專利名稱：組織成分檢測的變光路空域分光差分光譜儀及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種臨床醫學檢驗儀器及方法，特別涉及一種組織成份測量儀器及方法。
背景技術：
組織成份的無創檢測，對于疾病的診斷和治療，其重要性和巨大價值是毫無疑問。不僅于此，實現組織成份的無創檢測，在信號傳感、檢測與處理也有極大的學術意義和價值。
1977年美國科學家Jobsis首次報道了用近紅外光觀察成年貓腦內氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和細胞色素c的含量變化的實驗結果，揭示了近紅外光(700-1300nm)在生物組織內較低的衰減率和用近紅外光譜法無創監測組織血氧濃度的可行性。鑒于這一新的無創傷測量方法的極其誘人的應用前景，研究者們做了大量的動物的和人體的實驗，從多方面驗證了用近紅外光譜法監測組織血氧濃度的臨床意義。隨后，英國London大學的Delpy，美國Duke大學的Jobsis，日本Hokkaido大學的Tamura，Yamamoto，以及日本Omron公司的Shiga等從Lambert-Beer定律出發，通過模型、動物以及人體實驗，提出來若干種由吸光度變化推算組織的血氧濃度變化量的演算公式。在測量裝置的開發上出現了用普通發光管LED取代激光光源的便攜式組織血氧計。然而，由于目前的方法只能給出血氧濃度的變化量或變化趨勢，且缺乏通用性，所以都未能進入臨床應用。
80年代，Dhne首次提出了應用近紅外分光法進行人體血糖濃度的無創傷測量的方法。近15年以來，美國的Futrex公司、Bio-control公司、New-mexico大學、Iowa大學、西德的Medscience公司、日本的三井金屬、日立制作所和松下電器等公司都在這方面進行了不懈的研究。研究方法大體可分為兩類，一是利用糖的水溶液模型進行的研究，如美國的Iowa大學Gray W.Small的研究組；另一類是直接測量人體并與抽血測量的結果進行相關比對，如美國的IMI公司等。糖的水溶液模型研究雖在精確測試葡萄糖的分子吸收系數上取得重要進展，但因模型太簡單，與人體間的差別太大而難以作為參考。而人體實驗雖然可直接驗證方法的有效性，但作為歸納定量方法基礎的Lambert-Beer定律實際上并不適用于具有強散射特性的人體組織，因此測量的結果難以解釋，且不具有通用性與重復性。從檢測生物組織化學成份的角度來看，組織血氧濃度同血糖檢測面臨類似的問題。但是，由于血糖的吸收引起的吸光度變化信號比水分引起的吸光度變化信號要弱得多，目前，血糖的無創光檢測技術的研究更多地集中于如何提高測量精度以撿出由血糖含量變化引起的光信號的變化來。所以，盡管由于潛在的巨大經濟利益，一些世界上著名大公司在過去的20年間投入了大量的資金進行開發，血糖的無創檢測距離實際應用還有一段更長的路要走。相對說來，血液其他成份的無創檢測的經濟價值要低一點，但難度卻更大(由于相對含量低和吸收光譜重疊)，國外的相關研究很少，主要集中在血乳酸、激素等成份的測量。而國內就幾乎沒人進行研究)。由于個體的差異和光譜重疊、測量條件(測量位置、環境溫度和壓力)，即使是國際上已投入巨大人力和財力進行研究的組織血氧和血糖的測量仍然未進入臨床實用(僅有脈搏血氧、即動脈血氧已普遍進入臨床使用和發揮極其重要的作用)，更不用說血液其他成份的無創檢測。
中國專利公開號1271562，
公開日2000年11月1日，名稱是《無創傷自測血糖儀》的中國發明專利申請文件中公開了一種無創傷自測血糖儀，主要由紅外光發射管構成的紅外光源，通光路部分、光電探測轉換器、電通路部分及顯示部分構成。顯然，采用單一波長的光源是不可能實現在體的無創動脈血糖含量測量的。
中國專利公開號1222063，
