CN209474591U - 一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，包括：用于产生特定波段红外光超宽谱的近红外光源；将红外光分为两束输出并接收返回的两路红外光，将两者合并后形成干涉光的分束器；提供参考光的参考臂；将另一路红外光聚焦后投射在被测组织上，并接收从被测组织反射回来的红外光的样品臂；接收合并后的近红外光并将光束经过透射光栅按波长分散后照射到CCD相机上。本实用新型利用探测到的背向散射光，估算被测组织的积水相对含量。

Description

一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置

技术领域

本实用新型涉及水肿检测领域，具体涉及一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置。

背景技术

随着生活水平提高，伴随着环境恶化的高昂代价，人们对健康问题日益关注。实时无创监测技术具有筛查监控、早期检测，辅助诊断等作用。因此高灵敏度、安全无害是所有监测技术的核心。针对心衰、肾衰病人的水肿情况诊断，透析间隔时长的估计长期以来依靠医生的触诊和验血，缺乏实时、快速、无创的检查手段。开发一款适合实际临床应用的高灵敏度，易操作的水肿检测设备显得极有必要。

光学相干技术具有超高的灵敏度和分辨率，快速成像能力使其近年来被广泛应用在基础生物和生物医学研究中。传统的光学相干技术利用1310纳米波段对组织的低吸收和较强散射来获取反射式断层成像能力；利用800纳米波段的高散射低吸收来获取高分辨率高对比度的断层图，但也因此限制了成像光束的穿透能力，降低了其固有的层析优势。近红外光对生物组织的穿透能力随着波长的增加而增强。1470纳米波长是近红外波段的一个水吸收高峰，临床上常用该波段来进行一些热融治疗。根据 LambertBeer定律，含有光吸收物质的溶液对光的吸收量与该物质在溶液中的含量成指数关系。因此当1470纳米近红外光照射在含水量丰富的组织中时，光被水大量吸收，与含水量正常的组织相比，无论是透射光还是反射光均呈指数减少。

出于安全考虑，临床上对光学方法的光强和照光时间有严格的限制。结合水对1470纳米波长的高吸收性，和光学相干技术的高灵敏性，用较小的光强照射水肿部位，利用探测到的背向散射光来估算积水相对含量是一种值得探究的方法。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，利用探测到的背向散射光，实现估算积水相对含量的目的。

本实用新型的技术方案是：一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，包括：

超宽谱的近红外光源，用于产生特定波段红外光；

分束器，接收所述近红外光源的出射光，将所述红外光分为两束输出，并接收返回的两路红外光，合并后产生干涉光输出到光谱仪；

参考臂，与所述分束器的一路光路相连，所述参考臂包括平凸柱面镜、色散补偿模块和高反射率平面镜，所述一路红外光经平凸柱面镜聚焦在所述平面镜上，再经平面镜反射返回所述分束器，所述色散补偿模块用于匹配参考臂和样品臂的色散差；

样品臂，与所述分束器的另一路光路相连，所述样品臂包括抗反射光学探头，所述光学探头将红外光聚焦在被测组织上，并接收从被测组织反射回来的红外光，传回至分束器；

近红外光谱探测仪，与所述分束器的合并光路输出口连接，所述光谱探测仪包括光栅、扫描透镜和CCD相机，所述参考臂返回的红外光与从被测组织反射回来的红外光在分束器形成干涉信号，被所述近红外光谱探测仪探测到，具体是光束经过透射光栅按波长分散后照射到CCD相机上，生成图像；

驱动器，用于控制、同步驱动信号、数据采集、数字化数据、处理并存储及显示数据。

在一个实施例中，所述近红外光源包括依次布置的宽谱近红外激光器、高通滤波器和自由光路光纤耦合器，所述宽谱近红外激光器作为光源，所述高通滤波器对光源进行高通滤波处理后，保留特定波段的红外光，所述耦合器作为生成的红外光的输出口。

