一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統和儀器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、CMOS相機排列成直線，對被測樣品進行光學成像；沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、平凸透鏡、被測樣品依次設置，沿著光的出射方向，被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測樣品進行反射光譜測量和對充有氣體的被測樣品進行氣體吸收光譜測量；當用于反射光譜測量時，光源選用照明光源，探測器選用光譜儀；當用于氣體吸收光譜測量時，光源選用二極管激光器，探測器選用光電二極管。本發明還涉及一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器。本發明結構簡單，制作方便，能運用科學手段對中耳炎進行準確排查，屬于醫療設備技術領域。
【專利說明】
一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統和儀器
技術領域
[0001]本發明涉及一種醫療設備，具體的說，涉及一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統， 以及基于該診斷系統制作的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，利用漫反射光譜技術和激光吸收光譜技術結合的方法，對中耳炎進行光學診斷。【背景技術】
[0002]中耳炎是兒童常見的一種感染性疾病，它會引起耳痛耳鳴和聽力下降，嚴重的話可引起頭顱內外并發癥。統計表明大約75%的美國兒童在三歲之前都患過中耳炎，而且其中1/3的患者會有復發的病癥。在中國，統計表明大約一半以上的兒童在三歲之前都患過中耳炎。對于中耳炎的診斷，一個比較重要的問題是中耳炎多發于嬰幼兒，由于嬰兒不能清楚地描述癥狀而導致家長的忽視或醫生的誤診，從而耽誤了及時的治療。另一個問題是抗生素的濫用導致的抗藥性，使得精準的診斷和合理的用藥變得尤其重要。目前中耳炎的診斷主要是利用耳窺鏡觀察鼓膜的變化，由于發炎的鼓膜會由半透明灰色變成膨脹發紅的膜。 然而，當兒童患鼓膜炎時，與中耳炎患者有著非常相似的病癥，這給中耳炎的診斷帶來了困難。因此一些精確且易于操作的方法需要被用于客觀地對中耳炎進行診斷。
[0003]通常情況下，人耳的鼓膜是一個彈性灰白色半透明薄膜，將外耳道和中耳隔開。當處于感染狀態時，鼓膜變得紅腫，不透明。漫反射光譜技術是一種無創定量的光譜技術，可以實現對生物組織的淺層組分的檢測，包括黑色素和血紅蛋白。該技術已經成功用于人體皮膚癌和乳腺癌的光學診斷中。因此，通過利用漫反射光譜技術測量鼓膜的血紅蛋白含量變化，可以判斷出鼓膜是否發炎。正常情況下，人體的中耳腔通過咽鼓管與鼻咽部相連，可以進行氣體通風。咽鼓管可以保持中耳腔內外的氣壓平衡以及引流腔內的液體。一旦發生感染，咽鼓管的通風功能受損，中耳腔內的液體無法正常排出，使得腔內充滿液體。作為一種激光吸收光譜技術，散射介質中的氣體吸收光譜技術(gas in scattering media absorpt1n spectroscopy，GASMAS)是一種用于多孔介質中氣體含量的無創檢測方法，已經成功用于人體鼻竇炎的無創診斷和新生兒肺功能的監測。因此，散射介質中的氣體吸收光譜技術可以通過測量中耳腔內的氣體含量對中耳炎進行診斷。
[0004]基于半導體激光吸收光譜技術，散射介質中的氣體吸收光譜技術可以對分布在介質中的微弱氣體信號進行測量。這是由于氣體的吸收線非常窄(大概為固體或液體的1/ 1〇4)，因此可以非常容易從固體的寬吸收中把氣體的吸收信號提取出來。通過波長調制光譜和鎖相放大技術，從氣體吸收信號中提取出來二次諧波信號，極大地提高了探測的靈敏度和信噪比。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是:提供一種可靠的診斷中耳炎的基于光譜技術的中耳炎診斷系統。
[0006]為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，包括平凸透鏡、分束鏡、CMOS相機、探測器、 光纖、光源;光源包括二極管激光器和照明光源，探測器包括光電二極管和光譜儀;被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、CMOS相機排列成直線，對被測樣品進行光學成像;沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、平凸透鏡、被測樣品依次設置，沿著光的出射方向，被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測樣品進行反射光譜測量和對充有氣體的被測樣品進行氣體吸收光譜測量；當用于反射光譜測量時，光源選用照明光源，探測器選用光譜儀;當用于氣體吸收光譜測量時，光源選用二極管激光器，探測器選用光電二極管。