公開日1999年7月07日，名稱為《確定血糖濃度的光學方法和裝置》的中國發明專利申請中公開了一種用于測量受試者的血糖濃度的方法和裝置，其方法包括a)提供一個光圖案，該圖案對第一視網膜系統比第二視網膜系統具有更大的刺激量，導致第一第二的刺激比大于1，其中所說的光圖案刺激隨第一第二的刺激比變化的主觀視覺特征，和其中所說的第一視網膜系統和第二視網膜系統對所說的光圖案的靈敏度隨所說的受試者的血糖濃度變化；b)使所說的受試者觀察所說光圖案的所說的主觀視覺特征；和c)使所說的受試者的血糖濃度和所說的主觀視覺特征相關。顯然，該方法難以客觀、定量地測量血糖含量。該專利申請文件中還公開了一種無創血糖測量儀。實現無創傷血糖測量有兩種結構(一)在現有血糖計連接一探頭，探頭內有氧電極、葡萄糖化酶，探頭與氣泵連接，將探頭緊貼檢測者手指，手指上滲出的組織液與葡萄糖化酶作用，血糖計即測得血糖濃度；(二)有一受控的激光器，紅外光束經光柵、分光鏡分成二束光，一束經手指到達斬波器，一束以參考池到達斬波器，斬波器分別將兩束光送至紅外接收器，紅外接收器將信號送至微處理機，微處理機結合數據庫進行運算，顯示器顯示測量結果。該發明專利申請通過皮膚滲出液的方法操作復雜、測量精度低、測量成份種類少、測量成本高。
顯然，采用上述現有技術中檢測裝置操作復雜，測量精度低，測量成份種類少，測量成本高。

發明內容
為了克服上述現有技術中的不足，本發明提供了一種測量準確、操作方便，并可同時測量多種組織成份的方法及儀器。本發明中所述的差分光譜法，其概念是指將兩組在不同光路下測得的光譜幅值做差，所獲得的已經在很大程度上消除了個體差異信息的光譜。另外，本發明中所述的空域分光法，是指在通過光柵，空間域上進行分光，可同時產生多組單色光。
為了解決上述的技術問題，本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀采用的技術方案是，包括寬帶光源、分光裝置及其光路、光敏傳感器、模擬檢測通道、A/D轉換模塊、擠壓裝置、CPU及其外圍電路；所述的寬帶光源采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；所述分光裝置及其光路包括分光器件和與其相配套的光路器件；所述分光器件采用光柵；根據所述光路的結構有以下兩種情形之一所述光路包括寬帶光源、第一聚光鏡、被測人體組織、第二聚光鏡、光柵和光敏器件陣列；所述寬帶光源的出射光經過第一聚光鏡成為平行光入射到被測人體組織，出射光經所述第二聚光鏡送入所述光柵，所述光柵輸出的一組單色光，由光敏器件陣列分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述寬帶光源和所述第一聚光鏡之間設置光調制擋板，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；所述施壓裝置采用電磁裝置，所述CPU控制所述施壓裝置對被測人體組織施加壓力以改變光路波長獲得另外一組光譜；根據所述光路輸出的上述兩組光譜的差分光譜，得到組織中的主要成分的含量。
所述光敏傳感器采用下述裝置之一光敏管陣列和砷鎵銦光敏器件陣列，其作用是進行光電轉換。所述模擬檢測通道的作用是將光敏傳感器的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊匹配的電壓信號，所述模擬檢測通道包括光敏器件陣列、I/V轉換電路、濾波器、放大器、模擬開關和A/D轉換電路；所述光敏器件陣列將所述光柵的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和放大后，輸出對應于某一波長入射光，并已經去除了交流分量和高頻交流干擾的光電信號；然后，經所述模擬開關切換到所述A/D轉換電路，所述光信號轉換成數字信號；所述濾波器為低通濾波器。所述模擬檢測通道包括光敏器件陣列、I/V變換電路、濾波器、相敏檢波、模擬開關和A/D轉換電路；所述光敏器件陣列將所述光柵的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和相敏檢波后，輸出對應于某一波長入射光的光信號瞬時幅值；然后，所述模擬開關切換到A/D轉換電路，所述光信號轉換成數字信號。