CN106037669A - 一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置及其方法，该装置包括暗室，暗室的正面设置有孔洞；暗室的正上方垂直安装有光电倍增管，暗室与光电倍增管之间还安装有电动控制的滤波片轮，滤波片轮上承载若干组滤波片；伸入暗室内的手指自发产生的生物光子经过一组滤波片后，传送至光电倍增管并转化为生物电信号，转化后的生物电信号，再由光电倍增管传送至光子计数器，光子计数器得到手指的发光强度；滤波片空载时，得到滤波片自身的发光强度；光子计数器还与中央处理器相连，中央处理器用于接收手指的发光强度和滤波片自身的发光强度，并将两者作差，得到手指自发光强度，并根据手指自发光强度得到手指光谱分布图。
Description
技术领域
本发明属于生物光子辐射探测领域，尤其涉及一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置及其方法。
背景技术
生物光子辐射来源于机体内新陈代谢过程中各种生化反应从高能态向低能态的跃迁所发射的光子，它是一个发生在“分子层次”的生命现象，它是有机体本身所固有的一种属性，是生命***的一个固有功能，携带着机体新陈代谢过程中结构变化和功能代谢状态的信息，这种信息蕴含在其强度、光谱分布等各个参数当中。生物***在分子层次的变化，能引起***生物光子辐射在强度、光谱分布等方面的改变，它对生命***内部的变化及外界环境的影响有高度的敏感性，对机体超微弱发光的探测和分析能够揭示生物***内部的细节，展示外界环境的微弱影响。
人体手指自发生物光子辐射发现于上世纪70年代，但是目前没有只针对人体手指自发生物光子辐射来绘制其辐射光谱分布图的装置。此外，由于手指自发光子辐射极其微弱，现有检测人体手指自发生物光子的装置灵敏度低、操作复杂以及稳定性差，甚至危害人体手指的健康。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置及其方法。该装置灵敏度高、操作简单，能够直观地指示人体健康的状态且具有快速、灵敏、可靠以及对人体手指无损的优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，包括暗室，所述暗室的正面设置有伸入人手的孔洞，所述暗室的正上方垂直安装有光电倍增管，所述暗室与光电倍增管之间还安装有滤波片轮，所述滤波片轮上承载有若干组不同波段的滤波片；
滤波片用于当暗室内有手指时，对暗室内的手指自发产生的生物光子进行滤波，并将滤波后的生物光子传送至光电倍增管进行转化为生物电信号，转化后的生物电信号由光电倍增管传送至光子计数器，得到手指在任一组滤波片下的发光强度；
所述滤波片还用于当暗室内无手指时，自发光产生光信号，并将自发光产生的光信号由光电倍增管传送至光子计数器，得到任一组滤波片自身的发光强度；
所述光子计数器还与中央处理器相连，所述中央处理器用于接收手指在任一组滤波片下的发光强度和任一组滤波片自身的发光强度，并将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而绘制出手指光谱分布图。
所述孔洞外沿固定有黑色橡胶套，用于防止外界光线的进入。
所述滤波片轮为电动控制的滤波片轮。
所述手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置还包括高压电源，所述高压电源用于为光电倍增管提供电源。
所述暗室的正面设置有两个孔洞且暗室内设置有隔板，用于实现对左右手生物光子同时进行检测。
所述中央处理器还与显示屏相连。
一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置的工作方法，包括：
将手通过孔洞伸入暗室内，对手的各个手指的生物光子进行测试：
在测试过程中，暗室内的手指自发产生的生物光子经过任一组滤波片滤波后，传送至光电倍增管并转化为生物电信号，转化后的生物电信号由光电倍增管传送至光子计数器，光子计数器对接收到的生物电信号进行处理，得到手指在任一组滤波片下的发光强度；
当暗室内无手指时，任一组滤波片自发光产生的光信号由光电倍增管传送至光子计数器后，得到任一组滤波片自身的发光强度；
将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而绘制出手指光谱分布图。
得到手指在特定波段下的自发光强度之后，还包括根据不同滤波片在不同波段内的量子效率对手指在特定波段下的自发光强度进行校正。