在一个实施例中，所述近红外光源还包括偏振控制器，所述偏振控制器设置于高通滤波器和耦合器之间，用于控制红外光的偏振态，保证输出的光源功率最大。

在一个实施例中，所述色散补偿模块为一个棱镜对、一根光纤、一个与探头内型号相同的平凸柱面镜或消色差透镜中任一项。

在一个实施例中，所述样品臂的探头采用无内置扫描功能的二维前向出光模式，所述光学探头采用平凸柱面镜作为聚焦成像光束的物镜。

在一个实施例中，所述样品臂的探头采用内置有MEMS扫描振镜的二维或三维侧向出光模式。

在一个实施例中，所述光学探头采用平凸柱面镜或消色差聚焦透镜作为聚焦成像光束的物镜,所述平凸柱面镜或消色差聚焦透镜兼具出射检测光束和收集信号光束。

在一个实施例中，所述近红外光源产生的特定波段红外光为中心波长1475纳米且带宽半高宽为 400纳米的宽谱连续近红外光。

在一个实施例中，所述近红外光谱探测仪还包括一个设置于光栅与扫描透镜之间的棱镜，所述棱镜与光栅匹配成对，将接收到波长线性探测光转化为波数线性探测光，所述CCD相机为面阵CCD相机。

本实用新型的优点是：提供的水肿含量检测装置灵敏度高、小型化、操作性良好。色散补偿模块的引入，匹配干涉仪中参考臂和样品臂的色散差，从而提高纵向分辨率。偏振控制器的引入，最大化了输出功率，提高性噪比。通过匹配组合光栅-棱镜对，将接收到波长线性探测光转化为波数线性探测光，以降低软件后处理对计算机***的消耗，从而提升整个探测过程的速度。相对于X射线或者CT 的高辐射，MRI技术的高成本，本实用新型装置利用光学的手段，安全无害且经济实惠，更容易惠及病人。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型实施例样品臂探头内采用无内置扫描功能的二维前向出光模式，光学探头采用平凸柱面镜作为物镜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例样品臂探头内采用内置有MEMS扫描振镜的三维侧向出光模式，光学探头采用消色差聚焦透镜作为物镜的结构示意图；

图3为本实用新型实施例基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置的原理图；

图4为本实用新型实施例在不同水含量下，探测到背向散射光强度与组织深度的对数关系图；

图5为本实用新型实施例利用探测到的背向散射光强度，在不同深度所含水含量相等情况下估算出的水含量图，其中图例中的C值是理论水含量，箭头标志旁的值是算法估算出的水含量；

图6为本实用新型实施例利用探测到的背向散射光强度，在不同深度所含水含量不等的情况下估算出的深度，水含量和背向散射光强的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型利用近红外光及谱域光学相干原理进行成像。简单地说就是将光源发出的光线分成两束，一束发射到被测物体，这一光路被称为样品臂，另一束经反射镜形成参考信号，该光路称为参考臂。当样品臂和参考臂的光程差位于光源的干涉长度内时，从组织(样品臂)和从反射镜(参考臂) 返回的两束光会叠加形成干涉信号。从组织中反射回来的光信号随组织的性质(散射和吸收等)不同而强弱不同。这些光信号经过计算机傅里叶变换处理便可得到组织断层图像。本实用新型提供的一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，包括：超宽谱的近红外光源，用于产生特定波段红外光，优选的，所述近红外光源包括依次布置的宽谱近红外激光器01、高通滤波器02和自由光路光纤耦合器03，所述宽谱近红外激光器01作为光源，所述高通滤波器对光源进行高通滤波处理后，保留特定波段的红外光，所述耦合器03作为生成的红外光的出射口。优选的，所述近红外光源产生的特定波段红外光为中心波长1475纳米且带宽半高宽为400纳米的宽谱超连续近红外光；分束器04，接收所述近红外光源的出射光，将所述红外光分为两束输出，并接收返回的两路红外光，合并后输出到光谱仪；参考臂，与所述分束器的一路光路相连，所述参考臂包括平凸柱面镜14，色散补偿模块06和高反射率平面镜07，所述一路红外光经平凸柱面镜聚焦在所述平面镜07上，再经平面镜07反射返回所述分束器；样品臂，与所述分束器的另一路光路相连，所述样品臂包括抗反射光学探头12，所述光学探头将红外光聚焦在被测组织上，并接收从被测组织反射回来的红外光，传回至分束器；近红外光谱探测仪，探测在分束器处形成的干涉信号，并将其传输给计算机后处理后生成断层图，所述光谱探测仪包括光栅、扫描透镜和CCD相机，所述参考臂返回的红外光与从被测组织反射回来的红外光在分束器形成干涉信号，被所述近红外光谱探测仪探测到，具体是光束经过透射光栅按波长分散后照射到CCD相机上，生成图像。该装置还包括驱动器，用于控制和同步驱动信号和数据采集、数字化数据、处理并存储数据的数据获取、显示和存储模块。如果内置MEMS扫描振镜，则还包括驱动MEMS扫描振镜。本实用新型装置如图3所示，来自样品臂的微弱信号在经过参考臂信号放大后，可以被光谱仪探测到。其中，超连续宽带光源01在经过高通滤波片02(Thorlabs，FEL1200)对该光源进行高通滤波处理后，保留 1200纳米以上波长的光，作为分束器04的输入，光束经过分束器04之后，以50:50的分光率将中心波长为1475纳米，带宽半高宽为400纳米的近红外光输送给干涉仪的参考臂和样品臂。400纳米的带宽使得本实用新型装置的纵向分辨率达到2.4微米。结合上述的2-12微米的横向分辨率，本实用新型在具备高灵敏度外同时还具备超高的纵向横向分辨率，采用上述方法，本装置具有高达-100dB灵敏度。

