一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，包括脉冲光滤波和准直单元、脉冲激光振幅调制单元、样品单元、收集放大单元、信号解调单元和频谱分析单元；本发明专利技术同时公开了采用上述测量系统的测量方法。本发明专利技术的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统和测量方法具有测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大、检测带宽高、系统灵敏度高的特点。

A measurement system and method of blood flow velocity and oxygen content by photoacoustic Doppler

【技术实现步骤摘要】
一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法
本专利技术涉及流速测量
，具体是指一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法。
技术介绍
光声多普勒效应是指当相对于超声换能器运动的光吸收物质样品吸收光时，在光照下由于光声效应和多普勒效应，被超声换能器检测到的声波有多普勒频移的现象。通过测量获得平均多普勒频移fd,通过计算可以获得平均流速其中θ为血流方向和超声换能器轴线之间的夹角,ca为声波的传播速度，f0为连续光波的强度调制频率。现有的光声血流流速测量技术，主要包括连续波光声多普勒流速测量、正弦脉冲波光声多普勒流速测量、脉冲波光声多普勒流速测量等。连续波光声多普勒流速测量中的激光源为正弦连续调制波，所用的光源为正弦调制连续波，对于多普勒频移的提取是通过锁相放大器对光声多普勒频移信号和参考信号的解调来完成的。最后，通过信号采集软件将时域信号存储到计算机中，计算机进行FFT(快速傅里叶变换)处理，得到光声多普勒频移信号，从而计算出流速大小和方向。正弦脉冲波光声多普勒的流速测量中的激光源为正弦脉冲连续调制波，利用相对灵活的外部调制方式和高灵敏度的外差检测，使得可测流速范围增大，能够同时测量流速和位置，能够缓解测量轴向位置和可探测最大速率的折中问题，与锁相测量机制相比，这里的信号接收器的中心频率可以改变，并不只限于直流。脉冲波光声多普勒流速测量是用脉冲激光激发。一种脉冲激光声多普勒流速测量技术，用几个光脉冲对来激发，利用互相关方法来获得光声波形对的时间频移，从而推测速度。另一种脉冲激光声多普勒流速测量提出了一种基于光声多普勒带宽展宽测量横向流速的新方法由探测光束的几何形状和速度决定横向流速，通过利用脉冲激光激发和光栅电机扫描，三维结构和流速都可以同时进行，多普勒带宽依赖于流速的线性相关性，可以精确的流速测量。在连续波光声多普勒流速测量中，由于光声信号比较微弱，能够测量的流速不能太快，随着流速的增大，多普勒频谱会展宽、峰值变多，影响测量的灵敏度而且不能获得超声换能器与颗粒之间的深度信息。正弦脉冲波光声多普勒的流速测量，使用正弦脉冲信号调制连续波光强，外部调制和外差检测，使用的激光功率比较低，所产生的光声信号比较弱，频谱分辨率比较低，信噪比比较差。一种脉冲激光声多普勒流速测量技术，用几个光脉冲对来激发，利用互相关方法来获得光声波形对的时间频移，从而推测速度，但是，较高浓度的粒子和粒子的非线性运动(湍流和涡流)导致不良相关性，速度测量的精度和准确性越差。另一种脉冲激光声多普勒流速测量提出了一种基于光声多普勒带宽展宽测量横向流速的新方法由探测光束的几何形状和速度决定横向流速，通过利用脉冲激光激发和光栅电机扫描，多普勒带宽依赖于流速的线性相关性，由于组织的低信噪比和流动的湍流，流速的测量精度会受到较大的影响，需要通过对模型的校正才能提高测量的精度。如果光声信号与噪声相差不大或者光声信号比噪声要小时，不能充分利用数字信号处理和锁相技术的优势来精确提取所需要的信号，从而很难精确测量血液的流速和不能做多个波长的光声多普勒流速测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法，具有测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大、检测带宽高、系统灵敏度高的特点。本专利技术是通过以下方法实现的：本专利技术公开了一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，包括：用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；用于把准直激光进行振幅调制的偏振方向互相垂直的格兰棱镜、1/4波片的脉冲激光振幅调制单元；用于置入血管样品的样品单元；用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行处理多普勒分析得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元。在本专利技术中，基于光声多普勒效应的测流技术是利用了示踪颗粒的光吸收特性，不同于激光多普勒测流技术和超声多普勒测流技术是利用了示踪颗粒的光散射或声散射特性，而且血红细胞是一种内源性的光吸收性能良好的颗粒，其光吸收系数比一般的生物组织要高将近2个数量级。对血液流速测量而言，光声多普勒技术具有探测深度相对于激光多普勒测流技术要大，探测灵敏度相对于超声多普勒侧流技术要高的优点。