基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及飞秒宽带吸收光谱技术，具体为一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法与装置。解决了现有探测技术灵敏度低、系统响应速度慢、对多种气体分子探测受限制的技术问题。一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法，包括以下步骤：（a）将采集到的由人体呼出的待测气体输入至蒸汽室中；（b）引入一束宽带飞秒激光入射并穿过光学蒸汽室，并得到吸收谱线；（c）采集吸收谱线并将其转换成相应的电信号后输入至电脑，电脑将该吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，获得分子的成份。本方法利用宽带飞秒激光具有宽的波长范围和超短脉冲，可在0.3-1.0μm范围内研究各种气体分子的吸收光谱，能够测量人体呼出的几乎所有不同成份的气体。
【专利说明】基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞秒宽带吸收光谱技术，具体为一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法与装置。
【背景技术】
[0002]到目前为止，科学家已经从人体所呼出的气体中分析得到数千种成份。这些气体分子可能来源于外界的环境或是人类自身，这些成份可以提供源于我们自身健康的一些生理学信息或是我们从环境中所吸收的一些有毒有害气体。一些特定分子的出现与一些特殊的疾病息息相关，通过测量人体呼出的气体来间接监测人的健康状况是一种快捷，准确且经济的健康检测手段。在实际生活中，人们也开始将一些探测气体成份的方法应用到人体呼出气体的分析当中，进而分析人体的健康程度。其中就包括光学探测、质谱分析法和电子鼻技术。质谱分析法灵敏度极其高，可以探测含量少的一些分子，但是很难鉴别出混合物中的单一成份。为了解决这一问题，质谱分析法常常与色谱分析法相结合来区分混合物中的单个成份，这种探测系统所占体积大、复杂、需要的测量时间长。相反地，电子鼻价格低廉，反应速度快，只对挥发性的有机成份有效，很难区分并精确地测量分子浓缩物。而光学探测法相比于以上两种是一种比较折中的探测方法，可以探测多种分子。随着激光技术向着更廉价、更紧凑、更稳定的方向发展，各种各样的光学探测技术发展了起来。利用激光来检测人体呼出的气体成份，为健康检查开创了一条崭新的方向。
[0003]可调谐激光器出现后，人们在近红外区域探测碳元素同位素的比率来进一步确定螺旋菌幽门(这一成份可导致消化器官溃疡)，探测甲胺的含量来诊断肝病和肾病。量子级联激光器在中红外区域可通过探测氨的含量来诊断是否肾衰竭。这些激光还可以通过探测氮氧化物的含量诊断气喘，探测乙烷的含量来诊断各种形式的癌症。这些探测系统提供了高灵敏的探测，但是都只是在很窄的光谱范围内进行探测。如果要对人体呼出的全部气体进行检测，不仅需要成百个激光器，而且在宽的光谱范围内实现高灵敏探测需要的很长时间，因此同时具备高灵敏度，且可以快速地对多组分气体探测的技术是极其稀缺的。
[0004]基于此，急需发明一种高灵敏且可以快速探测任何气体分子及其分子集团的探测
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【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有探测技术灵敏度低、系统响应速度慢、对多种气体分子探测受限制的技术问题，提供一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法与装置。