该方法还包括将手通过孔洞伸入暗室之前，将温度调节至20℃以及环境湿度控制在40％-50％之间。这样做是为了保障检测手指在特定波段下的自发光强度的准确性。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的暗室的正面设置有两个孔洞且暗室内设置有隔板，形成双暗室，用于实现对左右手生物光子同时进行检测；而且本发明采用高灵敏度和无需外加制冷的光电倍增管来检测手的各个手指的生物光子，提高了整个装置的测试精度而且使得操作简单，本发明能够直观地指示人体健康的状态且具有快速、灵敏、可靠以及对人体手指无损的优点。
(2)本发明采用垂直安装在暗室的正上方的光电倍增管以及安装在滤波片轮上的若干组不同波段的滤波片，检测出暗室内的手指在任一组滤波片下的发光强度和任一组滤波片自身的发光强度，并且将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而准确地绘制出手指光谱分布图。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的装置的工作方法流程示意图；
图3(a)是健康人左手手指自发光子辐射光谱分布；
图3(b)健康人右手手指自发光子辐射光谱分布；
图3(c)是以感冒患者为例，疾病状态下左手手指自发光子辐射光谱分布；
图3(d)是以感冒患者为例，疾病状态下右手手指自发光子辐射光谱分布。
其中，1、暗室；2、孔洞；3、光电倍增管；4、滤波片轮；5、光子计数器；6、高压电源；7、中央处理器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明的手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置包括暗室1、光电倍增管3、滤波片轮4和光子计数器5。
其中，暗室1正面设置有伸入人手的孔洞，暗室1的正上方垂直安装有光电倍增管3，所述暗室1与光电倍增管3之间还安装有滤波片轮4，所述滤波片轮4上承载有若干组不同波段的滤波片。
暗室1是双手光子检测***的重要组成部分，其作用是为手部自发光子的测量提供完全黑暗的环境，分为左右两个暗格，便于左右手同时检测。由于手部辐射的光子极其微弱，因此暗室的光密闭性要非常好，以避免外界杂散光的影响，本实验所用暗室为根据手部发光的需要专门定制的，其内壁和外周均经发黑处理，例如：对整个暗室内外表面均用黑漆均匀喷涂。
在本实施例中，暗室1正面有两个直径为10cm的圆形孔洞2，孔洞2外沿分别固定有长25cm的黑色橡胶手套，其作用是保证手臂经孔洞伸入暗室后，手臂与孔洞2的洞口接触处无外界光线的进入；暗室1正上方垂直装有两支光电倍增管3，在暗室1上表面与光电倍增管3之间装有电控滤波片轮4，内装有五组滤波片，五组滤波片分别为GG395、GG455、GG495、OG550和RG610，用于手部自发光子辐射光谱的测量。
光电倍增管3是双手自发光子检测***的核心部件，其灵敏度的高低决定了整个***对手部微弱光子的探测能力。光电倍增管3(PMT)是一种能将微弱的光信号转换成可探测的电信号的光电转换器件，它由光电发射阴极(光阴极)、聚焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极)等组成，其工作原理是当弱光照射到光阴极时，光阴极激发出光电子，这些光电子按聚焦极电场进入倍增***，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大，然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。本发明所采用的光电倍增管为英国ET Enterprises生产的9235QA型：直径51mm(2-inch)，端窗型入射，bialkali光阴极，有效光阴极直径48mm，波谱响应范围为290nm-630nm，具有高增益、快速的时间响应、低暗计数率等特点。本装置所用光电倍增管无需制冷，开机即用，大大节省了测试等待的时间。
其中，滤波片用于当暗室1内有手指时，对暗室1内的手指自发产生的生物光子进行滤波，并将滤波后的生物光子传送至光电倍增管进行转化为生物电信号，转化后的生物电信号由光电倍增管3传送至光子计数器5，得到手指在任一组滤波片下的发光强度；
滤波片还用于当暗室内无手指时，自发光产生光信号，并将自发光产生的光信号由光电倍增管3传送至光子计数器5，得到任一组滤波片自身的发光强度。
本实施例中使用的光子计数器5是日本Hamamatsu公司生产的C9744型，如图3所示。该型光子计数器5能把光电倍增管3里的单个光电子通过内置放大器和甄别电路转换成5V的数字信号显示。C9744型光子计数器具有高速电子线路，能实现107s-1的测量，拥有÷10和÷1两档，可根据所测信号的强度选择其中一档。
光子计数器5还与中央处理器7相连，所述中央处理器7用于接收手指在任一组滤波片下的发光强度和任一组滤波片自身的发光强度，并将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而绘制出手指光谱分布图。
