多层次微循环状态监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多层次微循环状态监测装置，包括：光源控制器、多波长光源、起偏器、光纤组、反光系统、成像光路透镜组、检偏器、探测器、图像分析与处理系统和成像光路控制器。成像光路控制器控制成像光路透镜组的成像聚焦距离；光源控制器驱动多波长光源发射出不同波长和功率的照明光束；反光系统控制偏振照明光束投射到组织表面的入射角度。本实用新型提供的装置，通过对成像聚焦距离、照明光束的波长和功率、偏振照明光束投射到组织表面的入射角度这四个参数进行改动，图像分析与处理系统便可实时、清晰地捕捉到人体组织内部不同深度的多层次微循环状态信息。本实用新型还公开了一种多层次微循环状态监测方法。
【专利说明】多层次微循环状态监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及生物光学成像【技术领域】，尤其涉及一种能够在人体组织里不同深 度的多层次微循环状态监测装置与方法。
【背景技术】
[0002] 在人体血液循环系统中，微循环是指微动脉和微静脉之间的血液循环，血液循环 最根本的功能是进行血液和组织之间的物质交换，这一功能就是在微循环部分实现的，人 体每个器官，每个组织细胞均要由微循环提供氧气、养料，传递能量，排除二氧化碳及代谢 废物。一旦人体的微循环发生障碍，其相应的组织系统或内脏器官就会受到影响而不能发 挥正常功能，就容易导致人体器官的衰竭、免疫功能的紊乱以及疾病的发生。实时监测微 循环状况，特别是如何快速简单地监测危重病人的微循环状况，如早期发现休克(微循环衰 竭）征兆等，对于提商危重病人的生存率极为关键。
[0003] 目前的基于正交偏振成像的微循环成像装置存在局限性，主要体现在：一方面，采 用单一波长的偏振光投射到皮肤表面，使得偏振光的只能透射到一个特定的深度或只能观 察到在特定深度的微血管，而微循环是以三维的形式分布；另一方面，单一的调整微循环成 像装置的视场和数值孔径，只能改善一个特定深度微血管的视场和图像分辨率，却无法对 以三维形式分布的多层次的微循环各状态区域进行细致观察；还有，对于休克状态下的病 人，由于各器官组织中的微循环灌流不足，实时地观察微循环各区域的灌流状态具有重要 的临床意义，普通的微循环成像装置很难或不能对获取到的休克病人微循环成像信息进行 深浅判断，也无法对不同深度的多层次微循环状态进行清晰成像。
【发明内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种多层次微循环状态监测装置与方 法，根据操作者设定要观察的微循环深度层次，成像光路透镜组调整到适合的成像聚焦距 离，通过控制照明光束的波长、功率和其投射到人体组织表面的入射角度，使得照明光束与 成像聚焦面出现在同一水平面上。在操作者不断调整观察深度的过程中，多层次微循环状 态监测装置自动对上述成像聚焦距离、照明光束的波长和功率、偏振照明光束投射到人体 组织表面的入射角度这四个参数进行改动，图像分析与处理系统便可实时、清晰地捕捉到 人体组织内部不同深度的多层次微循环状态信息。
[0005] 为解决以上技术问题，本实用新型实施例提供一种多层次微循环状态监测装置， 包括：光源控制器、多波长光源、起偏器、光纤组、反光系统、成像光路透镜组、检偏器、探测 器、图像分析与处理系统和成像光路控制器；
[0006] 所述光源控制器，用于根据操作者设定的监测人体组织微循环深度要求，驱动所 述多波长光源发射出不同波长和功率的照明光束；
[0007] 所述多波长光源，用于提供多组不同波长和功率的照明光束；
[0008] 所述起偏器，用于改变所述照明光束的光学特性，使其变成偏振照明光束；
[0009] 所述光纤组接收来自所述起偏器的偏振照明光束，并将所述偏振照明光束准直为 平行偏振照明光束后，导入到所述反光系统；
[0010] 所述反光系统的光路部分设置在装置探头的末端，通过调整所述反光系统内部反 光片的转动角度，从而改变所述平行偏振照明光束投射到人体组织的角度；
[0011] 所述成像光路透镜组用于采集从人体组织表面反射回来的偏振照明光束和在人 体组织内部经过多次散射后退偏的非偏振照明光束，将其经过所述检偏器并投射到所述探 测器上；
[0012] 所述检偏器的偏振方向与所述起偏器偏振方向垂直，作用是把被组织表面反射回 来的偏振照明光束过滤，只让在组织内部经过多次散射后发生退偏的非偏振照明光束通 过，并投射到所述探测器上；
[0013] 所述探测器把采集到的携带人体组织微循环信息的非偏振照明光束进行光电转 换，得到电图像信号，并将电图像信号传送到所述图像分析与处理系统；