[0006]本发明所述的基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法是采用以下技术方案实现的:一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法，包括以下步骤:(a)将采集到的由人体呼出的待测气体输入至蒸气室中，同时向蒸气室中输入作为参考气体的氮气，同时使蒸气室内的气压保持为恒定值；所述蒸气室的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；(b)引入一束宽带飞秒激光入射并穿过蒸气室，将从蒸气室透射出的携带有待测气体成分信息的宽带飞秒激光经过虚拟空间相位调制器和光栅，使不同频率的组分分开得到吸收谱线；(C)采集吸收谱线并将其转换成相应的电信号后输入至电脑，电脑将该吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，从中获得各种分子的吸收线，并获得分子的成份；同时根据采用定标方法得到的多种待测气体浓度与吸收谱线强度的对应关系，结合采集到的待测气体的吸收谱线，就可获得各待测气体的浓度值。
[0007]本方法利用宽带飞秒激光具有宽的波长范围(0.3-1.?μ m)和超短脉冲(小于100fs)的特点，可以在0.3-1.1n m范围内研究各种气体分子的吸收光谱。这种方法可以测量人体呼出的几乎所有不同成份的气体。
[0008]通过测量人体呼出气体来诊断人体的健康情况，这种基于宽带锁模飞秒激光分析人体呼出气体成份进行健康监测的方法在人体健康检测方面具有很多优势:超高探测灵敏度、同时快速识别和区分各种气体、根据人体呼出的各种气体实时诊断。
[0009]本发明所述的基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置是采用如下技术方法实现的:一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置，包括第一导气管，第一导气管上沿进气方向顺次设有第一阀门、第一气压计和第四阀门；第一导气管上位于第一阀门和第一气压计之间的部分通过分支管道分别连接有储气瓶和校准气体瓶；连接储气瓶和校准气体瓶的分支管道上分别设有第二阀门和第三阀门；第一导气管的末端连接有一个其上设有入射、出射窗口的蒸汽室，蒸汽室的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；蒸汽室的另一个进气端通过第二导气管连接有氮气瓶，蒸汽室的出气端通过第三导气管连接有抽气泵；第二导气管上沿氮气流动方向设有第二气压计和第五阀门；第三导气管上沿气流方向设有第三气压计和第六阀门；还包括一个飞秒振荡器和放大器、顺次连接在飞秒振荡器和放大器出射端的周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体和光子晶体光纤；所述蒸汽室位于光子晶体光纤的出射光路上；蒸汽室出射光路上顺次设有第一凸透镜、虚拟空间相位调制器以及光栅；光栅的反射光路上顺次设有第二凸透镜以及摄像机；摄像机的信号输出端连接有电脑。
[0010]工作时，由人呼出的气体通过第一阀门和第二阀门后到达储气瓶，储气瓶是用来控制气体的流动，再通过第三阀门到达蒸汽室中，其中校准气体瓶与第一导气管的连接处位于储气瓶和第一气压计与第一导气管的连接处之间，由第四阀门来控制；氮气瓶位于第二气压计之后，并由第五阀门来控制。第一气压计和第二气压计分别显示未经过氮气和经过氮气的气压示数。气体从蒸汽室中流出气体的气压由第三气压计来探测，第六阀门来控制抽气泵的开断。以上是一个气体连续流动的过程，通过标准气体来校准，氮气作为参考气体进入到蒸汽室中。配合各级阀门和抽气泵的作用，使得样品气体循环起来，使蒸汽室内的气压保持为恒定值，减小气体分子的吸附效应并增强光吸收作用。为了减小器壁吸附作用及抗腐蚀性，管子、阀门都是用聚四氟乙烯材料制成的。为了避免凝聚作用，减小由温度引起的汽室长度变化，蒸气室由派热克斯玻璃制成并加热到四十摄氏度。另一方面，由飞秒振荡器输出的飞秒激光由光纤放大器放大再经过周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体倍频后由光子晶体光纤展宽的宽带飞秒激光通过布儒斯特角窗口镀高透膜光学蒸汽室，透射出的吸收信号通过光栅使不同频率的组分分开，并且通过第二凸透镜使摄像机接受气体分子的吸收信号。摄像机输出的信号再由电脑进行显示分析。由电脑在相应软件(Iabview软件)的支持下将显示出的吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，可从中获得各种分子的吸收线，并获得分子的成份。因为光子晶体光纤展开的宽带飞秒激光光谱范围覆盖