所述模擬檢測通道包括光敏器件陣列、I/V變換電路、濾波電路-、相敏檢波、模擬開關和A/D轉換電路；將所述光調制擋板調制過的光信號經光柵分光后，由光敏器件陣列將光柵的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、低通濾波和相敏檢波后，輸出對應于某一波長入射光的光譜幅值絕對值；然后，所述模擬開關切換到A/D轉換電路，經光信號轉換成數字信號，所述濾波器的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板對光的調制頻率一致，所述濾波器的通頻帶在20～200Hz。所述模擬開關的切換頻率與A/D轉換電路的切換頻率一致。其作用是將不同通道的輸出信號分時送入A/D轉換電路。所述A/D轉換模塊的作用是將模擬電壓信號轉換成數字信號，并傳遞給所述的CPU；所述A/D轉換模塊包括A/D轉換器件及其接口電路；或所述A/D轉換模塊集成在CPU電路中。所述CPU及其外圍電路包括CPU芯片及其最小擴展系統、接口電路、輸出電路及裝置、人機對話模塊、控制電路；所述CPU及其外圍電路的作用是接受所述A/D轉換模塊傳遞來的數字信號，并進行后期處理和必要的輸出，同時對系統進行總體控制和人機對話過程。
本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀的檢測方法包括以下步驟第一步驟，連接好包括寬帶光源、分光裝置及其光路、光敏傳感器、模擬檢測通道、A/D轉換模塊、CPU及其外圍電路所組成的組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀；所述寬帶光源采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；第二步驟，將被測人體組織以自由狀態置于所述光路中；第三步驟，根據所述光路的結構不同，所述光路輸出的信號有下述兩種情形之一若所述光路包括寬帶光源、第一聚光鏡、被測人體組織、第二聚光鏡、光柵和光敏器件陣列；所述寬帶光源的出射光經過聚光鏡成為平行光入射到被測人體組織，出射光經所述第二聚光鏡送入所述光柵，所述光柵輸出的一組單色光，由光敏器件陣列分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述寬帶光源和所述第一聚光鏡之間設置光調制擋板，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；第四步驟，采用相應的模擬檢測通道實現信號變換，每個模擬檢測通道的輸出電壓波形對應一個特征光；分時采集不同模擬檢測通道的輸出信號，進行A/D轉換，并送入CPU模塊；由CPU將來自于同一檢測通道的A/D轉換結果進行綜合，生成對應于每一波長的描記數列；采用信號分析方法，提取每組數據的特征幅值作為對應每個入射光波長的光譜幅值；從而檢測出被測人體組織的一組吸收光譜。其特征幅值由該波長瞬時幅值的平均值表示，或由該波長的脈搏波峰峰值表示，或由該波長的脈搏波的基波分量表示；第五步驟，應用電磁施壓裝置向被測人體組織施加壓力，以改變光路長，然后，重復上述第二、三和四步驟過程，即可檢測出被測人體組織另外一組吸收光譜；第六步驟，將上述兩組光譜相減獲得差分光譜；然后，通過化學計量方法，從差分光譜中計算得出被測人體組織中的主要成分的含量。
在上述檢測方法的第四步驟中，所述模擬檢測通道的作用是將光敏傳感器的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊匹配的電壓信號，根據所述模擬檢測通道的結構不同，每組信號的幅值表達方式為下述情形之一若所述模擬檢測通道包括光敏器件陣列、I/V轉換電路、截止頻率在1Hz以下的低通濾波器、放大器、模擬開關和A/D轉換電路，則所述模擬檢測通道所輸出的信號是經I/V變化、濾波和放大后，輸出對應于某一波長的光信號幅值；或若所述模擬檢測通道包括光敏器件陣列、I/V變換電路、濾波器的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板對光的調制頻率一致，所述濾波器的通頻帶帶寬在20～200Hz、相敏檢波、模擬開關和A/D轉換電路，則所述模擬檢測通道所輸出的信號是經I/V變化、濾波器和相敏檢波后，輸出對應于某一波長的光信號幅值。
