基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

有效探测区域的内窥式漫射层析成像图像重构算法

为了减少近红外漫射光内窥式成像设备的造价和图像重构时间,提出了有效探测区域检测方法和相应的内窥式图像重构算法,用于实现对吸收系数和约化散射系数的同时重构.首先采用蒙特卡罗模拟研究了某源点激励下的有效探测区域;其次发展了基于有效探测区域的图像重构算法;最后讨论了有效探测区域内测量点数对重构结果的影响,并用模拟数据验证了所...     

VIP分析简化近红外光硬膜血肿检测的研究

多通道近红外光光密度差异检测硬膜血肿的方法具有快速、无创等优点,光源周围检测器数量与位置对降低硬膜血肿程度预测模型的病态性,提高血肿检测精度至关重要。提出了基于变量投影重要性(VIP)分析的检测器位置筛选方法。通过对距离光源位置2.0～5.0 cm范围内的30个检测器获得的光密度差异数据进行VIP分析,分析比较确定VIP阈值后从中筛选出4个检测器。以偏最小二乘法(PLS)建立基于4个检测位置获得的吸光度差预测血肿发生部位吸收系数的预测模型,检测器VIP优化后血肿位置吸收系数预测结果平均相对误差由4.08%降低到2.06%。可见利用VIP分析对检测器筛选后所建立预测模型仍可较好的对硬膜位置血肿程度进行判断。该研究为近红外光硬膜血肿检测中检测器位置的选择提供了新的思路和重要参考。     

大鼠创伤性脑水肿模型中近红外光有效检测深度研究

采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte Carlo模拟光子在生物组织中的传输过程,建立有效检测深度模型,对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法,将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分,建立真实的大鼠脑组织三维模型,使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件,使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量,从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响,结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半,并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型,验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.     

频域近红外光谱法研究生物组织内部光子传输特性

基于光子在生物组织中的辐射传输理论以及Feng模型,应用频域近红外光谱法研究生物组织中异质体位置的变化,对出射光的光强和相位变化的影响及规律。设计了一仿真实验,用牛奶代替强散射性质的生物组织,并在牛奶中放置一个高度可控的具有一定吸收系数和散射系数的小球。移动小球在牛奶中的高度,检测出射光的交流幅度AC、直流光强DC和相位延迟Phase的值,绘制小球位于不同深度时AC,DC和Phase的曲线,并探讨其变化规律。结果表明,随着小球在牛奶中深度的变化,光强AC,DC和相位Phase呈现一定的相关性;随着光源和检测器之间距离的增加,检测到的光强和相位曲线的波谷点均向右偏移;当小球偏离光源和检测器越远,对检测到的光强和相位的影响越小。验证了光子在生物组织中的传输规律,为用频域近红外光谱法进行组织光学参数的检测及组织中异质体位置的定位奠定了基础。     

频域近红外光谱方法定量测量组织氧饱和度

通过精确测量光子密度波的相位延迟和幅度衰减,借助于一个光学参数已知的校准模型,可以定量检测组织的光学吸收参数和约化散射系数.通过测量多个波长下组织的吸收系数,就可以进一步求解出人体局部组织的血氧饱和度.血液－酵母溶液仿真模型和前臂动脉阻断实验的结果都表明该三波长的频域近红外光谱系统可以实时定量地检测组织氧饱和度的动态变化情况.     

多通道差分吸光度用于颅内血肿快速检测

近红外光密度差异法检测创伤性硬膜血肿具有快速、无创等优点,是近几年组织光学的研究热点,在急救临床上有着重要应用。为了进一步提高对颅脑外伤患者血肿程度的检测精度,采用多通道差分吸光度方法获得头部左右对称吸光度数据,即利用与近红外光源距离不同的5个检测器采集颅脑对称位置的光密度信息,计算对称位置的差分吸光度,利用偏最小二乘法建立脑部光学吸收系数与差分吸光度数据之间的校正模型,实现对颅内硬膜血肿程度的预测。可以检测具有不同头皮颅骨厚度患者是否出现硬膜血肿,也可预测脑血肿程度。模型仿真预测结果显示,所建立预测模型对硬膜血肿部分的光学吸收系数预测平均相对误差为11.16%,对血肿发生深度预测平均相对误差小于1%,基本满足创伤性硬膜血肿程度的无创检测需求。将多通道差分吸光度法引入到脑部血肿近红外光谱无创检测中来,可以明显消除个体差异对检测结果的影响,有效提高脑血肿检测精度,并能实现对患者脑血肿程度的预测,该方法为近红外光谱脑部检测研究提供了新的思路和重要参考。     

