專利名稱：獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學工程學領(lǐng)域中的一種光學檢測方法，特別是涉及一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬 態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
相對于生物電、PET、預RI等這些已被廣泛應(yīng)用于生物體檢測的技術(shù)，光學技術(shù)具有非 侵入測量，成本低廉、可便攜，分辨率高等優(yōu)點，并且可用于疾病防治，是一種很有潛力的 新興技術(shù)。隨著它的應(yīng)用發(fā)展，人們對該技術(shù)的可靠性和準確性提出了更高的要求。要解決 這一問題，迫切需要獲取實際光學檢測中生物體的高精度光漫射特性，為儀器的研發(fā)和優(yōu)化 設(shè)計，光學治療方案的優(yōu)化以及光學方法在臨床應(yīng)用和生物醫(yī)學研究提供平臺。
然而，目前還沒有可直接檢測在體生物組織光漫射特性的方法和系統(tǒng)。光學積分球系統(tǒng) 只能測量離體薄片狀或液態(tài)樣本的反射量和透射量。國外有少數(shù)實驗室搭建出了頻域或時域 光子迀移測量系統(tǒng)，該類系統(tǒng)能測出光子傳輸?shù)钠骄窂介L度，但不能獲取對更重要的分布 類光漫射特性參數(shù)。
在獲得生物組織光學參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用解析擴散方程方法和Monte Carlo模擬方法計 算出組織的漫射特性，是一種間接獲取光漫射特性的思路，對計算方法提出了較高的要求。 其中，解析擴散方程方法需要邊界條件，對于一般有著不同類型組織和復雜三維結(jié)構(gòu)的生物 體，很難求解方程，也就不能獲取漫射特性參數(shù)值。Monte Carlo方法則不需要邊界條件， 原理上可以應(yīng)用于任意生物體。目前，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用且被認為精度最高的Monte Carlo 軟件 'MCML'(S. L Jacques and L Wang. 〃Monte Carlo modeling of light transport in tissues," in 1995 Proc OPTICAL-THERMAL RESPONSE OF LASER-IRRADIATED TISSUE Conf ， PP. 73 99.禾口L. Wang， S. L. Jacques, and L. Zheng， 〃MCML-—Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues," Comput. Methods. Programs. Biomed. ， vol. 47， pp. 131-146， 1995.)，只能計算圓柱形多層生物組織的穩(wěn) 態(tài)漫射特性參數(shù)，是一種簡化方法，如圖1所示，不能應(yīng)用于普遍具有復雜結(jié)構(gòu)的生物組織 ，且不能計算瞬態(tài)光漫射特性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法。該方法通過獲取易于測量的 生物體中各種組織的光學參數(shù)和適用于任意生物體的Monte Carlo模型來計算光的漫射特性 ，適用于任意結(jié)構(gòu)的生物體，可智能獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性，并具有較高精度和穩(wěn)定性
所述技術(shù)方案如下
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，所述方法利用了光在多體素生物組織 中傳輸?shù)腗onte Carlo模擬方法，具體包括下列步驟
步驟A:設(shè)置采樣次數(shù)和采樣間隔兩個參數(shù)，若選擇獲取穩(wěn)態(tài)光漫射特性參數(shù)，則設(shè)置 采樣次數(shù)為l，且采樣間隔大于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r間；若選擇獲取瞬態(tài)光漫射 特性參數(shù)，則設(shè)置采樣次數(shù)大于l的整數(shù)，且采樣間隔小于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r 間；
步驟B:將光分解成一定數(shù)目的光子，依次追蹤每個光子在組織中的傳輸； 在追蹤每個光子的過程中，每當光子移動一步后，利用該步長度和該步所處組織的折射
系數(shù)計算光子完成該步移動所用的時間，更新光子在整個生物組織中已經(jīng)傳輸?shù)臅r間，并根
