专利名称：用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可测定一个混浊介质样品的基于吸收系数，散射系数和/或各向异性 参数的用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法与系统。
背景技术：
如何根据有限的反射光信号测定混浊介质光学特征是一个非常引人注意的问题 (1，2)(该括号内的数字以及后面出现的括号内的数字与后面的参考文献相对应)。尽管反 射光测量方法具有无创伤探测与状态判断的潜在功能，如何利用可包含上万个信号的反射 率图像数据达到上述目标还是一个具有挑战性的问题(3)。测定混浊介质特征的光学方法 可应用于包括工业材料分析、生命科学、生物与化学研究等很多领域，但需要可准确描述光 与混浊介质相互作用的模型。例如公认的最准确的光学模型为辐射传输理论，该理论使用 三个光学参数描述材料特征μ a(吸收系数)，μ s(散射系数)和g(各向异性参数)。但 一般情况下基于辐射传输理论所表述的问题只有在引入各种近似条件下才能求得解析形 式的解。辐射传输理论的一种近似为光子传输的扩散模型。扩散模型是辐射传输理论的一 种近似，其假设为所测量的散射光信号分布满足扩散条件。扩散模型虽然不如辐射传输模 型准确，但可以用于测定Pa* (约化散射系数=ys(i-g))。扩散模型的一个潜在 优点为在相同的条件下其计算结果与值无关。此关系称为相似性原理。如 果反射光信号主要为经过多次散射的光，则扩散模型比较准确。因此，扩散模型与相似性原 理在下述情况下具有较好的准确性光源-探测器距离较大以及具有较大的μ 3与μ a比值 或g值较小的材料。一个基于扩散模型的空间分辨漫反射率的(SRDR)方法广泛应用于Ps'的 测定，其所使用的反射率信号可用连续(CW)或调频光测量。此方法将入射光束作为光散射 的点光源，利用与样品接触的光纤或聚焦在样品表面上一小点的方式导入样品之内。反射 光信号则在与光源距离不同的多点处测量0，16)。SRDR方法也可通过成像方式以非接触 和合并像素的方式而非单传感器方式测量多点反射光信号(17-19)。最近报道的一种方法 对基于成像方式的SRDR方法作了进一步的改进，先根据扩散模型测定，然后再通过 蒙特卡罗方法完成在倾斜聚焦入射光束照射下的第二幅反射率图像的仿真并将自 μ3'分开(20)。尽管SRDR方法有了这些改进，当光源-探测器距离较小和/或样品的a(= μ3/(μ3+μ3))值小和/或样品的g值大时光信号并不以经过多次散射的光为主，srdr方 法所依据的扩散模型还是会在通过逆运算获得光学参数时引入误差。其次，SRDR方法无法 充分利用成像方法相对于单传感器的特点，即具有许多像素但每个像素的动态测量范围有限。最后，现有的包括SRDR方法在内的反射率测量方法一般无法测定其光学参数随区域变 化而变化的非均勻混浊介质，包括一种介质包埋在另一种介质之内的情况。光纤可在SRDR方法中用于探测来自于样品介质的反射信号。例如，在序号为 20060247532的美国专利申请中，Ramanujam提出了一种根据光纤探测反射光信号和紫 外-红外谱段的光学光谱仪测量漫反射率的迭代计算过程测定生物组织的吸收与散射系 数。自所测量的漫反射率获得吸收与散射系数的计算是通过一种蒙特卡罗模型进行的，该 模型基于相似性原理以提高计算速度。但这种方法只能测定，而不是ya，ys 和g。此外，使用光纤进行光探测时一般需要将光纤探头与样品介质接触，容易产生测 量误差。更进一步地，上述讨论的光纤探测技术可能只限于测量均勻的或具有均勻层结构 的样品。所以光纤方法探测反射光信号会在一些应用中特别是在测定非均勻样品时受到限 制。
发明内容