其中，手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置还包括高压电源，所述高压电源用于为光电倍增管提供电源。本实施例中的高压电源是Sens-Tech公司生产的PM20SP，其作用是为光电倍增管提供完全可调、稳定和几乎无纹波的高压输出。PM20SP型高压电源通过一个10转的精密拨号读电位器实现输出从0-最大值完全可调，具有噪声低、稳定性高和短期漂移的特点。
具体实施过程中，中央处理器还与显示屏相连，显示屏用于直观显示绘制出手指光谱分布图。
本发明的手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置的具体工作流程为：
(1)测试前准备。提前两小时打开实验室空调，温度调节至20℃，环境湿度控制在40％-50％之间。由于本实验要获得的是手部自发光子辐射，因此实验前需要将手部进行暗适应处理以屏蔽掉外界光线对皮肤延迟发光的影响。实验前受试者须用生理盐水或自来水将手部清洗干净，待自然晾干后，立即戴上事先准备好的黑色手套，安静等待30分钟。
(2)参数设置。运行测试软件，此时可听到滤波片轮开始转动，***开始自检，待***自检完成，在操作界面完成相应参数的设置。
(3)测试过程：
①开机自检过程结束后，手指自发光子辐射测试之前，首先需要测试实验暗室内的噪声以及不同滤波片自身的自发荧光强度。参数设置同上。
②30分钟的暗适应时间到了之后，受试者调整好姿势端坐于实验平台前；
③把戴着黑色手套的双手伸进实验暗盒里，在实验暗盒里将手套摘下，目的是避免手部再次受外界光线影响；
④将左右手相应待测手指指尖分别放置于左右光电倍增管镜头正下方固定槽处，然后点击“Measure”，开始计数，此时滤波片状态处于“No filter”，一根指尖测试完毕后更换另一个根手指。手指测量顺序如下：拇指→食指→中指→无名指→小指；
⑤第3步测量完毕后，更换滤波片，按上述测量方法依次得到GG395，GG455，GG495，OG550，RG610不同滤波片下的测量数据；
⑥测量完成，数据导出，分析处理；
(4)数据处理。以拇指为例，首先将测得的拇指自发发光强度减去滤波片本身的噪声，即(手指自发光子强度+滤波片发光强度)－滤波片发光强度，得到拇指在不同滤波片下本身的发光强度，其次前一滤波片下的光强减去后一滤波片下的光强得到两个波长之间的手指光子强度，最后结合不同滤波片在不同波段内的量子效率，对波段间的数值进行校正，以100nm为单位绘制光谱分布图。
(5)测试结果。
通过人体自发发光光谱特征可以从整体上判断机体内新陈代谢过程中氧化自由基的水平，从而评价机体的健康状态。生物发光的物理和化学原理研究认为，只有当出现激发态分子向基态跃迁时，才会有发光现象，换言之，生物自发发光来源于生物大分子新陈代谢过程中从高能态到低能态跃迁辐射的光子，体内自由基等活性氧所释放的光子，可用体表超微弱发光表征。代谢发光机制认为，细胞内高活性的过氧化自由基在进行化学复合反应的过程中，生成单线态氧或激发态羰基，它们回到基态时则辐射出不同波段的光子。大量的实验研究表明，内嵌于细胞膜、线粒体膜、叶绿体膜、吞噬体膜等的膜结合酶复合物NADPH氧化酶可以将氧气(O2)转化为超氧阴离子自由基(O2 ·-)，O2 ·-通过歧化反应生成过氧化氢(H2O2)，H2O2经Fenton反应进而转化成羟基自由基(HO·)。具有较高还原性的HO·通过氧化细胞内包括脂类、蛋白质和核酸的各种类型的生物大分子，最终生成三重激发态羰基(3R＝O*)、单重(1P*)和三重(3P*)激发态色素以及单态氧(1O2)。三重激发态羰基(3R＝O*)从高能态向低能态跃迁产生350-550nm波段的光子，单重(1P*)和三重(3P*)激发态色素跃迁分别对应550-750nm和750-1000nm波段，单态氧跃迁产生634nm和1270nm波段的光子。
当机体处于疾病状态时，会在手指自发发光光谱上体现出来。手指自发发光光谱分布的峰值特性(如峰强度、峰位置、峰的数量)可能作为机体新陈代谢活动的表征指标，通过测试和分析不同生理病理状态下手指自发发光光谱特性，比较其光谱分布特征的差异，即可判断机体的健康状况。
健康状态下人体左右手手指光谱分布如图3(a)和图3(b)所示。疾病状态下人体左右手手指光谱分布如图3(c)和图3(d)所示。从如图3(a)和图3(b)可以看出，健康人十根手指在495-550nm之间自发发光强度强度明显高于其它波段，提示健康人十指在该波段有较强的光子辐射，即健康人十指指尖光谱分布的峰值出现在495-550nm之间。在此区段，每根手指的光强数值又各不相同，表现为左手从高到低依次为拇指、中指、食指、小指和无名指，右手依次为拇指、中指、小指、食指和无名指。
