基于紅外拉曼超連續(xù)漫綜合譜的血液鑒別儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于紅外拉曼超連續(xù)漫綜合譜的血液鑒別儀。電源模組用以對可見及紅外譜段光譜儀、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、超連續(xù)譜及紅外窄線寬激光器、以及機械手運動控制器進行供電。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用以對可見譜段光譜儀、紅外譜段光譜儀、超連續(xù)譜激光器、紅外窄線寬激光器及機械手運動控制器進行控制，并通過USB接口接收可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀輸出的光譜數(shù)據(jù)進行處理和分析。本發(fā)明的有益效果是，硬件采用Y形光纖聯(lián)接兩進兩出光纖復用光譜儀，軟件上采用紅外拉曼光譜與超連續(xù)漫綜合激光光譜加權(quán)疊加，實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)信息融合。硬件結(jié)構(gòu)和軟件分析的魯棒性使本血液鑒別儀可適用于全血、血漿及血清的自動識別。
【專利說明】
基于紅外拉曼超連續(xù)漫綜合譜的血液鑒別儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種人與動物血液分類儀器及方法，尤其涉及一種基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的用于密封試管血液樣品非接觸式鑒別的儀器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國對于血液和其他各類生物材料的海關(guān)進出口均采取信用制度，而對各類生物材料的真實性卻由于種種原因無法直接檢測。特別是涉及血液樣品這樣的特殊材料，開放式的接觸式采樣很多時候條件是不被允許的。一方面血液樣品可能被檢測操作污染；另一方面血液樣品自身可能攜帶的致病因子會對檢測人員造成職業(yè)暴露。鑒于上述原因，開發(fā)血液樣品非接觸式快速檢測技術(shù)方法十分急迫。
[0003]人類血液與動物全血主成分相似，主要由血細胞和血漿組成，都呈紅色，肉眼難以區(qū)別，但人與動物血細胞和血漿的形貌和組成是有細微區(qū)別的，選用恰當?shù)姆椒ň涂梢詤^(qū)分人類血液與動物血液。經(jīng)典的接觸式的檢測方法可以檢測出部分血液參數(shù)，可以根據(jù)這些血液參數(shù)進行不同種屬之間的血液鑒別。目前，商用使用較多的血液鑒別產(chǎn)品大都基于流式細胞術(shù)，需進行接觸式微采樣得到血液的代表種屬特性的參數(shù)。非接觸式密封血液鑒別是一個極富挑戰(zhàn)的課題，因為大部分物種密封在透明試管中的無論是全血還是血清、血漿等樣品，其在紫外、可見、紅外譜段，對外所反映的光學特性極其相似，在非采樣的檢測中，依靠光學的手段分辨極其困難。
[0004]首先，試管內(nèi)封裝的血液制品可能含有不同成份的抗凝劑，包括肝素、乙二胺四乙酸鹽(EDTA鹽)、枸櫞酸鹽、草酸鹽等，此外試管材料可能是石英玻璃或PET塑料等，大部分試管還都貼有標簽。這些干擾因素，將嚴重影響血液的光學性質(zhì)，使得常用光學及光譜方法在密封試管血液鑒別上無能為力。
[0005]鑒于以上原因，開發(fā)一種用于人與動物密封試管血液，包括全血、血清、血漿的非接觸式分類鑒別儀器及相應(yīng)方法是急需解決的難題。
[0006]針對該問題，本發(fā)明提出一種基于紅外拉曼結(jié)合可見至中紅外超連續(xù)漫綜合激光光譜的用于密封試管血液樣品非接觸式鑒別的儀器及方法，在紅外拉曼光譜檢測中采用紅外窄線寬拉曼激光器，結(jié)合光纖準直及顯微物鏡聚焦至試管內(nèi)血液樣品，并采用發(fā)射接收同軸光纖端面設(shè)計采集血液樣品后向拉曼散射信號；在超連續(xù)漫綜合激光光譜檢測中，采用寬光譜超連續(xù)譜激光源及特殊設(shè)計的積分球為核心儀器硬件結(jié)構(gòu)，得到不同樣品的漫綜合激光光譜數(shù)據(jù)。本發(fā)明的方法結(jié)合以上兩種激光光譜檢測技術(shù)，并采用Y形光纖聯(lián)接兩進兩出光纖復用光譜儀，實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)信息融合。建立不同物種、不同試管、不同血液的融合光譜數(shù)據(jù)庫，并基于主成分分析法(principal components analysis，簡稱PCA)計算這些融合光譜數(shù)據(jù)得到主成分分析得分圖，在得分圖中得到人與動物全血、血漿、血清的聚類區(qū)域，將這些區(qū)域作為鑒別判斷標準進行人與動物試管密封血樣非接觸鑒別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種基于紅外拉曼結(jié)合可見至中紅外超連續(xù)漫綜合激光光譜的用于密封試管血液樣品非接觸式鑒別的儀器，可進行人與動物全血、血漿及血清的自動識別，滿足檢測檢疫部門對血液制品粗檢的需求。