本发明专利技术属于组织光学研究中的光学参数测量领域，涉及一种基于神经网络的多波长组织光学参数反构方法：采用双积分球技术和高灵敏度的光电检测器收集被测样品表面的反射光和透射光，利用相对测量的方法得出样品的反射率，漫透射率以及准直透射率；用蒙特卡洛方法建立组织光学参数（μ↓［ａ］，μ↓［ｓ］，ｇ）的到测量量（Ｒ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｃ］）的映射模型；建立含有两个隐层的ＢＰ神经网络，所用神经网络的输入信号为（Ｒ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｃ］），输出信号为（μ↓［ａ］，μ↓［ｓ］，ｇ），采用梯度下降权值学习函数训练ＢＰ网络；通过测量到的（Ｒ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｄ］，Ｔ↓［ｃ］）对测量样品的光学参数进行实时预测。本发明专利技术同时提供一种上述方法所采用的装置。本发明专利技术提供的方法能够快速准确测量多个波长下组织光学参数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于组织光学研究中的光学参数测量领域，具体涉及一种多波长离体组织光 学参数检测方法。
技术介绍
随着社会的进步，人类对自身的健康越来越重视，和健康有关的检测手段以及早期 诊断和诊治的方法也逐渐为人们所重视。光学相关的检测和诊疗手段，具备高分辨率、 多参数和高时空分辨等优点，在医疗诊断方面又具有微创甚至无创、无电离的优点。因 此，光学相关方法在医学诊断和治疗中的有广泛的应用前景。生物医学光子学是关于光在生物、医学领域中应用的学科。从伦琴发现X射线开始， 光学便不断的应用在疾病诊断方面，随着光学技术的不断发展，也为生物学、医学提供 了新的手段。20世纪80年代，人们开始尝试利用光学相关技术对人体进行无创和微创检 测诊断。发达国家也对生物医学光子学的研究给予了高度的重视并不断地加大科研投入。 美国NIH召开的研讨会认为生物医学光子学的方法可用于癌症和其他疾病的早期检测、 诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术也正从实验室转向癌症临床应用。每年召开的 欧洲生物医学光子学会议以及国际权威刊物上论文的发表，也证明光子学技术正在发挥 至关重要的作用。组织光学是生物医学光子学中研究光在生物组织体中的传播特点和规律的学科，是 医学光子技术的基础理论，以光在生物组织体中的运动学(如光的传播)问题和动力学 (如光的探测)，问题作为主要研究问题。组织体从分子水平上讲，构成成分中最重要的 化学分子是生物大分子(蛋白质、核酸、糖类、脂类)、水、维生素以及微量元素。组 织体内的吸收物质，在紫外到红外光波段主要为水、血液中的血红蛋白、血糖、皮肤中 的色素、肌肉中的肌球素、脂类以及各个细胞中都存在的细胞色素。而组织中所含有 的大分子物质，例如蛋白质，脂肪，线粒体等对光子则具有强烈的散射作用。当人体内 的组织结构以及各种成分的量发生变化时，便会引起组织体内的光学特性发生变化。即 当人体内发生一定的生理和病理变化时，会相应的引起光在组织体内传播路径的变化。 譬如，当组织体发生癌变时，癌变组织部分的血流量会增大，相应的变化会引起吸收系 数的增大，所以吸收系数的变化作为癌症早期诊断的依据。因此，光在组织体内传播过 程及路径与组织体的生理、病理状态的密切联系，成为人们研究关注的重点。组织光学参数，是一系列用来描述光在组织体内传播状况的物理量。通过对组织体 内各光学特性参数的测定，便可以间接的得到组织体内相应的生理、病理信息。因此组 织体的光学参数对于光动力学检测以及临床诊断和疾病的检测和早期诊断具有重要的意义。组织体与光的相互作用的几种表现型式与现象主要包括吸收，散射，反射，折射， 发光，光化学，光声等。相对应的引出了组织体的光学参数，主要包括-1)散射系数/^:用来描述单位程长上一个光子被散射的概率。散射系数是波长的函 数，主要用来反映组织体对光的散射程度的大小。式中血——单位路径必—单位路径内光子因被散射而损失的光能量 /——散射事件发生前光子的能量。 光在组织体中的散射主要是由生物组织中微小结构(如细胞核和胶原纤维)边缘的 折射率不同造成的。当生物组织发生病理变化时，便随着组织性质的和形体发生变化。 例如，当组织癌变时，细胞核的大小和上皮层的厚度都会增加，作为散射体的细胞数量 增加，从而使得正常组织和癌变组织的光散射特性不同。2)吸收系数/^:用来描述单位程长上一个光子被吸收的概率。式中血——单位路径——单位路径内光子因被吸收而损失的光能量 /——吸收事件发生前光子的能量组织体之所以有吸收是因为其具有生色团，生色团是分子中能导致在200 1000nm 的光谱区内对光进行有选择性吸收的化学基团。在近红外的一些区域和红外区，水是生 物组织体中占主导地位的吸收物质。在波长小于600nm的可见光区，光的吸收会由于血 红蛋白、黑色素以及其他色素的影响而升高。