从图3(c)和图3(d)可以看出，与健康人十指光谱分布相较，感冒患者的左右手中指、无名指和小指的光谱峰值出现了红移现象，即光谱峰值从495-550nm移至550-610nm，定量来讲，即感冒患者左右手中指、无名指和小指光强在550-610nm与495-550nm的比值明显高于健康人(左手：p＝0.007；右手：p＝0.005)。测试结果显示，处于疾病状态的人体，其生物光子辐射光谱分布与正常值发生偏离。
本发明的暗室的正面设置有两个孔洞且暗室内设置有隔板，形成双暗室，用于实现对左右手生物光子同时进行检测；而且本发明采用高灵敏度和无需外加制冷的光电倍增管来检测手的各个手指的生物光子，提高了整个装置的测试精度而且使得操作简单，本发明能够直观地指示人体健康的状态且具有快速、灵敏、可靠以及对人体手指无损的优点。
本发明采用垂直安装在暗室的正上方的光电倍增管以及安装在滤波片轮上的若干组不同波段的滤波片，检测出暗室内的手指在任一组滤波片下的发光强度和任一组滤波片自身的发光强度，并且将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而准确地绘制出手指光谱分布图。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，包括暗室，所述暗室的正面设置有伸入人手的孔洞，所述暗室的正上方垂直安装有光电倍增管，所述暗室与光电倍增管之间还安装有滤波片轮，所述滤波片轮上承载有若干组不同波段的滤波片；
滤波片用于当暗室内有手指时，对暗室内的手指自发产生的生物光子进行滤波，并将滤波后的生物光子传送至光电倍增管进行转化为生物电信号，转化后的生物电信号由光电倍增管传送至光子计数器，得到手指在任一组滤波片下的发光强度；
所述滤波片还用于当暗室内无手指时，自发光产生光信号，并将自发光产生的光信号由光电倍增管传送至光子计数器，得到任一组滤波片自身的发光强度；
所述光子计数器还与中央处理器相连，所述中央处理器用于接收手指在任一组滤波片下的发光强度和任一组滤波片自身的发光强度，并将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而绘制出手指光谱分布图。
2.如权利要求1所述的一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，所述孔洞外沿固定有黑色橡胶套，用于防止外界光线的进入。
3.如权利要求1所述的一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，所述滤波片轮为电动控制的滤波片轮。
4.如权利要求1所述的一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，所述手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置还包括高压电源，所述高压电源用于为光电倍增管提供电源。
5.如权利要求1所述的一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，所述暗室的正面设置有两个孔洞且暗室内设置有隔板，用于实现对左右手生物光子同时进行检测。
6.如权利要求3所述的一种手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置，其特征在于，所述中央处理器还与显示屏相连。
7.一种如权利要求1-6任一所述的手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置的工作方法，其特征在于，包括：
将手通过孔洞伸入暗室内，对手的各个手指的生物光子进行测试：
在测试过程中，暗室内的手指自发产生的生物光子经过任一组滤波片滤波后，传送至光电倍增管并转化为生物电信号，转化后的生物电信号由光电倍增管传送至光子计数器，光子计数器对接收到的生物电信号进行处理，得到手指在任一组滤波片下的发光强度；
当暗室内无手指时，任一组滤波片自发光产生的光信号由光电倍增管传送至光子计数器后，得到任一组滤波片自身的发光强度；
将同一组滤波片下的手指的发光强度与滤波片自身的发光强度作差，得到手指在特定波段下的自发光强度，进而绘制出手指光谱分布图。
8.如权利要求7所述的手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置的工作方法，其特征在于，得到手指在特定波段下的自发光强度之后，还包括根据不同滤波片在不同波段内的量子效率对手指在特定波段下的自发光强度进行校正。
9.如权利要求7所述的手指生物光子辐射光谱分布图绘制装置的工作方法，其特征在于，该方法还包括将手通过孔洞伸入暗室之前，将温度调节至20℃以及环境湿度控制在40％-50％之间。
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