據(jù)采樣間隔計算光子當前所處的采樣間隔序數(shù)，并將光子在該步產(chǎn)生的光吸收加到光吸收矩
陣的由所計算的采樣間隔序數(shù)和空間位置決定的元素中；
一旦光子逸出組織，將光子當前已經(jīng)傳輸?shù)臅r間記錄到逸出光子信息中。
步驟C:當所有光子的追蹤完成后，將光吸收矩陣和逸出光子信息進行統(tǒng)計并計算出相
關(guān)的光漫射特性參量，然后輸出。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，所述步驟B中，計算光子完成該步移動
所用的時間采用下列公式
其中，to表示光子開始該步的時刻，i表示光子在該步移動的長度，n表示光子該步移動 所經(jīng)過的組織的折射系數(shù)，c表示光速，t光子完成該步移動的時刻，并設(shè)定光子入射完成的 時刻為0。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，所述步驟B中，根據(jù)采樣間隔計算光子 當前所處的采樣間隔序數(shù)采用下列公式
其中，t表示當前時刻，T表示采樣間隔，"'表示采樣間隔序數(shù)，符號[]表示求取鄰近的較大整數(shù)。
此外，本發(fā)明還提供了一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于任意 結(jié)構(gòu)的生物體，可智能獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性。 所述技術(shù)方案如下
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，包括 參數(shù)輸入模塊，用于將接收系統(tǒng)所需各種參數(shù)；
組織模型輸入模塊，用于將被測生物體的組織結(jié)構(gòu)描述為三維結(jié)構(gòu)；
漫射特性計算模塊，與所述參數(shù)輸入模塊和組織模型輸入模塊分別相連接，用于計算漫 射特性參量；
漫射特性記錄模塊，與所述漫射特性計算模塊相連接，用于記錄漫射參量；
漫射特性輸出模塊，與所述漫射特性記錄模塊的輸出端相連接，用于統(tǒng)計、計算漫射特 性參量，并將結(jié)果輸入。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，所述漫射特性計算模塊包括光子入射 任務(wù)模塊、光子吸收任務(wù)模塊、光子散射任務(wù)模塊、光子撞擊不同組織的交界面任務(wù)模塊、 光子步進任務(wù)模塊、光子逸出任務(wù)模塊、光子湮滅任務(wù)模塊、確定光子在界面作用點任務(wù)模 塊以及計時任務(wù)模塊；還包括與所述各任務(wù)模塊相連接的任務(wù)終止控制模塊。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，所述漫射特性計算模塊中的計時任務(wù) 模塊與所述光子吸收任務(wù)模塊相連接，用以計算光子完成當前一步移動后的時刻以及該時刻 所屬的采樣間隔序數(shù)。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，所述漫射特性記錄模塊包括生物體內(nèi) 光吸收分布記錄模塊和光子個體信息記錄模塊。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，所述漫射特性計算模塊與所述漫射特 性記錄模塊之間交互控制連接；所述慢射特性計算模塊中執(zhí)行每個光子的每一步移動后執(zhí)行 漫射特性記錄模塊，當漫射特性記錄模塊執(zhí)行完畢后繼續(xù)調(diào)用漫射特性計算模塊。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，所述漫射特性輸出模塊包括生物體內(nèi) 光吸收能量分布輸出模塊、逸出光子個體信息輸出模塊以及統(tǒng)計過的或轉(zhuǎn)換過的漫射特性參 量輸出模塊。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是
本發(fā)明的智能獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性分析系統(tǒng)及方法適用于任意結(jié)構(gòu)的生物體，可 智能獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性，并具有較高精度和穩(wěn)定性。
