一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法技术

本发明专利技术涉及全光谱后向散射漫反射率模拟技术领域，公开了一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法，包括S1、根据TT SPF理论推导偏置散射函数TT

【技术实现步骤摘要】
一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法


[0001]本专利技术涉及全光谱后向散射漫反射率模拟
，具体为一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法。

技术介绍

[0002]全光谱后向散射漫反射率（Full
‑
spectrum backscattered diffuse reflectance, F
‑
BDR）提供了一种对生物组织结构、微观特性以及光谱特性的非侵入性检测指标，已经成为了多种医学诊疗和生物成像技术的理论基础。蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟方法长期以来被认为是模拟光与组织相互作用的“金标准”，近些年来也被应用于F
‑
BDR的精确理论建模。然而基于MC的F
‑
BDR的正向模拟方法始终无法被推广使用，有限的模拟F
‑
BDR的方法，更是大多局限于单条BDR（Backscattered diffuse reflectance，后向散射漫反射率）线的模拟，难以扩展到面扫描（B
‑
scan）和体扫描的模拟，这进一步限制了基于F
‑
BDR的成像应用的模拟。究其原因，这是因为精确F
‑
BDR的MC模拟基于米氏散射理论，它依赖于具有极低概率被采集的后向散射光子，同时还需要进行全光谱中每个波长的单独模拟，所以模拟高质量的F
‑
BDR的计算耗时极长，因此现有的基于蒙特卡洛的模拟方法存在受制于不精确的散射相函数模型、极低的后向散射光子探测效率以及全光谱模拟的额外复杂度而导致无法快速精确地模拟全光谱后向散射漫反射率的问题。
[0003]针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法，具备适用于BDR的快速模拟，可模拟全光谱的特性，并且本专利技术所述的图像模拟算法考虑每个波长模拟的单独参数计算，使得模拟出的结果具有波长依赖性等优点，解决了现有的基于蒙特卡洛的模拟方法存在受制于不精确的散射相函数模型、极低的后向散射光子探测效率以及全光谱模拟的额外复杂度而导致无法快速精确地模拟全光谱后向散射漫反射率的问题。
[0005]为解决上述现有的基于蒙特卡洛的模拟方法存在受制于不精确的散射相函数模型、极低的后向散射光子探测效率以及全光谱模拟的额外复杂度而导致无法快速精确地模拟全光谱后向散射漫反射率的技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法，包括S1、根据TT SPF 理论推导偏置散射函数TT
‑
B SPF；S1.1、定义光子的偏置散射条件；在光子包根据偏置散射函数TT
‑
B SPF进行偏置散射的假设下，定义偏置散射条件为：偏置散射后的光子行进方向为，探测器方向为，则偏置散射夹角的余弦值，即，偏置散射角根据TT
‑
B SPF采
样获得，具体采样方式为对TT
‑
B SPF实行拒绝
‑
接受采样方法以得到角度值[Casella G, Robert C P, Wells M T. Generalized accept
‑
reject sampling schemes[J]. Lecture Notes
‑
Monograph Series, 2004: 342
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347.];S1.2、根据TT SPF和偏置散射条件推导TT
‑
B SPF的偏置单向归一化系数；TT SPF由两个分别由前向散射和后向散射主导的单向 SPF线性组合而成，写为，；其中是TT SPF,是TT SPF的参数集合向量，表示前向散射SPF，表示后向散射SPF，是散射角度，满足，和为为两个方向的各向异性因子，分别控制了散射向前向和后向偏向的程度，和为增强因子，分别对和控制的效应进行增强，是权重因子，对前向散射和后向散射进行平衡，并满足；对于某一方向散射主导的单向 SPF，函数表达式为，函数表达式为，；其中分别为各向异性因子和增强因子，x=f代指前向，x=b代指后向，是单向归一化系数，表示为，根据偏置散射条件将以上归一化系数进行变形，推导出TT
‑
B SPF中偏置单向归一化系数应写作，；其中，为偏置各向异性因子，为偏置增强因子，两者取值范围同与, x=f代指前向，x=b代指后向;S1.3、根据偏置单向归一化系数推导TT
‑
B SPF;将偏置单向归一化系数替换定义式中的单向归一化系数，得到偏置单向 SPF表达式为，为，，，其中为偏置单向 SPF的普遍表示，x=f代指前向，x=b代指后向，
为偏置散射夹角;随后线性组合前向散射和后向散射的单向 SPF，得到TT
‑
B SPF的表达式为，SPF的表达式为，；其中为TT
‑
B SPF，为偏置函数的权重因子，是TT
‑
B SPF的参数集合向量。
[0006]S2、求解TT SPF中的波长依赖的参数集合；S3、部署基于TT SPF（Two
‑
term SPF，两项散射相函数）、TT
‑
B SPF（Two
‑
term biased SPF，偏置两项散射相函数）和IS（Importance sampling，重要性采样） 的模拟方法以计算得到F
‑
BDR；其中步骤S3中部署模拟方法以得到F
‑
BDR的方法为，S3.1、加载对应当前波长的光子包并确定波长相关的散射系数；S3.2、光子移动、吸收与边界判断；S3.3、基于IS的光子散射过程；S3.4、判断光子是否存活；S3.5、判断光子是否被探测；S3.6、F
‑
BDR计算与FD
‑
OCT（Fourier
‑
domain optical coherence tomography，傅里叶域光学相干断层成像）图像生成。
[0007]优选地，所述步骤S2中求解TT SPF中的波长依赖的参数集合的方法为：S2.1、根据TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数和当前波长处的米氏SPF对TT SPF进行拟合，以获取优化后的TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数；使用非线性最小二乘法建立优化方程，通过优化调整TT SPF的五个参数来拟合当前波长下的米氏SPF和TT SPF，当优化方程达到最小值时，输出此时优化后的TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数；具体方法为：在波长为时的米氏SPF定义为，数学表达式为：；其中是散射角度，是粒子尺寸参数，被定义为，为背景介质的折射率，为散射粒子半径，是散射效率，和是散射振幅矩阵的分量。TT SPF在波长为时的参数可以通过参数集合向量表示为；使用非线性最小二乘法的优化方程可以表示为，；其中，；是SPF的缩放因子，是缩放因子中的权重函数，表示为
