CN110411947B - 时间门定光程参考测量浓度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种时间门定光程参考测量浓度的方法及装置，该方法包括：根据被测物距离光源不同位置的光强值随被测物浓度的变化率，确定测量所需的测量点和基准位置；在测量点得到测量值；在基准位置得到参考值，首先在基准位置测量不同传输光程的光子的光强值，然后通过时间门方法提取出对被测物浓度变化灵敏度为0的光子，作为参考值；对测量值和参考值进行数据处理，得到被测物的浓度。本发明的时间门定光程参考测量浓度的方法及装置提出将时间门检测方法应用于在体参考测量，通过时间门方法分别拾取对葡萄糖浓度反应不敏感和最敏感的光子分别作为测量的参考值和检测值，利用参考值对测量值进行修正，使测量值更接近真实值，从而减小***误差。

Description

时间门定光程参考测量浓度的方法及装置
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种时间门定光程参考测量浓度的方法及装置。
背景技术
采用近红外光谱技术进行物质成分浓度检测已经广泛应用于食品、药品检测、大气污染检测、水质监测等诸多领域。近红外光谱在临床上的应用也是目前的研究热点之一，尤其是近红外无创血糖检测，不仅能够实现血糖浓度及时、安全、无痛的自我监测，而且不需要消耗品，可大大降低测试费用，具有非常高的临床应用价值。
综合国内外各研究小组的成果和经验，目前制约无创人体血糖浓度测量精密度和正确性最关键的瓶颈问题，不是来自仪器硬件信噪比的限制，而是测量过程中的背景变动。如何消除背景变动的影响，并从复杂的背景变动中提取微弱的血糖变化信息，是人体血糖浓度无创检测实现临床应用的前提。由于血液中的大多数成分如水、脂肪、蛋白等在近红外都存在吸收，且谱峰互相重叠，生物体的生理活动、情绪波动以及环境影响等因素都会直接或间接地影响到血液成分信息的有效提取，并且由于血液中成分和生理因素多而复杂，以当前的科研水平，难以对它们进行实时监测或定量测量。因此，寻找一种在体参考测量的方法是解决上述问题的可行途径。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种时间门定光程参考测量浓度的方法及装置，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的第一个方面，提供了一种时间门定光程参考测量浓度的方法，包括以下步骤：S1、根据被测物距离光源不同位置的光强值随被测物浓度的变化率，确定测量所需的测量点和基准位置；S2、在测量点得到测量值；在基准位置得到参考值，首先在基准位置测量不同传输光程的光子的光强值，然后通过时间门方法提取出对被测物浓度变化灵敏度为0的光子，作为参考值，其中，所述时间门方法是指按传输时间不同提取光子的方法；S3、对测量值和参考值进行数据处理，得到被测物的浓度。
优选地，步骤S1中，所述基准位置为一个点或距离光源的一个范围。
优选地，步骤S2中，时间门方法是通过控制探测器的开启时间，接收在被测物中传播特定光程长的光子；当提取特定光程范围的光子，通过短脉冲光源控制器，只接受在被测物中行走时间为～的光子，其中为光在被测物中的传播速度，为开门宽度。
优选地，步骤S2中，在基准位置处只提取特定光程长的光子，放大后作为参考信号。
优选地，步骤S2中，检测不同的待测物浓度时，通过短脉冲光源控制器调节在被测物中行走时间，来获取不同待测物的灵敏度为0的传输光程长的光子。
优选地，步骤S2中，当基准位置为一个点时，检测光强的探头设置在所述基准点上；当基准位置为距离光源的一个范围时，检测光强的探头设置在该范围内，用聚光方法将该范围的光子汇聚到探头的接收光纤。
优选地，步骤S2中，当基准位置为一个点时，通过光纤探头拾取特定光程长的光子；当基准位置为距离光源的一个范围时，在光线探头表面嵌入透镜使光汇聚，或用光学透镜将光聚焦到探测器。
优选地，步骤S1中所述测量点和所述基准点通过空间采样法确定，包括以下步骤：S11、在距离光源不同的位置设置多个光接收点，测量所述光接收点处被测物浓度变化前后的光强；S12、计算所述各光接收点光强随被测物质的浓度参数的变化率；S13、变化率最小的光接收点为所述基准点，变化率最大的光接收点为所述测量点。
优选地，所述方法应用于人体血糖成分的无创伤检测中。
作为本发明的另一个方面，提供了一种用于实现前述方法的装置，包括光源、入射光纤、接收光纤、时间门装置、检测器、数据采集器以及数据处理器，其中，光源发射的光子通过入射光纤进入待测物，在基准位置出射的光子汇聚到接收光纤，经时间门装置提取出一定光程的光子，将提取出的光子的光强信号传入检测器，经数据采集器传入数据处理器，得到参考值，在测量点出射的光子通过接收光纤和数据采集器传入数据处理器得到测量值，最后数据处理器进行数据处理得到检测结果。
从上述技术方案可以看出，本发明的时间门定光程参考测量浓度的方法及装置具有以下有益效果：
