專利名稱：動脈血液成分檢測的空域分光差分光譜儀及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)儀器及方法，特別涉及一種動脈血液成份測量儀器及方法。
背景技術(shù)：
組織成份的無創(chuàng)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(shí)現(xiàn)組織成份的無創(chuàng)檢測，在信號傳感、檢測與處理也有極大的學(xué)術(shù)意義和價值。
1977年美國科學(xué)家Jobsis首次報道了用近紅外光觀察成年貓腦內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和細(xì)胞色素c的含量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了近紅外光(700-1300nm)在生物組織內(nèi)較低的衰減率和用近紅外光譜法無創(chuàng)監(jiān)測組織血氧濃度的可行性。鑒于這一新的無創(chuàng)傷測量方法的極其誘人的應(yīng)用前景，研究者們做了大量的動物的和人體的實(shí)驗(yàn)，從多方面驗(yàn)證了用近紅外光譜法監(jiān)測組織血氧濃度的臨床意義。隨后，英國London大學(xué)的Delpy，美國Duke大學(xué)的Jobsis，日本Hokkaido大學(xué)的Tamura，Yamamoto，以及日本Omron公司的Shiga等從Lambert-Beer定律出發(fā)，通過模型、動物以及人體實(shí)驗(yàn)，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(fā)上出現(xiàn)了用普通發(fā)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(jìn)入臨床應(yīng)用。
80年代，Dhne首次提出了應(yīng)用近紅外分光法進(jìn)行人體血糖濃度的無創(chuàng)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(xué)、Iowa大學(xué)、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(jìn)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(jìn)行的研究，如美國的Iowa大學(xué)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(jié)果進(jìn)行相關(guān)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(shù)上取得重要進(jìn)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(shí)驗(yàn)雖然可直接驗(yàn)證方法的有效性，但作為歸納定量方法基礎(chǔ)的Lambert-Beer定律實(shí)際上并不適用于具有強(qiáng)散射特性的人體組織，因此測量的結(jié)果難以解釋，且不具有通用性與重復(fù)性。從檢測生物組織化學(xué)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(chuàng)光檢測技術(shù)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(jīng)濟(jì)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(jìn)行開發(fā)，血糖的無創(chuàng)檢測距離實(shí)際應(yīng)用還有一段更長的路要走。相對說來，血液其他成份的無創(chuàng)檢測的經(jīng)濟(jì)價值要低一點(diǎn)，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(guān)研究很少，主要集中在血乳酸、激素等成份的測量。而國內(nèi)就幾乎沒人進(jìn)行研究)。由于個體的差異和光譜重疊、測量條件(測量位置、環(huán)境溫度和壓力)，即使是國際上已投入巨大人力和財力進(jìn)行研究的組織血氧和血糖的測量仍然未進(jìn)入臨床實(shí)用(僅有脈搏血氧、即動脈血氧已普遍進(jìn)入臨床使用和發(fā)揮極其重要的作用)，更不用說血液其他成份的無創(chuàng)檢測。
中國專利公開號1271562，
公開日2000年11月1日，名稱是《無創(chuàng)傷自測血糖儀》的中國發(fā)明專利申請文件中公開了一種無創(chuàng)傷自測血糖儀，主要由紅外光發(fā)射管構(gòu)成的紅外光源，通光路部分、光電探測轉(zhuǎn)換器、電通路部分及顯示部分構(gòu)成。顯然，采用單一波長的光源是不可能實(shí)現(xiàn)在體的無創(chuàng)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(xué)方法和裝置》的中國發(fā)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(wǎng)膜系統(tǒng)比第二視網(wǎng)膜系統(tǒng)具有更大的刺激量，導(dǎo)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(wǎng)膜系統(tǒng)和第二視網(wǎng)膜系統(tǒng)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(guān)。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(chuàng)血糖測量儀。實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)傷血糖測量有兩種結(jié)構(gòu)(一)在現(xiàn)有血糖計連接一探頭，探頭內(nèi)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(jīng)光柵、分光鏡分成二束光，一束經(jīng)手指到達(dá)斬波器，一束以參考池到達(dá)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(jī)，微處理機(jī)結(jié)合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行運(yùn)算，顯示器顯示測量結(jié)果。