多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，包括：光源控制器、多波長光源、起偏器、光纖組、反光系統(tǒng)、成像光路透鏡組、檢偏器、探測器、圖像分析與處理系統(tǒng)和成像光路控制器。成像光路控制器控制成像光路透鏡組的成像聚焦距離；光源控制器驅動多波長光源發(fā)射出不同波長和功率的照明光束；反光系統(tǒng)控制偏振照明光束投射到組織表面的入射角度。本實用新型提供的裝置，通過對成像聚焦距離、照明光束的波長和功率、偏振照明光束投射到組織表面的入射角度這四個參數(shù)進行改動，圖像分析與處理系統(tǒng)便可實時、清晰地捕捉到人體組織內部不同深度的多層次微循環(huán)狀態(tài)信息。本實用新型還公開了一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測方法。
【專利說明】多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及生物光學成像【技術領域】，尤其涉及一種能夠在人體組織里不同深 度的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置與方法。

【背景技術】
[0002] 在人體血液循環(huán)系統(tǒng)中，微循環(huán)是指微動脈和微靜脈之間的血液循環(huán)，血液循環(huán) 最根本的功能是進行血液和組織之間的物質交換，這一功能就是在微循環(huán)部分實現(xiàn)的，人 體每個器官，每個組織細胞均要由微循環(huán)提供氧氣、養(yǎng)料，傳遞能量，排除二氧化碳及代謝 廢物。一旦人體的微循環(huán)發(fā)生障礙，其相應的組織系統(tǒng)或內臟器官就會受到影響而不能發(fā) 揮正常功能，就容易導致人體器官的衰竭、免疫功能的紊亂以及疾病的發(fā)生。實時監(jiān)測微 循環(huán)狀況，特別是如何快速簡單地監(jiān)測危重病人的微循環(huán)狀況，如早期發(fā)現(xiàn)休克(微循環(huán)衰 竭）征兆等，對于提商危重病人的生存率極為關鍵。
[0003] 目前的基于正交偏振成像的微循環(huán)成像裝置存在局限性，主要體現(xiàn)在：一方面，采 用單一波長的偏振光投射到皮膚表面，使得偏振光的只能透射到一個特定的深度或只能觀 察到在特定深度的微血管，而微循環(huán)是以三維的形式分布；另一方面，單一的調整微循環(huán)成 像裝置的視場和數(shù)值孔徑，只能改善一個特定深度微血管的視場和圖像分辨率，卻無法對 以三維形式分布的多層次的微循環(huán)各狀態(tài)區(qū)域進行細致觀察；還有，對于休克狀態(tài)下的病 人，由于各器官組織中的微循環(huán)灌流不足，實時地觀察微循環(huán)各區(qū)域的灌流狀態(tài)具有重要 的臨床意義，普通的微循環(huán)成像裝置很難或不能對獲取到的休克病人微循環(huán)成像信息進行 深淺判斷，也無法對不同深度的多層次微循環(huán)狀態(tài)進行清晰成像。


【發(fā)明內容】

[0004] 本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置與方 法，根據(jù)操作者設定要觀察的微循環(huán)深度層次，成像光路透鏡組調整到適合的成像聚焦距 離，通過控制照明光束的波長、功率和其投射到人體組織表面的入射角度，使得照明光束與 成像聚焦面出現(xiàn)在同一水平面上。在操作者不斷調整觀察深度的過程中，多層次微循環(huán)狀 態(tài)監(jiān)測裝置自動對上述成像聚焦距離、照明光束的波長和功率、偏振照明光束投射到人體 組織表面的入射角度這四個參數(shù)進行改動，圖像分析與處理系統(tǒng)便可實時、清晰地捕捉到 人體組織內部不同深度的多層次微循環(huán)狀態(tài)信息。
[0005] 為解決以上技術問題，本實用新型實施例提供一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置， 包括：光源控制器、多波長光源、起偏器、光纖組、反光系統(tǒng)、成像光路透鏡組、檢偏器、探測 器、圖像分析與處理系統(tǒng)和成像光路控制器；
[0006] 所述光源控制器，用于根據(jù)操作者設定的監(jiān)測人體組織微循環(huán)深度要求，驅動所 述多波長光源發(fā)射出不同波長和功率的照明光束；
[0007] 所述多波長光源，用于提供多組不同波長和功率的照明光束；
