專利名稱：小型物聯(lián)網(wǎng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)，具體指一種小型物聯(lián)網(wǎng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)及方法，它可用于物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)診斷。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的日益發(fā)達，物聯(lián)網(wǎng)將廣泛應(yīng)用于智能交通、環(huán)境保護、政府工作、 公共安全、個人健康、平安家居等諸多領(lǐng)域。而物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)則融合了傳感器技術(shù)、 RFID(射頻識別)、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)。其中傳感器技術(shù)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，與其他傳感器相比，便攜式醫(yī)學(xué)傳感器需求較為特殊。隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，人的健康意識、健康需求以及醫(yī)療支付能力正不斷提高，使得便攜醫(yī)學(xué)傳感器產(chǎn)品特別是家用便攜醫(yī)學(xué)傳感器產(chǎn)品市場需求穩(wěn)步擴大。目前的適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的醫(yī)學(xué)傳感器種類很少，需要新型的物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)傳感器的加入，豐富用戶的選擇。基于 Laser-induced breakdown spectroscopy (簡稱libs)，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜的醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)發(fā)展很快，其中采用libs效應(yīng)分析人的頭發(fā)、指甲等組織各種微量元素的構(gòu)成及比例已成為人體健康診斷及監(jiān)測的一種新型方法。但目前的libs醫(yī)學(xué)分析系統(tǒng)體積巨大，無法適合物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用的要求，需要小型化系統(tǒng)并設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)libs信號傳輸及診斷方法。本專利針對新型的物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)傳感器的需求，提出一種小型物聯(lián)網(wǎng)激光 libs (Laser-induced breakdown spectroscopy，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜)醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)及方法，它可用于物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)診斷。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是提供一種小型物聯(lián)網(wǎng)激光libs(Laser-induced breakdown spectroscopy，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜)醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)及方法。它的光機電結(jié)構(gòu)中所有供電、 控制、制冷、微機電mems光柵光譜儀、緩存、物聯(lián)網(wǎng)身份識別、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能的電子線路全部集中在微型電路系統(tǒng)；所有的光學(xué)元件全部集中在小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用時由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊發(fā)送系統(tǒng)佩帶者頭發(fā)等生物組織被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)激光的libs信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。本專利的有益效果是該結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的微型化程度，滿足了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的小型化要求。本專利的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，首先由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊按照IEEE802. 15. 4協(xié)議無線連接物聯(lián)網(wǎng)，然后射頻識別RFID模塊遠程完成系統(tǒng)佩帶者身份認證。微控制器(MCU)發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器，使1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器發(fā)射單模脈沖種子激光，經(jīng)信號光纖及光隔離器至泵浦/信號合束器；半導(dǎo)體泵浦激光器(泵浦波長915nm)發(fā)出915nm泵浦激光經(jīng)泵浦光纖及泵浦保護濾波器也到達泵浦/信號合束器，種子激光與泵浦激光經(jīng)泵浦/信號合束器進入摻鐿石英光纖放大器，經(jīng)摻鐿光纖放大后至輸出光隔離器輸出強功率1064nm脈沖紅外激光。系統(tǒng)佩帶者的頭發(fā)指甲等組織放置在支架上，被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的強功率1064nm脈沖紅外激光擊中后，基于libs效應(yīng)產(chǎn)生的等離子體，經(jīng)光纖耦合器被一端固定的光纖收集進入微機電 (mems)光柵光譜儀，等離子體輻射信號經(jīng)微型自聚集凹面閃耀光柵衍射，產(chǎn)生libs光譜信號。微控制器(MCU)發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器的同時，啟動信號經(jīng)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器 DG535產(chǎn)生一微秒量級的延時至CCD驅(qū)動控制電路，以啟動線陣CCD曝光libs光譜信號，該 libs光譜信號先存入CXD輸出緩存器。然后由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊發(fā)送CCD輸出緩存器中的libs信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。