該發(fā)明專利申請通過皮膚滲出液的方法操作復(fù)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(xiàn)有技術(shù)中檢測裝置操作復(fù)雜，測量精度低，測量成份種類少，測量成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種測量準(zhǔn)確、操作方便，并可同時測量多種組織成份的方法及儀器。在本發(fā)明下述描述中涉及到的差分光譜法，其概念是將一組在不同單色光下測得的光電脈搏波中，包含有大量個體差異和系統(tǒng)誤差信息的直流分量去除，僅留存與脈動的血液有關(guān)的交流分量；以所述交流分量的特征幅值表達(dá)光譜幅值。本發(fā)明中涉及到的空域分光法，其概念是通過光柵，空間域上進(jìn)行分光，可同時產(chǎn)生多組單色光。
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀所采用技術(shù)方案是所述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(zhuǎn)換模塊、CPU及其外圍電路；所述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；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；所述光路輸出的是光電脈搏波信號；若所述寬帶光源與所述第一聚光鏡之間設(shè)置光調(diào)制擋板，則所述光路輸出的是高頻信號；所述光電脈搏波信號或高頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由CPU進(jìn)行處理，從而得到動脈血液中主要成分的含量。
在本發(fā)明的差分光譜儀中，所述光敏器件的作用是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述光敏器件采用下述裝置之一光敏管陣列、CCD器件和砷鎵銦光敏器件陣列。所述模擬檢測通道的作用是將光敏器件的輸出信號轉(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)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變換電路、濾波器、相敏檢波、模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器；所述濾波器的通頻帶在0.1～30Hz之間。另外，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、抗混疊濾波器、模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器；所述濾波器的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，并且與光調(diào)制擋板對光的調(diào)制頻率一致，所述濾波器的通頻帶帶寬在20～200Hz。所述光敏器件陣列輸出的信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，通過模擬開關(guān)切換到A/D轉(zhuǎn)換器并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述模擬開關(guān)的切換頻率與A/D轉(zhuǎn)換器的切換頻率一致。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給所述的CPU；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器件及其接口電路；或所述A/D轉(zhuǎn)換器集成在CPU電路中。所述CPU及其外圍電路包括CPU芯片及其最小擴(kuò)展系統(tǒng)、接口電路、輸出電路及裝置、人機(jī)對話模塊和控制電路；所述CPU及其外圍電路的作用是接收所述A/D轉(zhuǎn)換模塊傳遞的數(shù)字信號，并進(jìn)行后期處理和必要的輸出，同時對系統(tǒng)進(jìn)行總體控制和人機(jī)對話過程。
本發(fā)明用于動脈血液成份檢測的基于空域分光的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、分光裝置及其光路、光敏傳感器、模擬檢測通道、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU及其外圍電路所組成的利用空域分光方法、通過測量脈搏波來確定動脈血液成份的儀器；所述寬帶光源采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；將被測人體組織置于所述光路之中，形成的光路包括所述寬帶光源、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；第二步驟，所述CPU控制所述寬帶光源的出射光經(jīng)過第一聚光鏡，成為一束平行光入射到被測人體組織，出射光經(jīng)過第二聚光鏡送入光柵；所述光柵輸出的信號有下列兩種情形之一輸出包含光譜信息的脈搏波信號；或在所述寬帶光源和所述第一聚光鏡之間設(shè)置光調(diào)制擋板，則光柵輸出的是高頻信號；用光敏器件陣列將光柵輸出的一組在空間分布的單色光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第三步驟，上述光敏器件陣列中的每個光電器件響應(yīng)光柵的一條輸出光譜的實(shí)時變化，其輸出信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，輸出對應(yīng)于該波長入射光，然后通過模擬開關(guān)切換到A/D轉(zhuǎn)換器分別將不同模擬檢測通道的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并送入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第四步驟，首先，CPU將對應(yīng)不同波長信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，將來自于同一模擬檢測通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行綜合，生成脈搏波描記數(shù)列；然后，采用信號分析方法，提取每組數(shù)據(jù)的特征幅值作為對應(yīng)于每個入射光波長的光譜幅值組成差分光譜，其特征幅值利用由每個差分脈搏波的基波分量表示；或由每一組光點(diǎn)脈搏波的峰峰值表示，所述的差分脈搏波是光電脈搏波的交流分量；最終，通過光譜化學(xué)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。