混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法與裝置的製作方法

2023-06-01 18:05:16 1

專利名稱：混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法與裝置的製作方法
混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法與裝置方法領域本發明屬於組織光學研究中的光學參數測量領域，具體涉及混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法與裝置。
背景技術：
由於人體組織大部分為水，而水在600-900nm(通常被稱為『近紅外光測量和治療窗口』)[1]波段是低吸收的，在此波段大多數軟組織為光學混沌介質，呈現低吸收，高散射特性，因此在該波段組織體的出射光主要為漫射光，漫射光攜帶了組織體豐富的生理和病理信息，因此利用基於近紅外光波段多波長漫射光的光學參數(吸收係數和約化散射係數)測量能夠得到較為準確的組織體生理和病理信息。基於近紅外波段漫射光的光學參數測量通常採用間接測量法，首先由實驗得到組織體表面的漫反射光的時空分布，其時空分布主要是由組織體的吸收係數和散射係數決定的[2-3]，其次，根據均質條件下擴散理論或蒙特卡洛模擬獲得表面光流時空分布及其光學參數，並與相應的實測所得數據進行擬合，重構出被測組織域的光學參數。其主要的測量方法有時域(Time-Domain，TD) W-6]、頻域分辨(Frequency-Domain, FD) [7]和連續光 (Continueous-ffave, Cff) [8-9]測量三種方式時域(TD)測量法雖然具有測量信息相對完整和只需單點測量等優點，但是其測量系統價格昂貴，難以在小型實驗室中進行普及。頻域(FD)測量方法一般需要200MHz以上的高頻調製以實現相移測量所需的合理信噪比，實現難度較大，單頻測量提供的信息有限，而多頻測量系統性價比與時域測量相比不佔優勢，無法提供更多的組織體的功能信息。基於連續光的多波長空間分辨光學參數測量方法已成為新興的生物醫學光子學重要研究內容之一，目前，國外的科學工作者在這方面做了大量的工作，也取得了諸多成果，而國內該方面的研究較少，該技術利用組織體的「窗口效應」和連續光的空間分辨鎖相測量所提供的混沌組織體內光子漫反射的豐富信息，能夠有效探測不同器官的光學參數 (吸收和散射係數)，作為光檢測和診斷技術，該方法在腦功能光學定位與成像，新生兒腦發育實時監護等重要領域有著廣闊的應用前景。參考文獻[1]. H. Markolf, Niemz著，張鎮西等譯，雷射與生物組織的相互作用_原理及應用，西安交通大學出版社，1999，7-64 ；[2]. W. F. Cheong, S. A. Prahland, A review of the optical properties of biological tissues, IEEE J. Quan. Elec,1990,26(26) :2166-2185;[3]. Y. Yamada, Light-tissue interaction and optical imaging in biomedicine, Ann.Rev.Fluid Mech. Heat Transfer 6,1995,1-59 ；[4]. Μ. S. Patterson, B. Chance and B. C. Wilson, Time resolved reflectance and transmittance for the noninvasive measurement of tissue optical properties,App1.Opt. 1989，28 :2331-2336 ；[5].許棠一，張春平，王新宇等，時問分辨反射確定生物組織光學參數的研究，光電子·雷射，2004，15(1) :108-112 ；[6].趙會娟，高峰，山田幸生，基於多通道時間分辨光學層析成像系統的差分圖像研究，光學學報，2001，M(12) :1437-1443 ；[7].Μ.M.Sevick, B.Chance, J.Leigh, et al， Quantitation of time-and frequency-resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation, Anal. Biochem，1991，195 :330-351 ；[8]. Μ. G. Nichols, E.L.Hull，and T.H.Foster，Design and testing of a white-light steaty-state diffuse reflectance spectrometer for determination of optical properties of highly scattering systems, App1. Opt. ,1997,36 :1-12 ；[9]. J. S. Dam，C. B. Pedersen，T. Dalgaard et. al, Fiber optic probe for noninvasive real-time determination of tissue optical properties at multiple wavelengths, Appl.Opt. ,2000,40 :1155-1164 ；[10].James M. Masciotti, J. M Lasker, A.H.Hielscher, Digital Lock-in Algorithm for Biomedical Spectroscopy and Imaging Instruments with Multiple Modulated Sources， Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference New York City，USA，Aug 30-Sept 3，2006，3198-3210 ;[11].Lihong V. WangiHsin-I Wu,Biomedical Optics !Principles and Imaging， Wiley-Interscience,2006 ；[12].陳寶林，最優化理論與算法，清華大學出版社，2005.

