一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,在測量表皮黑色素濃度時,通過分析光聲信號的時域特征,得到黑色素層光聲信號強(qiáng)度,參照標(biāo)準(zhǔn)化黑色素濃度曲線,得出待測黑色素濃度。標(biāo)準(zhǔn)化黑色素濃度曲線的測定,通過測量不同濃度的黑色素溶液光聲信號強(qiáng)度,得到黑色素濃度-光聲信號強(qiáng)度的關(guān)系參數(shù)。還包括據(jù)此方法搭建基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,包括計算機(jī)系統(tǒng)、光聲信號激發(fā)系統(tǒng)、手持式探頭、光聲信號采集系統(tǒng)。手持式探頭沿著光的傳播方向,濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡、超聲探測器和耦合杯依次設(shè)置在外殼內(nèi)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單,操作快捷,易于推廣的優(yōu)點(diǎn),屬于黑色素的濃度測定【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種黑色素的濃度測定技術(shù),具體的說,涉及一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前,測量表皮黑色素濃度的方法有漫反射光譜和分光光度計等方法,漫反射光譜法和分光光度計法雖然可以測量表皮中黑色素的濃度,但是受血液流動的影響較大,如按壓導(dǎo)致的皮膚失血等。因此需要開發(fā)一種不易受血液流動影響的方法。
[0003]光致聲效應(yīng)原理是使用納秒量級的短脈沖激光(光信號)照射生物組織,生物組織吸收短脈沖激光后,引起快速的熱彈性膨脹產(chǎn)生機(jī)械波,由此產(chǎn)生超聲波(光聲信號)。超聲探測器接收產(chǎn)生的超聲波,通過時域分析,可以得到組織中的光吸收分布。
[0004]光致聲效應(yīng)原理可以準(zhǔn)確的測定表皮中黑色素濃度,由于目標(biāo)物質(zhì)受到脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的超聲信號到達(dá)超聲探測器的時間不同,可以準(zhǔn)確的分辨不同深度上的吸收體,從而排除了血紅素對于膚色的影響,通過黑色素層的光聲信號強(qiáng)度測定表皮黑色素濃度。
[0005]因此,將光致聲效應(yīng)原理應(yīng)用于表皮黑色素濃度的確定,不僅可實(shí)現(xiàn)無損快速測定,還能排除血液流動的干擾。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題,本發(fā)明的目的是:提供一種能對表皮黑色素濃度進(jìn)行快速無損檢測且不受血液流動干擾的基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法及其裝置。
[0007]為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,包括如下步驟:光聲信號激發(fā)系統(tǒng)發(fā)出脈沖激光,被待測表皮及其內(nèi)的黑色素吸收,由于吸收能量導(dǎo)致瞬間溫升,從而應(yīng)激產(chǎn)生出光聲信號;將手持式探頭緊貼待測表皮上方,光聲信號采集系統(tǒng)通過超聲探測器接收待測表皮產(chǎn)生的光聲信號,并儲存數(shù)據(jù);計算機(jī)系統(tǒng)自動處理被記錄的待測表皮光聲信號波形,通過時域分析,得到黑色素層光聲信號波形及強(qiáng)度,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,對比黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到待測表皮的黑色素濃度。
[0009]一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,計算機(jī)系統(tǒng)分析得到表皮黑色素層的光聲信號強(qiáng)度,對照黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,讀取黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線得出待測表皮的黑色素濃度;黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制工序包括如下步驟:a.在水溫40°C時將黑色素顆粒溶于濃度為10%氫氧化鈉溶液中作為體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑,氫氧化鈉溶液的PH值>12 ;b.以同一濃度的氫氧化鈉溶液為溶劑配置不同黑色素濃度的體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑,利用手持式探頭測定不同濃度的試劑所產(chǎn)生的光聲信號強(qiáng)度,得到黑色素濃度-光聲信號強(qiáng)度幅值坐標(biāo)圖上的多個點(diǎn),將多個點(diǎn)連接擬合成直線得到黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線及其關(guān)系式P = a*C+b,其中P為測量光聲信號強(qiáng)度幅值,C為黑色素濃度,a為直線的斜率,b為直線的截距。
[0010]根據(jù)一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法搭建的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,包括:計算機(jī)系統(tǒng)、光聲信號激發(fā)系統(tǒng)、手持式探頭、光聲信號采集系統(tǒng)。超聲探測器和耦合杯安裝在手持式探頭上;光聲信號激發(fā)系統(tǒng)發(fā)出的光信號穿過超聲探測器和耦合杯照射待測表皮;光聲信號采集系統(tǒng)通過超聲探測器接收待測表皮產(chǎn)生的光聲信號,并儲存數(shù)據(jù);計算機(jī)系統(tǒng)控制光聲信號激發(fā)系統(tǒng)的啟閉,接收光聲信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。
