本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù):
血氧飽和度是指血紅蛋白被氧結(jié)合的百分比,即血紅蛋白的氧含量與氧容量的百分比,它是呼吸循環(huán)功能的一個(gè)重要參數(shù),反映了人體的血氧平衡。有些疾病會(huì)對(duì)人體的器官或組織造成缺氧,導(dǎo)致組織細(xì)胞的代謝異常,內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡,嚴(yán)重的還會(huì)威脅人的生命,而對(duì)病人進(jìn)行血氧飽和度監(jiān)測(cè)將有助于解決這個(gè)問(wèn)題。眼底視網(wǎng)膜是全身微循環(huán)的一部分,它需要氧的供給以維持其正常的新陳代謝,而且其對(duì)于血氧變化的反映比較敏感,便于對(duì)血氧飽和度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
目前測(cè)量血氧飽和度主要是用電化學(xué)法,該方法先進(jìn)行人體采血(取動(dòng)脈血)再利用血?dú)夥治鰞x對(duì)血液進(jìn)行電化學(xué)分析,直接測(cè)得動(dòng)脈氧分壓(PaO2),并計(jì)算出動(dòng)脈血氧飽和度(SpO2);然而該方法需要?jiǎng)用}穿刺或者插管,比較麻煩,且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè),是一種有損傷的血氧測(cè)定法,而且對(duì)于容易造成損傷的部位就很難使用電化學(xué)法來(lái)測(cè)量。另外還有一種脈搏血氧飽和度的監(jiān)測(cè)方法,該方法容易受到光干擾,如陽(yáng)光、手術(shù)室燈光的干擾,在測(cè)量時(shí)這些光如果進(jìn)入到探測(cè)器,則影響獲得的透射光的強(qiáng)度大小,從而最終影響血氧飽和度參數(shù)的準(zhǔn)確性,而且只有脈搏血氧測(cè)定儀的數(shù)值大于83%時(shí),才能達(dá)到3%的誤差。
所以,現(xiàn)有的檢測(cè)血氧飽和度的方法均存在檢測(cè)精度不高的問(wèn)題,需要改進(jìn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,該裝置能非接觸地測(cè)量出人體眼底血流的血氧飽和度,對(duì)人體無(wú)任何損傷,且拍攝的圖像信噪比高、空間分辨率高,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
提供一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,包括同步觸發(fā)源、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、面陣LED光源、分光鏡、接目物鏡、成像物鏡、CCD彩色相機(jī)及安裝在CCD彩色相機(jī)上的拜爾濾鏡;面陣LED光源由兩種波長(zhǎng)LED燈交替串聯(lián)組成;同步觸發(fā)源用于向面陣LED光源及CCD彩色相機(jī)發(fā)出同步信號(hào),同步信號(hào)發(fā)出時(shí),面陣LED光源同時(shí)發(fā)出兩種波長(zhǎng)的光到達(dá)分光鏡,分光鏡反射光到接目物鏡并到達(dá)正對(duì)接目物鏡的眼底,光從眼底反射后再次進(jìn)入接目物鏡并透過(guò)分光鏡進(jìn)入成像物鏡,CCD彩色相機(jī)采集通過(guò)成像物鏡的兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理以得到血氧飽和度。面陣LED光源、分光鏡及接目物鏡組成眼底照明光路系統(tǒng);CCD彩色相機(jī)、拜爾濾鏡、成像物鏡、分光鏡及接目物鏡組成眼底成像光路系統(tǒng);接目物鏡和成像物鏡的作用是控制成像焦距,以拍攝出高空間分辨率的散斑圖像。
上述方案中,通過(guò)設(shè)置由兩種波長(zhǎng)LED燈交替串聯(lián)組成的面陣LED光源并用同步觸發(fā)源向面陣LED光源及CCD彩色相機(jī)發(fā)出同步信號(hào),使得同步信號(hào)發(fā)出時(shí),面陣LED光源同時(shí)發(fā)出兩種波長(zhǎng)的光,CCD彩色相機(jī)采集兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理以得到血氧飽和度。本發(fā)明一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,能非接觸地測(cè)量出人體眼底血流的血氧飽和度,對(duì)人體無(wú)任何損傷,通過(guò)采集兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像能有效抑制眼睛位置改變和血氧含量改變帶來(lái)的影響,且拍攝的圖像信噪比高、空間分辨率高,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高。
優(yōu)選地,所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為電腦。
優(yōu)選地,面陣LED光源由波長(zhǎng)為λ1=532nm和λ2=632nm的LED燈交替串聯(lián)而成。血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)相差較大,計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差小,有利于提高檢測(cè)的血氧飽和度的精度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)方法,該方法使用上述基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,包括如下步驟:
S1.設(shè)置CCD彩色相機(jī)的采集速度及曝光時(shí)間,使得血紅細(xì)胞進(jìn)出像素單元的成像范圍時(shí),局域的濃度變化引起動(dòng)態(tài)散斑干涉強(qiáng)度的變化;將眼睛正對(duì)接目物鏡;
