專利名稱：基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀及探頭制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學檢測技術領域，涉及一種基于連續(xù)波的皮膚光 學特性參數(shù)測試儀。
背景技術：
近年來光學方法在醫(yī)學診斷及研究上的應用已成為一個新的研究熱 點。光源發(fā)出的光經(jīng)過組織后被探測器所探測，因此探測器探測到的光 信號為組織所調制后的信號，其信號特征能反映光所經(jīng)組織的光學特性， 生物組織的光學特性參數(shù)對于生物組織疾病的臨床診斷具有重要的意 義。例如，吸收系數(shù)可以反映生物組織中的色團濃度，散射系數(shù)則與細 胞的尺寸大小、組織超微結構等相關。已有研究證實，正常組織和癌變 組織中的色團濃度存在顯著差異；而細胞發(fā)生癌前病變時，細胞核尺寸 會增加，從而引起組織散射系數(shù)的增大。相比于其他的醫(yī)學檢測技術， 如X射線、CT、核磁共振成像等方法，光學技術可以以非侵入式的方式 實施組織的無損結構與功能檢測，并具有適用范圍廣、便攜性高、成本 低廉等優(yōu)點。
由于近紅外光在組織中有較大的穿透深度，而被看作是組織的光學 窗。因此，光學檢測所用的光波長一般都選在近紅外波段。而連續(xù)波光 學檢測方法由于設備簡單、方便易用而備受關注。目前連續(xù)波的光學檢 測系統(tǒng)大都是基于擴散近似，所測得的組織光學特性參數(shù)為光源與探測 器之間組織的平均值。為提高組織的探測深度，目前常用的連續(xù)波光學 測量技術一般都選用更大的光源與探測器距離，從而降低組織光學特性 參數(shù)測量的空間分辨率。而要實現(xiàn)對諸如皮膚等淺表組織光學特性參數(shù) 的測量，則須將光源與探測器間距縮小至幾個毫米以內。但在這種情況 下，現(xiàn)有的擴散近似理論并不適用。
作為人體最大和最重要的器官，皮膚的厚度約為0.5 4mm，總重量 約占人體的8%，皮膚內容納了人體約1/3的循環(huán)血液和約1/4的水分。準確獲取皮膚的吸收系數(shù)〃。和約化散射系數(shù)/4'等光學特性參數(shù)，對于激
光診斷、激光治療、光劑量學等理論研究和臨床實踐有著非常重要的意 義。
公開號CN101426419A和公開號CN101427125A的發(fā)明，介紹了一 種測量皮膚表面光學外觀的儀器。該兩項專利介紹的儀器都是通過拍攝 皮膚表面圖像，然后對圖片進行分析，得出皮膚表面的光學外觀，諸如 粗糙度，紋理，硬度，摩擦阻力等機械屬性或者光澤，發(fā)光，黑暗和顏 色變化等可見外觀屬性，而無法測得皮膚的吸收系數(shù)^和約化散射系數(shù) /4'等自身光學特性參數(shù)，而且儀器的光路實現(xiàn)復雜，需要光學屏幕，相 機，濾光片，偏振濾光片等；公開號CN101313847A的發(fā)明提供了一種 對人體皮膚病變組織進行無損光學參數(shù)成像的裝置與方法。該裝置使用 白光光源照射皮膚，采用線陣CCD接受出射光子，光源與線陣CCD是 靠計算機控制的三維移動工作臺進行固定，實現(xiàn)對測量皮膚表面的掃描 成像。該裝置利用Monte Carlo統(tǒng)計方法逆向求解皮膚組織的吸收系數(shù) 和約化散射系數(shù)的數(shù)值，線陣CCD探測到的漫反射強度曲線的中心與光 束入射點的偏移量和曲線的不對稱度用來限制逆向求解的可能的數(shù)值范 圍。但是，總所周知，Monte Carlo的計算算法繁瑣，計算精度嚴重受限 于其計算時間，不可能得實時的處理結果。而且該發(fā)明中提及的裝置包 括機械三維移動工作臺，光柵光譜儀，線陣CCD等，價格昂貴，可實施 性差。

發(fā)明內容
鑒于上述方法對于皮膚光學特性參數(shù)測量的局限性，本發(fā)明所要解 決的技術問題是提供一種基于光纖陣列的連續(xù)波皮膚光學特性參數(shù)測試 儀，可以非侵入的方式無損、實時獲取皮膚吸收系數(shù)^和約化散射系數(shù)
