专利名称：一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法
技术领域：
本发明涉及生物组织光学参数的检测方法，尤其是一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法。
背景技术：
光如何在生物组织中传播的问题，是阻碍光学相干断层成像、肿瘤光动力学疗法和激光诱导热温疗法等热点生物医学技术发展的瓶颈问题。这些技术的先进性依赖于生物组织光学参数空间分布函数的准确测量。
生物组织中光传输特性的重要意义和复杂性，导致一个新学科分支——组织光学形成。1988年美国OSA年会设专题讨论哺乳动物组织的光学特性，标志组织光学的兴起。现在国际上已经形成了一批各具特色的组织光学研究中心。国内组织光学研究早期以激光医学的面目出现，1997年国家自然基金将组织光学列入信息科学部鼓励研究领域之后，发展非常迅猛，《中国物理》、《光学学报》和《中国激光》等高级刊物上组织光学的研究论文逐年上升。组织光学研究的繁荣说明其有很强的应用背景，重大成果将类似于CT技术的发明在人类文明史上所起的推动作用，有可能开辟新的高科技产业。
与放射成像技术相比，光相干断层成像OCT技术除了具有非放射性、可区分软组织、易于辨别病变发色团特征吸收等自然优势外，所处频段的技术发展更成熟，空间分辨率在2～20μm范围，比X射线CT与核磁共振MRI高一个量级，有希望在癌瘤很小时就能够将其同周围正常组织区分开来，在材料科学等领域也有广泛的应用，是一种有前途新的断层成像技术。但是，无论OCT直接成像法还是间接成像法，要对组织图像进行计算机重建，要对特定组织、病灶位置进行准确定位，依赖的是组织对象光传输参数的准确性。具体来说就是对象组织的折射率、吸收系数、散射系数、相位函数等组织光学参数的空间分布函数的准确测量。
Bolin等人基于全反射原理提出的将待测组织样品作为光纤内芯的包层并通过测量该“光纤”数值孔径进而确定折射率的方法，是目前较为准确的测量方法。一些研究人员还据此发展出离体生物组织折射率的棱镜测量方法，以解决Bolin方法中存在的纤芯与样品接触不良无效测量或样品尺寸小无法测量等问题。无论是光纤还是棱镜，由于测量范围较大，测量值实质上是生物组织光学参数在测量范围内的空间平均值。正是基于生物体折射率等光学参数的空间分布函数，光学相干断层成像、肿瘤光动力学疗法和激光诱导热温疗法等热点生物医学技术才能对病灶准确定位。而且，绝大多数生物组织对可见和近红外光是混浊和高散射介质，使得测量精度都不高。近年来，虽然已经初步建立了生物组织中光的传播理论，例如蒙特卡罗模拟计算模型，但仅能提供定性结论。光传输参数难以准确测量已经成为生物医学光子学微观诊断技术继续发展的瓶颈，组织光学研究必须另辟新径。
从生物组织的光学参数的空间分布函数的角度看，由细胞组成的某些生物组织，介电结构具有天然的周期性。这种周期性的结构类似于光子晶体。
尽管细胞因种类不同而大小不一，形状各异，同一种类细胞的形状和尺寸是一致的，使用复周期性介电结构描述某些生物组织的几何结构还是准确的。某些生物组织结构上具有取向性，例如皮肤、肌肉、结缔组织等，也只能说明它是各向异性介质，仍然可以使用不同的方向上不同的重复周期来描述。就是说它们具有复周期性。对于具有复周期性介电结构材料光学特性的研究也属于光子晶体的范畴。事实上，有些生物体是天生的可见光区光子晶体。例如，蝴蝶的翅膀，正是可见光区的光子能带结构才使其五彩缤纷，出神入化。
光子晶体这种介电系数空间周期性变化的材料概念，是1987年ElibYabnolovitch和Sajeev John分别从抑制光的自发辐射，增强受激辐射和光子定域的角度提出来的。就象半导体中原子点阵产生禁带一样，介电系数空间周期性分布产生“光子带隙”(Photonic Band Gap)。位于光子带隙频率内的光，不能射入光子晶体。
