專利名稱：測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖探測系統(tǒng)。特別是涉及一種可用于準(zhǔn)確地測定本體或活體的混 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，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。除眼睛的角膜等少數(shù)組織外，人體或動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)可由一個或多個標(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 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)通常隨光波長變化，因此是波長的函數(shù)。不 同的介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)為特定的和不同的波長函數(shù)。
測定混濁介質(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量與入射光波長相同的散射光信號。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間分布通常為隨機(jī)的，其統(tǒng)計特征由介質(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測量比較困難。目前報導(dǎo)過的測量方法包括利用積分球 測量漫反射和漫透射信號的方法，和利用分立探測器或陣列探測器測量反射信號分布的 方法。這些方法的缺點或為測量系統(tǒng)復(fù)雜，或為需要離開活體的樣品，都無法用于準(zhǔn)確 地測定本體或活體光學(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)及測定方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及 測定方法，其中，光纖系統(tǒng)包括有光源輸入部分；光纖測量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及 計算部分，其中，光源輸入部分與光纖測量部分相連接，光纖測量部分與控制、數(shù)據(jù)處 理及計算部分相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測量 部分還連接被測混濁介質(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量部分相連接。
所述的光纖測量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖，測量儀和測量光纖束，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，測量儀分別連接控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分 以及測量光纖束，激發(fā)引導(dǎo)光纖的另一端和測量光纖束的另一端共同插入被測混濁介質(zhì) 或生物組織。
所述的控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分是由計算機(jī)完成。 所述的光源可由 一個或一個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。 所述的測量光纖束是由1 10根測量光纖組成，測量光纖束中的光纖的直徑在10微 米 10毫米之間。
所述的測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。
所述的測量儀由分光部分、光電探測部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測量光纖所輸 出的光信號首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測器變成電信號放大后送至模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光譜信號。
所述的測量儀光電探測部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，測量光纖所輸出的光信號由光 電探測器變成電信號放大后送至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光學(xué)信號。
其中，光纖測定方法，是由如下階段完成
第一階段從測量儀輸出的實時光譜信號將多個波長上的光學(xué)信號按其波長分別進(jìn) 行存貯；
第二階段將存貯的不同波長的實時光學(xué)信號在不同波長上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào) 后計算出光信號；
第三階段進(jìn)入光傳輸理論計算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參 數(shù)和測樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計算光信號；
第四階段比較實測光信號與計算光信號的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測樣光學(xué)參數(shù)直 至計算光信號與實測光信號的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長上的測樣 光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
所述的多個波長上的光學(xué)信號包括有入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參數(shù)及測樣光學(xué)參 數(shù)初始值。
所述的光傳輸理論計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；.
第三階段判斷累計行進(jìn)路程是否大于總路程？是否被測量光纖接受？是否溢出測 樣？是否接觸邊界？
第四階段計算光信號，并判斷累計光子數(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)束并輸出計算光信號。
本發(fā)明的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測定方法，測量系統(tǒng)簡單， 使用方便，不需要離開活體的樣品就可以準(zhǔn)確地測定本體或活體光學(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)明的實施例中光纖設(shè)置的示意圖3是本發(fā)明測定方法的流程圖4是本發(fā)明測定方法中的光傳輸理論計算子程序流程圖, 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
計算機(jī)
具體實施例方式
下面，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光 纖系統(tǒng)及測定方法。 .