圖l是本發(fā)明提供的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明提供的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)中慢射特性計算模塊的計算流 程圖3是本發(fā)明提供的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)中慢射特性計算模塊的計算過 程中的功能模塊Hopdrop int i s sue內(nèi)部的計算流程圖4是應(yīng)用本發(fā)明進行光慢射特性測量實施例的測試數(shù)據(jù)影像圖，(a)為穩(wěn)態(tài)光通量分 布圖，(b)為與(a)對應(yīng)位置的生物體組織結(jié)構(gòu)剖面圖5是應(yīng)用本發(fā)明進行光慢射特性測量實施例的測試結(jié)果影像圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進 一步地詳細描述。
本發(fā)明提出了一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法。該方法的基本構(gòu)思在于利用 量子學思想，將光分解成光子，通過追蹤每個光子的隨機運動來獲取整體光漫射特性。
簡要地說，本發(fā)明的方法通過獲取易于測量的生物體中各種組織的光學參數(shù)和適用于任 意生物體的Monte Carlo模型來計算光的漫射特性。根據(jù)本發(fā)明，為了得到由光學儀器和生 物體樣本共同決定的光漫射特性，先獲取目標生物體的結(jié)構(gòu)描述模型，并采集該生物體中各 種組織的光學參數(shù)，包括折射系數(shù)，吸收系數(shù)，散射系數(shù)和各向異性因子，以及儀器光源特 性等參數(shù)，再設(shè)置是要獲取穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)的光漫射特性，然后將上述信息輸入到光在多體素 生物組織中傳輸?shù)腗onte Carlo模型中計算出光漫射的各種特性參數(shù)數(shù)值。該模型的基本控 制流程為，先將入射光分解成具有入射光方向和位置屬性的且能量初始為l的光子，用光子 數(shù)表征入射光光強，追蹤每個光子在目標生物組織模型中的傳輸過程，直到光子逸出組織或 光子沒有在俄羅斯輪回盤算法中復活或光子在組織中的傳輸時間超過設(shè)定的最大傳輸時間為 止。
本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法具體包括下列步驟
第一步設(shè)置采樣次數(shù)和采樣間隔兩個參數(shù)，若選擇獲取穩(wěn)態(tài)光漫射特性參數(shù)，則設(shè)置 采樣次數(shù)為l，且采樣間隔大于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r間；若選擇獲取瞬態(tài)光漫射 特性參數(shù)，則設(shè)置采樣次數(shù)大于l的整數(shù)，且采樣間隔小于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r 間，表示選擇獲取時間分辨光漫射特性參數(shù)，即獲取每個采樣間隔內(nèi)的光漫射特性參數(shù)。第二步在光吸收記錄模塊和逸出光子信息記錄模塊中引入時間信息的記錄。將光分解
成一定數(shù)目的光子，依次追蹤每個光子在組織中的傳輸。
在追蹤每個光子的過程中，每當光子移動一步后，利用該步長度和該步所處組織的折射
系數(shù)計算光子完成該步移動所用的時間，計算光子完成該步移動所用的時間采用下列公式 f = f。+! %
其中，to表示光子開始該步的時刻，i表示光子在該步移動的長度，n表示光子該步移動 所經(jīng)過的組織的折射系數(shù)，c表示光速，t光子完成該步移動的時刻，并設(shè)定光子入射完成的 時刻為o。
更新光子在整個生物組織中已經(jīng)傳輸?shù)臅r間，并根據(jù)采樣間隔計算光子當前所處的采樣 間隔序數(shù)，并將光子在該步產(chǎn)生的光吸收加到光吸收矩陣的由所計算的采樣間隔序數(shù)和空間 位置決定的元素中。
計算根據(jù)采樣間隔計算光子當前所處的采樣間隔序數(shù)采用下列公式
其中，t表示當前時刻，T表示采樣間隔，"'表示采樣間隔序數(shù)，符號[]表示求取鄰
近的較大整數(shù)。
只要"'小于采樣次數(shù)，將該步光吸收加到光吸收記錄矩陣中由光子當前所在體素的位置 索引和"'決定的某一元素中。在記錄逸出光子信息中，直接將光子逸出前發(fā)生最后一步光吸 收后的時刻記錄下來。
第三步當所有光子的追蹤完成后，將光吸收矩陣和逸出光子信息進行統(tǒng)計并計算出相 關(guān)的光漫射特性參量，然后輸出。
本發(fā)明的方法可使用并行方式來提高響應(yīng)時間，它使用多節(jié)點對不同光子的追蹤同步進 行，然后將不同節(jié)點的計算結(jié)果疊加到主節(jié)點進行統(tǒng)計，這樣可以節(jié)省光子追蹤時間。另外 ，本發(fā)明可以在計算機上以軟件的方式實現(xiàn)，也可以硬件方式實現(xiàn)，如使用DSP實現(xiàn)，配套 使用與其連接的可移動磁盤輸入/輸出數(shù)據(jù)。
