CN100482154C - 人体局部血容量变化参数的便携式近红外检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人体局部血容量变化参数的便携式近红外检测装置，属于医疗设备技术领域。其特征在于：包括近红外光源，近红外光电传感器，光电信号的采集放大电路，温度传感器，温度信号采集放大电路，模数转换电路，数字控制电路，数据存储模块，与计算机通信的串口电路，以及在计算机上运行的信号采集控制和处理程序。所述传感器均与皮肤接触，同时测量人体的表皮温度和局部皮肤血容量的变化。本发明采用调制激发方式，源与探测器距离适当，光子能够深入到皮肤脂肪层以下的微血管区。本发明在便携式装置上进行数据采集和存储，然后在计算机上完成数据传输，数据处理和分析等操作。本发明具有无创，便携，稳定，使用简便等特点，比较适合临床应用。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，特别涉及用于局部血容量变化研究的系统设计.
背景技术
生物组织的光谱学，是利用不同组织对某一特定波长的红外光的吸收和散射特性来判断组织状况的方法。近红外光谱技术主要是利用了人体组织对近红外光具有吸收和散射的特性。而组织中的血液是最主要的吸收红外光的吸收物质，因此，近红外光检测技术成为活体组织中检测血液容积变化的一种主要无创检测方法。另外，与其他成像方法相比，如CT(计算机断层成像)，MRI(核磁共振成像)，PET(正电子断层成像)等，近红外光检测虽然分辨率较低，但是成本低，而且相对容易实现便携式设计，可以方便的运用于各种场合。
当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。在此过程中由于受到皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱。其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得局部皮肤血流的变化。由此可见，局部皮肤血流中包含有心搏功能，血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。
皮肤局部血容量变化的一个典型应用就是对更年期潮热症状的研究。更年期综合症一直是困扰广大女性的难题。更年期最明显的症状，也是最早出现的症状，是潮热、出汗和心慌。这是血管舒张和收缩失调的一系列表现。更年期综合征中潮热是颇具典型性的。在我国调查中，潮热发生率为更年期妇女的28.6％，在国外达62.5～80％。患者常不自觉地突然出现强烈的发热感，由躯干上部，特别颈面部，向上扩展到头顶，然后自然消失.随之出汗，皮肤有刺激或轻度寒冷感。更年期综合症患者潮热症状的监控和研究成为迫切需要，在患者的治疗过程中，要求客观准确的记录潮热发作时体温以及皮肤血流情况，或者皮肤局部血容量的变化，为医生提供参考。
发明内容
本发明的目的在于设计一种适合用于研究皮肤局部血容量变化功能的近红外检测装置。能够实现无创，便携，准确，稳定的局部皮肤血容量变化监控，能够同时测量患者的表皮温度和局部皮肤血容量。
本发明的特征在于，这是一种使近红外透过人体皮肤外层进入待测组织，从而检测到与血容量变化相关的部分漫射光信息的检测装置，该装置含有：近红外光源；光源调制电路；光电传感器；光电信号采集、放大、处理电路；体温传感器；体温采集电路，以及单片机，其中：
近红外光源，采用906nm的发光二极管，直接与人体皮肤的表面接触；
光电传感器，采用906nm的光电二极管直接与人体皮肤的表面接触，且与所述的近红外光源相距3.0cm，用于采集所述待测组织的漫发射光；
体温传感器，直接与人体皮肤接触，采用人体温度传感器测量，范围为35℃～42℃；光源调制电路采用555振荡电路，该电路的调制信号输出端与所述近红外光源的相应的调制信号输入端相连；
光电信号采集、放大、处理电路，含有依次前后串接的第一前级放大电路，5KHz带通滤波电路，第一次级放大电路，解调电路，第一偏置电路，以及第一低通滤波电路，所述解调电路的5KHz调制信号输入端与所述555振荡器的相应的输出端相连，所述第一前级放大电路的信号输入端与所述光电传感器的传感信号输出端相连；
体温采集电路，含有：依次前后串接的第二前级放大电路，第二次级放大电路，第二偏置电路和第二低通滤波电路，所述第二前级放大电路的传感信号输入端与体温传感器的相应输出端相连；
单片机，采用ADuC812，该单片机通过内置的A/D转换器与所述的第一低通滤波电路，第二低通滤波电路的数据信号输出端相连，此外，还分别与存储芯片，串口通信电路相连。
本发明的特点是无创，准确，便携式的同步检测局部皮肤血容量和表皮温度。
本发明的数据的容量大，数据的传输方便，操作界面简洁，明了。因为需要涉及到不间断的数据采集和记录，数据存储量比较大。数据的读取很方便，只需要使用专用的软件就能从系统读出数据，设备和计算机的链接可以采用多种方式，比如串口的传输，无线的实时传输.利用串口的传输可以作为后期存储数据的读取，而可升级的无线传输可以作为实时的监控的手段。
本发明的计算机软件能够对数据进行相应的处理，得出初步的结论，以供参考。配套的计算机处理软件，提供方便，清晰的数据传输和处理平台，能够提供一定的数据处理和分析能力。计算机软件不但要对上游的数据采集进行控制，通信，而且采集的数据要进行进一步的滤波，平滑，分析。计算机软件还要对采集的数据进行管理，建立病例档案，方便的进行调用察看。
本发明采用了便携式的设计，装置小巧，佩戴舒适，功耗低，电池使用时间长。而针对一边用户开发的计算机程序，界面美观，操作方便。.