本实用新型实施例中优选的，所述近红外光源还包括偏振控制器05，所述偏振控制器设置于高通滤波器和耦合器之间，用于控制红外光的偏振态，光源输出功率最大，从而保证高信噪比。

本实用新型实施例优选的，所述参考臂还包括色散补偿模块06，用于匹配参考臂和样品臂的色散差，所述色散补偿模块为一个棱镜对、一根光纤、一个与探头内型号相同的平凸柱面镜或消色差透镜中任一项，色散补偿可以使***实际的纵向分辨率趋近于理论值。

本实用新型一个实施例中优选的，所述样品臂采用无内置扫描功能的二维前向出光模式，所述光学探头12采用平凸柱面镜作为聚焦成像光束的物镜。如图1所示。从光纤准直镜出射的光束直径为3.6 毫米，经过一个平凸柱面镜14聚焦在距离柱面镜1.4毫米处，所得聚焦光斑的横向分辨率为2微米。一个直径11毫米厚度为1毫米的玻璃窗15保护平凸柱面镜不被样品所污染。所有上述部件都被集成在一段薄壁厚的不锈钢管13中。该探头采用平凸柱面镜作为聚焦成像光束的物镜，具有圆形光斑的准直光束在柱面镜具有曲率的方向上聚焦，而在与之垂直方向上依然保持3.6毫米的宽度，因此，打在样品上的是一宽2微米，长3.6毫米的狭长光带，使得该探头天然具有二维探测能力，无须如普通点扫描成像须借助扫描振镜才能实现二维成像。

本实用新型一个实施例中优选的，所述样品臂采用内置有MEMS扫描振镜的二维或三维侧向出光模式。该振镜可以自由实现一维或者二维任意模式扫描，结合该装置固有的层析能力，提供二维或者三维组织断层图像和二维或三维水含量分布图。其中，所述光学探头12可以采用平凸柱面镜或消色差聚焦透镜作为聚焦成像光束的物镜,所述平凸柱面镜或消色差聚焦透镜兼具出射检测光束和收集信号光束。如图2所示，从消色差透镜17出射光束经过MEMS振镜18反射，聚焦在玻璃保护窗16外0.5毫米远处，所得聚焦圆形光斑的横向分辨率为12毫米，所有上述部件都被集成在一段薄壁厚的不锈钢管13 中。二维组织结构图和二维水含量分布图可通过MEMS振镜单轴扫描得到；三维组织结构图和三维水含量分布图可通过MEMS振镜双轴扫描得到；扫描范围由供给MEMS振镜的驱动电压控制。