下面是將本發(fā)明應(yīng)用在實際中的測量實例。
使用光學儀器的805 nm波長光源從中央位置以(45° ， 45° ， 90° )方向檢測含有三個 腫瘤的乳房組織進行分析光通量分布。其結(jié)果得到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光通量分布，如圖4 (a)和圖 5所示。該樣本生物體的剖面圖如圖4 (b)所示，各子圖相隔l cm，其中第一張子圖與光源 在同一平面。圖4 (a)與同列的圖4 (b)子圖對應(yīng)。圖4 (a)腫瘤處均顯示出比周圍更強的 光通量分布，表明本發(fā)明精度較高。圖5中光通量分布隨著時間推移而變化，在前3ns均可見腫瘤處光通量相對周圍區(qū)域較強。現(xiàn)有的'MCML'軟件無法應(yīng)用于這種三維復雜結(jié)構(gòu)的生物 體。該應(yīng)用實例表明本發(fā)明的方法確實可應(yīng)用于復雜結(jié)構(gòu)的生物體，能夠獲得瞬態(tài)光漫射特 性，具有較高的穩(wěn)定性。
本發(fā)明還提出了一種可以實現(xiàn)獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光 漫射特性的分析系統(tǒng)。
如圖1所示，本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括參數(shù)輸入模 塊l、組織模型輸入模塊2、漫射特性計算模塊3、漫射特性記錄模塊4以及漫射特性輸出模塊 5
其中，參數(shù)輸入模塊l用于接收分析系統(tǒng)的各種輸入?yún)?shù)。其各種參數(shù)主要包括組織 模型參數(shù)，即組織模型文件名、描述生物體所有類型組織模型中體素大小和模型大小、傳輸 特性類型的設(shè)置，這兩類參數(shù)根據(jù)實際情況由手動填寫。儀器光源參數(shù)，即光源位置、方向 及表征光源強度的光子包個數(shù)，在具體應(yīng)用中，可以用空間定位儀測出光的方向和位置，用 光功率計測出光源強度并轉(zhuǎn)換為光子包個數(shù)或參照此數(shù)據(jù)填寫一個表征值。組織模型的光學 參數(shù)，即模型中各類組織的折射系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子，組織模型的光 學參數(shù)可使用時間分辨儀等高頻儀器測量；但更好的方法是査閱有關(guān)測量各類生物組織光學 參數(shù)的文獻，建立一個數(shù)據(jù)庫，從該庫中調(diào)出組織模型中各類組織的相應(yīng)光學參數(shù)。此外還 包括輸出漫射特性參數(shù)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)類型設(shè)置，以及組織模型文件名和漫射特性輸出文件名
與參數(shù)輸入模塊1并列進行信息輸入的是組織模型輸入模塊2。組織信息輸入模塊2將組 織結(jié)構(gòu)描述為三維數(shù)字矩陣，矩陣中每一個元素描述生物體中對應(yīng)位置的體素所屬的組織類 型；同類組織均用相同數(shù)字表示。在具體應(yīng)用中，可以利用目標生物體的切片圖像集，將其 中同類組織的像素用同一數(shù)值標識，然后轉(zhuǎn)換成三維矩陣。在不需要高精度仿真生物體結(jié)構(gòu) 、或目標生物體結(jié)構(gòu)簡單的情況下， 一個更好的方法是利用常用軟件EXCEL或MATLAB直接寫 出示意性的組織模型矩陣。
與參數(shù)輸入模塊1和組織模型輸入模塊2分別相連接的是漫射特性計算模塊3。漫射特性 記錄模塊3包括生物體內(nèi)光吸收分布記錄模塊和光子個體信息記錄模塊。漫射特性計算模塊 采用光在多體素生物體中傳輸?shù)姆椒ǎǘ鄠€任務(wù)模塊和一個任務(wù)終止控制模塊。其中每 一任務(wù)模塊對傳輸過程的一種效應(yīng)。多個任務(wù)模塊包括描述光子傳輸過程中各種光學效應(yīng)的 處理模塊包括光子入射任務(wù)模塊、光子吸收任務(wù)模塊、光子散射任務(wù)模塊、光子撞擊不同 組織的交界面任務(wù)模塊，光子步進任務(wù)模塊，光子逸出任務(wù)模塊，光子湮滅任務(wù)模塊、確定光子在界面作用點任務(wù)模塊以及計時任務(wù)模塊這九個任務(wù)模塊。漫射特性計算模塊3中的計 時任務(wù)模塊與光子吸收任務(wù)模塊相連接，用以計算光子完成當前一步移動后的時刻以及該時 刻所屬的采樣間隔序數(shù)。當光子逸出或超過總傳輸時間或沒有在俄羅斯輪回盤中復活，便發(fā) 生光子湮滅。任務(wù)終止控制模塊連接多個任務(wù)模塊，主要執(zhí)行兩個工作，其一是使用光子湮 滅模塊共同控制是否停止對某一光子的追蹤，其二是用是否追蹤到最后一個光子來控制是否 繼續(xù)追蹤下一個光子的傳輸。該多個任務(wù)模塊依光子位置與組織模型結(jié)構(gòu)的關(guān)系決定。任務(wù) 終止控制模塊連接多個任務(wù)模塊，用以控制是否繼續(xù)追蹤某一光子的傳輸，或是否開始對下 一個光子傳輸過程的追蹤。
