基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪及探头制作方法技术

本发明专利技术属于生物医学光学检测技术领域，它公开了一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪及其探头制作方法，所述测试仪包括光源、光源光纤、探测光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上组成光纤阵列探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各端面平齐，端面中心点在一条直线上。本发明专利技术结构简单、可靠，易操作，光纤阵列探头的设计，提升了本发明专利技术测试仪的性能，使其测量空间分辨率达到亚毫米量级。并可根据需要调整光源与探测器间距，分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮下组织光学特性参数的实时的探测测量。本发明专利技术还提出了探测光纤与光源光纤紧密排列光纤阵列探头的制作方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学检测
，涉及一种基于连续波的皮肤光 学特性参数测试仪。
技术介绍
近年来光学方法在医学诊断及研究上的应用已成为一个新的研究热 点。光源发出的光经过组织后被探测器所探测，因此探测器探测到的光 信号为组织所调制后的信号，其信号特征能反映光所经组织的光学特性， 生物组织的光学特性参数对于生物组织疾病的临床诊断具有重要的意 义。例如，吸收系数可以反映生物组织中的色团浓度，散射系数则与细 胞的尺寸大小、组织超微结构等相关。已有研究证实，正常组织和癌变 组织中的色团浓度存在显著差异；而细胞发生癌前病变时，细胞核尺寸 会增加，从而引起组织散射系数的增大。相比于其他的医学检测技术， 如X射线、CT、核磁共振成像等方法，光学技术可以以非侵入式的方式 实施组织的无损结构与功能检测，并具有适用范围广、便携性高、成本 低廉等优点。由于近红外光在组织中有较大的穿透深度，而被看作是组织的光学 窗。因此，光学检测所用的光波长一般都选在近红外波段。而连续波光 学检测方法由于设备简单、方便易用而备受关注。目前连续波的光学检 测系统大都是基于扩散近似，所测得的组织光学特性参数为光源与探测 器之间组织的平均值。为提高组织的探测深度，目前常用的连续波光学 测量技术一般都选用更大的光源与探测器距离，从而降低组织光学特性 参数测量的空间分辨率。而要实现对诸如皮肤等浅表组织光学特性参数 的测量，则须将光源与探测器间距縮小至几个毫米以内。但在这种情况 下，现有的扩散近似理论并不适用。作为人体最大和最重要的器官，皮肤的厚度约为0.5 4mm，总重量 约占人体的8%，皮肤内容纳了人体约1/3的循环血液和约1/4的水分。准确获取皮肤的吸收系数〃。和约化散射系数/4'等光学特性参数，对于激光诊断、激光治疗、光剂量学等理论研究和临床实践有着非常重要的意 义。公开号CN101426419A和公开号CN101427125A的专利技术，介绍了一 种测量皮肤表面光学外观的仪器。该两项专利介绍的仪器都是通过拍摄 皮肤表面图像，然后对图片进行分析，得出皮肤表面的光学外观，诸如 粗糙度，纹理，硬度，摩擦阻力等机械属性或者光泽，发光，黑暗和颜 色变化等可见外观属性，而无法测得皮肤的吸收系数^和约化散射系数 /4'等自身光学特性参数，而且仪器的光路实现复杂，需要光学屏幕，相 机，滤光片，偏振滤光片等；公开号CN101313847A的专利技术提供了一种 对人体皮肤病变组织进行无损光学参数成像的装置与方法。该装置使用 白光光源照射皮肤，采用线阵CCD接受出射光子，光源与线阵CCD是 靠计算机控制的三维移动工作台进行固定，实现对测量皮肤表面的扫描 成像。该装置利用Monte Carlo统计方法逆向求解皮肤组织的吸收系数 和约化散射系数的数值，线阵CCD探测到的漫反射强度曲线的中心与光 束入射点的偏移量和曲线的不对称度用来限制逆向求解的可能的数值范 围。但是，总所周知，Monte Carlo的计算算法繁琐，计算精度严重受限 于其计算时间，不可能得实时的处理结果。而且该专利技术中提及的装置包 括机械三维移动工作台，光栅光谱仪，线阵CCD等，价格昂贵，可实施 性差。
技术实现思路
