一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构设计方法，包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机。本发明专利技术设计了应用于蓝光治疗仪的专用光谱仪，其通过改变狭缝的位置以及光学机构的对应设计，不但省去了冗余功能，缩小了设备体积，使得成本降低，而且提高了对于蓝光范围内的波长的响应度，能够更好的匹配到所需波长，提升使用效果。

【技术实现步骤摘要】
一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光学机构设计方法
本专利技术属于医疗器材领域，涉及质量检测技术，具体涉及一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪及其光源分光系统设计方法。
技术介绍
新生儿黄疸是新生儿时期胆红素在体内积攒过多而引起全身皮肤、粘膜、巩膜等部位出现黄色症状，若不及时治疗可引起智力低下、听觉障碍、死亡或出现永久性神经系统后遗症。新生儿黄疸是新生儿的常见疾病，通常可区分为生理性黄疸和病理性黄疸。一般生理性黄疸是指新生儿的血清胆红素含量未超出一个允许的范围，并且在出生后短时间内通过喂养、排泄的方式会自行消退。对超过生理性允许范围的，我们称作病理性黄疸，病理性黄疸如若不及时治疗，可造成新生儿脑部损伤，严重影响其智力发育，甚至可能导致新生儿的死亡。目前，用于新生儿黄疸治疗除了口服茵栀黄等药物外，主要采用蓝光照射的方法进行，也是目前最有效的手段。蓝光照射治疗即利用具有一定强度的蓝光对新生儿除了眼睛和生殖器官外的身体皮肤进行均匀照射，利用胆红素能吸收光，在光和氧的作用下，脂溶性的胆红素氧化成一种水溶性的产物(光-氧化胆红素，即双吡咯)能从胆汁和尿液排出体外，从而降低血清胆红素浓度。胆红素的吸收光带是400～500毫微米，尤其在420～440毫微米波长时光分解作用最强，蓝光荧光波长主峰在425～475毫微米之间，故多采用蓝色荧光灯进行治疗。现有技术中新生儿蓝光治疗现状：市场上现有的光谱仪型号大多数是通用型，其有些功能在应用到蓝光治疗检测中显得过于冗余；光谱仪所用的光电探测器CCD的波长响应度不能与所要求的波长匹配；光谱仪的体积相较于该设备所需的略显庞大，不能很好的从结构上去优化该检测装置。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，所述盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，所述准直镜用于将入射光反射给光栅，所述光栅用于进行分光给聚焦镜，所述聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，所述CCD探测器用于将光信号转换成电信号，所述驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，所述CCD探测模块连接着信号调理电路模块，所述信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，所述ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，所述上位机用于根据数字信号进行光谱成像。进一步的，所述CCD探测模块和FPGA系统之间设置有时序电平转换模块，所述时序电平转换模块用于对CCD探测模块的电压进行稳压。进一步的，所述盒体的狭缝口处设置有聚焦透光镜。进一步的，所述准直镜位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处。进一步的，所述准直镜、光栅和聚焦镜分别通过第一固定底座、第二固定底座和第三固定底座安装在盒体内的底面、左侧面和右侧面上。一种专用光谱仪的光学机构设计方法，包括如下步骤：S1：确定工作波长、光谱分辨率和光栅常数；S2：确定在工作波长的光经过准直后照射到光栅上选取合适的入射角i和衍射角θ的夹角Φ；S3：根据光栅的衍射方程计算出i、θ的设计值，因为i+θ＝Φ；S4：根据闪耀波长和工作波长的关系，得到闪耀波长的取值范围，选取闪耀波长的值；S5：利用分辨率和准直镜的关系计算准直镜的焦距f1；S6：确定狭缝宽度，根据线色散函数求得聚焦镜的焦距f2；S7：根据消慧差公式，计算出准直镜的离轴倾角和聚焦镜的离轴倾角S8：根据球差判据公式求出准直镜的口径D1；依据从准直镜发射的光恰好都能被光栅接受来确定光栅宽度W；依据从光栅发出的衍射光的工作波长的最大值和最小值恰好能在聚焦镜的两个边缘处被接受来确定聚焦镜的口径D2；S9：根据计算得到的参数值，确定光学机构中各个元件在盒体内的相对位置；S10：将准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块参照获取的相对位置，分别安装在盒体内。进一步的，所述步骤S3中光栅的衍射方程具体为：d(sini-sinθ)＝mλ其中，d为光栅线对数；m为衍射等级；λ为入射光波长。进一步的，所述步骤S6中线色散函数具体为：其中，θ为探测器的面倾角；λ1,λ2为工作波长最小值、最大值；n为光栅线对数的倒数。进一步的，所述步骤S7中消慧差公式为：其中，R1,R2为准直镜和聚焦镜的曲率半径；α1,α2为离轴倾角；i为入射角。本专利技术的专用光谱仪包括光学系统结构和软、硬件系统结构。