特征吸收峰进行检测，根据二氧化碳的吸收光谱得到二氧化碳浓度变化曲线，由此反演出培养瓶内的细菌生长曲线，从而鉴别细菌。该方法以其低检测限制、非接触式检测、高灵敏度等独特的优势成为人们所看好的一种实时光谱检测技术，但是对于血培养瓶内由细菌代谢产生的痕量二氧化碳而言，不仅二氧化碳在近红外区域的吸收谱线强度低，易受到水汽分子的吸收干扰，需要进行背景的扣除，影响了检测的准确性，且有效光程仅为被探测血培养瓶的直径(约3cm)，很难达到理想的探测极限，二氧化碳在中红外区域的吸收谱线强度比近红外区域要高3-5个数量级，更适合作为检测光谱区，然而中红外的激光器较为复杂昂贵，不适合推广应用。
实用新型内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型目的是为了解决现存的血培养检测系统使用成本高、检测周期长，灵敏度低、检测假阳性率高、存在污染等难题，提供一种不需要激光、无污染、检测周期短、高灵敏度和检测阳性率稳定的基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统。本实用新型是将LED发光二极管光源与腔衰减相移光谱技术相结合，根据HITRAN数据库里二氧化碳气体分子在中红外光谱区域4.26μm处的吸收强度在10-18cm-1／(moleculecm-2)数量级，且在此波段基本没有其它气体成分的干扰，可以实时在线测量细菌培养瓶内的痕量二氧化碳，且能够实现ppm量级甚至更低浓度的检测；利用一个中心波长为4.26μm的LED发光二极管代替激光器作为光源，克服了激光器结构复杂，操作困难，价格昂贵等缺点；测量的信号是由于分子吸收和光学衰减引起的相位变化信息，容易根据二氧化碳气体分子的特征吸收光谱带测出其衰减后的相位平移的变化特征，不需要进行背景扣除，根据相位变化直接计算血培养瓶内二氧化碳浓度变化从而进行细菌鉴定。
本实用新型的技术方案是：所述的基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，包括光学检测部分和信号分析部分，其中光学检测部分由LED光源、第一凹球面高反镜和第二凹球面高反镜组成的光学谐振腔、血培养瓶、汇聚透镜、光电倍增管组成；信号分析部分则由信号发生器、锁相放大器、CPU中央处理器、显示器四个模块组成。其中，LED作为检测光源，位于第一个凹球面高反镜的前面，LED光源将出射光耦合传播进入到光学谐振腔中，光束经过血培养瓶后继续在腔中传播至第二个凹球面高反镜，血培养瓶位于两个凹球面高反镜组成的光学谐振腔的中间，光束穿过血培养瓶在谐振腔内来回多次反射，最后从第 二个凹球面高反镜出射，出射光经过汇聚透镜聚焦进入光电倍增管，光电倍增管将接收到的光信号转化为电信号，电信号传递到信号分析部分进行计算分析，然后将得到最终检测结果呈现在显示器上。
进一步的，所述信号分析部分由信号发生器调制产生特定频率的方波信号，将调制的方波信号加载在LED光源上，并输出一个同步信号给锁相放大器。
进一步的，所述LED光源上形成强度调制光进行输出，光穿过第一个凹球面高反镜耦合进入光学谐振腔。
进一步的，所述光学谐振腔由两个凹球面高反镜组成，从而使得光能够多次穿过血培养瓶在腔内来回传播，最后从光学谐振腔的第二个凹球面高反镜出射传递到汇聚透镜。
进一步的，所述汇聚透镜将出射光束聚焦至光电倍增管。
进一步的，所述光电倍增管将光信号转换为电信号传递至信号分析部分的锁相放大器内进行同步解调。
进一步的，所述锁相放大器将解调后的信号传递至CPU中央处理器。
进一步的，所述CPU中央处理器比较解调信号与同步信号的相位差，进行分析处理，计算出血培养瓶内二氧化碳的浓度变化信息，得到细菌生长情况，从而进行细菌鉴定。
进一步的，所述显示器将细菌鉴定结果呈现给用户。