本发明提供一种用结构入射光测定混浊介质光学特征的方法。本发明与系统多种实施方法可用于测定一个混浊样品光学特征。一个具有分布结 构的光束用于照射样品。样品含一包埋区域。测量一幅在具有分布结构的光束照射下所产 生的样品反射光图像。一幅在具有分布结构的光束照射下的样品反射率图像可通过反射光 图像与一块反射率标准板确定。下列样品参数可通过反射率图像确定吸收系数ya，散射 系数43和各向异性参数8。样品内包埋区域的一个形状参数可根据测量的反射率图像及 其吸收系数μ a，散射系数μ3和/或各向异性参数g估算。在一些实施方法中，测量的反射率图像可通过将反射光图像除以反射率标准板的 最大像素值确定。反射率标准板可以是一种校准的漫反射率标准板。在一些实施方法中， 光照射可通过一束非相干的全视场光束实现。在一些实施方法中，样品包埋区域可以是某种组织异常区域，而其形状参数可与 癌症的恶性程度相关。组织异常可以是上皮组织异常，而其形状参数可为上皮组织异常的厚度。在一些实施方法中，所使用的带有结构的非相干光束可将一非相干光束通过一模 板实现，模板具有透射和不透射区域因而可使通过的光束分布具有结构。光束分布结构可 是一种格栅模式。在一些实施方法中，可使用一个与样品具有空间距离的探测器测量反射率图像。在一些实施方法中，自反射率图像测定样品的吸收系数Pa，散射系数Ps和各向 异性参数g是通过一种基于辐射传输理论的蒙特卡罗仿真计算和/或一种光学扩散模型完 成的。根据本发明更进一步的一些实施方法，一个用于测定混浊样品光学特征的系统包 括一个可产生照射样品的具有分布结构的光束的光源。样品含一包埋区域。一个可测量在 具有分布结构光束照射下的样品反射光图像的探测器。一个信号分析单元可根据反射光图 像与一块反射率标准板确定反射率图像，可自测定的反射率图像确定样品的吸收系数μa， 散射系数各向异性参数g，可根据所确定的样品吸收系数ya，散射系数43和/或各向异性参数g估算包埋区域的一个形状参数。
所有附图均包括在技术说明之内，也是技术说明的一部分，附图用于示意本发明 的实施方法，也用于解释本发明的原理。图Ia为根据本发明实施方法的一种成像系统的示意图(这里CL 聚光镜；F 波长 滤光片；I 光阑；S 模板；L 像机透镜)；图Ib为根据本发明实施方法在入射角θ Q = 45°，λ = 620nm条件下自一个漫 反射率标准板所测得的一幅具有格栅分布结构的数字光束分布图像，横道=IOmm ；图Ic为根据本发明实施方法在入射角θ。= 45°，λ = 620nm条件下使用图Ib 所示的光束照射下所测得的一幅暗外观样品的数字反射率图像，横道=IOmm ；图Id为根据本发明实施方法在入射角θ ^ = 45°，λ = 620nm条件下所测得的 一幅具有方形分布结构的数字光束分布图像，横道=10mm；图Ie为根据本发明实施方法的操作流程图；图为根据本发明实施方法通过蒙特卡罗方法仿真计算的反射率图像，显示 在使用具有图Ib所示分布结构的入射光束时相机透镜-样品距离对反射率图像R。(0，y) 的影响。图加中的数据线为在不同h值和χ = 0时反射率图像随y轴的变化，图加中的 方块符号是将在h = 0.2毫米时所计算的R。(0，y)值乘以一个换算因子S= 1.86后得到 的；而图2b中的符号代表R。(0，-5毫米)与h的依赖关系。用于获得图中数据的仿 真计算参数为μ a = 0. 50mm、μ s = 1. 8mm 1 和 g = 0. 60，透镜直径=18mm，Ni 值在 2xl07 至^dOltl之间。图2b中的线为图视导引；图3a_3d为根据本发明实施方法在入射角θ Q = 45°，λ = 620nm条件下自暗外 观样品所测得的反射率图像计算获得的平方误差函数在由yt(= ya+us),a(= ys/yt) 和g组成的参数空间内的等高线图参数为Pt = 1.66mm1(图3a和3b)与a = 0. 76mm 1 (图 3c和3d)；入射光束为格栅分布结构(图3a和3c)与方形分布结构(图北和3d)；图4a_4d为根据本发明实施方法在入射角θ Q = 45°，λ = 500nm条件下自明外 观样品所测得的反射率图像获得的平方误差函数S在参数空间内的等高线图；图5为根据本发明实施方法使用反射成像方法和积分球方法确定的暗外观样品 与明外观样品材料的吸收系数μ a，散射系数μ 3和各向异性参数g与波长之间的关系曲线。 图5中的线为图视导引。图6为根据本发明实施方法在不同波长上目标函数δ与三个非均勻样品内的包 埋区域厚度波长D(mm)之间的关系曲线。图6中的线为图视索引。竖线和代箭头的线代表 厚度测量值Dm与误差值。内插图为一个样品的照片，其他线为图视导引。