準(zhǔn)確測定混濁介質(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)需要測量不同 方向上的漫散射光。散射光信號定義為在光波長不變的條件下其傳播方向偏離原傳播方 向后探測到的光信號，漫散射光信號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到的光信號，前向漫散射光信號定義為在出射光方向的極角0度至 正負(fù)90度內(nèi)測到的漫散射光信號，后向漫散射光信號定義為在出射光方向的極角正負(fù)90 度至180度內(nèi)測到的漫散射光信號。
如圖1所示，本發(fā)明的測量混濁介質(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；光纖測量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及計算部分，其中，光源輸入部分與光纖 測量部分相連接，光纖測量部分與控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分相^接，控制、數(shù)據(jù)處理 及計算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測量部分還連接被測混濁介質(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量部分相連接。
電源溫度控制器1的一種實現(xiàn)方式可包括一通過溫感元件(如熱敏電阻)信號進(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，
溫感元件信號線等，均為普通電纜。
所述的光源3可由一個或一個以上的激光相干光源獲得，即為單一或分立的多波長。 也可由連續(xù)譜的非相干光源獲得，其照射光波長在設(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)，光源可由單個或多個激光器如半導(dǎo)體激光器組成 提供單一或多波長的輸出光，其光功率隨時間在調(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)。
所述的光纖測量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖4，測量儀8和測量光纖束7，其中，激發(fā) 引導(dǎo)光纖4的一端與光信號輸入部分的光源3相連接，測量儀8分別連接控制、數(shù)據(jù)處 理及計算部分以及測量光纖束7，激發(fā)引導(dǎo)光纖4的另一端和測量光纖束7的另一端共同 插入被測混濁介質(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。
所述的測量光纖束7是由1 10根測量光纖組成，測量光纖束7中的光纖的直徑在 10微米 10毫米之間。即測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 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。
所述的激發(fā)引導(dǎo)光纖4和測量光纖束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和測量光纖束7結(jié)合的一種設(shè)計方法可由圖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 號的照射光。圖中光纖a、 b、 c、 d為測量光纖束7，其中，光纖a和光纖b為測量前向 和漫透射光信號的光纖，光纖c和光纖d為測量漫反射光信號的光纖。
所述的測量儀8由分光部分、光電探測部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測量光纖所 輸出的光信號首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測器變成電信號放大后送至模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光譜信號。
由于光源3可輸出多波長的輸出光至激發(fā)引導(dǎo)光纖4，因此測量光纖7所接受到的散 射光信號可為多波長。因此，在單一波長的照射光和散射光信號中的熒光部分可忽略的 條件下，測量儀8的分光系統(tǒng)可由光柵或棱鏡組成，將多波長的散射光信號按其波長在 不同角度分開，由光電探測器(通常為一線型光電探測陣列)分別變成電信號放大后送
至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光譜信號，然后通過電纜9傳送至計算機(jī)10。 所述的控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分是由計算機(jī)完成。
計算機(jī)IO將實時光譜信號作為時間的函數(shù)存入許算機(jī)內(nèi)存儲系統(tǒng)，然后通過信號處 理程序選擇在激光源波長上的信號并進(jìn)行解調(diào)以提高信噪比。信號處理程序的解調(diào)過程 可以通過對時間的傅立葉變換完成。波長選擇與解調(diào)后的散射光信號強(qiáng)度與入射光信號 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算機(jī)內(nèi)存儲系統(tǒng)，為實測光信 號。計算機(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)。計算機(jī)10還包括光纖測定系統(tǒng)的計算確定程序部分用于根據(jù)所測量的光 信號確定渾濁介質(zhì)或生物組織測樣6的光學(xué)參數(shù)。
如圖3所示，本發(fā)明的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測定方法，是由如 下階段完成
第一階段從測量儀輸出的實時光譜信號將多個波長上的光學(xué)信號按其波長分別進(jìn) 行存貯；
第二階段將存貯的不同波長的實時光學(xué)信號在不同波長上通過數(shù)學(xué)處理如傅立葉 變換等進(jìn)行解調(diào)后計算出實測光信號；
第三階段進(jìn)入光傳輸理論計算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參 數(shù)和測樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計算光信號；
第四階段比較實測光信號與計算光信號的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測樣光學(xué)參數(shù)直 至計算光信號與實測光信號的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長上的測樣
