專利名稱：測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖探測(cè)系統(tǒng)。特別是涉及一種可用于準(zhǔn)確地測(cè)定本體或活體的混 濁介質(zhì)和生物組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測(cè)定方 法。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)方法越來越多地用于疾病的定量診斷和治療監(jiān)測(cè)，研究或醫(yī)護(hù)人員常常需 要知道照射光能量在進(jìn)入病人的器官生物組織后是如何分布以及如何產(chǎn)生反射和透射信 號(hào)。除眼睛的角膜等少數(shù)組織外，人體或動(dòng)物的生物組織為光學(xué)混濁介質(zhì)，也既光吸收 與光散射并存于光與生物組織的相互作用，在可見光及近紅外波段以散射為主，相互作 用的空間和時(shí)間分布具有隨機(jī)的性質(zhì)。這種情況下光在組織中的能量傳播和分布為一復(fù) 雜的邊界條件問題，需要用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)物理模型描述并求解。目前廣泛應(yīng)用的混濁介質(zhì) 及生物組織光學(xué)模型為輻射傳輸理論，該理論將生物組織的光學(xué)參數(shù)定義為吸收系數(shù)， 散射系數(shù)和散射相函數(shù)。吸收系數(shù)代表光子在介質(zhì)內(nèi)單位傳播距離被吸收的平均次數(shù)， 通常與組織內(nèi)的不同成分如生物大分子種類和濃度，血液，色素顆粒的大小與多少等有 關(guān)。而散射系數(shù)和散射相函數(shù)則代表光子在介質(zhì)內(nèi)單位傳播距離被散射的平均次數(shù)和散 射角度的幾率分布。在已知散射相函數(shù)形式的情況下，如漢尼一格林斯坦 (Henyey-Greenstein)散射相函數(shù)等，散射相函數(shù)可由一個(gè)或多個(gè)標(biāo)量參數(shù)決定。漢尼 一格林斯坦散射相函數(shù)由一各向異性參數(shù)決定，各向異性參數(shù)定義為散射角度余弦的平 均值，詳細(xì)討論可見參考文獻(xiàn)(例如Z. Song, K. Dong， X. H. Hu， and J. Q. Lu， 〃Monte Carlo Simulation of Converging Laser Beams Propagating in Biological Tissues", Applied Optics, vol. 38， pp. 2944-2949 (1999))。
許多研究文獻(xiàn)表明混濁介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)由介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)組成及宏觀分布決定；對(duì) 于生物組織類的混濁介質(zhì)，則由其細(xì)胞種類和分布結(jié)構(gòu)等決定。比如人體器官內(nèi)不同組 織如癌癥病灶和正常組織之間，不同類正常組織如表皮和真皮組織之間的光學(xué)參數(shù)不同。 光在混濁介質(zhì)或生物器官組織中的能量傳播和分布由這些光學(xué)參數(shù)可以根據(jù)輻射傳輸理 論決定。因此，混濁介質(zhì)或生物組織的光學(xué)參數(shù)是對(duì)此類材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定量分析 必不可少的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，這些光學(xué)參數(shù)通常隨光波長(zhǎng)變化，因此是波長(zhǎng)的函數(shù)。不 同的介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)為特定的和不同的波長(zhǎng)函數(shù)。
測(cè)定混濁介質(zhì)或生物組織光學(xué)參數(shù)需要提供照射介質(zhì)用的入射光，然后在介質(zhì)內(nèi)或 介質(zhì)外不同方向與位置測(cè)量與入射光波長(zhǎng)相同的散射光信號(hào)。光在傳播過程中由于與散 射顆?；蛏⑸渲行闹g的相互作用造成光線或光子轉(zhuǎn)播方向的改變。在混濁介質(zhì)或生物
組織中這些散射中心的空間與時(shí)間分布通常為隨機(jī)的，其統(tǒng)計(jì)特征由介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)決 定。光散射的隨機(jī)性質(zhì)造成出射光在三維空間內(nèi)方向與位置分布上的隨機(jī)性，這使得混 濁介質(zhì)或生物組織的散射光信號(hào)測(cè)量比較困難。目前報(bào)導(dǎo)過的測(cè)量方法包括利用積分球 測(cè)量漫反射和漫透射信號(hào)的方法，和利用分立探測(cè)器或陣列探測(cè)器測(cè)量反射信號(hào)分布的 方法。這些方法的缺點(diǎn)或?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，或?yàn)樾枰x開活體的樣品，都無法用于準(zhǔn)確 地測(cè)定本體或活體光學(xué)參數(shù)。詳細(xì)討論可見參考文獻(xiàn)(例如C. Chen， J.Q. Lu， H. Ding, K. M. Jacobs, Y. Du， and X. H. Hu, "A primary method for determination of optical parameters of turbid samples and application to intralipid between 550 and I630nm〃， Optics Express, vol.14, pp. 7420-7435 (2006))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可用于準(zhǔn)確地測(cè)定本體或活體的混濁介質(zhì) 和生物組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測(cè)定方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及 測(cè)定方法，其中，光纖系統(tǒng)包括有光源輸入部分；光纖測(cè)量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及 計(jì)算部分，其中，光源輸入部分與光纖測(cè)量部分相連接，光纖測(cè)量部分與控制、數(shù)據(jù)處 理及計(jì)算部分相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測(cè)量 部分還連接被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。