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明差分光譜測量方法及儀器的有益效果是由于本發(fā)明的差分光譜儀采用差分檢測方法，能夠去除由于個體差異引起的誤差，因此，其測量準(zhǔn)確、操作方便，并可同時測量多種組織成份。


圖1是本發(fā)明差分光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)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(fā)明差分光譜儀中采用光調(diào)制擋板與光柵配合時的光路示意圖；圖4是本發(fā)明差分光譜儀實(shí)施例一中采用光柵時的電氣原理圖；圖5是本發(fā)明差分光譜儀實(shí)施例二中采用光柵時的電氣原理圖；圖6是用本發(fā)明差分光譜儀進(jìn)行測量時的工作流程圖。
下面是本發(fā)明說明書附圖中主要附圖標(biāo)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(zhuǎn)換模塊 6——CPU及其外圍電路7——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(diào)制擋板16——I/V變換電路17——模擬開關(guān)19——濾波器 21——A/D轉(zhuǎn)換電路25——相敏檢波電路 31——抗混疊濾波器具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明用于動脈血液成份檢測的基于空域分光的差分光譜儀及檢測方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1至圖5所示，本發(fā)明用于動脈血液成份檢測的基于空域分光的差分光譜儀，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(zhuǎn)換模塊5、CPU及其外圍電路6；所述寬帶光源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；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；所述光路輸出的是光電脈搏波信號；若所述寬帶光源1與所述第一聚光鏡7之間設(shè)置光調(diào)制擋板15，則所述光路輸出的是高頻信號；所述光電脈搏波信號或高頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊5轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由CPU進(jìn)行處理，從而得到動脈血液中主要成分的含量。
在本發(fā)明差分光譜儀中，所述光敏器件3的作用是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述光敏器件可以采用光敏管陣列，還可以采用CCD器件或砷鎵銦光敏器件陣列。
所述模擬檢測通道4的作用是將光敏器件3的輸出信號轉(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)換模塊5匹配的電壓信號；如圖4所示的實(shí)施例一中，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(guān)17和A/D轉(zhuǎn)換器21；所述濾波器19的通頻帶在0.1～30Hz之間。如圖5所示的實(shí)施例二中，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、抗混疊濾波器31、模擬開關(guān)17和A/D轉(zhuǎn)換器21；所述濾波器19的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，并且與光調(diào)制擋板15對光的調(diào)制頻率一致，所述濾波器19的通頻帶帶寬在20～200Hz。
所述光敏器件陣列14輸出的信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，通過模擬開關(guān)17切換到A/D轉(zhuǎn)換器21并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述模擬開關(guān)17的切換頻率與A/D轉(zhuǎn)換器21的切換頻率一致。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊5的作用是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給所述的CPU；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊5包括A/D轉(zhuǎn)換器件及其接口電路；或所述A/D轉(zhuǎn)換器集成在CPU電路中。所述CPU及其外圍電路6包括CPU芯片及其最小擴(kuò)展系統(tǒng)、接口電路、輸出電路及裝置、人機(jī)對話模塊和控制電路；所述CPU及其外圍電路6的作用是接收所述A/D轉(zhuǎn)換模塊5傳遞的數(shù)字信號，并進(jìn)行后期處理和必要的輸出，同時對系統(tǒng)進(jìn)行總體控制和人機(jī)對話過程。