具体实施例方式下面将通过显示本发明实施方式的附图和例对本发明的用结构入射光测定混浊 介质光学特征的方法做出详细说明。但本发明可通过多种不同方式实施，因此本发明的实 施不应限于这里所介绍的方式，这里介绍的实施方式只是用于完整地公布本发明，使其全 部内容可为业内同行所知。
全文中同样的数字指同样的部件。在附图中，一些线段、层次、成份、部件或特征的 粗细可能会为了显示清晰而加粗或加大。这里所用的术语仅是为了描述本发明的某种实施方式，并非具有限制意义。单数 名词也包括相应的复数名词。特别值得指出的是，本文中所用的“包括”一类词语用以表明 一些所述的特征、数字、步骤、操作、部件、成份等的存在，但不排除其他特征、数字、步骤、操 作、部件、成份等的存在。正如所述，“和/或”一词包含了任一和所有上述一或多部分的组 合。正如所述，类似于“介于X和Y之间”和“介于大约X和Y之间”等词应解释为包含了 X 和Y。正如所述，类似于“介于大约X和Y之间”应解释为“介于大约X和大约Y之间”。正 如所述，类似于“自大约X至Y”应解释为“自大约X至大约Y之间”。除另定义外，这里使用的所有词汇(包括技术和科学词汇)所具有的意义与任何 一位本发明所属专业的同行通常理解的一致。更应进一步理解的是，在常用字典或词典中 所定义的词汇在本文中使用时其意义应与上下文和相关专业的解释一致。除非明确定义 时，一般不应对词汇作理想化或过于正式的解释。我们可能不会对所周知的功能或操作作 仔细描述，以行文简洁。应该理解的是，当提到某一部件与另一部件“相邻”、“相接”、“相连”、“接触”等等 时，这两个部件可以是直接相邻、相接、相连或接触，也可是其间还有其他部件。与此对照， 当提到某一部件与另一部件“直接相邻”、“直接相接”、“直接相连”、“直接接触”等等，这两 个部件之间没有其他部件。业内人士应该理解，当提到一个结构或特征与另一特征相接时， 该结构或特征可能会与相接特征存在相交部分。在使用例如“在下面”、“处于下方”、“低于”、“在上面”、“处于上方”之类空间相对 关系词汇时，这些词汇应理解为是为了便于在附图中说明一个部件或特征与另外的部件或 特征之间的关系。这类空间相对关系词汇应理解为是用来包括图中描述的装置或操作的所 有方位。例如，如果图中装置是倒置的，则在相对于其它部件或特征时用“在下面”或“处于 下方”所描述的某一部件或特征的方位应该为在其他部件的“上方”。因此，一个典型的例 子就是“在下面”可以包含“在下面”和“在上面”的方位意义。所描述的装置方位可能变化 (旋转90度或其他方位)，其空间相对位置的解释也应相对变化。除非明确定义时，类似的 词汇如“向上的”、“向下的”、“竖直的”、“水平的”等相似词汇也应同样解释。在使用“第一”、“第二”等词汇描绘某些部件时，这些部件不应被这些词汇限制。这 些词汇只是用于区分不同的部件。所以，一个上述的“第一”部件也可称为“第二”部件而 不会偏离本发明所述的原则。除非明确定义时，权力要求或附图中的操作(或步骤)的顺 序并不限于所述的前后次序。下面对本发明的描述会涉及到使用方框图和/或流程图说明的基于本发明的各 种实施方式的方法，仪器(系统)和/或计算机程序产品。在方框图和/或流程图中的各 个方框或不同方框的组合应理解为可通过计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可输 进一个通用或专用计算机和/或其他可编程的数据处理仪器而成为一台机器，使得这些指 令可通过计算机处理器和/或其他可编程的数据处理仪器得到执行并实现方框图和/或流 程图或其中方框的功能/行为。上述计算机程序指令还可储存于一个计算机可读的存储器并用于控制一台计算 机和/或其他可编程的数据处理仪器实现某一特定方式的功能，例如储存于一个计算机可读的存储器内的指令生产一件产品用于实现方框图和/或流程图或其中方框的功能/行 为。