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣來實現(xiàn)的，基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的密封血液鑒別儀的硬件系統(tǒng)主要由電源模組、可見譜段光譜儀、紅外譜段光譜儀、兩進兩出光纖、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、積分球、試管機械手、連接桿、導軌、機械手運動控制器、樣品室外蓋板、底板、支架、光源室外蓋板、光纖準直接頭、激光器尾纖、超連續(xù)譜激光器、物鏡支架、顯微物鏡、物鏡聯(lián)接器、光纖準直鏡、Y形同軸光纖、光纖聯(lián)接器、紅外窄線寬激光器組成。
[0009]其中，積分球由積分球右半部和積分球左半部兩個半球組成，它們通過積分球接頭進行聯(lián)接，并安裝固定在底板上。積分球內(nèi)壁涂覆漫反射涂層，對照射到內(nèi)壁的光線起漫反射勾光的作用。積分球右半部開有積分球樣品孔，樣品室外蓋板安裝在底板及積分球右半部上，形成封閉空間樣品室，以消除雜散光的影響。樣品室外蓋板上方開有圓孔，裝卸主軸穿過積分球樣品孔及圓孔的中心，并與底板垂直。積分球左半部開有積分球光源孔及積分球光纖接口。
[0010]Y形同軸光纖由紅外發(fā)射光纖與拉曼接收光纖組成，兩者匯聚成一根光纖，其光纖端面為同軸分布，中心圓形區(qū)域為紅外發(fā)射光纖排列，外圈同心圓環(huán)區(qū)域為拉曼接收光纖排列，該幾何配置可高效接收紅外激光激發(fā)的后向拉曼散射信號。Y形同軸光纖與光纖準直鏡耦合可實現(xiàn)準直發(fā)射與接收，光纖準直鏡通過物鏡聯(lián)接器與顯微物鏡相聯(lián)接，可將紅外激光束聚焦至拉曼光譜測試點并對拉曼光譜測試點的后向散射信號進行收集。物鏡支架將顯微物鏡固定安裝于底板上。
[0011]可見譜段光譜儀與紅外譜段光譜儀均采用相同光譜儀光纖接口，兩進兩出光纖分為兩個接收端(即兩進)及兩個輸出端(即兩出)。一個接收端與積分球光纖接口聯(lián)接，可收集來自接收光軸的漫反射光線；另一個接收端與拉曼接收光纖通過光纖聯(lián)接器聯(lián)接，可收集來自拉曼接收光纖的拉曼信號;兩個輸出端分別與可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀聯(lián)接。
[0012]超連續(xù)譜激光器發(fā)出的可見及紅外譜段超連續(xù)譜脈沖激光經(jīng)激光器尾纖傳輸，然后通過光纖準直接頭進行光束準直后輸出超連續(xù)譜脈沖準直激光束，并沿發(fā)射光軸穿過積分球光源孔進入積分球。
[0013]光纖準直接頭由支架固定在底板上，并通過光源室外蓋板與積分球左半部外殼聯(lián)接，形成封閉空間光源室，以消除雜散光的影響。
[0014]紅外窄線寬激光器發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)Y形同軸光纖中的紅外發(fā)射光纖傳輸、從紅外發(fā)射光纖排列中發(fā)射后沿紅外激光光軸傳輸、經(jīng)光纖準直鏡準直、顯微物鏡聚焦后可實現(xiàn)對拉曼光譜測試點的紅外誘導拉曼激發(fā)(注:紅外激光光軸與裝卸主軸相交，其交點為拉曼光譜測試點)，拉曼光譜測試點的后向散射拉曼信號依次經(jīng)顯微物鏡及光纖準直鏡后由Y形同軸光纖端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列收集，再經(jīng)拉曼接收光纖、兩進兩出光纖至紅外譜段光譜儀進行接收和分析。
[0015]導軌與底板垂直安裝，試管機械手通過連接桿與導軌聯(lián)接并可在機械手運動控制器控制下沿導軌滑動。待檢血液由試管蓋封裝在試管中。試管機械手在機械手運動控制器控制下，可抓緊試管蓋并帶動試管沿裝卸主軸方向上下運動。
[0016]電源模組用以對可見譜段光譜儀、紅外譜段光譜儀、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、超連續(xù)譜激光器、紅外窄線寬激光器及機械手運動控制器進行供電。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用以對可見譜段光譜儀、紅外譜段光譜儀、超連續(xù)譜激光器、紅外窄線寬激光器及機械手運動控制器進行控制，并通過USB接口接收可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀輸出的光譜數(shù)據(jù)進行處理和分析。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)內(nèi)含觸摸屏人機交互界面，用于與用戶的人機交互，接受用戶的指令并輸出結(jié)果給用戶。
