CN109596525B - 一种检测组织活性的实时测量方法和仪器 - Google Patents

一种检测组织活性的实时测量方法和仪器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种检测组织活性的实时测量方法和仪器。本发明通过设置由若干光纤组成的光纤束，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源模块中的光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组；同时设置有电子控制模块控制所述视频摄像头和光源模块中复数个LED灯的开关以及控制光检波器，将每个光源光纤组和测量光纤组中的每个光纤以排列组合的方式检测皮下从可见光到红外光的光反应，再用检测采集的数据训练一个神经网络，这样对应于使用不同波长和强度的光源的每次测量，都对应一个正确的输出值，利用经过训练的神经网络可做到实时测量，并且无需切片，达到无损检测的目的。

Description

一种检测组织活性的实时测量方法和仪器
技术领域
本发明涉及一种用于检测生物组织的活性指标，特别是用于测量血氧和血红蛋白浓度的检测方法及微血管成像仪器。
背景技术
微血管***的物理和生理信息，例如血管密度和血流速度等，微细管的氧合，总血红蛋白浓度可以是生物组织的活性指标，所有这些参数的定量描述对医疗专业人员进行诊断、治疗和临床管理决策很有帮助。
在一般的情况下，生物组织经常模拟为散射体和吸收体的混合介质。测量组织内的总血红蛋白浓度和组织血液氧合，是把光传输光纤和光收集光纤相隔一定的距离安置在组织同一方向的表面，光收集光纤在光传输光纤邻近数毫米的若干位置探测从组织内部通过散射漫射折回到皮肤表外的光强。将一束光特定波长的光射入皮下组织，来自传输光纤和进入组织的光可以被分散或吸收，一些光会表面返回，即反射，这些光被光收集光纤采集，生物组织内部的光传输过程的物理模型可以用扩散模型或通过蒙特卡罗模拟的随机游走过程来表述。通过比较反射结果与提取物浓度的这些吸收体，以及散射系数，再利用物理模型计算过或蒙特卡罗模拟的随机游走过程计算总血红蛋白浓度和组织血液氧合。但由于计算过程耗费时间，也很难做到实时测量。而且这类仪器提供的信息有限，价格昂贵，由于这些限制，医务人员在医学实践中不愿意使用这些仪器。此外，在现在的测量方法中，虽然基于物理模型的测量方法理论上能够进行总血红蛋白浓度和组织血液氧合的测量，但由于人体组织有着复杂的结构，常常是非对称非均匀的，所以单次测量不能得到更接近实际情况的结果，应该是从多个观测位置测量并以平均值作为结果才是合理的。然而多个位置的测量会因为移动仪器探头使得被测目标的位置状态发生变化，影响检测结果的准确性。除存在以上问题外，现有的测量组织血氧仪器不能提供微血管成像和微血管***参数、血管密度及血液流动速度。
在可见的光范围内，血红蛋白可吸收的最长波长是绿色光，波长是540nm。因此在现有的微循环的成像***中，绿色照明光是获取清晰的血管图像与可见光范围最小光散射特性的推荐光源。
组织内血管是由于反射光从组织表面通过会使血管图像模糊眩光。有几种办法来消除眩光或反射光。一种方法是在成像区外放置照明灯光，设置设计成这样，使得反射光线不会直接进入成像的光学路径，而是光经历了多次在组织内部散射，射在组织外成像。另一种方法是用两个偏振器的正交偏振光谱成像技术。第一个偏振器用于照明光起振形成偏振光，第二个偏振器放置在成像路径上。直接反射光线继承了照明光的偏振方向，它可以被第二偏光器阻挡，只有经过多次散射的光进入图像传感器，比如电荷藕合器件和互补金属氧化物半导体，形成图像。一些现有的使用上述技术的微循环成像***，需要用固定长度的刚性探管以将成像光学***组织表面的观察区域，而图像传感器则安置在设备里面。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种能提供微血管成像和微血管***参数，且检测结果更加准确、实时性更强且无损的检测组织活性的实时测量方法和仪器。
为了实现上述目的，本发明公开了一种检测组织活性的实时测量方法，其特征在于包括以下步骤：（1）首先建立模拟不同浓度血红蛋白浓度和组织血液氧合的物理模型；
（2）用如下方法测量采集数据：用若干光纤，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆，分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组，光源是若干固定波长的发光二级管组，波长从可见光到红外光；测量时，将探头和被测组织表皮接触，选择某根光纤作为一个光源输入端，打开光源组中某一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后将光源切换到另一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，这样依次打开光源组中所有不同波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后把光源光纤组中下一根光源光纤做光源输入，重复以上所有步骤直到光源光纤组中所有光源光线用过；