本实用新型的工作原理是：所述LED光源上加载着由信号发生器调制产生一个特定频率的方波信号，使初始状态(不加血培养瓶时)下的测得的相移为 γ0=π／4，此时系统的灵敏度达到最大，然后加入血培养瓶进行细菌检测，测得相移为γ1，相位变化Δγ=γ1-γ0则是由于血培养瓶内的二氧化碳吸收引起的，所以只要测得相位变化就可以实时快速地计算出血培养瓶内二氧化碳的浓度变化趋势，进行细菌鉴定分析，从而实现临床疾病的快速诊断。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：LED光源不仅发光效率高，反应时间快，使用寿命长，而且具有成本低、发光光谱范围较宽等优点；中红外4.26μm波段处的LED的宽带光源为利用吸收光谱技术检测二氧化碳提供了更多高吸收线强的的吸收谱线，达到了更低浓度量级的检测极限，缩短了血培养检测的周期；采用相移光谱技术反演培养瓶内二氧化碳的浓度，克服了直接吸收时需要扣除背景的缺点，只要根据测得的相位变化就可以直接计算二氧化碳的浓度，测量结果更加准确；由两个凹球面高反镜组成的光学谐振腔极大的增加了吸收光程，极大的提高了检测的灵敏度。综合以上几点，本实用新型可以实现血培养瓶细菌产生微量(ppm甚至更低浓度)的二氧化碳产生时即可以测得其变化，缩短了血培养检测周期，并且提高了检验灵敏度和准确率，还具有低成本，无污染等优点。
附图说明
附图为本实用新型的一种实施例的结构示意图。
其中：LED光源1，第一凹球面高反镜2，血培养瓶3，第二凹球面高反镜4，汇聚透镜5，光电倍增管6，信号发生器7，锁相放大器8，CPU中央处理器9，显示器10。
具体实施方式
参阅附图为本实用新型基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统的具体实施例。基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，包括：LED光源1，第二凹球面高反镜2，血培养瓶3，第二凹球面高反镜4，汇聚透镜5，光电倍增管6，信号发生器7，锁相放大器8，CPU中央处理器9，显示器10。使用基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统进行细菌检测时，首先由信号发生器7调制产生特定频率的方波信号，将信号加载到LED光源1上，并输入给锁相放大器8一个同步信号，LED光源1发出一束中心波长为4.26μm的光出射光经过第一凹球面高反镜2传到血培养瓶3后继续传播至第二凹球面高反镜4，光在此处反射，再次穿过血培养瓶3传递到第一凹球面高反镜2，如此，光束多次经过血培养瓶在第一凹球面高反镜2和第二凹球面高反镜4之间往返，多次反射后的光由第二凹球面高反镜4透出再经过汇聚透镜5聚焦至光电倍增管6，光电倍增管把接收到的光信号转换为电信号，电信号输入至锁相放大器8，锁相放大器8将此时接收到的信号与信号发生器7输入的方波同步信号进行解调，将解调后的信号传输至CPU中央处理器9进行计算分析，根据实时的相移光谱信号可以计算得到二氧化碳在4.26μm处的浓度随时间变化的趋势，从而获得细菌的生长曲线，最终将鉴定结果传递至显示器10呈现给用户。
以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。
Claims (3)
1.基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，其特征在于：所述的基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，包括光学检测部分和信号分析部分，其中光学检测部分由LED光源(1)、第一凹球面高反镜(2)和第二凹球面高反镜(4)组成的光学谐振腔、血培养瓶(3)、汇聚透镜(5)、光电倍增管(6)组成；信号分析部分则由信号发生器(7)、锁相放大器(8)、CPU中央处理器(9)、显示器(10)四个模块组成。
2.如权利要求1所述的基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，其特征在于：所述信号分析部分由信号发生器(7)调制产生特定频率的方波信号，将调制的方波信号加载在LED光源上(1)，并输出一个同步信号给锁相放大器(8)。
3.如权利要求1所述的基于腔衰减相移光谱的血培养检测系统，其特征在于：所述光学谐振腔由第一凹球面高反镜(2)和第二凹球面高反镜(4)组成，从而使得光能够多次穿过细菌培养瓶(3)在腔内来回传播，最后从光学谐振腔的第二个凹球面高反射镜(4)出射传递到汇聚透镜(5)。
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| CN106124412A (zh) * | 2016-05-25 | 2016-11-16 | 黄辉 | 一种基于光学谐振腔的微生物传感器及其检测方法 |
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