基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。     

热作用下蛋白及全血光学特性变化的实验研究

利用自行研制的双积分球系统 ,对不同温度 (37℃～ 80℃ )加热后的蛋白及人全血的光学特性参数 (对波长为 6 32 8nm的光而言 )进行了实验研究。结果表明 :热作用下生物样品生理特性的改变可用光学特性参数的变化来描述。不同的热剂量作用下 ,样品形态及结构的改变是不同的 ,相应的光学特性参数 (吸收系数与散射系数 )变化也不同 ;相同热作用下 ,样品成分的不同 ,导致样品光学特性参数的改变也存在差别。光学检测技术可望为热疗的实时无损监测提供一种新的手段。     

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%.     

用于组织光学特性参量测量的改进型双积分球系统

研制了一套改进型的双积分球系统,通过对光源功率的监测,可以准确获取生物组织的光学特性参量.文中详细阐明了该系统的组成、原理、测量技术及获取光学特性参量的逆加折叠方法;并分两种情况,即用改进型的双积分球系统及常用的双积分球系统分别对内脂与细粒蓝的光学特性参量(632.8nm)进行了测量,结果表明改进型系统能很好消除光源波动对测量所带来的影响,所测量的数据更准确,误差更小.     

DMSO与噻酮对离体猪皮组织光学特性参量改变的定量分析

从定量的角度评价高渗制剂与组织光学特性参量改变的关系.利用FT-IR红外光谱仪与双积分球系统,对离体猪皮组织在促渗剂二甲基亚砜与噻酮作用下的光谱进行测量,并运用逆倍增方法计算得到组织的光学参量.结果表明:离体猪皮组织的光学特性参量(吸收系数和散射系数)随着高渗制剂作用时间的增加明显减小,光在组织中的穿透深度增加.由此可知猪皮组织的光学特性参量在两种促渗剂作用下随时间发生了动态改变,且噻酮具有比二甲基亚砜更好的清透效果.     

Ar+激光和532 nm激光及其线偏振激光辐照光学模型下人正常小肠组织光学特性

采用双积分球系统和光辐射测量技术的基本原理以及运用生物组织的光学模型 ,研究了 4 76 5 ,4 88,4 96 5 ,5 14 5 ,5 32nm激光及其线偏振激光辐照人正常小肠组织的光学特性。结果表明 :组织对激光及线偏振激光的衰减系数和散射系数随着波长的减小而增大 ,而 5 14 5～ 5 32nm波长之间 ,线偏振光与非线偏振光入射则开始有明显差异。吸收系数是随着波长的减小而缓慢地增大 ,而 5 14 5～ 5 32nm波长之间吸收系数的改变则明显变小 ,与是否线偏振光入射无明显差异。平均散射余弦也是随着波长的减小而增大 ,光学穿透深度则是随着波长的增大而增大 ,折射率在这五个波长范围内的值在 (1 38～ 1 4 8)之间。Kubel ka Munk二流模型下组织对同一波长的激光及其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数、有效衰减系数没有显著性差异 (P >0 0 5 )。组织对不同波长的激光或其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数、有效衰减系数是有差异的。而在 5 14 5～ 5 32nm波长之间其光学特性参数有较为明显的差异。     

基于积分球试验的粉体材料辐射特性分析研究

为了获取准确的粉体材料红外辐射特性参数,本文对Al_2O_3粉体材料的红外辐射特性进行了以下研究:对粉末样品进行积分球反射率和透射率的测量试验,利用三热流近似法求解辐射传输方程,结合粒子群算法反演粉末的散射系数和吸收系数。Al_2O_3粉体材料的辐射特性研究结果显示,在4~7μm波段散射系数和吸收系数均随波长和厚度的增加而减小,且粉末层厚度越小,粒子散射越强烈。该方法适用于获取常温下各种粉体材料的辐射特性参数,并分析粉体材料的辐射特性参数及其与厚度等因素的关系。     

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。     

渗透剂对小鼠皮肤光学特性影响的实时动态监测

自行研制了一套双积分球系统,应用该系统对离体小鼠皮肤在渗透剂无水甘油作用下,光学特性参量的变化进行了实时监测。实验结果表明：在无水甘油作用下,随着时间的延长,小鼠皮肤的约化散射系数明显减小,吸收系数略有增加,并最终导致了有效衰减系数的减小;但当作用时间超过25min后,样品的光学特性参量会趋于恒定。为生物组织光学特性控制作用提供了新的方法,这对组织光学成像研究是非常重要的。     

5个不同波长的激光及其线偏振激光辐照人正常膀胱组织光学特性

采用双积分球系统和光辐射测量技术的基本原理以及运用生物组织的光学模型,研究了476.5, 488, 496.5, 514.5和532 nm激光及其线偏振激光辐照人正常膀胱组织的光学特性。结果表明：组织对激光及线偏振激光的总衰减系数和散射系数均随着波长的增大而减小,而且线偏振激光与非线偏振激光入射是有明显的差异。吸收系数是随着波长的增大而缓慢地减小,但有一些起伏,而与是否线偏振光入射无明显差异。平均散射余弦也是随着波长的增大而减小,而且线偏振激光与非线偏振激光入射是有明显的差异。光学穿透深度则是随着波长的增大而增大,而有一些起伏。折射率在这5个波长范围内的值在(1.37～1.44)之间。Kubelka-Munk二流模型下组织对同一波长的激光及其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数和有效衰减系数没有显著性差异(P＞0.05)。组织对不同波长的激光或其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数和有效衰减系数则有些是有明显的差异。     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.     