如圖2所示，在漫射特性計算模塊3內(nèi)，實現(xiàn)光子漫射計算的具體步驟如下
步驟101:執(zhí)行光子入射任務(wù)模塊，將光子射入；
步驟102:檢驗剩余步長是否為零，是則計算一個新的剩余步長；
步驟103，判斷光子是否湮滅或逸出組織表面；如果光子沒有湮滅或逸出，則轉(zhuǎn)入步驟 104;否則轉(zhuǎn)入步驟107;
步驟104:計算光子步長；
步驟105:該步驟通過軟件在H叩dr叩intissue模塊中進行，其主要執(zhí)行過程包括首先 ，判斷光子是否遇到界面，是則執(zhí)行確定作用點模塊；否則執(zhí)行光子步進模塊；然后，執(zhí)行 與界面發(fā)生相互作用的模塊；接下來，檢驗界面是否為組織與空氣的界面并且光子是否發(fā)生 了折射，如果是，則執(zhí)行光子逸出，否則更新光子當前位置與剩余步長；該步驟的具體計算 流程如圖3所示；
步驟106:計算新的剩余步長；檢驗該剩余步長是否大于O，是則轉(zhuǎn)入步驟103;否則轉(zhuǎn) 入步驟107;
步驟107:判斷光子是否死亡，是則轉(zhuǎn)入步驟lll;否則轉(zhuǎn)入步驟108; 步驟108:執(zhí)行散射模塊；
步驟109:判斷光子能量是否小于設(shè)定的閾值，如果是則轉(zhuǎn)入步驟110執(zhí)行俄羅斯輪回盤 模塊；否則轉(zhuǎn)入步驟102;
步驟110:如果光子在俄羅斯輪回盤中復活，則進入步驟102，否則進入步驟lll; 步驟111:判斷當前光子是否為最后一個光子，是則轉(zhuǎn)入步驟112;否則轉(zhuǎn)入步驟102; 步驟112:停止對所有光子的追蹤，退出漫射計算模塊。
漫射特性記錄模塊4與漫射特性計算模塊3相連接，兩模塊之間可以交互控制對方的運行
。當慢射特性計算模塊3完成對光子移動一個步長的追蹤后暫停，轉(zhuǎn)而調(diào)用漫射特性記錄模塊4中的吸收分布記錄模塊，累積記錄該步長穿越的體素吸收的光能量，然后調(diào)用光子個體 信息記錄模塊，向其路徑長數(shù)組添加剛經(jīng)過的步長，如果逸出還要記錄逸出位置、方向和時 間。該模塊執(zhí)行完畢后重新回到漫射特性計算模塊3。
漫射特性輸出模塊5與漫射特性記錄模塊4相連接，用于將漫射特性的分析結(jié)果進行輸出 。漫射特性輸出模塊5執(zhí)行于記錄模塊最后一次被調(diào)用之后，包括三個模塊，分別是生物體 內(nèi)光吸收能量分布輸出模塊、逸出光子個體信息輸出模塊以及統(tǒng)計過的或轉(zhuǎn)換過的漫射特性 參量輸出模塊。其一輸出光在生物體被吸收的能量分布模塊，其二輸出所有逸出光子信息記 錄模塊，最后一個模塊統(tǒng)計所有輸出的漫射特性參量，然后轉(zhuǎn)換計算出其他相關(guān)特性參量， 然后輸出所有統(tǒng)計計算出的傳輸特性參量。前兩個模塊為兩個記錄模塊最后一次執(zhí)行完畢后 的數(shù)據(jù)輸出。
以上就是本發(fā)明的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，其特征在于，所述方法利用光在多體素生物組織中傳輸?shù)腗onte Carlo模擬方法，具體包括下列步驟步驟A設(shè)置采樣次數(shù)和采樣間隔兩個參數(shù)，若選擇獲取穩(wěn)態(tài)光漫射特性參數(shù)，則設(shè)置采樣次數(shù)為1，且采樣間隔大于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r間；若選擇獲取瞬態(tài)光漫射特性參數(shù)，則設(shè)置采樣次數(shù)為大于1的整數(shù)，且采樣間隔小于光在目標生物組織中傳輸?shù)目倳r間；步驟B將光分解成一定數(shù)目的光子，依次追蹤每個光子在組織中的傳輸；在追蹤每個光子的過程中，每當光子移動一步后，利用該步長度和該步所處組織的折射系數(shù)計算光子完成該步移動所用的時間，更新光子在整個生物組織中已經(jīng)傳輸?shù)臅r間，并根據(jù)采樣間隔計算光子當前所處的采樣間隔序數(shù)，并將光子在該步產(chǎn)生的光吸收加到光吸收矩陣的由所計算的采樣間隔序數(shù)和空間位置決定的元素中；一旦光子逸出組織，將光子當前已經(jīng)傳輸?shù)臅r間記錄到逸出光子信息中；步驟C當所有光子的追蹤完成后，將光吸收矩陣和逸出光子信息進行統(tǒng)計，并計算出相關(guān)的光漫射特性參量，然后輸出。