CN101513343B - 获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，属于生物医学工程学中的光学检测领域。本发明的分析方法利用易于获取的生物体中各组织光学参数和光学检测仪器的光源参数，描述生物体组织结构的矩阵和Monte Carlo模型来计算漫射特性，采用适用于多体素生物组织的光传输Monte Carlo方法，能够应用于复杂三维结构的生物体，具有较高精度和稳定性。其方法为设置漫射特性采样次数和采样间隔两个参量，并在记录模块设置引入光子移动计时功能，具有智能获取稳态/瞬态光漫射特性的特点。本发明还公开了一种获取稳态/瞬态光漫射特性的系统，包括参数输入模块、组织模型输入模块、漫射特性计算模块、漫射特性记录和模块以及漫射特性输出模块。

Description

获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程学领域中的一种光学检测方法，特别是涉及一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统及方法。

背景技术

相对于生物电、PET、fMRI等这些已被广泛应用于生物体检测的技术，光学技术具有非侵入测量，成本低廉、可便携，分辨率高等优点，并且可用于疾病防治，是一种很有潜力的新兴技术。随着它的应用发展，人们对该技术的可靠性和准确性提出了更高的要求。要解决这一问题，迫切需要获取实际光学检测中生物体的高精度光漫射特性，为仪器的研发和优化设计，光学治疗方案的优化以及光学方法在临床应用和生物医学研究提供平台。

然而，目前还没有可直接检测在体生物组织光漫射特性的方法和系统。光学积分球系统只能测量离体薄片状或液态样本的反射量和透射量。国外有少数实验室搭建出了频域或时域光子迁移测量系统，该类系统能测出光子传输的平均路径长度，但不能获取对更重要的分布类光漫射特性参数。

在获得生物组织光学参数的基础上，使用解析扩散方程方法和Monte Carlo模拟方法计算出组织的漫射特性，是一种间接获取光漫射特性的思路，对计算方法提出了较高的要求。其中，解析扩散方程方法需要边界条件，对于一般有着不同类型组织和复杂三维结构的生物体，很难求解方程，也就不能获取漫射特性参数值。Monte Carlo方法则不需要边界条件，原理上可以应用于任意生物体。目前，已经获得广泛应用且被认为精度最高的Monte Carlo软件‘MCML’(S.L.Jacques and L.Wang.″Monte Carlo modeling of light transport in tissues，″in 1995 Proc OPTICAL-THERMAL RESPONSE OF LASER-IRRADIATED TISSUE Conf.，PP.73-99.和L.Wang，S.L.Jacques，and L.Zheng，″MCML--Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues，″Comput.Methods.Programs.Biomed.，vol.47，pp.131-146，1995.)，只能计算圆柱形多层生物组织的稳态漫射特性参数，是一种简化方法，如图1所示，不能应用于普遍具有复杂结构的生物组织，且不能计算瞬态光漫射特性。

发明内容

本发明提供了一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法。该方法通过获取易于测量的生物体中各种组织的光学参数和适用于任意生物体的Monte Carlo模型来计算光的漫射特性，适用于任意结构的生物体，可智能获取稳态/瞬态光漫射特性，并具有较高精度和稳定性。

所述技术方案如下：

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，所述方法利用了光在多体素生物组织中传输的Monte Carlo模拟方法，具体包括下列步骤：

步骤A：设置采样次数和采样间隔两个参数，若选择获取稳态光漫射特性参数，则设置采样次数为1，且采样间隔大于光在目标生物组织中传输的总时间；若选择获取瞬态光漫射特性参数，则设置采样次数大于1的整数，且采样间隔小于光在目标生物组织中传输的总时间；

步骤B：将光分解成一定数目的光子，依次追踪每个光子在组织中的传输；

在追踪每个光子的过程中，每当光子移动一步后，利用该步长度和该步所处组织的折射系数计算光子完成该步移动所用的时间，更新光子在整个生物组织中已经传输的时间，并根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数，并将光子在该步产生的光吸收加到光吸收矩阵的由所计算的采样间隔序数和空间位置决定的元素中；

一旦光子逸出组织，将光子当前已经传输的时间记录到逸出光子信息中。

步骤C：当所有光子的追踪完成后，将光吸收矩阵和逸出光子信息进行统计并计算出相关的光漫射特性参量，然后输出。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，所述步骤B中，计算光子完成该步移动所用的时间采用下列公式：

t＝t₀+l·n/C

其中，t₀表示光子开始该步的时刻，l表示光子在该步移动的长度，n表示光子该步移动所经过的组织的折射系数，C表示光速，t光子完成该步移动的时刻，并设定光子入射完成的时刻为0。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，所述步骤B中，根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数采用下列公式：

n_t＝[t/T]