圖1為本專利的原理圖，圖中1——紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊；2——射頻識別 RFID模塊；3——微型電路系統(tǒng)；4——微控制器MCU ；5——脈沖發(fā)生器；6——泵浦激光器驅(qū)動電路及半導(dǎo)體制冷器；7——種子激光器驅(qū)動電路；8——1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器；9——泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器；10——信號光纖；11——泵浦保護濾波器； 12——泵浦光纖；13——光隔離器；14一泵浦/信號合束器；15——摻鐿石英光纖放大器； 16——輸出光隔離器；17——頭發(fā)指甲等組織；18——小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)；19—— 支架；20——等離子體；21——光纖耦合器；22——光纖；23——微機電mems光柵光譜儀； 24——光纖固定端口 ；25——線陣CCD ；26——微型自聚集凹面閃耀光柵；27——CCD驅(qū)動控制電路；28——數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535 ；29——CXD輸出緩存器。
具體實施例方式本專利的原理如圖1所示，整個系統(tǒng)包括微型電路系統(tǒng)3及小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)18兩個大部分。微型電路系統(tǒng)3包括物聯(lián)網(wǎng)功能組件、微控制器MCU4、種子激光器組件、泵浦激光器組件、微機電mems光柵光譜儀23、(XD驅(qū)動控制電路27、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535^和 C⑶輸出緩存器四組成。物聯(lián)網(wǎng)功能組件內(nèi)含紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊1和射頻識別RFID模塊2 ；種子激光器組件內(nèi)含脈沖發(fā)生器5、種子激光器驅(qū)動電路7及1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器8 ；泵浦激光器組件內(nèi)含泵浦激光器驅(qū)動電路及半導(dǎo)體制冷器6及泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器9，該泵浦激光器功率較大，因此需要用半導(dǎo)體制冷器6在其工作時制冷；微機電mems 光柵光譜儀23中內(nèi)含有光纖固定端口 M (可用來一端固定光纖2 、線陣CCD 25和微型自聚集凹面閃耀光柵26。小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)18的工作物質(zhì)為摻鐿石英光纖放大器15，它由1064nm 脈沖半導(dǎo)體種子激光器8提供單模脈沖種子激光，泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器9 提供泵浦激光，泵浦激光選擇915nm是因為摻鐿光纖在895nm到925nm范圍內(nèi)對泵浦吸收平坦。首先由微控制器MCU 4控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊1按照IEEE802. 15. 4協(xié)議無線連接物聯(lián)網(wǎng)，然后射頻識別RFID模塊2遠程完成系統(tǒng)佩帶者身份認證。微控制器MCU 4 發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器5，使1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器8發(fā)射單模脈沖種子激光， 經(jīng)信號光纖10及光隔離器13至泵浦/信號合束器14 ；泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器9發(fā)出915nm泵浦激光經(jīng)泵浦光纖12及泵浦保護濾波器11也到達泵浦/信號合束器 14，種子激光與泵浦激光經(jīng)泵浦/信號合束器14進入摻鐿石英光纖放大器15，經(jīng)摻鐿光纖放大后至輸出光隔離器16輸出強功率1064nm脈沖紅外激光。系統(tǒng)佩帶者的頭發(fā)指甲等組織17放置在支架19上，被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng) 18產(chǎn)生的強功率1064nm脈沖紅外激光擊中后，基于libs效應(yīng)產(chǎn)生的等離子體20，經(jīng)光纖耦合器21被一端固定的光纖22收集進入微機電mems光柵光譜儀23，等離子體20輻射信號經(jīng)微型自聚集凹面閃耀光柵沈衍射，產(chǎn)生libs光譜信號。微控制器MCU4發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器5的同時，啟動信號經(jīng)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535^產(chǎn)生一微秒量級的延時至CXD驅(qū)動控制電路27，以啟動線陣CXD 25曝光libs 光譜信號，該libs光譜信號先存入CCD輸出緩存器四。然后由微控制器MCU4控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊1發(fā)送CXD輸出緩存器四中的libs信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊1接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種小型物聯(lián)網(wǎng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)，它包括微型電路系統(tǒng)(3)及小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)(18)兩個部分，其特征在于所述的微型電路系統(tǒng)(3)由紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)、射頻識別RFID模塊(2)、微控制器MCU、脈沖發(fā)生器(5)、泵浦激光器驅(qū)動電路及半導(dǎo)體制冷器(6)、種子激光器驅(qū)動電路(7)、1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器⑶、泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器(9)、 