所述的光源輸入部分包括有光源用電源溫度控制器和光源，其中，電源溫度控制器 的輸入端通過電纜與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分相連，輸出端通過電源溫控電纜與光源 相連，光源的輸出耦合端與光纖測(cè)量部分相連接。
所述的光纖測(cè)量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖，測(cè)量?jī)x和測(cè)量光纖束，其中，激發(fā)引導(dǎo) 光纖的一端與光源輸入部分的光源相連接，測(cè)量?jī)x分別連接控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分 以及測(cè)量光纖束，激發(fā)引導(dǎo)光纖的另一端和測(cè)量光纖束的另一端共同插入被測(cè)混濁介質(zhì) 或生物組織。
所述的控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分是由計(jì)算機(jī)完成。 所述的光源可由 一個(gè)或一個(gè)以上的激光相干光源獲得。
所述的光源也可由連續(xù)譜的非相干光源獲得，其照射光波長(zhǎng)在設(shè)定的譜域內(nèi)連續(xù)分布。
所述的光源的照射光強(qiáng)度調(diào)制可以通過光源電流或機(jī)械斬波器兩者之一，在0. 1赫 茲至100兆赫茲頻率范圍內(nèi)調(diào)制。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖的直徑在10微米 10毫米之間。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖端頭平面的法線與光纖軸成0度 90度范圍內(nèi)的某一角度。 所述的測(cè)量光纖束是由1 10根測(cè)量光纖組成，測(cè)量光纖束中的光纖的直徑在10微 米 10毫米之間。
所述的測(cè)量光纖束端頭平面的法線與光纖軸平行或成0度 90度范圍內(nèi)的某一角度。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖和測(cè)量光纖束被固定在同一針頭內(nèi)后，插入混濁介質(zhì)或生物組織內(nèi)。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖和測(cè)量光纖束采用線纜外套固定后通過內(nèi)窺鏡的工作通道進(jìn) 入人體的腔內(nèi)通道。
所述的測(cè)量?jī)x由分光部分、光電探測(cè)部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測(cè)量光纖所輸 出的光信號(hào)首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測(cè)器變成電信號(hào)放大后送至模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光譜信號(hào)。
所述的測(cè)量?jī)x光電探測(cè)部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，測(cè)量光纖所輸出的光信號(hào)由光 電探測(cè)器變成電信號(hào)放大后送至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)。
其中，光纖測(cè)定方法，是由如下階段完成
第一階段從測(cè)量?jī)x輸出的實(shí)時(shí)光譜信號(hào)將多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)按其波長(zhǎng)分別進(jìn) 行存貯；
第二階段將存貯的不同波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)在不同波長(zhǎng)上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào) 后計(jì)算出光信號(hào)；
第三階段進(jìn)入光傳輸理論計(jì)算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參 數(shù)和測(cè)樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計(jì)算光信號(hào)；
第四階段比較實(shí)測(cè)光信號(hào)與計(jì)算光信號(hào)的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測(cè)樣光學(xué)參數(shù)直 至計(jì)算光信號(hào)與實(shí)測(cè)光信號(hào)的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長(zhǎng)上的測(cè)樣 光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
所述的多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)包括有入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參數(shù)及測(cè)樣光學(xué)參 數(shù)初始值。
所述的光傳輸理論計(jì)算子程序是由如下階段完成
第一階段輸入光參數(shù)，確定被追蹤的光子總數(shù)N。，并根據(jù)吸收系數(shù)隨機(jī)決定光子 行進(jìn)總路程；
第二階段判斷被追蹤累計(jì)光子數(shù)N是否大于1 決定光子改射角度也即行進(jìn)方向 及隨機(jī)決定光子行進(jìn)自由路程，并追蹤光子至下一散射點(diǎn)；.
