深度分辨漫反射测量光纤探头设计及特性

漫反射光谱人体成分检测研究中,光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大,而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要,提出了采用一定入射-接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上,结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序,计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度,有效光子比例,有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明,设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收,检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小,可有效提高人体成分无创检测灵敏度。     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

接触压力作用下皮肤形变对于漫反射光谱测量影响研究

人体成分无创光谱检测过程中,测量条件特别是探头压力造成的组织形变在一定程度上影响光谱测量结果。利用物理模型与仿真方法,定量分析了探头接触压力作用下皮肤组织应变,及光学参数与漫反射光谱变化。首先,在多层皮肤组织物理复合模型基础上,结合生物组织固液两相组成特性,定量分析了压力作用下各层皮肤组织形变大小以及成分变化。该模型将皮肤力学模型简化为固态弹性结构及包含于其中的牛顿流体,利用有限元方法,分别模拟不同压力作用下多层皮肤组织应变大小及时间特性,并根据各层组织体积及水含量变化,定量计算其散射系数及吸收系数改变。然后,利用Monte Carlo方法模拟压力作用前后光在组织中传输过程,定量分析了探头压力对漫反射光谱中所包含人体成分检测有效信息的影响。实验结果表明,在光纤探头接触压力作用下,人体皮肤组织中真皮层厚度变小,自由水体积减小,引起散射特性及光子传输路径改变,使得漫反射光谱中所包含的有效光谱信息下降。该研究结果为优化人体漫反射光谱测量策略,提高测量准确性以及重复性提供了参考。     

基于有效衰减系数直接测量的人体光谱特征分析

在活体成分无创测量中,人体组织的漫射光谱之间存在千差万别,即使同一组织的光谱也时刻发生着变化,这是影响活体组织成分测量精度的重要原因。通过漫射光谱实时监测组织的光学特性非常重要。由于漫射光的吸光度光谱沿光源-探测器距离不再呈现线性变化,不同距离下的测量结果不易相互借鉴,因此不宜采用单一距离的漫反射光测量方式。采用双光源-探测器距离的测量方式,通过差分测量获得了组织有效衰减系数,其与测量距离无关,是反映组织吸收、散射的综合光学参数。实验系统采用中心光纤入射,距中心0.6和2.0 mm的两个环状分布的光纤束接收漫反射光,并据此推测出被测组织的有效衰减系数。通过实时监测组织的有效衰减系数,可以监测组织的状态与成分变化信息。采用Intralipid脂肪乳作为组织仿体,考察了其中的葡萄糖浓度、血红蛋白浓度、颗粒密度、温度四个因素变化时在1 000~1 300 nm波段的有效衰减系数光谱,比较了它们的光谱特征。结果表明,有效衰减系数的光谱形状主要由介质的吸收变化决定。其中血红蛋白的有效衰减系数光谱显示出其在1 000~1 200 nm波段吸收显著,1 200~1 300 nm吸收减弱,这与血红蛋白的吸收特征一致;温度的光谱显示出与温度对水吸收光谱影响的光谱形状一致; 葡萄糖与颗粒密度引起的有效衰减系数光谱相似,原因在1 000~1 300 nm波段葡萄糖吸收较弱,其主要影响介质散射特性。最后测量了不同人体的手指、手掌、手背、手臂外侧、手臂内侧的有效衰减系数光谱,比较了部位差异和个体差异。从人体光谱差异上很明显地看到了血红蛋白、散射特性不同引起的光谱差异。综上,提出的有效衰减系数光谱测量方法特别适用于活体组织的成分测量,为实时监测组织的散射、吸收变化提供了一条新途径。     

基于扩散理论的生物组织固有荧光光谱复原方法研究

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统,实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数,包括组织中血液体积分数、血氧饱和度、黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例,进而计算可见波段范围内的组织光学参数;然后,根据组织光学参数和实测的漫反射光谱,从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。进行临床试验验证,采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱,并复原皮肤固有荧光光谱。通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量,并最终用于糖尿病无创筛查。结果显示,分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时,在特异性水平同为75%时,敏感性分别为69%和90%。     