[0008] 所述起偏器，用于改變所述照明光束的光學特性，使其變成偏振照明光束；
[0009] 所述光纖組接收來自所述起偏器的偏振照明光束，并將所述偏振照明光束準直為 平行偏振照明光束后，導入到所述反光系統(tǒng)；
[0010] 所述反光系統(tǒng)的光路部分設置在裝置探頭的末端，通過調整所述反光系統(tǒng)內部反 光片的轉動角度，從而改變所述平行偏振照明光束投射到人體組織的角度；
[0011] 所述成像光路透鏡組用于采集從人體組織表面反射回來的偏振照明光束和在人 體組織內部經(jīng)過多次散射后退偏的非偏振照明光束，將其經(jīng)過所述檢偏器并投射到所述探 測器上；
[0012] 所述檢偏器的偏振方向與所述起偏器偏振方向垂直，作用是把被組織表面反射回 來的偏振照明光束過濾，只讓在組織內部經(jīng)過多次散射后發(fā)生退偏的非偏振照明光束通 過，并投射到所述探測器上；
[0013] 所述探測器把采集到的攜帶人體組織微循環(huán)信息的非偏振照明光束進行光電轉 換，得到電圖像信號，并將電圖像信號傳送到所述圖像分析與處理系統(tǒng)；
[0014] 所述圖像分析與處理系統(tǒng)對所述電圖像信號進行實時分析、處理、儲存及反饋；
[0015] 所述成像光路控制器，用于對成像光路透鏡組的成像聚焦距離進行調整；
[0016] 所述圖像分析與處理系統(tǒng)根據(jù)圖像信息與成像光路控制器、光源控制器、反光系 統(tǒng)進行通信，調整所述偏振照明光束透射到人體組織內的深度層次，以便獲得清晰的多層 次微循環(huán)狀態(tài)信息。
[0017] 進一步地，所述光纖組包含保偏光纖和光纖準直器兩部分；
[0018] 所述保偏光纖，用于保持傳輸中偏振照明光束的偏振狀態(tài)；所述光纖準直器可以 將保偏光纖內傳輸?shù)钠裾彰鞴馐鴾手背善叫械钠裾彰鞴馐?br> [0019] 優(yōu)選地，所述多波長光源發(fā)出的照明光束波長分別為420nm、550nm和880nm，各自 允許偏差范圍為± IOnm;功率最大均不超過3W;
[0020] 所述反光系統(tǒng)包含控制器、步進電機和反光片；
[0021] 所述控制器用于控制所述步進電機的運轉，通過所述步進電機的運轉，帶動改變 所述反光片的轉動角度，從而可以改變所述平行偏振照明光束投射到人體組織表面入射平 面的入射角度；偏振照明光束投射到人體組織表面入射平面的入射角度可被調校在〇度到 85度之間；
[0022] 成像光路透鏡組由聚焦組、變焦組、補償組和后焦距組組成；其中，所述聚焦組用 于調像清晰；所述變焦組用于調像大??；所述補償組用于改變焦距時保持成像清晰；所述 后焦距組用于將像移后一段距離。
[0023] 本實用新型還進一步提供了一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測方法，包括：
[0024] 根據(jù)操作者設定要觀察的微循環(huán)深度層次，多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的成像光 路透鏡組調整到適合的成像聚焦距離；
[0025] 多波長光源發(fā)出波長與檢測深度相匹配及功率適度的照明光束；
[0026] 將所述照明光束改變成具有一定偏振態(tài)的偏振照明光束且準直為平行輸出，并以 適當?shù)娜肷浣嵌韧渡涞饺梭w組織表面；
[0027] 所述多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置采集攜帶人體組織微循環(huán)信息的非偏振照明光 束，進行光電轉換并處理后得到微循環(huán)數(shù)字圖像信息；
[0028] 將微循環(huán)數(shù)字圖像信息反饋，進一步調整偏振照明光束入射角度和功率，得到清 晰的某一深度層次的微循環(huán)數(shù)字圖像信息；
[0029] 當不斷地調整觀察的深度時，成像系統(tǒng)就可以連續(xù)動態(tài)地輸出不同深度的多層次 微循環(huán)狀態(tài)信息。