[0017]基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的密封血液鑒別儀的血液分析方法其步驟為:
[0018](I)儀器啟動及超連續(xù)譜測試進樣
[0019]開啟電源模組，對可見譜段光譜儀、紅外譜段光譜儀、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、超連續(xù)譜激光器、紅外窄線寬激光器及機械手運動控制器進行供電。
[0020]用戶通過觸摸屏人機交互界面啟動測試主程序。此時，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出進樣指令給機械手運動控制器，機械手運動控制器控制試管機械手抓取試管進樣至其沿裝卸主軸方向進入積分球。試管底部位置高于發(fā)射光軸且與接收光軸不相交，避免激光束直接照射待檢試管，并避免試管的透反射光線直接沿發(fā)射光軸傳輸并被兩進兩出光纖收集。[0021 ] (2)超連續(xù)譜激光漫綜合光譜測試
[0022]主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出指令啟動超連續(xù)譜激光器、可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀。超連續(xù)譜激光器輸出的超連續(xù)譜準直激光束沿發(fā)射光軸進入積分球，激光束照射到漫反射涂層后，其反射光為漫反射，即在積分球內(nèi)沿各方向傳輸，變成了均勻光線。試管受不同方向的超連續(xù)譜光線照射后，試管(注:包括其材質(zhì)與外貼標簽)與待檢血液的漫反射、漫透射、吸收、發(fā)射后的光線將沿空間任意方向傳輸，遇到漫反射涂層漫反射至任意方向，其對積分球內(nèi)的光線傳輸具有漫綜合光譜影響。
[0023]沿發(fā)射光軸傳輸?shù)穆瓷涔饩€被兩進兩出光纖收集后，分別送至可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù)。可見譜段光譜儀的采樣點為NI(采樣點數(shù)可取NI = 1300)。紅外譜段光譜儀的采樣點為N2(采樣點數(shù)可取N2 = 512)?？梢娮V段光譜儀及紅外譜段光譜儀輸出的共N=N1+N2個光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送至主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行存儲。
[0024](3)拉曼光譜測試進樣
[0025]主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)送出樣指令給機械手運動控制器，機械手運動控制器控制試管機械手帶動試管至其沿裝卸主軸方向移出積分球及樣品室，至拉曼光譜測試點位于試管內(nèi)待檢血液的中心位置，此時完成拉曼光譜測試進樣。
[0026](4)紅外激光拉曼光譜測試
[0027]主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出指令啟動紅外窄線寬激光器、可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀。紅外窄線寬激光器發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)準直聚焦后會聚到拉曼光譜測試點處的待檢血液，紅外窄線寬連續(xù)激光所誘導的斯托克斯拉曼光譜信號依次經(jīng)顯微物鏡及光纖準直鏡后由Y形同軸光纖端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列收集，再經(jīng)拉曼接收光纖、兩進兩出光纖至紅外譜段光譜儀進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù)，對拉曼光譜采用與超連續(xù)譜測試紅外譜段一樣的采樣位置與采樣點數(shù)，即N3 = N2。紅外譜段光譜儀輸出的N3個光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送至主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行存儲。
[0028](5)數(shù)據(jù)分析及融合
[0029]將紅外譜段的超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的N2個光譜數(shù)據(jù)與拉曼光譜的N3個光譜數(shù)據(jù)進行加權(quán)疊加，得到N2個紅外譜段的融合光譜數(shù)據(jù)。其中拉曼光譜的權(quán)重值為L，超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的權(quán)重值為1-L。