S2.同步觸發(fā)源以頻率f0向面陣LED光源及CCD彩色相機(jī)發(fā)出n次同步信號(hào),n次觸發(fā)面陣LED光源同時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)為λ1和λ2的光到達(dá)分光鏡,分光鏡反射光到接目物鏡并到達(dá)眼底,光從眼底反射后再次進(jìn)入接目物鏡并透過(guò)分光鏡進(jìn)入成像物鏡,同時(shí),n次觸發(fā)CCD彩色相機(jī)采集通過(guò)成像物鏡的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像,其中,λ1=532nm,λ2=632nm;
S3.將CCD彩色相機(jī)采集的通過(guò)成像物鏡的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理以得到眼底血流的血氧飽和度,包括如下步驟:
S31.根據(jù)CCD彩色相機(jī)像素點(diǎn)的分布,將對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像分離出來(lái);
S32.對(duì)分離出的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光分別形成的散斑圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換,以將CCD彩色相機(jī)接收的時(shí)域散斑強(qiáng)度信號(hào)沿著時(shí)間序列轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域散斑強(qiáng)度信號(hào);
S33.對(duì)頻域散斑強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波處理,以將反映背景信息的低頻信號(hào)和反映血液流動(dòng)的高頻信號(hào)分離出來(lái),其中,低頻信號(hào)為靜態(tài)散斑信號(hào),高頻信號(hào)為動(dòng)態(tài)散斑信號(hào);
S34.對(duì)分離出來(lái)的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)分別進(jìn)行逆傅里葉變換,以得到靜態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和
S35.透過(guò)生物組織的光強(qiáng)可以表示為:
其中,I為透射光強(qiáng),I0為入射光強(qiáng),ε0為背景信息的光吸收系數(shù),C0為背景信息的光吸收物質(zhì)濃度,L為光路徑長(zhǎng)度,在無(wú)血流的情況下根據(jù)Beer-Lambert定律,透射光強(qiáng)應(yīng)該是原始采集光強(qiáng),但在此處,透射光強(qiáng)是原始散斑信號(hào)的平均強(qiáng)度,并且由于動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于靜態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度,所以近似認(rèn)為靜態(tài)散斑信號(hào)平均強(qiáng)度是透射光強(qiáng);因此,(1)式能表示為(2)式:
其中,為氧合血紅蛋白的光吸收系數(shù),為氧合血紅蛋白的濃度,εHb為脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù),cHb為脫氧血紅蛋白的濃度;及εHb在波長(zhǎng)為λ1和λ2時(shí)的光吸收系數(shù)為常數(shù);
S36.對(duì)(2)式進(jìn)行計(jì)算,得到氧合血紅蛋白的含量和脫氧血紅蛋白的含量CHb;
S37.根據(jù)血氧飽和度公式(4)計(jì)算眼底血流的血氧飽和度;
其中,SO2即為眼底血流的血氧飽和度。
本發(fā)明一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)方法,通過(guò)采集眼睛在兩種波長(zhǎng)光照射下形成的散斑圖像,再通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9對(duì)采集的散斑圖像進(jìn)行逆傅里葉變換以得到頻域散斑強(qiáng)度信號(hào),對(duì)頻域散斑強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到低頻信號(hào)和高頻信號(hào),然后分別對(duì)低頻信號(hào)和高頻信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換,以得到靜態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度,最后根據(jù)Beer-Lambert定律計(jì)算出眼底血流的血氧飽和度,該方法能對(duì)人體眼底血流進(jìn)行非接觸地測(cè)量,對(duì)人體無(wú)任何損傷,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,通過(guò)設(shè)置由兩種波長(zhǎng)LED燈交替串聯(lián)組成的面陣LED光源并用同步觸發(fā)源向面陣LED光源及CCD彩色相機(jī)發(fā)出同步信號(hào),使得同步信號(hào)發(fā)出時(shí),面陣LED光源同時(shí)發(fā)出兩種波長(zhǎng)的光,CCD彩色相機(jī)采集兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理以得到血氧飽和度,該裝置能非接觸地測(cè)量出人體眼底血流的血氧飽和度,對(duì)人體無(wú)任何損傷,通過(guò)采集兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像能有效抑制眼睛位置改變和血氧含量改變帶來(lái)的影響,且拍攝的圖像信噪比高、空間分辨率高,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高;通過(guò)將面陣LED光源由波長(zhǎng)為λ1=532nm和λ2=632nm的LED燈交替串聯(lián)而成,由于血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)相差較大,使得計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差小,有利于提高檢測(cè)的血氧飽和度的精度。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)施例一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置的示意圖,其中箭頭表示光線(xiàn)走向。