0.3// m-1.7// m之间，很多示踪分子的吸收线在这个范围内，于是可以很容易地确定分子的成份，并从中诊断相关的病症。测试前可先通过浓度已知的标准气体(储存于校准气体瓶)对整个测试装置进行定标，定标之后得到该种气体的浓度与吸收谱线在本测试装置下的对应关系，进而在实际探测时可以获知待测气体的浓度值；所述的定标方法是本领域技术人员所公知的技术，是易于实现的。
[0011]采用布儒斯特角窗口的蒸气室消除了激光不必要的反射，同时布儒斯特角的窗口不会改变入射激光的相位。通过使用虚拟相位调制器、光栅和两个凸透镜的组合使得探测到的信号不仅反应到人体呼出的气体对不同频率的宽带脉冲激光吸收，而且反应到呼出气体对不同频率激光的相位的改变，这种方法增加了相位信息，使得测量结果更加精确。
[0012]进一步的，所述蒸气室的出射光路上设有第一准直反射镜，第一准直反射镜的反射光路上设有第二准直反射镜；所述第一凸透镜、虚拟空间相位调制器和光栅顺次位于第二反射镜的反射光路上。
[0013]入射的飞秒宽带激光与蒸气室内人体不同呼出气体作用后会产生折射，蒸气室内不同的呼出气体和氮气的组合对激光产生的折射不同，出射光的角度会发生改变，因此激光由蒸气室出射之后需要增加两个准直反射镜，以保证光路的准直。
[0014]本发明所述的基于宽带锁模飞秒激光分析人体呼出气体成份进行健康监测的装置在人体健康检测方面具有很多优势:超高探测灵敏度，同时快速识别和区分各种气体，根据人体呼出的各种气体实时诊断。发明采用商用化的锁模飞秒激光器输出的宽带光谱(0.3-1.7//m)几乎可以同时测量人体呼出的全部气体成份，解决了现有气体检测方法中无法同时分析人体呼出的所有气体成份的缺点，同时解决了很难测量混合物质的技术问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明所述装置的结构示意图。
[0016]图中:1-腔体，2-第一导气管，3-第一阀门，4-第二阀门，5-储气瓶，6_第三阀门，7-校准气体瓶，8-第一气压计，9-第四阀门，10-第五阀门，11-第二气压计，12-氮气瓶，13-第二导气管，14-第一准直反射镜，15-飞秒振荡器和放大器，16-周期性极化银酸锂PPLN倍频晶体，17-光子晶体光纤，18-蒸汽室，19-第三导气管，20-第三气压计，21-第六阀门，22-抽气泵，23-第二准直反射镜，24-第一凸透镜，25-虚拟空间相位调制器，
26-光栅，27-第二凸透镜，28-摄像机，29-数据线，30-电脑。
【具体实施方式】
[0017]一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法，包括以下步骤:(a)将采集到的由人体呼出的待测气体输入至蒸气室18中，同时向蒸汽室18中输入作为参考气体的氮气，同时使蒸气室18内的气压保持为恒定值；所述蒸汽室18的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；(b)引入一束宽带飞秒激光入射并穿过蒸汽室18，将从蒸气室18透射出的携带有待测气体成分信息的宽带飞秒激光经过虚拟空间相位调制器25和光栅26，使不同频率的组分分开得到吸收谱线；(c)采集吸收谱线并将其转换成相应的电信号后输入至电脑30，电脑30将该吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，从中获得各种分子的吸收线，并获得分子的成份；同时根据采用定标方法得到的多种待测气体浓度与吸收谱线强度的对应关系，结合采集到的待测气体的吸收谱线，就可获得各待测气体的浓度值。