光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
所述的多個波長上的光學(xué)信號包括有入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參數(shù)及測樣光學(xué)參 數(shù)初始值。
在測量光纖7的端頭插入測樣內(nèi)部的條件下，第三階段所述的光傳輸理論計算子程 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；
Sll:判斷累計行進(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:判斷是否被測量光纖接受？是進(jìn)入S17，否則進(jìn)入S8; S17:計算光信號；
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)束并輸出計算光信號。
下面對本發(fā)明的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測定方法給出進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的光纖系統(tǒng)和測定方法的計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)信號計算方法。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 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，計算每個光子在三維空間內(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。在對所有光子(幾十萬或更多)的行進(jìn)軌道計算完成后再進(jìn)行統(tǒng)計分析，那些被探 測光纖收集到的光子與入射光子總數(shù)之比即代表計算光信號。
圖4是實現(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。，以及代表測樣的光學(xué)參數(shù)和
邊界幾何形狀參數(shù)。因為蒙特卡羅方法為統(tǒng)計方法，其結(jié)果會包含統(tǒng)計誤差，所以需要
進(jìn)行跟蹤計算的光子數(shù)N。必須足夠大，才能將計算結(jié)果中的統(tǒng)計誤差降到足夠小。但N。 過大會造成計算時間過長。 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，蒙特卡羅計算方法需要對N。個入射光子逐個進(jìn)行其在測樣內(nèi)行進(jìn)路程 跟蹤計算直至該光子行進(jìn)結(jié)束，也即光子或被測樣吸收或溢出測樣(也即光子逃逸)或 被插在測樣內(nèi)的測量光纖接受。在對每個光子的行進(jìn)路程跟蹤計算開始之前，蒙特卡羅 計算程序?qū)⒏鶕?jù)由測樣吸收系數(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)路程長度。光子跟蹤計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)之前將對該光子是否被吸收，或溢出，或被測量光纖接受等條件進(jìn)行 測試。如上述條件之一被滿足，則開始下一個光子的行進(jìn)路程跟蹤計算。如上述條件均 未被滿足，蒙特卡羅計算程序?qū)⒏鶕?jù)測樣的散射相函數(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)由測樣散射系數(shù)決定的隨機(jī)分布確定光子的自由路程長度，從而開始 對該光子的行進(jìn)路程跟蹤的反復(fù)計算直至光子行進(jìn)結(jié)束。如被跟蹤的光子被測量光纖(圖 1中的測量光纖束7或圖2中的光纖a至d)接受，該光子即作為與計算光信號有關(guān)的計 算數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)對某個光子行進(jìn)路程跟蹤計算結(jié)束后，蒙特卡羅計算程序比較被跟蹤計 算光子的累計數(shù)N，如N大于N。，蒙特卡羅計算結(jié)束，否則將N增加1后對下一個入射光 子開始跟蹤計算。當(dāng)對N1,個入射光子的跟蹤計算全部完成后，所有被測量光纖接受的累 加光子數(shù)與N。之比即作為計算光信號自蒙特卡羅計算程序輸出。
實現(xiàn)圖3所描述的計算確定程序，是由圖4所示的光傳輸理論計算子程序完成。計 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，光束截面內(nèi)的功率分布和面積； 測樣探頭形狀參數(shù)如渾濁介質(zhì)或生物組織測樣的結(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；測樣 光學(xué)參數(shù)初始值是根據(jù)經(jīng)驗決定的。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)，計算確定程序中的光輸送理論計算子程序部分用蒙特卡羅方法計算代 表入射光能量的光子在由激發(fā)引導(dǎo)光纖出射后經(jīng)過在測樣模型中被散射后由測量光纖收 集。使用與實測光信號相同的定義，上述計算子程序根據(jù)測量光纖收集的光子數(shù)與入射 光子數(shù)之比輸出與實測光信號相應(yīng)的計算光信號。而計算與實測光學(xué)信號的差決定了計 算確定程序是否結(jié)束或迭代計算。如計算與實測光學(xué)信號的差小于根據(jù)實測光信號的實 驗誤差決定的設(shè)定值，則測樣光學(xué)參數(shù)初始值即為正確的測樣光學(xué)參數(shù)，計算確定程序 結(jié)束并輸出測樣光學(xué)參數(shù)。如計算與實測光學(xué)信號的差大于設(shè)定值，則計算確定程序進(jìn) 入迭代循環(huán)過程，也即反復(fù)調(diào)整測樣光學(xué)參數(shù)并重新進(jìn)入光輸送理論計算子程序部分計 算光信號直至計算與實測光學(xué)信號的差小于設(shè)定值。
上述迭代循環(huán)過程中的測樣光學(xué)參數(shù)調(diào)制可基于下述原理設(shè)計。首先根據(jù)實測和計 算光學(xué)信號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