本实用新型实施例优选的，所述近红外光谱探测仪还包括一个设置于光栅与扫描透镜之间的棱镜，所述棱镜与光栅匹配成对，将接收到波长线性探测光转化为波数线性探测光，以节省数值重采样时间，达到提高检测速率，所述CCD相机为面阵CCD相机。常用的光谱仪一般由光栅08、扫描透镜10和CCD 相机11组成。光束经过透射光栅08按波长分散后照射到CCD上是沿着像素方向波长线性的。而本实用新型装置利用傅里叶变换将光谱仪探测到的信号重建成具有组织结构信息的图像。由于本装置的超高分辨率，当视场为5毫米×5毫米时，根据奈奎斯特采样定律，最少共有2222x4000个像素才能完整表征，意味着4000次4096(须对2222补零到4096)个点的傅里叶变换将在一张图像的重建中被调用。而要对原始干涉信号进行傅里叶重建必须要求原始信号是关于波数(频率域)线性的。因此在傅里叶变换前，每幅图像须事先进行4000次差值运算，将信号从波长线性转为波数线性。这一过程占用较多的计算机资源从而拖累实时显示。本实用新型装置中的光谱仪引入了一个棱镜09，利用光栅的负色散和棱镜的正色散来得到具有波数线性的光束，从而省去了费时耗资源的数值插值。同时因为本装置利用了平行探测，减少了一个维度的扫描，因此采用了面阵CCD相机。

本实用新型的实施例中所拍摄图像可以按如下方法处理，从而获得被测组织的相对水含量：

对多幅同一位置的图像或一副图像内的多个连续扫描点的信号进行平均以减去噪声干扰；

利用探测到的图像获得不同位置和深度i对应的背向散射光强度信号值；

根据如下公式计算局部相对水含量：

其中，C_i是位于组织深度i处的局部相对水含量，I_i是深度i处的信号值，Δd是不同深度之间的距离， I_n是深度i以下不同位置信号值。

具体的，根据本实用新型提出的具有层析能力的水含量测量方法，首先对多幅同一位置的图像或一副图像内的多个连续扫描点的信号进行平均以去除噪声干扰。我们根据LambertBeer定律推导出的公式：

其中，I₀是初始入射光强，μ_s为散射系数，μ_a为吸收系数，C为水含量。由于在特定组织中，如皮肤，肌肉，脂肪，***等的μ_s和μ_a都较为恒定，因此在测量特定部位水肿时，可将两者之和，统称衰减系数视为常值。又由于水肿程度的判断是相较于正常组织而言，我们设定正常组织的c为1，同时将(μ_s+μ_a)C定义为相对水含量，其值可以通过非线性最小平方拟合经过傅里叶变换后的干涉信号得到。

考察不同水含量，即不同水肿程度与检测到的信号强度关系。如图4所示，水含量不同导致信号强度有很大的不同，且随着深度的增加，由此导致的信号强度差异变得更为明显。对于水含量为5，信号在深度为1毫米处已经衰减了40dB，正因为该实用新型装置高达-100dB的灵敏度，信号衰减如此却依然可以被探测到。

图5展示了由探测信号，根据公式(1)由非线性最小二乘拟合得到的水含量值。右上角图例说明中给出的是期望值，5条曲线对应的是不同期望值下探测到的信号。左箭头指示的是由相关信号估算出来的水含量值。通过比较期望值和实际估算值，我们发现两者之间十分接近，误差仅为千分之五。

以上分析和计算都仅仅适用于在成像深度之内水含量分布均匀的情况，接下来分析不同深度水含量分布不均匀的情况。根据公式(2)进一步推演，可以得到以下关系式：

其中，C_i是位于组织深度i处的局部相对水含量，I_i是深度i处的信号值，Δd是不同深度之间的距离，I_n是深度i以下不同位置信号值。根据此公式，可以方便地得到不同深度独立的相对水含量的值。如图6 所示，0-0.2毫米处的相对水含量为0.5，0.2-0.4毫米处的相对水含量为1，0.4-0.6毫米处的相对水含量为0.3等。可以发现，0.2-0.4区间内的水含量最高，意味着水对光的吸收最强，因此该范围内信号强度下降最快。相对的，0.4-0.6区间内水含量最少，意味着水对光的吸收能力最弱，因此该范围内信号强度下降最为缓慢。