[0030]將這N2個紅外譜段的融合光譜數(shù)據(jù)及可見譜段的超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的NI個光譜數(shù)據(jù)，共N個光譜數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析?；谥鞒煞址治龇?principal componentsanalysis，簡稱PCA)計算這N個光譜數(shù)據(jù)的M個主成分數(shù)值，進行降維處理。
[0031](6)血液鑒別與判定
[0032]將待檢血液的M個主成分數(shù)值(主成分數(shù)M可取為7)，得到其在M維主成分空間的特征向量，將該特征向量與M維主成分空間的由本血液鑒別儀獲得的人與動物全血、血漿、血清M維主成分空間數(shù)據(jù)庫的聚類中心特征向量進行對比，根據(jù)特征向量相似度首先確定待檢血液的血液類型，即是全血、血漿還是血清。然后，再將待檢血液的M個主成分數(shù)值，與該血液類型下的人與動物不同種屬的M維主成分空間數(shù)據(jù)庫的聚類中心特征向量進行對比，根據(jù)特征向量相似度再確定種屬，即是人還是動物血液，如果是動物血液，是何種動物血液，至此，完成待檢血液的血液類型與種屬的判定。
[0033]然后，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將待檢血液的紅外激光誘導拉曼光譜及可見紅外超連續(xù)漫綜合激光光譜的光譜曲線以及判定結(jié)果顯示在觸摸屏人機交互界面上，以供用戶參考。至此完成整個測試過程。
[0034]本發(fā)明的有益效果是，在紅外拉曼光譜檢測中采用紅外窄線寬拉曼激光器，結(jié)合光纖準直及顯微物鏡聚焦至試管內(nèi)血液樣品，并采用發(fā)射接收同軸光纖端面設(shè)計采集血液樣品后向拉曼散射信號，有效提高試管內(nèi)血液激光紅外拉曼光譜信號的信噪比；采用紅外拉曼光譜可有效消除試管內(nèi)血液樣品的熒光干擾;采用特殊設(shè)計的積分球，無論是血漿、血清透明液體的漫透射，還是全血及試管標簽的漫反射，以及整個測試樣品的漫吸射及漫發(fā)射的寬譜段信號均可接收，即可適用于各類血液、各類材質(zhì)試管、各類不同抗凝劑以及不同標簽情況下的光譜數(shù)據(jù)均勻采集。采用了可見至中紅外高功率超連續(xù)譜激光源及對應(yīng)的雙譜段光譜儀，得到寬譜段漫綜合激光光譜數(shù)據(jù)，可對封裝血液的細微光學差異進行捕捉，可提高鑒別準確性;硬件采用Y形光纖聯(lián)接兩進兩出光纖復用光譜儀，軟件上采用加權(quán)疊加，實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)信息融合。由于硬件結(jié)構(gòu)和軟件分析的魯棒性，本發(fā)明的血液鑒別儀可適用于全血、血漿及血清的自動識別。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的原理圖，其中(a)超連續(xù)譜激光漫綜合光譜測試；(b)紅外激光拉曼光譜測試；(C)光纖剖面I圖；(d)光纖剖面2圖；(e)光纖剖面3圖。圖中:I一一電源模組；2—一可見譜段光譜儀;3一一紅外譜段光譜儀;4一一光譜儀光纖接口 ； 5一一兩進兩出光纖;6——USB接口 ； 7——主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng);8——積分球光纖接口 ； 9——積分球接頭；10 試管機械手；11 連接桿;12 導軌；13 機械手運動控制器;14 試管蓋；
15--試管；16--圓孔；17--積分球樣品孔；18--樣品室外蓋板；19--待檢血液；
20 接收光軸；21 樣品室；22 底板；23 積分球右半部；24 漫反射涂層；25一一發(fā)射光軸;26——積分球左半部;27——光源室;28一一積分球光源孔;29一一支架；30一一光源室外蓋板;31—一光纖準直接頭;32一一激光器尾纖;33一一觸摸屏人機交互界面;34——超連續(xù)譜激光器;35——積分球;36——裝卸主軸;37——紅外激光光軸;38——拉曼光譜測試點；39——物鏡支架;40——顯微物鏡;41——物鏡聯(lián)接器;42——光纖準直鏡;43--Y形同軸光纖;44--光纖聯(lián)接器;45--紅外發(fā)射光纖;46--拉曼接收光纖；
47一一拉曼接收光纖排列;48—一紅外發(fā)射光纖排列;49一一紅外窄線寬激光器。
【具體實施方式】
[0036]基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的密封血液鑒別儀的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件系統(tǒng)主要由電源模組1、可見譜段光譜儀2、紅外譜段光譜儀3、兩進兩出光纖
5、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7、積分球35、試管機械手10、連接桿11、導軌12、機械手運動控制器13、樣品室外蓋板18、底板22、支架29、光源室外蓋板30、光纖準直接頭31、激光器尾纖32、超連續(xù)譜激光器34、物鏡支架39、顯微物鏡40、物鏡聯(lián)接器41、光纖準直鏡42、Y形同軸光纖43、光纖聯(lián)接器44、紅外窄線寬激光器49組成。
