[发明专利]基于稳态辐射率间质测量装置的多波长光学参数反构方法

摘要

本发明公开了一种基于稳态辐射率间质测量装置的多波长光学参数反构方法，包括：设定光源‑探测器的距离，以1°为间隔，测量水平面360°范围内辐射率的分布；选取波长，并从测量信号中，提取出该波长下的辐射率分布，利用本发明所选择的辐射传输方程在P9近似下的解析解作为光子传输正向模型拟合实验所测量的辐射率，最终重建该波长下待测样品的光学参数。本发明仅需在单个光源‑探测器距离下进行稳态辐射率间质测量，有望实现微创检测；本发明能对低约化反照率样本(如前列腺增生组织)的光学参数进行准确反构；本发明所提供方法应用前景广阔，除生物体组织方面的应用，可用于牛奶、液态仿体等光学参数的测量。

主权项

1.一种基于稳态辐射率间质测量装置的多波长光学参数反构方法，其中，所采用的稳态辐射率间质测量装置的结构是，包括光源模块、探测模块、位移模块及控制模块；所述光源模块包括连接至光源光纤(2)一端的卤钨灯(1)；所述光源光纤(2)的另一端设有各向同性散射头(3)，用于将所述卤钨灯(1)发出的光转为点光源；所述探测模块包括侧照光纤(5)和光谱仪(6)，所述侧照光纤(5)的一端耦合至所述光谱仪(6)，所述侧照光纤(5)的另一端为与光纤轴线呈45°角的探测斜面(4)，用于探测与光纤轴线垂直的入射的光信号；所述位移模块包括手动精密位移台(7)、电动平移台(8)和电动旋转台(9)，所述电动平移台(8)的上方固定有一金属立柱，所述手动精密位移台(7)固定在所述金属立柱的上方，所述光源光纤(2)通过一金属固定管与所述手动精密位移台(7)固定；所述电动旋转台(9)固定在一金属支架上，所述侧照光纤(5)通过一金属固定管垂直的固定在所述电动旋转台(9)上；所述手动精密位移台(7)用于调整光源光纤(2)的高度，使各向同性散射头(3)与探测斜面(4)保持在同一水平高度；所述电动平移台(8)用于在水平方向移动光源光纤(2)；所述电动旋转台(9)用于旋转侧照光纤(5)，探测斜面(4)的朝向以改变光子接收方向；所述控制模块包括步进电机控制箱(10)和上位计算机(11)；所述上位计算机(11)一方面发出指令至步进电机控制箱(10)，从而控制电动平移台(8)及电动旋转台(9)的运动；另一方面，用于控制光谱仪(6)探测光信号；其特征在于，该多波长光学参数反构方法包括以下步骤：步骤一、利用手动精密位移台(7)、电动平移台(8)，调整光源光纤(20的空间位置，从而确定各向同性散射头(3)与探测斜面(4)之间的距离，即光源‑探测器之间的距离r；通过电动旋转台(9)调整探测斜面(4)的初始探测方向；设定电动旋转台(9)的单位旋转角度为1°；步骤二、所述卤钨灯(1)发出白光，经过光源光纤(2)传输至各向同性散射头(3)，光经过各向同性散射后，以点光源的形式传输至置于样品池(12)中的待测样品中；光经过待测样品的吸收散射后，经过探测斜面(4)传入侧照光纤(5)，被光谱仪(6)接收；光谱仪(6)测量到的信号传入上位计算机(11)，并存储；步骤三、以步骤一设定的单位旋转角度旋转电动旋转台(9)，重复步骤二，直至实现在水平面内360°范围内辐射率的测量；步骤四、波长λ下组织光学参数的反构，步骤如下：首先，选取待反构光学参数所在波长为λ，提取出波长λ下的辐射率M＝[m0,m1,...,mk,...,m359]，其中，mk为第k个角度下的辐射率测量值；然后，设定最优化目标函数为：式(1)中；分别为样品池中待测样品的吸收系数、散射系数的估计值；是光源‑探测器距离为r、探测角度为k/180×π处P9近似下辐射传输方程的解，即P9近似下的辐射率，其表达式为：式(2)中：n＝0,1,...,N，N＝9为近似阶数，k＝0,1,...,359为第k个探测角度；Pn为n阶勒让德多项式；φn(μa,μs,r)为第n阶光子密度计算值，其表达式为：其中，κn(x)的表达式如下：定义递推式：Bn+1(ω(μa,μs))＝(2n+1)σnBn(ω(μa,μs))+ω(μa,μs)n2Bn‑1(ω(μa,μs))，其中，σn≡μa+μs(1‑gn)，g为组织体的各向异性因子，g取值为0.9；当，B1(ω(μa,μs))＝1，B2(ω(μa,μs))＝3σ1，时当，B0(ω(μa,μs))＝1，B1(ω(μa,μs))＝μa，时ωi(μa,μs)为Q(ω(μa,μs))＝0的根，最后，通过Powell方向加速法计算式(1)的最小值，与该最小值对应处的光学参数即为波长λ下组织光学参数的反构值。