[发明专利]一种基于激光光声光谱的人体血管检测方法

摘要

本发明公开了一种基于激光光声光谱的人体血管检测方法，该方法包括系统初始定位、单点测试、时域分辨光声定位分析、光声单点血管测量、剖面粥样斑块成分分析、光声三维血管重建等六个步骤。本发明的有益效果是，激光光声与激光拉曼复用光源及部分光路，减小了系统的体积和成本；以血管内血流光声回波为空间分析基准，采用时域分辨光声回波信号分析，可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，可实现光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布的同时探测；光声结合激光拉曼，可实现血管壁各分层物质分子成分探测。

主权项

1.一种基于激光光声光谱的人体血管检测方法，它是在一种基于激光光声光谱的人体血管检测系统上实现的，该系统包括主控制器(21)、扫描头部(1)、三维电动平台(22)和辅助部件组成；其特征在于所述的人体血管检测方法包括以下步骤：1)系统初始定位人体待测区域内包括皮肤、皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液等不同组织及成分，将人体血管检测系统靠近人体待测区域的待检测血管的起始血流位置；主控制器给三向电机控制器发送控制指令，将皮下的深度方向设为z向，沿血流的方向设为x向，垂直血流的方向设为y向，设定三向步进电机的z方向的行进步数，带动三维电动平台上的扫描头部运动，使光声探测头大致位于皮肤上方一厘米左右；主控制器启动激光器控制器，激光器控制器按照设定好的工作参数启动激光器；2)单点测试激光脉冲部分能量穿过比例分光片及双色片，经带孔反射镜反射，再经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点，形成以聚焦点为顶点的激发立体角，该激发立体角穿过皮肤下不同深度的不同组织，只有单位面积的能量密度超过光声产生阈值的那些组织才能产生超声回波信号；位于以聚焦点为顶点的接收立体角的超声回波信号经超声透镜聚焦至超声探头上转换为电信号；同时，该激光脉冲另一部分能量经比例分光片反射，被光电探测器接收并转化为电信号，经探测器电路放大，送至信号采集卡的触发端口，瞬时开启信号采集卡，此时，超声探头输出的电信号经级联放大器多级放大后，至信号采集卡进行高频采样，模数转换并送至主控制器中的主控软件进行分析；3)时域分辨光声定位分析通常情况下，激发立体角中的激光脉冲能量依次经过皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液，在聚焦良好的情况下，以上四种不同成分的单位面积的激光能量将达到光声阈值，将依次激发出皮下组织光声信号、血管壁光声信号、粥样斑块光声信号、流动血液光声信号；主控制器中的主控软件接收到的时域分辨光声信号中，首先在t1时刻接收到强度为I1时间宽度为T1的皮下组织光声信号，然后依次在t2时刻接收到强度为I2时间宽度为T2的血管壁光声信号，t3时刻接收到强度为I3时间宽度为T3的粥样斑块光声信号，t4时刻接收到强度为I4时间宽度为T4的流动血液光声信号；其中，光声信号的时间宽度的倒数即近似为超声频率的2倍，不同组织成分由激光激发的超声频率是不同的，相同组织成分由激光激发的超声频率是相同的，因此，根据时间宽度的测量即可判断组织成分；光声信号的强度代表组织成分密度的大小，相同的组织成分，光声信号越强代表该处的组织密度更大；定义传输时间Δt1＝t2‑t1；Δt2＝t3‑t2；Δt3＝t4‑t3；用传输时间乘以声音在组织成分中的传输速度，即可求出该组织成分的厚度；4)光声单点血管测量主控制器中的主控软件记录下此时聚焦点的x坐标；主控制器给三向电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿z轴及y轴运动扫描，同时，重复步骤2)和3)；主控制器中的主控软件不断分析，直至达到最高值，此时，聚焦点即为血液浓度最高点，记录下聚焦点的y及z坐标，从而得到了血液浓度最高点的三维坐标；用Δt3乘以声速得到聚焦点处主轴经过的粥样斑块的厚度，根据I3记录粥样斑块的密度，用Δt2乘以声速得到焦点处主轴经过的血管壁的厚度，根据I2记录血管壁的密度；5)剖面粥样斑块成分分析主控制器给光纤拉曼光谱仪设定拉曼测试的曝光时间；主控制器中的主控软件根据步骤4)计算出的粥样斑块的厚度，发出控制指令给三向电机控制器，使三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿z轴向上以最小步长不断运动，总移动距离等于粥样斑块的厚度；每移动一个最小步长，都按下述方法进行拉曼探测：激光脉冲部分能量穿过比例分光片及双色片，经带孔反射镜反射，再经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点，使聚焦点处的粥样斑块被激发产生拉曼信号，该拉曼信号反映了聚焦点处的粥样斑块的分子构成；激发出的拉曼信号沿主轴向上行进，透过平凸聚焦镜，经带孔反射镜及双色片反射，经光纤耦合镜透过将拉曼泵浦激光滤除的瑞利滤光片聚焦至光纤端面上，后通过光纤进入光纤拉曼光谱仪分光及光电转换后，得到拉曼光谱信号，再传送至主控制器中的主控软件，分析出聚焦点处粥样斑块的分子构成；完成拉曼探测后，再移一个最小步长，不断重复，直至总移动距离等于粥样斑块的厚度：完成整个剖面粥样斑块的成分分析后，根据步骤4)记录的血液浓度最高点的三维坐标，主控制器中的主控软件发出控制指令给三向电机控制器，使三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿z轴向下运动，直至聚焦点重新回到血液浓度最高点；6)光声三维血管重建主控制器给三向电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿x轴步进一个步长，重复步骤4)和5)，得到第二点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度，以及剖面粥样斑块成分分布；然后，扫描头部沿x轴再步进一个步长，得到第三个点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度，以及剖面粥样斑块成分分布；类似地，不断完成第四点、第五点、…、第N点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度，以及剖面粥样斑块成分分布；直至完成整个人体待测区域内的血管三维测量，将所有测量点的信息汇总，即可完成人体待测区域内的血管的三维形貌的重建，三维形貌包括坐标、组织、厚度、密度和成分分布。