上述计算机程序指令还可输入至一台计算机和/或其他可编程的数据处理仪器 并用于启动一系列计算机和/或其他可编程的数据处理仪器的运行步骤而形成通过计算 机实现的过程，在过程之中指令得到执行而实现方框图和/或流程图或其中方框的功能/ 行为。因此本发明可以通过硬件和/或软件(包括固件、常驻软件、微代码等)实现。此 外本发明的实现还可具有一储存于计算机可用或可读的存储介质内的计算机程序产品的 形式，其中存储介质含有计算机可用或可读的程序代码并用于一个指令执行系统或与其相 联。在本文中计算机可用或可读的介质可以是任何可含有、储存、通讯、传播或传输程序并 用于一个指令执行系统、仪器或设备或与其相联的介质。计算机可用或可读的介质可以包括但不限于下列介质中的任何一种电子介质、 磁性介质、光学介质，电磁介质、红外介质或半导体系统、仪器、设备或传播介质。更为具体 的计算机可读介质的例子包括(非完全名单)一个包含一或数条电线的电路连接、一个可 携带的计算机盘、一个随机存取存储(RAM)、一个只读存储(ROM)、一个可擦可编程序只读 存储(EPRM或闪存)、一根光纤和一个可携带只读存储光盘(CD-ROM)。应该指出，计算机可 用或可读的介质甚至可以是纸或者其他适当的可印刷程序的介质，因为程序可通过例如光 学扫描纸或其他介质的方式进行电子纪录后以适当方式加以编译和处理，然后根据需要储 存在一个计算机存储器内。如图Ia所示，一个用于测定一个混浊介质样品光学特征的系统100，包括一个非 相干光源120，用于产生一束具有分布结构的光束全视场照射样品110和一个成像探测器 130(如CCD探测器)用于探测来自于样品110的反射信号。光源120可以是一个连续的， 非相干或相干单色光源。如果使用例如激光束类的相干光束，其产生的干涉条纹也即散斑 效应可通过空间平均消除。如图所示，光源120产生的光束通过一个聚光镜122，一个波长 滤波片124，一个可变光阑126，一个模板127和一个投射透镜1 后成为一束具有分布结 构、非相干和单色的入射光束，如使用钨-卤素灯光源与一个干涉波长滤光片即可获得单 色光束。在一些实施方式中，可用一束激光而无需一个波长滤光装置(如滤光片、光栅或棱 镜)。如果使用一束如激光的相干光束，则不需波长滤光装置。样品110可为一个包括至 少一个包埋区域112的非均勻样品。包埋区域112的材料或光学参数与样品的其他区域不 同，会导致与不包含包埋区域112的均勻样品不同的反射光信号。自样品110反射的光信 号通过一个相机透镜132后被成像探测器130探测。所测到的反射光信号由一个信号分析 装置140分析。在这种设置下，探测器130与样品110之间存在着一空间距离，不需像光纤 探头那样与样品接触。模板127含通光与不通光区域，使得模板127的出射光为具有分布结构的光束，也 即光束截面内含亮暗区域组成的某种结构。图Ib-Id显示典型的数字光束分布图。例如图 Ib为在入射角= 和λ = 620nm条件下自一个漫反射率标准板所测得的一幅具有 格栅分布结构的数字光束分布图，横道=IOmm0图Ic为在入射角θ ^ = 45°和λ = 620nm 条件下使用图Ib所示的光束照射一个暗外观样品所测得的一幅数字反射率图像，横道= 10mm。图Id为根据本发明实施方法在入射角= 和λ = 620nm条件下所测得的一幅具有方形分布结构的数字光束分布图像，横道=10mm。这里所述的方形分布结构是指一 种光束强度自最大点向光束边缘单调下降的一种光束分布结构。如图Ie所示，图Ia中的光源120所产生具有分布结构的光束用于照射一个样品 (方框200)，其反射率图像由图Ia中的探测器130探测(方框202)。图Ia中的信号分析 装置140用于自图Ia中的探测器130测量的反射率图像确定下列参数可根据所确定的 样品吸收系数Pa，散射系数μ 3和各向异性参数g(方框204)。应该指出，在例如非均勻 样品的一些样品中，上述方法可用于测定多组吸收系数，散射系数和各向异性参数。包埋 区域的一个形状参数可根据自反射率图像确定的样品吸收系数Pa，散射系数43和各向异 性参数g估算(方框206)。