第三階段判斷累計(jì)行進(jìn)路程是否大于總路程？是否被測(cè)量光纖接受？是否溢出測(cè) 樣？是否接觸邊界？
第四階段計(jì)算光信號(hào)，并判斷累計(jì)光子數(shù)N是否大于入射光束的光子總數(shù)N。； 第五階段程序結(jié)束并輸出計(jì)算光信號(hào)。
本發(fā)明的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測(cè)定方法，測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單， 使用方便，不需要離開活體的樣品就可以準(zhǔn)確地測(cè)定本體或活體光學(xué)參數(shù)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的實(shí)施例中光纖設(shè)置的示意圖3是本發(fā)明測(cè)定方法的流程圖4是本發(fā)明測(cè)定方法中的光傳輸理論計(jì)算子程序流程圖, 其中
I
3 5 7 9
II
電源溫度控制器 光源
保護(hù)針套 測(cè)量光纖束 電纜 電纜
2 4 6 8 10
電源溫控電纜 激發(fā)引導(dǎo)光纖 生物組織
計(jì)算機(jī)
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光 纖系統(tǒng)及測(cè)定方法。 .
準(zhǔn)確測(cè)定混濁介質(zhì)或生物組織的吸收系數(shù)，散射系數(shù)和各向異性參數(shù)需要測(cè)量不同 方向上的漫散射光。散射光信號(hào)定義為在光波長(zhǎng)不變的條件下其傳播方向偏離原傳播方 向后探測(cè)到的光信號(hào)，漫散射光信號(hào)定義為光自光源或輻射傳輸系統(tǒng)終端出射后，經(jīng)單 次或多次散射后探測(cè)到的光信號(hào)，前向漫散射光信號(hào)定義為在出射光方向的極角0度至 正負(fù)90度內(nèi)測(cè)到的漫散射光信號(hào)，后向漫散射光信號(hào)定義為在出射光方向的極角正負(fù)90 度至180度內(nèi)測(cè)到的漫散射光信號(hào)。
如圖1所示，本發(fā)明的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，包括有光 源輸入部分；光纖測(cè)量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分，其中，光源輸入部分與光纖 測(cè)量部分相連接，光纖測(cè)量部分與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分相^接，控制、數(shù)據(jù)處理 及計(jì)算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測(cè)量部分還連接被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。
所述的光源輸入部分包括有光源用電源溫度控制器1和光源3，其中，電源溫度控制 器l提供光源所需的電流，控制光源的溫度及輸出光調(diào)制頻率。電源溫度控制器l的輸 入端通過電纜ll與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分相連，輸出端通過電源溫控電纜2與光源 3相連，光源3的輸出耦合端與光纖測(cè)量部分相連接。
電源溫度控制器1的一種實(shí)現(xiàn)方式可包括一通過溫感元件(如熱敏電阻)信號(hào)進(jìn)行 負(fù)反饋控制的溫控電流源和一激光電流源。溫控電流源的電流輸出至與電源一起的半導(dǎo) 體致冷器，而達(dá)到控制光源溫度的目的。溫控電流源和激光電流源屬于常見的電路，有 多家光電器件公司出售，如美國的Thorlabs公司出售的型號(hào)為ITC102的電源溫度控制 器。電源溫控電纜2由多條電纜組成，包括激光二極管電流線，半導(dǎo)體致冷器電源線，
溫感元件信號(hào)線等，均為普通電纜。
所述的光源3可由一個(gè)或一個(gè)以上的激光相干光源獲得，即為單一或分立的多波長(zhǎng)。 也可由連續(xù)譜的非相干光源獲得，其照射光波長(zhǎng)在設(shè)定的譜域內(nèi)連續(xù)分布。光源3的照 射光強(qiáng)度調(diào)制可以通過光源電流或機(jī)械斬波器兩者之一，在0. 1赫茲至100兆赫茲頻率 范圍內(nèi)調(diào)制。
光源3，包含光源及光學(xué)耦合系統(tǒng)，光源可由單個(gè)或多個(gè)激光器如半導(dǎo)體激光器組成 提供單一或多波長(zhǎng)的輸出光，其光功率隨時(shí)間在調(diào)制頻率上周期性變化，光學(xué)耦合系統(tǒng) 將自光源發(fā)出的照射光耦合到光纖測(cè)量部分的激發(fā)引導(dǎo)光纖4中。光學(xué)耦合系統(tǒng)通常有 一組透鏡和/或反射鏡組成，目的為將盡可能多的光能聚焦到激發(fā)引導(dǎo)光纖4內(nèi)。
所述的光纖測(cè)量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖4，測(cè)量?jī)x8和測(cè)量光纖束7，其中，激發(fā) 引導(dǎo)光纖4的一端與光信號(hào)輸入部分的光源3相連接，測(cè)量?jī)x8分別連接控制、數(shù)據(jù)處 理及計(jì)算部分以及測(cè)量光纖束7，激發(fā)引導(dǎo)光纖4的另一端和測(cè)量光纖束7的另一端共同 插入被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖4的直徑在10微米 10毫米之間。而激發(fā)引導(dǎo)光纖4端頭平面 的法線與光纖軸成0度 90度范圍內(nèi)的某一角度。
