CN111329492B - 一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置及检测方法，其中检测装置包括宽带光源激光器、光纤分束器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光纤探头、第二光纤探头、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第一近红外光谱仪、第二近红外光谱仪、锁相放大器、心率测量仪和计算机；本发明首先通过人体纯血液近红外透过光谱中2222nm处的血脂特征峰对于2298nm处的血红蛋白特征峰的相对值与人体的已知血脂含量，大量数据拟合得到近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线，再检测获得人体的实时血脂含量。本发明具有实时检测、快速、安全、环保等诸多优点，在生物无创检测以及疾病防治领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及生物无创检测技术领域，具体是一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置及检测方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的迅速发展，人民的生活水平不断提高，而由于饮食和生活习惯的不合理以及环境污染，高血脂这一系列疾病发病率显著增加。高血脂患者会因为高血脂引发一系列并发症，包括静脉硬化、冠心病、高血压、心肌梗死、脑梗死、脑萎缩等一系列严重疾病。统计显示，我国每年死于心脑血管疾病者达200万人以上，占病死人数的40％，居各类死亡原因之首。据流行病学统计表明，我国因心脏病死亡人数中，冠心病占10％～20％；发达国家冠心病死亡率超过癌症的死亡率，60～70岁的老年人中，高血压患病率已超过20％，70岁以上超过50％。可见，高脂血症引起的心脑血管疾病是人类高患病率、高致残率、高死亡率的主要“杀手”，故对于血脂的实时检测就显得十分重要。

目前的血脂检测技术主要采用有创或者微创的方法，对于该类方法，往往需要大量化学试剂进行检测，会对环境造成污染，同时需要耗费大量时间，最重要的是可能会由于伤口感染，影响患者安全。目前正规医院对于血脂的检测大多采用生化检测仪，这种方法虽然精度高，但是检测时间较长、成本也较高，无法实现对血脂的实时检测。而市面上存在的微创血脂检测仪，往往需要患者自行采样，进行检测，虽然较为便捷，但精度不高，可信度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有实时检测、快速、安全、环保等诸多优点的基于近红外光谱的无创血脂检测装置及检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，包括宽带光源激光器、光纤分束器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光纤探头、第二光纤探头、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第一近红外光谱仪、第二近红外光谱仪、锁相放大器、心率测量仪和计算机，所述的光纤分束器包括一个输入端和两个输出端，所述的宽带光源激光器的输出端经第一光纤与所述的光纤分束器的输入端相连，所述的光纤分束器的一个输出端经第二光纤与所述的第一聚焦透镜的输入端相连，所述的第一聚焦透镜的输出端经第三光纤与所述的第一光纤探头的输入端相连，所述的光纤分束器的另一个输出端经第四光纤与所述的第二聚焦透镜的输入端相连，所述的第二聚焦透镜的输出端经第五光纤与所述的第二光纤探头的输入端相连，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头分别用于收集人体检测部位的近红外光谱信号，所述的第一光纤探头的输出端经第六光纤与所述的第三聚焦透镜的输入端相连，所述的第三聚焦透镜的输出端与所述的第一近红外光谱仪的信号输入端相连，所述的第一近红外光谱仪的信号输出端与所述的计算机的信号输入端相连，所述的第二光纤探头的输出端经第七光纤与所述的第四聚焦透镜的输入端相连，所述的第四聚焦透镜的输出端与所述的第二近红外光谱仪的信号输入端相连，所述的第二近红外光谱仪的信号输出端与所述的锁相放大器的检测信号输入端相连，所述的锁相放大器的参考信号输入端与所述的心率测量仪的信号输出端相连，所述的心率测量仪用于测量人体的心率，所述的锁相放大器的放大信号输出端与所述的计算机的信号输入端相连，所述的计算机的触发信号输出端与所述的宽带光源激光器的信号输入端相连，所述的第一近红外光谱仪和所述的第二近红外光谱仪分别用于收集近红外光谱信号、分光得到光谱数据并将光信号转变为电信号。

