專利名稱：用于檢查深靜脈血栓的近紅外激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于深靜脈血栓的光學(xué)檢查技術(shù)。
背景技術(shù)：
深靜脈血栓是指血液非正常地在深靜脈內(nèi)凝結(jié)，屬于下肢靜脈回流障礙性疾病。 血栓形成后，除少數(shù)能自行消融或局限于發(fā)生部位外，大部分會(huì)擴(kuò)散至整個(gè)肢體的深靜脈主干，若不能及時(shí)診斷和處理，多數(shù)會(huì)演變?yōu)檠ㄐ纬珊筮z癥，長時(shí)間影響患者的生活質(zhì)量；還有一些病人可能并發(fā)肺栓塞，造成極為嚴(yán)重的后果。目前深靜脈血栓的檢測基本依賴成像技術(shù)例如X光造影成像和超聲。但是的前者對(duì)病人健康有影響，并發(fā)癥多，不適合早期檢查，后者特異性差，難以在早期診斷。紅外線電視攝像溫度記錄診斷血栓性靜脈炎和靜脈血栓很敏感但無特異性，且價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜。近紅外光學(xué)技術(shù)由于其非侵入性，同時(shí)可以用于判斷腿部靜脈血液滯留情況，對(duì)血液特性的良好特異性和敏感性。然而由于近紅外光在人體組織中的散射和吸收，穿透能力受到很大限制。同時(shí)由于體表對(duì)光強(qiáng)的限制，透入體內(nèi)散射并被傳感器接收、能作有效診斷的近紅外光一般很難達(dá)到2厘米以外的組織。因此該技術(shù)對(duì)腿部較深處的血管往往無能為力。透入深度有限制的一個(gè)主要原因是因?yàn)殡S深度增加光信號(hào)的幅度以接近IOdB/厘米的趨勢衰減，而光噪聲和電子噪聲并不衰減，最終導(dǎo)致信噪比減小。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型包括一個(gè)多波長近紅外激光發(fā)射和接收系統(tǒng)，可以對(duì)腿部組織分時(shí)發(fā)射和接收多波長的近紅外激光，并通過在信號(hào)的發(fā)射和接收采用通道擴(kuò)展頻譜技術(shù)抑制噪聲影響，從而使得激光信號(hào)在功率受限的前提下能在人體更深的區(qū)域仍然保持較好的信噪比，為該技術(shù)能應(yīng)用于深靜脈檢測消除技術(shù)障礙。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)通過偽隨機(jī)代碼對(duì)所發(fā)射的近紅外激光進(jìn)行高頻調(diào)制，將一定能量的發(fā)射信號(hào)在頻域上擴(kuò)展到很寬頻段，從而在某個(gè)頻率上的功率密度大幅降低。當(dāng)經(jīng)過組織的光信號(hào)以及噪聲回到儀器的接收端時(shí)，會(huì)再次通過頻譜恢復(fù)將擴(kuò)展頻譜的信號(hào)恢復(fù)到單一頻率上的大幅度信號(hào)。在此過程中激光信號(hào)經(jīng)過了兩次調(diào)制而噪聲信號(hào)只在接收通道中被調(diào)制一次，因此信號(hào)得到恢復(fù)而噪聲得到抑制。本實(shí)用新型提供一種用于檢查深靜脈血栓的近紅外激光系統(tǒng)，包括數(shù)字信號(hào)處理器、偽隨機(jī)序列發(fā)生器、可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、激光二極管組件、 射頻低噪聲放大器、光電倍增管、以及匹配濾波器；所述數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)；所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生與該高頻時(shí)鐘信號(hào)同步的偽隨機(jī)序列；所述可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片接收由數(shù)字信號(hào)處理器和偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的高頻時(shí)鐘信號(hào)和同步的偽隨機(jī)序列，并合成產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜信號(hào)；所述激光二極管驅(qū)動(dòng)電路接收該擴(kuò)展頻譜信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)激光二極管組件；激光從被測組織中散射和反射的信號(hào)被所述光電倍增管采集，將該信號(hào)發(fā)送給射頻低噪聲放大器放大；最后信號(hào)經(jīng)匹配濾波器處理并用偽隨機(jī)編碼序列再次調(diào)制以恢復(fù)信號(hào)，提取信號(hào)的相位和幅度。所述的激光二極管驅(qū)動(dòng)電路采用溫度和光強(qiáng)二重反饋和硬件PID控制電路以獲得強(qiáng)度高度穩(wěn)定的激光輸出。所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括正交解調(diào)器，其將經(jīng)射頻低噪聲放大器放大的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得正交的IQ信號(hào)提供給數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算幅度和相位。所述激光二極管組件由多個(gè)波長的激光二極管組成，由數(shù)字信號(hào)處理器控制開關(guān)分時(shí)驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型的有益效果是，利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)的激光發(fā)送接收系統(tǒng)可以比一般的近紅外系統(tǒng)提高超過40dB的信噪比，從而可以可靠地將可感知深度擴(kuò)展到4. 5厘米以上， 從而有效地檢測大部分深靜脈血栓病灶。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。