（3）用步骤（2）采集的数据训练一个神经网络，所述神经网络的输入层节点数为测量光纤组中测量光纤数加2，用作输入从各个测量光纤的光强和所用光源的波长和光强，神经网络的输出层点数与所模拟的不同浓度等级数一致；这样对应于使用不同波长和强度的光源的每次测量，都对应一个正确的输出值，利用经过训练的神经网络可做到实时测量。
本发明的另一个目的在于提供一种实现上述方法的装置。
为实现上述目的，本发明还公开了一种检测组织活性的实时测量装置，其特征在于包括：
探头；所述探头内部远端设有可更换镜头的光学管和视频摄像头，所述光学管中设有由若干透镜组成的放大及聚焦镜头组，光学管设置在视频摄像头前，视频摄像头的电缆与电子控制模块连接；
光纤束：由若干光纤组成，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源模块中的光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组；
光源模块，所述光源模块设有复数个LED灯构成所述光源，所述复数个LED灯的光波波长包含从可见光到红外线的波长；
光检波器，所述光检波器设有所述光探测元件检测从可见光到红外光线波长的光波信号的光强；
显示模块，所述显示模块用于显示收集的原始数据、图像以及电子控制模块的计算结果；
神经网络，所述神经网络的输入层节点数为测量光纤组中测量光纤数加2，用作输入从各个测量光纤的光强和所用光源的波长和光强，神经网络的输出层点数与所模拟的不同浓度等级数一致；
电子控制模块，所述电子控制模块控制所述视频摄像头和光源模块中所述复数个LED灯的开关以及控制光检波器检测，并对检测数据读取和处理。
作为本发明的进一步设置，所述电子控制模块包括存储单元、数据处理单元及检测控制单元，所述检测控制单元控制所述光源模块中复数个LED灯的开关及光检波器的工作，所述数据处理单元接收用户指令及光检波器的数据，并存储在所述存储单元中，经内部程序处理后输出至所述显示模块。
作为本发明的再进一步设置，所述电子控制模块还包括光校准模块，所述光校准模块用于校准被同一光源照亮的测量光纤组的光电转换反应一致性，所述测量光纤组输出由同一光检波器记录。
作为本发明的更进一步设置，所述光学管为圆筒状，所述光源光纤组和测量光纤组沿圆周分布设置在所述光学管的管壁中。
作为本发明的更进一步设置，所述光纤束包含多种直径的光学纤维。
本发明通过设置由若干光纤组成的光纤束，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源模块中的光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组；同时设置有电子控制模块控制所述视频摄像头和光源模块中复数个LED灯的开关以及控制光检波器，将每个光源光纤组和测量光纤组中的每个光纤以排列组合的方式检测皮下从可见光到红外光的光反应，再用检测采集的数据训练一个神经网络，这样对应于使用不同波长和强度的光源的每次测量，都对应一个正确的输出值，利用经过训练的神经网络可做到实时测量，并且无需切片，达到无损检测的目的。
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为光线在组织中光传输过程的示意图；
图2为生物组织中可见红外波长范围主要吸收包括脱氧血红蛋白和水的示意图；
图3为本发明实时测量装置具体实施例结构示意框图；
图4为本发明柔性探头具体实施例结构示意框图；
图5为本发明电子控制模块具体实施例结构示意框图；
图6为本发明管帽具体实施例结构示意图；
图7为本发明探头具体实施例局部内部结构示意图；
图8为本发明探头具体实施例端部结构示意图；
图9为本发明探头内部光纤束具体实施例结构示意图之一；
图10为本发明探头内部光纤束具体实施例结构示意图之二。
具体实施方式
为了能提供微血管成像和微血管***参数，且检测结果更加准确、实时性更强，本发明总体的检测组织活性的实时测量方法包括以下步骤：（1）首先建立模拟不同浓度血红蛋白浓度和组织血液氧合的物理模型；作为一种具体实施例，本发明的模型准备如下：使用含有完整人红细胞的组织模型，StO2验证的体积分数约为0.8％，THC验证的体积分数约为0.6％〜2.4％。取自两名志愿者的血液收集在含有肝素钠的试管中，与大约等体积的磷酸盐缓冲溶液混合以离心，最后将离心的红细胞加入PBS中约1％稀释的Liposyn II溶液中，并使其保持恒定的37℃温度和均匀性；