作为优选，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头的结构相同，均包括空心圆台体和第五聚焦透镜，所述的空心圆台体为不透光的空心圆台体，所述的第五聚焦透镜嵌入式安装在所述的空心圆台体的中心孔内，所述的第五聚焦透镜的前端端面与所述的空心圆台体的前端端面之间的距离为2～5mm，所述的空心圆台体的中心孔的后端穿设有连接光纤，所述的连接光纤正对所述的第五聚焦透镜的后端，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头中的连接光纤分别与所述的第三光纤和所述的第五光纤相连。空心圆台体在对第五聚焦透镜起到定位作用的同时，可遮挡外界干扰光，提高信噪比。第五聚焦透镜可提高光束汇聚度，从而提高其能量密度和利用率，提高信噪比。

作为优选，所述的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜和第五聚焦透镜均为宽带消色差透镜，其数值孔径均为0.25，焦距均为4mm。

作为优选，所述的第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤及连接光纤均为石英单模光纤。

作为优选，所述的宽带光源激光器的输出端发出的宽带光源为超连续谱激光，其波长范围为600nm～2500nm，功率为500mv。

作为优选，所述的光纤分束器所用光纤为石英光纤，其透过率大于98％，分光比为50:50，分光比偏差为±4％。

作为优选，所述的第一近红外光谱仪和所述的第二近红外光谱仪的测量范围均为500～2500nm，分辨率均优于0.5nm。

作为优选，所述的心率测量仪的测量范围为40～200脉搏次/分钟，测量误差为±5％。

作为优选，所述的人体检测部位为人手的大拇指指甲中部。

利用上述无创血脂检测装置实施的无创血脂检测方法，包括以下步骤：

(1)选取多位血脂含量不同的志愿者，抽取其血液，利用血脂生化仪测试并记录每位志愿者的血脂含量；

(2)测量每位志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰，测量过程为：

(2-1)在外界环境条件稳定且适宜的情况下，利用心率测量仪实时收集人体的心率并将心率信号输入锁相放大器的参考信号输入端；选定人体检测部位，将第一光纤探头和第二光纤探头分别固定在人体同一检测部位上，并使第一光纤探头和第二光纤探头分别与人体同一检测部位接触；

(2-2)触发宽带光源激光器，使激光通过第一光纤进入光纤分束器进行分光，得到两束光束，即光束一和光束二，以光束一作为参考光、光束二作为信号光，光束一通过第二光纤进入第一聚焦透镜后，通过第三光纤进入第一光纤探头，经第一光纤探头照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第六光纤进入第三聚焦透镜后，进入第一近红外光谱仪的信号输入端；光束二通过第四光纤进入第二聚焦透镜后，通过第五光纤进入第二光纤探头，经第二光纤探头照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第七光纤进入第四聚焦透镜后，进入第二近红外光谱仪的信号输入端；

(2-3)第一近红外光谱仪的输出信号直接进入计算机的信号输入端，由计算机处理得到参考光谱L10；第二近红外光谱仪的输出信号进入锁相放大器的检测信号输入端，同时人体的心率信号作为参考信号经参考信号输入端输入至锁相放大器，由锁相放大器放大血液中的近红外光信号，锁住血液中的光谱信息，再将光谱信息以信号形式输入至计算机的信号输入端，由计算机处理得到信号光谱L20；

(2-4)对于参考光谱L10，由计算机用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L1；对于信号光谱L20，由计算机用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L2；以光谱L2减去光谱L1后除以宽带光源激光器的输出端发出的宽带光源的光谱L0，得到纯血液中的近红外透过谱T，即T＝(L2-L1)/L0；

(2-5)由计算机以近红外透过谱T中2222nm处的血脂特征峰对于2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到人体近红外透过光谱血脂特征峰相对强度；

(3)根据不同志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度和血脂含量，利用最小二乘法拟合建立近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线；

(4)对于需要进行无创血脂检测的待测人员，进行一次步骤(2-1)～步骤(2-5)的测量，得到该待测人员的实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度，将实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度代入步骤(3)中建立的关系曲线，即获得待测人员的实时血脂含量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明利用近红外光谱中所包含的丰富的人体成分信息，基于近红外光谱实现对人体血脂的无创检测。本发明首先通过人体纯血液近红外透过光谱中2222nm处的血脂特征峰对于2298nm处的血红蛋白特征峰的相对值与人体的已知血脂含量，大量数据拟合得到近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线，再检测获得人体的实时血脂含量。本发明具有实时检测、快速、安全、环保等诸多优点，在生物无创检测以及疾病防治领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明无创血脂检测装置的结构连接框体；