與現有技術相比，本發明差分光譜測量方法及儀器的有益效果是由于本發明所述的差分光譜儀采用差分光譜檢測方法，并采用施壓裝置改變光路長，能夠去除個體差異帶來的誤差。因此，其測量準確、操作方便，并可同時測量多種組織成份。


圖1是本發明差分光譜儀的結構框圖；圖2是本發明差分光譜儀中采用無擋板時的光柵檢測光路示意圖；圖3是本發明差分光譜儀中采用光調制擋板與光柵配合時的光路示意圖；圖4是本發明差分光譜儀實施例一中采用光柵時的電氣原理圖；圖5是本發明差分光譜儀實施例二、三中采用光柵時的電氣原理圖；圖6是用本發明差分光譜儀進行檢測時的工作流程圖。
下面是本發明說明書附圖中主要附圖標記的說明。
1——寬帶光源 2——分光裝置及其光路
3——光敏傳感器 4——模擬檢測通道5——A/D轉換模塊6——CPU7——第一聚光鏡 9——被測人體組織10——第二聚光鏡12——光柵14——光敏器件陣列 15——光調制擋板16——I/V變換電路 17——模擬開關19——濾波器21——A/D轉換器22——擠壓裝置 25——相敏檢波電路具體實施方式
下面結合附圖對本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀及檢測方法做進一步詳細說明。
如圖1至圖5所示，本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，包括寬帶光源1、分光裝置及其光路2、光敏傳感器3、模擬檢測通道4、A/D轉換模塊5、擠壓裝置22、CPU6及其外圍電路；所述的寬帶光源1采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；所述分光裝置及其光路2包括分光器件和與其相配套的光路器件；所述分光器件采用光柵12；根據所述光路的結構有以下兩種情形之一所述光路包括寬帶光源1、第一聚光鏡7、被測人體組織9、第二聚光鏡10、光柵12和光敏器件陣列14；所述寬帶光源1的出射光經過第一聚光鏡7成為平行光入射到被測人體組織9，出射光經所述第二聚光鏡10送入所述光柵12，所述光柵12輸出的一組單色光，由光敏器件陣列14分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述寬帶光源1和所述第一聚光鏡7之間設置光調制擋板15，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；所述施壓裝置22采用電磁裝置，所述CPU6控制所述施壓裝置22對被測人體組織9施加壓力以改變光路波長獲得另外一組光譜；根據所述光路輸出的上述兩組光譜的差分光譜，得到組織中的主要成分的含量。
所述光敏器傳感器3可以采用光敏管陣列，還可以采用砷鎵銦光敏器件陣列，其作用是進行光電轉換。
所述模擬檢測通道4的作用是將光敏傳感器3的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊5匹配的電壓信號。本發明差分光譜儀中的模擬檢測通道4的結構有如下三種具體的實施方式如圖4所示的實施例一中的模擬檢測通道4包括光敏器件陣列14、I/V轉換電路16、濾波器19、放大器20、模擬開關17和A/D轉換電路21；所述光敏器件陣列14將所述光柵12的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和放大后，輸出對應于該波長入射光，并已經去除了交流分量和高頻交流干擾的光電信號；然后，經所述模擬開關17切換到所述A/D轉換電路21，所述光信號轉換成數字信號；所述濾波器19為帶通濾波器，其帶通濾波器的通頻帶在0.1～30Hz。