(1)本发明提出只提取具有浮动基准特性的那部分光子作为参考，而不是接收浮动基准位置处所有光程的光子，可以提高检测到的光强的特异性。
(2)原有浮动基准测量方法对浮动基准位置的准确性要求较高，微小偏差会导致其作为基准时，测量位置损失过多的有效信号，并引入测量误差。本方法将该点的位置扩展为一个带，本发明可以提高浮动基准测量方法的适用性。
(3)本发明提出将时间门检测方法应用于在体参考测量，通过时间门方法分别拾取对葡萄糖浓度反应不敏感和最敏感的光子分别作为测量的参考值和检测值，利用参考值对测量值进行修正，使测量值更接近真实值，从而减小***误差。
附图说明
图1为时间门定光程检测方法原理图；
图2为基准位置为一个点时测量方法原理示意图；
图3为基准位置处不同光程长的光子随被测物浓度的变化率；
图4为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为0.7mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图5为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为0.8mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图6为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为0.9mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图7为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为1.0mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图8为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为1.1mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图9为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为1.2mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图10为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在光源-检测器距离为1.3mm时的传输光程灵敏度分布形态；
图11检测半径上出射的传输光程为Li的所有漫反射光子示意图；
图12为10％Intralipid-葡萄糖溶液表面距离光源10mm半径范围内相同传输光程的光子数量的总和随葡萄糖浓度的变化图；
图13为本发明实施例中基准位置为距离光源的一个范围时测量方法原理示意图；
图14为本发明实施例中时间门定光程参考测量浓度的装置示意图；
图15为本发明实施例中定光程参考测量方法的装置示意图。
【附图标记说明】
1-光源 2-入射光纤
3-接收光纤 4-水平平移台
5-时间门装置 6-检测器
7-数据采集器 8-数据处理器
9-测量位置 10-基准位置
11-聚光透镜 12-控制部分
13-时间门控制部分
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种时间门定光程参考测量浓度的方法及装置，包括以下步骤：根据被测物距离光源不同位置的光强值随被测物浓度的变化率，确定测量所需的测量点和基准位置；在测量点得到测量值；在基准位置得到参考值，首先在基准位置测量不同传输光程的光子的光强值，然后通过时间门方法提取出对被测物浓度变化灵敏度为0的光子，作为参考值；对测量值和参考值进行数据处理，得到被测物的浓度。本发明的时间门方法参考测量浓度的方法提出将时间门检测方法应用于在体参考测量，通过时间门方法分别拾取对葡萄糖浓度反应不敏感和最敏感的光子分别作为测量的参考值和检测值，利用参考值对测量值进行修正，使测量值更接近真实值，从而减小***误差。
图1为时间门定光程检测方法原理图。如图1所示，在测量中采用时间门的方法按传输光程提取光子进行检测时，传输光程选取范围直接决定时间门的检测门宽，时间门的门宽参数的选取直接决定了检测的精度，因此在研究中需要分析传输光程范围的选取对检测精度的影响。
将传输光程分布在Ln，...，Lm范围的光子作为一个检测单元，如图所示的ΔL即为一个传输光程范围，其对应传输时间为tn到tm，其传输光程的中间值定义为中心传输光程Lcenter，传输时间的中间值定义为中心传输时间tcenter：
Figure BDA0001645697350000051
Figure BDA0001645697350000052