[0008]作為一種優選，一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，還包括電腦;光纖、電腦、探測器、CMOS相機依次相接。
[0009]作為一種優選，照明光源為鹵鎢燈光源或LED光源。
[0010]作為一種優選，分束鏡替換為回轉反射鏡，和/或光電二極管替換為光電倍增管。 [0〇11 ] 作為一種優選，光纖包括一根直徑為600微米的入射光纖和八根直徑為400微米的收集光纖，入射光纖位于中心，收集光纖以入射光纖為中心在入射光纖周圍呈環形排列，入射光纖和收集光纖之間的距離為0.5-1毫米。
[0012]針對現有技術中存在的技術問題，本發明的另一個目的是:提供一種可靠的診斷中耳炎的基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，對現有的視頻耳窺鏡進行改造。
[0013]—種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，包括視頻耳窺鏡、光源、光纖、探測器、電腦；視頻耳窺鏡包括從前往后排列成直線依次設置的窺耳器、LED白光光源、凸透鏡、分束鏡、CMOS傳感器，對被測對象進行直線的光學成像;沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、 凸透鏡、被測對象依次設置，沿著光的出射方向，被測對象、凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測對象進行反射光譜測量和對充有氣體的被測對象進行氣體吸收光譜測量； 探測器包括光電二極管和光譜儀；當用于反射光譜測量時，LED白光光源開啟，探測器選用光譜儀；當用于氣體吸收光譜測量時，光源為二極管激光器，探測器選用光電二極管;CMOS 傳感器、光源、探測器均與電腦連接。
[0014]作為一種優選，視頻耳窺鏡包括手槍形的外殼；圓筒形的窺耳器套接在外殼的前端外側，環形的LED白光光源安裝在外殼的前端內側，凸透鏡、分束鏡、CMOS傳感器均位于外殼內。
[0015]作為一種優選，窺耳器為圓筒形，側壁接有充氣通道。
[0016]作為一種優選，分束鏡替換為回轉反射鏡，和/或光電二極管替換為光電倍增管。 [0〇17] 作為一種優選，光纖包括一根直徑為600微米的入射光纖和八根直徑為400微米的收集光纖，入射光纖位于中心，收集光纖以入射光纖為中心在入射光纖周圍呈環形排列，入射光纖和收集光纖之間的距離為〇.5-1毫米。
[0018]本發明的原理是:
[0019]針對中耳炎的主觀診斷帶來的缺陷而提出。本發明的研究內容主要包括兩個方面，一個是對中耳的鼓膜進行反射光譜測量和光學成像，另一個是對中耳腔內的氣體進行吸收光譜信號的測量。光學成像可對鼓膜清晰成像，清楚了解鼓膜狀態。反射光譜測量時所測量的組織成分主要為鼓膜中的血紅蛋白，可以判斷出鼓膜是否發炎。氣體吸收光譜測量所測量的氣體可以是中耳腔內的氧氣，水蒸氣，二氧化碳等，對中耳炎進行診斷。
[0020]通過平凸透鏡(凸透鏡)和分束鏡組成的光路轉換模塊，切換各種檢測狀態。被測樣品(被測對象)的反射光直線通過分束鏡傳遞到CMOS相機(CMOS傳感器)完成光學成像。通過光纖的光通過分束鏡垂直轉向射向被測樣品(被測對象)且沿原路返回。通過分束鏡的光路轉向及光源和探測器的選用，即可在一個系統或儀器上完成光學成像、反射光譜測量、氣體吸收光譜測量，準確對中耳炎進行確診或排除。
[0021]總的說來，本發明具有如下優點:
[0022]1.結構簡單，制作方便，操作方便。[〇〇23]2.三步測量集中在一個系統或儀器上，結構精簡。
[0024]3.能運用科學手段對中耳炎進行準確排查，而非憑經驗主觀排查。
[0025]4.對現有的視頻耳窺鏡進行簡單改造即可，取材方便，改裝方便。【附圖說明】
[0026]圖1是一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統的基本構造圖。[〇〇27]圖2是本發明入射光束示意圖。[〇〇28]圖3是本發明出射光束示意圖。[〇〇29]圖4a是光纖的橫截面的示意圖，圖4b是光在被測樣品中傳輸的示意圖。
[0030]圖5是一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器的基本構造圖。
[0031]圖6a是用圖5的儀器測量正常鼓膜所得的反射光譜圖，圖6b是用圖5的儀器測量發炎鼓膜所得的反射光譜圖，箭頭所示為血紅蛋白吸收峰。
[0032]圖7a是用圖5的儀器測量正常的中耳腔所得的氣體吸收光譜的二次諧波信號，圖 7b是用圖5的儀器測量患病的中耳腔所得的氣體吸收光譜的二次諧波信號。
[0033]圖8為將圖5中的分束鏡替換為回轉反射鏡的示意圖。
[0034]—種基于光譜技術的中耳炎診斷系統中，1為光源，2為光纖，3為光路轉換模塊，4 為分束鏡，5為平凸透鏡，6為被測樣品，7為CMOS相機，8為探測器，9為電腦。