[0037]其中，積分球35由積分球右半部23和積分球左半部26兩個半球組成，它們通過積分球接頭9進行聯(lián)接，并安裝固定在底板22上。積分球35內(nèi)壁涂覆漫反射涂層24，對照射到內(nèi)壁的光線起漫反射勻光的作用。積分球右半部23開有積分球樣品孔17，樣品室外蓋板18安裝在底板22及積分球右半部23上，形成封閉空間樣品室21，以消除雜散光的影響。樣品室外蓋板18上方開有圓孔16，裝卸主軸36穿過積分球樣品孔17及圓孔16的中心，并與底板22垂直ο積分球左半部26開有積分球光源孔28及積分球光纖接口 8 (注:本實施例中為SMA905接口)。
[0038]Y形同軸光纖43由紅外發(fā)射光纖45與拉曼接收光纖46組成，兩者匯聚成一根光纖，其光纖端面為同軸分布，中心圓形區(qū)域為紅外發(fā)射光纖排列48，外圈同心圓環(huán)區(qū)域為拉曼接收光纖排列47，該幾何配置可高效接收紅外激光激發(fā)的后向拉曼散射信號。Y形同軸光纖43與光纖準直鏡42耦合可實現(xiàn)準直發(fā)射與接收，光纖準直鏡42通過物鏡聯(lián)接器41與顯微物鏡40相聯(lián)接，可將紅外激光束聚焦至拉曼光譜測試點38并對拉曼光譜測試點38的后向散射信號進行收集。物鏡支架39將顯微物鏡40固定安裝于底板22上。
[0039]可見譜段光譜儀2與紅外譜段光譜儀3均采用相同光譜儀光纖接口4(注:本實施例中為SMA905接口)，兩進兩出光纖5分為兩個接收端(即兩進)及兩個輸出端(即兩出)。一個接收端與積分球光纖接口 8聯(lián)接，可收集來自接收光軸20的漫反射光線；另一個接收端與拉曼接收光纖46通過光纖聯(lián)接器44聯(lián)接(注:本實施例中為SMA905聯(lián)接器)，可收集來自拉曼接收光纖46的拉曼信號;兩個輸出端分別與可見譜段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3聯(lián)接。
[0040]超連續(xù)譜激光器34(注:本實施例中其光譜范圍400nm-2400nm，功率1W，重頻1MHz，脈寬150ps)發(fā)出的可見及紅外譜段超連續(xù)譜脈沖激光經(jīng)激光器尾纖32傳輸，然后通過光纖準直接頭31進行光束準直后輸出超連續(xù)譜脈沖準直激光束，并沿發(fā)射光軸25穿過積分球光源孔28進入積分球35。
[0041 ]光纖準直接頭31由支架29固定在底板22上，并通過光源室外蓋板30與積分球左半部26外殼聯(lián)接，形成封閉空間光源室27，以消除雜散光的影響。
[0042 ] 紅外窄線寬激光器49發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)Y形同軸光纖43中的紅外發(fā)射光纖45傳輸、從紅外發(fā)射光纖排列48中發(fā)射后沿紅外激光光軸37傳輸、經(jīng)光纖準直鏡42準直、顯微物鏡40聚焦后可實現(xiàn)對拉曼光譜測試點38的紅外誘導拉曼激發(fā)(注:紅外激光光軸37與裝卸主軸36相交，其交點為拉曼光譜測試點38)，拉曼光譜測試點38的后向散射拉曼信號依次經(jīng)顯微物鏡40及光纖準直鏡42后由Y形同軸光纖43端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列47收集，再經(jīng)拉曼接收光纖46、兩進兩出光纖5至紅外譜段光譜儀3進行接收和分析。
[0043]導軌12與底板22垂直安裝，試管機械手10通過連接桿11與導軌12聯(lián)接并可在機械手運動控制器13控制下沿導軌12滑動。待檢血液19由試管蓋14封裝在試管15中。試管機械手10在機械手運動控制器13控制下，可抓緊試管蓋14并帶動試管15沿裝卸主軸36方向上下運動。
[0044]電源模組I用以對可見譜段光譜儀2、紅外譜段光譜儀3、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7、超連續(xù)譜激光器34、紅外窄線寬激光器49及機械手運動控制器13進行供電。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7用以對可見譜段光譜儀2、紅外譜段光譜儀3、超連續(xù)譜激光器34、紅外窄線寬激光器49及機械手運動控制器13進行控制，并通過USB接口 6接收可見譜段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3輸出的光譜數(shù)據(jù)進行處理和分析。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7內(nèi)含觸摸屏人機交互界面33，用于與用戶的人機交互，接受用戶的指令并輸出結(jié)果給用戶。
[0045]基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的密封血液鑒別儀的血液分析方法其步驟為:
[0046](I)儀器啟動及超連續(xù)譜測試進樣
[0047]開啟電源模組I，對可見譜段光譜儀2、紅外譜段光譜儀3、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7、超連續(xù)譜激光器34、紅外窄線寬激光器49及機械手運動控制器13進行供電。
[0048]用戶通過觸摸屏人機交互界面33啟動測試主程序。此時，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7發(fā)出進樣指令給機械手運動控制器13，機械手運動控制器13控制試管機械手10抓取試管15進樣至其沿裝卸主軸36方向進入積分球35。試管15底部位置高于發(fā)射光軸25且與接收光軸20不相交，避免激光束直接照射待檢試管15，并避免試管15的透反射光線直接沿發(fā)射光軸25傳輸并被兩進兩出光纖5收集。
[0049 ] (2)超連續(xù)譜激光漫綜合光譜測試
[0050]如圖1a所示，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7發(fā)出指令啟動超連續(xù)譜激光器34、可見譜段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3。超連續(xù)譜激光器34輸出的超連續(xù)譜準直激光束沿發(fā)射光軸25進入積分球35，激光束照射到漫反射涂層24后，其反射光為漫反射，即在積分球35內(nèi)沿各方向傳輸，變成了均勻光線。試管15受不同方向的超連續(xù)譜光線照射后，試管15(注:包括其材質(zhì)與外貼標簽)與待檢血液19的漫反射、漫透射、吸收、發(fā)射后的光線將沿空間任意方向傳輸，遇到漫反射涂層24漫反射至任意方向，其對積分球35內(nèi)的光線傳輸具有漫綜合光譜影響。
[0051]沿發(fā)射光軸25傳輸?shù)穆瓷涔饩€被兩進兩出光纖5收集后，分別送至可見譜段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù)。本具體實施例中可見譜段光譜儀2的光譜范圍為400-750nm，采樣點為附=1300。紅外譜段光譜儀3的光譜范圍為800-175011111，采樣點為N2 = 512?？梢娮V段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3輸出的共N=N1+N2個光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口 6送至主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7進行存儲。
[0052](3)拉曼光譜測試進樣
[0053]主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7發(fā)送出樣指令給機械手運動控制器13，機械手運動控制器13控制試管機械手10帶動試管15至其沿裝卸主軸36方向移出積分球35及樣品室21，至拉曼光譜測試點38位于試管15內(nèi)待檢血液19的中心位置，此時完成拉曼光譜測試進樣。
[0054](4)紅外激光拉曼光譜測試
[0055]如圖1b所示，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7發(fā)出指令啟動紅外窄線寬激光器49、可見譜段光譜儀2及紅外譜段光譜儀3。紅外窄線寬激光器49(注:本實施例中采用波長為785nm土lnm，功率0.3W的半導體栗浦固體連續(xù)激光器)發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)準直聚焦后會聚到拉曼光譜測試點38處的待檢血液19，紅外窄線寬連續(xù)激光所誘導的斯托克斯拉曼光譜信號依次經(jīng)顯微物鏡40及光纖準直鏡42后由Y形同軸光纖43端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列47收集，再經(jīng)拉曼接收光纖46、兩進兩出光纖5至紅外譜段光譜儀3進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù)，本具體實施例中紅外譜段光譜儀3的光譜范圍為800-1750.，對拉曼光譜采用與超連續(xù)譜測試紅外譜段一樣的采樣位置與采樣點數(shù)，即N3 = N2 = 512。由于紅外窄線寬激光器49的波長位于紅外譜段光譜儀3的光譜范圍之外，因此紅外激光回波不會影響對拉曼光譜信號的采集，無需采用瑞利濾光片抑制回波干擾。紅外譜段光譜儀3輸出的N3個光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口 6送至主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7進行存儲。
[0056](5)數(shù)據(jù)分析及融合
