基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法与流程

技术特征：

1.一种基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，初始化组织体的尺寸、获取光源和检测器的位置，设置组织体的组织参数，包括吸收系数μ_am、散射系数μ_sm和各向异性因子g；

步骤二，荧光团受激发出荧光；

步骤三，设计扩散系数，与距离光源点的距离有关，当距离光源点远时，扩散系数小；反之，当距离光源点近时，扩散系数大，这样能实现光的强度随距离光源点的距离增大而衰减；

步骤四，建立LB模型的D3Q7模型，初始化平衡态分布函数；

步骤五，计算LB模型中的碰撞过程；

步骤六，判断光颗粒是否运动到边界，若是则对边界处的光颗粒进行边界处理，否则直接进入步骤七；

步骤七，计算LB模型中的迁移过程；

步骤八，更新各节点的光强值，即对各节点处强度值求和；

步骤九，判断是否到达最大的迭代次数，如果是则显示输出，否则返回步骤三；

步骤十，更新输出结果。

2.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述扩散系数为利用朗伯-比尔定律设计的扩散系数，表示为下式：

$g(\mathrm{\κ},L)=\exp (\mathrm{\κ},L)=\exp (-\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_{sm}+{\mathrm{\μ}}_{am})}L)$

其中，L表示为荧光射入组织体的厚度，该扩散系数能添加与初始荧光光强有关的系数；表示为未加入组织体厚度因素的扩散系数；

对于散射作用远大于吸收作用的生物组织，用约化散射系数μ_sm′＝μ_sm(1-g)代替散射系数μ_sm，则上式改写为下式：

$g(\mathrm{\κ},L)=\exp (-\frac{1}{3\left({\mathrm{\μ}}_{sm}\right(1-g)+{\mathrm{\μ}}_{am})}L).$

3.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述步骤四中，提出对LB模型演化方程的吸收项的设计，辐射传输方程、扩散方程、LB方法的宏观方程分别写成以下三式：

$\begin{array}{c}\frac{1}{c}\frac{\∂\mathrm{\φ}(r,\hat{s},t)}{\∂t}=\\ -\hat{s}\·\▿\·\mathrm{\φ}(r,\hat{s},t)-\left({\mathrm{\μ}}_a\right(r)+{\mathrm{\μ}}_s(r\left)\right)\·\mathrm{\φ}(r,\hat{s},t)+{\mathrm{\μ}}_s\left(r\right){\∫}_{4\mathrm{\π}}p(\hat{s},{\hat{s}}^{\′})\mathrm{\φ}(r,{\hat{s}}^{\′},t)d{\hat{s}}^{\′}+\\ q(r,\hat{s},t);\end{array}$

$\frac{1}{c}\frac{\∂\mathrm{\Φ}(r,t)}{\∂t}=\▿\[\mathrm{\κ}\▿\mathrm{\Φ}(r,t)\]-{\mathrm{\μ}}_a\mathrm{\Φ}(r,t)+Q(r,t);$

$\frac{\∂f}{\∂t}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\τ}-\frac{1}{2})\mathrm{\δ}t{(e_{\mathrm{\α}}\·\▿)}^2{f}_{\mathrm{\α}}^{eq}+F;$

式中为组织体吸收和散射造成的辐射率的减小；μ_a(r)为该组织体位于空间中节点r上的吸收系数；μ_S(r)为该组织体位于空间中节点r上的散射系数；为位于空间中节点r处方向上的源项；式中的μ_aΦ(r，t)+Q(r，t)表示组织体吸收造成的辐射率的减小和源项造成的辐射率增加；因此，对于LB方法，设计吸收项F表示吸收造成的节点处辐射值的减少和源项造成的辐射率增加，表示为下式：

F＝-μ_αf_α(r，t)+Q(r，t)；

其中，μ_a表示为吸收系数，f_α(r，t)表示为在t时刻、节点r处的光颗粒数，Q(r，t)表示为在t时刻、节点r处的源项光子密度。

4.根据权利要求3所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述吸收项保证了能量守恒，由于光在组织体扩散时不断被组织体吸收，该部分光子不参与后续的扩散，本发明设计吸收项以确保能量守恒。

5.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述步骤六中，提出采用罗宾边界条件，能准确求解LB模型，该边界条件考虑了组织体的折射率n_i大于周围介质的折射率n_t时边界出射光的反射和折射效应，反射概率能够通过反射系数R表示，反射效应和折射效应的边界条件上的辐射率表示为下式：

其中，r表示位于组织边界上的空间点，时，表示由方向反射到方向上的辐射率；时，表示由方向折射到方向上的辐射率，组织体与周围介质的折射率相差不大时，折射角相对于入射的偏移量不大，并且出射的辐射率不会再对组织体内产生影响；

对于由反射回到组织体内的光颗粒仍然遵守RTE描述，在组织体内继续传播，而折射出组织体的光颗粒能被探测器测量得到，表示为下式：

在LB方法中，光颗粒始终沿着格线在节点间运动，即与e_α相隔θ_i，即此时，表示为下式：

$f(r,t)={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\α}}({\hat{S}}_{\mathrm{\α}}\·e_{\mathrm{\α}})f(r,{\hat{S}}_{\mathrm{\α}},t);$

光颗粒并非位于节点时，利用LB方法的插值格式处理。

6.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述LB模型采用D3Q7模型模拟光子在组织体中的扩散，所述模型包括所有DmQn类模型，常用的LB模型包括D2Q5、D3Q7、D3Q15、D3Q19，LB模型的步骤主要包括以下步骤：

步骤十一，初始化组织体尺寸，设置组织体的参数，包括吸收系数、散射系数和各向异性因子，并获取光源和探测器位置；

步骤十二，使用近红外光激发荧光团发出荧光；

步骤十三，分别使用提出的LB模型模拟激发光和荧光的扩散过程；

步骤十四，根据步骤十三得到的结果，采用重建算法重建组织体内的荧光团浓度。

7.根据权利要求6所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述步骤十一中的组织体模拟所有组织的光学参数，所述的荧光团能够设置为任意数量、尺寸大小及位置。

8.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述组织体包括第一组织体、第二组织体、第三组织体，组织体是填充有脂肪乳的参数确定的仿体。

9.根据权利要求8所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述组织体是基于荧光扩散断层成像这一应用使用的具体介质。

10.根据权利要求1所述的基于格子波尔兹曼模型的光在介质中传播的描述方法，其特征在于，所述扩散系数控制LB模型的扩散速度，对常用扩散系数进行优化，利用朗伯-比尔定律设计出与组织体厚度和荧光光强相关的扩散系数。