CN104000600B - 经皮生物光学检测装置及经皮黄疸检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种经皮生物光学检测装置，其包括LED光源、出光镜、导光镜、分光镜、第一滤光片、第一光电传感器、第二滤光片和第二光电传感器。LED光源的发射光经由出光镜照射到待测皮肤上，由待测皮肤的反射光经由导光镜传导至分光镜，并被分光镜分成两束，其中一束经由第一滤光片透过后被第一光电传感器接收，另一束经由第二滤光片透过后被第二光电传感器接收。该经皮生物光学检测装置使用的LED光源较之频闪氙灯，稳定性强，且不需要使用高压设备驱动，避免了低频电磁波辐射的影响，可以提高检测精度，同时，由于不需要复杂的驱动设备，整个装置体积小、能耗低、安全系数高。此外，本发明还涉及一种含有该经皮生物光学检测装置的经皮黄疸检测仪。
Description
技术领域
本发明涉及医疗仪器领域，尤其是涉及一种经皮生物光学检测装置及含有该检测装置的经皮黄疸检测仪。
背景技术
传统的经皮光学检测仪器，如经皮黄疸检测仪，光源主要使用频闪氙灯。图4为一种氙灯光源的光谱曲线分析，从图4中可以看出该氙灯的光谱具有较宽的光谱范围，覆盖光波的范围从100到1900nm以上。氙灯光源的宽光谱范围使其具有良好的显色特性，然而却也决定了其具有高功耗的不足，因此在移动仪器中应用会有很多问题，不论在设计中和使用中都会有诸多不便，例如在设计中高电压的和瞬间电流产生的低频电磁波的干扰，在设计放大电路时很难滤除，由于电磁辐射强度太强而引起仪器的精度无法保证。此外，由于频闪氙灯需要高电压驱动，在使用和维护过程，体积较大使用不便且安全隐患高。
发明内容
基于此，有必要提供一种测量精度较高、仪器体积较小且较为安全的经皮生物光学检测装置及含有该检测装置的经皮黄疸检测仪。
一种经皮生物光学检测装置，包括LED光源、出光镜、导光镜、分光镜、第一滤光片、第一光电传感器、第二滤光片和第二光电传感器；所述LED光源的色温为3700K～5000K；所述分光镜与所述第一滤光片配合用于透过波长为460nm的蓝光；所述第一光电传感器用于采集所述第一滤光片的透射光并转换成相应的第一电信号；所述分光镜与所述第二滤光片配合用于透过波长为550nm的绿光；所述第二光电传感器用于采集所述第二滤光片的透射光并转换成相应的第二电信号；
所述LED光源的发射光经由所述出光镜照射到待测皮肤上，由所述待测皮肤反射的反射光经由所述导光镜传导至所述分光镜，并被所述分光镜分成两束，其中一束经由所述第一滤光片透过后被所述第一光电传感器接收，另一束经由所述第二滤光片透过后被所述第二光电传感器接收。
在其中一个实施例中，所述LED光源的色温为4300K～4800K。
在其中一个实施例中，所述出光镜及所述导光镜采用全光谱透光材料制作，透光率不小于90％。
在其中一个实施例中，所述分光镜为二向色镜，能够透过波长为460nm的光并反射波长为550nm的光或者能够透过波长为550nm的光并反射波长为460nm的光；且所述分光镜的镜面与所述导光镜出射光的夹角为45°。
在其中一个实施例中，所述第一滤光片为460nm窄带滤光片。
在其中一个实施例中，所述第一光电传感器为光电池或采集波段为350～550nm的色敏传感器。
在其中一个实施例中，所述第二滤光片为550nm窄带滤光片。
在其中一个实施例中，所述第二光电传感器为光电池或采集波段为450～650nm的色敏传感器。
上述经皮生物光学检测装置可广泛应用于手持医疗检测仪器中，用于对生物经皮检测病理，如应用在经皮黄疸检测仪中，其使用的LED光源较之频闪氙灯，稳定性强，且不需要使用高压设备驱动，避免了低频电磁波辐射的影响，可以提高检测精度，同时，由于不需要复杂的驱动设备，整个装置体积小、能耗低、成本低、安全系数也得以提升。