[0057]將紅外譜段的超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的N2個光譜數(shù)據(jù)與拉曼光譜的N3個光譜數(shù)據(jù)進行加權(quán)疊加，得到N2個紅外譜段的融合光譜數(shù)據(jù)。其中拉曼光譜的權(quán)重值為L，超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的權(quán)重值為1-L。(注:本實施例中L = 0.4)
[0058]將這N2個紅外譜段的融合光譜數(shù)據(jù)及可見譜段的超連續(xù)譜激光漫綜合光譜的NI個光譜數(shù)據(jù)，共N個光譜數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。基于主成分分析法(principal componentsanalysis，簡稱PCA)計算這N個光譜數(shù)據(jù)的M個主成分數(shù)值(注:在本實施例中M=7，即計算7個主成分數(shù)值)，進行降維處理。
[0059](6)血液鑒別與判定
[0060]將待檢血液19的M個主成分數(shù)值，得到其在M維主成分空間的特征向量，將該特征向量與M維主成分空間的由本血液鑒別儀獲得的人與動物全血、血漿、血清M維主成分空間數(shù)據(jù)庫的聚類中心特征向量進行對比，根據(jù)特征向量相似度首先確定待檢血液19的血液類型，即是全血、血漿還是血清。然后，再將待檢血液19的M個主成分數(shù)值，與該血液類型下的人與動物不同種屬的M維主成分空間數(shù)據(jù)庫的聚類中心特征向量進行對比，根據(jù)特征向量相似度再確定種屬，即是人還是動物血液，如果是動物血液，是何種動物血液，至此，完成待檢血液19的血液類型與種屬的判定。
[0061]然后，主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)7將待檢血液19的紅外激光誘導拉曼光譜及可見紅外超連續(xù)漫綜合激光光譜的光譜曲線以及判定結(jié)果顯示在觸摸屏人機交互界面33上，以供用戶參考。至此完成整個測試過程。
【主權(quán)項】
1.一種基于紅外拉曼結(jié)合超連續(xù)漫綜合激光光譜的密封血液鑒別儀器，它包括電源模組(1)、可見譜段光譜儀(2)、紅外譜段光譜儀(3)、兩進兩出光纖(5)、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(7)、積分球(35)、試管機械手(10)、連接桿(11)、導軌(12)、機械手運動控制器(13)、樣品室外蓋板(18)、底板(22)、支架(29)、光源室外蓋板(30)、光纖準直接頭(31)、激光器尾纖(32),超連續(xù)譜激光器(34)、物鏡支架(39)、顯微物鏡(40)、物鏡聯(lián)接器(41)、光纖準直鏡(42)、Y形同軸光纖(43)、光纖聯(lián)接器(44)、紅外窄線寬激光器(49)，其特征在于: 所述的積分球(35)由積分球右半部(23)和積分球左半部(26)兩個半球組成，它們通過積分球接頭(9)進行聯(lián)接，并安裝固定在底板(22)上。積分球(35)內(nèi)壁涂覆漫反射涂層(24)，對照射到內(nèi)壁的光線起漫反射勻光的作用。積分球右半部(23)開有積分球樣品孔(17)，樣品室外蓋板(18)安裝在底板(22)及積分球右半部(23)上，形成封閉空間樣品室(21)，以消除雜散光的影響。樣品室外蓋板(18)上方開有圓孔(16)，裝卸主軸(36)穿過積分球樣品孔(17)及圓孔(16)的中心，并與底板(22)垂直。積分球左半部(26)開有積分球光源孔(28)及積分球光纖接口(8); 所述的Y形同軸光纖(43)由紅外發(fā)射光纖(45)與拉曼接收光纖(46)組成，兩者匯聚成一根光纖，其光纖端面為同軸分布，中心圓形區(qū)域為紅外發(fā)射光纖排列(48)，外圈同心圓環(huán)區(qū)域為拉曼接收光纖排列(47)，該幾何配置可高效接收紅外激光激發(fā)的后向拉曼散射信號。Y形同軸光纖(43)與光纖準直鏡(42)耦合可實現(xiàn)準直發(fā)射與接收，光纖準直鏡(42)通過物鏡聯(lián)接器(41)與顯微物鏡(40)相聯(lián)接，可將紅外激光束聚焦至拉曼光譜測試點(38)并對拉曼光譜測試點(38)的后向散射信號進行收集。物鏡支架(39)將顯微物鏡(40)固定安裝于底板(22)上； 所述的可見譜段光譜儀(2)與紅外譜段光譜儀(3)均采用相同光譜儀光纖接口(4)，兩進兩出光纖(5)分為兩個接收端(即兩進)及兩個輸出端(即兩出)。