如圖5所示的實施例二中的模擬檢測通道4包括光敏器件陣列14、I/V變換電路16、濾波器19、相敏檢波25、抗混疊濾波器31、模擬開關17和A/D轉換電路21；所述光敏器件陣列14將所述光柵12的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和相敏檢波后，輸出對應于該波長入射光的光信號瞬時幅值；然后，所述模擬開關17切換到A/D轉換電路21，所述光信號轉換成數字信號；所述濾波器19為低通濾波器，其截止頻率為2000Hz如圖5所示的實施例三中的模擬檢測通道4包括光敏器件陣列14、I/V變換電路16、濾波器19、相敏檢波25、抗混疊濾波器31、模擬開關17和A/D轉換電路21；將所述光調制擋板15調制過的光信號經光柵12分光后，由光敏器件陣列14將光柵12的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、低通濾波和相敏檢波后，輸出對應于該波長入射光的光譜幅值絕對值；然后，所述模擬開關17切換到A/D轉換電路21，經光信號轉換成數字信號，所述濾波器19的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板15對光的調制頻率一致，所述濾波器19為帶通濾波器，采用的通頻帶帶寬在20～200Hz。
所述模擬開關17的切換頻率與A/D轉換電路21的切換頻率一致。其作用是將不同通道的輸出信號分時送入A/D轉換電路。所述A/D轉換模塊5的作用是將模擬電壓信號轉換成數字信號，并傳遞給所述的CPU6；所述A/D轉換模塊5包括A/D轉換器件及其接口電路；或所述A/D轉換模塊集成在CPU電路中。所述CPU6及其外圍電路包括CPU芯片及其最小擴展系統、接口電路、輸出電路及裝置、人機對話模塊、控制電路；所述CPU及其外圍電路的作用是接受所述A/D轉換模塊傳遞來的數字信號，并進行后期處理和必要的輸出，同時對系統進行總體控制和人機對話過程。
如圖1和圖6所示，本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀的工作流程是由寬帶光源1發出的光信號，經過由分光裝置及其光路2、光敏傳感器3、模擬檢測通道4所組成的電路部分和光路部分轉換；即，由寬帶光源1發出的所需波長范圍的光101，入射到第一聚光鏡7，或經過光調制擋板15調制成高頻信號后102，然后，入射到第一聚光鏡7，光經第一聚光鏡聚7焦后，入射到被測人體組織9如標記103處所示；其出射光經第二聚光鏡10聚焦后，由光柵12進行分光，產生在空間分布的一組單色光104；由光敏傳感器3接收光柵12輸出的單色光，并進行光電轉換，如標記105處所示；所述光敏傳感器3的輸出信號通過相應的模擬檢測通道4實現信號變換，轉換成適合于A/D轉換模塊5的電信號，如標記106處所示；將所述電信號送入A/D轉換模塊5，并由A/D轉換模塊5將其轉換成數字信號，如標記107所示；所述A/D轉換模塊5的輸出數據將由以CPU為核心的數據處理系統進行后期處理。即首先，將對應不同波長信號的數據分離，組成脈搏波描記數列108；其次，提取每組數據的特征幅值作為對應于每個入射波長的光譜幅值，其中，若所述模擬檢測通道4的結構如圖4或圖5所示，則其幅值由脈搏波峰峰值，或由脈搏波交流成份的基波分量表示；若模擬檢測通道4的結構如圖5所示，其幅值由光譜幅值，還可以由絕對幅值表示，由此，即可獲得第一組光譜109；用電磁施壓裝置向被測人體組織施加壓力，改變光路長后重復上述過程，即可獲得另外一組光譜110；將上述兩組光譜相減，獲得差分光譜111，采用化學計量方法，從差分光譜中計算得到動脈血液中的主要成分的含量112。
本發明組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀的測量方法包括以下步驟第一步驟，連接好包括寬帶光源1、分光裝置及其光路2、光敏傳感器3、模擬檢測通道4、A/D轉換模塊5、CPU6所組成的組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀；所述寬帶光源1采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；第二步驟，將被測人體組織9以自由狀態置于所述光路中；第三步驟，根據所述光路的結構不同，所述光路輸出的信號有下述兩種情形之一若所述光路包括寬帶光源1、第一聚光鏡7、被測人體組織9、第二聚光鏡10、光柵12和光敏器件陣列14；所述寬帶光源1的出射光經過聚光鏡7成為平行光入射到被測