一种经皮黄疸检测仪，包括处理器和显示器，此外，所述经皮黄疸检测仪还包括上述任一实施例所述的经皮生物光学检测装置，其中，所述第一光电传感器与所述处理器连接并向所述处理器发送所述第一电信号，所述第二光电传感器与所述处理器连接并向所述处理器发送所述第二电信号，所述处理器将接收的所述第一电信号与所述第二电信号进行比对分析以得到黄疸指数，所述显示器与所述处理器连接用于显示所述处理器的分析处理结果。
在其中一个实施例中，所述经皮黄疸检测仪还包括信号放大器，所述第一光电传感器及所述第二光电传感器经由所述信号放大器与所述处理器连接。
生物皮下组织对特定波长光的吸收与血清中胆红素浓度存在密切关系，可利用光照射皮肤后反射光中的蓝色光波(波长为460nm)与绿色光波(波长为550nm)之间的强度差来检测沉积于皮肤组织内胆红素的浓度。上述经皮黄疸检测仪的LED光源照射皮肤后的反射光由分光镜分成两道光束，并分别经第一和第二滤光片后得到蓝光和绿光，其中，绿光的强度可以反映背光源的光照强度、蓝光主要用于反映待测者血液中黄疸值。第一和第二光电传感器接收的光强度转换成电压信号后存在着一定的电压差值，该电压差即可反映待测者的黄疸指数，处理器经过分析处理得到该电压差，可以反映待测者的黄疸指数。
附图说明
图1为一实施方式的经皮生物光学检测装置的结构示意图；
图2为各波段色温特性的辐射功率示意图；
图3为经分光镜分成的两道光束的光强度电压值的对比关系示意图；
图4传统的频闪氙灯光源的光谱图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，一实施方式的经皮生物光学检测装置100包括LED光源110、出光镜120、导光镜130、分光镜140、第一滤光片150、第一光电传感器160、第二滤光片170和第二光电传感器180。该经皮生物光学检测装置100可应用于手持医疗检测仪器中，用于对生物经皮检测病理，如应用在经皮黄疸检测仪中。LED光源110的发射光经由出光镜120照射到待测皮肤200上，由待测皮肤反射的反射光经由导光镜130传导至分光镜140，并被分光镜140分成两束，其中一束经由第一滤光片150透过后被第一光电传感器160接收，另一束经由第二滤光片170透过后被第二光电传感器180接收。
如图2所示，LED的光谱特性图谱分为两个波峰，分别称为大波峰和小波峰，波峰的比例直接影响到应用的环境和显色性，如下分析：
a)图2中线I，色温5000K～10000K，其光波小波峰在440nm～475nm之间最活跃，在460nm辐射功率达到100％；大波峰在520nm～600nm之间活跃，但最大值550nm处辐射功率只有50％的峰值。由此可分析出大波峰与小波峰相差50％左右时，加上光发射和反射的损耗，光电传感器接收到的光强很弱，可能导致光电传感器无法工作，由于两波峰辐射相差太多对光电传感器的分度也有直接的影响，可见此段色温的LED不适合用作LED光源110。
b)图2中线II，色温3700K～5000K，其光波小波峰在430nm～465nm之间最活跃，在440nm辐射功率达到100％；大波峰510nm～660nm之间活跃，最大值580nm，辐射功率峰值89％。从此曲线可以看出小波460nm的光波辐射功率在80％左右，大波峰550nm处的光波辐射功率也在80％左右，两者辐射功率都在同一线上，也就表明两个波长在无干涉的情况下的辐射功率基本相等，该波段的光波辐射功率约在同一条线上，即使加上干涉影响，其线度也非常理想。
c)图2中线III，色温2600K～3700K，其光波小波峰在440nm～465nm之间最活跃，在460nm辐射功率达到62％左右；大波峰520nm～675nm之间活跃，最大值600nm辐射功率峰值100％，大波峰550nm处的光波辐射功率在70％。由图3数据显示小波峰的辐射功率小于大波峰的辐射功率，两者相差8％，表明此波段的光波线性度略差。