浑浊散射介质中被测成分线性吸光度提取与模型转换研究

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、定量分析,具有快速、无损检测等优点,在食品、制药、环境监测、生命科学等领域有广泛应用。采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时,由于光散射作用,介质吸光度随测量距离不再呈线性变化,不同测量距离下测量模型也很难转换。从扩散方程出发,提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法,获得了与测量距离无关的介质光学参数--有效衰减系数的光谱,该光谱可反映介质吸收变化,并用于物质成分测量。具体采用了双位置差分法,可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量,通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱,其中测量距离可依据波段灵活地进行选择。另外,经理论推导可知,差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响,有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴。经理论计算、蒙特卡洛模拟和实验验证,在1 000~1 360 nm波段,该方法适用于强散射的浑浊水溶液。对散射系数处于较大范围（28.53～87.47 cm-1）的intralipid水溶液进行了测试,获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围。进一步以葡萄糖为被测成分为例,获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱。采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验,测量范围位于0～0.3 cm,测试了3种典型的介质（3%,5%,10%Intralipid水溶液）。结果可知,3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性,它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换。研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体,其光学参数也覆盖了常见的牛奶、果汁等被测浑浊溶液,因此测量结果具有广泛的适应性。综上,该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取,该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便,还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换,特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用,如对人体组织、牛奶或食品中的成分测量等。     

漫反射接触测量中压力不敏感径向检测位置存在性研究

近红外无创漫反射检测中光纤探头与被测组织之间接触压力变化会导致测量准确性和稳定性较差。以压力不敏感径向检测位置采集漫反射光信号,以此削弱接触压力带来的测量误差,并在Monte Carlo模拟与在体实验中验证了压力不敏感位置的存在性。首先,结合人体皮肤结构模型和力学特性,建立了接触压力与皮肤组织参数之间的定量关系,并利用Monte Carlo模拟仿真分析了不同接触压力下1 000～1 320 nm波段内,不同径向检测距离处漫反射光强的变化;其次,搭建了基于超辐射发光二极管光源的多环光纤束检测系统,在体测量了三位志愿者在不同压力下的漫反射光信号。最后,评价了人体压力不敏感径向检测位置与其他位置处接收的光信号稳定性。模拟结果表明,在距入射径向距离1.3～1.5 mm范围内,接收到的漫反射光强近似不受压力变化影响,即存在压力不敏感径向检测位置。在体实验表明,在1 050,1 219和1 314 nm波长下均存在压力不敏感径向检测位置,位于距入射点0.78～1.0 mm范围内,初步验证了压力不敏感径向检测位置在人体的存在性,与其他径向位置相比,在压力不敏感径向检测位置处测得光强信号信噪比更高。因此,基于压力不敏感径向检测位置的测量方法可以有效降低接触压力变化对接收光谱的影响,有望提高近红外无创漫反射检测的精度。     

脑组织漫反射光谱与约化散射系数的斜率估算法

约化散射系数是生物组织光学研究中的一个重要的组织光学参数。利用微光纤探头与光纤光谱仪组成漫反射光谱采集系统对脑组织约化散射系数的实时在位测量进行研究。通过悬乳液与模拟胶模型实验推导了700～850nm波段约化散射系数与漫反射光谱斜率绝对值的关系式,用模型对公式的计算精度进行验证,利用该系统实时在位测量了20只大鼠脑组织在700nm、750nm和800nm处的约化散射系数。经统计分析,大鼠脑白质约化散射系数在上述波长处分别为30±5cm-1、28±5cm-1和25±6cm-1,脑灰质约化散射系数则分别为14±3cm-1、13±3cm-1和12±3cm-1。脑组织约化散射系数实时在位测量对脑外科微创手术中的组织识别具有重要的参考意义。     

用于胃癌早期检测的可见光显微光谱研究

反射光谱技术在早期癌症检测中具有非常好的应用前景。对比常见的漫反射可见光谱技术,可见光显微光谱技术能够获取细胞大小范围内的信息,而且不受探头结构差异导致的传输光程长短,以及测量时探头施加压力导致的血红蛋白浓度异常变化的影响。基于光纤共聚焦显微系统,建立了可见光显微光谱实验装置,测量了离体正常和癌变胃组织的显微光谱,给出了样品在600-700nm波长范围内的显微光谱分布情况,实验结果表明可见光显微光谱技术简单、有效,可用于胃癌的早期检测。     

鼻咽癌离体组织拉曼光谱的测量

拉曼光谱分析技术在探测与组织病理学相关的分子变化方面具有特别的潜力和优势,并且使无损、实时、快速的光学诊断成为可能.采用785 nm半导体激光器,透射式的全息光栅,背向感光、深度耗尽的CCD探测器及特殊设计的光纤拉曼探头构建了一台快速拉曼光谱测试装置.所设计的光纤拉曼探头可在减少荧光信号和瑞利散射影响的同时,最大限度地收集生物组织的拉曼信号,同时解决了平面光栅衍射光束的谱线弯曲问题,提高了仪器的信噪比,使装置具有较高的灵敏度并可快速测量获得人体组织的近红外拉曼信号.通过新鲜猪肉的脂肪和肌肉组织的拉曼光谱信号的检测,验证了测试装置的良好性能; 在此基础上,研究了鼻咽癌组织样品存放时间对拉曼光谱的影响,并在1～5 s时间内快速测量获得了人离体鼻咽癌组织的近红外拉曼光谱.     