；其中是在散射角时的值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法，其特征在于：包括，S1、根据TT SPF 理论推导偏置散射函数TT
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B SPF；S1.1、定义光子的偏置散射条件；在光子包根据偏置散射函数TT
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B SPF进行偏置散射的假设下，定义偏置散射条件为：偏置散射后的光子行进方向为，探测器方向为，则偏置散射夹角的余弦值，即，偏置散射角根据TT
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B SPF采样获得，具体采样方式为对TT
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B SPF实行拒绝
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接受采样方法以得到角度值[Casella G, Robert C P, Wells M T. Generalized accept
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reject sampling schemes[J]. Lecture Notes
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Monograph Series, 2004: 342
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347.];S1.2、根据TT SPF和偏置散射条件推导TT
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B SPF的偏置单向归一化系数；TT SPF由两个分别由前向散射和后向散射主导的单向 SPF线性组合而成，写为，；其中是TT SPF,是TT SPF的参数集合向量，表示前向散射SPF，表示后向散射SPF，是散射角度，满足，和为为两个方向的各向异性因子，分别控制了散射向前向和后向偏向的程度，和为增强因子，分别对和控制的效应进行增强，是权重因子，对前向散射和后向散射进行平衡，并满足；对于某一方向散射主导的单向 SPF，函数表达式为，函数表达式为，；其中分别为各向异性因子和增强因子，x=f代指前向，x=b代指后向，是单向归一化系数，表示为，根据偏置散射条件将以上归一化系数进行变形，推导出TT
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B SPF中偏置单向归一化系数应写作，；其中，为偏置各向异性因子，为偏置增强因子，两者取值范围同与, x=f代指前向，x=b代指后向;S1.3、根据偏置单向归一化系数推导TT
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B SPF;将偏置单向归一化系数替换定义式中的单向归一化系数，得到偏置单向 SPF表达式
为，为，，，其中为偏置单向 SPF的普遍表示，x=f代指前向，x=b代指后向，为偏置散射夹角;随后线性组合前向散射和后向散射的单向 SPF，得到TT
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B SPF的表达式为，SPF的表达式为，；其中为TT
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B SPF，为偏置函数的权重因子，是TT
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B SPF的参数集合向量；S2、求解TT SPF中的波长依赖的参数集合；S3、部署基于TT SPF、TT
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B SPF和IS 的模拟方法以计算得到F
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BDR；其中步骤S3中部署模拟方法以得到F
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BDR的方法为，S3.1、加载对应当前波长的光子包并确定波长相关的散射系数；S3.2、光子移动、吸收与边界判断；S3.3、基于IS的光子散射过程；S3.4、判断光子是否存活；S3.5、判断光子是否被探测；S3.6、F
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BDR计算与FD
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OCT图像生成。2.根据权利要求1所述的一种全光谱后向散射漫反射率的模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中求解TT SPF中的波长依赖的参数集合的方法为：S2.1、根据TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数和当前波长处的米氏SPF对TT SPF进行拟合，以获取优化后的TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数；使用非线性最小二乘法建立优化方程，通过优化调整TT SPF的五个参数来拟合当前波长下的米氏SPF和TT SPF，当优化方程达到最小值时，输出此时优化后的TT SPF中波长依赖的参数集合中的五个参数；具体方法为：在波长为时的米氏SPF定义为，数学表达式为：；其中是散射角度，是粒子尺寸参数，被定义为，为背景介质的折射率，为散射粒子半径，是散射效率，和是散射振幅矩阵的分量，TT SPF在波长为时的参数通过参数集合向量表示为；使用非线性最小二乘法的优化方程表示为，
；其中，；是SPF的缩放因子，是缩放因子中的权重函...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌玉烨，毛嘉宁，张杰，
申请(专利权)人：始终无锡医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：