本發(fā)明用于動脈血液成份檢測的基于空域分光的差分光譜儀的工作流程如圖1和圖6所示，由寬帶光源1發(fā)出的光信號，經(jīng)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(zhuǎn)換；即，由寬帶光源1發(fā)出的所需波長范圍的光101；入射到第一聚光鏡7，或經(jīng)過光調(diào)制擋板15調(diào)制成高頻信號后102；然后入射到第一聚光鏡7，光經(jīng)第一聚光鏡聚7焦后，入射到被測人體組織9如標(biāo)記103處所示；其出射光經(jīng)第二聚光鏡10聚焦后，由光柵12進(jìn)行分光，產(chǎn)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，如標(biāo)記105處所示；所述光敏傳感器3的輸出信號通過相應(yīng)的模擬檢測通道4實(shí)現(xiàn)信號變換，轉(zhuǎn)換成適合于A/D轉(zhuǎn)換模塊5的電信號，如標(biāo)記106處所示；將所述電信號送入A/D轉(zhuǎn)換模塊5，并由A/D轉(zhuǎn)換模塊5將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如標(biāo)記107所示；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊5的輸出數(shù)據(jù)將由以CPU為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行后期處理。即，首先，將對應(yīng)不同波長信號的數(shù)據(jù)分離，組成脈搏波描記數(shù)列108；其次，提取每一個差分光電脈搏波的幅值，組成差分光譜，其幅值可由每個差分脈搏波的基波分量表示；或由每一組光點(diǎn)脈搏波的峰峰值表示109；獲得差分光譜后，即可通過光譜化學(xué)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110。
用于動脈血液成份檢測的基于空域分光的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(zhuǎn)換模塊5、CPU及其外圍電路6所組成的利用空域分光方法、通過測量脈搏波來確定動脈血液成份的儀器；所述寬帶光源1采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；將被測人體組織9置于所述光路之中，形成的光路包括所述寬帶光源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；第二步驟，所述CPU控制所述寬帶光源1的出射光經(jīng)過第一聚光鏡7，成為一束平行光入射到被測人體組織9，出射光經(jīng)過第二聚光鏡10送入光柵12；所述光柵12輸出的信號有下列兩種情形之一輸出包含光譜信息的脈搏波信號；或在所述寬帶光源1和所述第一聚光鏡7之間設(shè)置光調(diào)制擋板15，則光柵12輸出的是高頻信號；用光敏器件陣列14將光柵12輸出的一組在空間分布的單色光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第三步驟，上述光敏器件陣列14中的每個光電器件響應(yīng)光柵的一條輸出光譜的實(shí)時變化，其輸出信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，輸出對應(yīng)于該波長入射光，然后通過模擬開關(guān)17切換到A/D轉(zhuǎn)換器21分別將不同模擬檢測通道4的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并送入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第四步驟，首先，CPU將對應(yīng)不同波長信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，將來自于同一模擬檢測通道4的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行綜合，生成脈搏波描記數(shù)列；然后，采用信號分析方法，提取每組數(shù)據(jù)的特征幅值作為對應(yīng)于每個入射光波長的光譜幅值組成差分光譜，其特征幅值利用由每個差分脈搏波的基波分量表示；或由每一組光電脈搏波的峰峰值表示，所述的差分脈搏波是光電脈搏波的交流分量；最終，通過光譜化學(xué)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。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀，其特征在于包括順序連接的寬帶光源(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(zhuǎn)換模塊(5)、CPU及其外圍電路(6)；所述寬帶光源(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)；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)；所述光路輸出的是光電脈搏波信號；若所述寬帶光源(1)與所述第一聚光鏡(7)之間設(shè)置光調(diào)制擋板(15)，則所述光路輸出的是高頻信號；所述光電脈搏波信號或高頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)特征提取及后期處理，從而得到動脈血液中主要成分的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀，其特征在于所述光敏傳感器(3)的作用是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所述光敏傳感器采用下述裝置之一光敏管陣列、CCD器件和砷鎵銦光敏器件陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的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(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)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