Diffuse reflectance spectroscopy with a self-calibrating fiber optic probe

Calibration of the diffuse reflectance spectrum for instrument response and time-dependent fluctuation as well as interdevice variations is complicated, time consuming, and potentially inaccurate. We describe a novel fiber optic probe with a real-time self-calibration capability that can be used for tissue optical spectroscopy. The probe was tested in a number of liquid phantoms over a relevant range of tissue optical properties. Absorption and scattering coefficients are extracted with an average absolute error and standard deviation of 6.9%+/-7.2% and 3.5%+/-1.5%, respectively.     

基于delta-P1近似模型的空间分辨漫反射一阶散射参量灵敏度研究

以delta-P1近似光学模型为基础, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射一阶散射参量μ_s'灵敏度的解析式, 并进行了数值分析和比较. 研究表明, 与混合漫射近似模型和漫射近似模型相比, delta-P1 近似模型能更好地描述强散射较强吸收情况下近光源区域生物组织漫反射光子的分布, 且在有效反照率a'>0.83时, 获得最佳优化距离ρ_opt, ρ_opt 随μ_s' 的增大而减小, 且在距光源约2.7—4个输运平均自由程处μ_s'的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于优化传感器几何结构以及生物组织光学参量的测量具有重要意义.     

Optical properties of the subcutaneous adipose tissue in the spectral range 400–2500 nm

The optical characteristics of subcutaneous adipose tissue are studied in the wavelength range 400–2500 nm. The experiments are conducted in vitro using a Cary 2415 spectrophotometer. Based on the measured diffuse reflectance and total transmittance spectra, the spectra of the absorption and transport scattering coefficients are calculated in terms of the inverse adding-doubling method.     

Retrieval of chromophore concentration in a tissue phantom by diffuse reflectance spectroscopy

This study describes a method for analysis of back reflectance spectroscopic data to estimate the concentration of endogenous or exogenous chromophores of tissue, noninvasively and in real time. In the study, tissue phantoms were prepared using intralipid and two chromophores, indocyanine green and methylene blue. Reduced scattering and absorption coefficients ranges of tissue phantoms were kept in the range of biological tissues. Spectroscopic measurements on the tissue phantoms were carried out using a miniature spectrometer, an optical fiber probe, a halogen tungsten light source and a laptop. Monte Carlo simulations of the experiments were run, and an average optical path lengths of the detected photons were obtained for different absorption and scattering coefficients. The average optical path lengths of the photons were used to estimate concentrations of the chromophores in the tissue phantoms. Scattering and absorption coefficients were estimated with an average error of 4.7 and 5.4%, respectively. The developed method has the potential to be used in diagnosis of pathologic tissues based on the variation of biochemical composition of tissues and in photodynamic therapy to estimate the concentration of photosensitizers.     

Application of transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy in the measurement of blood glucose concentration

In this paper, the propagation characteristics of near-infrared (NIR) light in the palm tissue are analyzed,and the principle and feasibility of using transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy for non-invasive blood glucose detection are presented. An optical probe suitable for measuring the diffuse reflectance spectrum of human palm and a non-invasive blood glucose detection system using NIR spectroscopy are designed. Based on this system, oral glucose tolerance tests are performed to measure the blood glucose concentrations of two young healthy volunteers. The partial least square calibration model is then constructed by all individual experimental data. The final result shows that correlation coefficients of the two experiments between the predicted blood glucose concentrations and the reference blood glucose concentrations are 0.9870 and 0.9854, respectively. The root mean square errors of prediction of full cross validation are 0.54 and 0.52 mmol/1, respectively.     

Determination of Optical Properties of Turbid Media from Spatially Resolved Diffuse Reflectance by Neural Network

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ[1] ａｒｅｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｆｒｏｍｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｕｒｂｉｄｍｅｄｉａｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌｉｇｈｔ.Ｔｈｅｒｅａｒｅｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｔ…     

Determination of Optical Properties of Turbid Media from Spatially Resolved Diffuse Reflectance by Neural Network

A backpropagation (BP) network is applied to the inversion of spatially resolved diffuse reflectance from turbid media and then to determine its optical properties. A standard BP network may be trapped to the local minimum. A BP network with variable momentum and variable leaning rate can reduce this effect. After being trained, this network will produce reduced scattering coefficients and absorption coefficients when the spatially resolved diffuse reflectance are fed to its input.