在一些实施方式中，自反射率图像确定样品吸收系数Pa，散射 系数μ s和各向异性参数g是基于用自漫反射标准板测量的第二幅反射光图像标定自样品 测量的第一幅反射光图像。这两幅反射光图像都应该使用同一具有分布结构入射光束，例 如一束非相干的全视场光束。在一些实施方式中，自反射率图像确定样品吸收系数Pa，散 射系数μ 3和各向异性参数g是通过一种采用单参数散射相函数(见中的Henyey与 Greenstein)蒙特卡罗仿真方法完成的。在一些实施方式中，自反射率图像确定样品吸收系 数μ a，散射系数μ 3和各向异性参数g是通过结合蒙特卡罗仿真方法和扩散模型完成的。 扩散模型可在确定参数时作为一种快速的近似模拟工具降低仿真计算时间。在我们的讨论中，光学参数ya，等价于yt，a和g，这里衰减系数yt = ，单散射率a = μ3/μ 0因此μ a, μ s禾口 g可与μ” a禾口 g互相换用。自测量的反射率图像确定光学参数μ a，μ 是通过一个迭代过程完成的，其中 通过蒙特卡罗仿真得到的计算反射率图像用于和测量的反射率图像比较。计算和测量的反 射率图像对应像素间的平均相对误差定义为一个平方误差函数S。如果蒙特卡罗仿真中所 用的光学参数不正确，δ函数值会增加或保持较大的值。迭代过程的目标为趋近并获得光 学参数的最佳值，使得δ函数趋近并变为最小值。如图3所示，与具有类似于方形的光滑 分布结构相比，使用具有类似于格栅分布结构的非光滑结构的入射光束可在提高迭代仿真 速度与计算光学参数准确度方面有明显优势。提高迭代仿真速度与计算光学参数准确度的 原因如下。第一，格栅分布结构的光束在入射光场和图像探测器视场内的光强分布变化较 大。所以蒙特卡罗仿真所用的光学参数即使变化很小也可导致S值产生大的变化。与方 形分布结构相比，较大的δ敏感性可在趋近或采用正确的光学参数值时使得δ值下降较 快，从而可加速完成迭代过程。另外的潜在优点是在采用格栅分布结构的光束照明样品时 使得在蒙特卡罗仿真中需要计算行进轨迹的光子数要小于采用方形分布结构的光束时所 需要计算的光子数，这是因为格栅分布结构光束包含很多暗区域。这样一般会加快仿真计 算与迭代过程。在一些实施方式中，包埋区域可为一种生物组织异常，而包埋区域的形状参数可 与癌症恶性程度相关联。生物组织异常可以是某种上皮组织异常，而形状参数则可为异常 上皮组织的厚度。据此本发明实施方法可用于估算某种接近或处于癌症阶段的上皮组织发 育的厚度/大小。上皮组织发育的厚度可在诊断黑色素瘤和其他皮肤肿瘤时作为判定某种 异常阶段的重要因素之一。例如，上皮组织发育的厚度可用于判断该发育是否为一种增生、 异常发育、原位癌症(即还未侵入上皮层以外的组织)或浸润癌(即可能已经侵入上皮层 下面的组织)。由此可见，形状参数的确定可用于上皮组织发育的无创伤光学活组织检查。
尽管前面的讨论描述了本发明实施方法可诊断肿瘤或接近肿瘤的上皮组织发育， 应该指出本发明还可用于其他包括结缔组织与神经组织的样品诊断。应该指出多个单色光源可用于改变入射光束波长，而无需波长滤光片。例如，除将 形状参数作为诊断判据之外，还可改变单色入射光束的波长确定光学参数μ a，μ 与波 长间的关系。使用多参数分析方法分析光学参数ya，μ与波长间的关系的多光谱图 像数据可用于辨别病灶种类。在一些实施方式中，认为样品110和/或区域112为混浊样品是基于其散射系数 s至少为0. Imm1的事实。我们现在将讨论下述不带局限性的范例，用来描述本发明的实施方式。范例本文介绍并验证一个可从一幅反射率图像确定一个均勻混浊样品的吸收系数 μ a，散射系数μ 3和各向异性参数g的连续光反射率成像方法。我们开发了一个平行蒙特 卡罗方法用于准确模拟反射率图像数据，并使用了一个变换方法增加仿真计算速度。通过 对一束照射全视场的非相干具有分布结构的光束的标定，我们证明了该逆问题解的唯一性 并测定了两个组织仿真样品在500nm至900nm之间的光学参数值。我们还使用该反射率成 像方法测定了非均勻组织仿真样品内的一个包埋区域的厚度。这些结果表明反射率成像方 法提供了一种可用于定量测量混浊介质特性的简单实验方法，并具有多光谱功能。