圖2為CCD彩色相機(jī)的三色芯片的排列示意圖,其中,僅示意了紅色和綠色的排列方式。
圖3為CCD彩色相機(jī)綠紅藍(lán)響應(yīng)芯片對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)系數(shù)曲線(xiàn)圖。
圖4為本實(shí)施例中面陣LED光源的排列示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。其中,附圖僅用于示例性說(shuō)明,表示的僅是示意圖,而非實(shí)物圖,不能理解為對(duì)本專(zhuān)利的限制;為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例,附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小,并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸;對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō),附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解的。
本發(fā)明實(shí)施例的附圖中相同或相似的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)相同或相似的部件;在本發(fā)明的描述中,需要理解的是,若有術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系,僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作,因此附圖中描述位置關(guān)系的用語(yǔ)僅用于示例性說(shuō)明,不能理解為對(duì)本專(zhuān)利的限制,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。
實(shí)施例
本實(shí)施例一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置的示意圖如圖1所示,包括同步觸發(fā)源8、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9、面陣LED光源7、分光鏡4、接目物鏡5、成像物鏡3、CCD彩色相機(jī)1及安裝在CCD彩色相機(jī)1上的拜爾濾鏡2;面陣LED光源7由兩種波長(zhǎng)LED燈交替串聯(lián)組成;同步觸發(fā)源8用于向面陣LED光源7及CCD彩色相機(jī)1發(fā)出同步信號(hào),同步信號(hào)發(fā)出時(shí),面陣LED光源7同時(shí)發(fā)出兩種波長(zhǎng)的光到達(dá)分光鏡4,分光鏡4反射光到接目物鏡5并到達(dá)正對(duì)接目物鏡5的眼底,光從眼底反射后再次進(jìn)入接目物鏡5并透過(guò)分光鏡4進(jìn)入成像物鏡3,CCD彩色相機(jī)1采集通過(guò)成像物鏡3的兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9進(jìn)行處理以得到血氧飽和度。
本實(shí)施例中,面陣LED光源7、分光鏡4及接目物鏡5組成眼底照明光路系統(tǒng)10;CCD彩色相機(jī)1、拜爾濾鏡2、成像物鏡3、分光鏡4及接目物鏡5組成眼底成像光路系統(tǒng)11;CCD彩色相機(jī)的三色芯片的排列示意圖如圖2所示,將拜爾濾鏡2安裝在CCD彩色相機(jī)1上,光線(xiàn)經(jīng)過(guò)拜爾濾鏡2后,通過(guò)CCD彩色相機(jī)1上的CCD芯片被分成紅綠藍(lán)三色,其中綠光最優(yōu)響應(yīng)波長(zhǎng)為532nm,而紅光最優(yōu)響應(yīng)波長(zhǎng)為632nm,CCD彩色相機(jī)1綠紅藍(lán)響應(yīng)芯片(像素點(diǎn))對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)系數(shù)曲線(xiàn)圖如圖3所示;接目物鏡5和成像物鏡3的作用是控制成像焦距,以拍攝出高空間分辨率的散斑圖像。
使用該裝置檢測(cè)人體眼底血流的血氧飽和度時(shí),眼睛6正對(duì)接目物鏡5,同步觸發(fā)源8向面陣LED光源7及CCD彩色相機(jī)1發(fā)出同步信號(hào),使得面陣LED光源7同時(shí)發(fā)出兩種波長(zhǎng)的光到達(dá)分光鏡4,分光鏡4反射光到接目物鏡5并到達(dá)眼睛6,光從眼睛6反射后再次進(jìn)入接目物鏡5并透過(guò)分光鏡4進(jìn)入成像物鏡3,CCD彩色相機(jī)1采集通過(guò)成像物鏡3的兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像,根據(jù)CCD彩色相機(jī)1像素點(diǎn)的分布,將對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像分離出來(lái),數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9對(duì)分離出來(lái)的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像分別進(jìn)行處理,以得到血氧飽和度。本發(fā)明一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,能非接觸地測(cè)量出人體眼底血流的血氧飽和度,對(duì)人體無(wú)任何損傷,通過(guò)采集兩種波長(zhǎng)的光形成的散斑圖像能有效抑制眼睛位置改變和血氧含量改變帶來(lái)的影響,且拍攝的圖像信噪比高、空間分辨率高,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高。
