[发明专利]重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于组织光学研究中的光学参数测量领域，具体涉及重构混浊介质光学参数的时 间分辨测量系统及方法。

技术背景

随着社会的发展，人们的经济和生活水平不断提高，对医学诊断和治疗的无损性、舒 适性、可靠性等方面的要求也越来越高。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发 展问题，寻求自己有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生 命活体与人体本身的一些重大问题。纵观现代的医疗技术，生物医学测量或是建立在对生 物体本身信号如体温的检测、心电信号的检测，或是建立在对生物体在外界激发下产生的 信号，如核磁共振成像MRI，或是生物体对外部信号的调制，如X光成像、超声等。由于 生物组织的光谱特征与其分子构成直接相关，因而利用光学信息比其他医学诊断手段能获 得更高的灵敏度。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支——生物 医学光子学(Biomedical Photonics)也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发 展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。生物医学光子 学是在组织光学这一理论基础上发展起来的光医学和光生物学。组织光学可以理解为是关 于光辐射与生物组织相互作用的学问，基本研究方面首先包括研究光辐射能量在一定条件 下在组织体内的分布，其次是发展在体组织光学的测量方法[1-2]。以生物医学光子学为基 础的光诊断和光治疗中，生物组织光学特性在光与组织体的相互作用中扮演着重要的角色。 如何确定生物组织体的光学参数，包括吸收系数、散射系数、各向异性因子、以及组织的 光学穿透深度，具有非常重要的研究意义。

生物组织的光学参数测量，可分为离体测量和在体测量两种方法。离体(in vitro)测量， 即测量中需要对组织体进行切片，是一种有创的(invasive)组织病理分析方法，因为在取切 片的过程中可能引起组织体生物化学性质的改变；其次，手术取样具有很大的随机性，往 往因为只能从所选择的部位上取出少量的组织体作为切片，所以并不一定能准确地反映出 病灶组织的真实情况。此外，手术取切片方式在很大的程度上取决于医生的临床经验。再 者，手术取出组织样品之后，病理分析一般需要比较长的时间，使得医生在施行手术过程 中无法及时得到病理分析的反馈结果，因此不能有效地控制手术过程中对病灶的精确切除。 最后，在病理分析过程，根据已经建立的组织学样本库进行比较判断，医生的主观性很大。 特别是对于一些临床特殊的疑难病例，传统的病例分析就更加暴露出它的局限性。虽然采 用切片法的离体组织体光学参数的测量方法在技术上已经得到解决，但由于个体差异，每 个人的正常组织与病灶的光学参数可能都不一样，并且离体测量无法准确的反映组织体的 功能信息。所以这方法的实际意义不大，现在的发展方向已经转向了针对个人的活体测量 技术。在体(in vivo)测量(也叫活体测量)，可实现对组织体的光学参数的无创、实时测量[3]， 由此可更准确获得组织体的病生理相关功能性信息，给医学诊断和治疗提供更可靠的数据。 因为生物组织体的各种光学参数与活体的病、生理状态有着密切的联系，因此对组织体在 体测量的研究更有实际的临床应用意义，有望实现人类疾病在体的无损光诊断。组织体的 在体光学参数测量通常采用间接法，首先是利用实验测量获得组织体表面的漫反射光的时- 空分布，因为当光入射到组织时，光在组织内不断的被散射和吸收，其表面漫反射光携带 了组织内部的光学特征信息，其时-空分布由组织的吸收和散射等光学特性所决定[4-5]。其 次，根据均质条件下扩散理论或蒙特卡洛模拟获得表面光流时-空分布及其特征参数，并与 相应的实验数据进行拟合(或匹配)，重构出被测组织域的光学参数。在体测量技术依据人 体不同组织所特有的光学特性实时鉴别和诊断出被检组织所处的不同生理状态，包括正常 组织、良性病变组织、早期癌变组织、动脉粥样硬化和组织的功能状态等，从而实现组织 病理的早期诊断[6-7]。这在临床医学应用中具有重大意义和实用价值。