[0014] 所述图像分析与处理系统对所述电图像信号进行实时分析、处理、储存及反馈；
[0015] 所述成像光路控制器，用于对成像光路透镜组的成像聚焦距离进行调整；
[0016] 所述图像分析与处理系统根据图像信息与成像光路控制器、光源控制器、反光系 统进行通信，调整所述偏振照明光束透射到人体组织内的深度层次，以便获得清晰的多层 次微循环状态信息。
[0017] 进一步地，所述光纤组包含保偏光纤和光纤准直器两部分；
[0018] 所述保偏光纤，用于保持传输中偏振照明光束的偏振状态；所述光纤准直器可以 将保偏光纤内传输的偏振照明光束准直成平行的偏振照明光束；
[0019] 优选地，所述多波长光源发出的照明光束波长分别为420nm、550nm和880nm，各自 允许偏差范围为± IOnm;功率最大均不超过3W;
[0020] 所述反光系统包含控制器、步进电机和反光片；
[0021] 所述控制器用于控制所述步进电机的运转，通过所述步进电机的运转，带动改变 所述反光片的转动角度，从而可以改变所述平行偏振照明光束投射到人体组织表面入射平 面的入射角度；偏振照明光束投射到人体组织表面入射平面的入射角度可被调校在〇度到 85度之间；
[0022] 成像光路透镜组由聚焦组、变焦组、补偿组和后焦距组组成；其中，所述聚焦组用 于调像清晰；所述变焦组用于调像大小；所述补偿组用于改变焦距时保持成像清晰；所述 后焦距组用于将像移后一段距离。
[0023] 本实用新型还进一步提供了一种多层次微循环状态监测方法，包括：
[0024] 根据操作者设定要观察的微循环深度层次，多层次微循环状态监测装置的成像光 路透镜组调整到适合的成像聚焦距离；
[0025] 多波长光源发出波长与检测深度相匹配及功率适度的照明光束；
[0026] 将所述照明光束改变成具有一定偏振态的偏振照明光束且准直为平行输出，并以 适当的入射角度投射到人体组织表面；
[0027] 所述多层次微循环状态监测装置采集携带人体组织微循环信息的非偏振照明光 束，进行光电转换并处理后得到微循环数字图像信息；
[0028] 将微循环数字图像信息反馈，进一步调整偏振照明光束入射角度和功率，得到清 晰的某一深度层次的微循环数字图像信息；
[0029] 当不断地调整观察的深度时，成像系统就可以连续动态地输出不同深度的多层次 微循环状态信息。
[0030] 本实用新型提供的多层次微循环状态监测装置与方法，具有以下有益效果：利用 以上所述的多层次微循环状态监测装置，根据操作者设定要观察的微循环深度层次，成像 光路透镜组调整到对应的成像聚焦距离，通过控制照明光束的波长、功率和其投射到组织 表面的入射角度，使得照明光束与成像聚焦面出现在同一水平面上。在操作者不断调整观 察深度的过程中，系统自动对上述成像聚焦距离、照明光束的波长、照明光束的功率、偏振 照明光束投射到组织表面的入射角度这四个参数进行改动，图像分析与处理系统便可实 时、清晰地捕捉到人体组织内部不同深度的多层次微循环状态信息；本实用新型提供的多 层次微循环状态监测装置与方法在实操上还具有操作简单、方便，对人体无创、无害，实时 监测多深度、多层次微循环状态的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本实用新型提供的多层次微循环状态监测装置的一个实施例的结构方框 图；
[0032] 图2是图1提供的多层次微循环状态监测装置的一个结构示意图；
[0033] 图3是人体组织中带氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、黑色素在不同光波长下的摩 尔吸光系数图；
[0034] 图4是偏振照明光束在P偏振和S偏振下的入射角度与反射率关系图；
[0035] 图5是本实用新型提供的一种多层次微循环状态监测方法的一个实施例的流程 示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述。
[0037] 参见图1，是本实用新型提供的多层次的微循环状态监测装置的一个实施例的结 构方框图。
[0038] 在本实施例中，所述的多层次微循环状态监测装置包括：光源控制器101、多波长 光源102、起偏器103、光纤组104、反光系统105、成像光路透镜组106、检偏器107、探 测器108、图像分析与处理系统109及成像光路控制器110。