这里所指的定量测量为确定基于光学模型的参数，而不是类似于纹理那样的只对 图像数据做形状或统计分析的参数。源自于研究大气层内光分布的辐射传输理论是目前最 为广泛应用的描述混浊介质内外光分布的模型(4)。为定量表述混浊介质的特征，除吸收系 数(ya)与散射系数(ys)外，辐射传输理论还定义了一个散射相函数P(S，s’)用于描述 光自方向s散射至另一方向S’。对例如球和红血细胞悬浮液的简单混浊介质，如果折射率 的微观非均勻分布已知，这些参数可通过基于麦克斯韦方程的相干光散射计算获得(6，7)。 这一特点可以保证作为混浊介质准确模型的辐射传输理论可从基本原理导出。对于包括生物组织在内的复杂混浊介质，通常使用由Henyey与Greenstein提出 一个单参数函数p(cos Θ)作为角度平均后的散射相函数，其参数为由下式定义的各向异 性参数g f 4 ρ (cos ) cos Θ (1Ω因此测定混浊介质光学特性可定义为一在已知折射率η的条件下确定μ a，μ s和 g的逆问题。尽管在辐射传输理论和适当的边界条件基础上定义的边界值问题可用数值方 法求解，作为统计方法的蒙特卡罗仿真因其算法简洁成为一种计算光分布的常用替代方法 (9-11)。蒙特卡罗仿真方法的缺点为因减低计算结果的统计涨落误差使其计算成本高。对 于光分布主要为多次散射光的情况，辐射传输方程的各种扩散近似使用参数μ 3和一个约 化散射系数Ps' = ys(i-g)(5)，用于获得闭合形式的解。最近的研究分析了一种可用于 模拟全视场反射率图像的扩散近似方法的准确度，证明其模拟准确度会随着样品的单散射 率a = μ s/ μ t减小和g增大而降低(12)。这里所研发的连续光反射成像方法包括一束全视场非相干的照明光，准确的校正 过程和快速的蒙特卡罗仿真，可确定均勻的组织仿真样品的μα，ys*g。研究了一个目 标函数在参数空间内的分布并依此调查了逆问题解的唯一性及与入射光束分布结构的关系。确定了两个组织仿真样品在波长为500至950nm之间的光学参数，并与使用已建立的 积分球方法所决定的参数值作了比较，以评价反射成像方法。同一方法也用于确定非均勻 的组织仿真样品的一个包埋区域的厚度，据此介绍该方法可应用于皮肤色素型病灶的无创 诊断。结果反射率图像的快速模拟为了逆向确定均勻样品的光学参数，研发并验证了一个平行蒙特卡罗程序用于模 拟计算中的图Ia所示的成像配置获得的反射率图像。如果按照实验中所使用的相 机透镜-样品距离h = 400mm直接模拟计算反射率图像R。(x, y ；h)，由于收集反射光子的 锥角很小需要对^cIO11或更多个光子进行追踪计算，以将结果的统计涨落误差降低至可忽 略。即使用平行计算方法，对如此多的光子进行追踪获得一幅图的计算时间会以天记或更 长。因此需要寻找可显著减低蒙特卡罗仿真时间的方法。研究了入射光束分布结构为图 Ib和图Id分别所示的格栅与方形时R。依赖于h的关系曲线。对于这两种入射光束分布结 构，发现当h > IOOmm时反射率图像的分布与h无关，而反射率值随h单调增加。图2b显 示了在入射光束分布为格栅结构时I 。的一个位于χ = 0和y = -5. Omm位置的峰值随h的 变化，表明当h趋于0和h > 400mm时R。分别接近不同常值。这些结果表明可以通过定义 一个比例常数S = Rc(x, y ；h)/Rc(x, y ；0)将在h = 0时计算的R。换算至h = 400mm时的 艮。图加呈现了一个这样的例子其中的符号代表将在h = 0. 2mm时计算的I 。转换为对应 于h = 400mm时的中的R。。通过数值计算我们研究了 S与光学参数μ a，μ s，g和η的关系 并发现在所用的参数范围内S值相对变化小于5%。根据这些结论，下述结果所用的蒙特 卡罗仿真计算的Rc都是在h = 0时进行的，然后用比例常数S = 1. 90将其变换至对应于h =400mm的计算结果，再和实验测得的反射率图像Rm比较。此方法极大地降低了所需追踪 的光子数，仅为^clO7个光子，与前面讨论的相比降低了 4个数量级，因而减小了计算成本。 如果使用一具有30个化切1 Xeon中央处理器(CPU)的计算机群执行平行蒙特卡罗程序， 计算时间在(μ a，μ s，g)分别为(0. 