A'等光學特性參數(shù)。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種基于連續(xù)波的皮膚光學特性 參數(shù)測試儀，包括光源、光源光纖、光探測器、光信號采集轉換單元、數(shù)據(jù)處理單元，所述光源光纖末端與所述光源耦合，首端向皮膚組織發(fā) 出入射光，所述光探測器接收皮膚組織的后向散射光，經(jīng)所述光信號采 集轉換單元采集、轉換成數(shù)字信號后輸入到所述數(shù)據(jù)處理單元進行運算 處理得到皮膚組織的光吸收系數(shù)〃。和約化散射系數(shù)/4'，其特征在于，所
述光源光纖與多根探測光纖緊密排列安裝在基體上，不限于所述光源光 纖、探測光纖、基體組成探頭，所述探測光纖首端與光源光纖首端的各 端面平齊，各端面中心點在一條直線上，所述探測光纖末端與所述光探 測器耦合，探測光纖首端接收皮膚的后向散射光，然后傳輸給所述光探
湖!l器。
本發(fā)明還可以包括前置放大電路和低通濾波電路，所述光探測器將 接收到的光信號轉換成電壓信號，再經(jīng)過所述前置放大電路和低通濾波
電路進行放大濾波，之后通過與作為所述數(shù)據(jù)處理單元的PC連接的數(shù) 據(jù)采集轉換單元對信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、.顯示和存儲。所述前置放 大電路可以是集成在探測器內部的前置放大器，也可以是連接在探測器 后面的分立放大電路。所述濾波電路可以是模擬濾波電路，也可以是數(shù) 字濾波電路。
作為優(yōu)選，所述光探測器為光敏二極管，光敏三極管或者硅光電池。
作為優(yōu)選，所述光源可以是LED光源，也可以是LD或其它激光光 源，波長范圍為600~1400nm。
更加優(yōu)選的，所述光源光纖與探測器光纖的最小軸心間距為125微 米，即，系統(tǒng)測量的空間分辨率為亞毫米量級。并可根據(jù)需要調整光源 與探測器間距，可以分別實現(xiàn)對皮膚表皮層、真皮層或皮下組織的探測。
本發(fā)明還提出了光源光纖與多根探測光纖緊密排列安裝在基體上的 方法，其特征在于，包括以下步驟
在基體上刻出能容納所述全部探測光纖與光源光纖并排排列的矩形
剝去所述探測光纖與光源光纖外面的包層，將所述光源光纖與多根 探測光纖緊密的排列在所述矩形槽中，
將所述光源光纖與多根探測光纖在所述矩形槽中膠合固定，待膠水完全干后，將光源光纖、多根探測光纖的首端面拋光，
在所述光源光纖、多根探測光纖的末端制作APC/FC光纖連接器， 使所述光源光纖、多根探測光纖分別與光源、光探測器耦合。
作為優(yōu)化的方案，所述光源光纖與多根探測光纖緊密排列安裝在基體 上的方法還包括以下步驟將包括所述光源光纖與多根探測光纖已膠合 固定的基體安裝在光纖套筒內。
本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理單元的運算處理原理是利用皮膚組織光子分布 的經(jīng)驗算法，進行反演計算，具體如下
光在大部分生物組織中傳播時，以指數(shù)形式衰減，其衰減單指數(shù)函 數(shù)f (X)表示經(jīng)過生物組織的光強的改變
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其中，參數(shù)x代表光源點與探測點的距離，A和T為最優(yōu)化中間參
數(shù)，表達式分別為
<formula>formula see original document page 6</formula>
(2)
"謹*~ (3) 其中^為吸收系數(shù)，^^#為有效衰減系數(shù)，其表達式為
<formula>formula see original document page 6</formula>(4) 最優(yōu)化中間參數(shù)A和r的值，可以通過擬合所測數(shù)據(jù)得到。然后， 根據(jù)公式(2)、 (3)、 (4)，即可以求出皮膚組織的光吸收系數(shù)^。和約化散
射系數(shù)A'。
本發(fā)明采用探測光纖與光源光纖緊密排列，組成本發(fā)明測試儀的探 頭，該探頭結構簡單、可靠，易操作。同時，提升了本發(fā)明測試儀的性 能，使其測量空間分辨率達到亞毫米量級。并可根據(jù)需要調整光源與探 測器間距，分別實現(xiàn)對皮膚表皮層、真皮層或皮下組織的探測。另外， 采用探測光纖與光源光纖緊密排列的探頭，克服了現(xiàn)有技術采用線陣CCD作為光探測器所帶來設備造價高的缺陷。本發(fā)明還提出了探測光纖 與光源光纖緊密排列探頭的制作方法。


圖1是一種基于連續(xù)光光學檢測技術的皮膚光學特性參數(shù)檢測儀的 系統(tǒng)結構組成示意圖。