本实用新型公开的基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置充分利用了1470纳米波段对水的高吸收和光学相干技术的高灵敏性，为临床水肿检测提供了一种便捷而可靠的方法。根据水对 1470纳米近红外光的高吸收性，通过探测组织背向散射信号，该检测方法可以自动计算水肿部位在不同组织深度处的水含量分布(相较于同种组织非水肿部位水含量)。此外，该装置还可被用作常规的近红外光学断层成像设备，用于观测皮肤，眼睛，口腔等组织学形态，为相关疾病的早期诊断提供重要参考依据。而且相对于X射线或者CT的高辐射，MRI技术的高成本，本实用新型装置利用光学的手段，安全无害且经济实惠，更容易惠及病人。本实用新型还可以用于心衰、肾衰等需长期血透的患者或者该类病症的高危人群的实时、无创监控，指导病人和医生适时做出相应对策。

本实用新型涉及一种具有高灵敏度的生物体水肿含量检测装置。除高灵敏度之外，设备的小型化和良好的操作性也是临床应用的要求。本实用新型装置包含的手持式光学探头外形十分紧凑(直径12 毫米×长22毫米的)，其内含有扫描和聚焦以及收集组织背向散射光的各个光学元件。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，包括：

超宽谱的近红外光源，用于产生中心波长1475纳米且带宽半高宽为400纳米的宽谱连续近红外光；分束器，接收所述近红外光源的出射光，将所述红外光分为两束输出，并接收返回的两路红外光，合并后产生干涉光输出到光谱仪；

参考臂，与所述分束器的一路光路相连，所述参考臂包括平凸柱面镜、色散补偿模块和高反射率平面镜，所述两路红外光中的一路红外光经平凸柱面镜聚焦在所述平面镜上，再经平面镜反射返回所述分束器，所述色散补偿模块用于匹配参考臂和样品臂的色散差；

样品臂，与所述分束器的另一路光路相连，所述样品臂包括抗反射光学探头，所述光学探头将红外光聚焦在被测组织上，并接收从被测组织反射回来的红外光，传回至分束器；

近红外光谱探测仪，与所述分束器的合并光路输出口连接，所述光谱探测仪包括光栅、扫描透镜和CCD相机，所述参考臂返回的红外光与从被测组织反射回来的红外光在分束器形成干涉信号，被所述近红外光谱探测仪探测到，具体是光束经过透射光栅按波长分散后照射到CCD相机上，生成图像；

驱动器，用于控制、同步驱动信号、数据采集、数字化数据、处理并存储及显示数据。

2.如权利要求1所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述近红外光源包括依次布置的宽谱近红外激光器、高通滤波器和自由光路光纤耦合器，所述宽谱近红外激光器作为光源，所述高通滤波器对光源进行高通滤波处理后，保留中心波长1475纳米且带宽半高宽为400纳米的宽谱连续近红外光，所述耦合器作为生成的红外光的输出口。

3.如权利要求2所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述近红外光源还包括偏振控制器，所述偏振控制器设置于高通滤波器和耦合器之间，用于控制红外光的偏振态，保证输出的光源功率最大。

4.如权利要求1所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述色散补偿模块为一个棱镜对、一根光纤、一个与探头内型号相同的平凸柱面镜或消色差透镜中任一项。

5.如权利要求1所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述样品臂的探头采用无内置扫描功能的二维前向出光模式，所述光学探头采用平凸柱面镜作为聚焦成像光束的物镜。

6.如权利要求1所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述样品臂的探头采用内置有MEMS扫描振镜的二维或三维侧向出光模式。

7.如权利要求6所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述光学探头采用平凸柱面镜或消色差聚焦透镜作为聚焦成像光束的物镜，所述平凸柱面镜或消色差聚焦透镜兼具出射检测光束和收集信号光束。

8.如权利要求1所述基于近红外光吸收的手持式紧凑型水肿检测装置，其特征在于，所述近红外光谱探测仪还包括一个设置于光栅与扫描透镜之间的棱镜，所述棱镜与光栅匹配成对，将接收到波长线性探测光转化为波数线性探测光，所述CCD相机为面阵CCD相机。