基於近紅外光譜分析的多功能無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法
2023-07-16 18:02:31
基於近紅外光譜分析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】，具體為一種基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置。本發明裝置包括光源、單色儀、探測器以及數位訊號處理系統；光源用於產生足夠功率的輻射光束,輻射光束經過探測器探頭照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的漫反射光經由探測器探頭送至單色儀；單色儀是用來從具有複雜光譜組成的光源中或從連續光譜中分離出不同波長的單色光的儀器；探測器用於檢測經單色儀篩選出的特定光信號，並將光信號轉變為電信號，最終以數位訊號形式輸出；數位訊號處理系統對採集到的數位訊號進行處理，得出相對應的某一表徵體徵的物質含量。本發明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】基於近紅外光譜分析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】，具體涉及一種無創便攜醫療檢測裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]近紅外光譜是一種可用於多組份同時測定、無損、快速檢測的分析方法。近紅外光譜是指波長介於可見區和中紅外區之間的電磁波。近紅外光譜反應的信息主要是分子內部一些含氫基團振動的倍頻和合頻吸收，化學信息比較豐富，當同一基團或不同基團所在的化學環境不同時，它們對近紅外光吸收的波長與強度也有明顯區別。因為這類型基團可以在大部分有機物中找到，因此可以應用近紅外光譜分析來測定多種有機物的種類和含量。漫反射光是光源發出的光進入樣品內部經過多次反射、折射，衍射及吸收後返回樣品表面的光，因此漫反射光負載了樣品的化學組成和結構信息。反之，如果在經過大量的檢測之後得到與特定化學物質相對應的特定漫反射光的光學參數，即可通過對該種漫反射光的檢測來得知人體內該種物質的濃度。
[0003]人體的骨骼、肌肉、脂肪、皮膚及體液等在近紅外光譜區吸收係數小，在近紅外範圍內的光不易被散射和反射，再加上是線偏振光，使穿透力增強，容易穿透人的體表皮膚和組織，深度可達5釐米以上，從而得到深層豐富的較強吸收信號，因而被用於人體組織成分的研究中。與傳統檢測方法相比，近紅外光譜分析法無創、簡便，因此可以用於人體內多種物質的檢測。
[0004]本發明是基於近紅外光譜無創檢測的新技術，該技術可以精確監控人體多種生命參數指標，使人體生命參數的檢測更加系統化，從而有助於人們對自己的健康進行管理，提高生活質量，具有很好的經濟效益和社會效益。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提出一種基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置。
[0006]本發明提出的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其結構如圖1所示，包括光源、單色儀、探測器以及數位訊號處理系統。其中，所述光源結構圖中5 (可以但不局限於滷鎢燈)為光源，用於產生足夠功率的輻射光束，輻射光束經過探測器探頭照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的漫反射光經由探測器探頭送至單色儀(模塊2);所述單色儀是用來從具有複雜光譜組成的光源中或從連續光譜中分離出不同波長的單色光的儀器，單色儀使能夠表徵某一物質的特定波長的漫反射光通過，並濾除掉其他的光線；單色儀並不對入射的輻照光束與多種漫反射光分別處理，而是對入射的輻照光束一次性篩選出能夠表徵人體生命參數指標的散射光；所述探測器(模塊3)由光敏元件構成，用於檢測經單色儀篩選出的特定光信號，並將光信號轉變為電信號，最終以數位訊號形式輸出；所述數位訊號處理系統(圖中模塊4)對採集到的數位訊號進行處理，從而得出相對應的表徵某一物質體徵的物質含量。
[0007]本發明中，所述單色儀可以是但不局限於一套光學參數不同的稜鏡單色儀、光柵單色儀或者濾光片分光單色儀。
[0008]本發明中，所述數據處理系統作用是對電信號進行處理，並得到相應物質的活性濃度值。整個數據處理系統可集成在單片機中。
[0009]本發明中，裝置利用近紅外光譜分析的方法，可以在經過大量的檢測之後得到與特定化學物質相對應的特定漫反射光的光學參數，即可通過對該種漫反射光的逆向檢測來得知人體內該種物質的濃度。
[0010]本發明中，數據處理系統在使用前應先針對每一種被測物質測定一系列參數值，得到漫反射光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。
[0011]本發明中，用於近紅外光譜分析的近紅外光處理元件的特點是僅能夠篩選出波長一定的漫反射光，無需對入射光和出射光進行分別處理，因此體積小巧。使用時通過更換已經調製好的相應的單色儀即可實現對檢測物質的轉換。因此檢測裝置便攜，檢測物質靈活多樣。
[0012]本發明中，探測器功能是將篩選過的特定波長的漫反射光信號轉換為電信號，因此僅需處理某一特定波長的漫反射光信號，無需在一定波長範圍內進行掃描。
[0013]本發明裝置利用近紅外光譜分析方法，可用於無創檢測人體血糖，血紅素等各體徵指標，由於對分光系統即單色儀和探測器進行了簡單化處理，整個系統結構簡單，能夠集成在很小的一個裝置中，並且可以通過更換相應結構實現檢測多種物質的目的。因此本發明具有功能多樣、檢測過程無創及易於攜帶等特點。
[0014]本發明提供的基於近紅外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，測出其近紅外光譜強度，建立該物質活性濃度與光譜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。
[0015]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近紅外光譜分析，得到能夠表徵其活性濃度的近紅外光譜譜峰，並建立相應的計算模型。
[0016]本發明步驟A或步驟B中，分析物質活性濃度和近紅外譜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。
[0017]本發明應用分析近紅外光譜的方法對目標物質的活性含量進行探測和鑑定。與目前通用的檢測技術相比具有的有益的效果是:
(一)本發明裝置的結構簡單，單色儀僅需針對某一散射光進行處理，並且探測器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不同參數的單色儀來檢測不同的物質，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)本發明所基於的是近紅外光譜分析的原理，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。
[0020](四)本發明所基於的是近紅外光譜分析的原理，對於檢測人體內的物質而言，沒有創口，因此大大減輕了患者的痛苦。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所闡述的便攜醫療檢測裝置結構示意圖。
[0022]圖2為本發明結構原理圖。
[0023]圖中標號:1為檢測對象，2為單色儀，3為探測器；4為數據處理系統，5為光源。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例，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為單色儀，可以但不局限於一套光學參數不同的稜鏡單色儀、光柵單色儀或者濾光片分光單色儀；3為探測器；4為數據處理模塊可以但不局限於用單片機實現；5為光源。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。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1，一種無創檢測血糖裝置。它包括光源5，產生功率一定的輻射光束。所產生的輻射光束照射到人體皮膚表面1，在人體表面反射或者在人體皮膚組織中經過透射、折射或者漫反射後從皮膚內部射出。漫反射光線經由單色儀2處理，僅篩選出能夠表徵血糖含量的光線。經過光學處理的單一的光信號被探測器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，依據血糖的特徵光線選定單色儀參數，使之僅能篩選出該波長的光線。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，經由單色儀篩選過的漫反射光線由探測器採集並加工，轉換成電信號。因為僅需要採集特定波長的漫反射光，所以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，單色儀的具體參數不同，利用光學參數與實施例1中不同單色儀的將表徵血紅素含量的特定漫反射光篩選出，從而可以通過類似於實施例1的步驟得出血液中血紅素的含量。本實施例對於心肺疾病(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。本實施例與實施例2所述的血紅素檢測裝置的區別在於，單色儀的具體參數、數據處理的具體方式以及使用時的實施步驟不同。改變單色儀參數，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，最終得出腫瘤細胞以及膽固醇的散射光線項指標是否異常的結論。
[0031]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，對於其他並未提及至IJ的物質，在已知表徵其特點的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方式對本發明所作的進一步詳細說明。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，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於包括光源、單色儀、探測器以及數位訊號處理系統；其中，所述光源用於產生足夠功率的輻射光束，輻射光束經過探測器探頭照射到人體皮膚，由人體皮膚返回的漫反射光經由探測器探頭送至單色儀；所述單色儀是用來從具有複雜光譜組成的光源中或從連續光譜中分離出不同波長的單色光的儀器，單色儀使能夠表徵某一物質的特定波長的漫反射光通過，並濾除掉其他的光線；單色儀對入射的輻照光束一次性篩選出能夠表徵人體生命參數指標的散射光；所述探測器由光敏元件構成，用於檢測經單色儀篩選出的特定光信號，並將光信號轉變為電信號，最終以數位訊號形式輸出；所述數位訊號處理系統對採集到的數位訊號進行處理，得出相對應的某一表徵體徵的物質含量。
2.根據權利要求1所述的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於所述單色儀是一套光學參數不同的稜鏡單色儀、光柵單色儀或者濾光片分光單色儀。
3.根據權利要求1所述的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於所述所述數據處理系統集成在單片機中。
4.根據權利要求1所述的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置，其特徵在於所述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，得到漫反射光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.基於權利要求1-4之一所述的基於近紅外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，測出其近紅外光譜強度，建立該物質活性濃度與光譜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所述的基於近紅外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所述的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於在步驟A中，通過大量對同一物質不同活性濃度樣品的近紅外光譜分析，得到能夠表徵其活性濃度的近紅外光譜譜峰，並建立相應的計算模型。
8.根據權利要求5所述的基於近紅外光譜分析的無創便攜醫療檢測裝置的檢測方法，其特徵在於在步驟A或步驟B中，分析物質活性濃度和近紅外譜峰強度以及建立計算模型，使用偏最小二乘回歸法。
【文檔編號】G01N21/359GK104266996SQ201410519530
【公開日】2015年1月7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