一個接收端與積分球光纖接口(8)聯(lián)接，可收集來自接收光軸(20)的漫反射光線；另一個接收端與拉曼接收光纖(46)通過光纖聯(lián)接器(44)聯(lián)接，可收集來自拉曼接收光纖(46)的拉曼信號;兩個輸出端分別與可見譜段光譜儀(2)及紅外譜段光譜儀(3)聯(lián)接； 所述的超連續(xù)譜激光器(34)發(fā)出的可見及紅外譜段超連續(xù)譜脈沖激光經(jīng)激光器尾纖(32)傳輸，然后通過光纖準直接頭(31)進行光束準直后輸出超連續(xù)譜脈沖準直激光束，并沿發(fā)射光軸(25)穿過積分球光源孔(28)進入積分球(35); 所述的光纖準直接頭(31)由支架(29)固定在底板(22)上，并通過光源室外蓋板(30)與積分球左半部(26)外殼聯(lián)接，形成封閉空間光源室(27)，以消除雜散光的影響； 所述的紅外窄線寬激光器(49)的波長位于紅外譜段光譜儀(3)的光譜范圍之外，其發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)Y形同軸光纖(43)中的紅外發(fā)射光纖(45)傳輸、從紅外發(fā)射光纖排列(48)中發(fā)射后沿紅外激光光軸(37)傳輸、經(jīng)光纖準直鏡(42)準直、顯微物鏡(40)聚焦后可實現(xiàn)對拉曼光譜測試點(38)的紅外誘導拉曼激發(fā)。紅外激光光軸(37)與裝卸主軸(36)相交，其交點為拉曼光譜測試點(38)，拉曼光譜測試點(38)的后向散射拉曼信號依次經(jīng)顯微物鏡(40)及光纖準直鏡(42)后由Y形同軸光纖(43)端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列(47)收集，再經(jīng)拉曼接收光纖(46)、兩進兩出光纖(5)至紅外譜段光譜儀(3)進行接收和分析； 所述的導軌(12)與底板(22)垂直安裝，試管機械手(10)通過連接桿(11)與導軌(12)聯(lián)接并可在機械手運動控制器(13)控制下沿導軌(12)滑動。待檢血液(19)由試管蓋(14)封裝在試管(15)中。試管機械手(10)在機械手運動控制器(13)控制下，可抓緊試管蓋(14)并帶動試管(15)在裝卸主軸(36)方向上下運動； 所述的電源模組(I)用以對可見譜段光譜儀(2)、紅外譜段光譜儀(3)、主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(7)、超連續(xù)譜激光器(34)、紅外窄線寬激光器(49)及機械手運動控制器(13)進行供電。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(7)用以對可見譜段光譜儀(2)、紅外譜段光譜儀(3)、超連續(xù)譜激光器(34)、紅外窄線寬激光器(49)及機械手運動控制器(13)進行控制，并通過USB接口(6)接收可見譜段光譜儀(2)及紅外譜段光譜儀(3)輸出的光譜數(shù)據(jù)進行處理和分析。主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(7)內(nèi)含觸摸屏人機交互界面(33)，用于與用戶的人機交互，接受用戶的指令并輸出結(jié)果給用戶； 主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出指令啟動超連續(xù)譜激光器、可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀，超連續(xù)譜激光器輸出的超連續(xù)譜準直激光束沿發(fā)射光軸進入積分球，激光束照射到漫反射涂層后，其反射光為漫反射，試管受不同方向的超連續(xù)譜光線照射后，試管、試管外貼標簽與待檢血液的漫反射、漫透射、吸收、發(fā)射后的光線將沿空間任意方向傳輸，遇到漫反射涂層漫反射至任意方向，其對積分球內(nèi)的光線傳輸具有漫綜合光譜影響;沿發(fā)射光軸傳輸?shù)穆瓷涔饩€被兩進兩出光纖收集后，分別送至可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù);主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出指令啟動紅外窄線寬激光器、可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀，紅外窄線寬激光器發(fā)出的紅外連續(xù)激光束經(jīng)準直聚焦后會聚到拉曼光譜測試點處的待檢血液，紅外窄線寬連續(xù)激光所誘導的斯托克斯拉曼光譜信號依次經(jīng)顯微物鏡及光纖準直鏡后由Y形同軸光纖端面的外圈同心圓環(huán)區(qū)域，即拉曼接收光纖排列收集，再經(jīng)拉曼接收光纖、兩進兩出光纖至紅外譜段光譜儀進行光電轉(zhuǎn)換變成光譜數(shù)據(jù)；可見譜段光譜儀及紅外譜段光譜儀輸出的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送至主控及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行存儲、分析處理。
【文檔編號】G01N21/65GK105866095SQ201610167545
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】萬雄, 劉鵬希, 章婷婷, 陳學崗, 張志敏, 張華明
【申請人】中國科學院上海技術(shù)物理研究所