基於拉曼散射的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法
2023-07-21 13:30:11
基於拉曼散射的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發明屬於醫療檢測【技術領域】，具體涉及一種基於拉曼散射的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法。本發明裝置包括雷射發生、光信號處理、光電信號轉換以及數據處理等系統；雷射發生系統將固定波長的雷射照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的散射光送至光信號處理系統；光信號處理系統可以通過能夠表徵某一物質的特定波長的散射光，濾除其他波長的散射光；光電信號轉換系統將特定波長的散射光信號轉換成相應的數字電信號；數位訊號處理系統對數字電信號進行處理，得到相對應的表徵某一物質體徵的物質含量。整個系統集成在很小的裝置中，可用於無創檢測人體血糖、血紅素等各體徵指標，具有無創、便攜、功能多樣的特點。
【專利說明】基於拉曼散射的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於醫療檢測【技術領域】，具體涉及一種基於拉曼散射的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]當光照射試樣時，根據散射光的頻率與入射光是否相同可以將散射現象分為瑞利散射和拉曼散射。拉曼散射光譜屬於分子振動-轉動光譜，它是源於試樣分子的振動和轉動能級，對拉曼散射光譜的研究可以直接獲得分子結構的信息，從而對物質進行分析。就拉曼光譜本身而言，具有解析度高，積分時間短，重現率好等特點，又因為其譜峰清晰尖銳，且譜峰強度與被檢測物質呈良好的正相關關係，因此可以利用拉曼光譜實現對人體內某些成分如血糖、血紅素、脂肪、膽固醇等組分進行的精確定量檢測和分析。目前的無創檢測設備由於光學系統以及成像系統結構複雜，整個設備龐大且功能單一，無法做到便於攜帶並靈活檢測多種物質。
[0003]糖尿病是由於人體胰島素分泌缺陷或其生物作用受損，所引發的以高血糖為特徵的糖、脂肪和蛋白質代謝紊亂的疾病。目前糖尿病的治療通過頻繁的檢測患者的血糖濃度值並依此來從外部注射或口服胰島素來控制血糖濃度。但是目前普遍的血糖檢測方法都是有創的，每天4-7次的血糖檢測對患者造成了身體上的疼痛和心靈上的傷害，並加大了感染的風險。而利用拉曼光譜檢測血糖具有減輕患者痛苦和感染的風險，提高血糖精確度，降低檢測成本的優點。
[0004]動脈粥樣硬化是由脂肪代謝紊亂，神經血管功能失調引起的在大中動脈內膜出現含膽固醇、類脂肪等物質的疾病。利用拉曼光譜對血管內脂肪、膽固醇等成分的檢測對診斷治療有很大幫助。
[0005]細胞的癌變及擴散是從細胞形、組織成分的變化開始的。在細胞癌變的過程中，細胞內的DNA、蛋白質等成分發生變化。因此對細胞內DNA、蛋白質等組分進行實時監測對患者和疑似患者病情的治療和診斷有很重要的意義。
[0006]本發明是基於拉曼光譜分析的無創便攜檢測的新技術，該技術可以方便快捷的為人體各體徵成分參數的檢測和確定提供依據，大大提高醫療檢測診斷的效果，具有很高的經濟和社會效益。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提出一種基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測方法及裝置。
[0008]本發明提出的基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其結構如圖1所示，包括雷射發生系統、光信號處理系統、光電信號轉換系統以及數據處理系統；其中，所述雷射發生系統將固定波長的雷射(可以是但不局限於785nm)，經過檢測探頭照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的散射光經由檢測探頭送至光信號處理系統；所述光信號處理系統是一種濾光裝置，該濾光裝置可以通過能夠表徵某一物質的特定波長的散射光(如在血液光譜中的峰為血糖峰，峰為血紅素峰),濾除其他波長的散射光,並不對入射光及散射光分別處理，特定波長的散射光由光電信號轉換系統接收；所述光電信號轉換系統採用電荷耦合元件，經由濾光裝置處理的單一的特定波長的散射光信號被電荷耦合元件採集並轉換成相應的數字電信號；所述數位訊號處理系統對採集到的數字電信號進行處理，得出相對應的表徵某一物質體徵的物質含量。
[0009]本發明中，所述光電信號轉換系統可以但不局限為CXD成像模塊。
[0010]本發明中，所述數據處理系統用於對電信號進行處理，得到相應物質的活性濃度值；整個數據處理系統可集成在晶片中，因此結構小巧易於攜帶。
[0011]本發明中，所述數據處理系統在使用前先針對每一種被測物質測定一系列參數值，得到拉曼峰強度與該物質活性濃度的函數關係，建立關聯模型，進而對人體進行檢測。
[0012]本發明提供的基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測方法，具體步驟如下:
步驟:A、選取一組已知活性濃度的物質樣品(如血糖、血紅素、膽固醇、惡性腫瘤等物質)作為校準集，測出其拉曼散射光譜的拉曼峰強度，建立該物質活性濃度與拉曼散射峰強度之間的定量數學模型，也稱校準模型；
步驟B、再取另一組已知活性濃度的該物質作為預測集，將預測樣品的近紅外光譜代入校準模型，得到樣品的預測值，用預測值和實際樣品活性濃度之間的相關係數和相對標準偏差來衡量所建校準模型的可靠程度，對校準模型不斷進行訓練得到相關度最優的該種物質的強度一濃度關聯模型，並將每種檢測物質的關聯模型存儲在裝置的數據處理系統中；步驟C、對患者身體情況進行檢測和記錄，建立患者個人的身體資料庫；
步驟D、選定相應的光信號處理系統以及強度一濃度關聯模型，結合患者的個人資料庫，進行某項指標的檢測；
步驟E、檢測完一項指標後，如需檢測另外一種物質，可以更換事先已經製作好的光學處理零件，從而實現檢測功能的多樣化。
[0013]本發明步驟A中，通過大量對同一物質不同活性濃度樣品的拉曼散射光譜分析，得到能夠表徵其活性濃度的特定拉曼峰，並建立相應的計算模型。
[0014]本發明步驟A或步驟B中，分析物質活性濃度和拉曼峰強度以及建立計算模型可以但不局限於使用偏最小二乘回歸法(PLSR)進行分析。
[0015]本發明步驟A中，通過大量實驗得到與該物質活性濃度相關的拉曼峰之後，由該拉曼峰的拉曼位移或所對應的散射光線波長決定光信號處理系統篩選散射光線的相關參數數。
[0016]本發明中，在針對某一患者實際使用前，應對該患者進行多次體徵指標的測量，使檢測裝置建立起該患者的個人身體情況資料庫，進而對關聯模型進一步校準。
[0017]本發明應用拉曼光譜分析的方法對目標物質的活性含量進行探測和鑑定。與現有技術相比具有的有益的效果是:
(一)本發明裝置結構簡單，光信號處理系統僅需針對某一散射光進行處理，並且無需光電轉換系統在很大範圍內的光譜上進行掃描而採集和處理多個信號，因此裝置體積小，便於患者隨身攜帶。
[0018](二)本發明可以通過更換光信號處理系統(可以但不局限於更換篩選不同波長散射光線的濾光鏡)來檢測不同的物質，因此可以很方便的根據患者需要進行不同物質的檢測，從而實現醫療臨床上的多功能檢測。
[0019](三)本發明所基於的是拉曼散射光譜分析的原理，在測試過程中無需消耗品，因此大大降低了檢測成本，便於患者和醫護人員多次檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的便攜醫療檢測裝置結構示意圖。
[0021]圖2為本發明結構原理圖。
[0022]圖3為本發明在實施例1的測試步驟流程圖。
[0023]圖中標號:1為檢測對象，使用時為人體皮膚，2為光信號處理系統，3為光電信號轉換系統，4為數據處理系統；5為雷射發生系統，包括供電、顯示等附加模塊。
【具體實施方式】
[0024]下文結合附圖和實施例進一步具體地描述本發明，本發明提供優選實施例，但不應該被認為僅限於在此闡述的實施例。在圖中，為了方便說明，人體皮膚和具體設備中元器件的尺寸，所示大小並不代表實際尺寸。
[0025]圖1是本發明的裝置結構示意圖，其中I為檢測對象，使用時為人體皮膚；2為光信號處理系統，可以但不局限於一套光學參數不同的濾光鏡；3為光電信號轉換系統，可以但不局限為CCD成像模塊；4為數據處理模塊；5為雷射發生及供電、顯示等附加模塊。本發明所示的實施例不應該被認為僅限於圖中所示的結構，而是包括圖中的結構。例如裝置結構圖中雷射發生及供電、顯示等附加模塊集成在一起並置於整個裝置的末端，實際設計中可以靈活置於裝置的任何位置。因此裝置結構圖的表示是示意性的，但這不應該被認為限制本發明的範圍。
[0026]實施例1，一種血糖無創檢測裝置，結合圖1及圖3說明本【具體實施方式】。它包括雷射發生系統5，產生固定波長的雷射(可以選用但不局限於固體雷射發生器，產生如波長為785nm的雷射)。所產生的雷射照射到人體皮膚表面1，產生各種波長的拉曼散射光線。散射光線經由光信號處理系統(可以但不局限於濾光鏡)，僅篩選出能夠表徵血糖含量的散射光。該散射光在血液光譜中的拉曼位移為1125。經過光學處理的單一的散射光信號被光電轉換系統3接收，並轉換成與血糖強度關聯的電信號。電信號傳遞到數據處理系統4，通過對患者個人的強度-濃度關聯模型進行比對，從而得出血糖含量。因此本實施方式對於糖尿病的診斷和治療有著極其重要的意義。
[0027]在針對具體患者進行血糖檢測時，依據血糖的特徵峰1125選定濾光裝置，使之僅能篩選出拉曼位移為1125的散射光。在此基礎上選定數據處理系統中已有的血糖強度一濃度關聯模型，並結合患者個人的資料庫，建立患者個人的血糖濃度一強度關聯模型，通過對患者的檢測值與關聯模型進行比對即可檢測出患者的血糖值。
[0028]本實施例中，經由光信號處理系統篩選過的散射光線由光電信號轉換系統(可以但不局限於CCD成像處理模塊)採集並加工，轉換成電信號。因為僅需要採集特定波長的拉曼散射峰強度，因此無需在很寬光譜範圍內進行掃描，從而大大簡化了設備，這也是本發明的一個獨特的創新點。
[0029]實施例2，一種血紅素無創檢測裝置，與實施例1所述的血糖無創檢測裝置的區別在於，光信號處理系統的具體參數不同，利用光信號處理系統(可以但不局限於濾光鏡)將表徵血紅素含量的特定散射光(在拉曼血液光譜中具體為拉曼位移為1549)篩選出，從而可以通過類似於實施方式一的步驟得出血液中血紅素的含量。本實施方式對於心肺疾病(如阻塞性肺炎、心衰竭)、高山症、紅血球過多症等疾病的診斷和治療有重要意義。