[0035]—種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器中，10為視頻耳窺鏡，11為窺耳器，12為人耳，13為LED白光光源，14為凸透鏡，15為分束鏡，16為CMOS傳感器，17為光纖，18為光源，19 為探測器，20為電腦。【具體實施方式】
[0036]下面來對本發明做進一步詳細的說明。
[0037]圖1的一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，主要包括:光源、光纖、光路轉換模塊 (包括一個分束鏡和平凸透鏡)，被測樣品，CMOS相機，探測器，電腦。所選光源為照明光源 (在鹵鎢燈光源或LED光源中選擇)和二極管激光器，所選探測器為光電二極管(或光電倍增管)和光譜儀。被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、CMOS相機排列成直線，對被測樣品進行光學成像;沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、平凸透鏡、被測樣品依次設置，沿著光的出射方向，被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測樣品進行反射光譜測量和對充有氣體的被測樣品進行氣體吸收光譜測量。光纖、電腦、探測器、CMOS相機依次相接。當用于反射光譜測量時，光源選用照明光源，探測器選用光譜儀；當用于氣體吸收光譜測量時，光源選用二極管激光器，探測器選用光電二極管。
[0038]分束鏡可替換為回轉反射鏡，即可轉動的平面鏡，當其用于光學成像時，轉至水平方向，不阻擋被測樣品和CMOS相機之間的光路；當其用于反射光譜測量和氣體吸收光譜測量時，轉至傾斜45度方向，將光路改為垂直方向傳播。
[0039]圖2中，光源發出的光經過光纖進入光路轉換模塊中，在光路轉換模塊中光通過分束鏡轉向平凸透鏡，隨后聚焦到被測樣品。
[0040]圖3中，被測樣品中散射回來的光經過平凸透鏡，再經過分束鏡進行聚焦。此時光線可以轉向兩個方向，一部分光線直接聚焦到CMOS相機進行光學成像；另一部分光線將發生垂直轉向聚焦到光纖的末端，通過收集光纖傳輸到探測器進行信號的采集。
[0041]圖4a中的光纖，由一根位于中央部位的600微米的入射光纖和在其周圍呈環形排列的8根400微米的收集光纖構成。其中入射光纖和收集光纖有一定的距離，距離為0.5-1毫米。圖4b為光進入被測樣品后的所走的路徑，由于散射使得光在被測樣品的路程是不確定的。
[0042]圖5的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，將視頻耳窺鏡與一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統集成在一起。一方面，可以對中耳的鼓膜進行光學成像，觀察鼓膜的位置和顏色變化;另一方面，可以采用漫反射光譜技術和氣體吸收光譜技術分別測量鼓膜的血紅蛋白含量和中耳腔內的氣體濃度。如圖所示，一個經過改造的視頻耳窺鏡通過配置合適的窺耳器放入人耳的外耳道中。該視頻耳窺鏡包括LED白光光源，凸透鏡，分束鏡和CMOS傳感器。窺耳器需要帶有充氣通道，實驗過程中通過充入氮氣，可以用來消除外耳道以及耳窺鏡中空氣的存在帶來的干擾。另外，視頻耳窺鏡通過連接光纖，將由光源發出的光束傳輸到人耳，同時由探測器采集背向散射光。二極管激光光源，探測器以及視頻耳窺鏡的CMOS傳感器連接電腦，通過電腦進行光源的調制，以及數據和圖像的采集。探測器可以是光譜儀和光電二極管(或光電倍增管)，分別用于反射光譜和氣體吸收光譜的測量。[〇〇43]視頻耳窺鏡包括從前往后排列成直線依次設置的窺耳器、LED白光光源、凸透鏡、 分束鏡、CMOS傳感器，對被測對象進行直線的光學成像;沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、凸透鏡、被測對象依次設置，沿著光的出射方向，被測對象、凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測對象進行反射光譜測量和對充有氣體的被測對象進行氣體吸收光譜測量;探測器包括光電二極管和光譜儀；當用于反射光譜測量時，LED白光光源開啟，探測器選用光譜儀；當用于氣體吸收光譜測量時，光源為二極管激光器，探測器選用光電二極管； CMOS傳感器、光源、探測器均與電腦連接。視頻耳窺鏡包括手槍形的外殼；圓筒形的窺耳器套接在外殼的前端外側，環形的LED白光光源安裝在外殼的前端內側，凸透鏡、分束鏡、CMOS 傳感器均位于外殼內。
[0044]測量過程如下:
[0045]第一步是利用LED白光光源通過CMOS傳感器觀察鼓膜圖像，通過移動視頻耳窺鏡使得窺耳器放置在外耳道中的合適位置，即不會造成鼓膜損傷又能夠得到清晰的圖像。
[0046]第二步是進行反光譜測量，依然選擇LED白光光源，從鼓膜反射回來的光通過光纖傳輸給光譜儀。[〇〇47]第三步是進行氣體吸收光譜測量，關閉LED白光光源，同時通過窺耳器的充氣通道向外耳道內緩緩充入氮氣，采用二極管激光器作為光源，光源通過光纖傳輸給到中耳腔內， 而從中耳腔內散射回來的光被光纖接收并傳輸到光電二極管(或光電倍增管)。[〇〇48]圖6a和圖6b所示，由于鼓膜的發炎會導致血管的擴張，血液流速加快，使得鼓膜顏色呈現紅色。因此正常人體鼓膜的反射光譜中血紅蛋白的吸收比發炎鼓膜的少。