(guān)(17)和A/D轉(zhuǎn)換電路(21)；所述濾波器(19)的通頻帶在0.1～30Hz之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的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(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)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)、抗混疊濾波器(31)、模擬開關(guān)(17)和A/D轉(zhuǎn)換電路(21)；所述濾波器(19)的通頻帶中心頻率在20～2000Hz，并且與光調(diào)制擋板(15)對光的調(diào)制頻率一致，所述濾波器(19)的通頻帶帶寬在20～200Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀，其特征在于所述光敏器件陣列(14)輸出的信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，通過模擬開關(guān)(17)切換到A/D轉(zhuǎn)換電路(21)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述模擬開關(guān)(17)的切換頻率與A/D轉(zhuǎn)換電路(21)的切換頻率一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)的作用是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給所述的CPU；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)包括A/D轉(zhuǎn)換器件及其接口電路；或所述A/D轉(zhuǎn)換器集成在CPU電路中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀，其特征在于所述CPU及其外圍電路(6)包括CPU芯片及其最小擴(kuò)展系統(tǒng)、接口電路、輸出電路及裝置、人機(jī)對話模塊和控制電路；所述CPU及其外圍電路(6)的作用是接收所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)傳遞的數(shù)字信號，并進(jìn)行后期處理和必要的輸出，同時對系統(tǒng)進(jìn)行總體控制和人機(jī)對話過程。
8.一種用于動脈血液成份檢測的空域分光差分光譜儀的測量方法，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(zhuǎn)換模塊(5)、CPU及其外圍電路(6)所組成的利用空域分光方法、通過測量脈搏波來確定動脈血液成份的儀器；所述寬帶光源(1)采用帶寬在600～1300nm的可見光乃至近紅外光；將被測人體組織(9)置于所述光路之中，形成的光路包括所述寬帶光源(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)；第二步驟，所述CPU控制所述寬帶光源(1)的出射光經(jīng)過第一聚光鏡(7)，成為一束平行光入射到被測人體組織(9)，出射光經(jīng)過第二聚光鏡(10)送入光柵(12)；所述光柵(12)輸出的信號有下列兩種情形之一輸出包含光譜信息的脈搏波信號；或在所述寬帶光源(1)和所述第一聚光鏡(7)之間設(shè)置光調(diào)制擋板(15)，則光柵(12)輸出的是高頻信號；用光敏器件陣列(14)將光柵(12)輸出的一組在空間分布的單色光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；第三步驟，上述光敏器件陣列(14)中的每個光電器件響應(yīng)光柵的一條輸出光譜的實(shí)時變化，其輸出信號經(jīng)I/V變換、濾波和相敏檢波，輸出對應(yīng)于該波長入射光，然后通過模擬開關(guān)(17)切換到A/D轉(zhuǎn)換電路(21)分別將不同模擬檢測通道(4)的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并送入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第四步驟，首先，CPU將對應(yīng)不同波長信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，將來自于同一模擬檢測通道(4)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行綜合，生成脈搏波描記數(shù)列；然后，采用信號分析方法，提取每組數(shù)據(jù)的特征幅值作為對應(yīng)于每個入射光波長的光譜幅值組成差分光譜，其特征幅值利用由傅立葉變換取得的每個差分脈搏波的基波分量表示，所述的差分脈搏波是光電脈搏波的交流分量；最終，通過光譜化學(xué)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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量準(zhǔn)確、操作方便，并可同時測量多種組織成分的動脈血液成分檢測的空域分光差分光譜儀，包括帶寬是600～1300nm的寬帶光源、分光裝置及其光路、光敏傳感器、模擬檢測通道、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU及其外圍電路；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；所述光路輸出的是光電脈搏波信號；若設(shè)置光調(diào)制擋板，則所述光路輸出的是高頻信號；所述信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由CPU處理，從而得到動脈血液中主要成分的含量。本發(fā)明中還公開了上述光譜儀的檢測方法。
文檔編號A61B5/145GK1579321SQ20041001931
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者李剛, 林凌, 王焱 申請人:天津大學(xué)