专利名称：用于检查深静脉血栓的近红外激光系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于医疗器械技术领域，具体涉及用于深静脉血栓的光学检查技术。
背景技术：
深静脉血栓是指血液非正常地在深静脉内凝结，属于下肢静脉回流障碍性疾病。 血栓形成后，除少数能自行消融或局限于发生部位外，大部分会扩散至整个肢体的深静脉主干，若不能及时诊断和处理，多数会演变为血栓形成后遗症，长时间影响患者的生活质量；还有一些病人可能并发肺栓塞，造成极为严重的后果。目前深静脉血栓的检测基本依赖成像技术例如X光造影成像和超声。但是的前者对病人健康有影响，并发症多，不适合早期检查，后者特异性差，难以在早期诊断。红外线电视摄像温度记录诊断血栓性静脉炎和静脉血栓很敏感但无特异性，且价格昂贵，操作复杂。近红外光学技术由于其非侵入性，同时可以用于判断腿部静脉血液滞留情况，对血液特性的良好特异性和敏感性。然而由于近红外光在人体组织中的散射和吸收，穿透能力受到很大限制。同时由于体表对光强的限制，透入体内散射并被传感器接收、能作有效诊断的近红外光一般很难达到2厘米以外的组织。因此该技术对腿部较深处的血管往往无能为力。透入深度有限制的一个主要原因是因为随深度增加光信号的幅度以接近IOdB/厘米的趋势衰减，而光噪声和电子噪声并不衰减，最终导致信噪比减小。
实用新型内容本实用新型包括一个多波长近红外激光发射和接收系统，可以对腿部组织分时发射和接收多波长的近红外激光，并通过在信号的发射和接收采用通道扩展频谱技术抑制噪声影响，从而使得激光信号在功率受限的前提下能在人体更深的区域仍然保持较好的信噪比，为该技术能应用于深静脉检测消除技术障碍。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是利用扩展频谱技术通过伪随机代码对所发射的近红外激光进行高频调制，将一定能量的发射信号在频域上扩展到很宽频段，从而在某个频率上的功率密度大幅降低。当经过组织的光信号以及噪声回到仪器的接收端时，会再次通过频谱恢复将扩展频谱的信号恢复到单一频率上的大幅度信号。在此过程中激光信号经过了两次调制而噪声信号只在接收通道中被调制一次，因此信号得到恢复而噪声得到抑制。本实用新型提供一种用于检查深静脉血栓的近红外激光系统，包括数字信号处理器、伪随机序列发生器、可编程模拟信号发生芯片、激光二极管驱动电路、激光二极管组件、 射频低噪声放大器、光电倍增管、以及匹配滤波器；所述数字信号处理器产生一个高频时钟信号；所述伪随机序列发生器产生与该高频时钟信号同步的伪随机序列；所述可编程模拟信号发生芯片接收由数字信号处理器和伪随机序列发生器产生的高频时钟信号和同步的伪随机序列，并合成产生扩展频谱信号；所述激光二极管驱动电路接收该扩展频谱信号，并驱动激光二极管组件；激光从被测组织中散射和反射的信号被所述光电倍增管采集，将该信号发送给射频低噪声放大器放大；最后信号经匹配滤波器处理并用伪随机编码序列再次调制以恢复信号，提取信号的相位和幅度。所述的激光二极管驱动电路采用温度和光强二重反馈和硬件PID控制电路以获得强度高度稳定的激光输出。所述的系统，进一步包括正交解调器，其将经射频低噪声放大器放大的信号进行解调，获得正交的IQ信号提供给数字信号处理器计算幅度和相位。所述激光二极管组件由多个波长的激光二极管组成，由数字信号处理器控制开关分时驱动。本实用新型的有益效果是，利用扩展频谱技术的激光发送接收系统可以比一般的近红外系统提高超过40dB的信噪比，从而可以可靠地将可感知深度扩展到4. 5厘米以上， 从而有效地检测大部分深静脉血栓病灶。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是多波长扩展频谱近红外激光检测仪器的系统结构。图2是信号处理流程的示意图3是信号扩展频谱的示意图4是多波长扩展频谱近红外激光检测系统在临床使用中的示意具体实施方式
图1是本实用新型的仪器系统结构图。它由一个数字信号处理器1作主控单元以及信号处理，它首先产生一个高频时钟信号，如70MHz，以及同步的伪随机序列。伪随机序列发生器2可以是数字信号处理器1的一部分，或者是外部芯片如CPLD产生。伪随机序列和同步的时钟信号被发送到可编程模拟信号发生芯片3，由它合成产生扩展频谱信号，传递给激光二极管驱动电路4。激光二极管驱动电路4驱动近红外激光二极管组件5，并采用温度和光强二重反馈和硬件PID控制电路以获得强度高度稳定的激光输出。驱动激光二极管组件5由多个波长的激光二极管组成，由数字信号处理器1控制开关分时驱动。激光从被测组织中散射和反射的信号被带有高压偏置的高灵敏度光电倍增管6采集，发送给多级射频低噪声放大器7发大，以获得60dB以上的增益。放大后的信号进一步经过正交解调器8 解调，获得正交的IQ信号，以同时反映信号的相位和幅度。相位同步信息参考由可编程模拟信号发生芯片3提供的和伪随机序列和原始时钟信号同步的时钟信号以及有90度相移动的时钟信号。最后信号经过匹配滤波器，获得和原伪随机序列的相关函数，根据其峰值调整可获得信号相对于发射的时间延迟值和幅度衰减值。由于相关函数的作用，在频域上被扩展的信号重新被集中。这种直接序列扩展频谱技术在基本原理上，由于信号经过伪随机码的两次调制得到恢复，而中途进入的噪声由于只被一次调制而被扩展成能量密度更低， 从而可以大幅提高信噪比。仪器工作时候的各处信号示意如图2。和信号处理器原始时钟同步的正弦信号10 可作为系统的参考相位信号。伪随机信号序列发生器2产生的伪随机信号序列11以和正弦信号10同步。每个伪随机信号序列位对应于一个或几个正弦信号10的周期。在图2中