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%。     

离体正常乳腺组织350～850 nm波段光谱特性

采用带有积分球附件的紫外/可见/近红外分光光度计测量了离体正常乳腺组织在350～850 nm光谱范围的反射率和透射率,运用反向倍加法得到了离体正常乳腺组织在相应光谱范围的光学参数,分析了正常乳腺组织的光学穿透深度随波长的变化情况。实验结果表明：350～850 nm波段正常乳腺组织的约化散射系数μ′_s大于吸收系数μ_a。μ′_s随着波长的增加而减小,即从350 nm波长值为9.731 mm-1～850 nm波长值为1.476 mm-1。μ_a从350 nm波长值为0.798 mm-1～850 nm波长值为0.102 mm-1,410 nm波长处存在一个吸收峰,其值为0.506 mm-1。光学穿透深度随着波长的增加而增大,从350 nm波长值为0.199 mm-1～850 nm波长值为1.439 mm。基于反向倍加法计算获得乳腺组织的光学参数,采用Monte Carlo模拟得到其相应光谱范围的反射率和透射率,并与实际测量值进行比较,二者的一致性较好。实验结果为乳腺组织的光活检及其光学治疗提供重要参考。     

Accurate reconstruction of the optical parameter distribution in participating medium based on the frequency-domain radiative transfer equation

Reconstructing the distribution of optical parameters in the participating medium based on the frequency-domain radiative transfer equation(FD-RTE) to probe the internal structure of the medium is investigated in the present work.The forward model of FD-RTE is solved via the finite volume method(FVM). The regularization term formatted by the generalized Gaussian Markov random field model is used in the objective function to overcome the ill-posed nature of the inverse problem. The multi-start conjugate gradient(MCG) method is employed to search the minimum of the objective function and increase the efficiency of convergence. A modified adjoint differentiation technique using the collimated radiative intensity is developed to calculate the gradient of the objective function with respect to the optical parameters. All simulation results show that the proposed reconstruction algorithm based on FD-RTE can obtain the accurate distributions of absorption and scattering coefficients. The reconstructed images of the scattering coefficient have less errors than those of the absorption coefficient, which indicates the former are more suitable to probing the inner structure.     

An inverse radiative transfer problem of simultaneously estimating profiles of temperature and radiative parameters from boundary intensity and temperature measurements

A parallel-plane space filled with absorbing, emitting, isotropically scattering, gray medium is studied in this paper. The boundary intensity and boundary temperature profiles are calculated for the inverse analysis. For the simultaneous estimation of temperature, absorption and scattering coefficient profiles in the medium, the sum of residuals of boundary intensity and temperature after being weighted by a balance factor is minimized through using a Newton-type iteration algorithm and the least-squares method. To avoid over-updating for the parameters, the relative updating magnitude during the iteration process is constrained not to be >0.5. It is shown that the boundary intensity measurement alone is not enough to estimate simultaneously the temperature (source) and the radiative properties (both absorption and scattering coefficients) when the measurement data contain sensitive random errors. The boundary temperature measurement can serve as a necessary supplementation to the boundary intensity to make this kind of inverse radiative transfer problem resolvable. It was shown that a compensation relationship between absorption and scattering coefficients makes it difficult to fix them accurately. Parabolic profiles for the three parameters are used to validate the estimation method. When the optical thickness approaches 4.0, the results for the radiative properties are not acceptable, although the result for temperature profile is reasonable. This means the method needs further improvements.     

Accelerated Monte Carlo method to reconstruct absorption coefficient from low coherent signal

A fast and effective method for reconstruction of optical absorption property of scattering object is developed. A revised Monte Carlo forward model is set up with new detection criteria for simulation of low coherence interferometer (LCI) system. Calculation of coherent signal could be accelerated by a scaling method based on baseline data simulated by Monte Carlo method. The inverse procedure of scaling method is utilized to extract absorption coefficient by dichotomy algorithm. Fat emulsion and stain mixture of Intralipid? and India ink are taken as scattering and absorbing sample. The results of reconstruction have shown the linear relationship between absorption and concentration of India ink. The maximum absolute relative deviation is 6.21%.     

各向异性介质辐射特性参数联合反演

本文基于BP神经网络方法结合蒙特卡洛和BEER定律辐射传输模拟方法建立了联合反演各向异性散射介质的辐射特性参数模型。首先采用半球透射率结合半球反射率反演模型反演了各向同性介质的吸收系数和散射系数,在此基础上增加准直透射率,建立了联合反演各向异性介质的吸收系数、散射系数和散射不对称因子三参数联合反演模型。反演结果表明该模型能准确反演出介质辐射特性参数,具有实用意义。此外,为了检验测量误差对模型的反演准确性的影响,分别在不同程度测量误差情况下进行反演,结果显示测量误差对散射不对称因子反演值影响较大。     

An efficient Jacobian scaling method for time-domain optical mammography

<正>Time-domain diffuse optical tomography can efficiently reconstruct optical parameters which can be further applied in diagnosing early breast cancer.Nevertheless,the performances of reconstructed imaging are badly influenced by different Jacobian magnitudes of absorption coefficient and reduced scattering coefficient.With the introudction of a relative data type based on generalized pulse spectrum technique, an efficient Jacobian scaling method is proposed.The interrelated simulated validation is also revealed for the enhancing performances.