基于空間分辨漫反射光譜反演生物組織光學特性的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種生物組織光學特性無損檢測方法，尤其涉及一種基于空間分辨漫 反射光譜反演生物組織光學特性的方法。
【背景技術】
[0002] 光譜分析技術已被廣泛應用于產品品質分析領域，農業方面目前主要集中于農產 品品質的無損檢測，例如瓜果類的糖度、硬度及病變等。但常規光譜分析技術主要基于比 爾-朗伯定律，會受到光散射的影響。目前的解決方法主要為后期數學方法如多元散射校正 (MSC)，此種方法能在一定程度上減輕散射的影響，但并不能從根本上解決散射的影響。另 外，在儀器光源設計及布置時，通常都是通過經驗與后期建模效果來進行對比以對設計進 行優化，過程繁瑣且可靠性差。這主要是由于缺乏對光在生物組織中傳播的理解及生物組 織光學特性的相關知識。因此，對生物組織光學特性的檢測就顯得尤為重要。
[0003] 光與生物組織的相互作用主要包括吸收與散射，與之對應的光學特性參數分別為 吸收系數(ya)和約化散射系數(μ/ )，分別代表了生物組織對光的吸收和散射能力。描述光 傳輸的模型主要有福射傳輸理論（Radiation Transfer Theory)和擴散近似理論 (Diffusion Approximation)。基于該兩種理論的光學特性檢測方法主要有時域方法、頻域 方法、空間分辨方法和積分球方法等。其中基于連續波的空間分辨方法能夠實現寬波段檢 測，較適合于生物組織寬波段光學特性檢測。該方法主要是利用光譜儀和光纖陣列探頭或 高光譜成像系統采集生物組織的空間分辨漫反射光譜，然后將此光譜與光傳輸模型的解析 解通過合適的逆問題算法(如非線性最小二乘法、隨機微粒群算法等)進行曲線擬合反演出 該組織的吸收系數(y a)和約化散射系數(μ/)。但此種反演方法較容易受到信號噪聲、光譜 區間選擇的影響，誤差較大。有研究表明（參見Nicholos等.Design and testing of a white-light, steady-state diffuse reflectance spectrometer for determination of optical properties of highly scattering systems.Applied 0ptics36(1):93-104.)，用于光學特性參數反演的光譜區間的起點與終點和該組織的平均自由光程mfp' = l/(ya+ys'）存在一定的關系。但作者只給出了一個大致的范圍（起點為0.75-lmfp'，終點為 10-20mfp'），該范圍較為粗略且無法直接用于光學特性參數的反演，因為在選擇用于光學 特性參數反演的光譜區間時mfp'值是未知的。公開號為CN102058393A的發明提供了一種基 于光譜測量的皮膚光學特性參數測量方法和系統，該方法通過實驗數據和蒙特卡洛模擬相 結合的方法進行數據分析進而擬合出皮膚的光學特性參數。公開號為CN101313847A提供了 一種對人體皮膚病變組織進行無損光學參數成像的裝置與方法。該發明用線陣CCD探測斜 入射光源的漫反射光，用蒙特卡洛統計方法逆向求解皮膚組織表面的吸收系數和約化散射 系數。以上兩個發明都基于蒙特卡洛方法，計算算法繁瑣，計算時間較長，無法進行實時處 理。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是克服上述【背景技術】的不足，提供一種基于空間分辨 漫反射光譜反演生物組織光學特性的方法；以獲得更為精確的光學特性參數。
[0005] 本發明具體采用了以下技術方案：
[0006] -種基于空間分辨漫反射光譜反演生物組織光學特性的方法，依照以下步驟進 行：
[0007] (1)將采集到的樣本的空間分辨漫反射光譜進行有效區間選擇，即確定用于計算 組織光學特性參數所用空間分辨漫反射光譜的起點和終點；
[0008] (2)將區間選擇后的空間分辨漫反射光譜用平均歸一化方法進行歸一化處理；
[0009] (3)利用逆問題算法將歸一化后的空間分辨漫反射光譜與光傳輸模型的解析解進 行最優曲線擬合，初步得到該樣本的光學特性參數(吸收系數μ4Ρ約化散射系數μ8'），進而 可得到對應的自由光程mfp' =1/(μ3+μ3'）；
[0010] ⑷根據步驟⑶計算得到的粗估光學特性參數(μ3，μ，，mfp'）及推薦的最優有效 區間起、終點（自由光程值mfp'的倍數)得到優化后的漫反射光譜有效區間，對此區間內的 空間分辨漫反射光譜進行相同的平均歸一化處理，然后用步驟(3)中相同的逆問題算法重 新進行曲線擬合，得到對應該空間分辨漫反射光譜的更為準確的光學特性參數。
[0011] 所述步驟(1)中描述的空間分辨漫反射光譜有效區間起點與實際儀器測得的原始 光譜的起點相同，終點為對應信噪比（SNR)值為5的數據點。
[0012] 所述步驟(2)中描述的平均歸一化方法通過以下公式實現：
[0013]
[0014] 其中，f(r)為歸一化后的空間分辨漫反射光譜，R(r)為原始光譜，Rm_(l:m)為原 始光譜第1到m個光譜點y值的平均值，且光譜空間分辨率不同，最優m值不同且根據實際情 況適當浮動：
[0015] 分辨率為 0.05mm 時，m=10±l;
[0016] 分辨率為0· 1mm時，m = 5±l;
[0017] 分辨率大于等于2mm時，m = 3± 1。
[0018] 所述步驟(4)中的光譜最優有效區間起、終點按下表確定： L w J
〇
[0021 ]所述逆問題算法為非線性最小二乘法或隨機微粒群算法。
[0022] 所述光傳輸模型為散射模型或輻射傳輸模型。
[0023] 本發明的有益效果是:本發明提供了一種基于空間分辨漫反射光譜反演生物組織 光學特性的方法。該方法通過平均歸一化方法能夠有效去除信號噪聲影響，根據初次反演 計算的結果進行光譜區間優選，然后進行二次反演，能夠獲得更為精確的光學特性參數。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明的反演方法流程圖。
【具體實施方式】
[0025] 本發明通過分步法，首先通過常規方法進行第一步反演初步得到組織的光學特性 參數，進而根據第一步得到的mfp '和光譜區間與mfp '的關系對有效光譜區間重新進行優化 選擇，最后將重新選擇的光譜區間與光傳輸模型進行第二次反演得到更為精確的光學特性 參數。
[0026] 以下結合說明書附圖，對本發明作進一步說明，但本發明并不局限于以下實施例。 [0027]如圖1所示，本發明所述基于空間分辨漫反射光譜反演生物組織光學特性的方法 具體包括下列步驟：
[0028] (1)將采集到的樣本的空間分辨漫反射光譜進行有效區間選擇，即確定用于計算 組織光學特性參數所用空間分辨漫反射光譜的起點和終點；
[0029] (2)將區間選擇后的空間分辨漫反射光譜用平均歸一化方法進行歸一化處理；
[0030] (3)利用逆問題算法(如非線性最小二乘法、隨機微粒群算法等)將歸一化后的空 間分辨漫反射光譜與光傳輸模型（如散射模型、輻射傳輸模型）的解析解進行最優曲線擬 合，初步得到該樣本的光學特性參數(吸收系數μ4Ρ約化散射系數y s'），進而可得到對應的 自由光程mfp' =1/(μ3+μ3'）；
[0031] (4)根據步驟(3)計算得到的粗估光學特性參數(μ3，μ8'，mfp'）及推薦的最優有效 區間起