当然，生物组织并不象人工晶体那样是严格的复周期结构，特别是活体时，组织内部的微观运动用长程自相似描述可能更准确些。事实上，光子晶体理论告诉我们，即便材料的介电常数不是准确地周期性排列，而是准周期性排列，也同样存在带隙结构。也就是说准确的周期性结构并不是产生带隙结构的必要条件，长程有序即可为光子带隙的存在提供必要条件。
发明内容
为了克服现有测量方法对生物组织光学传输参数空间分布函数的困难，以及生物组织混浊和高散射特性对可见和近红外光实验测量精度的限制等问题，本发明以光子晶体视角看待生物组织，提出了基于光子晶体理论的一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法。该方法采用光子晶体理论计算方法计算生物组织的光子带隙结构，通过调整生物组织的折射率值去逼近生物组织的光子带隙结构实验测量结果，从而避开生物组织混浊和高散射特性对实验测量精度的影响，提高生物组织折射率空间分辨率的目的。
本发明解决现有生物组织光学传输参数空间分布函数测量方法的问题所采用的技术方案如下。
步骤1确定一个生物对象和根据它的组织构造，使用光子晶体理论计算方法估算出生物组织光子带隙结构所在的电磁波谱区；步骤2在所述的电磁波谱区，采用实验方法检测该种生物组织的光子带隙结构；步骤3通过精细地改变该种生物组织中细胞核、细胞质和细胞膜的折射率这一计算输入量，使得采用光子晶体理论计算方法计算出的光子带隙结构向该生物组织的光子带隙结构实验测量结果逼近；获得该生物组织折射率值的空间分布函数。
本发明的有益效果如下首先，生物组织光学传输参数空间分布函数的准确测量将解决目前阻碍光学相干断层成像、肿瘤光动力学疗法和激光诱导热温疗法等急需发展的热点生物医学技术的发展瓶颈问题，它的应用将产生类似于x光CT技术从改进而投入实用在人类文明史上所起的推动作用，有可能开辟新的高科技产业。要对生物组织图像进行计算机重建，要对特定组织、病灶位置进行准确定位，依赖的是生物组织对象光传输参数空间分布函数值的准确性，具体来说就是对象组织的折射率等组织光学参数的空间分布函数的准确性。
其次，以光子晶体的视角看待生物组织，扩展了光子晶体领域的研究范围，同时也在组织光学中开辟了一个新的研究途径。
以光子晶体的视角看待生物组织，从理论上和用实验方法探索不同生物组织可能存在的光子带隙结构，可以避免生物组织高浑浊、强散射特性对实验测量精度的影响。因为光子晶体在光子带隙处是绝对白体，这一特点不受材料内的浑浊、散射等因素左右。生物体具有吸收大、散射强的特点，成为其他方法的实验测量障碍，但采用测量生物组织可能存在的光子带隙的方法，可以避开生物组织中的这些不利因素的影响。
最后，光子晶体能带结构随介质周期分布的尺寸比例放大的特性将使得我们能够按照某些生物组织的结构比例，对于不便于检测的频段，可以将材料结构进行比例放大或缩小，仿造出类似于光子晶体的聚集体，进而调整实验波长，在有适当信号源和测量装置的电磁谱区进行检测。
图1本发明的流程2本发明使用光子晶体理论计算方法估算出猪脂肪组织光子带隙结构所在的几个电磁波谱区的一个计算结果；图3(a)探测结果；图3(b)猪脂肪组织光子带隙结构理论计算逼近结果；图4本发明的流程图；具体实施方式
实施例1生物组织折射率空间分布函数检测方法的实施方式一，流程如图1所示。
步骤1确定一个生物组织对象为猪脂肪，根据猪脂肪的细胞核、细胞质和细胞膜组织构造和折射率空间平均值1.46，按照细胞核折射率大于细胞膜折射率、细胞膜折射率大于细胞质折射率的构架，调整猪脂肪中折射率的空间分布，使用光子晶体理论计算方法估算出猪脂肪光子带隙结构所在的电磁波谱区；如图2所示为其中一个计算结果。