所述的測(cè)量光纖束7是由1 10根測(cè)量光纖組成，測(cè)量光纖束7中的光纖的直徑在 10微米 10毫米之間。即測(cè)量光纖束中的光纖的直徑可以相同也可以不相同。所述的測(cè) 量光纖束7平面的法線與光纖軸平行或成0度 90度范圍內(nèi)的某一角度，以接受前向透 射，漫透射或漫反射的散射光信號(hào)。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖4和測(cè)量光纖束7通過用不同的連接方法或直接地被固定在同 一針頭(如保護(hù)針套5)內(nèi)后，插入混濁介質(zhì)或生物組織內(nèi)測(cè)定混濁介質(zhì)或生物組織6 的光學(xué)參數(shù)。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖4和測(cè)量光纖束7還可以采用線纜外套固定后通過內(nèi)窺鏡的工 作通道進(jìn)入人體的腔內(nèi)通道如氣管和食管測(cè)定管壁組織的光學(xué)參數(shù)。
本發(fā)明的激發(fā)引導(dǎo)光纖4和測(cè)量光纖束7結(jié)合的一種設(shè)計(jì)方法可由圖2a和圖2b所 示，圖2a為正面視圖，圖2b為側(cè)面視圖。圖中激發(fā)引導(dǎo)光纖4用于導(dǎo)入激發(fā)光散射信 號(hào)的照射光。圖中光纖a、 b、 c、 d為測(cè)量光纖束7，其中，光纖a和光纖b為測(cè)量前向 和漫透射光信號(hào)的光纖，光纖c和光纖d為測(cè)量漫反射光信號(hào)的光纖。
所述的測(cè)量?jī)x8由分光部分、光電探測(cè)部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測(cè)量光纖所 輸出的光信號(hào)首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測(cè)器變成電信號(hào)放大后送至模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光譜信號(hào)。
由于光源3可輸出多波長(zhǎng)的輸出光至激發(fā)引導(dǎo)光纖4，因此測(cè)量光纖7所接受到的散 射光信號(hào)可為多波長(zhǎng)。因此，在單一波長(zhǎng)的照射光和散射光信號(hào)中的熒光部分可忽略的 條件下，測(cè)量?jī)x8的分光系統(tǒng)可由光柵或棱鏡組成，將多波長(zhǎng)的散射光信號(hào)按其波長(zhǎng)在 不同角度分開，由光電探測(cè)器(通常為一線型光電探測(cè)陣列)分別變成電信號(hào)放大后送
至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光譜信號(hào)，然后通過電纜9傳送至計(jì)算機(jī)10。 所述的控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分是由計(jì)算機(jī)完成。
計(jì)算機(jī)IO將實(shí)時(shí)光譜信號(hào)作為時(shí)間的函數(shù)存入許算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)系統(tǒng)，然后通過信號(hào)處 理程序選擇在激光源波長(zhǎng)上的信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)以提高信噪比。信號(hào)處理程序的解調(diào)過程 可以通過對(duì)時(shí)間的傅立葉變換完成。波長(zhǎng)選擇與解調(diào)后的散射光信號(hào)強(qiáng)度與入射光信號(hào) 強(qiáng)度之比即作為漫反射率，漫透射率和前向透射率存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)系統(tǒng)，為實(shí)測(cè)光信 號(hào)。計(jì)算機(jī)10也包括光源的控制程序，通過電纜ll和電源溫度控制器l控制光源的調(diào) 制頻率及開關(guān)。計(jì)算機(jī)10還包括光纖測(cè)定系統(tǒng)的計(jì)算確定程序部分用于根據(jù)所測(cè)量的光 信號(hào)確定渾濁介質(zhì)或生物組織測(cè)樣6的光學(xué)參數(shù)。
如圖3所示，本發(fā)明的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測(cè)定方法，是由如 下階段完成
第一階段從測(cè)量?jī)x輸出的實(shí)時(shí)光譜信號(hào)將多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)按其波長(zhǎng)分別進(jìn) 行存貯；
第二階段將存貯的不同波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)在不同波長(zhǎng)上通過數(shù)學(xué)處理如傅立葉 變換等進(jìn)行解調(diào)后計(jì)算出實(shí)測(cè)光信號(hào)；
第三階段進(jìn)入光傳輸理論計(jì)算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參 數(shù)和測(cè)樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計(jì)算光信號(hào)；
