專利名稱：多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種血液成分測量裝置。特別是涉及一種能提高血液成分含量的分析 精度的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
血液成分(如紅細(xì)胞、血紅蛋白、血細(xì)胞壓積等)的無創(chuàng)檢測，對于疾病的診斷和 治療，其重要性和巨大價值是毫無疑問。不僅于此，實現(xiàn)血液成分的無創(chuàng)檢測，在信號傳感、 檢測與處理也有極大的學(xué)術(shù)意義和價值。然而現(xiàn)有的檢測方法需要抽取血樣，應(yīng)用生化分 析的方法進行檢測，不但操作繁瑣，會給患者帶來疼痛，而且還有感染其它疾病的危險，限 制了血液成分檢測的頻率和使用范圍。多波段反射光譜血液成分無創(chuàng)檢測技術(shù)不僅能夠?qū)?血液成分進行實時、連續(xù)、安全、無痛的定量監(jiān)測，而且不需要消耗品，可降低測試費用，因 此這種技術(shù)會給疾病的預(yù)防和治療帶來革命性的進步。目前正在研究的無創(chuàng)檢測主流方法為光學(xué)檢測方法，包括光譜法、光散射測量技 術(shù)、熒光檢測技術(shù)等。其中光譜法由于其快速、高精度、低成本等特點，已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工 程領(lǐng)域的研究熱點之一。利用光譜法測定血液中的血氧、血糖、脂肪、蛋白及其他成分已經(jīng) 取得了一定的研究成果。美國科學(xué)家Jobsis在science上首次報道了利用近紅外光譜技術(shù)進行成年貓腦 內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和細(xì)胞色素c的含量變換的實驗，實驗結(jié)果表明近紅外光 在生物組織內(nèi)較低的衰減率和用近紅外光譜法無創(chuàng)監(jiān)測組織血氧濃度的可行性。隨后有 許多學(xué)者進行了相關(guān)研究。1985年Donahoe等發(fā)表了關(guān)于無創(chuàng)后向散射血氧機的文章，文 章中運用2個或稍多些的光譜波段對組織進行透射，通過采集透射光從而實現(xiàn)對血氧的檢 測；1989年Ferrari利用近紅外光譜進行狗體內(nèi)血紅蛋白無創(chuàng)檢測；1989年美國專利(專 利號4867557)研制了無創(chuàng)反射型血氧計，本專利中6個光譜波段作用于人體組織，當(dāng)6個 波長的光分別進入人體組織，利用單一檢測器采集吸收光譜并按照預(yù)定的功能進行血紅蛋 白濃度和血氧飽和度檢測；1994年美國專利(專利號5277181)運用2個波段對血紅蛋白和 血細(xì)胞壓積進行無創(chuàng)檢測。1992年MR Robinson等運用600-1300nm范圍光譜通過手指透 射光譜進行血糖濃度的測定，平均預(yù)測誤差在1. 1到1. 2mmol/L范圍；1994年Heise和他的 合作者以及1993年Marbach等采集llll-1835nm人體內(nèi)唇漫反射光譜通過口腔粘膜進行 血糖無創(chuàng)檢測，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差最小到2. 4mmol/L ；1995年Jagemarm和他的合作者，1997年 Fischbacher,Muller以及1998年Danzer等通過采集800_1350nm右手中指漫反射光譜進 行血液和組織血糖濃度測定，預(yù)測均方根誤差為2. Ommol/L ； 1998年Burmeister等采集舌 體1429-2000nm波段透射光譜進行血糖檢測，平均預(yù)測誤差大于3. Ommol/L ； 1999年Malin 等運用1050-2450nm波段前臂漫反射光譜進行血糖無創(chuàng)檢測，平均預(yù)測誤差1. 5mmol/L。 1991年中國專利(專利號90108775.0)提出了一種無創(chuàng)測量血糖濃度的方法和裝置，采集 波長在1. 3-1. 9微米的半導(dǎo)體二極管激光器作用于人體而發(fā)出的漫反射光譜，再將此光譜 與計算機中的已經(jīng)存儲的一條標(biāo)定曲線進行對比從而計算出血糖濃度；1995年中國專利(專利號96100807. 5)提出了一種中紅外光纖測定人體血糖的方法，是一種利用紅外光譜 儀和中紅外光導(dǎo)纖維和ATR探頭或漫反射裝置，無損傷性地測定人體血糖的方法。雖然這些都得到了比較好的結(jié)果，但是目前除血氧外，其他血液成分的無創(chuàng)檢測 還沒有進入實際應(yīng)用的報道。由上可見，對于血液成分無創(chuàng)檢測這種復(fù)雜的測量情況，現(xiàn)在還面臨著多方面的 技術(shù)難題，其中主要有兩個原因第一，差異和測量環(huán)境的影響；第二，應(yīng)用光譜方法對血液成分進行無創(chuàng)檢測時，波段選取非常重要。前述研究中 選取波段數(shù)較少，不能涵蓋全部情況，丟失了大量有用信息，這也是導(dǎo)致預(yù)測誤差偏大的最 主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種不但能較少受外界環(huán)境的干擾，而且能 得到更多的光譜信息，以及被測部位的圖像信息，增加了信息量，能提高血液成分含量的分 析精度的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方 法，測量裝置包括有光源、利用光源對舌體進行掃描裝置，以及接收掃描裝置的掃描信號的 光譜接收裝置。所述的光源為超連續(xù)譜光源或者波段，包括紫外光、可見光、紅外光中一種或者幾 種波段組合的寬帶光源。所述的掃描裝置采用光纖掃描，或采用光纖、掃描反射鏡和場鏡結(jié)合進行掃描。所述的光譜接收裝置采用光譜儀或超光譜成像儀，所述的光譜儀或超光譜成像儀 響應(yīng)的波段包括紫外、可見、紅外中的一種或者幾種波段的組合，可以直接接收出射光或者 經(jīng)光纖傳導(dǎo)。