图2为实施例2中第一光纤探头或第二光纤探头的外观图；

图3为实施例2中第一光纤探头或第二光纤探头的结构剖视图；

图4为实施例3中建立近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，如图1所示，包括宽带光源激光器1、光纤分束器3、第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜7、第一光纤探头10、第二光纤探头11、第三聚焦透镜14、第四聚焦透镜15、第一近红外光谱仪16、第二近红外光谱仪17、锁相放大器18、心率测量仪20和计算机19，光纤分束器3包括一个输入端和两个输出端，宽带光源激光器1的输出端经第一光纤2与光纤分束器3的输入端相连，光纤分束器3的一个输出端经第二光纤4与第一聚焦透镜6的输入端相连，第一聚焦透镜6的输出端经第三光纤8与第一光纤探头10的输入端相连，光纤分束器3的另一个输出端经第四光纤5与第二聚焦透镜7的输入端相连，第二聚焦透镜7的输出端经第五光纤9与第二光纤探头11的输入端相连，第一光纤探头10和第二光纤探头11分别用于收集人体检测部位的近红外光谱信号，第一光纤探头10的输出端经第六光纤12与第三聚焦透镜14的输入端相连，第三聚焦透镜14的输出端与第一近红外光谱仪16的信号输入端相连，第一近红外光谱仪16的信号输出端与计算机19的信号输入端相连，第二光纤探头11的输出端经第七光纤13与第四聚焦透镜15的输入端相连，第四聚焦透镜15的输出端与第二近红外光谱仪17的信号输入端相连，第二近红外光谱仪17的信号输出端与锁相放大器18的检测信号输入端相连，锁相放大器18的参考信号输入端与心率测量仪20的信号输出端相连，心率测量仪20用于测量人体的心率，锁相放大器18的放大信号输出端与计算机19的信号输入端相连，计算机19的触发信号输出端与宽带光源激光器1的信号输入端相连，第一近红外光谱仪16和第二近红外光谱仪17分别用于收集近红外光谱信号、分光得到光谱数据并将光信号转变为电信号。

实施例1中，宽带光源激光器1的输出端发出的宽带光源为超连续谱激光，其波长范围为600nm～2500nm，功率为500mv；光纤分束器3所用光纤为石英光纤，其透过率大于98％，分光比为50:50，分光比偏差为±4％；第一近红外光谱仪16和第二近红外光谱仪17的测量范围均为500～2500nm，分辨率均优于0.5nm；心率测量仪20的测量范围为40～200脉搏次/分钟，测量误差为±5％。

实施例2的基于近红外光谱的无创血脂检测装置，与实施例1的区别在于，实施例2中，如图2和图3所示，第一光纤探头10和第二光纤探头11的结构相同，均包括空心圆台体101和第五聚焦透镜102，空心圆台体101为不透光的空心圆台体101，第五聚焦透镜102嵌入式安装在空心圆台体101的中心孔103内，第五聚焦透镜102的前端端面与空心圆台体101的前端端面之间的距离为3mm，空心圆台体101的中心孔103的后端穿设有连接光纤104，连接光纤104正对第五聚焦透镜102的后端，连接光纤104的外侧设有保护套105，第一光纤探头10和第二光纤探头11中的连接光纤104分别与第三光纤8和第五光纤9相连。

实施例2中，第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜7、第三聚焦透镜14、第四聚焦透镜15和第五聚焦透镜102均为宽带消色差透镜，其数值孔径均为0.25，焦距均为4mm；第一光纤2、第二光纤4、第三光纤8、第四光纤5、第五光纤9、第六光纤12、第七光纤13及连接光纤104均为石英单模光纤。