鉴于上述方法对于皮肤光学特性参数测量的局限性，本专利技术所要解 决的技术问题是提供一种基于光纤阵列的连续波皮肤光学特性参数测试 仪，可以非侵入的方式无损、实时获取皮肤吸收系数^和约化散射系数A'等光学特性参数。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于连续波的皮肤光学特性 参数测试仪，包括光源、光源光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤末端与所述光源耦合，首端向皮肤组织发 出入射光，所述光探测器接收皮肤组织的后向散射光，经所述光信号采 集转换单元采集、转换成数字信号后输入到所述数据处理单元进行运算 处理得到皮肤组织的光吸收系数〃。和约化散射系数/4'，其特征在于，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上，不限于所述光源光 纤、探测光纤、基体组成探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各 端面平齐，各端面中心点在一条直线上，所述探测光纤末端与所述光探 测器耦合，探测光纤首端接收皮肤的后向散射光，然后传输给所述光探湖!l器。本专利技术还可以包括前置放大电路和低通滤波电路，所述光探测器将 接收到的光信号转换成电压信号，再经过所述前置放大电路和低通滤波电路进行放大滤波，之后通过与作为所述数据处理单元的PC连接的数 据采集转换单元对信号实现数据采集、处理、.显示和存储。所述前置放 大电路可以是集成在探测器内部的前置放大器，也可以是连接在探测器 后面的分立放大电路。所述滤波电路可以是模拟滤波电路，也可以是数 字滤波电路。作为优选，所述光探测器为光敏二极管，光敏三极管或者硅光电池。作为优选，所述光源可以是LED光源，也可以是LD或其它激光光 源，波长范围为600~1400nm。更加优选的，所述光源光纤与探测器光纤的最小轴心间距为125微 米，即，系统测量的空间分辨率为亚毫米量级。并可根据需要调整光源 与探测器间距，可以分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮下组织的探测。本专利技术还提出了光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上的 方法，其特征在于，包括以下步骤在基体上刻出能容纳所述全部探测光纤与光源光纤并排排列的矩形剥去所述探测光纤与光源光纤外面的包层，将所述光源光纤与多根 探测光纤紧密的排列在所述矩形槽中，将所述光源光纤与多根探测光纤在所述矩形槽中胶合固定，待胶水完全干后，将光源光纤、多根探测光纤的首端面抛光，在所述光源光纤、多根探测光纤的末端制作APC/FC光纤连接器， 使所述光源光纤、多根探测光纤分别与光源、光探测器耦合。作为优化的方案，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体 上的方法还包括以下步骤将包括所述光源光纤与多根探测光纤已胶合 固定的基体安装在光纤套筒内。本专利技术所述数据处理单元的运算处理原理是利用皮肤组织光子分布 的经验算法，进行反演计算，具体如下光在大部分生物组织中传播时，以指数形式衰减，其衰减单指数函 数f (X)表示经过生物组织的光强的改变<formula>formula see original document page 6</formula>(1)其中，参数x代表光源点与探测点的距离，A和T为最优化中间参数，表达式分别为<formula>formula see original document page 6</formula>(2)"謹*~ (3) 其中^为吸收系数，^^#为有效衰减系数，其表达式为<formula>formula see original document page 6</formula>(4) 最优化中间参数A和r的值，可以通过拟合所测数据得到。然后， 根据公式(2)、 (3)、 (4)，即可以求出皮肤组织的光吸收系数^。和约化散射系数A'。本专利技术采用探测光纤与光源光纤紧密排列，组成本专利技术测试仪的探 头，该探头结构简单、可靠，易操作。同时，提升了本专利技术测试仪的性 能，使其测量空间分辨率达到亚毫米量级。并可根据需要调整光源与探 测器间距，分别实现对皮肤表皮层、真皮层或皮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于连续波的皮肤光学特性参数测试仪，包括光源、光源光纤、光探测器、光信号采集转换单元、数据处理单元，所述光源光纤末端与所述光源耦合，首端向皮肤组织发出入射光，所述光探测器接收皮肤组织的后向散射光，经所述光信号采集转换单元采集、转换成数字信号后输入到所述数据处理单元进行运算处理得到皮肤组织的光吸收系数μ↓［ａ］和约化散射系数μ′↓［Ｓ］，其特征在于，所述光源光纤与多根探测光纤紧密排列安装在基体上，不限于所述光源光纤、探测光纤、基体组成探头，所述探测光纤首端与光源光纤首端的各端面平齐，各端面中心点在一条直线上，所述探测光纤末端与所述光探测器耦合，探测光纤首端接收皮肤的后向散射光，然后传输给所述光探测器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：骆清铭，龚辉，朱，张伟，张中兴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]