CN209301156U - 一种基于oct技术测量血氧饱和度的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，包括：宽带光源、光纤耦合器、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪和电脑处理终端，所述参考臂光路系统包括第一偏振控制器、第一准直器、第一滤波片、第一透镜和第一反射镜，所述样品臂光路系统包括：第二偏振控制器、第二准直器、第二滤波片、二维振镜、第二透镜和第二反射镜，所述光纤耦合器分别与所述宽带光源、光谱仪通过光纤连接，所述光谱仪与电脑处理终端相连接；本实用新型通过光学相干层析技术对待测眼球的血氧饱和度进行检测，通过控制二维振镜实现对待测位置进行多次干涉信号的采集，测量过程不直接接触待测眼球，可连续测量且不会对待测眼球造成损伤，提高测量效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及血氧饱和度测量技术领域，更具体地说涉及一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统。
背景技术
眼底视网膜集中着大量的毛细血管，而血氧饱和度SpO2检测技术能够准确客观的辅助医生对病人某些眼科疾病的早期预防与诊断，减轻患者的病痛与经济负担等。研究表明，某些疾病产生的初期会伴随着其血液的血氧饱和度(SpO2)发生异常。例如：青光眼、糖尿病视网膜病变、老年人的黄斑病、白内障等都会引起眼底血管中SpO2的改变，且视网膜缺氧还可能会导致视网膜神经元变性、光感受器受损、没有血流通过新生成血管等病症。因此，发展一种对人体的SpO2可测量可视化技术可极大辅助于部分眼科疾病的早期诊断与治疗。目前，现有测量SpO2的技术主要有有创的血氧分析法和无创的血氧分析法。
上述所述的方法虽可对SpO2进行成像，但都存在着各自的缺陷。例如：有创检测结果虽准确性高，但却耗时、不能连续测量且对生物活体有损伤。无创的血氧仪只能测量生物体内氧含量，还无法做到全面解析氧代谢过程，而眼底视网膜主要分布的是大量的毛细血管为主，该方法无法做到相对比动静脉更小面积的毛细血管进行SpO2成像。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种在非接触、无创情况下，结合光学相干层析成像技术，对眼底血管的SpO2浓度进行测量的系统。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，包括：宽带光源、光纤耦合器、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪和电脑处理终端，所述参考臂光路系统包括第一偏振控制器、第一准直器、第一滤波片、第一透镜和第一反射镜，所述第一偏振控制器分别与第一准直器、光纤耦合器通过光纤连接，所述第一准直器、第一滤波片、第一透镜和第一反射镜沿着光束入射方向依次排列；
所述样品臂光路系统包括：第二偏振控制器、第二准直器、第二滤波片、二维振镜、第二透镜和第二反射镜，所述第二偏振控制器分别与第二准直器和光纤耦合器通过光纤连接，所述第二准直器、第二滤波片和二维振镜沿着光束入射方向依次排列，所述第二滤波片通过二维振镜的反射面与第二透镜光线连接，所述第二反射镜以45°的入射角反射第二透镜的透射光，并将其反射至待测眼球；
所述光纤耦合器分别与所述宽带光源、光谱仪通过光纤连接，所述光谱仪与电脑处理终端相连接；
所述宽带光源发出的光束进入光纤耦合器，光束按照20:80的分光比被分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直器，所述第二光束进入第二准直器；
第一光束进入参考臂光路系统后在第一反射镜的反射作用下，原路返回光纤耦合器，所述第二光束通过样品臂光路系统后射入待测眼球，从待测眼球返回的后向散射光沿第二光束的光路原路返回光纤耦合器，并与第一光束发生干涉，产生干涉信号；光纤耦合器将干涉信号传递给光谱仪。
进一步，所述光谱仪包括沿入射光方向依次设置的连接器、第三透镜、光栅、第四透镜和CCD相机，所述CCD相机与电脑处理终端相连接。
进一步，所述第一滤波片和第二滤波片均为带通滤波片。
进一步，所述CCD相机为线阵CCD相机。
进一步，所述光栅为体相位全息透射光栅。
进一步，所述电脑处理终端与CCD相机之间设有图像采集卡和数据采集卡，所述图像采集卡分别与电脑处理终端、CCD相机相连接，所述数据采集卡分别与电脑处理终端、CCD相机相连接。
进一步，所述图像采集卡的型号为NI-PCI1429。
进一步，所述数据采集卡的型号为NI-PCI6713。
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过光学相干层析技术对待测眼球血氧饱和度进行检测，通过控制二维振镜实现对待测位置进行多次干涉信号的采集，测量过程不直接与待测眼球接触，可连续测量且不会对待测眼球造成损伤，提高测量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本实用新型系统的整体结构示意图；