發明內容
為了對現有技術不足的補充，本發明的目的在於提供一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法與裝置，實現不同波長下組織體的快速，無創的離體或在體測量。 本發明的技術方案如下一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置，包括光源部分，探測部分， 數據採集部分和計算機，其中，光源部分包括多個不同近紅外波長的雷射器、多通道直接數字合成正弦信號調製器、單模光纖；每個雷射器由半導體雷射二極體(LD)及其相應的驅動組成，多通道直接數字合成(DDQ正弦信號調製器，各個雷射器產生的不同波長的近紅外雷射經由單模光纖輸出；探測部分包括源光纖束及其固定架、探測光纖及其固定架、電動平移臺和矽光電二極體探測器；源光纖束與單模光纖相連，用於傳導照射到混沌介質表面的入射光，探測光纖用於傳導由混沌介質表面反射的漫反射混合光信號，探測光纖的固定架置於電動平移臺上，通過電動平移臺移動探測光纖；由探測光纖採集的漫反射混合光信號經由矽光電二極體探測器轉換成電信號；數據採集部分用於對經過轉換的電信號進行採集並進行模數轉換；計算機對由數據採集部分輸入的數位訊號，進行數字鎖相和曲線擬合，並重構出光學參數吸收係數和約化散射係數。本發明同時提供一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相方法，包括下列步驟1)由擴散理論可得到混沌介質在近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數，該函數是關於吸收係數μ a、約化散射係數μ 『 3和是表面源-探測距離d的函數；2)利用不同頻率的正弦信號對每個不同波長的雷射器進行調製，得到不同波長的近紅外混合雷射信號；3)將近紅外混合雷射信號作為入射光照射到混沌介質上；4)控制電動平移臺移動探測光纖固定架，對表面源-探測距離(d)進行控制，採集不同距離下的漫反射混合信號，並將其轉換成電信號；5)對轉換得到的電信號進行數字鎖相進行處理，得到漫反射混合信號的各個不同波長的分信號在不同表面源-探測距離d下的幅度，每個幅度值對應相應波長的分信號在不同的表面源-探測距離d下的空間分辨漫反射率；6)對於每個波長，根據近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數，對步驟 5得到的不同分信號的實測數據分別進行非線性最小二乘擬合；7)利用信賴域方法求解混沌介質在相應波長下的吸收係數μ a和約化散射係數 μ 『 so作為優選實施方式，假定各向同性點光源位於混沌介質表面下的ζ =
\ + Refr
Z0 = 1/(μ 『 s+ya)處，真實和虛擬邊界的距離為4=泌^~^，其中，D為擴
散係數，^ = 3(^1+^)'^為光子在界面發生內反射的概率，，設-對正負像
源位置分別是正像源在、為所有入射光子最初的散射位置，負像源的位置在-Ζ(Γ2、處，則混沌介質在近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數如下
，")= ^^ ^一綱^—夠⑷]，式中，U為有
4冗Ρλ{ )p2{d)
效散射係數，凡(凡+//;) ； P1(Cl)為當表面源-探測距離為d時，正像源到表面探測點的距離，A(J) =； P2(d)為當表面源-探測距離為d時，負像源到的表面探測點