人體組織，出射光經所述第二聚光鏡10送入所述光柵12，所述光柵12輸出的一組單色光，由光敏器件陣列14分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述寬帶光源1和所述第一聚光鏡7之間設置光調制擋板，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；第四步驟，采用相應的模擬檢測通道4實現信號變換，每個模擬檢測通道4通道的輸出電壓波形對應一個特征光；分時采集不同模擬檢測通道4的輸出信號，進行A/D轉換，并送入CPU模塊；由CPU6將來自于同一檢測通道的A/D轉換結果進行綜合，生成對應于每一波長的描記數列；采用信號分析方法，提取每組數據的特征幅值作為對應每個入射光波長的光譜幅值；從而檢測出被測人體組織9的一組吸收光譜。其特征幅值由該波長瞬時幅值的平均值表示，或由該波長的脈搏波峰峰值表示，或由該波長的脈搏波的基波分量表示；第五步驟，應用電磁施壓裝置22向被測人體組織9施加壓力，以改變光路長，然后，重復上述第二、三和四步驟過程，即可檢測出被測人體組織9另外一組吸收光譜；第六步驟，將上述兩組光譜相減獲得差分光譜；然后，通過化學計量方法，從差分光譜中計算得出被測人體組織中的主要成分的含量。
在所述第四步驟中，所述模擬檢測通道4的作用是將光敏傳感器3的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊5匹配的電壓信號，根據所述模擬檢測通道4的結構不同，每組信號的幅值表達方式為下述情形之一若所述模擬檢測通道4包括光敏器件陣列14、I/V轉換電路16、截止頻率在1Hz以下的低通濾波器19、放大器20、模擬開關17和A/D轉換電路21，則所述模擬檢測通道4所輸出的信號是經I/V變化、濾波和放大后，輸出對應于該波長的光信號幅值；或若所述模擬檢測通道4包括光敏器件陣列14、I/V變換電路16、濾波器19的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板15對光的調制頻率一致，所述濾波器19的通頻帶帶寬在20～200Hz、相敏檢波25、抗混疊濾波器31、模擬開關17和A/D轉換電路21，則所述模擬檢測通道4所輸出的信號是經I/V變化、濾波和相敏檢波后，輸出對應于該波長的光信號幅值。
盡管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于包括寬帶光源(1)、分光裝置及其光路(2)、光敏傳感器(3)、模擬檢測通道(4)、A/D轉換模塊(5)、擠壓裝置(22)、CPU(6)及其外圍電路；所述的寬帶光源(1)采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；所述分光裝置及其光路(2)包括分光器件和與其相配套的光路器件；所述分光器件采用光柵(12)；根據所述光路的結構有以下兩種情形之一所述光路包括寬帶光源(1)、第一聚光鏡(7)、被測人體組織(9)、第二聚光鏡(10)、光柵(12)和光敏器件陣列(14)；所述寬帶光源(1)的出射光經過第一聚光鏡(7)成為平行光入射到被測人體組織(9)，出射光經所述第二聚光鏡(10)送入所述光柵(12)，所述光柵(12)輸出的一組單色光，由光敏器件陣列(14)分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述寬帶光源(1)和所述第一聚光鏡(7)之間設置光調制擋板(15)，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；所述擠壓裝置(22)采用電磁裝置，所述CPU(6)控制所述擠壓裝置(22)對被測人體組織(9)施加壓力以改變光路波長獲得另外一組光譜；根據所述光路輸出的上述兩組光譜的差分光譜，得到動脈血液中的主要成分的含量。
2.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述光敏傳感器(3)采用下述裝置之一光敏管陣列和砷鎵銦光敏器件陣列，其作用是進行光電轉換。