附图说明：
图1为本发明的系统电路结构框图。
图2为本发明的硬件结构示意图。
图3为本发明单片机采集控制程序流程图。
图4为本发明计算机软件功能框图。
图5为本发明佩戴示意图：1 体温传感器，2 红外LED，3 腰带，4 人体。
具体实施方式
本发明提出了一种用于测量局部皮肤血容量变化研究的近红外检测装置，包括近红外光源，近红外光电传感器，光电信号的采集放大电路，温度传感器，温度信号采集放大电路，模数转换电路，数字控制电路，数据存储模块，与计算机的串口通信电路，以及在计算机上运行的信号采集控制和处理程序。
利用近红外光在外层组织的良好穿透性，让其透过外层进入待测组织，利用部分漫发射光的信息解出血容量。由于这方法是测量传感器下方待定部位的血氧参数，因此又称为局部组织的血容量。近红外光源发出的红外光经过局部皮肤组织和血液衰减后，光电传感器接收经过衰减后的红外光子，然后基于血液对近红外光的吸收和散射的强度与血容量的关系来判断血容量的变化，同时，皮肤表皮温度和局部血容量的变化密切相关。通过与皮肤接触的温敏传感器，获取人体皮肤温度数据，利用温度传感器同步测量表皮温度，作为局部皮肤血容量的德参照信息。人体体温变化范围一般在35℃～42℃之间，因此需要用专用的人体体温区段的温敏传感器。
下面结合附图及实例对本发明进行进一步的说明。
本发明用于检测局部血容量变化和表皮温度的系统结构如图1所示。包括近红外光源(本实例采用906nm的发光二极管TLN104)，近红外光电传感器(本实例采用906nm的光电二极管TLP104)，光电信号的采集放大电路，温度传感采集放大电路(本实例采用的是人体温度传感器503ET)，模数转换电路，数字控制电路(本实例采用的是高速单片机AduC812)，数据存储模块(本实例采用的是大容量存储芯片I2C EEROM AT24C512)，与计算机通信的串口电路(本实例采用的是电平芯片MAX3232)，以及在计算机上运行的信号采集控制和处理程序(本实例开发的版本号为NIMS1.0)。
本发明的近红外光源，光电传感器，以及体温传感器直接与人体皮肤表面接触。光源采用脉冲调制发射方式，光源与光电传感器距离为3.0cm，根据近红外光传播的近似扩散方程，光子能够深入皮肤一下约1.5cm处，这个深度已经能够到达脂肪层下的微血管区域。体温传感器经过软件校准后精度为0.2摄氏度，满足研究要求。
本发明采用的数据采集控制和模数转换均在高速单片机AduC512上实现，但是并不局限于在单片机的平台上。系统工作时首先进行各个模块的初始化，准备好与存储芯片以及计算机的通信，在计算机下达命令后，就可以与计算机脱开，自动进行数据采集，模数转换，存储，数据传输等一系列的动作，数字采集控制程序流程图如图3。
本发明采用便携腰带式设计，将全部硬件结构包装在黑色的腰带中，能够保证传感器与皮肤的可靠接触，并且能够较好地屏蔽自然光对测量的干扰。本发明佩戴示意图如图5。
Claims (2)
1.人体局部血容量变化参数的便携式近红外检测装置，其特征在于，这是一种使近红外透过人体皮肤外层进入待测组织，从而检测到与血容量变化相关的部分漫发射光信息的检测装置，该装置含有：近红外光源；光源调制电路；光电传感器；光电信号采集、放大、处理电路；体温传感器；体温采集电路，以及单片机，其中：
近红外光源，采用906nm的发光二极管，直接与人体皮肤的表面接触，
光电传感器，采用906nm的光电二极管直接与人体皮肤的表面接触，且与所述的近红外光源相距3.0cm，用于采集所述待测组织的漫发射光，
体温传感器，直接与人体皮肤接触，采用人体温度传感器测量，范围为35℃～42℃，光源调制电路采用555振荡电路，该电路的调制信号输出端与所述近红外光源的相应的调制信号输入端相连，
光电信号采集、放大、处理电路，含有依次前后串接的第一前级放大电路，5KHz带通滤波电路，第一次级放大电路，解调电路，第一偏置电路，以及第一低通滤波电路，所述解调电路的5KHz调制信号输入端与所述555振荡电路的相应的输出端相连，所述第一前级放大电路的信号输入端与所述光电传感器的传感信号输出端相连，
体温采集电路，含有：依次前后串接的第二前级放大电路，第二次级放大电路，第二偏置电路和第二低通滤波电路，所述第二前级放大电路的传感信号输入端与体温传感器的相应输出端相连，
单片机，采用ADuC812，该单片机通过内置的A/D转换器与所述的第一低通滤波电路，第二低通滤波电路的数据信号输出端相连，此外，还分别与存储芯片，串口通信电路相连。
2.根据权利要求1所述的人体局部血容量变化参数的便携式近红外检测装置，其特征在于，所述装置包装在腰带中。
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