[0030] 本實用新型提供的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置與方法，具有以下有益效果：利用 以上所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，根據(jù)操作者設定要觀察的微循環(huán)深度層次，成像 光路透鏡組調整到對應的成像聚焦距離，通過控制照明光束的波長、功率和其投射到組織 表面的入射角度，使得照明光束與成像聚焦面出現(xiàn)在同一水平面上。在操作者不斷調整觀 察深度的過程中，系統(tǒng)自動對上述成像聚焦距離、照明光束的波長、照明光束的功率、偏振 照明光束投射到組織表面的入射角度這四個參數(shù)進行改動，圖像分析與處理系統(tǒng)便可實 時、清晰地捕捉到人體組織內部不同深度的多層次微循環(huán)狀態(tài)信息；本實用新型提供的多 層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置與方法在實操上還具有操作簡單、方便，對人體無創(chuàng)、無害，實時 監(jiān)測多深度、多層次微循環(huán)狀態(tài)的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1是本實用新型提供的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的一個實施例的結構方框 圖；
[0032] 圖2是圖1提供的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的一個結構示意圖；
[0033] 圖3是人體組織中帶氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水、黑色素在不同光波長下的摩 爾吸光系數(shù)圖；
[0034] 圖4是偏振照明光束在P偏振和S偏振下的入射角度與反射率關系圖；
[0035] 圖5是本實用新型提供的一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測方法的一個實施例的流程 示意圖。

【具體實施方式】
[0036] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述。
[0037] 參見圖1，是本實用新型提供的多層次的微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的一個實施例的結 構方框圖。
[0038] 在本實施例中，所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置包括：光源控制器101、多波長 光源102、起偏器103、光纖組104、反光系統(tǒng)105、成像光路透鏡組106、檢偏器107、探 測器108、圖像分析與處理系統(tǒng)109及成像光路控制器110。
[0039] 本多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的基本工作原理是：根據(jù)要監(jiān)測的人體組織內微循 環(huán)目標深度層次，成像光路控制器110會首先根據(jù)深度信息控制成像光路透鏡組106調整 到適合成像聚焦距離；光源控制器101驅動多波長光源102發(fā)出特定波長和功率的照明 光束；光線經(jīng)過起偏器103后，變成帶有特定偏振態(tài)的偏振照明光束；所述偏振照明光束 通過光纖組104到達反光系統(tǒng)105;基于反光系統(tǒng)105內置反光片的旋轉調節(jié)，光線會以 特定的入射角度投射到人體組織上；成像光路透鏡組106對經(jīng)人體組織反射或散射回來的 回路光束進行采集，并聚焦到探測器108上；在回路光束傳播的途中，所述回路光束會經(jīng)過 一塊偏振方向與起偏器偏振方向垂直的檢偏器107,從而把從組織表面直接反射回來的未 攜帶微循環(huán)信息的光濾除；探測器108把所接收到的攜帶微循環(huán)信息的光信號進行光電轉 換，將得到的電信號輸入到圖像分析與處理系統(tǒng)109,圖像分析與處理系統(tǒng)109會把圖像 信息實時分析、處理、儲存及反饋；所述圖像信息在經(jīng)過處理及分析后，指令信息會傳到光 源控制器101和反光系統(tǒng)106,分別對照明光束的波長和功率、投射到組織表面的入射角度 作出相應調整，獲得清晰的數(shù)字圖像信息；在操作者連續(xù)調整觀察深度的過程中，圖像分析 與處理系統(tǒng)109會根據(jù)圖像信息與成像光路控制器110、光源控制器101、反光系統(tǒng)105進 行通信，各自分別對成像聚焦距離、照明光束的波長和功率、偏振照明光束投射到組織表面 的入射角度這四個參數(shù)進行改動，圖像分析與處理系統(tǒng)109便可實時、清晰地捕捉到人體 組織內不同深度的多層次微循環(huán)狀態(tài)信息。
[0040] 參看圖2,是圖1提供的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的一個結構示意圖。
