一種判別血紅細胞含氧量的光聲多普勒血液流速測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種多普勒血流測量方法及其實現系統(tǒng)，該測量方法充分利用了生 物醫(yī)學光聲成像的多光譜生物體識別特性，能夠在應用光聲多普勒效應測量血液流速分 布的同時還能獲得關于血紅細胞含氧量的信息。
【背景技術】
[0002] 光聲效應是指當光吸收物質受到強度變化的光照時，由于部分光吸收轉化成熱而 引起該物質受熱膨脹從而向外輻射聲波的現象。
[0003] 多普勒效應是指當一定頻率的波源和檢測器有相對運動時，檢測器測量到的波信 號發(fā)生頻移的現象。當波源與檢測器相向運動時，測量到的頻移為正；當波源與檢測器相背 運動時，測量到的頻移為負。
[0004] 光聲多普勒效應是指當相對于超聲換能器運動的光吸收物質樣品吸收光時，在光 照下由于光聲效應和多普勒效應，被超聲換能器檢測到的聲波有多普勒頻移的現象。
[0005] 基于光聲多普勒效應的測流技術是利用了示蹤顆粒的光吸收特性，這不同于激 光多普勒測流技術和超聲多普勒測流技術是利用了示蹤顆粒的光散射或聲散射特性，而 血紅細胞是一種內源性的光吸收性能良好的顆粒，其光吸收系數比一般的生物組織要高 將近3個數量級。對血液流速測量而言，光聲多普勒技術具有探測深度相對于激光多普 勒測流技術要大，探測靈敏度相對于超聲多普勒側流技術要高的優(yōu)點，適用于對血液微 循環(huán)的測量研究（可參閱文獻FangH，，MaslovK，，WangLV.PhotoacousticDoppler effectfromflowingsmalllight-absorbingparticles[J].PhysicalReview Letters, 2007, 99:184501.)。
[0006] 光聲生物醫(yī)學成像除了具有成像深度相對于純光學方法大的優(yōu)點外，還具有能 利用生物體的吸收光譜特性來進行區(qū)分判別組織結構的優(yōu)點，例如由于血紅細胞隨含 氧量不同其吸收光譜會有特定的變化，因此利用多波長掃描的光聲成像能測量出血管 中血紅細胞的血氧含量，并以此區(qū)分動靜脈血管（可參閱文獻ChenZ.，YangS，Xiang D.Invivodetectionofhemoglobinoxygensaturationandcarboxyhemoglobin saturationwithmultiwavelengthphotoacousticmicroscopy[J].Optics Letters,2012, 37:3414-3416.)〇
[0007] 目前還沒有同時既能判定血紅細胞的血氧含量又能根據多普勒效應精確測量血 液流速的光聲技術。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種可應用于血液微循環(huán)測量研究的，判別血紅細胞含氧量 的光聲多普勒血液流速測量方法及測量系統(tǒng)，可同時測量血液流速和血紅細胞含氧量。 [0009] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0010] -種判別血紅細胞含氧量的光聲多普勒血液流速測量方法，由以下幾個功能環(huán)節(jié) 構成：
[0011] 對若干個波長為的激光束分別進行正弦波或方波強度調制，對各 個調制頻率進行編碼分別設為f。+Af，&+2Af，&+3Af，...；
[0012] 將這些激光束利用光纖耦合方法耦合成為一束光并進行聚焦，照射到待測血管上 產生光聲波；