光学系统在CT光学结构的原理上简化设计成交叉式的光学系统，从结构上减小了光谱仪体积，便于光谱仪安装在检测系统上，其狭缝口置于盒体上方中央位置；硬件电路通过FPGA驱动且将其设计在盒体外可以进一步减小光谱仪的体积，通过USB将数据传输到上位机上，整个操作流程简单、体型微小。传统的微型光谱仪的光学系统结构主要放置于水平面进行光路传输，其狭缝位置设与光谱仪盒体侧面，其驱动电路内置于盒体。本专利技术设计的光谱仪为了能良好的运用在新生儿黄疸蓝光治疗仪检测装置上，将其光学系统的结构放置在竖直空间中进行光路传输，将狭缝入口置于光谱仪顶面且在狭缝口处安装一个聚焦透光镜，该聚焦透光镜可以将光源的光聚集射入到狭缝内，能更高效的接受光信号，将驱动电路外置，通过开口接出排针相连接，通过其元件空间排布、驱动电路外置可以将其体积在原有的基础上更加微小型化，解决了因体积过大、光谱范围不合适、光源利用效率、成本过高等在新生儿黄疸蓝光治疗仪检测光谱检测过程中出现的问题。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：1、本专利技术提供的光谱仪是应用于蓝光治疗仪的专用光谱仪，其通过改变狭缝的位置以及光学机构的对应设计，不但省去了冗余功能，缩小了设备体积，使得成本降低，而且提高了对于蓝光范围内的波长的响应度，能够更好的匹配到所需波长，提升使用效果。2、采用专用光谱仪对蓝光治疗仪光源光谱的范围的检测以及研究，对于相关标准规范的探讨、推进具有积极的作用，对于蓝光治疗仪主要质量参数的日常检测维护，对于了解蓝光治疗仪的性能状态非常重要，能够有效避免源于蓝光治疗仪的医疗事故，降低临床使用风险。附图说明图1为专用光谱仪的系统结构图；图2为光电探测器驱动系统的结构图；图3为光学机构的设计流程图；图4为光学元件参数示意图；图5为光学机构的基本原理图；图6为光学机构在盒体内的示意图；图7为准直镜口径D1、光栅宽度W和聚焦镜口径D2的光学示意图；图8为CCD探测器中的应用电路示意图；图9为时序电平转换模块的电路示意图；图10为信号调理电路示意图；图11为ADC模数转换器中的电路示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，所述盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，所述准直镜用于将入射光反射给光栅，所述光栅用于进行分光给聚焦镜，所述聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，所述CCD探测器用于将光信号转换成电信号，所述驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，所述CCD探测模块连接着信号调理电路模块，所述信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，所述ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，所述上位机用于根据数字信号进行光谱成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：包括盒体、位于盒体内的光学机构以及驱动电路模块，所述盒体的顶面开设有用于透光的狭缝，所述光学机构包括准直镜、光栅、聚焦镜和CCD探测模块，所述准直镜用于将入射光反射给光栅，所述光栅用于进行分光给聚焦镜，所述聚焦镜用于将光线聚焦反射至CCD探测模块，所述CCD探测器用于将光信号转换成电信号，所述驱动电路模块包括依次连接的信号调理电路模块、ADC模数转换器、FPGA系统、USB控制芯片和上位机，所述CCD探测模块连接着信号调理电路模块，所述信号调理电路模块用于将CCD探测模块输出的电信号进行信号处理，所述ADC模数转换器用于将电信号转换成数字信号，所述上位机用于根据数字信号进行光谱成像。


2.根据权利要求1所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述CCD探测模块和FPGA系统之间设置有时序电平转换模块，所述时序电平转换模块用于对CCD探测模块的电压进行稳压。


3.根据权利要求1所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述盒体的狭缝口处设置有聚焦透光镜。


4.根据权利要求3所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述准直镜位于狭缝中心轴线与盒体底面的交点处。


5.根据权利要求1所述的一种用于新生儿黄疸蓝光治疗仪的专用光谱仪，其特征在于：所述准直镜、光栅和聚焦镜分别通过第一固定底座、第二固定底座和第三固定底座安装在盒体内的底面、左侧面和右侧面上。


6.一种专用光谱仪的光学机构设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：确定工作波长、光谱分辨率和光栅常数；
S2：确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚绍卫，鲍安平，余琦，仲倩，苏根发，
申请(专利权)人：南京信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32