具体地，作为本发明的第一个方面，提供了一种时间门定光程参考测量浓度的方法，包括以下步骤：S1、根据被测物距离光源不同位置的光强值随被测物浓度的变化率，确定测量所需的测量点和基准位置；S2、在测量点得到测量值；在基准位置得到参考值，首先在基准位置测量不同传输光程的光子的光强值，然后通过时间门方法提取出对被测物浓度变化灵敏度为0的光子，作为参考值，其中，所述时间门方法是指按传输时间不同提取光子的方法；S3、对测量值和参考值进行数据处理，得到被测物浓度。
步骤S1中，所述基准位置为一个点或距离光源的一个范围。
图2为基准位置为一个点时测量方法原理示意图。图3为基准位置处不同光程长的光子随被测物浓度的变化率。如图2、图3所示，ρ为光源距离检测器的位置，在基准位置处，检测到不同传输光程长的出射光总体对待测物浓度变化的灵敏度等于0，在基准位置处存在某个特殊光程长L的光子对葡萄糖的灵敏度也等于0，通过时间门方法只提取出光程为长为L的光子作为参考值可以提高检测到的光强的特异性。
当基准位置为一个点时，在理想条件下(无限细的光源铅直入射并且在测量位置接收全部漫反射光子)，当SDS＝ρ时，根据传输光程L＝ct，其中c为光子在介质中的传播速度，如为入射光能量，可以得到测量位置处的漫反射光能量Rf的传输光程分布函数为：
Figure BDA0001645697350000061
其中μa为介质的吸收系数，μs为介质的散射系数，g为介质的各向异性系数，μ′s＝(1-g)μs，当介质的光学参数发生变化时，根据Kohl对光学参数随糖浓度的变化规律的研究结果，得到传输光程为L的光子的检测灵敏度s(L)：
Figure BDA0001645697350000062
通过计算可以得到：
Figure BDA0001645697350000063
其中，μa＝μa0+(εg-6.1494εw)Cg，K＝8.5×10-5，μs＝μs0-2W(λ)μs0Cg，g＝g0+8.5×10-5Cg，G＝εg-kwεw，εg为葡萄糖的摩尔吸光系数，εw为水的摩尔吸光系数，W(λ)为不同波长下散射系数的改变因子
图4～图10为10％的Intralipid-葡萄糖溶液在不同光源-检测器位置上传输光程检测灵敏度的分布形态。如图4～图10所示，对10％Intralipid_葡萄糖溶液在1200nm光源下进行模拟，模拟在光源-检测器距离为0.7～1.3mm范围时的传输光程灵敏度分布形态，横坐标为光源-探测器距离，纵坐标为灵敏度，灵敏度为0的点为浮动基准位置，证明在某个光源-探测器距离下，存在光程灵敏度为0传输光程。
图11检测半径上出射的传输光程为Li的所有漫反射光子示意图。如图11所示，每一传输光程下拾取的所有光子数的总量可以表示为
Figure BDA0001645697350000071
Figure BDA0001645697350000072
通过对光源-检测器距离积分，可以得到在所有光源-检测距离上出射的某一传输时间对应的光子数的总和为：
Figure BDA0001645697350000073
当统计3σ范围内光子时，则有：
Figure BDA0001645697350000074
可得：
Figure BDA0001645697350000075
根据L＝ct，则：
Figure BDA0001645697350000076
将某一传输光程下所有漫反射光子对葡萄糖浓度进行求导，可以计算出该传输光程下所有光子对葡萄糖浓度变化的灵敏度sl为：
Figure BDA0001645697350000077
其中：
Figure BDA0001645697350000078
Figure BDA0001645697350000079
Figure BDA0001645697350000081
Figure BDA0001645697350000082
根据葡萄糖浓度对光学参数的影响：
Figure BDA0001645697350000083
Figure BDA0001645697350000084
Figure BDA0001645697350000085
求得：
Figure BDA0001645697350000086
采用蒙特卡洛模拟对1280nm光源情况下，10％Intralipid溶液配制成的0mg/dL、500mg/dL、1000mg/dL、1500mg/dL的葡萄糖溶液中的光子传播进行了计算，获得了不同传输光程下漫反射光子的数量的总和，为了统计全部的漫反射光子，选取的检测半径为10mm，传输光程范围为0.5mm，光源光子数为109个。
图12为10％Intralipid-葡萄糖溶液表面距离光源10mm半径范围内相同传输光程的光子数量的总和随葡萄糖浓度的变化图。如图12所示，在1280nm光源情况下，计算在葡萄糖浓度变化时10％的Intralipid-葡萄糖溶液介质表面距离光源10mm半径范围内出射的不同传输光程的光子数总和，与0mg/dL的Intralipid-葡萄糖溶液情况下获得的光子数量求差值，可以看到在传输光程为4.3mm的位置出现一个交叉点，交叉点的左侧表现出漫反射光子随葡萄糖浓度变化呈现负相关性，而在交叉点的右侧表现出漫反射光子随葡萄糖浓度变化呈现正相关性，而在距离光源10mm半径范围内传输光程为4.3mm的漫反射光子数的总和近似与葡萄糖浓度的变化无关。可以看出，基准位置为距离光源的一个范围，存在灵敏度为0的光程。