因此，本实施方式的LED光源110的色温选用3700K～5000K，优选在4300K-4800K之间，色温如果偏差太大，光电传感器的线性就会受到影响。
请结合图2和图4，本实施方式的LED光源110的光谱范围是在400nm～760nm之间，而传统的氙灯光源的光谱范围是从100到1900nm以上。氙灯光源与本实施方式中的LED光源110相比，氙灯光源远大于LED光源110的光谱辐射功率。从图4可以看出光谱是以100上升一个等分格，因而氙灯光谱占有19-1＝18个等分格，而LED光源110从400nm～800nm占有8-4＝4个等分格，由18/4＝4.5，由此算出传统的氙灯光源相当于LED光源110的4.5倍辐射功率，而氙灯光源其他光谱波段的光波无论在照明上还是在经皮检测应用时都视为无用波段，也即相比较传统的氙灯光源，本实施方式的LED光源110具有辐射小、体积小、且精度高、稳定性好、能耗低等优点。
出光镜120及导光镜130采用全光谱透光材料制作，透光率不小于90％，如采用全光谱石英玻璃或全光谱透光有机玻璃制作等。出光镜120将LED光源110封装在其中，以保证LED光源110发光的稳定性。导光镜130为柱形镜，如方柱型、圆柱形等，其均一性好，不含有气泡等杂质。本实施方式的LED光源110围绕导光镜130设置，导光镜130从LED光源110的中部穿出，用于将待测皮肤200的反射光传导至分光镜140。
分光镜140为二向色镜，能够透过波长为460nm的光并反射波长为550nm的光或者能够透过波长为550nm的光并反射波长为460nm的光。分光镜140的镜面与导光镜130出射光的夹角为45°，从而经过待测皮肤的反射光经分光镜140后可被分成波长为460nm的蓝光和波长为550nm的绿光。
第一滤光片150与分光镜140配合用于透过波长为460nm的蓝光。在本实施方式中，第一滤光片150为460nm窄带滤光片，经分光镜140筛选得到的蓝光经第一滤光片150进一步筛选，以提高检测结果的准确性。
第一光电传感器160用于采集第一滤光片150的透射光并转换成相应的第一电信号，如电压信号等。在本实施方式中，第一光电传感器170为采集波段在350～550nm之间的色敏传感器(如光敏二极管或光敏电阻等)。
第二滤光片170与分光镜140配合用于透过波长为550nm的绿光。在本实施方式中，第二滤光片170为550nm窄带滤光片，经分光镜140筛选得到的绿光经第二滤光片170进一步筛选，以提高检测结果的准确性。
第二光电传感器180用于采集第二滤光片170的透射光并转换成相应的第二电信号，如电压信号等。在本实施方式中，第二光电传感器180为采集波段在350～550nm之间的色敏传感器(如光敏二极管或光敏电阻等)。
本实施方式的分光镜140能够透过波长为460nm的光并反射波长为550nm的光或者能够透过波长为550nm的光并反射波长为460nm的光，且第一滤光片150及第二滤光片170分别透过波长为460nm的蓝光与波长为550nm的绿光，但可理解，在其他实施方式中，不限于上面设计，只要满足第一滤光片150与分光镜140配合用于透过波长为460nm的蓝光且第二滤光片170与分光镜140配合用于透过波长为550nm的绿光即可。
第一光电传感器160和第二光电传感器180均采用色敏传感器，精度高、工作电路设计简单、体积小，使用本实施方式的小型移动手持仪器。可理解，在其他实施方式中，第一光电传感器160和第二光电传感器180还可以采用光电池等元件制作。光电池光谱响应范围在300～1100nm之间，峰值波长为800～900nm，短路电流与传感器的体积面积有关，面积越大短路电流也就越大，响应时间从0.5μs～30μs。应用光电池作光电传感器时应注意仪器所需要的反应响应时间，在检测仪器中为加快上升时间通常加大光电池的面积，设计成电流型(I/V电流转电压电路)放大电路来满足检测电路的要求。