微機電mems光柵光譜儀^3)、CCD驅(qū)動控制電路(27)、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535 (28)和 CCD輸出緩存器09)組成，其中微機電mems光柵光譜儀中內(nèi)含有光纖固定端口(M)、 線陣CCW25)和微型自聚集凹面閃耀光柵06)三部分；所述的小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)(18)由信號光纖(10)、泵浦保護濾波器(11)、泵浦光纖(12)、光隔離器(13)、泵浦/信號合束器(14)、摻鐿石英光纖放大器(15)和輸出光隔離器(16)組成；系統(tǒng)首先由微控制器MCU (4)控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)按照IEEE802. 15. 4協(xié)議無線連接物聯(lián)網(wǎng)，然后射頻識別RFID模塊(2)遠程完成系統(tǒng)佩帶者身份認證；微控制器MCU(4)發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器，使1064nm脈沖半導(dǎo)體種子激光器發(fā)射單模脈沖種子激光，經(jīng)信號光纖及光隔離器至泵浦/信號合束器(14)；泵浦波長915nm的半導(dǎo)體泵浦激光器(9)發(fā)出915nm泵浦激光經(jīng)泵浦光纖及泵浦保護濾波器也到達泵浦/信號合束器 (14)，種子激光與泵浦激光經(jīng)泵浦/信號合束器(14)進入摻鐿石英光纖放大器，經(jīng)摻鐿光纖放大后至輸出光隔離器輸出強功率1064nm脈沖紅外激光；系統(tǒng)佩帶者的頭發(fā)指甲等組織放置在支架上，被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的強功率1064nm脈沖紅外激光擊中后， 基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜效應(yīng)產(chǎn)生的等離子體，經(jīng)光纖耦合器被一端固定的光纖收集進入微機電mems光柵光譜儀，「等離子體輻射信號經(jīng)微型自聚集凹面閃耀光柵衍射，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號，微控制器MCU(4)發(fā)出啟動信號至脈沖發(fā)生器的同時，啟動信號經(jīng)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器DG535(28)產(chǎn)生一微秒量級的延時至CXD驅(qū)動控制電路(27)，以啟動線陣CCD曝光激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號，該激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號先存入CCD輸出緩存器，然后由微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)發(fā)送CCD輸出緩存器Q9)中的激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂ZigBee 收發(fā)器模塊(1)接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。
2.基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號分析及傳輸方法，其特征在于以下步驟1)微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)無線連接物聯(lián)網(wǎng)后，射頻識別 RFID模塊(2)完成系統(tǒng)佩帶者身份認證；2)系統(tǒng)佩帶者的頭發(fā)指甲等組織(17)被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)(18)產(chǎn)生的強功率1064nm脈沖紅外激光擊中后，基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜效應(yīng)產(chǎn)生的等離子體QO)被光纖 (22)收集進入微機電mems光柵光譜儀(23)，激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號先存入CCD輸出緩存器(29)；3)由微控制器MCU(4)控制紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)發(fā)送激光誘導(dǎo)擊穿光譜信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂ZigBee收發(fā)器模塊(1)接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型物聯(lián)網(wǎng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜醫(yī)學(xué)傳感系統(tǒng)及方法。它的光機電結(jié)構(gòu)中所有供電、控制、制冷、mems光柵光譜儀、緩存、物聯(lián)網(wǎng)身份識別、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能的電子線路全部集中在微型電路系統(tǒng)；所有的光學(xué)元件全部集中在小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)；該結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的微型化程度，滿足了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的小型化要求。醫(yī)學(xué)應(yīng)用時由微控制器(MCU)控制紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊發(fā)送系統(tǒng)佩戴者頭發(fā)等生物組織被小型脈沖光纖激光器系統(tǒng)激光的libs信號至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器專家系統(tǒng)進行分析診斷及存儲，并可通過紫蜂(ZigBee)收發(fā)器模塊接收專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果。
文檔編號G01N21/63GK102353658SQ20111018755
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者萬雄, 王建宇, 舒嶸 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所