图2是本实用新型的整体流程图；
图3是含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本实用新型创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，包括：宽带光源1、光纤耦合器2、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪15和电脑处理终端16，所述参考臂光路系统包括第一偏振控制器3、第一准直器4、第一滤波片5、第一透镜6和第一反射镜7，所述第一偏振控制器3分别与第一准直器4、光纤耦合器2通过光纤连接，所述第一准直器4、第一滤波片5、第一透镜6和第一反射镜7沿着光束入射方向依次排列；
所述样品臂光路系统包括：第二偏振控制器8、第二准直器9、第二滤波片10、二维振镜11、第二透镜12和第二反射镜13，所述第二偏振控制器8分别与第二准直器9和光纤耦合器2通过光纤连接，所述第二准直器9、第二滤波片10和二维振镜11沿着光束入射方向依次排列，所述第二滤波片10通过二维振镜11的反射面与第二透镜 12光线连接，所述第二反射镜13以45°的入射角反射第二透镜12 的透射光，并将其反射至待测眼球14；
所述光纤耦合器2分别与所述宽带光源1、光谱仪15通过光纤连接，所述光谱仪15与电脑处理终端16相连接；
所述宽带光源1发出的光束进入光纤耦合器2，光束按照20:80 的分光比被分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直器 4，所述第二光束进入第二准直器9；
第一光束进入参考臂光路系统后在第一反射镜7的反射作用下，原路返回光纤耦合器2，所述第二光束通过样品臂光路系统后射入待测眼球14，从待测眼球14返回的后向散射光沿第二光束的光路原路返回光纤耦合器2，并与第一光束发生干涉，产生干涉信号；光纤耦合器2将干涉信号传递给光谱仪15。
所述干涉信号基于迈克尔逊干涉仪原理。
作为优化，所述光谱仪15包括沿入射光方向依次设置的连接器 17、第三透镜18、光栅19、第四透镜20和CCD相机21，所述CCD 相机21与电脑处理终端16相连接。
作为优化，所述第一滤波片5和第二滤波片10均为带通滤波片。
所述第一滤波片5和第二滤波片10用于选择720nm～880nm的波长，滤掉其他的波长，脱氧血红蛋白对720nm～800nm的波长较敏感，含氧血红蛋白对800nm～880nm的波长较敏感，这样过滤掉其他的波长，便于计算待测眼球14眼底血流血氧饱和度。
作为优化，所述CCD相机21为线阵CCD相机。
作为优化，所述光栅19为体相位全息透射光栅。
作为优化，所述电脑处理终端16与CCD相机21之间设有图像采集卡和数据采集卡，所述图像采集卡分别与电脑处理终端16、CCD 相机21相连接，所述数据采集卡分别与电脑处理终端16、CCD相机 21相连接。
作为优化，所述图像采集卡的型号为NI-PCI1429。
作为优化，所述数据采集卡的型号为NI-PCI6713。
本实用新型系统的工作过程，即采集干涉信号的过程包括：
宽带光源1发出的光束进入光纤耦合器2，光束按照20:80的分光比被分成第一光束和第二光束；
所述第一光束、第二光束分别射入第一偏振控制器3、第二偏振控制器8；
所述第一光束通过第一偏振控制器3后射入第一准直器4，经过第一准直器4准直平行后进入第一滤波片5进行波段选择后射出，出射光射入第一透镜6，经过第一透镜6聚焦的透射光射向第一反射镜7并发生反射，反射光沿第一光束的光路原路返回光纤耦合器2；
所述第二光束经过第二偏振控制器8后，射入第二准直器9，所述第二光束经过第二准直器9准直平行后进入第二滤波片10进行波段选择后射出，出射光通过二维振镜11射入第二透镜12，经过第二透镜12聚焦后的透射光射向第二反射镜13，第二反射镜13以45°的入射角反射第二透镜12的透射光，并将其反射至待测眼球14，从待测眼球14返回的后向散射光沿第二光束的光路原路返回光纤耦合器2，并与第一光束光路原路返回光纤耦合器2的反射光发生干涉产生干涉信号，光纤耦合器2将干涉信号传递到光谱仪15中，干涉信号经过连接器17后透过第三透镜18射入光栅19，光栅19将干涉信号按波长分光，分光后的光信号经过第四透镜20聚焦后，射入CCD 相机21，CCD相机21将接收到的光信号传递给电脑处理终端16。
CCD相机21通过将图像采集卡将干涉信号数据传输到电脑处理终端16。
所述采集干涉信号的过程为对待测眼球14的待测位置的一次的干涉信号采集过程，如图1中的A点。本实用新型系统对待测眼球 14的待测位置进行多次采集干涉信号，将采集所得的干涉信号发送到电脑处理终端16；