[0030]實施例3，一種腫瘤細胞以及膽固醇無創檢測裝置，與實施例2所述的血紅素檢測裝置的區別在於，光信號處理系統的具體參數、數據處理的具體方式以及使用時的實施步驟不同。改變光信號處理系統的濾光參數，將能夠表徵腫瘤細胞以及膽固醇等物質的散射光線篩選出。在使用時，先測量出使用者正常狀態下的指標值，並由數據處理系統做出相應的記錄。在正常測量的過程中，數據處理系統將事先記錄的數據與實時測量數據進行比較，並對比較結果進行分析，最終得出該項指標是否異常的結論。
[0031]在本實施例中，待測物質可以但不局限於腫瘤細胞以及膽固醇，對於其他並未提及到的物質，在已知表徵其特點的散射光線的基礎上均可進行測量標定。
[0032]以上內容是結合具體的實施例對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施僅局限於這些說明。對於本發明所屬【技術領域】的技術人員而言，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單變換或替代，都屬於本發明範圍。
【權利要求】
1.一種基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於，包括雷射發生系統、光信號處理系統、光電信號轉換系統以及數據處理系統；其中，所述雷射發生系統將固定波長的雷射，經過檢測探頭照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的散射光經由檢測探頭送至光信號處理系統；所述光信號處理系統是一種濾光裝置，該濾光裝置可以通過能夠表徵某一物質的特定波長的散射光，濾除其他波長的散射光，特定波長的散射光由光電信號轉換系統接收；所述光電信號轉換系統採用電荷耦合元件，經由濾光裝置處理的單一的特定波長的散射光信號被電荷耦合元件採集並轉換成相應的數字電信號；所述數位訊號處理系統對採集到的數字電信號進行處理，得出相對應的表徵某一物質體徵的物質含量。
2.根據權利要求1所述的基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於，所述光電信號轉換系統為CCD成像模塊。
3.根據權利要求1所述的基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於，所述數據處理系統用於對電信號進行處理，得到相應物質的活性濃度值；整個數據處理系統可集成在晶片中。
4.根據權利要求3所述的基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於，所述數據處理系統在使用前先針對每一種被測物質測定一系列參數值，得到拉曼峰強度與該物質活性濃度的函數關係，建立關聯模型，進而對人體進行檢測。
5.一種基於權利要求1-4之一所述基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於具體步驟如下: 步驟A、選取一組已知活性濃度的物質樣品作為校準集，測出其拉曼散射光譜的拉曼峰強度，建立該物質活性濃度與拉曼散射峰強度之間的定量數學模型，也稱校準模型； 步驟B、再取另一組已知活性濃度的該物質作為預測集，將預測樣品的近紅外光譜代入校準模型，得到樣品的預測值，用預測值和實際樣品活性濃度之間的相關係數和相對標準偏差來衡量所建校準模型的可靠程度，對校準模型不斷進行訓練得到相關度最優的該種物質的強度一濃度關聯模型，並將每種檢測物質的關聯模型存儲在裝置的數據處理系統中； 步驟C、對患者身體情況進行檢測和記錄，建立患者個人的身體資料庫； 步驟D、選定相應的光信號處理系統以及強度一濃度關聯模型，結合患者的個人資料庫，進行某項指標的檢測； 步驟E、檢測完一項指標後，如需檢測另外一種物質，則更換事先已經製作好的光學處理零件。
6.根據權利要求5所述基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於所述物質樣品為血糖、血紅素、膽固醇或惡性腫瘤。
7.根據權利要求5所述基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於步驟A或步驟B中，分析物質活性濃度和拉曼峰強度以及建立計算模型，使用偏最小二乘回歸法。
8.根據權利要求5所述基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於步驟A中，通過大量實驗得到與該物質活性濃度相關的拉曼峰之後，由該拉曼峰的拉曼位移或所對應的散射光線波長決定光信號處理系統篩選散射光線的相關參數數。
9.根據權利要求5所述基於拉曼光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於在針對某一患者實際使用前，對該患者進行多次體徵指標的測量，使檢測裝置建立起該患者的個人身體情況資料庫，進而對關聯模型進一步校準。
【文檔編號】A61B5/1455GK104224198SQ201410521823
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月7日 優先權日:2014年10月7日
【發明者】孟延, 劉冉, 仇志軍 申請人:復旦大學