圖2是'一種基于本發(fā)明的光纖陣列探頭結構示意圖。
圖3是利用函數(shù)f(x"A^xp(j^)對經(jīng)過兩種不同濃度的脂肪乳模 型溶液的出射光強測量結果進行擬合后的曲線。
圖4是參數(shù)A和t的擬合值與脂肪乳模型溶液樣品約化散射系數(shù)" 的關系曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，基于連續(xù)光光學檢測技術的皮膚光學特性參數(shù)檢測儀 由光源4，光探測器5，探測光纖與光源光纖緊密排列的光纖陣列2，光 纖套筒3，前置放大電路6，低通濾波電路7，數(shù)據(jù)采集卡8和計算機9 等部分組成。光源4發(fā)出的光耦合進光源光纖，從光源光纖出射的光射 入皮膚組織1，經(jīng)過皮膚組織吸收和散射后的出射光被探測光纖接收， 并經(jīng)光纖傳導給光探測器5，光探測器5將光信號轉換為電信號，經(jīng)過 前置放大電路6進行放大，再經(jīng)低通濾波電路7濾波后，被數(shù)據(jù)采集卡 8采集，并傳送給計算機9進行數(shù)據(jù)處理分析和存儲。光纖陣列2外面 套有光纖套筒3，對光纖陣列起到固定和保護的作用。
光纖陣列2中的光源光纖和探測光纖的排列如圖2所示，它們左右 緊密相鄰排列，所有光纖的首端中心點在一條直線上，實現(xiàn)對該直線線 性方向的皮膚組織的光學特性參數(shù)測量。由于該光纖首端中心點排列直 線的方向是不特定的或者是可調整的，因此，光纖陣列2可以實現(xiàn)以某 入射光源點為中心的向量區(qū)域的皮膚組織光學特性參數(shù)的測量。光源光 纖與探測器光纖的排列間距最小可達0.125mm，這就使系統(tǒng)測量的空間分辨率可達亞毫米量級，最大可達12.5mm，因此，可以實現(xiàn)對皮膚組織 表皮層，真皮層和皮下組織的探測。
圖2所示為基于本發(fā)明的一種一維光纖陣列探頭結構示意圖。光纖 陣列包括一根光源光纖2a和九根探測光纖2b，光纖選用通訊用的 1310nm帶狀多模光纖(芯徑62.5um，外徑125.0um)。在玻璃基體 IO上蝕刻出寬1.25mm，深lmm的矩形槽，剝去多模光纖外面的包層， 將IO根光纖緊密的排列在矩形槽中，使所有的光纖芯徑中心基本在一條 直線上，然后膠合固定，待膠水完全干后，將光纖陣列的端面拋光。光 纖陣列外面套有光纖套筒3，對光纖陣列2起到固定和保護的作用。光 纖套筒3和光纖陣列2之間填充有樹脂膠11，將光纖陣列2和光纖套筒 3粘合在一起，并起到填充保護的作用。光纖的末端制作APC/FC光纖 連接器，可以通過法蘭盤與探測器和光源方便的耦合。
下面通過一個具體的實驗介紹本發(fā)明儀器是如何擬合出最優(yōu)化參數(shù) A和t的值，只要擬合出A和t的值，則可以通過公式(2)、 (3)和(4)計算 出吸收系數(shù)^和約化散射系數(shù)A'。我們還通過實驗定性給出A和t與約 化散射系數(shù)/4'的關系曲線。
在組織光學測量中廣泛使用不同濃度的脂肪乳溶液模擬生物組織的 光學特性。圖3是利用函數(shù)f(x)=A*exp(-r 、)對經(jīng)過濃度分別為10%和4
%的脂肪乳溶液的出射光強測量結果進行擬合后的曲線，分別對應圖3 中的左、右圖。將光纖陣列探頭垂直接觸被測的脂肪乳溶液，每次測量 一分鐘，每種濃度溶液測量4次。橫坐標為探測光纖對應的測量通道， 在本實驗中，我們選取了 8根探測光纖的測量數(shù)據(jù)作為橫坐標，縱坐標 是探測器測量到的出射光強值。圖3中的曲線為按函數(shù)f(x)=A*exp(-t *x) 進行擬合的結果。得到參數(shù)A和t的擬合值，左圖A=1.197， t =0.6277; 右圖A-0.5739， t =0.5402。
在組織光學中，使用約化散射系數(shù)描述組織對光的散射特性。脂肪 乳為高散射介質，改變脂肪乳的濃度可以得到不同約化散射系數(shù)的溶液。圖4是我們通過模型實驗得到的參數(shù)A和t的擬合值與脂肪乳模型溶
液樣品約化散射系數(shù)/4'的關系曲線。分別對濃度為16%、 13%、 10%、 8%和4%的脂肪乳溶液進行測量，并按圖3所示曲線擬合方法得到不同 濃度脂肪乳溶液的參數(shù)A和t的擬合值。分別繪制參數(shù)A和t與不同