该经皮生物光学检测装置100可广泛应用于手持医疗检测仪器中，用于对生物经皮检测病理，如应用在经皮黄疸检测仪中，其使用的LED光源110较之频闪氙灯，稳定性强，且不需要使用高压设备驱动，避免了低频电磁波辐射的影响，可以提高检测精度，同时，由于不需要复杂的驱动设备，整个装置体积小、能耗低、成本低、安全系数也得以提升。
此外，本实施方式还提供了一种经皮黄疸检测仪，其包括处理器、显示器、信号放大器和上述经皮生物光学检测装置。其中，第一光电传感器及第二光电传感器经由信号放大器与处理器连接，第一光电传感器用于向处理器发送第一电信号，第二光电传感器用于向处理器发送第二电信号，处理器将接收的第一电信号与第二电信号进行比对分析以得到黄疸指数，显示器与处理器连接用于显示处理器的分析处理结果。
生物皮下组织对特定波长光的吸收与血清中胆红素浓度存在密切关系，可利用光照射皮肤后反射光中的蓝色光波(波长为460nm)与绿色光波(波长为550nm)之间的强度差来检测沉积于皮肤组织内胆红素的浓度。上述经皮黄疸检测仪的LED光源110照射待测皮肤200后的反射光由分光镜分成两道光束，并分别经第一和第二滤光片后得到蓝光和绿光。如图3所示，第一光电传感器160和第二光电传感器180接收的光强度转换成电压信号后存在着一定的电压差值，该电压差即可反映待测者的黄疸指数，处理器经过分析处理得到该电压差，可以反映待测者的黄疸指数。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种经皮黄疸检测仪，包括处理器和显示器，其特征在于，还包括经皮生物光学检测装置，所述经皮生物光学检测装置包括LED光源、出光镜、导光镜、分光镜、第一滤光片、第一光电传感器、第二滤光片和第二光电传感器；所述LED光源的色温为3700K～5000K；所述分光镜与所述第一滤光片配合用于透过波长为460nm的蓝光；所述第一光电传感器用于采集所述第一滤光片的透射光并转换成相应的第一电信号；所述分光镜与所述第二滤光片配合用于透过波长为550nm的绿光；所述第二光电传感器用于采集所述第二滤光片的透射光并转换成相应的第二电信号；
所述LED光源的发射光经由所述出光镜照射到待测皮肤上，由所述待测皮肤反射的反射光经由所述导光镜传导至所述分光镜，并被所述分光镜分成两束，其中一束经由所述第一滤光片透过后被所述第一光电传感器接收，另一束经由所述第二滤光片透过后被所述第二光电传感器接收；
其中，所述第一滤光片为460nm窄带滤光片；所述第一光电传感器为采集波段为350～550nm的色敏传感器；
所述第二滤光片为550nm窄带滤光片；所述第二光电传感器为采集波段为450～650nm的色敏传感器；
所述处理器用于控制所述LED光源连续发光，所述第一光电传感器与所述处理器连接并向所述处理器发送所述第一电信号，所述第二光电传感器与所述处理器连接并向所述处理器发送所述第二电信号，所述处理器将接收的所述第一电信号与所述第二电信号进行比对分析以得到黄疸指数，所述显示器与所述处理器连接用于显示所述处理器的分析处理结果。
2.如权利要求1所述的经皮黄疸检测仪，其特征在于，所述LED光源的色温为4300K～4800K。
3.如权利要求1所述的经皮黄疸检测仪，其特征在于，所述出光镜及所述导光镜采用全光谱透光材料制作，透光率不小于90％。
4.如权利要求1所述的经皮黄疸检测仪，其特征在于，所述分光镜为二向色镜，能够透过波长为460nm的光并反射波长为550nm的光或者能够透过波长 为550nm的光并反射波长为460nm的光；且所述分光镜的镜面与所述导光镜出射光的夹角为45°。
5.如权利要求1所述的经皮黄疸检测仪，其特征在于，还包括信号放大器，所述第一光电传感器及所述第二光电传感器经由所述信号放大器与所述处理器连接。
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