[0013] 利用中心頻率為f。的寬帶聚焦型超聲換能器收集待測血管所產生的光聲波；
[0014] 將超聲換能器輸出的光聲信號放大后輸入鎖相放大器進行解調，輸出光聲多普勒 信號；
[0015] 對光聲多普勒信號進行功率譜分析，獲得關于血流的流動方向、血流的流速分布， 和血紅細胞的血氧含量信息；
[0016] 其中光照射焦點與超聲換能器焦點重合。
[0017] 對所述的若干波長激光束進行正弦波或方波強度調制的各強度調制波形之間保 持固定的相位關系。
[0018] 在對若干不同波長激光束進行等頻率間隔調制頻率編碼時，設置f。等于收集光聲 波用的超聲換能器的中心頻率，設置Af處于一定范圍。
[0019] 進一步的，對以上所述的Af的范圍設置，首先要求滿足Af/f^UVmyc，其中v_ 代表帶測血流的最大流速，c代表在生物組織中的聲速，另外要求滿足Af<fd< (2n)，其 中n代表所用的不同波長激光束的數目，fd為頻譜總寬，且fd= 1/At，At為測量步長，即 相鄰兩次探測之間的時間間隔。
[0020] 以上所述的鎖相放大器解調輸入的參考信號為頻率為f。的正弦波或方波，而且該 參考信號的波形與調制激光束的各個波形有固定的相位關系。
[0021] 以上所述的光聲多普勒功率譜分析方法包含以下幾個步驟；1)對光聲多普勒功 率譜進行低通濾波獲得分布Af，2Af，3Af，...附近的各去噪聲功率譜；2)分析各去噪聲 功率譜的形狀，獲得關于血流方向和血流速度分布信息；3)分析各去噪聲功率譜的面積， 獲得關于血紅細胞血氧含量信息。
[0022] 進一步的，所述的血流的流動方向判定方法如下，當分布在Af, 2Af, 3Af,...附 近的各去噪聲功率譜都集中在Af，2Af，3Af，...左側時，可以判斷血流的方向是沿 著遠離超聲換能器的方向，當各去噪聲功率譜都集中在Af，2Af，3Af，...右側時， 可以判斷血流的方向是沿著朝向超聲換能器的方向，而當各去噪聲功率譜平均分布在 Af，2Af，3Af，...兩側時，可以判斷血流的方向是沿著垂直于超聲換能器軸線的方向。
[0023] 進一步的，對血流的流速平均速度計算分析方法如下：首先計算分布 在Af，2Af，3Af，. . ?附近的各去噪光聲功率譜的平均頻率f1;f2,f3,...，再計算 Af，f2-2Af，f3-3Af，? ??的平均多普勒頻移值fd，由此可得血液平均流速Vnean=fd/ (fQCOS0)，其中0為血流方向和超聲換能器軸線之間的夾角。
[0024] 進一步的，對血紅細胞血氧含量的計算分析方法如下：從計算分布在 Af，2Af，3Af，.. ?附近的各去噪光聲功率譜的面積，獲得血紅細胞在AA2,A3, .. ?處 的吸收光譜，由吸收光譜再計算出血紅細胞的血氧含量。
[0025] -種用于實現可判別血紅細胞含氧量的光聲多普勒血液流速測量方法的測量系 統(tǒng)，包含以下幾個功能單元：
[0026] 強度調制激光器光源單元，包括若干個具有不同波長的光強度內部調制型激光 器，還包括對其各自激光光束進行強度調制的一個或多個時鐘同步的函數發(fā)生器；
[0027] 多光束光纖耦合及血管掃描照射單元，包括一個光纖耦合器，其一端為分立的若 干根入射光纖，另一端為耦合后的一根出射光纖，還包括在各個入射光纖端各配置一個將 激光束聚焦耦合到光纖內的會聚透鏡，在出射光纖端配置一個將多波長光束聚焦照明到血 管上的消色差物鏡和會聚透鏡，另外還包括一個三維精密平移臺來固定所有以上的各個部 件以實現對血管的掃描照射；
[0028] 光聲波探測收集單元，包括一個中心頻率為f。的寬帶聚焦型超聲換能器，還包括 一個三維精密平移臺用于固定超聲換能器，以使超聲換能器的焦點位置與激光照射區(qū)域 重合；