在紫外波段，又会由于蛋白质，核酸的强 吸收而升高。在红外波段(600-1300nm)内，水出现低吸收，因此，此波段被称为近红 外测量和治疗的光学窗口。对大多数软组织来说，光吸收相对较低，散射相对较强。3)各项异性因子g:定义为散射时散射角的余弦加权平均值，又称为平均散射余弦。 各项异性因子指出了组织体散射的定向性。可以简单、直观地表示出组织体中光分布的 非均匀性或前向散射的大小。对于动物组织而言，g—般为0.68 0.96。4)折射率m当光非垂直入射到两种不同介质表面时，光路会发生改变，折射率就 是描述介质改变光路能力大小的物理量。g = 〈COS0〉="=旦c。为光在真空中的传播速度；c为光在介质中的传播速度。对于组织来说，光子吸收和散射的发生决定了光在组织中的空间分布情况，但是在 边界处，组织的折射率的影响最为显著，而组织体内的散射，是由于组织体本身的折射 率不连续导致的。因此，组织的折射率，对光子在组织中的传导具有一定的影响。5)由上述各参数推广得到的参数总衰减系数//t=//s+//a，用于同时描述吸收和散射效应，它表征光在组织中衰减的概率指数，同时存在吸收和散射的媒介被称为混沌介质；平均自由程l:光在组织中传播时，光子在一次吸收和散射发生之前所走过的平均距离称为平均自由程；约化散射系数/// :/V = A(1 - g)。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。在体测量方法主 要可以分为三类使用连续光传输强度测量方法；使用光强度调制的频域法；使用脉冲 光源的时间分辨方法。在体的光学参数检测方法较为复杂。由于人体的复杂性，在体测 量往往受到组织体内部较多因素的影响，导致测量结果准确度的下降。离体光学参数测 量需要将测量样品与组织体剥离开，虽然在医疗诊断上往往会给患者带来一定的痛苦， 但是相对于在体测量方法，离体测量的方法测量精度高，测量方法成熟简便，因此在组 织光学研究中得到广泛应用。在目前的研究当中，由于组织体的复杂特性，人们都在寻找可以准确地获取组织体 光学参数的方法和途径。时间分辨漫反射技术是用一束皮秒超短脉冲光入射生物组织表 面，在与入射点一定距离处利用具有皮秒分辨率的高速探测器测得出射光强度随时间的 变化关系。该技术得到的组织光学特性参数精度较高，但由于信噪比与测量间隔的光子 数目有关，短的时间间隔和高的信噪比很难同时获得，且此方法的测量速度较低，仪器 造价较昂贵。基于连续光的空间分辨技术将组织体内的光分布看作是和时间无关的一种 稳态分布，在组织体表面范围内通过获取漫反射光分布的变化情况，以推算出组织的光 学参数。相干层析成像技术(OCT技术)则基于干涉原理，利用近红外弱相干光照射到 待测组织，依据光相干产生干涉来探测组织的层析成像，从而获取组织的光学特性参数。 OCT技术可以实现对活体组织的无损伤、实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织 的结构分析和特性参量的测量。但是OCT技术在应用过程中对于某些组织体的穿透能力 不强，只能检测浅层组织体的病变情况。积分球技术是现有检测技术中应用比较广泛， 发展成熟，测量结果相对精确的光学参数检测手段。积分球技术是通过测量样品的反射 率，漫透射率和准直透射率的测量，进而得到样品的光学参数。积分球技术可分为单积 分球技术和双积分球技术，相对于单积分球技术而言，双积分球技术可以消除由于样品位置变换带来本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种快速多波长组织光学参数测量装置，包括光源系统、具有双积分球的光路系统、检测系统、计算机及数据采集系统，其特征在于，所述的光源系统包括：四个或四个以上的半导体激光器，能够提供四个或四个以上波长的激光光源；多选一光开关，用于对所述的半导体激光器进行选择切换；信号发生器，用于对所选定的激光器所产生的激光进行高频调制；激光驱动器；准直透镜，用于将半导体激光器发出的发散光转变为准直光；孔径光阑，用于限制所述准直光的光束大小；所述的检测系统包括漫反射光检测器、漫透射光检测器和准直光检测器三个检测器和后极放大器及锁相放大器，准直光束通过反射球的入光口入射到样品上，漫反射光经过反射球内壁的多次反射后，其光强信号由反射球上的漫反射光检测器获取；光穿过样品后，漫透射光经过透射球内壁的多次反射，其光强信号由透射球上的漫透射光检测器获取；准直透射光穿过透射球的出光口，光强信号经过衰减后，由准直光检测器获取由准直光检测器获取，三个检测器获取的信号通过后级放大器和锁相放大器，通过数据采集系统转换为数字信号并送入计算机进行处理。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵会娟，李晨曦，王秋殷，徐可欣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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