[0011]光聲信號激發(fā)系統(tǒng)包括:沿著光信號傳播方向依次設(shè)置的脈沖激光器、光纖耦合器、光纖。脈沖激光器、光纖稱合器、光纖、濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)依次相接。脈沖激光器輸出的激光通過光纖耦合器耦合進(jìn)入光纖,光束經(jīng)過光纖傳導(dǎo),激光出射后由濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)后輸出準(zhǔn)直激光。濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)可采用光束準(zhǔn)直器。光聲信號激發(fā)系統(tǒng)根據(jù)黑色素的吸收光譜選取的脈沖激光激發(fā)波長為532nm。
[0012]脈沖激光器發(fā)出的光信號波長為532納米。
[0013]手持式探頭還包括濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡和外殼;沿著激光的傳播方向,濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡、超聲探測器和I禹合杯依次設(shè)置在外殼內(nèi);經(jīng)光纖出射的光信號經(jīng)濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)成為準(zhǔn)直激光后,再經(jīng)一維掃描振鏡轉(zhuǎn)向,經(jīng)物鏡聚焦,穿過超聲探測器和耦合杯入射至表皮。物鏡到待測表皮中黑色素的距離,選取放大倍數(shù)為4倍的物鏡,焦長17mm。
[0014]耦合杯的端部凸出于外殼的端部。
[0015]超聲探測器和物鏡通過轉(zhuǎn)接環(huán)螺紋旋接;物鏡與外殼的內(nèi)壁通過另一個轉(zhuǎn)接環(huán)螺紋旋接。
[0016]超聲探測器是中空平場探測器,激光穿過超聲探測器的中空孔入射至待測表皮;耦合杯與待測表皮接觸的一端設(shè)有透光透聲薄膜;超聲探測器和耦合杯內(nèi)充滿水作為超聲耦合介質(zhì),水將超聲探測器的接收元件淹沒。
[0017]光聲信號采集系統(tǒng)包括:前置信號放大器和高速數(shù)據(jù)采集卡;超聲探測器、前置信號放大器和高速數(shù)據(jù)采集卡依次相接;高速數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)系統(tǒng)相接。超聲探測器將接收到的光聲信號轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)過前置信號放大器濾波放大,通過高速數(shù)據(jù)采集卡采集輸入計算機(jī)系統(tǒng)。
[0018]計算機(jī)系統(tǒng)包括激光器驅(qū)動、一維振鏡驅(qū)動、軟件控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。軟件控制系統(tǒng)基于LabView開發(fā)軟件,通過控制激光器驅(qū)動使得脈沖激光器輸出脈沖激光,同時觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集卡采集光聲信號,數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換,逆卷積處理后,實(shí)時呈現(xiàn)在電腦軟件上;一維振鏡驅(qū)動控制一維掃描振鏡旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)光束在皮膚表面的掃描。米集數(shù)據(jù)時,手持式探頭保持固定,內(nèi)部一維掃描振鏡旋轉(zhuǎn)掃描。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于LabView開發(fā)軟件,根據(jù)表皮對532波長的吸收體根據(jù)結(jié)構(gòu)從表層開始,依次分為角質(zhì)層、黑色素層以及血管,通過分析采集到的光聲信號波形的時域特征,自動提取黑色素層的光聲信號強(qiáng)度,并與對比黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到表皮黑色素濃度。
[0019]本發(fā)明的原理是:
[0020]利用光致聲效應(yīng)原理,由于人體表皮對532nm波長的吸收體根據(jù)結(jié)構(gòu)從表層開始,依次分為角質(zhì)層、黑色素層以及血管,通過時域分析采集到的光聲信號,得到黑色素層發(fā)出光聲信號的強(qiáng)度,由光聲信號的強(qiáng)度值對比黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線讀取黑色素的濃度值。
[0021]黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制原理是:配置各種不同濃度的體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑,由一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置測量不同濃度黑色素對應(yīng)的光聲信號強(qiáng)度,得出光聲信號強(qiáng)度對應(yīng)黑色素濃度的曲線。一臺設(shè)備對應(yīng)專屬的黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,當(dāng)設(shè)備中零部件更換或拆卸后,可重新繪制黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。
[0022]采用光纖和光纖耦合器對光信號進(jìn)行傳導(dǎo),實(shí)現(xiàn)探頭的手持式操作。