[0041]其中，所述光源控制器201，用于根據(jù)操作者設定要監(jiān)測的人體組織內微循環(huán)目標 深度層次，驅動所述多波長光源202發(fā)射出帶有特定波長和功率的照明光束。具體實施時， 因為所述照明光束在人體組織上的穿透深度會同時受到多個人體組織的光學特性所影響， 如吸收、散射、透射及反射。然而組織里有著很多不同的成分，如血紅細胞、水及黑色素；每 一種成分有它們特有的光學特性，偏振照明光束本身也帶有一定的光學特性，如光功率、波 長、偏振態(tài)；血紅細胞特有的吸收特性就是所述微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置的成像功能的基礎。
[0042]參看圖3,是人體組織中帶氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水、黑色素在不同光波長下 的摩爾吸光系數(shù)圖。
[0043] 由圖3可知，在帶氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收光譜中，波長為420 nm、550 nm和880 nm是等吸收峰，通過對血紅細胞光吸收頻譜的了解，可以幫助選擇帶有合適波長 的照明光束，因此多波長光源102發(fā)出的照明光束波長分別優(yōu)選為420nm、550nm和880nm， 各自允許偏差范圍為±l〇nm。由于人體組織里水分占了約70%的比例，要觀察不同深度的 多層次微循環(huán)狀態(tài)，了解水的吸收光譜就顯得特別重要。
[0044]另外，黑色素也是影響照明光束在人體組織上透射深度的一個重要成分，在上述 的3種波長的偏振照明光束中，黑色素對波長為420nm的偏振照明光束吸收率最高，黑色素 對波長為880nm的偏振照明光束吸收率最低。
[0045]優(yōu)選的，光源控制器201會根據(jù)實際情況用波長為420nm的偏振照明光束觀察淺 層人體組織內的微循環(huán)狀態(tài)，用波長為550nm的偏振照明光束觀察中層人體組織內的微循 環(huán)狀態(tài)，用波長為880nm的偏振照明光束觀察深層人體組織內的微循環(huán)狀態(tài)。
[0046]另外，光功率也是影響光在組織內部透射深度的一個因素，光在組織內部透射深 度與光功率的大小存在關系：
[0047] /(z) =I^ew' (i)
[0048]在公式（1)中，以^)表示到達組織內目標深度所需的照明光束功率，Jtl表示恰好 能進入組織內的初始照明光束功率，α表示吸收系數(shù)，z表示組織內的深度。因此，要使偏 振照明光束達到組織內部的深度越深，所需要的偏振照明光束功率就越大。具體地，在實際 應用中，光源控制器201對多波長光源202發(fā)出的照明光束進行靈活調整，主要通過改變電 壓或電流的方式來改變照明光束的功率，照明光束功率最大不超過3W。相比于改變照明光 束波長來調整偏振照明光束在人體組織內部透射深度的作用而言，改變照明光束功率主要 起到對偏振照明光束在人體組織內透射深度微調的作用。
[0049] 在本實施例中，光源控制器201會根據(jù)操作者設定的觀察深度，通過綜合分析所 需的照明光束波長和功率，來控制多波長光源202選擇發(fā)出適合的波長和功率的照明光 束。
[0050] 所述多波長光源202,用于提供多組不同波長和功率的照明光束。具體地，所述多 波長光源202發(fā)出三組照明光束，三組照明光束波長分別為420 nm、550 nm和880 nm，各 自允許偏差范圍為±10 nm;三組照明光束可以由三個不同的發(fā)光二極管分別發(fā)出，或者也 可以由可調諧激光器（tunable laser )發(fā)出。
[0051] 優(yōu)選地，所述多波長光源202選用三個發(fā)光波長分別為420 nm、550 nm、880 nm的 發(fā)光二極管作為發(fā)光器件。
[0052] 所述起偏器203設置在所述多波長光源202發(fā)出的照明光束的前進方向，用于改 變照明光束的光學特性，使其變成帶有一定偏振態(tài)的偏振照明光束；起偏器203轉換的偏 振照明光束的偏振態(tài)，包括但不限于P偏振、S偏振、也可以是P偏振與S偏振的混合偏振 態(tài)。
[0053] 優(yōu)選地，本實施例中所述起偏器203起偏出的偏振照明光束的偏振態(tài)為P偏振，但 不限于P偏振。
[0054] 所述光纖組接收來自所述起偏器203的偏振照明光束，并將偏振照明光束導入到 所述反光系統(tǒng)。具體地，光纖組包含保偏光纖204和光纖準直器205兩部分。
