CN114469010A - 基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法。本信号基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置，包括：超声换能器、分光镜、光电探测器和处理模块；其中所述超声换能器用于获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，并传输给处理模块；所述分光镜用于将照射物体的激光光束分离出分光光束；所述光电探测器获取经分光镜分离出的分光光束的能量强度信号，并传输至处理模块；所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号。可以提升光声血氧测量的准确性和可靠性。

Description

基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法

技术领域

本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法。

背景技术

光声成像是一种基于光声效应建立的混合模式生物/医学成像方法。一般来说，在光声成像中需要用脉冲激光照射成像部位（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）。一部分被吸收的光能将会被转化为热能，使附近的组织发生热弹性膨胀，从而形成宽带（兆赫兹级）的超声波并向四周发射。这一超声波可以用超声换能器检测。并且可以通过移动激光照射位置，实现一定范围内的扫描探测。将探测到的信号采用计算机进行二维和三维的图像重建，从而完成光声成像过程。

光声成像一个很主要的应用就是利用氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin)和脱氧血红蛋白(Deoxyhemoglobin)对不同波长激光吸收系数的差异来测量血液里的血氧饱和度。和传统的指夹式血氧仪相比，使用光声显微镜有以下几个优点：

1.可以呈现组织中血氧浓度的2D甚至3D分布图；

2.更加精确，误差更小；

3.不依赖脉搏，所以可以测量静脉中的血氧浓度；

4.受外界干扰更小，如肤色脂肪骨骼等。

相比抽血式的血氧测量方式，光声成像测量方式是无创、可实时、长期测试的。故可以用于长时间的血氧饱和度监测。

目前，光声成像及血氧饱和度测量用到的激光器通常为激光脉冲宽度在5-30纳秒左右的，脉冲型激光器。由于激光器复杂，外部光路结构复杂等原因，会造成脉冲与脉冲之间有一定的能量差异。这种差异会导致最终血氧测量值的不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法，以提高光声血氧测量的准确性和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置，包括：超声换能器、分光镜、光电探测器和处理模块；其中所述超声换能器用于获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，并传输给处理模块；所述分光镜用于将照射物体的激光光束分离出分光光束；所述光电探测器获取经分光镜分离出的分光光束的能量强度信号，并传输至处理模块；所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号；其中所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：对分光光束的能量强度信号进行校准；根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号。

进一步的，所述对分光光束的能量强度信号进行校准包括：

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；

PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数。

进一步的，根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号包括：

其中，PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

进一步的，所述光声血氧测量装置还包括：所述处理模块根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

进一步的，两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

又一方面，本发明还提供了一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量方法，其特征在于，

获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号；

获取激光光束的分光光束的能量强度信号；

根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号；其中

所述根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：

对分光光束的能量强度信号进行校准：

；

根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号：

；

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数；PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

进一步的，所述光声血氧测量方法还包括：根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

进一步的，两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

本发明的有益效果是，本发明的基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法可以获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，以及获取激光光束的分光光束的能量强度信号，并根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号，然后采用补偿超声波信号获取血氧含量百分比，可以提升光声血氧测量的准确性和可靠性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置的示意图。

图中：激光光束1、耦合棱镜2、超声换能器3、分光镜4、分光光束5、激光功率衰减器6、光电探测器7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置，包括：超声换能器、分光镜、光电探测器和处理模块；其中所述超声换能器用于获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，并传输给处理模块；所述分光镜用于将照射物体的激光光束分离出分光光束；所述光电探测器获取经分光镜分离出的分光光束的能量强度信号，并传输至处理模块；所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号。

在本实施例中，所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：对分光光束的能量强度信号进行校准；根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号。

在本实施例中，所述对分光光束的能量强度信号进行校准包括：

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数。

在本实施例中，根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号包括：

其中，PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

在本实施例中，作为光声血氧测量装置采集信号的可选实施方式，如图1所示，激光光束1经过耦合棱镜2照射到物体，使物体局部产生振动从而激发超声波；超声波经过耦合棱镜2传送至超声换能器3，超声换能器3将超声波信号PA _λ 转换为电信号，被采集系统采集，采集到的数据传输给处理器模块，用于光声成像和血氧饱和度测量；激光光束1穿过分光镜4分离出一小部分能量，即分光光束5，这束光的功率远小于激光光束1的功率；但当分光光束5的功率仍然高于光电探测器7的损伤阈值时，还可以增加激光功率衰减器6，再次将分光光束5的功率进行衰减；使得衰减后的激光可以被光电探测器7测量到；光电探测器7测量到的PD _λ 被采集系统采集，采集到的数据传输给处理器模块，用于光声成像和血氧饱和度测量。