其中，t表示当前时刻，T表示采样间隔，n_t表示采样间隔序数，符号[]表示求取邻近的较大整数。

此外，本发明还提供了一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，该系统适用于任意结构的生物体，可智能获取稳态/瞬态光漫射特性。

所述技术方案如下：

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，包括：

参数输入模块，用于接收系统所需各种参数；

组织模型输入模块，用于将被测生物体的组织结构描述为三维结构；

漫射特性计算模块，与所述参数输入模块和组织模型输入模块分别相连接，用于计算漫射特性参量；所述漫射特性参数具体为光子入射参数、光子吸收参数、光子散射参数、光子撞击不同组织交界面参数、光子步进参数、光子逸出参数、光子湮灭参数、确定光子在界面作用点参数以及计时参数；

漫射特性记录模块，与所述漫射特性计算模块相连接，用于记录漫射特性参量；所述漫射特性参量具体为生物体内光吸收分布参量以及光子个体信息参量；

漫射特性输出模块，与所述漫射特性记录模块的输出端相连接，用于最终统计、计算漫射特性参量，并将结果输入；所述输出结果包括生物体内光吸收能量分布结果、逸出光子个体信息以及统计过的或转换过的漫射特性参量。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，所述漫射特性计算模块包括光子入射任务模块、光子吸收任务模块、光子散射任务模块、光子撞击不同组织的交界面任务模块、光子步进任务模块、光子逸出任务模块、光子湮灭任务模块、确定光子在界面作用点任务模块以及计时任务模块；还包括与所述各任务模块相连接的任务终止控制模块。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，所述漫射特性计算模块中的计时任务模块与所述光子吸收任务模块相连接，用以计算光子完成当前一步移动后的时刻以及该时刻所属的采样间隔序数。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，所述漫射特性记录模块包括生物体内光吸收分布记录模块和光子个体信息记录模块。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，所述漫射特性计算模块与所述漫射特性记录模块之间交互控制连接；所述漫射特性计算模块中执行每个光子的每一步移动后执行漫射特性记录模块，当漫射特性记录模块执行完毕后继续调用漫射特性计算模块。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，所述漫射特性输出模块包括生物体内光吸收能量分布输出模块、逸出光子个体信息输出模块以及统计过的或转换过的漫射特性参量输出模块。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明的智能获取稳态/瞬态光漫射特性分析系统及方法适用于任意结构的生物体，可智能获取稳态/瞬态光漫射特性，并具有较高精度和稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统的结构示意图；

图2是本发明提供的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统中漫射特性计算模块的计算流程图；

图3是本发明提供的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统中漫射特性计算模块的计算过程中的功能模块Hopdropintissue内部的计算流程图；

图4是应用本发明进行光漫射特性测量实施例的测试数据影像图，(a)为稳态光通量分布图，(b)为与(a)对应位置的生物体组织结构剖面图；

图5是应用本发明进行光漫射特性测量实施例的测试结果影像图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提出了一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法。该方法的基本构思在于利用量子学思想，将光分解成光子，通过追踪每个光子的随机运动来获取整体光漫射特性。

简要地说，本发明的方法通过获取易于测量的生物体中各种组织的光学参数和适用于任意生物体的Monte Carlo模型来计算光的漫射特性。根据本发明，为了得到由光学仪器和生物体样本共同决定的光漫射特性，先获取目标生物体的结构描述模型，并采集该生物体中各种组织的光学参数，包括折射系数，吸收系数，散射系数和各向异性因子，以及仪器光源特性等参数，再设置是要获取稳态还是瞬态的光漫射特性，然后将上述信息输入到光在多体素生物组织中传输的Monte Carlo模型中计算出光漫射的各种特性参数数值。该模型的基本控制流程为，先将入射光分解成具有入射光方向和位置属性的且能量初始为1的光子，用光子数表征入射光光强，追踪每个光子在目标生物组织模型中的传输过程，直到光子逸出组织或光子没有在俄罗斯轮回盘算法中复活或光子在组织中的传输时间超过设定的最大传输时间为止。

本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法具体包括下列步骤：

第一步：设置采样次数和采样间隔两个参数，若选择获取稳态光漫射特性参数，则设置采样次数为1，且采样间隔大于光在目标生物组织中传输的总时间；若选择获取瞬态光漫射特性参数，则设置采样次数大于1的整数，且采样间隔小于光在目标生物组织中传输的总时间，表示选择获取时间分辨光漫射特性参数，即获取每个采样间隔内的光漫射特性参数。