实施例3：利用实施例2的无创血脂检测装置实施的无创血脂检测方法，包括以下步骤：

(1)选取50位血脂含量不同的志愿者，抽取其血液，利用血脂生化仪测试并记录每位志愿者的血脂含量；

(2)测量每位志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰，测量过程为：

(2-1)在外界环境条件稳定且适宜的情况下，利用心率测量仪20实时收集人体的心率并将心率信号输入锁相放大器18的参考信号输入端；选定人体检测部位，将第一光纤探头10和第二光纤探头11分别固定在人体同一检测部位(本实施例中为人手的大拇指指甲中部)上，并使第一光纤探头10和第二光纤探头11分别与人体同一检测部位接触；

(2-2)触发宽带光源激光器1，使激光通过第一光纤2进入光纤分束器3进行分光，得到两束光束，即光束一和光束二，以光束一作为参考光、光束二作为信号光，光束一通过第二光纤4进入第一聚焦透镜6后，通过第三光纤8进入第一光纤探头10，经第一光纤探头11照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第六光纤12进入第三聚焦透镜14后，进入第一近红外光谱仪16的信号输入端；光束二通过第四光纤5进入第二聚焦透镜7后，通过第五光纤9进入第二光纤探头11，经第二光纤探头11照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第七光纤13进入第四聚焦透镜15后，进入第二近红外光谱仪17的信号输入端；

(2-3)第一近红外光谱仪16的输出信号直接进入计算机19的信号输入端，由计算机19处理得到参考光谱L10；第二近红外光谱仪17的输出信号进入锁相放大器18的检测信号输入端，同时人体的心率信号作为参考信号经参考信号输入端输入至锁相放大器18，由锁相放大器18放大血液中的近红外光信号，锁住血液中的光谱信息，再将光谱信息以信号形式输入至计算机19的信号输入端，由计算机19处理得到信号光谱L20；

(2-4)对于参考光谱L10，由计算机19用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L1；对于信号光谱L20，由计算机19用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L2；以光谱L2减去光谱L1后除以宽带光源激光器的输出端发出的宽带光源的光谱L0，得到纯血液中的近红外透过谱T，即T＝(L2-L1)/L0；

(2-5)由计算机19以近红外透过谱T中2222nm处的血脂特征峰对于2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到人体近红外透过光谱血脂特征峰相对强度；

(3)根据不同志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度和血脂含量，利用最小二乘法拟合建立近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线，如图4所示；

(4)对于需要进行无创血脂检测的待测人员，进行一次步骤(2-1)～步骤(2-5)的测量，得到该待测人员的实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度，将实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度代入步骤(3)中建立的关系曲线，即获得待测人员的实时血脂含量。

Claims (10)

1.一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，包括宽带光源激光器、光纤分束器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一光纤探头、第二光纤探头、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第一近红外光谱仪、第二近红外光谱仪、锁相放大器、心率测量仪和计算机，所述的光纤分束器包括一个输入端和两个输出端，所述的宽带光源激光器的输出端经第一光纤与所述的光纤分束器的输入端相连，所述的光纤分束器的一个输出端经第二光纤与所述的第一聚焦透镜的输入端相连，所述的第一聚焦透镜的输出端经第三光纤与所述的第一光纤探头的输入端相连，所述的光纤分束器的另一个输出端经第四光纤与所述的第二聚焦透镜的输入端相连，所述的第二聚焦透镜的输出端经第五光纤与所述的第二光纤探头的输入端相连，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头分别用于收集人体检测部位的近红外光谱信号，所述的第一光纤探头的输出端经第六光纤与所述的第三聚焦透镜的输入端相连，所述的第三聚焦透镜的输出端与所述的第一近红外光谱仪的信号输入端相连，所述的第一近红外光谱仪的信号输出端与所述的计算机的信号输入端相连，所述的第二光纤探头的输出端经第七光纤与所述的第四聚焦透镜的输入端相连，所述的第四聚焦透镜的输出端与所述的第二近红外光谱仪的信号输入端相连，所述的第二近红外光谱仪的信号输出端与所述的锁相放大器的检测信号输入端相连，所述的锁相放大器的参考信号输入端与所述的心率测量仪的信号输出端相连，所述的心率测量仪用于测量人体的心率，所述的锁相放大器的放大信号输出端与所述的计算机的信号输入端相连，所述的计算机的触发信号输出端与所述的宽带光源激光器的信号输入端相连，所述的第一近红外光谱仪和所述的第二近红外光谱仪分别用于收集近红外光谱信号、分光得到光谱数据并将光信号转变为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头的结构相同，均包括空心圆台体和第五聚焦透镜，所述的空心圆台体为不透光的空心圆台体，所述的第五聚焦透镜嵌入式安装在所述的空心圆台体的中心孔内，所述的第五聚焦透镜的前端端面与所述的空心圆台体的前端端面之间的距离为2～5mm，所述的空心圆台体的中心孔的后端穿设有连接光纤，所述的连接光纤正对所述的第五聚焦透镜的后端，所述的第一光纤探头和所述的第二光纤探头中的连接光纤分别与所述的第三光纤和所述的第五光纤相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜和第五聚焦透镜均为宽带消色差透镜，其数值孔径均为0.25，焦距均为4mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤及连接光纤均为石英单模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的宽带光源激光器的输出端发出的宽带光源为超连续谱激光，其波长范围为600nm～2500nm，功率为500mv。