方向如實測前向透射率大于計算前向透射率，則減少衰減系數(shù)，反之則增加衰減系數(shù)。 其后根據(jù)實測和計算光學(xué)信號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 方向如實測漫透射率與漫反射率之和大于計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)實測和計算光學(xué)信號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)制方向如實測漫透射率與漫反射率之比大于計算漫透 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 測量部分；和控制數(shù)據(jù)處理及計算部分，其中，光源輸入部分與光纖測量部分相連接，光纖測量部分與控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分又與光源輸入部分相連，而光纖測量部分還連接被測混濁介質(zhì)或生物組織。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量混濁介質(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量部分相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征在 于，所述的光纖測量部分包括有激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)，測量儀(8)和測量光纖束(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，測量儀(8)分別 連接控制、數(shù)據(jù)處理及計算部分以及測量光纖束(7)，激發(fā)引導(dǎo)光纖(4)的另一端和 測量光纖束(7)的另一端共同插入被測混濁介質(zhì)或生物組織。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量混濁介質(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)處理及計算部分是由計算機(jī)完成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量混濁介質(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)可由一個或一個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，所述的測量光纖束(7)是由1 10根測量光纖組成，測量光纖束(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，所述的測量儀(8)由分光部分、光電探測部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，其測量光 纖所輸出的光信號首先由分光部分將其波譜展開并由光電探測器變成電信號放大后送至 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光譜信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)，其特征 在于，所述的測量儀(8)光電探測部分和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成，測量光纖所輸出的光信 號由光電探測器變成電信號放大后送至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器變?yōu)閷崟r光學(xué)信號。
16. —種測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測定方法，其特征在于，是由如 下階段完成第一階段從測量儀輸出的實時光譜信號將多個波長上的光學(xué)信號按其波長分別進(jìn) 行存貯；第二階段將存貯的不同波長的實時光學(xué)信號在不同波長上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào) 后計算出光信號；第三階段進(jìn)入光傳輸理論計算子程序，根據(jù)輸入的入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參 數(shù)和測樣光學(xué)參數(shù)初始值獲得計算光信號；第四階段比較實測光信號與計算光信號的差別，并通過反復(fù)調(diào)整測樣光學(xué)參數(shù)直 至計算光信號與實測光信號的差別小于事先設(shè)定值為止，并輸出在照射光波長上的測樣光學(xué)參數(shù)數(shù)值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測定方法， 其特征在于，所述的多個波長上的光學(xué)信號包括有入射光參數(shù)，測樣探頭形狀參數(shù)及測 樣光學(xué)參數(shù)初始值。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖測定方法， 其特征在于，所述的光傳輸理論計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；第三階段判斷累計行進(jìn)路程是否大于總路程？是否被測量光纖接受？是否溢出測 樣？是否接觸邊界？第四階段計算光信號，并判斷累計光子數(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)束并輸出計算光信號。
全文摘要
測定混濁介質(zhì)及生物組織光學(xué)參數(shù)的光纖系統(tǒng)及測定方法，系統(tǒng)有光源輸入、光纖測量和控制數(shù)據(jù)處理及計算，光源輸入與光纖測量相連接，光纖測量與控制、數(shù)據(jù)處理及計算相連接，控制、數(shù)據(jù)處理及計算與光源相連，光纖測量連接被測混濁介質(zhì)或生物組織。方法是從測量儀輸出的實時光譜信號將多個波長上的光信號按波長進(jìn)行存貯；進(jìn)入光傳輸理論計算子程序，將存貯的不同波長的實時光學(xué)信號在不同波長上通過數(shù)學(xué)處理進(jìn)行解調(diào)后計算出實測光信號；比較實測光信號與計算光信號的差別，通過調(diào)整測樣光學(xué)參數(shù)直至計算光信號與實測光信號的差別小于事先設(shè)定值為止，輸出測樣光學(xué)參數(shù)數(shù)值。本發(fā)明測量系統(tǒng)簡單，不需要離開活體樣品就能準(zhǔn)確地測定本體或活體光學(xué)參數(shù)。
文檔編號G01N21/00GK101103905SQ20071005859
公開日2008年1月16日 申請日期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 申請人:天津煒輻醫(yī)療科技有限公司