第二步：在光吸收记录模块和逸出光子信息记录模块中引入时间信息的记录。将光分解成一定数目的光子，依次追踪每个光子在组织中的传输。

在追踪每个光子的过程中，每当光子移动一步后，利用该步长度和该步所处组织的折射系数计算光子完成该步移动所用的时间，计算光子完成该步移动所用的时间采用下列公式：

t＝t₀+l·n/C

其中，t₀表示光子开始该步的时刻，l表示光子在该步移动的长度，n表示光子该步移动所经过的组织的折射系数，C表示光速，t光子完成该步移动的时刻，并设定光子入射完成的时刻为0。

更新光子在整个生物组织中已经传输的时间，并根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数，并将光子在该步产生的光吸收加到光吸收矩阵的由所计算的采样间隔序数和空间位置决定的元素中。

计算根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数采用下列公式：

n_t＝[t/T]

其中，t表示当前时刻，T表示采样间隔，n_t表示采样间隔序数，符号[]表示求取邻近的较大整数。

只要n_t小于采样次数，将该步光吸收加到光吸收记录矩阵中由光子当前所在体素的位置索引和n_t决定的某一元素中。在记录逸出光子信息中，直接将光子逸出前发生最后一步光吸收后的时刻记录下来。

第三步：当所有光子的追踪完成后，将光吸收矩阵和逸出光子信息进行统计并计算出相关的光漫射特性参量，然后输出。

本发明的方法可使用并行方式来提高响应时间，它使用多节点对不同光子的追踪同步进行，然后将不同节点的计算结果叠加到主节点进行统计，这样可以节省光子追踪时间。另外，本发明可以在计算机上以软件的方式实现，也可以硬件方式实现，如使用DSP实现，配套使用与其连接的可移动磁盘输入/输出数据。

下面是将本发明应用在实际中的测量实例。

使用光学仪器的805nm波长光源从中央位置以(45°，45°，90°)方向检测含有三个肿瘤的乳房组织进行分析光通量分布。其结果得到稳态和瞬态光通量分布，如图4(a)和图5所示。该样本生物体的剖面图如图4(b)所示，各子图相隔1cm，其中第一张子图与光源在同一平面。图4(a)与同列的图4(b)子图对应。图4(a)肿瘤处均显示出比周围更强的光通量分布，表明本发明精度较高。图5中光通量分布随着时间推移而变化，在前3ns均可见肿瘤处光通量相对周围区域较强。现有的‘MCML’软件无法应用于这种三维复杂结构的生物体。该应用实例表明本发明的方法确实可应用于复杂结构的生物体，能够获得瞬态光漫射特性，具有较高的稳定性。

本发明还提出了一种可以实现获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统。

如图1所示，本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统的主要结构包括参数输入模块1、组织模型输入模块2、漫射特性计算模块3、漫射特性记录模块4以及漫射特性输出模块5。

其中，参数输入模块1用于接收分析系统的各种输入参数。其各种参数主要包括：组织模型参数，即组织模型文件名、描述生物体所有类型组织模型中体素大小和模型大小、传输特性类型的设置，这两类参数根据实际情况由手动填写。仪器光源参数，即光源位置、方向及表征光源强度的光子包个数，在具体应用中，可以用空间定位仪测出光的方向和位置，用光功率计测出光源强度并转换为光子包个数或参照此数据填写一个表征值。组织模型的光学参数，即模型中各类组织的折射系数、吸收系数、散射系数和各向异性因子，组织模型的光学参数可使用时间分辨仪等高频仪器测量；但更好的方法是查阅有关测量各类生物组织光学参数的文献，建立一个数据库，从该库中调出组织模型中各类组织的相应光学参数。此外还包括输出漫射特性参数的稳态或瞬态类型设置，以及组织模型文件名和漫射特性输出文件名。

与参数输入模块1并列进行信息输入的是组织模型输入模块2。组织信息输入模块2将组织结构描述为三维数字矩阵，矩阵中每一个元素描述生物体中对应位置的体素所属的组织类型；同类组织均用相同数字表示。在具体应用中，可以利用目标生物体的切片图像集，将其中同类组织的像素用同一数值标识，然后转换成三维矩阵。在不需要高精度仿真生物体结构、或目标生物体结构简单的情况下，一个更好的方法是利用常用软件EXCEL或MATLAB直接写出示意性的组织模型矩阵。