[0039] 本多层次微循环状态监测装置的基本工作原理是：根据要监测的人体组织内微循 环目标深度层次，成像光路控制器110会首先根据深度信息控制成像光路透镜组106调整 到适合成像聚焦距离；光源控制器101驱动多波长光源102发出特定波长和功率的照明 光束；光线经过起偏器103后，变成带有特定偏振态的偏振照明光束；所述偏振照明光束 通过光纤组104到达反光系统105;基于反光系统105内置反光片的旋转调节，光线会以 特定的入射角度投射到人体组织上；成像光路透镜组106对经人体组织反射或散射回来的 回路光束进行采集，并聚焦到探测器108上；在回路光束传播的途中，所述回路光束会经过 一块偏振方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器107,从而把从组织表面直接反射回来的未 携带微循环信息的光滤除；探测器108把所接收到的携带微循环信息的光信号进行光电转 换，将得到的电信号输入到图像分析与处理系统109,图像分析与处理系统109会把图像 信息实时分析、处理、储存及反馈；所述图像信息在经过处理及分析后，指令信息会传到光 源控制器101和反光系统106,分别对照明光束的波长和功率、投射到组织表面的入射角度 作出相应调整，获得清晰的数字图像信息；在操作者连续调整观察深度的过程中，图像分析 与处理系统109会根据图像信息与成像光路控制器110、光源控制器101、反光系统105进 行通信，各自分别对成像聚焦距离、照明光束的波长和功率、偏振照明光束投射到组织表面 的入射角度这四个参数进行改动，图像分析与处理系统109便可实时、清晰地捕捉到人体 组织内不同深度的多层次微循环状态信息。
[0040] 参看图2,是图1提供的多层次微循环状态监测装置的一个结构示意图。
[0041]其中，所述光源控制器201，用于根据操作者设定要监测的人体组织内微循环目标 深度层次，驱动所述多波长光源202发射出带有特定波长和功率的照明光束。具体实施时， 因为所述照明光束在人体组织上的穿透深度会同时受到多个人体组织的光学特性所影响， 如吸收、散射、透射及反射。然而组织里有着很多不同的成分，如血红细胞、水及黑色素；每 一种成分有它们特有的光学特性，偏振照明光束本身也带有一定的光学特性，如光功率、波 长、偏振态；血红细胞特有的吸收特性就是所述微循环状态监测装置的成像功能的基础。
[0042]参看图3,是人体组织中带氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水、黑色素在不同光波长下 的摩尔吸光系数图。
[0043] 由图3可知，在带氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱中，波长为420 nm、550 nm和880 nm是等吸收峰，通过对血红细胞光吸收频谱的了解，可以帮助选择带有合适波长 的照明光束，因此多波长光源102发出的照明光束波长分别优选为420nm、550nm和880nm， 各自允许偏差范围为±l〇nm。由于人体组织里水分占了约70%的比例，要观察不同深度的 多层次微循环状态，了解水的吸收光谱就显得特别重要。
[0044]另外，黑色素也是影响照明光束在人体组织上透射深度的一个重要成分，在上述 的3种波长的偏振照明光束中，黑色素对波长为420nm的偏振照明光束吸收率最高，黑色素 对波长为880nm的偏振照明光束吸收率最低。
[0045]优选的，光源控制器201会根据实际情况用波长为420nm的偏振照明光束观察浅 层人体组织内的微循环状态，用波长为550nm的偏振照明光束观察中层人体组织内的微循 环状态，用波长为880nm的偏振照明光束观察深层人体组织内的微循环状态。
[0046]另外，光功率也是影响光在组织内部透射深度的一个因素，光在组织内部透射深 度与光功率的大小存在关系：
[0047] /(z) =I^ew' (i)
[0048]在公式（1)中，以^)表示到达组织内目标深度所需的照明光束功率，Jtl表示恰好 能进入组织内的初始照明光束功率，α表示吸收系数，z表示组织内的深度。因此，要使偏 振照明光束达到组织内部的深度越深，所需要的偏振照明光束功率就越大。具体地，在实际 应用中，光源控制器201对多波长光源202发出的照明光束进行灵活调整，主要通过改变电 压或电流的方式来改变照明光束的功率，照明光束功率最大不超过3W。相比于改变照明光 束波长来调整偏振照明光束在人体组织内部透射深度的作用而言，改变照明光束功率主要 起到对偏振照明光束在人体组织内透射深度微调的作用。
[0049] 在本实施例中，光源控制器201会根据操作者设定的观察深度，通过综合分析所 需的照明光束波长和功率，来控制多波长光源202选择发出适合的波长和功率的照明光 束。
[0050] 所述多波长光源202,用于提供多组不同波长和功率的照明光束。具体地，所述多 波长光源202发出三组照明光束，三组照明光束波长分别为420 nm、550 nm和880 nm，各 自允许偏差范围为±10 nm;三组照明光束可以由三个不同的发光二极管分别发出，或者也 可以由可调谐激光器（tunable laser )发出。