基于双积分球和锁相放大测量的近红外多波长光学参量测量系统的研究

介绍了一种基于近红外LD光源及锁相检测技术的双积分球组织光学参量测量系统,波长范围为1 300 ~1 600 nm,正弦电调制光信号,光开关切换不同波长.提出了积分球系统改进措施,测量了散射/吸收混合溶液在1 310 nm下的光学参量,结果显示,约化散射系数和吸收系数的测量相对偏差分别<5%和10%.     

激光应用 激光医学

R318．51 2005053383 频域近红外光谱方法定量测量组织氧饱和度=Quantita- tive determination of the tissue oxygen saturation using fre- quency-domain near-infrared spectroscopy[刊,中]／赵军 (清华大学生物医学工程系．北京(100084)),丁海曙…∥ 光子学报．-2005,34(3)．-386-389 通过精确测量光子密度波的相位延迟和幅度衰减,借 助于一个光学参数已知的校准模型,可以定量检测组织的 光学吸收参数和约化散射系数。通过测量多个波长下组 织的吸收系数,就可以进一步求解出人体局部组织的血氧 饱和度。血液-酵母溶液仿真模型和前臂动脉阻断实验的 结果都表明该三波长的频域近红外光谱系统可以实时定 量地检测组织氧饱和度的动态变化情况。图4参13(严 寒)     

苹果品质检测的可见-近红外激光漫反射光谱图像法的方法研究

利用可见-近红外激光漫反射光谱图像法及化学计量学方法检测了苹果的可溶性固形物含量和硬度。为了消除苹果形状对品质检测的影响,分析了5个不同波长的激光(680,780,880,940和980 nm)照射在富士苹果果面形成的光斑图像,并通过一系列图像处理方法得出了的苹果形状修正算法。分别利用修正前后的光谱图像参数建立苹果可溶性固形物含量和硬度的偏最小二乘回归(PLSR)模型,模型预测值和真实值之间的相关系数从0.78和0.80分别提高到0.87和0.89。为了消除果面镜面反射对苹果内部品质检测的影响,文章提出了象素强度频率检测法,并比较了利用果面光斑图像中光强均值和不同强度对应的象素强度频率建立的苹果硬度和可溶性固形物含量的PLSR模型效果,得出象素强度频率的模型效果更好。苹果可溶性固形物含量和硬度PLSR模型中预测均方根误差(RMSEP)分别从1.28°Brix和8.23 N.cm-2降低到0.84°Brix和6.17 N.cm-2。     

Effects of the approximations of light propagation on quantitative photoacoustic tomography using two-dimensional photon diffusion equation and linearization

Quantitative photoacoustic tomography (QPAT) employing a light propagation model will play an important role in medical diagnoses by quantifying the concentration of hemoglobin or a contrast agent. However, QPAT by the light propagation model with the three-dimensional (3D) radiative transfer equation (RTE) requires a huge computational load in the iterative forward calculations involved in the updating process to reconstruct the absorption coefficient. The approximations of the light propagation improve the efficiency of the image reconstruction for the QPAT. In this study, we compared the 3D/two-dimensional (2D) photon diffusion equation (PDE) approximating 3D RTE with the Monte Carlo simulation based on 3D RTE. Then, the errors in a 2D PDE-based linearized image reconstruction caused by the approximations were quantitatively demonstrated and discussed in the numerical simulations. It was clearly observed that the approximations affected the reconstructed absorption coefficient. The 2D PDE-based linearized algorithm succeeded in the image reconstruction of the region with a large absorption coefficient in the 3D phantom. The value reconstructed in the phantom experiment agreed with that in the numerical simulation, so that it was validated that the numerical simulation of the image reconstruction predicted the relationship between the true absorption coefficient of the target in the 3D medium and the reconstructed value with the 2D PDE-based linearized algorithm. Moreover, the the true absorption coefficient in 3D medium was estimated from the 2D reconstructed image on the basis of the prediction by the numerical simulation. The estimation was successful in the phantom experiment, although some limitations were revealed.