[0055] 其中，所述保偏光纖204包括高雙折射光纖和低雙折射光纖兩種制作形式，所述 保偏光纖204用于保持傳輸中偏振照明光束的偏振狀態(tài)；所述光纖準直器205由尾纖與自 聚焦透鏡精確定位而成，所述光纖準直器205可以將保偏光纖204內的傳輸偏振照明光束 轉變成平行的偏振照明光束。
[0056] 所述反光系統(tǒng)的光路部分設置在裝置探頭的末端，通過改變所述反光系統(tǒng)的控制 參數(shù)，可以改變所述平行偏振照明光束照射到人體組織表面入射平面的入射角度；改變偏 振照明光束的入射角度可以改變偏振照明光束在人體組織表面的反射率。
[0057] S偏振杰的偏振照明光束在人

【權利要求】
1. 一種多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，包括：光源控制器、多波長光源、起 偏器、光纖組、反光系統(tǒng)、成像光路透鏡組、檢偏器、探測器、圖像分析與處理系統(tǒng)和成像光 路控制器； 所述光源控制器，用于根據(jù)操作者設定的監(jiān)測人體組織微循環(huán)深度要求，驅動所述多 波長光源發(fā)射出不同波長和功率的照明光束； 所述多波長光源，用于提供多組不同波長和功率的照明光束； 所述起偏器，用于改變所述照明光束的光學特性，使其變成偏振照明光束； 所述光纖組接收來自所述起偏器的偏振照明光束，并將所述偏振照明光束準直為平行 偏振照明光束后，導入到所述反光系統(tǒng)； 所述反光系統(tǒng)的光路部分設置在裝置探頭的末端，通過調整所述反光系統(tǒng)內部反光片 的轉動角度，從而改變所述平行偏振照明光束投射到人體組織的角度； 所述成像光路透鏡組用于采集從人體組織表面反射回來的偏振照明光束和在人體組 織內部經(jīng)過多次散射后退偏的非偏振照明光束，將其經(jīng)過所述檢偏器并投射到所述探測器 上； 所述檢偏器的偏振方向與所述起偏器偏振方向垂直，作用是把被組織表面反射回來的 偏振照明光束過濾，只讓在組織內部經(jīng)過多次散射后發(fā)生退偏的非偏振照明光束通過，并 投射到所述探測器上； 所述探測器把采集到的攜帶人體組織微循環(huán)信息的非偏振照明光束進行光電轉換，得 到電圖像信號，并將電圖像信號傳送到所述圖像分析與處理系統(tǒng)； 所述圖像分析與處理系統(tǒng)對所述電圖像信號進行實時分析、處理、儲存及反饋； 所述成像光路控制器，用于對成像光路透鏡組的成像聚焦距離進行調整； 所述圖像分析與處理系統(tǒng)根據(jù)圖像信息與成像光路控制器、光源控制器、反光系統(tǒng)進 行通信，調整所述偏振照明光束透射到人體組織內的深度層次，以便獲得清晰的多層次微 循環(huán)狀態(tài)信息。
2. 如權利要求1所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，所述光纖組包含保 偏光纖和光纖準直器兩部分； 所述保偏光纖，用于保持傳輸中偏振照明光束的偏振狀態(tài)；所述光纖準直器可以將保 偏光纖內傳輸?shù)钠裾彰鞴馐鴾手背善叫械钠裾彰鞴馐?br> 3. 如權利要求2所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，所述多波長光源發(fā) 出的多組照明光束功率最大均不超過3W。
4. 如權利要求3所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，所述反光系統(tǒng)包含 控制器、步進電機和反光片； 所述控制器用于控制所述步進電機的運轉，通過所述步進電機的運轉，帶動改變所述 反光片的轉動角度，從而可以改變所述平行偏振照明光束投射到人體組織表面入射平面的 入射角度；偏振照明光束投射到人體組織表面入射平面的入射角度可被調校在〇度到85度 之間。
5. 如權利要求4所述的多層次微循環(huán)狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于，成像光路透鏡組由 聚焦組、變焦組、補償組和后焦距組組成； 所述聚焦組用于調像清晰； 所述變焦組用于調像大??； 所述補償組用于改變焦距時保持成像清晰； 所述后焦距組用于將像移后一段距離。
【文檔編號】A61B5/00GK204072058SQ201420604639
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】劉發(fā)杰, 鄭鵬飛, 亞歷克斯·布蘭多, 羅曉川 申請人:廣州醫(yī)軟智能科技有限公司