第四階段比較實(shí)測(cè)光信號(hào)與計(jì)算光信號(hào)的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測(cè)樣光學(xué)參數(shù)直 至計(jì)算光信號(hào)與實(shí)測(cè)光信號(hào)的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長(zhǎng)上的測(cè)樣
光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
所述的多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)包括有入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參數(shù)及測(cè)樣光學(xué)參 數(shù)初始值。
在測(cè)量光纖7的端頭插入測(cè)樣內(nèi)部的條件下，第三階段所述的光傳輸理論計(jì)算子程 序可以由如下步驟完成
Sl:輸入入射光參數(shù)和被追蹤光子總數(shù)N。；
S2:輸入測(cè)樣光學(xué)和邊界幾何參數(shù)；
S3:由光子的入射方向決定其初始行進(jìn)方向；
S4:設(shè)定被追蹤光子數(shù)^1;
S5:根據(jù)吸收系數(shù)隨機(jī)決定光子總路程；
S7:判斷被追蹤光子數(shù)N是否大于1 ， N大于1進(jìn)入S8，否則根據(jù)S3進(jìn)入S9;
S8:根據(jù)散射相函數(shù)隨機(jī)決定光子散射角度也即行進(jìn)方向，并進(jìn)入S9; S9:根據(jù)散射系數(shù)隨機(jī)決定光子自由行進(jìn)路程； S10:追蹤光子至下一散射點(diǎn)；
Sll:判斷累計(jì)行進(jìn)路程是否大于總路程？是進(jìn)入S12，否則進(jìn)入S13; S12:判斷光子被吸收后進(jìn)入S6;S6:將被追蹤光子數(shù)N增加1后進(jìn)入S5; S13:判斷是否接觸邊界？是進(jìn)入S14，否則進(jìn)入S8; Si4:判斷是否溢出測(cè)樣？是進(jìn)入S15，否則進(jìn)入S16; S15:判斷光子逃逸后進(jìn)入S6;
S16:判斷是否被測(cè)量光纖接受？是進(jìn)入S17，否則進(jìn)入S8; S17:計(jì)算光信號(hào)；
S18:判斷被追蹤光子數(shù)N是否大于入射光束的光子總數(shù)N。；是進(jìn)入S19，否則進(jìn)入
S6;
S19:程序結(jié)束并輸出計(jì)算光信號(hào)。
下面對(duì)本發(fā)明的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測(cè)定方法給出進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的光纖系統(tǒng)和測(cè)定方法的計(jì)算確定程序部分的核心為基于渾濁介質(zhì)內(nèi)輻射傳 輸理論的光學(xué)信號(hào)計(jì)算方法。輻射傳輸理論可以表達(dá)為一輻射傳輸方程的微積分方程， 其與時(shí)間無關(guān)的形式可表達(dá)如下
s VL(r， s) = -(a + & )/_(r,s) + & ￡ p(s，s')L(r, s ')c(Q'
上式中s為光傳播方向的單位矢量，.代表矢量點(diǎn)乘算符，V代表矢量梯度算符，r為 三維空間內(nèi)的坐標(biāo)矢量，L(;r，s)為光流量(單位面積單位立體角內(nèi)的光功率)，pa為 吸收系數(shù)，p為散射系數(shù)，P(s, s')為散射相函數(shù)(正比于光自s'方向散射到s方 向的幾率)，fjQ'代表對(duì)三位空間總立體角為4;r的s，方向的立體角度積分?；谳?br> 4;r
射傳輸方程的邊界值問題通常有兩種解法數(shù)值解方法和以蒙特卡羅方法為代表的統(tǒng)計(jì) 方法。數(shù)值解方法為將前述的輻射傳輸方程轉(zhuǎn)化為差分方程組后根據(jù)邊界條件求解。蒙 特卡羅方法則為根據(jù)前述的輻射傳輸方程所描述的光學(xué)傳輸過程，用許多光子代表入射 光束，計(jì)算每個(gè)光子在三維空間內(nèi)傳輸過程的行進(jìn)軌道。光子的行進(jìn)軌道由多個(gè)隨機(jī)變 量決定，而這些隨機(jī)變量的分布函數(shù)分別由吸收系數(shù)，散射系數(shù)和散射相函數(shù)決定。光 子在所考慮的區(qū)域邊界附近的行進(jìn)軌道通常根據(jù)平行光束在邊界面上的反射系數(shù)公式處 理。在對(duì)所有光子(幾十萬或更多)的行進(jìn)軌道計(jì)算完成后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，那些被探 測(cè)光纖收集到的光子與入射光子總數(shù)之比即代表計(jì)算光信號(hào)。
圖4是實(shí)現(xiàn)上述蒙特卡羅方法的一種邏輯流程。該方法將混濁介質(zhì)等價(jià)于一包含隨 機(jī)分布的光吸收中心和光散射中心的介質(zhì)，光吸收中心和光散射中心的濃度與混濁介質(zhì) 的吸收系數(shù)，散射系數(shù)分別相關(guān)，而光吸收中心和光散射中心的隨機(jī)分布則通過對(duì)光子 總路程與自由路程的隨機(jī)分布體現(xiàn)。在蒙特卡羅方法計(jì)算開始之前，需要輸入入射光參
數(shù)如光束能量分布和入射方向及代表入射光束的光子數(shù)N。，以及代表測(cè)樣的光學(xué)參數(shù)和
邊界幾何形狀參數(shù)。因?yàn)槊商乜_方法為統(tǒng)計(jì)方法，其結(jié)果會(huì)包含統(tǒng)計(jì)誤差，所以需要