（2）用微电极pO2电极的标准方法及如下方法测量分别采集在酵母脱氧过程中模型溶液的StO2和pO2数据：用若干光纤，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆，分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组，光源是若干固定波长的发光二级管组，波长从可见光到红外光；测量时，如图1所示，将探头和被测组织表皮接触，选择某根光纤作为一个光源输入端，打开光源组中某一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后将光源切换到另一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，这样依次打开光源组中所有不同波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后把光源光纤组中下一根光源光纤做光源输入，重复以上所有步骤直到光源光纤组中所有光源光线用过；
在用微电极pO2电极的标准方法进行测量前，需首先通过将空气鼓入盐水溶液中15至20分钟并且在0％氧气（pO2 = 0mmHg）的无氧溶液中，用空气鼓泡空气（pO2 = 159mmHg）在空气饱和水中预先校准pO2电极将亚硫酸钠加入蒸馏水中。
（3）用步骤（2）中采集的数据训练一个神经网络，所述神经网络的输入层节点数为测量光纤组中测量光纤数加2，用作输入从各个测量光纤的光强和所用光源的波长和光强，神经网络的输出层点数与所模拟的不同浓度等级数一致；这样对应于使用不同波长和强度的光源的每次测量，都对应一个正确的输出值，利用经过训练的神经网络可做到实时测量，所述神经网络可以是一个含有一个输入层，一个隐含层，一个输出层的三层神经网络。
本发明用于实施检测组织活性的实时测量方法的测量装置包括探头1、光纤束、光源模块8、光检波器9、显示模块10和电子控制模块11。如图7、8所示，其中，所述探头1为管状构件，优选为圆管形，内部远端设有可更换镜头的光学管2和视频摄像头4，所述光学管2中设有由若干透镜组成的放大及聚焦镜头组3，以利于清晰成像，光学管2设置在视频摄像头4前，视频摄像头4可以为黑白或彩色的，视频摄像机视频摄像头4的电缆与电子控制模块11连接。
光纤束由若干光纤5组成，所述若干光纤5前端形成一个直径为数毫米的圆分布于探头1外周，本具体实施例中，如图9、10所示，所述若干光纤5沿圆周均匀分布于所述探头1中光学管2的管壁中，并将所述若干光纤5沿圆周依次间隔地分别接上光源模块8中的光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组7和测量光纤组6。为了平衡照射光和接受光的通光量，所述光纤束优选包含多种直径的光学纤维，直径优选在0.2-1.5mm之间，通过利用不同直径的光源光纤和测量光纤的配合，各个光纤直径的选取应该使得发射光路和接受光路能够提供足够的测量需要的光强，并且能够平衡，不至于光强太弱信噪比太低，或者光强太强使得接收饱和。
光源模块8用于调节光强及波长；光检波器9用于光电转换，显示模块10用于输出检测结果以及***状况。
所述光源模块8设有复数个LED灯构成所述光源，所述复数个LED灯的光波波长包含从可见光到红外线的离散波长；也可以是单个包含从可见光到红外光波波长的LED，并配光学滤光片，其波长为微循环成像和组织氧合血红蛋白浓度的测量数据，如图2所示，在可见的光范围内，血红蛋白可吸收的最长波长是绿色光波长是540nm，因此在现有的微循环的成像***中，绿色照明光是获取清晰的血管图像与可见光范围最小光散射特性的推荐光源。
所述光检波器9设有所述光探测元件检测从可见光到红外光线波长的光波信号的光强，所述光探测元件具体可以选用对检测相应波长敏感的光电管或光电二极管阵列，也可以选用对从可见光到红外光线波长敏感的光谱仪。
所述显示模块10用于显示收集的原始数据、图像以及电子控制模块11的计算结果；显示模块10包括显示屏幕和显示控制单元，并提供设备和用户之间的硬件接口。所述显示屏幕可以是任何一种现有显示装置，如黑/白或彩色液晶显示屏，还可以是黑/白或彩色的触摸液晶显示屏，同时作为提供用户输入数据或指令的面板。
如图5所示，所述电子控制模块11包括存储单元、数据处理单元及检测控制单元，所述数据处理单元及检测控制单元以具有数据处理能力的集成为核心，如微型处理器以及***元件构成的信息处理***，并根据内部设定的程序，控制所述视频摄像头4和光源模块8中复数个LED灯的开关及光检波器9的工作，同时接收读取光检波器9传回的数据，并按既定的算法进行数据处理，并存储在所述存储单元中，经内部程序处理后输出至所述显示模块10进行显示输出。