     

Three-dimensional Bayesian optical diffusion tomography with experimental data

Reconstructions of a three-dimensional absorber embedded in a scattering medium by use of frequency domain measurements of the transmitted light in a single source-detector plane are presented. The reconstruction algorithm uses Bayesian regularization and iterative coordinate descent optimization, and it incorporates estimation of the detector noise level, the source-detector coupling coefficient, and the background diffusion coefficient in addition to the absorption image. The use of multiple modulation frequencies is also investigated. The results demonstrate the utility of this algorithm, the importance of a three-dimensional model, and that out-of-plane scattering permits recovery of three-dimensional features from measurements in a single plane.     

Nonuniqueness in optical tomography: relevance of the P1 approximation

The question of whether a unique distribution of the absorption coefficient, the scattering coefficient, and the refractive index of a turbid medium can be reconstructed by optical tomography is considered. A recent publication [Opt. Lett. 23, 882 (1998)] established that such reconstruction is not possible when photon transport is well modeled by the diffusion equation. A simple proof is offered that, when measurements at high modulation frequencies are included, the more exact P1 model of light transport suggests that this reconstruction may be possible.     

阵列式康普顿相机GEANT4模拟与图像重建及优化

出于对放射性核素各种应用和安全的考虑,需要性能良好的康普顿相机。通过蒙特卡罗方法模拟了双层阵列式康普顿相机,散射探测器材料为Si,吸收探测器材料为CZT（碲锌镉）。利用反投影图像重建算法进行了图像重建,采用极大似然法对重建结果进行优化,有效地提高了重建图像的分辨率。当放射源与探测器距离100 mm时,经过10次极大似然法迭代计算,位置分辨率与角分辨率分别达到5.1 mm与7.3。检验了极大似然法对于康普顿相机放射源图像重建的优化作用。     

苹果霉心病光谱在线检测的摆放姿态及建模方法优化研究

苹果营养丰富、口味酸甜,是深受大众喜爱的一种水果。苹果霉心病是一种真菌侵染果实病害,隐蔽性极强,一般在近成熟期果实内部发生霉变,肉眼从外观观察难以分辨,市面上大多数品种的苹果都受其影响。霉心病病果重量变轻、口感变差,严重的甚至不能食用,对经济效益的影响巨大。采用可见近红外光谱分析技术,使用微型光谱仪在线无损检测苹果霉心病,针对4种苹果在线输送时摆放姿态（竖放柄朝上、竖放柄朝下、横放柄朝输送方向和横放柄垂直输送方向）的判别效果进行了优化分析。首先使用主成分分析对600～900 nm波段的透射光谱提取主成分后分别建立线性判别分析（LDA）、马氏距离（MD）和K近邻法（KNN）模型并对校正集和预测集的判别准确率进行对比;其次对600～900 nm波段中心化预处理后建立偏最小二乘判别分析（PLS-DA）模型并给出4种摆放姿态的判别效果;最后使用两种机器学习算法极限学习机（ELM）和支持向量机（SVM）分别建立霉心病判别模型进行预测。对比上述所有6种判别模型,通过观察4种摆放姿态整体的判别效果得到最佳的建模方法为PLS-DA,其中竖放柄朝上和竖放柄朝下摆放的判别准确率都为93.75%,其他2种摆放姿态的判别准确率也都超过85%,再根据PLS-DA模型波段变量投影重要性指标得分值分布提取特征波段690～720 nm重新建立模型,对比4种摆放姿态效果最好的是竖放柄朝上摆放,其预测集的判别准确率达到93.75%,并且对病果的判别效果最佳。研究结果表明PLS-DA可以作为判别苹果霉心病一种有效方法,竖放柄朝上摆放可以作为苹果霉心病在线检测时一种有效姿态。     

Imaging tumor angiogenesis by use of combined near-infrared diffusive light and ultrasound

A novel two-step reconstruction scheme using a combined near-infrared and ultrasound technique and its utility in imaging distributions of optical absorption and hemoglobin concentration of breast lesions are demonstrated. In the first-step image reconstruction, the entire tissue volume is segmented based on initial coregistered ultrasound measurements into lesion and background regions. Reconstruction is performed by use of a finer grid for lesion region and a coarse grid for the background tissue. As a result, the total number of voxels with unknown absorption can be maintained on the same order of total measurements, and the matrix with unknown total absorption distribution is appropriately scaled for inversion. In the second step, image reconstruction is refined by optimization of lesion parameters measured from ultrasound images. It is shown that detailed distributions of wavelength-dependent absorption and hemoglobin concentration of breast carcinoma can be obtained with the new reconstruction scheme.     