[0023]總的說來,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024](I)利用本方法和裝置可以無損的測定表皮中黑色素濃度。
[0025](2)采用手持式探頭,方便操作人員快速對準(zhǔn)被測試者待測部位,探頭小巧靈活,適用于不同人群的測量,且移動靈活方便,操作快捷。
[0026](3)測量速度快,每次掃描時間不超過3秒鐘。
[0027](4)本發(fā)明系統(tǒng)操作簡便,一體化程度高,易于推廣。
[0028](5)結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)成品較低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的原理圖。
[0030]圖2是手持式探頭的剖視圖。
[0031]圖3是采用本發(fā)明裝置檢測體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑標(biāo)定黑色素含量圖。
[0032]圖4a和圖4b是檢查同一個人不同部位的皮膚光聲信號圖。
[0033]其中,I為激光器驅(qū)動,2為脈沖激光器,3為光纖稱合器,4為濾波準(zhǔn)直系統(tǒng),5為一維掃描振鏡,6為物鏡,7為超聲探測器,8為前置信號放大器,9為計算機(jī)系統(tǒng),10為光纖,11為率禹合杯,12為外殼,13為轉(zhuǎn)接環(huán),4-1-1為第一個部位的皮膚角質(zhì)層信號,4-1-2為第一個部位的皮膚黑色素層信號,4-1-3為第一個部位的血管信號,4-2-1為第二個部位的皮膚角質(zhì)層信號,4-2-2為第二個部位的皮膚黑色素層信號,4-2-3為第二個部位的血管信號。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0035]實(shí)施例一
[0036]一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,包括:計算機(jī)系統(tǒng)、光聲信號激發(fā)系統(tǒng)、光聲信號采集系統(tǒng)和手持式探頭。
[0037]計算機(jī)系統(tǒng)包括:前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡、激光器驅(qū)動、一維振鏡驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),能夠?qū)崟r處理采集到的信號,通過時域分析,小波變換等信號處理,得到表皮黑色素濃度,并可實(shí)時對激光器驅(qū)動和一維振鏡驅(qū)動進(jìn)行控制。
[0038]光聲信號激發(fā)系統(tǒng)包括:沿著光信號的傳播方向依次設(shè)置的脈沖激光器、光纖耦合器、光纖。激光驅(qū)動器、脈沖激光器、光纖耦合器、光纖、濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)依次相接。一維掃描振鏡與一維振鏡驅(qū)動相接。脈沖激光器發(fā)出的激光波長為532納米,特征波長的選擇兼顧黑色素的吸收強(qiáng)度以及脈沖激光在組織中的穿透深度。
[0039]手持式探頭包括:超聲探測器、耦合杯、濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡和外殼;沿著激光的傳播方向,濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡、超聲探測器和耦合杯依次設(shè)置在外殼內(nèi)。如圖2所示,濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)置在左上方,一維掃描振鏡設(shè)置在右上方;一維掃描振鏡、物鏡、超聲探測器和耦合杯成一直線從上往下依次設(shè)置。濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)采用光束準(zhǔn)直器。超聲探測器和物鏡之間通過一個轉(zhuǎn)接環(huán)螺紋旋接,物鏡和外殼的內(nèi)壁通過另一個轉(zhuǎn)接環(huán)螺紋旋接。超聲探測器為中空平場探測器;耦合杯的下端設(shè)有透光透聲薄膜,耦合杯移動時,保證水不會溢出;耦合杯的下端凸出于外殼的下端;超聲探測器和耦合杯內(nèi)充滿水作為超聲耦合介質(zhì),水將超聲探測器的接收元件淹沒。
[0040]激光器驅(qū)動由計算機(jī)系統(tǒng)控制,驅(qū)動脈沖激光器輸出波長為532nm的激光,通過光纖耦合器耦合進(jìn)入光纖中,由光纖導(dǎo)入手持式探頭內(nèi)的光束準(zhǔn)直器后出射準(zhǔn)直激光,經(jīng)一維掃描振鏡,改變出射的光束角度,經(jīng)過物鏡聚焦,聚焦光束通過中空的超聲探測器和耦合杯后,激發(fā)表皮組織產(chǎn)生光聲信號。組織產(chǎn)生的光聲信號通過固定在探測器下方的透光透聲薄膜耦合進(jìn)超聲探測器,接收的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,通過前置信號放大器放大,被高速數(shù)據(jù)采集卡采集并儲存到計算機(jī)系統(tǒng)中。經(jīng)過LabView軟件處理得到有關(guān)表皮黑色素濃度的信息。
[0041]配置體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑,在水溫40°C時將黑色素顆粒溶于氫氧化鈉溶液中,其中,氫氧化鈉濃度10%,分別配置黑色素濃度為lmg/ml、0.75mg/ml、0.5mg/ml、
0.25mg/ml、0.125mg/ml>0mg/ml的試劑。定標(biāo)相同光強(qiáng)下,不同濃度黑色素溶液的光聲信號幅值,擬合光聲信號幅值隨黑色素濃度變化的變化曲線,如圖3所示,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制擬合圖線,從圖得出斜率和截距,a = 8.47,b = 0.37。
[0042]實(shí)施例二