[0029] 光聲信號解調單元，包括一個前置放大器用于放大超聲換能器收集到的光聲信 號，還包括一個鎖相放大器用于光聲信號的解調以獲得光聲多普勒信號；
[0030] 光聲多普勒信號頻譜分析單元，包括一臺計算機和相關軟件，用于對鎖相放大器 輸出的光聲多普勒信號的顯示、存儲，和頻譜分析。
[0031] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：
[0032] 1.本發(fā)明的測量方法基于光聲多普勒的基本原理進行光學激發(fā)和聲學檢測，與基 于激光多普勒或超聲多普勒的測流技術相比，探測深度大、分辨率高，并且可以探測超低 血流，能很好地適用于對血液微循環(huán)的測量。
[0033] 2.本發(fā)明的創(chuàng)新性在于在光聲多普勒測流技術中融入了光聲多光譜技術及強度 調制頻率編碼技術，不僅可以探測血流速度和血流方向，還可以探測到血紅細胞血氧含量 fg息。
[0034] 3.本發(fā)明使用的激光處于可見光波段并且激光平均強度可以控制在對人體安全 范圍之內，所激發(fā)的超聲波強度也處在對人體安全的范圍，因此可以達到非侵入式，無損探 測的目的。
【附圖說明】
[0035] 圖1為可判別血紅細胞含氧量的光聲多普勒血液流速測量系統(tǒng)示意圖；
[0036] 圖2為光聲信號的產生及收集過程示意圖；
[0037] 圖3為已測的黑色聚苯乙烯顆粒的光聲多普勒功率譜示意圖。
[0038] 圖中：1、2 :兩個函數發(fā)生器，3、4 :兩個激光器，5、6 :兩個會聚透鏡，7 :光纖耦合 器，8 :三維精密平移臺，9 :消色差物鏡，10 :會聚透鏡，11 :會聚的激光束，12 :血管，13 :超 聲換能器，14 :三維可調固定支架，15 :信號放大器，16 :鎖相放大器，17 :電腦，
【具體實施方式】
[0039] 如圖1所示，為本發(fā)明所述可判別血紅細胞含氧量的光聲多普勒血液流速測量系 統(tǒng)，為便于介紹，以雙波長為例，包括兩個函數發(fā)生器1、2,兩個激光器3、4,兩個會聚透鏡 5、6,光纖耦合器7,三維精密平移臺8,消色差物鏡9,會聚透鏡10,會聚的激光束11，血管 12,超聲換能器13,三維可調固定支架14,信號放大器15,鎖相放大器16,電腦17。
[0040] 如圖3所示，為已測的黑色聚苯乙烯顆粒在雙路激光激發(fā)下的光聲多普勒功率譜 示意圖，在功率譜圖上可以看到兩個峰值分別分布在5Hz和15Hz左側，據此可推斷，頻移為 負，即血液是背向超聲換能器13運動；從功率譜中提取平均光聲多普勒頻移fd，代入公式 v_n=f/(fccos0 )計算出血液平均流速，其中0為血流方向和超聲換能器13軸線之間 的夾角；從計算分布在5Hz和15Hz附近的各去噪光聲功率譜的面積，獲得血紅細胞在入p 入2處的吸收光譜，由吸收光譜再計算出所對應的血紅細胞血氧含量。
[0041] 本發(fā)明方法既能測量血液流速又能判定血紅細胞的含氧量，具體包括以下幾個功 能環(huán)節(jié)：
[0042] 一、使用一個或多個時鐘同步的函數發(fā)生器發(fā)出若干個相位關系固定的正弦波或 方波信號，頻率分別為fc、fc+Af、&+2Af、&+3Af，……；其中第一個信號用作鎖相放大 器的參考信號，后面的信號分別用來依次調制波長A,<A2<A3<……的連續(xù)激光的光 強；各個激光的平均光強要限制在對人體安全的范圍內，為了提高光聲波的激發(fā)效率，將各 個光強調制深度設置接近1〇〇%。
[0043] 二、將這些激光束利用光纖耦合方法耦合成為一束光并