图13为基准位置为距离光源的一个范围时测量方法原理示意图。如图13所示，在光源-检测器距离为ρ1、ρ2、ρ3时，都存在对待测物浓度变化的灵敏度等于0的某个特殊光程长L，通过时间门方法提取某个光源-检测器距离范围内的光程长为L的所有光子，可以提高检测到的光强，提高信噪比和检测精度。
相比于以往测量某个位置时接受所有传输光程长的光子，定光程检测只提取某个传输光程长的光子，能够剔除无关的其他光，虽然光强变弱，但是可以通过放大更大的倍数来提高有用信号的动态检测范围，便于提取有用信号。
图14为时间门定光程参考测量浓度的装置示意图。如图15所示，步骤S2中，当基准位置为一个点时，检测光强的探头设置在所述基准点上，通过光纤探头拾取特定光程长的光子；当基准位置为距离光源的一个范围时，检测光强的探头设置在该范围内，用聚光方法将该范围的光子汇聚到探头的接收光纤，在光线探头表面嵌入透镜使光汇聚，或用聚光透镜11将光聚焦到探测器。
不同待测物的灵敏度为0的传输光程长可能不同，可以通过调节飞行时间t，来获取不同个体灵敏度为0的传输光程长，不需要手动或机械调节参考位置的距离或者设计多种光纤探头来适应不同个体的测量需要。
如图15所示，时间门方法是通过控制探测器的开启时间，接收在被测物中传播特定光程长的光子；当提取特定光程范围l0+Δl的光子，通过短脉冲光源控制器，只接受在被测物中行走时间为
Figure BDA0001645697350000091
的光子，其中c为光在被测物中的传播速度，
Figure BDA0001645697350000092
为开门宽度。
步骤S1中所述测量点和所述基准点通过空间采样法确定，包括以下步骤：S11、在距离光源不同的位置设置多个光接收点，测量所述光接收点处被测物浓度变化前后的光强；S12、计算所述各光接收点光强随被测物质的浓度参数的变化率；S13、变化率最小的光接收点为所述基准点，变化率最大的光接收点为所述测量点。
所述方法应用于人体血糖成分的无创伤检测中。
作为本发明的另一个方面，提供了一种用于实现前述方法的装置，图15为装置示意图。如图15所示，所述装置包括光源1、入射光纤2、接收光纤3、时间门装置5、检测器6、数据采集器7以及数据处理器8，其中，接收光纤3的位置可以通过水平平移台4进行调整，光源1发射的光子通过入射光纤2进入待测物，在基准位置出射的光子汇聚到接收光纤3，经时间门装置5提取出一定光程的光子，将提取出的光子的光强信号传入检测器6，经数据采集器7传入数据处理器8，得到参考值，在测量点出射的光子通过接收光纤3和数据采集器7传入数据处理器8得到测量值，最后数据处理器8进行数据处理得到检测结果。
以下结合具体实施例，对本发明提供时间门定光程参考测量浓度的方法及装置作进一步的详细说明。
实施例1单点定光程参考测量方法的模拟实验
模拟参数：采用MCMLGO模拟，以2％的Intralipid-葡萄糖溶液作为介质，葡萄糖浓度分别为0mg/dL、500mg/dL、1000mg/dL和1500mg/dL，在1200nm光源情况下，光源发射光子数为109个。
变化参数：光源能量波动±5％和±10％。
测量值：在浮动基准点位置，选取全部传输光程长的光子的总和作为检测值。
参考值：将从检测点出射的，传输光程长为基准传输光程长的光子数作为参考值。根据理论分析，对2％的Intralipid-葡萄糖溶液，在空间基准点处出射的光子的基准传输光程长为4.0±0.2mm，将该光程长范围的光子数总和作为参考值。
当光源功率变化±5％和±10％时，可以通过基准传输光程长处光子数总和的变化系数η去对被光源能量波动所影响的测量值进行修正，从下面表1中可以看出修正后的光强数值与标准的数值非常接近。
表1实验结果对比
以1000mg/dl的intralipid_葡萄糖溶液为例，可以计算出修正前光源能量波动带来的测量值的变化和修正后测量值的变化，可以看到，通过基准传输光程长的光子数总和的波动得到波动系数对测量值进行修正后，检测光能量波动减小为未修正的3％～6％。
实施例2多点定光程参考测量方法的模拟实验结果
模拟参数：采用MCMLGO模拟光子在组织中的传播及在介质表面出射的分布，以2％的Intralipid-葡萄糖溶液作为介质，葡萄糖浓度分别为0mg/dL、500mg/dL、1000mg/dL和1500mg/dL，在1200nm光源情况下，光源发射光子数为109个。
变化参数：光源能量波动±5％和±10％。
测量值：选取1.25mm传输光程长为中心，传输光程长范围为1.25±0.25mm的光子数总和作为测量值。
参考值：将从检测半径出射的，传输光程长为基准传输光程长的光子数总和作为参考值。根据理论分析，对2％的intralipid_葡萄糖溶液，基准传输光程长为1.25±0.25mm，将该光程长范围的光子数总和作为参考值。