在本实施例中，所述光声血氧测量装置还包括：所述处理模块根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

在本实施例中，优选的，两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

在本实施例中，优选的，波长分别为λ _x和λ _y的激光光束可以是间隔照射。

在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量方法，包括：获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号；获取激光光束的分光光束的能量强度信号；根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号。

在本实施例中，所述根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：

对分光光束的能量强度信号进行校准：

；

根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号：

；

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；

PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数；PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

在本实施例中，所述的光声血氧测量方法还包括：根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

在本实施例中，两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

在本实施例中，Responsivity _λ 在不同波长下的取值方式可以对应相应型号的光电转换器至产品官网查询；例如采用THORLAbS的PDA36A2型号时，可以采用如下方式取值：

波长/<i>nm</i>	<i>Responsivity</i><sub><i>λ</i></sub>
		515	0.1825
532	0.2012
		559	0.2308

在本实施例中，ε _HbR (λ)及ε _HbO2(λ)在激光光束波长λ下的摩尔消光系数为标准系数，可以通过查询得知；在本实施例中可以是：

波长/<i>nm</i>	<i>ε</i><sub><i>HbR</i></sub>(<i>λ</i>)	<i>ε</i><sub><i>HbO</i>2</sub>(<i>λ</i>)
			515	28681.6	20715.4
532	40584	43876
			559	53976	33034.6

在一种可选具体实施例中，采用波长为分别为λ _x=532nm、λ _y=559nm的激光光束间隔照射；

分别获取相应激光光束的校准后的分光光束的能量强度信号：

获取相应激光光束的补偿超声波信号：

获取血氧含量百分比：

在本实施例中，可选的，Responsivity _λ 的单位是A/W，它体现的是不同波长下，功率和电流的关系；ε _HbR (λ)及ε _HbO2(λ)的单位是

；PD _λ 和PA _λ 的单位可以是V，它们可以是以电压信号的形式被采集卡采集；其余中间值的单位可以不关注，因为最后中间值参与除法运算，最后多出的单位部分会互相抵消掉；当然，本领域技术人员也可以根据需要自定义中间值的单位。

综上所述，本发明的基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置及方法可以获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，以及获取激光光束的分光光束的能量强度信号，并根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号，然后采用补偿超声波信号获取血氧含量百分比，可以提升光声血氧测量的准确性和可靠性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量装置，其特征在于，包括：

超声换能器、分光镜、光电探测器和处理模块；

所述超声换能器用于获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号，并传输给处理模块；

所述分光镜用于将照射物体的激光光束分离出分光光束；

所述光电探测器获取经分光镜分离出的分光光束的能量强度信号，并传输至处理模块；

所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号；其中

所述处理模块根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：

对分光光束的能量强度信号进行校准；

根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号。

2.如权利要求1所述的光声血氧测量装置，其特征在于，

所述对分光光束的能量强度信号进行校准包括：

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；

PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数。

3.如权利要求2所述的光声血氧测量装置，其特征在于，

根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号包括：

其中，PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

4.如权利要求3所述的光声血氧测量装置，其特征在于，还包括：

所述处理模块根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

5.如权利要求4所述的光声血氧测量装置，其特征在于，

两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

6.一种基于激光能量补偿技术的光声血氧测量方法，其特征在于，包括：

获取经激光光束照射后的物体发出的超声波信号；

获取激光光束的分光光束的能量强度信号；

根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号；其中

所述根据分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿处理以获取补偿超声波信号包括：

对分光光束的能量强度信号进行校准：

；

根据校准后的分光光束的能量强度信号对超声波信号进行补偿，以获得补偿超声波信号：

；

其中，PD _λ 为对应波长为λ的激光光束的分光光束的能量强度信号；

PD _{λ，calibrated} 为校准后的分光光束的能量强度信号；Responsivity _λ 为光电探测器在激光光束波长为λ的校准系数；PA _λ 为对应波长为λ的激光光束的超声波信号；PA _{λ，compensated} 为补偿超声波信号。

7.如权利要求6所述的光声血氧测量方法，其特征在于，还包括：

根据两束不同波长的激光光束的补偿超声波信号获取血氧含量百分比：

其中，C _HbR 是指血红蛋白的浓度；C _HbO2是指氧合血红蛋白的浓度；ε _HbR (λ)指血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；ε _HbO2(λ)指氧合血红蛋白在激光光束波长λ下的摩尔消光系数；SO2是血氧含量百分比。

8.如权利要求7所述的光声血氧测量方法，其特征在于，

两束不同波长的激光光束的波长组合可以是532nm与559nm，或者532nm与515nm。

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