進(jìn)行跟蹤計(jì)算的光子數(shù)N。必須足夠大，才能將計(jì)算結(jié)果中的統(tǒng)計(jì)誤差降到足夠小。但N。 過大會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。 一般情況下N。在10的4次方至10的9次方之間。
如圖4所示，蒙特卡羅計(jì)算方法需要對(duì)N。個(gè)入射光子逐個(gè)進(jìn)行其在測(cè)樣內(nèi)行進(jìn)路程 跟蹤計(jì)算直至該光子行進(jìn)結(jié)束，也即光子或被測(cè)樣吸收或溢出測(cè)樣(也即光子逃逸)或 被插在測(cè)樣內(nèi)的測(cè)量光纖接受。在對(duì)每個(gè)光子的行進(jìn)路程跟蹤計(jì)算開始之前，蒙特卡羅 計(jì)算程序?qū)⒏鶕?jù)由測(cè)樣吸收系數(shù)決定的隨機(jī)分布確定光子的總路程和根據(jù)由測(cè)樣散射系 數(shù)決定的隨機(jī)分布確定光子的自由行進(jìn)路程長(zhǎng)度。光子跟蹤計(jì)算的第一步為跟蹤光子沿 初始行進(jìn)方向至其自由行進(jìn)路程所決定的位置，假設(shè)光子在此位置被散射。在光子開始 下一自由路程行進(jìn)之前將對(duì)該光子是否被吸收，或溢出，或被測(cè)量光纖接受等條件進(jìn)行 測(cè)試。如上述條件之一被滿足，則開始下一個(gè)光子的行進(jìn)路程跟蹤計(jì)算。如上述條件均 未被滿足，蒙特卡羅計(jì)算程序?qū)⒏鶕?jù)測(cè)樣的散射相函數(shù)(或在確定相函數(shù)形式如漢尼一 格林斯坦散射相函數(shù)下根據(jù)測(cè)樣的各向異性參數(shù))決定散射角度也即下一行進(jìn)自由路程 的方向后，再根據(jù)由測(cè)樣散射系數(shù)決定的隨機(jī)分布確定光子的自由路程長(zhǎng)度，從而開始 對(duì)該光子的行進(jìn)路程跟蹤的反復(fù)計(jì)算直至光子行進(jìn)結(jié)束。如被跟蹤的光子被測(cè)量光纖(圖 1中的測(cè)量光纖束7或圖2中的光纖a至d)接受，該光子即作為與計(jì)算光信號(hào)有關(guān)的計(jì) 算數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)對(duì)某個(gè)光子行進(jìn)路程跟蹤計(jì)算結(jié)束后，蒙特卡羅計(jì)算程序比較被跟蹤計(jì) 算光子的累計(jì)數(shù)N，如N大于N。，蒙特卡羅計(jì)算結(jié)束，否則將N增加1后對(duì)下一個(gè)入射光 子開始跟蹤計(jì)算。當(dāng)對(duì)N1,個(gè)入射光子的跟蹤計(jì)算全部完成后，所有被測(cè)量光纖接受的累 加光子數(shù)與N。之比即作為計(jì)算光信號(hào)自蒙特卡羅計(jì)算程序輸出。
實(shí)現(xiàn)圖3所描述的計(jì)算確定程序，是由圖4所示的光傳輸理論計(jì)算子程序完成。計(jì) 算確定程序所需要的輸入數(shù)據(jù)為入射光參數(shù)如光波長(zhǎng)，光束截面內(nèi)的功率分布和面積； 測(cè)樣探頭形狀參數(shù)如渾濁介質(zhì)或生物組織測(cè)樣的結(jié)構(gòu)，縱向厚度，橫向尺度和折射率以 及激發(fā)引導(dǎo)光纖和測(cè)量光纖的直徑，段頭形狀，數(shù)值孔徑，光纖間距離和折射率；測(cè)樣 光學(xué)參數(shù)初始值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定的。上述輸入數(shù)據(jù)通常由使用者通過用戶界面輸入。根 據(jù)這些輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算確定程序中的光輸送理論計(jì)算子程序部分用蒙特卡羅方法計(jì)算代 表入射光能量的光子在由激發(fā)引導(dǎo)光纖出射后經(jīng)過在測(cè)樣模型中被散射后由測(cè)量光纖收 集。使用與實(shí)測(cè)光信號(hào)相同的定義，上述計(jì)算子程序根據(jù)測(cè)量光纖收集的光子數(shù)與入射 光子數(shù)之比輸出與實(shí)測(cè)光信號(hào)相應(yīng)的計(jì)算光信號(hào)。而計(jì)算與實(shí)測(cè)光學(xué)信號(hào)的差決定了計(jì) 算確定程序是否結(jié)束或迭代計(jì)算。如計(jì)算與實(shí)測(cè)光學(xué)信號(hào)的差小于根據(jù)實(shí)測(cè)光信號(hào)的實(shí) 驗(yàn)誤差決定的設(shè)定值，則測(cè)樣光學(xué)參數(shù)初始值即為正確的測(cè)樣光學(xué)參數(shù)，計(jì)算確定程序 結(jié)束并輸出測(cè)樣光學(xué)參數(shù)。如計(jì)算與實(shí)測(cè)光學(xué)信號(hào)的差大于設(shè)定值，則計(jì)算確定程序進(jìn) 入迭代循環(huán)過程，也即反復(fù)調(diào)整測(cè)樣光學(xué)參數(shù)并重新進(jìn)入光輸送理論計(jì)算子程序部分計(jì) 算光信號(hào)直至計(jì)算與實(shí)測(cè)光學(xué)信號(hào)的差小于設(shè)定值。
上述迭代循環(huán)過程中的測(cè)樣光學(xué)參數(shù)調(diào)制可基于下述原理設(shè)計(jì)。首先根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì) 算光學(xué)信號(hào)中的前向透射率的差別確定衰減系數(shù)(為吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和)的調(diào)制