濃度脂肪乳溶液的約化散射系數(shù)A'(溶液濃度越高，約化散射系數(shù)越大) 之間的關系曲線，結果如圖4所示，參數(shù)A和t與約化散射系數(shù)成近 似線性關系。
最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術方 案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的 普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替 換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權 利要求范圍當中。
權利要求
1、一種基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀，包括光源、光源光纖、光探測器、光信號采集轉換單元、數(shù)據(jù)處理單元，所述光源光纖末端與所述光源耦合，首端向皮膚組織發(fā)出入射光，所述光探測器接收皮膚組織的后向散射光，經(jīng)所述光信號采集轉換單元采集、轉換成數(shù)字信號后輸入到所述數(shù)據(jù)處理單元進行運算處理得到皮膚組織的光吸收系數(shù)μa和約化散射系數(shù)μ′S，其特征在于，所述光源光纖與多根探測光纖緊密排列安裝在基體上，不限于所述光源光纖、探測光纖、基體組成探頭，所述探測光纖首端與光源光纖首端的各端面平齊，各端面中心點在一條直線上，所述探測光纖末端與所述光探測器耦合，探測光纖首端接收皮膚的后向散射光，然后傳輸給所述光探測器。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀，其特征在于，所述光探測器為光敏二極管，光敏三極管或者硅光電池等 光電探測器。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀， 其特征在于，所述光源可以是LED光源，也可以是LD或其它激光光源， 波長范圍為600 1400nm。
4、 根據(jù)權利要求1所述的基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀， 其特征在于，所述光源光纖與探測器光纖的最小軸心間距為125微米， 即，系統(tǒng)測量的空間分辨率為亞毫米量級。
5、 一種根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4之一所述的基于連續(xù)波的皮膚光學 特性參數(shù)測試儀的探頭制作方法，其特征在于，包括以下步驟在基體上刻出能容納所述全部探測光纖與光源光纖并排排列的矩形槽，剝去所述探測光纖與光源光纖外面的包層，將所述光源光纖與多根探測光纖緊密的排列在所述矩形槽中，將所述光源光纖與多根探測光纖在所述矩形槽中膠合固定， 待膠水完全干后，將光源光纖、多根探測光纖的首端面拋光， 在所述光源光纖、多根探測光纖的末端制作APC/FC光纖連接器，使所述光源光纖、多根探測光纖分別與光源、光探測器耦合。
6、 根據(jù)權利要求5所述的探頭制作方法，其特征在于，還包括以下步 驟將包括所述光源光纖與多根探測光纖已膠合固定的基體安裝在光纖 套筒內。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學光學檢測技術領域，它公開了一種基于連續(xù)波的皮膚光學特性參數(shù)測試儀及其探頭制作方法，所述測試儀包括光源、光源光纖、探測光纖、光探測器、光信號采集轉換單元、數(shù)據(jù)處理單元，所述光源光纖與多根探測光纖緊密排列安裝在基體上組成光纖陣列探頭，所述探測光纖首端與光源光纖首端的各端面平齊，端面中心點在一條直線上。本發(fā)明結構簡單、可靠，易操作，光纖陣列探頭的設計，提升了本發(fā)明測試儀的性能，使其測量空間分辨率達到亞毫米量級。并可根據(jù)需要調整光源與探測器間距，分別實現(xiàn)對皮膚表皮層、真皮層或皮下組織光學特性參數(shù)的實時的探測測量。本發(fā)明還提出了探測光纖與光源光纖緊密排列光纖陣列探頭的制作方法。
文檔編號G01N21/49GK101581666SQ20091006275
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權日2009年6月19日
發(fā)明者偉 張, 張中興,  朱, 駱清銘, 輝 龔 申請人:華中科技大學