3.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述模擬檢測通道(4)的作用是將光敏傳感器(3)的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊(5)匹配的電壓信號，所述模擬檢測通道(4)包括光敏器件陣列(14)、I/V轉換電路(16)、濾波器(19)、放大器(20)、模擬開關(17)和A/D轉換電路(21)；所述光敏器件陣列(14)將所述光柵(12)的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和放大后，輸出對應于該波長入射光，并已經去除了交流分量和高頻交流干擾的光電信號；然后，經所述模擬開關(17)切換到所述A/D轉換電路(21)，所述光信號轉換成數字信號；所述濾波器(19)為低通濾波器。
4.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述模擬檢測通道(4)的作用是將光敏傳感器(3)的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊(5)匹配的電壓信號，所述模擬檢測通道(4)包括光敏器件陣列(14)、I/V變換電路(16)、濾波器(19)、相敏檢波(25)、模擬開關(17)和A/D轉換電路(21)；所述光敏器件陣列(14)將所述光柵(12)的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、濾波和相敏檢波后，輸出對應于該波長入射光的光信號瞬時幅值；然后，所述模擬開關(17)切換到A/D轉換電路(21)，所述光信號轉換成數字信號。
5.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述模擬檢測通道(4)的作用是將光敏傳感器(3)的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊(5)匹配的電壓信號，所述模擬檢測通道(4)包括光敏器件陣列(14)、I/V變換電路(16)、濾波電路(19-1)、相敏檢波(25)、模擬開關(17)和A/D轉換電路(21)；將所述光調制擋板(15)調制過的光信號經光柵(12)分光后，由光敏器件陣列(14)將光柵(12)的一組在空間分布的單色光進行光電轉換，每個光電器件響應一個單色光的變化，其輸出信號經I/V變化、低通濾波和相敏檢波后，輸出對應于該波長入射光的光譜幅值絕對值；然后，所述模擬開關(17)切換到A/D轉換電路(21)，經光信號轉換成數字信號，所述濾波器(19)的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板(15)對光的調制頻率一致，所述濾波器(19)的通頻帶帶寬在20～200Hz。
6.根據權利要求3或4或5所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述模擬開關(17)的切換頻率與A/D轉換電路(21)的切換頻率一致。其作用是將不同通道的輸出信號分時送入A/D轉換電路。
7.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述A/D轉換模塊(5)的作用是將模擬電壓信號轉換成數字信號，并傳遞給所述的CPU(6)；所述A/D轉換模塊(5)包括A/D轉換器件及其接口電路；或所述A/D轉換模塊集成在CPU電路中。
8.根據權利要求1所述的一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀，其特征在于，所述CPU(6)及其外圍電路包括CPU芯片及其最小擴展系統、接口電路、輸出電路及裝置、人機對話模塊、控制電路；所述CPU及其外圍電路的作用是接受所述A/D轉換模塊傳遞來的數字信號，并進行后期處理和必要的輸出，同時對系統進行總體控制和人機對話過程。