[0049]圖7a和圖7b所示，對于中耳炎患者，由于細菌或病毒的感染導致咽鼓管堵塞，進而使得粘液無法從咽鼓管排出，中耳腔內的空氣會被粘液替代。因此在中耳炎患者的中耳腔內幾乎測量不到氣體的吸收信號，而從正常人體的中耳腔內可以得到比較明顯的氣體吸收信號。
[0050]按照本發明的實施例，用于中耳炎診斷的視頻耳窺鏡可以與漫反射光譜技術，以及GASMAS技術相結合組成新的診斷系統，不僅能夠極大地提高中耳炎診斷的精確性，而且其小巧便攜的特點將會使得該系統適用于醫院的臨床診斷中。
[0051]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，其特征在于:包括平凸透鏡、分束鏡、CMOS相 機、探測器、光纖、光源;光源包括二極管激光器和照明光源，探測器包括光電二極管和光譜 儀；被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、CMOS相機排列成直線，對被測樣品進行光學成像；沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、平凸透鏡、被測樣品依次設置，沿著光的出射 方向，被測樣品、平凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測樣品進行反射光譜測量 和對充有氣體的被測樣品進行氣體吸收光譜測量；當用于反射光譜測量時，光源選用照明 光源，探測器選用光譜儀；當用于氣體吸收光譜測量時，光源選用二極管激光器，探測器選 用光電二極管。2.按照權利要求1所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，其特征在于:它還包括 電腦;光纖、電腦、探測器、CMOS相機依次相接。3.按照權利要求1所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，其特征在于:所述照明 光源為鹵鎢燈光源或LED光源。4.按照權利要求1所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，其特征在于:所述分束 鏡替換為回轉反射鏡，和/或光電二極管替換為光電倍增管。5.按照權利要求1所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷系統，其特征在于:所述光纖 包括一根直徑為600微米的入射光纖和八根直徑為400微米的收集光纖，入射光纖位于中 心，收集光纖以入射光纖為中心在入射光纖周圍呈環形排列，入射光纖和收集光纖之間的 距離為0.5-1毫米。6.—種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，其特征在于:包括視頻耳窺鏡、光源、光纖、探 測器、電腦；視頻耳窺鏡包括從前往后排列成直線依次設置的窺耳器、LED白光光源、凸透鏡、分束 鏡、CMOS傳感器，對被測對象進行直線的光學成像；沿著光的入射方向，光源、光纖、分束鏡、凸透鏡、被測對象依次設置，沿著光的出射方 向，被測對象、凸透鏡、分束鏡、光纖、探測器依次設置，對被測對象進行反射光譜測量和對 充有氣體的被測對象進行氣體吸收光譜測量；探測器包括光電二極管和光譜儀；當用于反射光譜測量時，LED白光光源開啟，探測器 選用光譜儀;當用于氣體吸收光譜測量時，光源為二極管激光器，探測器選用光電二極管；CMOS傳感器、光源、探測器均與電腦連接。7.按照權利要求6所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，其特征在于:所述視頻 耳窺鏡包括手槍形的外殼；圓筒形的窺耳器套接在外殼的前端外側，環形的LED白光光源安 裝在外殼的前端內側，凸透鏡、分束鏡、CMOS傳感器均位于外殼內。8.按照權利要求6所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，其特征在于:所述窺耳 器為圓筒形，側壁接有充氣通道。9.按照權利要求6所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，其特征在于:所述分束 鏡替換為回轉反射鏡，和/或光電二極管替換為光電倍增管。10.按照權利要求6所述的一種基于光譜技術的中耳炎診斷儀器，其特征在于:所述光 纖包括一根直徑為600微米的入射光纖和八根直徑為400微米的收集光纖，入射光纖位于中 心，收集光纖以入射光纖為中心在入射光纖周圍呈環形排列，入射光纖和收集光纖之間的距離為0.5-1毫米。
【文檔編號】A61B5/00GK105996995SQ201610290469
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】張 浩, 林惠鶯, 李宛莎, 蘇尼·斯萬伯格, 卡塔琳娜·斯萬伯格
【申請人】華南師范大學