64mm_1,0. 66mm_1,0. 96)禾Π (0· 0088mm-1,1. 29mm_1,0. 36) 时为1. 6s和34s。上述变换方法是实现使用蒙特卡罗方仿真快速计算反射率图像的一个关 键创新，可使调查由yt，a，g组成的参数空间内目标函数分布在数天内完成。这里衰减系 数^= 和单散射率a= μ3/μ 0光束分布结构对逆问题解的影响自一个漫反射率标准板测得的反射光图像可用于校正测自于一个组织仿真样品 的反射图及相应的计算图。这一方式可减小使用解析函数作为实际光分布的近似描述带来 的误差，因而避免逆问题由于使用一具有分布结构的入射光束造成病态条件。有关自一幅 测量的反射率图艮&，y ； λ)获取一个均勻的混浊样品的光学参数的逆问题在这里定义为 在波长500nm至950nm之间和η = 1. 40的条件下在μ t，a，g组成的参数空间内搜寻一个 平方误差函数δ最小值的过程。为此目的，该平方误差函数δ由下述公式定义为测量与 计算反射率图像之间的平均像素相对误差
权利要求
1.一种测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，其中包括使用一束具有分布结构的光束照射样品，所述的样品含一包埋区域；探测一幅由具有分布结构的光束形成的样品反射光图像；根据反射光图像和一个反射标准板确定一幅由具有分布结构的光束形成的测量的样 品反射率图像；根据反射率图像测定样品的一个吸收系数μa，一个散射系数μ3和/或一个各向异性 参数g ；还有根据吸收系数μ a，散射系数μ 3和/或各向异性参数g自测量的反射率图像估算包埋 区域的一个形状参数。
2.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的确 定一幅测量的反射率图像包括根据一幅反射标准板反射光图像将样品反射光图像归一化。
3.根据权利要求2所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，所述的反射标准板为一 经过校准的漫反射标准板。
4.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的光 束为一非相干、全视场的光束。
5.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的包 埋区域包括一生物组织异常，还有包埋区域的形状参数与癌症的恶性程度的概率相关。
6.根据权利要求5所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的生 物组织异常包括一表皮异常，还有包埋区域的形状参数为一表皮异常的厚度。
7.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的具 有分布结构的光束是将一束非相干光束通过一具有通光和不通光或部分通光区域的模板 后获得一种光分布结构的。
8.根据权利要求7所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，所述的光 分布结构为一格栅模式。
9.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，使用一与 样品有空间距离的探测器测量反射率图像。
10.根据权利要求1所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，在辐射传 输理论基础上根据反射率图像通过一种蒙特卡罗仿真计算确定其样品的吸收系数μ a，散 射系数μ s和/或各向异性参数g。
11.根据权利要求10所述的测定一个混浊样品光学特性的方法，其特征在于，通过一 种光学扩散模型确定其样品的吸收系数μ a，约化散射系数Ps'。