4每位对应于2个正弦信号10的周期。对应周期数越长则允许系统在调制时有较长恢复时间，但是对应于一个伪随机序列的时间就越长。实现时需要根据实际情况折衷。可编程模拟信号芯片3将信号10用伪随机序列11作相位编码调制，产生扩频信号12。由于伪随机序列11的带宽较宽，因此调制后的扩频信号12也不再是象正弦信号10 —样的单一频率信号，而是频率分布接近伪随机序列11的宽频信号。扩频信号12由激光二极管发射经过人体组织后被光电倍增管接受后的信号13在幅度上很微弱，同时由于人体组织的作用在时间上产生滞后，导致和发射信号12的相位差θ。目前已经有科学发现和成熟技术实现用包含在信号13中幅度和相位差θ的变化来诊断深静脉血栓。为了准确测得相位差θ和幅度变化，系统在用低噪声放大器7对信号13进行放大后由匹配滤波器根据相关函数寻找最佳相位差。和频谱扩展将一点的单频率信号能量扩展到很宽频段上，相关函数将很长时间段上的信号能量聚集于一点，从而在该点获得很高的信噪比。伪随机码11的长度越长，这种效应就越大，但是每次检测的时间就越长，对应的检测信号就越慢。因此需要根据临床信号变化的速度折衷设计伪随机码11的长度。获得相位差θ后系统再由可编程模拟信号发生芯片3产生带相位差θ的时钟14以及相应的正交时钟。它们通过IQ正交解调器9对放大后的信号13正交解调，获得信号15。系统再次用带移动相位差θ的伪随机序列对信号15解调并进行低通滤波，最后获得对应于接收信号的IQ电平。数字信号处理器由IQ电平计算信号的幅度和相位。图3显示了最初的单频信号10在频域的状态18被伪随机序列11扩频后成为宽频低能量密度的信号19。在接收端匹配滤波器的相关处理将信号重新恢复成以伪随机码长度为周期的高尖峰信号。噪声由于没有相关性在相关处理后仍维持低水平。由此信噪比可增加幅度22。图4示意了仪器25在使用时候的状态。带发射激光二极管组件M和接收光电倍增管观的的探头和人体的腿部23紧密接触。探头中间的隔光材料将发射和接收间的直接通路隔开。而屏蔽部件26隔开发射和接收电路间的串扰。激光二极管组件M发射的多波长激光经过深静脉四产生相移和衰减，最后被光电倍增管观接收。信号经以上处理后获得深静脉四的病理信息。
权利要求1.一种用于检查深静脉血栓的近红外激光系统，其特征在于，包括数字信号处理器、 伪随机序列发生器、可编程模拟信号发生芯片、激光二极管驱动电路、激光二极管组件、射频低噪声放大器、光电倍增管、以及匹配滤波器；所述数字信号处理器产生一个高频时钟信号；所述伪随机序列发生器产生与该高频时钟信号同步的伪随机序列；所述可编程模拟信号发生芯片接收由数字信号处理器和伪随机序列发生器产生的高频时钟信号和同步的伪随机序列，并合成产生扩展频谱信号；所述激光二极管驱动电路接收该扩展频谱信号，并驱动激光二极管组件；激光从被测组织中散射和反射的信号被所述光电倍增管采集，将该信号发送给射频低噪声放大器放大；最后信号经匹配滤波器处理并用伪随机编码序列再次调制以恢复信号，提取信号的相位和幅度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的激光二极管驱动电路采用温度和光强二重反馈和硬件PID控制电路以获得强度高度稳定的激光输出。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括正交解调器，其将经射频低噪声放大器放大的信号进行解调，获得正交的IQ信号提供给数字信号处理器计算幅度和相位。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光二极管组件由多个波长的激光二极管组成，由数字信号处理器控制开关分时驱动。
专利摘要本实用新型涉及一种利用扩展频谱技术提高信噪比从而提高激光穿透深度的近红外激光检查仪器，用于对人体深静脉血栓的早期检查。该仪器由数字信号发生器、伪随机序列发生电路、可编程模拟信号发生芯片、激光二极管稳定驱动电路、多波长激光二极管组件、高压偏置电路、光电倍增管、低噪声放大器、匹配滤波器、以及正交解调器等组成。仪器通过探头和人体接触，对人体组织发射调制的多波长激光信号，并由探头中的光电倍增管接收经人体组织散射和反射的信号。仪器由于采用扩展频谱技术提高信噪比，从而使得该红外激光技术在安全的激光功率范围内得以大幅提高激光信号能达到的深度，得到对临床更有意义的检查效果。
文档编号A61B5/00GK202078295SQ20102021354
公开日2011年12月21日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者谭伟 申请人:谭伟