本实施例中对待测眼球14的待测位置进行四次采集干涉信号，以A点作为待测位置为例，所述二维振镜11包括x轴镜片和y轴镜片，通过控制x轴镜片和y轴镜片定时定量偏转实现对A点进行四次扫描，使之在A点上的每个空间位置产生时间维度信息，完成四次采集干涉信号后，控制x轴振镜进行偏转，继续下一个待测位置的扫描，而控制y轴将开始待测眼球14下一个截面的扫描。通过采用宽带光源1发出激光进行扫描，经过光栅19后将按波矢分光，分光后的干涉光信号进入含有2048个像素点的线阵CCD相机21的感光单元上，待测位置含有四组随着时间变化的干涉信号数据。
本实用新型通过光学相干层析系统对待测眼球14进行检测，从待测眼球14返回的后向散射光与参考臂光学系统原路返回的反射光发生干涉，生成干涉信号，干涉信号经过光栅19按波长分光后再由 CCD相机21的感光单元吸收并传递到电脑处理终端16，电脑处理终端16利用含氧血红蛋白Hb和脱氧血红蛋白HbO2对不同波长吸收系数特性的不同，计算出血氧饱和度。
本实用新型通过光学相干层析技术对待测眼球14进行检测，通过控制二维振镜11实现对待测位置进行多次干涉信号的采集，测量过程不直接与待测眼球14接触，可连续测量且不会对待测眼球14造成损伤，提高测量效率。
参照图2，所述一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统还包括一种基于OCT技术测量血氧饱和度的方法，所述方法包括：
对待测眼球14上的待测位置进行多次采集干涉信号，将采集所得的干涉信号发送到电脑处理终端16；
对采集所得的干涉信号进行降维PCA算法处理，分别得到静态散斑信号和动态散斑信号；
根据含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白在720nm～800nm和800nm～880nm这两个波段的吸收摩尔吸光系数的差异，从所述静态散斑信号和动态散斑信号得到含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度；
将得到的含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度相减得出所述待测位置的血氧饱和度。
所述静态散斑信号由背景组织产生，所述动态散斑信号由血管内血红细胞产生，所述背景组织为血管外的细胞和血管外的细胞间质组合起来的物质。
参考图3，可知脱氧红细胞与含氧血红细胞在800nm为相等摩尔吸光系数，但在800nm左右两边会产生一个明显的吸收差异，脱氧血红细胞对波长为720—800nm的激光较为敏感，含氧血红细胞对波长为800—880nm的激光较为敏感。因此对线阵CCD相机21所采集到按波长分光的干涉信息进行分波段处理，以800nm为界限，将720 —800nm分为第一波段，800—880nm分为第二波段，将采集所得的第一波段的干涉信号数据和第二波段的干涉信号数据分别取一半，得到第一波段像素组数据和第二波段像素组数据。
分别对第一波段像素组和第二波段像素组进行降维PCA算法处理：
假设线阵CCD相机21采集到干涉信号的每一帧共含有1000条线，像素为2048，每一条线上分为多个点，每个点沿时间序列的干涉信号的数量为N＝4，即待测眼球14上的每一个点采集四次干涉信号，得到变化的数据。
抽取其中一条线上随时间序列的像素点的干涉信号，则组建成了以I(x,P,N)的样本数据矩阵L，数学表达式可为：
其中P为像素点。
求出L的的协方差矩阵C，如以下表达式：
其中Ci,j为协方差矩形C的第i行第j列矩阵的元素，LT为样本数据矩阵L的转置。
计算出协方差矩阵C的特征值λi与对应的特征向量bi，将λi进行降序排列，以λi≥λ2…≥λp形式进行排列，设Fi(x,y)为像素点的第i成分，而bi是矩阵L的第i成分Fi的线性变换系数；其公式表达为：
Fi(x,y)＝biCy
其中Cy为协方差矩阵C的第y列矩阵的元素，得到静态散斑信号I0(x,y)和动态散斑信号IRBC(x,y)。
I0(x,y)＝I(x,y)
其中静态散斑信号I0(x,y)为方差贡献率最大的第一部分，而动态散斑信号IRBC(x,y)为方差最小的第二份到第N份之和。其中静态散斑信号I0(x,y)为第x行第y列中的像素点中背景组织产生的静态散斑信号之和，IRBC(x,y)为第x行第y列中的像素点中血管内血红细胞产生的动态散斑信号之和，I(x,y)为样本数据矩阵L的第x行第y列的干涉信号。
通过PCA后得到主要的血管成像参数MD(x,y)，即待测位置的动态散斑信号与背景组织的静态散斑信号的比。
采用调制深度成像方法即对该像素点的第二到第N成分比第一成分得到动态散斑信号的占比，其数学表达式可为：
利用降维PCA技术得到每个像素点的动态散斑信号和静态散斑信号，通过对待测眼球14的每一截面进行上述处理过程，最终即可得到高分辨率的血管切面层析图。
通过PCA降维算法实现能够在高散射的生物组织中同时获取静止的和移动的成分，提供高分辨率的层析图。
其中，第一波段像素组的每一个像素点的静态散斑信号为和动态散斑信号为第二波段像素组的每一个像素点的静态散斑信号为和动态散斑信号为
血管内血红细胞对光的吸收特性表达式为：
其中L表示光程，C0为背景组织的光的吸收物质浓度，l为透射吸收光强，I0为初始光强，ε0为背景组织的光吸收系数，εHbO2为HbO2的摩尔吸光系数，εHb为Hb的摩尔吸光系数，I表示为血管内血红细胞吸收的光强。