基于数字闪耀光栅的位相全息图光电再现优化

针对利用液晶空间光调制器（LC-SLM）进行全息图光电再现过程中,再现像面存在多级衍射像造成单一像能量利用率低的问题,提出了一种在位相全息图中加载数字闪耀光栅的方法,以提高全息图光电再现中单一衍射像的衍射效率.分析了闪耀光栅作为衍射光学元件的特性及其对光波进行位相调制的原理,并阐述了在LC-SLM中加载数字闪耀光栅对位相全息图光电再现时像面能量分布的影响.搭建了基于LC-SLM的位相全息图光电再现实验系统.理论分析表明：在其他条件不变的情况下,加载竖直（或水平）槽向周期为2 pixels的数字闪耀光栅可使 关键词： 全息光电再现 位相全息图 数字闪耀光栅 液晶空间光调制器     

一种基于图像特征和神经网络的苹果图像分割算法

苹果识别是开发苹果采摘机器人的关键环节,利用图像处理技术和神经网络分类器探索苹果图像分割算法.从苹果树图片中选取苹果图像样本和背景网像样本.分别计算这两类图像样本的颜色特征和纹理特征.颜色特征的计算基于RGB色彩模型,纹理特征的计算基于灰度共生矩阵.选取适当的颜色特征(R/B值)和纹理特征(对比度值和相关性值)作为输入节点,利用反向传播神经网络分类器建模,输出值是一个O～1之间的计算值.通过阈值将输出结果分类为苹果或背景.试验结果表明,该算法正确率大于87.6%,对光照的影响不敏感,是一利较为实用的苹果分割算法.     

基于近红外在线装置苹果糖度模型参数优化研究

糖度(SSC)是苹果内部品质主要评价指标之一,近红外光谱技术是预测苹果SSC的首选技术,优化近红外光谱采集装置的参数,可以提升模型的性能。采用本课题组自主研发的动态在线设备采集苹果的近红外光谱(350～1 150 nm),研究不同参数条件下(运动速度、积分时间和光照强度)对近红外光谱预测苹果糖度模型的影响,优化动态在线装置的参数。210个红富士苹果被分为两批,第一批90个苹果样品,经过Kennard-Stone算法(K-S)算法分为建模集和预测集,用于研究不同运动速度、不同积分时间对苹果SSC含量在线预测模型的影响。在0.3和0.5 m·s^-1两种运动速度下,使用多元散射校正(MSC)、小波变换(WT)、标准正态变量变换(SNV)对采集到的光谱进行预处理,对不同移动速度的光谱构建糖度的偏最小二乘回归模型(PLS),结果表明：装置的运动速度为0.5 m·s^-1所建立的预测模型性能较优,在四种不同积分时间中,积分时间为120 ms时,经SNV预处理所建立的模型性能最优,其预测集的相关系数和均方根误差分别为0.968和0.331。第二批苹果120个...     

频域稀疏采样和激光成像方法

激光的单色性和自然图像频谱稀疏且集中在低频区间的特点,使图像频谱稀疏采样成像成为可能.基于小规模激光探测器,引入参考激光,本文提出了频域稀疏采样激光成像方法.介绍了频域稀疏采样激光成像的原理和成像系统结构,推导了激光回波重构复频谱的表达式,给出了重构频谱和复图像的仿真结果并分析了信号参数对重构效果的影响,同时采用相干系数、均方误差和结构相似度来评价其重构效果.规模为256×256的激光回波复图像仿真表明, 5个拼接1/4×1/4规模频域探测器组成的近似十字型稀疏采样结构,在约31.25%(5/16)的频域稀疏采样条件下,仍可获得较好的重构频谱和重构复图像.