进一步地，脉冲光滤波和准直单元包括超连续谱激光器、滤波器和耦合准直透镜，超连续谱激光器产生的脉冲激光依次通过滤波器、单模光纤传输到耦合准直透镜耦合准直后得到准直激光。进一步地，脉冲激光振幅调制单元包括水平偏振格兰棱镜、偏振方向和水平偏振格兰棱镜的方向成45度的1/4波片、电光晶体和垂直偏振格兰棱镜，脉冲激光依次通过水平偏振的格兰棱镜、1/4波片、电光调制器、垂直偏振格兰棱镜变成正弦波振幅调制的脉冲激光。进一步地，信号解调单元包括波形发生器、锁相放大器，锁相放大器与频谱分析单元连接。进一步地，收集放大单元包括用于收集照射样品后频移光声波的宽带聚焦型超声换能器、用于将超声换能器的焦斑与激光的光斑重合产生光声信号的三维精密位移平台和用于将光声信号进行放大处理的前置放大器。进一步地，频谱分析单元包括用于将前置放大器的放大输出的光声信号和波形发生器输出的参考信号进行锁相处理提取光声波频移的锁相放大器和用于观察存储频移后光声波信号的数字示波器。利用高重复频率的锁模激光加入光强度频率调制，然后结合相敏锁相探测技术，在相干非线性光学成像中具有明显的优势。进一步地，频谱分析单元还包括用于对锁相放大器的解调信号和数字示波器的频移的光声信号进行数据处理的电子计算机，数据处理过程包括傅里叶变换处理。进一步地，滤波器把超连续谱激光器产生的脉冲激光筛选形成532nm、20MHz重频的脉冲激光。进一步地，超声换能器设置在三维精密位移平台上，超声换能器的中心频率为1MHz。本专利技术的另外一个目的在于保护采用上述光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的测量方法。本专利技术一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，具有如下的有益效果：本专利技术将高频脉冲激光与正弦波强度调制相结合，从而得到流速测量精度高、可测流速范围大、可测深度大、频谱展宽小、频谱分辨率高，波长选择范围大从可见光到红外、检测带宽高、系统灵敏度高的可测吸收光谱的光声多普勒血流流速测量系统，从而实现对血管的血红细胞流速的精确测量以及对动静脉血的区分附图说明图1为本专利技术一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的系统组成示意图；图2为本专利技术一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统的模拟的连接关系示意图；图3为本专利技术一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统模拟连接关系示意图中样品与光路关系示意图；图4为未经过调制的10MHz脉冲激光激发的光声信号的频谱图；图5未经过调制的10MHz脉冲激光激发的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于包括：/n用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；/n用于把准直激光进行振幅调制的偏振方向互相垂直的格兰棱镜、1/4波片的脉冲激光振幅调制单元；/n用于置入血管样品的样品单元；/n用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；/n用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；/n用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行处理多普勒分析得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于包括：
用于滤波、准直得到准直激光的脉冲光滤波和准直单元；
用于把准直激光进行振幅调制的偏振方向互相垂直的格兰棱镜、1/4波片的脉冲激光振幅调制单元；
用于置入血管样品的样品单元；
用于对照射通过样品单元产生的脉冲激光声波信号进行收集、放大处理的收集放大单元；
用于对放大后的光声信号和参考信号进行解调处理的信号解调单元；
用于对收集放大单元和信号解调单元所得的信号进行处理多普勒分析得到样品血流流速和血氧含量的频谱分析单元。


2.根据权利要求1所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述脉冲光滤波和准直单元包括超连续谱激光器、滤波器和耦合准直透镜，所述超连续谱激光器产生的脉冲激光依次通过滤波器、单模光纤传输到耦合准直透镜耦合准直后得到准直激光。


3.根据权利要求2所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述脉冲激光振幅调制单元包括水平偏振格兰棱镜、偏振方向和水平偏振格兰棱镜的方向成45度的1/4波片、电光晶体和垂直偏振格兰棱镜，脉冲激光依次通过水平偏振的格兰棱镜、1/4波片、电光调制器、垂直偏振格兰棱镜变成正弦波振幅调制的脉冲激光。


4.根据权利要求3所述的光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统，其特征在于：所述信号解调单元包括波形发生器、锁相放大器，锁相放...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕彬，蔡建芃，方晖，袁小聪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44