基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法
【专利摘要】基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法，属于生物组织光学参数测量【技术领域】。解决了现有测量生物组织光学参数测量响应时间长的问题。本发明测量样品块表面的时域半球反射信号的峰值改变激光器的脉冲宽度tp测量方，获得n组半球反射信号峰值设定待测样品的散射反照率ω和待测样品的非对称因子g，通过经验公式获得待定系数a和b；获得的n组半球反射信号峰值的估计值利用时域半球反射信号峰值的估计值与信号峰值的估计值对应的时域半球反射信号作最小二乘差值；判断最小二乘差值是否小于阈值ε，是则完成基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量，否则继续测量。本发明适用于生物组织光学参数测量。
【专利说明】基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物组织光学参数测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]对于生物组织的光学参数的测量，对生物传热模型的构建与验算、研究生物组织在各种热源作用下的热响应、临床医学和生理学等相关领域的研究均有重要意义。是进一步研究光在生物组织中传播的基础，对激光外科、光动力疗法等激光临床应用有重要的指导意义。生物组织光学参数与组织成份、结构和健康状态直接相关，对组织光学参数进行非接触、无损、快速、准确的探测具有重要的作用。
[0003]生物组织的散射反照率及非对称因子是重要的光学参数。在很多领域都具有极其重要的应用。在以生物医学和光子学为基础的光诊断和光治疗中，如激光外科手术、光动力学疗法、组织结构分析、近红外光谱检测技术、光学相干层析成像技术等临床应用方面，占据极其重要的地位。
[0004]由于生物组织的衰减系数较大，实验中测量得到的反射信号比较微弱，测量响应时间较长。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有测量生物组织光学参数测量响应时间长的问题，提出了基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法。
[0006]本发明所述基于短`脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法，该方法的具体步骤为:
[0007]步骤一、将生物组织样品制作成厚度为L的表面平整的样品块，测量样品块表面的时域半球反射信号的峰值具体过程为:
[0008]首先利用连续激光垂直入射生物组织样品表面，利用单光子计数器测量得到该样品组织的表面反射率R00,然后利用脉冲宽度为tp的高斯脉冲激光器产生的高斯脉冲激光IcXt)，垂直入射生物组织样品表面，通过单光子计数器测量样品表面的时域半球反射信号，获得样品的时域半球反射信号的峰值P 听述高斯脉冲激光1。(0的最大值功率为
1O ；
[0009]步骤二、在高斯脉冲激光器的无量纲脉冲宽度β Ctp大于I的前提下，改变激光器
的脉冲宽度tp按照步骤一的测量方法获得η组半球反射信号峰值d.，所述KZ-为第i个
脉冲入射生物组织样品表面，获得的半球反射信号峰值，其中，η为大于10的正整数，β为生物组织的衰减系数，i为正整数，i ；
[0010]步骤三、利用逆问题算法设定待测样品的散射反照率ω和待测样品的非对称因子g，通过经验公式获得待定系数a和b ;[0011]所述经验公式为:
[0012]当生物组织的折射率Ii1=L 00时:
[0013]a=-14.72+0.5946Xg+34.99X ω+0.0191 Xg2-0.4288XgX ω-19.32X ω2 (I)
[0014]b=53.81+0.5174Xg-120.2Χ ω-1.132Xg2+2.668XgX ω+67.34Χ ω2 (2)
[0015]当生物组织的折射率Ii1=L 33时:
[0016]a=-13.89-0.0534Xg+33.94X ω-0.0984Xg2+0.4295XgX ω-19.19X ω2 (3)
[0017]b=58.80+0.5278Xg-131.1X ω+0.1277Xg2+0.0466XgX ω+74.69X ω2 (4)
[0018]当生物组织的折射率Ii1=L 44时:
[0019]a=-13.59-0.1094Xg+33.32X ω-0.1392Xg2+0.5661XgX ω-18.91X ω2 (5)
[0020]b=62.93+0.8867Xg_140.2X ω-0.0062Xg24_0.1776XgX ω+79.74X ω2 (6)
[0021]当生物组织的折射率Ii1=L 77时:
[0022]a=-13.08+0.0489Xg+32.13X ω-0.1127Xg2+0.3441 XgX ω-18.20X ω2 (7)
[0023]b=70.12+1.9193Xg_157.0X ω+0.0896Xg2-l.5904XgX ω+89.70Χ ω2 (8)；
[0024]步骤四、利用步骤三获得的待定系数a和b，根据玻尔兹曼函数:
【权利要求】
1.基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤为: 步骤一、将生物组织样品制作成厚度为L的表面平整的样品块，测量样品块表面的时域半球反射信号的峰值^^.具体过程为: 首先利用连续激光垂直入射生物组织样品表面，利用单光子计数器测量得到该样品组织的表面反射率R?，然后利用脉冲宽度为tp的高斯脉冲激光器产生的高斯脉冲激光I。(t)，垂直入射生物组织样品表面，通过单光子计数器测量样品表面的时域半球反射信号，获得样品的时域半球反射信号的峰值所述高斯脉冲激光1。(0的最大值功率为Itl ； 步骤二、在高斯脉冲激光器的无量纲脉冲宽度β ctp大于I的前提下，改变激光器的脉冲宽度tp按照步骤一的测量方法获得η组半球反射信号峰值〃=?,;所;it1为第i个脉冲入射生物组织样品表面，获得的半球反射信号峰值，其中，η为大于10的止整数，β为生物组织的衰减系数，i为正整数，i ≤η ； 步骤三、利用逆问题算法设定待测样品的散射反照率ω和待测样品的非对称因子g，通过经验公式获得待定系数a和b ; 所述经验公式为: 当生物组织的折射率Ii1=L 00时:
a=-14.72+0.5946Xg+34.99X ω+0.0191 Xg2-0.4288XgX ω-19.32Χ ω2 (I)
b=53.81+0.5174Xg-120.2Χ ω-1.132Xg2+2.668XgX ω+67.34X ω2 (2) 当生物组织的折射率Ii1=L 33时:
a=-13.89-0.0534Xg+33.94X ω-0.0984Xg2+0.4295XgX ω-19.19X ω2 (3)
b=58.80+0.5278Xg-131.1X ω+0.1277Xg2+0.0466XgX ω+74.69X ω2 (4) 当生物组织的折射率Ii1=L 44时:
a=-13.59-0.1094Xg+33.32X ω-0.1392Xg2+0.5661XgX ω-18.91X ω2 (5)
b=62.93+0.8867Xg-140.2X ω-0.0062Xg24_0.1776XgX ω+79.74X ω2 (6)
当生物组织的折射率Ii1=L 77时:
a=-13.08+0.0489Xg+32.13X ω-0.1127Xg2+0.3441XgX ω-18.20X ω2 (7)
b=70.12+1.9193Xg-157.0X ω+0.0896Xg2-L 5904XgX ω+89.70X ω2 (8)；
步骤四、利用步骤三获得的待定系数a和b，根据玻尔兹曼函数:
2.根据权利要求1所述的基于短脉冲激光反射信号峰值反演的生物组织光学特性参数快速测量方 法，其特征在于，步骤三中所述的逆问题算法采用随机微粒群算法。
【文档编号】A61B5/00GK103767687SQ201410043662
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】齐宏, 任亚涛, 陈琴, 张彪, 阮立明 申请人:哈尔滨工业大学