[0051] 优选地，所述多波长光源202选用三个发光波长分别为420 nm、550 nm、880 nm的 发光二极管作为发光器件。
[0052] 所述起偏器203设置在所述多波长光源202发出的照明光束的前进方向，用于改 变照明光束的光学特性，使其变成带有一定偏振态的偏振照明光束；起偏器203转换的偏 振照明光束的偏振态，包括但不限于P偏振、S偏振、也可以是P偏振与S偏振的混合偏振 态。
[0053] 优选地，本实施例中所述起偏器203起偏出的偏振照明光束的偏振态为P偏振，但 不限于P偏振。
[0054] 所述光纤组接收来自所述起偏器203的偏振照明光束，并将偏振照明光束导入到 所述反光系统。具体地，光纤组包含保偏光纤204和光纤准直器205两部分。
[0055] 其中，所述保偏光纤204包括高双折射光纤和低双折射光纤两种制作形式，所述 保偏光纤204用于保持传输中偏振照明光束的偏振状态；所述光纤准直器205由尾纤与自 聚焦透镜精确定位而成，所述光纤准直器205可以将保偏光纤204内的传输偏振照明光束 转变成平行的偏振照明光束。
[0056] 所述反光系统的光路部分设置在装置探头的末端，通过改变所述反光系统的控制 参数，可以改变所述平行偏振照明光束照射到人体组织表面入射平面的入射角度；改变偏 振照明光束的入射角度可以改变偏振照明光束在人体组织表面的反射率。
[0057] S偏振杰的偏振照明光束在人
【权利要求】
1. 一种多层次微循环状态监测装置，其特征在于，包括：光源控制器、多波长光源、起 偏器、光纤组、反光系统、成像光路透镜组、检偏器、探测器、图像分析与处理系统和成像光 路控制器； 所述光源控制器，用于根据操作者设定的监测人体组织微循环深度要求，驱动所述多 波长光源发射出不同波长和功率的照明光束； 所述多波长光源，用于提供多组不同波长和功率的照明光束； 所述起偏器，用于改变所述照明光束的光学特性，使其变成偏振照明光束； 所述光纤组接收来自所述起偏器的偏振照明光束，并将所述偏振照明光束准直为平行 偏振照明光束后，导入到所述反光系统； 所述反光系统的光路部分设置在装置探头的末端，通过调整所述反光系统内部反光片 的转动角度，从而改变所述平行偏振照明光束投射到人体组织的角度； 所述成像光路透镜组用于采集从人体组织表面反射回来的偏振照明光束和在人体组 织内部经过多次散射后退偏的非偏振照明光束，将其经过所述检偏器并投射到所述探测器 上； 所述检偏器的偏振方向与所述起偏器偏振方向垂直，作用是把被组织表面反射回来的 偏振照明光束过滤，只让在组织内部经过多次散射后发生退偏的非偏振照明光束通过，并 投射到所述探测器上； 所述探测器把采集到的携带人体组织微循环信息的非偏振照明光束进行光电转换，得 到电图像信号，并将电图像信号传送到所述图像分析与处理系统； 所述图像分析与处理系统对所述电图像信号进行实时分析、处理、储存及反馈； 所述成像光路控制器，用于对成像光路透镜组的成像聚焦距离进行调整； 所述图像分析与处理系统根据图像信息与成像光路控制器、光源控制器、反光系统进 行通信，调整所述偏振照明光束透射到人体组织内的深度层次，以便获得清晰的多层次微 循环状态信息。
2. 如权利要求1所述的多层次微循环状态监测装置，其特征在于，所述光纤组包含保 偏光纤和光纤准直器两部分； 所述保偏光纤，用于保持传输中偏振照明光束的偏振状态；所述光纤准直器可以将保 偏光纤内传输的偏振照明光束准直成平行的偏振照明光束。
3. 如权利要求2所述的多层次微循环状态监测装置，其特征在于，所述多波长光源发 出的多组照明光束功率最大均不超过3W。
4. 如权利要求3所述的多层次微循环状态监测装置，其特征在于，所述反光系统包含 控制器、步进电机和反光片； 所述控制器用于控制所述步进电机的运转，通过所述步进电机的运转，带动改变所述 反光片的转动角度，从而可以改变所述平行偏振照明光束投射到人体组织表面入射平面的 入射角度；偏振照明光束投射到人体组织表面入射平面的入射角度可被调校在〇度到85度 之间。
5. 如权利要求4所述的多层次微循环状态监测装置，其特征在于，成像光路透镜组由 聚焦组、变焦组、补偿组和后焦距组组成； 所述聚焦组用于调像清晰； 所述变焦组用于调像大小； 所述补偿组用于改变焦距时保持成像清晰； 所述后焦距组用于将像移后一段距离。
【文档编号】A61B5/00GK204072058SQ201420604639
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】刘发杰, 郑鹏飞, 亚历克斯·布兰多, 罗晓川 申请人:广州医软智能科技有限公司