步骤2在所述的电磁波谱区，采用实验方法包括吸收光谱法或反射光谱法或激光光谱法检测该种猪脂肪生物组织的光子带隙结构；若不存在光子带隙结构，则回到步骤1，再次调整猪脂肪中折射率的空间分布，估算猪脂肪光子带隙结构所在的电磁波谱区；或者更换检测对象，换另一种生物组织进行。猪脂肪生物组织的光子带隙结构探测结果如图3(a)所示。
步骤3取折射率改变量0.001，精细地改变猪脂肪中细胞核、细胞质和细胞膜对应的的折射率这一计算输入量，采用光子晶体理论计算方法，包括时域有限差分法或转移矩阵法或平面波展开法或采用超元胞法进行平面波展开的方法或格林函数法，对猪脂肪的光子带隙结构进行精密计算。
步骤4将计算出的猪脂肪光子带隙结构与步骤2中猪脂肪光子带隙结构实验的探测结果比较，是否均方差最小，若不是则回到步骤3。猪脂肪光子带隙结构理论计算逼近结果如图3(b)所示。
步骤5得到猪脂肪折射率值的空间分布函数。
上述的光子晶体理论计算方法是按照光子晶体理论计算具有周期性介电结构材料的光子带隙结构和电磁波在其中传播方式的方法，它包括时域有限差分法、转移矩阵法、平面波展开法，以及采用超元胞法进行平面波展开的方法和格林函数法。
检测生物组织光子带隙结构的实验方法是检测生物组织材料的电磁波反射系数和透射系数随入射电磁波波长变化的实验方法，它包括吸收光谱法、反射光谱法和激光光谱法；入射电磁波包括可见、红外、紫外、微波和射频电磁波谱区的电磁波。
实施例2
生物组织折射率空间分布函数检测方法的实施方式二，如图5所示。
步骤1确定一个生物组织对象为大鼠的视网膜，根据大鼠视网膜的细胞核、细胞质和细胞膜组织构造和折射率空间平均值1.35，按照细胞核折射率大于细胞膜折射率、细胞膜折射率大于细胞质折射率的构架，调整大鼠视网膜中折射率的空间分布，使用光子晶体理论计算方法估算出大鼠视网膜光子带隙结构所在的几个电磁波谱区；步骤2在所述的电磁波谱区，采用实验方法包括吸收光谱法或反射光谱法或激光光谱法检测该种大鼠视网膜生物组织的光子带隙结构；若不存在光子带隙结构，则回到步骤1，再次调整大鼠视网膜中折射率的空间分布，使用光子晶体理论计算方法估算出大鼠视网膜光子带隙结构所在的几个电磁波谱区；或者更换检测对象，换另一种生物组织进行。
步骤3取折射率改变量0.001，精细地改变大鼠视网膜中细胞核、细胞质和细胞膜对应的的折射率这一计算输入量，采用光子晶体理论计算方法，包括时域有限差分法或转移矩阵法或平面波展开法或采用超元胞法进行平面波展开的方法或格林函数法，对大鼠视网膜的光子带隙结构进行精密计算。
步骤4将计算出的大鼠视网膜光子带隙结构与步骤2中大鼠视网膜光子带隙结构实验的探测结果比较，是否均方差最小，若不是则回到步骤3。
步骤5得到大鼠视网膜折射率值的空间分布函数。
光子带隙结构是具有周期性介电结构材料的电磁波透射系数和相位随入射波长变化的光谱结构。
检测生物组织光子带隙结构的实验方法是检测生物组织材料的电磁波反射系数和透射系数随入射电磁波波长变化的实验方法，它包括吸收光谱法、反射光谱法和激光光谱法；入射电磁波包括可见、红外、紫外、微波和射频电磁波谱区的电磁波。
实施例3同实施例1或实施例2的步骤，不同的是生物组织包括哺乳动物或非哺乳动物的脂肪、肌肉和结缔组织，例如哺乳动物人或牛或猫或狗的脂肪、肌肉和结缔组织，例如非哺乳动物鹰或鱼或鸡和鳄鱼的脂肪、肌肉和结缔组织；生物组织构造知识是生物组织组成的知识，以及其中细胞核、细胞质和细胞膜几何尺寸及细胞间距的知识。
权利要求