圖1是多波長擴(kuò)展頻譜近紅外激光檢測儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2是信號(hào)處理流程的示意圖3是信號(hào)擴(kuò)展頻譜的示意圖4是多波長擴(kuò)展頻譜近紅外激光檢測系統(tǒng)在臨床使用中的示意具體實(shí)施方式
圖1是本實(shí)用新型的儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。它由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器1作主控單元以及信號(hào)處理，它首先產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)，如70MHz，以及同步的偽隨機(jī)序列。偽隨機(jī)序列發(fā)生器2可以是數(shù)字信號(hào)處理器1的一部分，或者是外部芯片如CPLD產(chǎn)生。偽隨機(jī)序列和同步的時(shí)鐘信號(hào)被發(fā)送到可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片3，由它合成產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜信號(hào)，傳遞給激光二極管驅(qū)動(dòng)電路4。激光二極管驅(qū)動(dòng)電路4驅(qū)動(dòng)近紅外激光二極管組件5，并采用溫度和光強(qiáng)二重反饋和硬件PID控制電路以獲得強(qiáng)度高度穩(wěn)定的激光輸出。驅(qū)動(dòng)激光二極管組件5由多個(gè)波長的激光二極管組成，由數(shù)字信號(hào)處理器1控制開關(guān)分時(shí)驅(qū)動(dòng)。激光從被測組織中散射和反射的信號(hào)被帶有高壓偏置的高靈敏度光電倍增管6采集，發(fā)送給多級(jí)射頻低噪聲放大器7發(fā)大，以獲得60dB以上的增益。放大后的信號(hào)進(jìn)一步經(jīng)過正交解調(diào)器8 解調(diào)，獲得正交的IQ信號(hào)，以同時(shí)反映信號(hào)的相位和幅度。相位同步信息參考由可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片3提供的和偽隨機(jī)序列和原始時(shí)鐘信號(hào)同步的時(shí)鐘信號(hào)以及有90度相移動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)。最后信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器，獲得和原偽隨機(jī)序列的相關(guān)函數(shù)，根據(jù)其峰值調(diào)整可獲得信號(hào)相對(duì)于發(fā)射的時(shí)間延遲值和幅度衰減值。由于相關(guān)函數(shù)的作用，在頻域上被擴(kuò)展的信號(hào)重新被集中。這種直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)在基本原理上，由于信號(hào)經(jīng)過偽隨機(jī)碼的兩次調(diào)制得到恢復(fù)，而中途進(jìn)入的噪聲由于只被一次調(diào)制而被擴(kuò)展成能量密度更低， 從而可以大幅提高信噪比。儀器工作時(shí)候的各處信號(hào)示意如圖2。和信號(hào)處理器原始時(shí)鐘同步的正弦信號(hào)10 可作為系統(tǒng)的參考相位信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)序列發(fā)生器2產(chǎn)生的偽隨機(jī)信號(hào)序列11以和正弦信號(hào)10同步。每個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)序列位對(duì)應(yīng)于一個(gè)或幾個(gè)正弦信號(hào)10的周期。在圖2中
4每位對(duì)應(yīng)于2個(gè)正弦信號(hào)10的周期。對(duì)應(yīng)周期數(shù)越長則允許系統(tǒng)在調(diào)制時(shí)有較長恢復(fù)時(shí)間，但是對(duì)應(yīng)于一個(gè)偽隨機(jī)序列的時(shí)間就越長。實(shí)現(xiàn)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況折衷?？删幊棠M信號(hào)芯片3將信號(hào)10用偽隨機(jī)序列11作相位編碼調(diào)制，產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)12。由于偽隨機(jī)序列11的帶寬較寬，因此調(diào)制后的擴(kuò)頻信號(hào)12也不再是象正弦信號(hào)10 —樣的單一頻率信號(hào)，而是頻率分布接近偽隨機(jī)序列11的寬頻信號(hào)。擴(kuò)頻信號(hào)12由激光二極管發(fā)射經(jīng)過人體組織后被光電倍增管接受后的信號(hào)13在幅度上很微弱，同時(shí)由于人體組織的作用在時(shí)間上產(chǎn)生滯后，導(dǎo)致和發(fā)射信號(hào)12的相位差θ。目前已經(jīng)有科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)用包含在信號(hào)13中幅度和相位差θ的變化來診斷深靜脈血栓。為了準(zhǔn)確測得相位差θ和幅度變化，系統(tǒng)在用低噪聲放大器7對(duì)信號(hào)13進(jìn)行放大后由匹配濾波器根據(jù)相關(guān)函數(shù)尋找最佳相位差。和頻譜擴(kuò)展將一點(diǎn)的單頻率信號(hào)能量擴(kuò)展到很寬頻段上，相關(guān)函數(shù)將很長時(shí)間段上的信號(hào)能量聚集于一點(diǎn)，從而在該點(diǎn)獲得很高的信噪比。