[0018]一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置，包括第一导气管2，第一导气管2上沿进气方向顺次设有第一阀门3、第一气压计8和第四阀门9 ;第一导气管2上位于第一阀门3和第一气压计8之间的部分通过分支管道分别连接有储气瓶5和校准气体瓶7 ;连接储气瓶5和校准气体瓶7的分支管道上分别设有第二阀门4和第三阀门6 ;第一导气管2的末端连接有一个其上设有入射、出射窗口的蒸气室18，蒸气室18的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；蒸气室18的另一个进气端通过第二导气管13连接有氮气瓶12，蒸气室18的出气端通过第三导气管19连接有抽气泵22 ;第二导气管13上沿氮气流动方向设有第二气压计11和第五阀门10 ;第三导气管19上沿气流方向设有第三气压计20和第六阀门21 ;还包括一个飞秒振荡器和放大器15、顺次连接在飞秒振荡器和放大器15出射端的周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体16和光子晶体光纤17 ;所述蒸气室18位于光子晶体光纤17的出射光路上；蒸气室18出射光路上顺次设有第一凸透镜24、虚拟空间相位调制器25以及光栅26 ;光栅26的反射光路上顺次设有第二凸透镜27以及摄像机28 ;摄像机28的信号输出端连接有电脑30。
[0019]所述蒸气室18的出射光路上设有第一准直反射镜14，第一准直反射镜14的反射光路上设有第二准直反射镜23 ;所述第一凸透镜24、虚拟空间相位调制器25和光栅26顺次位于第二反射镜23的反射光路上。
[0020]还包括一个腔体I ;所述腔体I上开有入射小孔和出射小孔；第一导气管2、第一阀门3、第二阀门4、第三阀门6、第四阀门9、第五阀门10、第六阀门21、第一气压计8、第二气压计11、第三气压计20、储气瓶5、校准气体瓶7、氮气瓶12、第一准直反射镜14、蒸汽室18、第二准直反射镜23、抽气泵22、第一凸透镜24、第二凸透镜27、虚拟空间相位调制器25、光栅26、摄像机28、飞秒振荡器和放大器15、周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体16和光子晶体光纤17均设于腔体I内；第一导气管2的进气端口穿过入射小孔伸出腔体I ;所述摄像机28通过数据线29经出射小孔穿出腔体I与电脑30相连接。整个装置集约在一个腔体内，易于携带，方便检测。
[0021]工作时，由人呼出的气体通过第一阀门3到达储气瓶5中，储气瓶5是用来控制气体的流动，然后经过第三阀门6、第一气压计8、第二气压计9到达布儒斯特角蒸气室18中，其中校准气体瓶7由第四阀门9来控制；氮气瓶12位于第二气压计11之后，并由第五阀门10来控制。第一气压计8和第二气压计11分别显示未经过氮气和经过氮气的气压示数。从布儒斯特角窗口镀高透膜光学蒸气室18中流出的气体气压由第三气压计20来探测，第六阀门21来控制抽气泵22的开断。以上这是一个气体连续流动的过程，通过标准气体瓶7中的标准气体来校准，氮气12作为参考气体进入到蒸气室中。配合各级阀门和抽气泵的作用，使得样品气体循环起来，使气室内的气压保持为恒定值，减小气体分子吸附效应并增强光吸收作用。为了减小器壁吸附作用及抗腐蚀性，管子、储气瓶和阀门都是用聚四氟乙烯材料制成的。为了避免凝聚作用，减小由温度引起的气室长变化，蒸气室由派热克斯玻璃制成并加热到四十摄氏度。另一方面，由光子晶体光纤17出射的宽带激光进入布儒斯特角窗口镀高透膜光学蒸气室18，布儒斯特角和高透膜都增加了光的透射从而增加光与待测气体原子的相互作用，透射出的吸收信号通过第一凸透镜24、虚拟空间调制器25、光栅26使不同频率的组分分开，并且通过第二凸透镜27汇聚到使摄像机28接受气体分子的吸收信号。摄像机28输出的信号再由数据线29从腔I的出射小孔输出到电脑30进行分析。由电脑30显示出的吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，可从中获得各种分子的吸收线，并获得分子的成份。由于宽带锁模飞秒激光光谱范围覆盖0.3 μ m-1.0 μ m之间，很多示踪分子的吸收线在这个范围内，于是我们可以很容易地确定分子的成份，并从中诊断相关的病症。
[0022]具体实施时，所述飞秒振荡器(锁模飞秒激光器)为MenloSystems公司生产的商用化锁模激光器。所述第一阀门3、第二阀门4、第三阀门6、第四阀门9、第五阀门10、第六阀门21和导气管2都是用聚四氟乙烯材料制成的。所述蒸气室18是用派热克斯玻璃制的。第一反射镜14、第二反射镜23均为镀银的全反射镜。所述第一气压计8、第二气压计1、第三气压计20均为上海宏宇公司生产的。所述的光栅为1800线/mm。