由Beer—Lambert定律，我们可将(2—1)式表示为：
第一波段像素组的像素点的静态散斑信号可表示为：
第二波段像素组的像素点的动态散斑信号可表示为：
和分别是在λi波长光照射下Hb和HbO2的摩尔吸光系数， CHb和分别是Hb和HbO2的浓度。通过(2—2)与(2—3)公式，即可得出每个波段数据的含氧血红蛋白的浓度与脱氧血红蛋白的浓度，通过将脱氧血红细胞浓度与含氧血红细胞浓度的相减，从而计算出待测位置在两个波段的血氧饱和度SpO2，即可以得到待测眼球14 待测位置的血氧饱和度。
第一波段的血氧饱和度可表示为：
第二波段的血氧饱和度可表示为：
其中分别为待测位置的第一波段、第二波段的Hb的浓度，分别为待测位置的第一波段、第二波段的HbO2的浓度。
本实用新型通过对待测位置进行多次干涉信号采集得到多组干涉信号数据，采用PCA降维算法对采集所得的干涉信号数据进行分析，利用分离出的动态散斑信号与静态散斑信号并计算出待测眼球 14眼底血流的血氧饱和度，不直接与待测眼球14接触，无创操作，精确计算出待测眼球14上每个待测位置的血氧饱和度。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：包括：宽带光源、光纤耦合器、参考臂光路系统、样品臂光路系统、光谱仪和电脑处理终端，所述参考臂光路系统包括第一偏振控制器、第一准直器、第一滤波片、第一透镜和第一反射镜，所述第一偏振控制器分别与第一准直器、光纤耦合器通过光纤连接，所述第一准直器、第一滤波片、第一透镜和第一反射镜沿着光束入射方向依次排列；
所述样品臂光路系统包括：第二偏振控制器、第二准直器、第二滤波片、二维振镜、第二透镜和第二反射镜，所述第二偏振控制器分别与第二准直器和光纤耦合器通过光纤连接，所述第二准直器、第二滤波片和二维振镜沿着光束入射方向依次排列，所述第二滤波片通过二维振镜的反射面与第二透镜光线连接，所述第二反射镜以45°的入射角反射第二透镜的透射光，并将其反射至待测眼球；
所述光纤耦合器分别与所述宽带光源、光谱仪通过光纤连接，所述光谱仪与电脑处理终端相连接；
所述宽带光源发出的光束进入光纤耦合器，光束按照20:80的分光比被分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直器，所述第二光束进入第二准直器；
第一光束进入参考臂光路系统后在第一反射镜的反射作用下，原路返回光纤耦合器，所述第二光束通过样品臂光路系统后射入待测眼球，从待测眼球返回的后向散射光沿第二光束的光路原路返回光纤耦合器，并与第一光束发生干涉，产生干涉信号；光纤耦合器将干涉信号传递给光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述光谱仪包括沿入射光方向依次设置的连接器、第三透镜、光栅、第四透镜和CCD相机，所述CCD相机与电脑处理终端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述第一滤波片和第二滤波片均为带通滤波片。
4.根据权利要求2所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述CCD相机为线阵CCD相机。
5.根据权利要求4所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述光栅为体相位全息透射光栅。
6.根据权利要求5所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述电脑处理终端与CCD相机之间设有图像采集卡和数据采集卡，所述图像采集卡分别与电脑处理终端、CCD相机相连接，所述数据采集卡分别与电脑处理终端、CCD相机相连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述图像采集卡的型号为NI-PCI1429。
8.根据权利要求6所述的一种基于OCT技术测量血氧饱和度的系统，其特征在于：所述数据采集卡的型号为NI-PCI6713。
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Cited By (2)
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| CN114847882A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-05 | 山东探微医疗技术有限公司 | 一种高分辨率跳跃式多波段光谱仪及工作方法 |
| CN118236038A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-06-25 | 山东探微医疗技术有限公司 | 用于毛细血管血流速度测量的多路oct系统及方法 |
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