所述电子控制模块11优选还包括光校准模块，所述光校准模块的用于是校准被同一光源照亮的测量光纤组6的光电转换反应一致性，所述测量光纤组6输出由同一光检波器9记录。通过设置光校准模块可进一步提高测量的准确性。
如图3所示，为了便于安装和使用，所述组织活性的实时测量装置优选设有一个壳体12，所述壳体12具有一个矩形体或梯形体的主体，主体内部中空构成容腔，所述光源模块8、光检波器9、光校准模块、显示模块10和电子控制模块11设置在所述主体内部容腔中，所述显示模块10中的显示屏幕设置在所述主体的后端面上，所述探头1设置在所述主体的前端面上，探头1的光学管2可以是刚性的，或者柔性的，如图4所示，它们共享同一内部结构，只是筒状光学管2的材质不同，所述主体的下部设有手柄部13使整体呈手持式结构，方便使用。

Claims (6)

1.一种检测组织活性的实时测量方法，其特征在于包括以下步骤：（1）首先建立模拟不同浓度血红蛋白浓度和组织血液氧合的物理模型；
（2）用如下方法测量采集数据：用若干光纤，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆，分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组，光源是若干固定波长的发光二级管组，波长从可见光到红外光；测量时，将探头和被测组织表皮接触，选择某根光纤作为一个光源输入端，打开光源组中某一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后将光源切换到另一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，这样依次打开光源组中所有不同波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后把光源光纤组中下一根光源光纤做光源输入，重复以上所有步骤直到光源光纤组中所有光源光纤 用过；
（3）用步骤（2）采集的数据训练一个神经网络，所述神经网络的输入层节点数为测量光纤组中测量光纤数加2，用作输入从各个测量光纤的光强和所用光源的波长和光强，神经网络的输出层点数与所模拟的不同浓度等级数一致。
2.一种检测组织活性的实时测量装置，其特征在于包括：
探头；所述探头内部远端设有可更换镜头的光学管和视频摄像头，所述光学管中设有由若干透镜组成的放大及聚焦镜头组，光学管设置在视频摄像头前，视频摄像头的电缆与电子控制模块连接；
光纤束：由若干光纤组成，所述若干光纤前端形成一个直径为数毫米的圆分布于探头外周，若干光纤沿圆周依次间隔地分别接上光源模块中的光源和光探测元件，从而分别构成光源光纤组和测量光纤组；
光源模块，所述光源模块设有复数个LED灯构成所述光源，所述复数个LED灯的光波波长包含从可见光到红外线的波长；
光检波器，所述光检波器设有所述光探测元件检测从可见光到红外光线波长的光波信号的光强；
显示模块，所述显示模块用于显示收集的原始数据、图像以及电子控制模块的计算结果；
神经网络，所述神经网络的输入层节点数为测量光纤组中测量光纤数加2，用作输入从各个测量光纤的光强和所用光源的波长和光强，神经网络的输出层点数与所模拟的不同浓度等级数一致；
电子控制模块，所述电子控制模块控制所述视频摄像头和光源模块中所述复数个LED灯的开关以及控制光检波器检测，并对检测数据读取和处理，所述电子控制模块的控制方式为：选择某根光纤作为一个光源输入端，打开光源组中某一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后将光源切换到另一个波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，这样依次打开光源组中所有不同波长的发光二极管，读取并记录测量光纤组中所有测量光纤的光强，然后把光源光纤组中下一根光源光纤做光源输入，重复以上所有步骤直到光源光纤组中所有光源光线用过。
3.根据权利要求2所述的检测组织活性的实时测量装置，其特征在于：所述电子控制模块包括存储单元、数据处理单元及检测控制单元，所述检测控制单元控制所述光源模块中复数个LED灯的开关及光检波器的工作，所述数据处理单元接收用户指令及光检波器的数据，并存储在所述存储单元中，经内部程序处理后输出至所述显示模块。
4.根据权利要求3所述的检测组织活性的实时测量装置，其特征在于：所述电子控制模块还包括光校准模块，所述光校准模块用于校准被同一光源照亮的测量光纤组的光电转换反应一致性，所述测量光纤组输出由同一光检波器记录。
5.根据权利要求2所述的检测组织活性的实时测量装置，其特征在于：所述光学管为圆筒状，所述光源光纤组和测量光纤组沿圆周分布设置在所述光学管的管壁中。
6.根据权利要求5所述的检测组织活性的实时测量装置，其特征在于：所述光纤束包含多种直径的光学纤维。
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