【权利要求】
1.一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)将采集到的由人体呼出的待测气体输入至蒸气室(18)中，同时向蒸气室(18)中输入作为参考气体的氮气，同时使蒸气室(18)内的气压保持为恒定值；所述蒸气室(18)的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；(b)引入一束宽带飞秒激光入射并穿过蒸汽气室(18)，将从蒸气室(18)透射出的携带有待测气体成分信息的宽带飞秒激光经过虚拟空间相位调制器(25)和光栅(26)，使不同频率的组分分开得到吸收谱线；(c)采集吸收谱线并将其转换成相应的电信号后输入至电脑(30)，电脑(30)将该吸收谱线与HITRAN分子光谱数据库相对比，从中获得各种分子的吸收线，并获得分子的成份；同时根据采用定标方法得到的多种待测气体浓度与吸收谱线强度的对应关系，结合采集到的待测气体的吸收谱线，就可获得各待测气体的浓度值。
2.一种基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括第一导气管(2)，第一导气管(2)上沿进气方向顺次设有第一阀门(3)、第一气压计(8)和第四阀门(9);第一导气管(2)上位于第一阀门(3)和第一气压计(8)之间的部分通过分支管道分别连接有储气瓶(5)和校准气体瓶(7);连接储气瓶(5)和校准气体瓶(7)的分支管道上分别设有第二阀门(4)和第三阀门(6);第一导气管(2)的末端连接有一个其上设有入射、出射窗口的蒸气室(18)，蒸气室(18)的入射、出射窗口为布儒斯特角窗口且其上镀高透膜；蒸气室(18)的另一个进气端通过第二导气管(13)连接有氮气瓶(12)，蒸气室(18)的出气端通过第三导气管(19)连接有抽气泵(22);第二导气管(13)上沿氮气流动方向设有第二气压计(11)和第五阀门(10);第三导气管(19)上沿气流方向设有第三气压计(20)和第六阀门(21);还包括一个飞秒振荡器和放大器(15)、顺次连接在飞秒振荡器和放大器(15)出射端的周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体(16)和光子晶体光纤(17);所述蒸气室(18)位于光子晶体光纤(17)的出射光路上；蒸气室(18)出射光路上顺次设有第一凸透镜(24)、虚拟空间相位调制器(25)以及光栅(26);光栅(26)的反射光路上顺次设有第二凸透镜(27)以及摄像机(28);摄像机(28)的信号输出端连接有电脑(30)。
3.如权利要求2所述的基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置，其特征在于，所述蒸气室(18)的出射光路上设有第一准直反射镜(14)，第一准直反射镜(14)的反射光路上设有第二准直反射镜(23);所述第一凸透镜(24)、虚拟空间相位调制器(25)和光栅(26)顺次位于第二反射镜(23)的反射光路上。
4.如权利要求3所述的基于锁模飞秒激光的人体健康监测装置，其特征在于，还包括一个腔体(I);所述腔体(I)上开有入射小孔和出射小孔；第一导气管(2)、第一阀门(3)、第二阀门(4)、第三阀门(6)、第四阀门(9)、第五阀门(10)、第六阀门(21)、第一气压计(8)、第二气压计(11)、第三气压计(20)、储气瓶(5)、校准气体瓶(7)、氮气瓶(12)、第一准直反射镜(14)、蒸汽室(18)、第二准直反射镜(23)、抽气泵(22)、第一凸透镜(24)、第二凸透镜(27)、虚拟空间相位调制器(25)、光栅(26)、摄像机(28)、飞秒振荡器和放大器(15)、周期性极化铌酸锂PPLN倍频晶体(16)和光子晶体光纤(17)均设于腔体(I)内；第一导气管(2)的进气端口穿过入射小孔伸出腔体(I);所述摄像机(28)通过数据线(29)经出射小孔穿出腔体(I)与电脑(30)相连接。
【文档编号】G01N21/31GK104237148SQ201410512193
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】汪丽蓉, 金丽, 张一驰, 向少山, 曹书凯 申请人:山西大学