当光源功率变化±5％和±10％时，可以通过基准传输光程长处光子数总和的变化系数去对被光源能量波动所影响的测量值进行修正，从下面表2中可以看出修正后的光强数值与标准的数值非常接近。
表2实验结果对比
Figure BDA0001645697350000111
以1000mg/dl的intralipid-葡萄糖溶液为例，可以计算出修正前光源能量波动带来的测量值的变化和修正后测量值的变化，可以看到，通过基准传输光程长的光子数总和的波动得到波动系数对测量值进行修正后，检测光能量波动减小为原来的1％～10％。
综上所述，本发明的时间门定光程参考测量浓度的方法及装置提出将时间门检测方法应用于在体参考测量，通过时间门方法分别拾取对葡萄糖浓度反应不敏感和最敏感的光子分别作为测量的参考值和检测值，利用参考值对测量值进行修正，使测量值更接近真实值，从而减小***误差。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据被测物距离光源不同位置的光强值随被测物浓度的变化率，确定测量所需的测量点和基准位置，其中，所述基准位置为一个点或距离光源的一个范围；
S2、在测量点得到测量值；在基准位置得到参考值，首先在基准位置测量不同传输光程的光子的光强值，然后通过时间门方法提取出对被测物浓度变化灵敏度为0的光子，作为参考值，其中，所述时间门方法是指按传输时间不同提取光子的方法，其中时间门方法是通过控制检测器的开启时间，接收在被测物中传播特定光程长的光子；当提取特定光程范围l0+Δl的光子，通过短脉冲光源控制器，只接受在被测物中行走时间为
Figure FDA0003536298470000011
的光子，其中c为光在被测物中的传播速度，
Figure FDA0003536298470000012
为开门宽度；
S3、对测量值和参考值进行数据处理，得到被测物的浓度。
2.根据权利要求1所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，步骤S2中，在基准位置处只提取特定光程长的光子，放大后作为参考信号。
3.根据权利要求1所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，步骤S2中，检测不同的待测物浓度时，通过短脉冲光源控制器调节在被测物中行走时间，来获取不同待测物的灵敏度为0的传输光程长的光子。
4.根据权利要求1所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，步骤S2中，当基准位置为一个点时，检测光强的探头设置在所述基准位置上；当基准位置为距离光源的一个范围时，检测光强的探头设置在该范围内，用聚光方法将该范围的光子汇聚到探头的接收光纤。
5.根据权利要求1所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，步骤S2中，当基准位置为一个点时，通过光纤探头拾取特定光程长的光子；当基准位置为距离光源的一个范围时，在光线探头表面嵌入透镜使光汇聚，或用光学透镜将光聚焦到探测器。
6.根据权利要求1所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，步骤S1中所述测量点和所述基准位置通过空间采样法确定，包括以下步骤：
S11、在距离光源不同的位置设置多个光接收点，测量所述光接收点处被测物浓度变化前后的光强；
S12、计算所述各光接收点光强随被测物质的浓度参数的变化率；
S13、变化率最小的光接收点为所述基准位置，变化率最大的光接收点为所述测量点。
7.根据权利要求1～6任一项所述的时间门定光程参考测量浓度的方法，其特征在于，所述方法应用于人体血糖成分的无创伤检测中。
8.一种用于实现权利要求1～7任一项所述方法的装置，其特征在于，包括光源、入射光纤、接收光纤、时间门装置、检测器、数据采集器以及数据处理器，其中，光源发射的光子通过入射光纤进入待测物，在基准位置出射的光子汇聚到接收光纤，经时间门装置提取出一定光程的光子，将提取出的光子的光强信号传入检测器，经数据采集器传入数据处理器，得到参考值，在测量点出射的光子通过接收光纤和数据采集器传入数据处理器得到测量值，最后数据处理器进行数据处理得到检测结果；其中，所述基准位置为一个点或距离光源的一个范围；所述时间门装置通过控制所述检测器的开启时间，接收在被测物中传播特定光程长的光子；当提取特定光程范围l0+Δl的光子，通过短脉冲光源控制器，只接受在被测物中行走时间为
Figure FDA0003536298470000021
的光子，其中c为光在被测物中的传播速度，
Figure FDA0003536298470000022
为开门宽度。
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