偽隨機(jī)碼11的長度越長，這種效應(yīng)就越大，但是每次檢測的時(shí)間就越長，對(duì)應(yīng)的檢測信號(hào)就越慢。因此需要根據(jù)臨床信號(hào)變化的速度折衷設(shè)計(jì)偽隨機(jī)碼11的長度。獲得相位差θ后系統(tǒng)再由可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片3產(chǎn)生帶相位差θ的時(shí)鐘14以及相應(yīng)的正交時(shí)鐘。它們通過IQ正交解調(diào)器9對(duì)放大后的信號(hào)13正交解調(diào)，獲得信號(hào)15。系統(tǒng)再次用帶移動(dòng)相位差θ的偽隨機(jī)序列對(duì)信號(hào)15解調(diào)并進(jìn)行低通濾波，最后獲得對(duì)應(yīng)于接收信號(hào)的IQ電平。數(shù)字信號(hào)處理器由IQ電平計(jì)算信號(hào)的幅度和相位。圖3顯示了最初的單頻信號(hào)10在頻域的狀態(tài)18被偽隨機(jī)序列11擴(kuò)頻后成為寬頻低能量密度的信號(hào)19。在接收端匹配濾波器的相關(guān)處理將信號(hào)重新恢復(fù)成以偽隨機(jī)碼長度為周期的高尖峰信號(hào)。噪聲由于沒有相關(guān)性在相關(guān)處理后仍維持低水平。由此信噪比可增加幅度22。圖4示意了儀器25在使用時(shí)候的狀態(tài)。帶發(fā)射激光二極管組件M和接收光電倍增管觀的的探頭和人體的腿部23緊密接觸。探頭中間的隔光材料將發(fā)射和接收間的直接通路隔開。而屏蔽部件26隔開發(fā)射和接收電路間的串?dāng)_。激光二極管組件M發(fā)射的多波長激光經(jīng)過深靜脈四產(chǎn)生相移和衰減，最后被光電倍增管觀接收。信號(hào)經(jīng)以上處理后獲得深靜脈四的病理信息。
權(quán)利要求1.一種用于檢查深靜脈血栓的近紅外激光系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)字信號(hào)處理器、 偽隨機(jī)序列發(fā)生器、可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片、激光二極管驅(qū)動(dòng)電路、激光二極管組件、射頻低噪聲放大器、光電倍增管、以及匹配濾波器；所述數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)；所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生與該高頻時(shí)鐘信號(hào)同步的偽隨機(jī)序列；所述可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片接收由數(shù)字信號(hào)處理器和偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的高頻時(shí)鐘信號(hào)和同步的偽隨機(jī)序列，并合成產(chǎn)生擴(kuò)展頻譜信號(hào)；所述激光二極管驅(qū)動(dòng)電路接收該擴(kuò)展頻譜信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)激光二極管組件；激光從被測組織中散射和反射的信號(hào)被所述光電倍增管采集，將該信號(hào)發(fā)送給射頻低噪聲放大器放大；最后信號(hào)經(jīng)匹配濾波器處理并用偽隨機(jī)編碼序列再次調(diào)制以恢復(fù)信號(hào)，提取信號(hào)的相位和幅度。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光二極管驅(qū)動(dòng)電路采用溫度和光強(qiáng)二重反饋和硬件PID控制電路以獲得強(qiáng)度高度穩(wěn)定的激光輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括正交解調(diào)器，其將經(jīng)射頻低噪聲放大器放大的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得正交的IQ信號(hào)提供給數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算幅度和相位。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光二極管組件由多個(gè)波長的激光二極管組成，由數(shù)字信號(hào)處理器控制開關(guān)分時(shí)驅(qū)動(dòng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)提高信噪比從而提高激光穿透深度的近紅外激光檢查儀器，用于對(duì)人體深靜脈血栓的早期檢查。該儀器由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、偽隨機(jī)序列發(fā)生電路、可編程模擬信號(hào)發(fā)生芯片、激光二極管穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電路、多波長激光二極管組件、高壓偏置電路、光電倍增管、低噪聲放大器、匹配濾波器、以及正交解調(diào)器等組成。儀器通過探頭和人體接觸，對(duì)人體組織發(fā)射調(diào)制的多波長激光信號(hào)，并由探頭中的光電倍增管接收經(jīng)人體組織散射和反射的信號(hào)。儀器由于采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)提高信噪比，從而使得該紅外激光技術(shù)在安全的激光功率范圍內(nèi)得以大幅提高激光信號(hào)能達(dá)到的深度，得到對(duì)臨床更有意義的檢查效果。
文檔編號(hào)A61B5/00GK202078295SQ20102021354
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者譚偉 申請(qǐng)人:譚偉