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，其 特征在于，所述步驟B中，計算光子完成該步移動所用的時間采用下列公式 f = f。+! %其中，tO表示光子開始該步的時刻，i表示光子在該步移動的長度，n表示光子該步移 動所經(jīng)過的組織的折射系數(shù)，C表示光速，t光子完成該步移動的時刻，并設(shè)定光子入射完成 的時刻為0。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，其 特征在于，所述步驟B中，根據(jù)采樣間隔計算光子當前所處的采樣間隔序數(shù)采用下列公式其中，t表示當前時刻，T表示采樣間隔，"'表示采樣間隔序數(shù)，符號[]表示求取鄰近 的較大整數(shù)。
4. 一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括參數(shù)輸入模塊，用于接收系統(tǒng)所需各種參數(shù)；組織模型輸入模塊，用于將被測生物體的組織結(jié)構(gòu)描述為三維結(jié)構(gòu)； 漫射特性計算模塊，與所述參數(shù)輸入模塊和組織模型輸入模塊分別相連接，用于計算 漫射特性參量；漫射特性記錄模塊，與所述漫射特性計算模塊相連接，用于記錄漫射參量； 漫射特性輸出模塊，與所述漫射特性記錄模塊的輸出端相連接，用于最終統(tǒng)計、計算 漫射特性參量，并將結(jié)果輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其 特征在于，所述漫射特性計算模塊內(nèi)部包括光子入射任務(wù)模塊、光子吸收任務(wù)模塊、光子散 射任務(wù)模塊、光子撞擊不同組織交界面任務(wù)模塊、光子步進任務(wù)模塊、光子逸出任務(wù)模塊、 光子湮滅任務(wù)模塊、確定光子在界面作用點任務(wù)模塊以及計時任務(wù)模塊；還包括與所述各任 務(wù)模塊相連接的任務(wù)終止控制模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其 特征在于，所述漫射特性計算模塊中的計時任務(wù)模塊與光子吸收任務(wù)模塊相連接，用以計算 光子完成當前一步移動后的時刻以及該時刻所屬的采樣間隔序數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其 特征在于，所述漫射特性記錄模塊內(nèi)包括生物體內(nèi)光吸收分布記錄模塊和光子個體信息記錄 模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其 特征在于，所述漫射特性計算模塊與所述漫射特性記錄模塊之間交互控制連接；所述慢射特 性計算模塊中執(zhí)行每個光子的每一步移動后執(zhí)行漫射特性記錄模塊，當漫射特性記錄模塊執(zhí) 行完畢后繼續(xù)調(diào)用漫射特性計算模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析系統(tǒng)，其 特征在于，所述漫射特性輸出模塊包括生物體內(nèi)光吸收能量分布輸出模塊、逸出光子個體信 息輸出模塊以及統(tǒng)計過的或轉(zhuǎn)換過的漫射特性參量輸出模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的分析方法，屬于生物醫(yī)學工程學中的光學檢測領(lǐng)域。本發(fā)明的分析方法利用易于獲取的生物體中各組織光學參數(shù)和光學檢測儀器的光源參數(shù)，描述生物體組織結(jié)構(gòu)的矩陣和Monte Carlo模型來計算漫射特性，采用適用于多體素生物組織的光傳輸Monte Carlo方法，能夠應(yīng)用于復雜三維結(jié)構(gòu)的生物體，具有較高精度和穩(wěn)定性。其方法為設(shè)置漫射特性采樣次數(shù)和采樣間隔兩個參量，并在記錄模塊設(shè)置引入光子移動計時功能，具有智能獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的特點。本發(fā)明還公開了一種獲取穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)光漫射特性的系統(tǒng)，包括參數(shù)輸入模塊、組織模型輸入模塊、漫射特性計算模塊、漫射特性記錄和模塊以及漫射特性輸出模塊。
文檔編號A61B5/00GK101513343SQ20091030016
公開日2009年8月26日 申請日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者婷 李, 駱清銘, 輝 龔 申請人:華中科技大學