12.一种测定一个混浊样品光学特性的系统，特征在于，包括一个光束光源，用于产 生一束具有分布结构的光束照射一个样品，其样品含一包埋区域；一个探测器，用于探测一幅由具有分布结构的光束形成的样品反射光图像；一个信号分析装置，用于根据样品反射光图像和用于归一化的另外一幅反射标准板反 射光图像确定一幅由具有分布结构的光束形成的测量的样品反射率图像，还有根据测量的 样品反射率图像测定样品的一个吸收系数μ a，散射系数μ 3和/或各向异性参数g，还有根 据样品的吸收系数μ a，散射系数μ 3和/或各向异性参数g自测量的反射率图像估算包埋 区域的一个形状参数。
13.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 信号分析装置还可使用一幅反射标准板反射光图像将一幅样品反射光图像归一化后确定 一幅测量的反射率图像。
14.根据权利要求13所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 反射标准板为一经过校准的漫反射标准板。
15.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 光束源用于提供一束非相干、全视场的光束。
16.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 包埋区域包括一生物组织异常，还有信号分析装置用于获得包埋区域的形状参数与癌症的 恶性程度的概率的相互关系。
17.根据权利要求16所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 生物组织异常包括一表皮异常，还有形状参数为一表皮异常的厚度。
18.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 非相干光束源包括一具有通光和不通光或部分通光区域的模板以形成一种光分布结构。
19.根据权利要求18所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 光分布结构为一格栅模式。
20.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 探测器与样品有空间距离。
21.根据权利要求12所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 信号分析装置用于在辐射传输理论基础上根据反射率图像通过一种蒙特卡罗仿真计算确 定样品的吸收系数μ a，散射系数43和/或各向异性参数8。
22.根据权利要求21所述的测定一个混浊样品光学特性的系统，其特征在于，所述的 信号分析装置用于通过一种光学扩散模型根据反射率图像确定样品的下列参数吸收系数 μ a，约化散射系数Ps'
23.一种测定一个混浊、生物组织样品光学特性的方法，其中包括使用一束具有分布结构的光束照射生物组织样品，其样品含一包埋区域；探测一幅由具有分布结构的光束形成的生物组织样品反射光图像；根据样品反射光图像和用于归一化的反射标准板反射光图像确定一幅由具有分布结 构的光束形成的测量的生物组织样品反射率图像；根据反射率图像测定生物组织样品的一个吸收系数μa，一个散射系数μ3和/或一个 各向异性参数g;根据生物组织样品的吸收系数μa，散射系数口3和/或各向异性参数g自测量的反射 率图像估算包埋区域的一个形状参数；还有根据包埋区域的形状参数获得一个生物组织样品的状态参数。
全文摘要
提供可测定一个混浊介质样品光学特征的方法与系统。一个具有分布结构的光束用于照射样品。样品含一包埋区域。测量一幅样品所产生的具有分布结构反射光图像。一幅样品的具有分布结构的反射率图像可根据反射光图像与一个漫反射率标准板确定。反射率图像可用于确定下列样品参数吸收系数μa，散射系数μs和各向异性参数g。样品内包埋区域的一个形状参数可根据测量的反射率图像及其吸收系数μa，散射系数μs和/或各向异性参数g估算。
文档编号G01N21/41GK102144154SQ200980137411
公开日2011年8月3日 申请日期2009年10月1日 优先权日2008年10月1日
发明者胡新华, 陈成 申请人:东卡莱罗纳大学