9.一種用于組織成份檢測的變光路空域分光差分測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟第一步驟，連接好包括寬帶光源(1)、分光裝置及其光路(2)、光敏傳感器(3)、模擬檢測通道(4)、A/D轉換模塊(5)、CPU及其外圍電路(6)所組成的用于組織成份檢測的變光路空域分光差分光譜儀；所述寬帶光源(1)采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；第二步驟，將被測人體組織(9)以自由狀態置于所述光路中；第三步驟，根據所述光路的結構不同，所述光路輸出的信號有下述兩種情形之一若所述光路包括寬帶光源(1)、第一聚光鏡(7)、被測人體組織(9)、第二聚光鏡(10)、光柵(12)和光敏器件陣列(14)；所述寬帶光源(1)的出射光經過聚光鏡(7)成為平行光入射到被測人體組織，出射光經所述第二聚光鏡(10)送入所述光柵(12)，所述光柵(12)輸出的一組單色光，由光敏器件陣列(14)分別進行光電變換后所輸出的一組包含光譜信息的光電信號；或在上述光路基礎上，在所述聚光鏡(10)和所述光柵(12)之間設置光調制擋板，則所述光路輸出的一組光電信號為高頻信號；第四步驟，采用相應的模擬檢測通道(4)實現信號變換，每個模擬檢測通道(4)通道的輸出電壓波形對應一個特征光；分時采集不同模擬檢測通道(4)的輸出信號，進行A/D轉換，并送入CPU模塊；由CPU(6)將來自于同一檢測通道的A/D轉換結果進行綜合，生成對應于每一波長的描記數列；采用信號分析方法，提取每組數據的特征幅值作為對應每個入射光波長的光譜幅值；從而檢測出被測人體組織(9)的一組吸收光譜。；每組信號的幅值由該波長瞬時幅值的平均值表示；第五步驟，應用電磁擠壓裝置(22)向被測人體組織(9)施加壓力，以改變光路長，然后，重復上述第二、三和四步驟過程，即可檢測出被測人體組織(9)另外一組吸收光譜；第六步驟，將上述兩組光譜相減獲得差分光譜；然后，通過化學計量方法，從差分光譜中計算得出被測人體動脈血液中的主要成分的含量。
10.根據權利要求9所述的用于組織成份檢測的變光路空域分光差分測量方法，其特征在于，所述第四步驟中，所述模擬檢測通道(4)的作用是將光敏傳感器(3)的輸出信號轉換成與A/D轉換模塊(5)匹配的電壓信號，根據所述模擬檢測通道(4)的結構不同，每組信號的幅值表達方式為下述情形之一若所述模擬檢測通道(4)包括光敏器件陣列(14)、I/V轉換電路(16)、截止頻率在1Hz以下的低通濾波器(19)、放大器(20)、模擬開關(17)和A/D轉換電路(21)，則所述模擬檢測通道(4)所輸出的信號是經I/V變化、濾波和放大后，輸出光電信號幅值；或若所述模擬檢測通道(4)包括光敏器件陣列(14)、I/V變換電路(16)、濾波器(19)的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，與光調制擋板(15)對光的調制頻率一致，所述濾波器(19)的通頻帶帶寬在20～200Hz、相敏檢波(25)、模擬開關(17)和A/D轉換電路(21)，則所述模擬檢測通道(4)所輸出的信號是經I/V變化、濾波器和相敏檢波后，輸出光電信號幅值。
全文摘要
本發明公開了一種測量準確、操作方便，并可同時測量多種組織成分的組織成分檢測的變光路空域分光差分光譜儀，包括寬帶光源、分光裝置及其光路、光敏傳感器、模擬檢測通道、A/D轉換模塊、擠壓裝置和CPU及其外圍電路；所述寬帶光源的帶寬是600～1300nm，所述分光裝置及其光路包括分光器件和與其相配套的光路器件；所述分光器件采用光柵；所述光路可輸出一組包含光譜信息或高頻信號的光電信號；所述擠壓裝置采用電磁裝置，所述CPU控制所述擠壓裝置對被測人體組織施加壓力以改變光路波長獲得另外一組光譜；根據上述光路所輸出的兩組光譜的差分光譜，得到動脈血液中的主要成分的含量。本發明中還公開了上述光譜儀的檢測方法。
文檔編號A61B6/00GK1579326SQ200410019319
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者李剛, 王焱, 林凌 申請人:天津大學