[0043]采用實(shí)施例一的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置在體檢測人體皮膚的光聲信號。
[0044]圖像4a、4b分別為同一個人不同部位的皮膚光聲信號。利用本發(fā)明的裝置,能夠在通過時域分析,在信號上清晰的區(qū)分出皮膚的角質(zhì)層和黑色素層,并能對表皮黑色素濃度進(jìn)行測量,通過對信號進(jìn)行處理,可以得出圖4a所示的皮膚信號,黑色素層光聲信號強(qiáng)度為2.6微伏,圖4b所示的皮膚信號,黑色素層的光聲信號強(qiáng)度為1.4微伏,對應(yīng)圖3黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,分別為0.26mg/ml,0.12mg/ml。
[0045]本實(shí)施例未提及部分同實(shí)施例一。
[0046]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,其特征在于:包括以下操作步驟: (1)光聲信號激發(fā)系統(tǒng)發(fā)出脈沖激光,被待測表皮及其內(nèi)的黑色素吸收,由于吸收能量導(dǎo)致瞬間溫升,從而應(yīng)激產(chǎn)生出光聲信號; (2)將手持式探頭緊貼待測表皮上方,光聲信號采集系統(tǒng)通過超聲探測器接收待測表皮產(chǎn)生的光聲信號,并儲存數(shù)據(jù); (3)計算機(jī)系統(tǒng)自動處理被記錄的待測表皮光聲信號波形,通過時域分析,得到黑色素層光聲信號波形及強(qiáng)度,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,對比黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到待測表皮的黑色素濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,其特征在于:所述黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定過程包括如下步驟: (1)在水溫40°C時將黑色素顆粒溶于10%的氫氧化鈉溶液中作為體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑; (2)以同一濃度的氫氧化鈉溶液為溶劑配置不同黑色素濃度的體外標(biāo)定黑色素濃度的試劑,利用手持式探頭測定不同濃度的試劑所產(chǎn)生的光聲信號強(qiáng)度,得到黑色素濃度-光聲信號強(qiáng)度幅值坐標(biāo)圖上的多個點(diǎn),將多個點(diǎn)連接擬合成直線得到黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線及其關(guān)系式P = a*C+b,其中P為測量光聲信號強(qiáng)度幅值,C為黑色素濃度,a為直線的斜率,b為直線的截距。
3.一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的方法,其特征在于: 包括計算機(jī)系統(tǒng)、光聲信號激發(fā)系統(tǒng)、手持式探頭、光聲信號采集系統(tǒng); 超聲探測器和耦合杯安裝在手持式探頭上; 光聲信號激發(fā)系統(tǒng)發(fā)出的光信號穿過超聲探測器和耦合杯照射待測表皮;光聲信號采集系統(tǒng)通過超聲探測器接收待測表皮產(chǎn)生的光聲信號,并儲存數(shù)據(jù);計算機(jī)系統(tǒng)控制光聲信號激發(fā)系統(tǒng)的啟閉,接收光聲信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:所述光聲信號激發(fā)系統(tǒng)根據(jù)黑色素的吸收光譜選取的脈沖激光激發(fā)波長為532nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:所述手持式探頭還包括濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡和外殼;沿著激光的傳播方向,濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)、一維掃描振鏡、物鏡、超聲探測器和I禹合杯依次設(shè)置在外殼內(nèi);激光經(jīng)濾波準(zhǔn)直系統(tǒng)成為準(zhǔn)直激光后,再經(jīng)一維掃描振鏡轉(zhuǎn)向,經(jīng)物鏡聚焦,穿過超聲探測器和耦合杯入射至待測表皮。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:所述耦合杯與待測表皮接觸的一端設(shè)有透光透聲薄膜;耦合杯內(nèi)充滿水,水將超聲探測器的接收元件淹沒。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:所述超聲探測器是中空平場探測器,激光穿過超聲探測器的中空孔入射至待測表皮。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:根據(jù)所述物鏡到待測表皮中黑色素的距離,選取放大倍數(shù)為4倍的物鏡,焦長17mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光致聲效應(yīng)原理的測定表皮黑色素濃度的裝置,其特征在于:所述計算機(jī)系統(tǒng)中安裝的數(shù)據(jù)處理軟件基于LabView開發(fā)軟件,根據(jù)表皮的吸收體,從上層開始,依次分為角質(zhì)層、黑色素層以及血管,數(shù)據(jù)處理軟件通過分析采集到的光聲信號波形的時域特征,自動提取黑色素層的光聲信號強(qiáng)度,并與黑色素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線對比,得到待測表皮的黑色素濃度。
【文檔編號】A61B5/103GK104161520SQ201410428745
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】邢達(dá), 王雅婷, 許棟, 楊思華 申請人:華南師范大學(xué)