本實(shí)施例中,所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9為電腦。
其中,面陣LED光源7由波長(zhǎng)為λ1=532nm和λ2=632nm的LED燈交替串聯(lián)而成,如圖4所示。血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)相差較大,計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差小,有利于提高檢測(cè)的血氧飽和度的精度。
本發(fā)明還提供一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)方法,該方法使用上述基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)裝置,包括如下步驟:
S1.設(shè)置CCD彩色相機(jī)1的采集速度及曝光時(shí)間,使得血紅細(xì)胞進(jìn)出像素單元的成像范圍時(shí),局域的濃度變化引起動(dòng)態(tài)散斑干涉強(qiáng)度的變化;將眼睛6正對(duì)接目物鏡5;
S2.同步觸發(fā)源8以頻率f0向面陣LED光源7及CCD彩色相機(jī)1發(fā)出n次同步信號(hào),n次觸發(fā)面陣LED光源7同時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)為λ1和λ2的光到達(dá)分光鏡4,分光鏡4反射光到接目物鏡5并到達(dá)眼底,光從眼底反射后再次進(jìn)入接目物鏡5并透過(guò)分光鏡4進(jìn)入成像物鏡3,同時(shí),n次觸發(fā)CCD彩色相機(jī)1采集通過(guò)成像物鏡3的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像,其中,λ1=532nm,λ2=632nm;S3.將CCD彩色相機(jī)1采集的通過(guò)成像物鏡3的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9進(jìn)行處理以得到眼底血流的血氧飽和度,包括如下步驟:
S31.根據(jù)CCD彩色相機(jī)1像素點(diǎn)的分布,將對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光形成的散斑圖像分離出來(lái);
S32.對(duì)分離出的波長(zhǎng)為λ1和λ2的光分別形成的散斑圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換,以將CCD彩色相機(jī)1接收的時(shí)域散斑強(qiáng)度信號(hào)沿著時(shí)間序列轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域散斑強(qiáng)度信號(hào);
S33.對(duì)頻域散斑強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波處理,以將反映背景信息的低頻信號(hào)和反映血液流動(dòng)的高頻信號(hào)分離出來(lái),其中,低頻信號(hào)為靜態(tài)散斑信號(hào),高頻信號(hào)為動(dòng)態(tài)散斑信號(hào);
S34.對(duì)分離出來(lái)的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)分別進(jìn)行逆傅里葉變換,以得到靜態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和
S35.透過(guò)生物組織的光強(qiáng)可以表示為:
其中,I為透射光強(qiáng),I0為入射光強(qiáng),ε0為背景信息的光吸收系數(shù),C0為背景信息的光吸收物質(zhì)濃度,L為光路徑長(zhǎng)度;
根據(jù)Beer-Lambert定律,(1)式能表示為(2)式:
其中,為氧合血紅蛋白的光吸收系數(shù),為氧合血紅蛋白的濃度,εHb為脫氧血紅蛋白的光吸收系數(shù),cHb為脫氧血紅蛋白的濃度;及εHb在波長(zhǎng)為λ1和λ2時(shí)的光吸收系數(shù)為常數(shù);
S36.對(duì)(2)式進(jìn)行計(jì)算,得到氧合血紅蛋白的含量和脫氧血紅蛋白的含量CHb;
S37.根據(jù)血氧飽和度公式(4)計(jì)算眼底血流的血氧飽和度;
其中,SO2即為眼底血流的血氧飽和度。
本發(fā)明一種基于面陣LED的眼底血流血氧飽和度檢測(cè)方法,通過(guò)采集眼睛在兩種波長(zhǎng)光照射下形成的散斑圖像,再通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9對(duì)采集的散斑圖像進(jìn)行逆傅里葉變換以得到頻域散斑強(qiáng)度信號(hào),對(duì)頻域散斑強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波處理以得到低頻信號(hào)和高頻信號(hào),然后分別對(duì)低頻信號(hào)和高頻信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換,以得到靜態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)散斑信號(hào)強(qiáng)度,最后根據(jù)Beer-Lambert定律計(jì)算出眼底血流的血氧飽和度,該方法能對(duì)人體眼底血流進(jìn)行非接觸地測(cè)量,對(duì)人體無(wú)任何損傷,檢測(cè)的血氧飽和度的精度高。
顯然,本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例,而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。