方向如實(shí)測(cè)前向透射率大于計(jì)算前向透射率，則減少衰減系數(shù)，反之則增加衰減系數(shù)。 其后根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算光學(xué)信號(hào)中的漫透射率與漫反射率之和的差別確定吸收系數(shù)的調(diào)制 方向如實(shí)測(cè)漫透射率與漫反射率之和大于計(jì)算漫透射率與漫反射率之和，則減少吸收 系數(shù)，反之則增加吸收系數(shù)。然后根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算光學(xué)信號(hào)中的漫透射率與漫反射率之 比的差別確定各向異性系數(shù)的調(diào)制方向如實(shí)測(cè)漫透射率與漫反射率之比大于計(jì)算漫透 射率與漫反射率之比，則增加各向異性系數(shù)，反之則減少各向異性系數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在于，包括有光源輸入部分；光 測(cè)量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分，其中，光源輸入部分與光纖測(cè)量部分相連接，光纖測(cè)量部分與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測(cè)量部分還連接被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光源輸入部分包括有光源用電源溫度控制器(1)和光源(3)，其中，電源 溫度控制器(1)的輸入端通過電纜(11)與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分相連，輸出端通 過電源溫控電纜(2)與光源(3)相連，光源(3)的輸出耦合端與光纖測(cè)量部分相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光纖測(cè)量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)，測(cè)量?jī)x(8)和測(cè)量光纖束(7)， 其中，激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)的一端與光源輸入部分的光源(3)相S接，測(cè)量?jī)x(8)分別 連接控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分以及測(cè)量光纖束(7)，激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)的另一端和 測(cè)量光纖束(7)的另一端共同插入被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算部分是由計(jì)算機(jī)完成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光源(3)可由一個(gè)或一個(gè)以上的激光相干光源獲得。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光源(3)也可由連續(xù)譜的非相千光源獲得，其照射光波長(zhǎng)在設(shè)定的譜域內(nèi)連 續(xù)分布。
7. '根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光源(3)的照射光強(qiáng)度調(diào)制可以通過光源電流或機(jī)械斬波器兩者之一，在0. 1 赫茲至100兆赫茲頻率范圍內(nèi)調(diào)制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)的直徑在10微米 10毫米之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)端頭平面的法線與光纖軸成0度 90度范圍內(nèi)的某一角度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的測(cè)量光纖束(7)是由1 10根測(cè)量光纖組成，測(cè)量光纖束(7)中的光纖 的直徑在10微米 10毫米之間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的測(cè)量光纖束(7)端頭平面的法線與光纖軸平行或成0度 90度范圍內(nèi)的某 一角度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)和測(cè)量光纖束(7)被固定在同一針頭內(nèi)后，插入混濁 介質(zhì)或生物組織內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)和測(cè)量光纖束(7)采用線纜外套固定后通過內(nèi)窺鏡的 工作通道進(jìn)入人體的腔內(nèi)通道。
14. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的測(cè)量?jī)x(8)由分光部分、光電探測(cè)部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測(cè)量光 纖所輸出的光信號(hào)首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測(cè)器變成電信號(hào)放大后送至 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光譜信號(hào)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的測(cè)量?jī)x(8)光電探測(cè)部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，測(cè)量光纖所輸出的光信 號(hào)由光電探測(cè)器變成電信號(hào)放大后送至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷?shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)。
16. —種測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測(cè)定方法，其特征在于，是由如 下階段完成第一階段從測(cè)量?jī)x輸出的實(shí)時(shí)光譜信號(hào)將多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)按其波長(zhǎng)分別進(jìn) 行存貯；第二階段將存貯的不同波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)在不同波長(zhǎng)上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào) 后計(jì)算出光信號(hào)；第三階段進(jìn)入光傳輸理論計(jì)算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參 數(shù)和測(cè)樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計(jì)算光信號(hào)；第四階段比較實(shí)測(cè)光信號(hào)與計(jì)算光信號(hào)的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測(cè)樣光學(xué)參數(shù)直 至計(jì)算光信號(hào)與實(shí)測(cè)光信號(hào)的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長(zhǎng)上的測(cè)樣光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測(cè)定方法， 其特征在于，所述的多個(gè)波長(zhǎng)上的光學(xué)信號(hào)包括有入射光參數(shù)，測(cè)樣探頭形狀參數(shù)及測(cè) 樣光學(xué)參數(shù)初始值。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測(cè)定方法， 其特征在于，所述的光傳輸理論計(jì)算子程序是由如下階段完成第一階段輸入光參數(shù)，確定被追蹤的光子總數(shù)N。，并根據(jù)吸收系數(shù)隨機(jī)決定光子 行進(jìn)總路程；第二階段判斷被追蹤累計(jì)光子數(shù)N是否大于n決定光子散射角度也即行進(jìn)方向及隨機(jī)決定光子行進(jìn)自由路程，并追蹤光子至下一散射點(diǎn)；第三階段判斷累計(jì)行進(jìn)路程是否大于總路程？是否被測(cè)量光纖接受？是否溢出測(cè) 樣？是否接觸邊界？第四階段計(jì)算光信號(hào)，并判斷累計(jì)光子數(shù)N是否大于入射光束的光子總數(shù)N。； 第五階段程序結(jié)束并輸出計(jì)算光信號(hào)。
全文摘要
測(cè)定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測(cè)定方法，系統(tǒng)有光源輸入、光纖測(cè)量和控制數(shù)據(jù)處理及計(jì)算，光源輸入與光纖測(cè)量相連接，光纖測(cè)量與控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計(jì)算與光源相連，光纖測(cè)量連接被測(cè)混濁介質(zhì)或生物組織。方法是從測(cè)量?jī)x輸出的實(shí)時(shí)光譜信號(hào)將多個(gè)波長(zhǎng)上的光信號(hào)按波長(zhǎng)進(jìn)行存貯；進(jìn)入光傳輸理論計(jì)算子程序，將存貯的不同波長(zhǎng)的實(shí)時(shí)光學(xué)信號(hào)在不同波長(zhǎng)上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào)后計(jì)算出實(shí)測(cè)光信號(hào)；比較實(shí)測(cè)光信號(hào)與計(jì)算光信號(hào)的差別，通過調(diào)整測(cè)樣光學(xué)參數(shù)直至計(jì)算光信號(hào)與實(shí)測(cè)光信號(hào)的差別小于事先設(shè)定值為止，輸出測(cè)樣光學(xué)參數(shù)數(shù)值。本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要離開活體樣品就能準(zhǔn)確地測(cè)定本體或活體光學(xué)參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101103905SQ20071005859
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者胡新華 申請(qǐng)人:天津煒輻醫(yī)療科技有限公司