1.一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法，其特征是步骤1确定一个生物组织对象，根据它的组织构造使用光子晶体理论计算方法估算出该生物组织光子带隙结构所在的电磁波谱区；步骤2在所述的电磁波谱区，采用实验方法检测该种生物组织的光子带隙结构；步骤3通过精细地改变该生物组织中细胞核、细胞质和细胞膜的折射率这一计算输入量，使得采用光子晶体理论计算方法计算出的光子带隙结构向该生物组织的光子带隙结构实验测量结果逼近；步骤4获得该生物组织折射率值的空间分布函数。
2.根据权利要求1所述的一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法，其特征是步骤1确定一个生物组织对象，根据它的组织构造使用光子晶体理论计算方法估算出生物组织光子带隙结构所在的电磁波谱区；步骤2在所述的电磁波谱区，采用实验方法包括吸收光谱法或反射光谱法或激光光谱法检测该种生物组织的光子带隙结构；探测结果若不存在光子带隙结构，则回到步骤1，再次调整该种生物组织的折射率的空间分布，使用光子晶体理论计算方法估算出该种生物组织的光子带隙结构所在的几个电磁波谱区；或者更换检测对象，换另一种生物组织进行；步骤3通过精细地改变该种生物组织的中细胞核、细胞质和细胞膜对应的折射率这一计算输入量，使得采用光子晶体理论计算方法计算出的光子带隙结构向该生物组织的光子带隙结构实验测量结果逼近；步骤4获得该生物组织折射率值的空间分布函数。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法，其特征是生物组织包括哺乳动物和非哺乳动物的脂肪、肌肉和结缔组织，例如哺乳动物人、牛、猫和狗的脂肪、肌肉和结缔组织，例如非哺乳动物鹰、鱼、鸡和鳄鱼的脂肪、肌肉和结缔组织；生物组织构造知识是生物组织组成的知识，以及其中细胞核、细胞质和细胞膜几何尺寸及细胞间距的知识。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法，其特征是光子晶体理论计算方法是按照光子晶体理论计算具有周期性介电结构材料的光子带隙结构和电磁波在其中传播方式的方法，它包括时域有限差分法、转移矩阵法、平面波展开法，以及采用超元胞法进行平面波展开的方法和格林函数法。
5.根据权利要求4所述的光子晶体理论计算方法计算的光子带隙结构，其特征是光子带隙结构是具有周期性介电结构材料的电磁波透射系数和相位随入射波长变化的光谱结构。
6.根据权利要求1或2所述的一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法，其特征是检测生物组织光子带隙结构的实验方法是检测生物组织材料的电磁波反射系数和透射系数随入射电磁波波长变化的实验方法，它包括吸收光谱法、反射光谱法和激光光谱法；入射电磁波包括可见、红外、紫外、微波和射频电磁波谱区的电磁波。
全文摘要
一种生物组织折射率空间分布函数的检测方法。为了克服现有测量方法对生物组织光学传输参数空间分布函数的困难，以及生物组织混浊和高散射特性对可见和近红外光实验测量精度的限制等问题，以光子晶体视角看待生物组织，采用光子晶体理论计算方法计算生物组织的光子带隙结构，通过调整生物组织的折射率值去逼近生物组织的光子带隙结构实验测量结果，从而避开生物组织混浊和高散射特性对实验测量精度的影响，提高生物组织折射率空间分辨率的目的。解决目前阻碍光学相干断层成像、肿瘤光动力学疗法和激光诱导热温疗法等急需发展的热点生物医学技术的发展瓶颈问题。
文档编号G01N21/25GK1580740SQ20041003826
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月19日 优先权日2004年5月19日
发明者吴重庆, 盛新志 申请人:北京交通大学