一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，包括有照射舌體的光源，和接收從 舌體反射的光譜和圖像的超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀。本發(fā)明的用于多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，通過光纖利用光源 對人的舌體進行整個舌體表面反射光譜分布的掃描，或通過光纖、掃描反射鏡和場鏡結(jié)合 利用光源對人的舌體進行掃描，由光譜接收裝置接收掃描結(jié)果，得到舌體產(chǎn)生的反射光譜， 運用公式Rg = R/max(R)計算得到血液的多波段歸一化反射光譜，然后再利用主成分分析 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支撐向量機信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型，所述的 公式中，Rg為歸一化反射率，max (R)為不同波長上的反射率最大值，對新采集來的樣本數(shù) 據(jù)運用式Rg = R/max(R)進行歸一化，得到歸一化光譜數(shù)據(jù)，然后將歸一化光譜數(shù)據(jù)作為自 變量，運用已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，到血液成分的含量。一種用于多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，直接采用光源對人的舌 體進行照射，由超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀接收反射光得到舌體產(chǎn)生的反射光譜，運用公 式Rg = RAiax(R)計算得到血液的多波段歸一化反射光譜，然后再利用主成分分析和人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支撐向量機信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型，所述的公式中， Rg為歸一化反射率，max(R)為不同波長上的反射率最大值，對新采集來的樣本數(shù)據(jù)運用式
4Rg = R/max (R)進行歸一化，得到歸一化光譜數(shù)據(jù)，然后將歸一化光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用 已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到血液成分的含量。本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方法，利用被測部位不同位置 和入射光源相對位置的改變從而帶來反射光的變化，從而獲得整個被測物體表面多波段歸 一化反射光譜和圖像信息，或者通過光源直接照射舌體表面，運用光譜成像裝置進行光譜 和圖像信息的檢測。本發(fā)明不但能較少外界環(huán)境的干擾，而且能得到更多的光譜信息，以及 被測部位的圖像信息，增加了信息量，提高了血液成分含量的分析精度。


圖1是本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的第一實施例結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2是本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的第二實施例結(jié)構(gòu)示意 圖；圖3是本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的第三實施例結(jié)構(gòu)示意 圖。其中1 光源2 舌體3 光纖4 光譜接收裝置5 掃描反射鏡 6 場鏡
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方 法做出詳細(xì)說明。本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置利用被測部位不同位置和入射 光源相對位置的改變從而帶來反射光的變化，運用光譜儀進行接收，從而獲得整個被測物 體表面多波段歸一化反射光譜和圖像信息；或者不通過掃描，而是通過光源直接照射舌體 表面，運用光譜成像裝置進行光譜和圖像信息的檢測。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，包括有光源 1、利用光源1對舌體2進行整個舌體表面反射光譜分布掃描的掃描裝置，以及接收掃描裝 置的掃描信號的光譜接收裝置4。所述的光源1為超連續(xù)譜光源(如超連續(xù)譜激光發(fā)生器)或者波段，包括紫外光、 可見光、紅外光中一種或者幾種波段組合的寬帶光源。所述的掃描裝置采用光纖3掃描，或采用光纖3、掃描反射鏡5 (如振鏡)和場鏡6 結(jié)合進行掃描。所述的光譜接收裝置4采用光譜儀或超光譜成像儀，所述的光譜儀或超光譜成像 儀響應(yīng)的波段包括紫外、可見、紅外中的一種或者幾種波段的組合，可以直接接收出射光或 者經(jīng)光纖傳導(dǎo)。如圖3所示，本發(fā)明的另一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，包括有直 接照射舌體2的光源1，和接收從舌體2反射的光譜和圖像的超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀
56。本發(fā)明的用于多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，是通過光纖利用光 源對人的舌體進行掃描，或通過光纖、掃描反射鏡和場鏡結(jié)合利用光源對人的舌體進行掃 描，由光譜接收裝置接收掃描結(jié)果，得到舌體產(chǎn)生的反射光譜，通過計算得到血液的多波段 歸一化反射光譜，可消除對光源參數(shù)和采集方法的依賴，能更客觀反映個體之間血液成分 的變化。歸一化方法為Rg = RAiax(R)(I)，公式(1)中，Rg為歸一化反射率，max (R)為不 同波長上的反射率最大值。禾Ij 用主成分分析(PCA, principle component analysis)禾口人工神經(jīng)網(wǎng) % (ANN, artificial neural network)、 iH M /]、 二 # 目 IQ (PLSR, particle least squarescalibration analysis)(SVM, support vector machines) 號 ! 、 統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型。對新采集的未知樣本運用上述公式(1)歸一化方法進行歸一化，然后將歸一化的 光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到血液成分的含量。本發(fā)明的另一種用于多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，是直接采 用光源對人的舌體進行照射，由超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀接收反射光得到舌體產(chǎn)生的 反射光譜，通過計算得到血液的多波段歸一化反射光譜，可消除對光源參數(shù)和采集方法的 依賴，能更客觀反映個體之間血液成分的變化。歸一化計算公式為Rg = R/max(R) (1)， 公式(1)中，Rg為歸一化反射率，max(R)為不同波長上的反射率最大值。然后再利用 主成分分析(PCA, principle component analysis)禾口人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN, artificial neuralnetwork)、偏最小 二乘回歸(PLSR, particle least squares calibration analysis)、支撐向量機(SVM，support vector machines)信號分析、統(tǒng)計方法，從歸一化多 波段反射光譜中計算得到血液成分的含量。實施例1如圖1所示，由寬帶光源1發(fā)出紫外、可見、近紅外波段中的一種光束或者幾種波 段的組合光束通過可移動光纖3導(dǎo)入，出射光直接照射到舌體2某個點，該點反射光傳至光 譜儀4接受。測量過程中，光纖探頭自起始位置至終止位置進行掃描，每移動到一個設(shè)定的 位置后停止移動，得到此位置反射光譜，然后光纖探頭再次移動到下一個位置進行出射光 譜采集，如此循環(huán)，直至完成整個舌體表面反射光譜分布測量。光譜儀4對所測得的反射光 譜運用歸一化計算公式Rg = R/max(R) (1)進行歸一化，利用主成分分析(PCA，principle component analysis)禾口人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN, artificial neuralnetwork)、偏最小二乘回 歸(PLSR, particle least squares calibration analysis)、支撐向量機(SVM, support vector machines)等信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型，對新采集的未知樣本運用上述式 (1)歸一化方法進行歸一化，然后將歸一化的光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用建立好的數(shù)學(xué)模型 進行計算，得到血液成分的含量。實施例2如圖2所示，由寬帶光源1發(fā)出紫外、可見、近紅外波段中的一種光束或者幾種波 段的組合光束經(jīng)光纖3導(dǎo)入振鏡5，振鏡反射的光通過場鏡6進行會聚，會聚的光斑照射 到舌體2某個位置，當(dāng)會聚光移動到被測部位的一個位置，被測部位該點處的反射光進入 光譜儀接收，到此這一位置的測量結(jié)束，電機控制振鏡進行擺動，從而帶動光斑的移動，實現(xiàn)整個舌體反射光譜的檢測。掃描完畢，再對反射光譜運用式(1)進行歸一化，利用主成 分分析(PCA, principle component analysis)禾口人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN, artificialneural network)、偏最小二乘回歸(PLSR，particle least squares calibrationanalysis)、支 撐向量機(SVM，support vector machines)等信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型。對新采 集的未知樣本運用上述式(1)歸一化方法進行歸一化，然后將歸一化的光譜數(shù)據(jù)作為自變 量，運用建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到血液成分的含量。實施例3如圖3所示，由超連續(xù)譜激光器1發(fā)出連續(xù)單色光直接照射舌體2表面，舌體反 射光由光譜成像儀接收。再對反射光譜運用式(1)進行歸一化，利用主成分分析(PCA， principle component analysis)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN, artificial neural network)、 偏最小二乘回歸(PLSR, particle least squares calibration analysis)、支撐向量機 (SVM, support vector machines)等信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型。對新采集的未知 樣本運用上述式(1)歸一化方法進行歸一化，然后將歸一化的光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用 建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到血液成分的含量。實施例4如圖3所示，由寬帶光源1直接照射舌體2表面，舌體反射光由光譜成像 儀接收。