的距離，P2(d) = ,l(z0+2zbf+d2。本發明對轉換得到的電信號進行數字鎖相進行處理的步驟可以如下①先用復參考信號與漫反射混合信號相乘，使漫反射混合信號發生頻移；②將發生頻移後的信號利用均值濾波器進行卷積，濾除掉發生頻移後的交流分量和噪聲，保留直流分量，再對其中的每個元素取兩倍的模，便得到κ個分信號在ι個不同表面源-探測距離d下的幅度。與時域(TD)測量技術和頻域(FD)測量技術相比，本發明提供的空間分辨連續光 (Cff)測量技術的系統價格低廉，同時也能有效克服單點連續光測量無法將吸收係數和散射係數分離的缺點，另外，本發明由於採用了數字鎖相不僅能夠實現多個波長點的同時測量， 而且還能很好地濾除各類噪聲幹擾，從而可大大提高測量的精確度。具體而言，本發明具有如下的技術效果1)本發明提出的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置和方法，探測部分，只是需要一根源光纖導入入射光，由一根探測光纖導出漫反射光，系統簡單廉價、穩定性好，易於實現。2)本發明可以同時測量混沌介質在多個波長下的光學參數，也可以根據需要測量某些特定波長下的光學參數。3)本發明用數字鎖相算法來實現漫反射光信號幅值的提取，除了能獨自分離出各個分信號的幅值外，其中的均值濾波器能很好地除掉其他的幹擾信號，大大地提高了系統測量的準確性。


圖1 本發明實施例的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置結構框圖。圖2:數字鎖相流程圖。圖3:曲線擬合流程圖。圖4 :Λ21)個不同表面源-探測距離d下的漫反射率空間分辨歸一化曲線(a)與實測數據(對應波長為830nm)形成的歸一化曲線(b)。圖5 :Λ21)個不同表面源-探測距離d下的漫反射率空間分辨歸一化曲線(a)與實測數據(對應波長為830nm)形成的歸一化曲線(b)的擬合。圖6 均值濾波器的頻率響應圖，該圖對應的是Ns = 20時的均值濾波器的頻率響應，每個零值節點對應的橫坐標(頻率)為f = kfs/Ns (O^k^ Ns/2，此處Ns取20，k為整數)。
具體實施例方式本發明的具體實施方案如下參見圖1，本發明的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置，包括光源部分，探測部分，數據採集部分和數據處理部分光源部分包括源光纖束、五個半導體雷射二極體(LD)和相應的驅動，其波長分別為660nm、705nm、780nm、830nm、904nm;—個5通道直接數字合成(DDS)正弦信號調製器，分別提供頻率為5kHz、6kHz、7kHz、8kHz、9kHz的正弦信號分別對各個雷射器進行調製， 並將由各個雷射器產生的雷射經由單模光纖通入到源光纖束。探測部分主要包括源光纖束及其固定架、探測光纖及其固定架、電動平移臺、矽光電二極體探測器。源光纖束和探測光纖，分別傳導入射光和漫反射光；源光纖束固定架固定，探測光纖固定架帶動探測光纖入射端按一定間距沿源-探測端點延長線方向逐點移動；探測光纖固定架置於一個電動平移臺上，電動平移臺由計算機驅動，在計算機屏幕上顯示有Labview控制界面，通過操作Labview控制界面控制電動平移臺移動探測光纖。矽光電二極體探測器把探測光纖中漫反射光信號轉換成電信號，使用時，通過調節探測器上的增益旋鈕可以對該信號進行增益放大。數據採集部分包括一個12位數據採集卡，利用Labview控制界面進行數據採集的參數設置，對經過放大的信號進行採集並進行模數轉換後被送入計算機。計算機由Matlab實現數字鎖相和曲線擬合，其中，數字鎖相對採集的多頻率的混合信號進行分離並提取各分信號的幅度，曲線擬合指將解析的歸一化曲線與經鎖相處理後得到的實測數據的歸一化值進行擬合，並重構出光學參數(吸收係數和約化散射係數)。本發明的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量方法，具體包括下列步驟1.由擴散理論可得到混沌介質在近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數Sya是吸收係數，μ' s是約化散射係數，d是表面源-探測距離，假定各向同
性點光源位於組織體表面下Z =、= 1/(μ 『 S+Ua)處，採用外推邊界其數值實驗所得到
真實和虛擬邊界的距離近似為
權利要求