6.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的光纤分束器所用光纤为石英光纤，其透过率大于98％，分光比为50:50，分光比偏差为±4％。

7.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的第一近红外光谱仪和所述的第二近红外光谱仪的测量范围均为500～2500nm，分辨率均优于0.5nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的心率测量仪的测量范围为40～200脉搏次/分钟，测量误差为±5％。

9.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱的无创血脂检测装置，其特征在于，所述的人体检测部位为人手的大拇指指甲中部。

10.利用权利要求1-9中任一项所述的无创血脂检测装置实施的无创血脂检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取多位血脂含量不同的志愿者，抽取其血液，利用血脂生化仪测试并记录每位志愿者的血脂含量；

(2)测量每位志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰，测量过程为：

(2-1)在外界环境条件稳定且适宜的情况下，利用心率测量仪实时收集人体的心率并将心率信号输入锁相放大器的参考信号输入端；选定人体检测部位，将第一光纤探头和第二光纤探头分别固定在人体同一检测部位上，并使第一光纤探头和第二光纤探头分别与人体同一检测部位接触；

(2-2)触发宽带光源激光器，使激光通过第一光纤进入光纤分束器进行分光，得到两束光束，即光束一和光束二，以光束一作为参考光、光束二作为信号光，光束一通过第二光纤进入第一聚焦透镜后，通过第三光纤进入第一光纤探头，经第一光纤探头照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第六光纤进入第三聚焦透镜后，进入第一近红外光谱仪的信号输入端；光束二通过第四光纤进入第二聚焦透镜后，通过第五光纤进入第二光纤探头，经第二光纤探头照射到人体检测部位处，由血液散射后得到近红外光谱信号，近红外光谱信号经第七光纤进入第四聚焦透镜后，进入第二近红外光谱仪的信号输入端；

(2-3)第一近红外光谱仪的输出信号直接进入计算机的信号输入端，由计算机处理得到参考光谱L10；第二近红外光谱仪的输出信号进入锁相放大器的检测信号输入端，同时人体的心率信号作为参考信号经参考信号输入端输入至锁相放大器，由锁相放大器放大血液中的近红外光信号，锁住血液中的光谱信息，再将光谱信息以信号形式输入至计算机的信号输入端，由计算机处理得到信号光谱L20；

(2-4)对于参考光谱L10，由计算机用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L1；对于信号光谱L20，由计算机用2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到光谱L2；以光谱L2减去光谱L1后除以宽带光源激光器的输出端发出的宽带光源的光谱L0，得到纯血液中的近红外透过谱T，即T＝(L2-L1)/L0；

(2-5)由计算机以近红外透过谱T中2222nm处的血脂特征峰对于2298nm处的血红蛋白特征峰进行归一化处理，得到人体近红外透过光谱血脂特征峰相对强度；

(3)根据不同志愿者的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度和血脂含量，利用最小二乘法拟合建立近红外透过光谱血脂特征峰相对强度与血脂含量的关系曲线；

(4)对于需要进行无创血脂检测的待测人员，进行一次步骤(2-1)～步骤(2-5)的测量，得到该待测人员的实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度，将实测的近红外透过光谱血脂特征峰相对强度代入步骤(3)中建立的关系曲线，即获得待测人员的实时血脂含量。

Images