再對反射光譜運用式⑴進行歸一化，利用主成分分析(PCA，principle componentanalysis)禾口人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN, artificial neural network)、偏最小二乘回 歸(PLSR, particle least squares calibration analysis)、支撐向量機(SVM, support vectormachines)等信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型。對新采集的未知樣本運用上述式 (1)歸一化方法進行歸一化，然后將歸一化的光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用建立好的數(shù)學(xué)模型 進行計算，得到血液成分的含量。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方 式，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā) 明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保 護之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，其特征在于，包括有光源(1)、利用光源(1)對舌體(2)進行掃描裝置，以及接收掃描裝置的掃描信號的光譜接收裝置(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，其特征在于，所述 的光源(1)為超連續(xù)譜光源或者波段，包括紫外光、可見光、紅外光中一種或者幾種波段組 合的寬帶光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，其特征在于，所述 的掃描裝置采用光纖(3)掃描，或采用光纖(3)、掃描反射鏡(5)和場鏡(6)結(jié)合進行掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，其特征在于，所述 的光譜接收裝置(4)采用光譜儀或超光譜成像儀，所述的光譜儀或超光譜成像儀響應(yīng)的波 段包括紫外、可見、紅外中的一種或者幾種波段的組合，可以直接接收出射光或者經(jīng)光纖傳 導(dǎo)。
5.一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置，其特征在于，包括有照射舌體(2)的 光源(1)，和接收從舌體(2)反射的光譜和圖像的超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀(6)。
6.一種用于權(quán)利要求1所述的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，其特征 在于，通過光纖利用光源對人的舌體進行整個舌體表面反射光譜分布的掃描，或通過光纖、 掃描反射鏡和場鏡結(jié)合利用光源對人的舌體進行掃描，由光譜接收裝置接收掃描結(jié)果，得 到舌體產(chǎn)生的反射光譜，運用公式Rg = RAiax(R)計算得到血液的多波段歸一化反射光譜， 然后再利用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支撐向量機信號分析、統(tǒng)計方法 建立數(shù)學(xué)模型，所述的公式中，Rg為歸一化反射率，max(R)為不同波長上的反射率最大值， 對新采集來的樣本數(shù)據(jù)運用式Rg = R/max(R)進行歸一化，得到歸一化光譜數(shù)據(jù)，然后將歸 一化光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，到血液成分的含量。
7.一種用于權(quán)利要求5所述的多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置的方法，其特征 在于，直接采用光源對人的舌體進行照射，由超光譜成像儀或數(shù)字?jǐn)z像儀接收反射光得到 舌體產(chǎn)生的反射光譜，運用公式Rg = RAiax(R)計算得到血液的多波段歸一化反射光譜，然 后再利用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支撐向量機信號分析、統(tǒng)計方法建 立數(shù)學(xué)模型，所述的公式中，Rg為歸一化反射率，max(R)為不同波長上的反射率最大值，對 新采集來的樣本數(shù)據(jù)運用式Rg = R/max(R)進行歸一化，得到歸一化光譜數(shù)據(jù)，然后將歸一 化光譜數(shù)據(jù)作為自變量，運用已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，得到血液成分的含量。
全文摘要
一種多波段反射光譜無創(chuàng)血液成分測量裝置及方法，裝置有利用光源對舌體進行掃描裝置，接收掃描裝置的掃描信號的光譜接收裝置。光源為超連續(xù)譜光源或者波段。掃描裝置采用光纖等進行掃描。光譜接收裝置采用光譜儀或超光譜成像儀。方法是通過光纖利用光源進行整個舌體表面反射光譜分布的掃描，通過光譜接收裝置得到舌體產(chǎn)生的反射光譜，計算得到血液的多波段歸一化反射光譜，利用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、支撐向量機信號分析、統(tǒng)計方法建立數(shù)學(xué)模型，得到歸一化光譜數(shù)據(jù)，運用已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型進行計算，到血液成分的含量。本發(fā)明抗干擾，可得到更多的光譜信息，被測部位的圖像信息，增加了信息量，提高了血液成分含量的分析精度。
文檔編號A61B5/145GK101933809SQ20101026762
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者李剛, 林凌, 趙靜 申請人:天津大學(xué)