1.一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置，包括光源部分，探測部分，數據採集部分和計算機，其中，光源部分包括多個不同近紅外波長的雷射器、多通道直接數字合成正弦信號調製器、 單模光纖；每個雷射器由半導體雷射二極體(LD)及其相應的驅動組成，多通道直接數字合成(DDQ正弦信號調製器，各個雷射器產生的不同波長的近紅外雷射經由單模光纖輸出；探測部分包括源光纖束及其固定架、探測光纖及其固定架、電動平移臺和矽光電二極體探測器；源光纖束與單模光纖相連，用於傳導照射到混沌介質表面的入射光，探測光纖用於傳導由混沌介質表面反射的漫反射混合光信號，探測光纖的固定架置於電動平移臺上， 通過電動平移臺移動探測光纖；由探測光纖採集的漫反射混合光信號經由矽光電二極體探測器轉換成電信號；數據採集部分用於對經過轉換的電信號進行採集並進行模數轉換； 計算機對由數據採集部分輸入的數位訊號，進行數字鎖相和曲線擬合，並重構出光學參數吸收係數和約化散射係數。
2.一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相方法，包括下列步驟1)由擴散理論可得到混沌介質在近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數，該函數是關於吸收係數μ a、約化散射係數μ 『 s和是表面源-探測距離d的函數；2)利用不同頻率的正弦信號對每個不同波長的雷射器進行調製，得到不同波長的近紅外混合雷射信號；3)將近紅外混合雷射信號作為入射光照射到混沌介質上；4)控制電動平移臺移動探測光纖固定架，對表面源-探測距離(d)進行控制，採集不同距離下的漫反射混合信號，並將其轉換成電信號；5)對轉換得到的電信號進行數字鎖相進行處理，得到漫反射混合信號的各個不同波長的分信號在不同表面源-探測距離d下的幅度，每個幅度值對應相應波長的分信號在不同的表面源-探測距離d下的空間分辨漫反射率；6)對於每個波長，根據近紅外波段連續光的漫反射率空間分辨解析函數，對步驟5得到的不同分信號的實測數據分別進行非線性最小二乘擬合；7)利用信賴域方法求解混沌介質在相應波長下的吸收係數μ3和約化散射係數μ 『 s。 2.根據權利要求3所述的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相方法，其特徵在於，假定各向同性點光源位於混沌介質表面下的
3.根據權利要求3所述的混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相方法，其特徵在於， 對轉換得到的電信號進行數字鎖相進行處理的步驟如下①先用復參考信號與漫反射混合信號相乘，使漫反射混合信號發生頻移；②將發生頻移後的信號利用均值濾波器進行卷積，濾除掉發生頻移後的交流分量和噪聲，保留直流分量τ；再對其中的每個元素取兩倍的模，便得到κ個分信號在ι個不同表面源-探測距離d下的幅度。
全文摘要
本發明屬於組織光學研究中的光學參數測量領域，涉及一種混沌介質光學參數多波長空間分辨鎖相測量裝置，包括光源部分，探測部分，數據採集部分和計算機。光源部分包括多個不同近紅外波長的雷射器、多通道直接數字合成正弦信號調製器、單模光纖；探測部分包括源光纖束及其固定架、探測光纖及其固定架、電動平移臺和矽光電二極體探測器，探測光纖的固定架置於電動平移臺上，通過電動平移臺移動探測光纖，由探測光纖採集的漫反射混合光信號經由矽光電二極體探測器轉換成電信號；計算機對由數據採集部分輸入的數位訊號，進行數字鎖相和曲線擬合，並重構出光學參數。本發明能夠實現不同波長下組織體的快速，無創的離體或在體測量。
文檔編號A61B5/00GK102495027SQ20111039807
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者朱蘋蘋, 李嬌, 趙會娟, 陳琛, 高峰 申請人:天津大學