[发明专利]基于空间分辨漫反射光谱反演生物组织光学特性的方法

说明书

本发明涉及基于空间分辨漫反射光谱反演生物组织光学特性的方法。目的是提供的反演方法可以得到更为精确的光学特性参数量。技术方案是：基于空间分辨漫反射光谱反演生物组织光学特性的方法，该方法的具体步骤为：1、确定用于计算组织光学特性参数所用空间分辨漫反射光谱的起点和终点；2、将区间选择后的空间分辨漫反射光谱用平均归一化方法进行归一化处理；3、利用逆问题算法进行最优曲线拟合，初步得到该样本的光学特性参数，进而可得到对应的自由光程；4、根据步骤(3)计算得到反射光谱有效区间，进行相同的平均归一化处理，然后用步骤(3)中相同的逆问题算法重新进行曲线拟合，得到光学特性参数。

技术领域

本发明涉及一种生物组织光学特性无损检测方法，尤其涉及一种基于空间分辨漫反射光谱反演生物组织光学特性的方法。

背景技术

光谱分析技术已被广泛应用于产品品质分析领域，农业方面目前主要集中于农产品品质的无损检测，例如瓜果类的糖度、硬度及病变等。但常规光谱分析技术主要基于比尔-朗伯定律，会受到光散射的影响。目前的解决方法主要为后期数学方法如多元散射校正(MSC)，此种方法能在一定程度上减轻散射的影响，但并不能从根本上解决散射的影响。另外，在仪器光源设计及布置时，通常都是通过经验与后期建模效果来进行对比以对设计进行优化，过程繁琐且可靠性差。这主要是由于缺乏对光在生物组织中传播的理解及生物组织光学特性的相关知识。因此，对生物组织光学特性的检测就显得尤为重要。

光与生物组织的相互作用主要包括吸收与散射，与之对应的光学特性参数分别为吸收系数(μ_a)和约化散射系数(μ_s’)，分别代表了生物组织对光的吸收和散射能力。描述光传输的模型主要有辐射传输理论(Radiation Transfer Theory)和扩散近似理论(Diffusion Approximation)。基于该两种理论的光学特性检测方法主要有时域方法、频域方法、空间分辨方法和积分球方法等。其中基于连续波的空间分辨方法能够实现宽波段检测，较适合于生物组织宽波段光学特性检测。该方法主要是利用光谱仪和光纤阵列探头或高光谱成像系统采集生物组织的空间分辨漫反射光谱，然后将此光谱与光传输模型的解析解通过合适的逆问题算法(如非线性最小二乘法、随机微粒群算法等)进行曲线拟合反演出该组织的吸收系数(μ_a)和约化散射系数(μ_s’)。但此种反演方法较容易受到信号噪声、光谱区间选择的影响，误差较大。有研究表明(参见Nicholos等.Design and testing of awhite-light,steady-state diffuse reflectance spectrometer for determinationof optical properties of highly scattering systems.Applied Optics 36(1):93-104.)，用于光学特性参数反演的光谱区间的起点与终点和该组织的平均自由光程mfp’＝1/(μ_a+μ_s’)存在一定的关系。但作者只给出了一个大致的范围(起点为0.75-1mfp’，终点为10-20mfp’)，该范围较为粗略且无法直接用于光学特性参数的反演，因为在选择用于光学特性参数反演的光谱区间时mfp’值是未知的。公开号为CN102058393A的发明提供了一种基于光谱测量的皮肤光学特性参数测量方法和系统，该方法通过实验数据和蒙特卡洛模拟相结合的方法进行数据分析进而拟合出皮肤的光学特性参数。公开号为CN101313847A提供了一种对人体皮肤病变组织进行无损光学参数成像的装置与方法。该发明用线阵CCD探测斜入射光源的漫反射光，用蒙特卡洛统计方法逆向求解皮肤组织表面的吸收系数和约化散射系数。以上两个发明都基于蒙特卡洛方法，计算算法繁琐，计算时间较长，无法进行实时处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种基于空间分辨漫反射光谱反演生物组织光学特性的方法；以获得更为精确的光学特性参数。

本发明具体采用了以下技术方案：