与参数输入模块1和组织模型输入模块2分别相连接的是漫射特性计算模块3。漫射特性记录模块4包括生物体内光吸收分布记录模块和光子个体信息记录模块。漫射特性计算模块采用光在多体素生物体中传输的方法，包括多个任务模块和一个任务终止控制模块。其中每一任务模块对传输过程的一种效应。多个任务模块包括描述光子传输过程中各种光学效应的处理模块：包括光子入射任务模块、光子吸收任务模块、光子散射任务模块、光子撞击不同组织的交界面任务模块，光子步进任务模块，光子逸出任务模块，光子湮灭任务模块、确定光子在界面作用点任务模块以及计时任务模块这九个任务模块。漫射特性计算模块3中的计时任务模块与光子吸收任务模块相连接，用以计算光子完成当前一步移动后的时刻以及该时刻所属的采样间隔序数。当光子逸出或超过总传输时间或没有在俄罗斯轮回盘中复活，便发生光子湮灭。任务终止控制模块连接多个任务模块，主要执行两个工作，其一是使用光子湮灭模块共同控制是否停止对某一光子的追踪，其二是用是否追踪到最后一个光子来控制是否继续追踪下一个光子的传输。该多个任务模块依光子位置与组织模型结构的关系决定。任务终止控制模块连接多个任务模块，用以控制是否继续追踪某一光子的传输，或是否开始对下一个光子传输过程的追踪。

如图2所示，在漫射特性计算模块3内，实现光子漫射计算的具体步骤如下：

步骤101：执行光子入射任务模块，将光子射入；

步骤102：检验剩余步长是否为零，是则计算一个新的剩余步长；

步骤103，判断光子是否湮灭或逸出组织表面；如果光子没有湮灭或逸出，则转入步骤104；否则转入步骤107；

步骤104：计算光子步长；

步骤105：该步骤通过软件在Hopdropintissue模块中进行，其主要执行过程包括：首先，判断光子是否遇到界面，是则执行确定作用点模块；否则执行光子步进模块；然后，执行与界面发生相互作用的模块；接下来，检验界面是否为组织与空气的界面并且光子是否发生了折射，如果是，则执行光子逸出，否则更新光子当前位置与剩余步长；该步骤的具体计算流程如图3所示；

步骤106：计算新的剩余步长；检验该剩余步长是否大于0，是则转入步骤103；否则转入步骤107；

步骤107：判断光子是否死亡，是则转入步骤111；否则转入步骤108；

步骤108：执行散射模块；

步骤109：判断光子能量是否小于设定的阈值，如果是则转入步骤110执行俄罗斯轮回盘模块；否则转入步骤102；

步骤110：如果光子在俄罗斯轮回盘中复活，则进入步骤102，否则进入步骤111；

步骤111：判断当前光子是否为最后一个光子，是则转入步骤112；否则转入步骤102；

步骤112：停止对所有光子的追踪，退出漫射计算模块。

漫射特性记录模块4与漫射特性计算模块3相连接，两模块之间可以交互控制对方的运行。当漫射特性计算模块3完成对光子移动一个步长的追踪后暂停，转而调用漫射特性记录模块4中的吸收分布记录模块，累积记录该步长穿越的体素吸收的光能量，然后调用光子个体信息记录模块，向其路径长数组添加刚经过的步长，如果逸出还要记录逸出位置、方向和时间。该模块执行完毕后重新回到漫射特性计算模块3。

漫射特性输出模块5与漫射特性记录模块4相连接，用于将漫射特性的分析结果进行输出。漫射特性输出模块5执行于记录模块最后一次被调用之后，包括三个模块，分别是生物体内光吸收能量分布输出模块、逸出光子个体信息输出模块以及统计过的或转换过的漫射特性参量输出模块。其一输出光在生物体被吸收的能量分布模块，其二输出所有逸出光子信息记录模块，最后一个模块统计所有输出的漫射特性参量，然后转换计算出其他相关特性参量，然后输出所有统计计算出的传输特性参量。前两个模块为两个记录模块最后一次执行完毕后的数据输出。

以上就是本发明的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统的基本结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，其特征在于，所述方法利用光在多体素生物组织中传输的Monte Carlo模拟方法，具体包括下列步骤：

步骤A：设置采样次数和采样间隔两个参数，若选择获取稳态光漫射特性参数，则设置采样次数为1，且采样间隔大于光在目标生物组织中传输的总时间；若选择获取瞬态光漫射特性参数，则设置采样次数为大于1的整数，且采样间隔小于光在目标生物组织中传输的总时间；

步骤B：将光分解成一定数目的光子，依次追踪每个光子在组织中的传输；

在追踪每个光子的过程中，每当光子移动一步后，利用该步长度和该步所处组织的折射系数计算光子完成该步移动所用的时间，更新光子在整个生物组织中已经传输的时间，并根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数，并将光子在该步产生的光吸收加到光吸收矩阵的由所计算的采样间隔序数和空间位置决定的元素中；

一旦光子逸出组织，将光子当前已经传输的时间记录到逸出光子信息中；

步骤C：当所有光子的追踪完成后，将光吸收矩阵和逸出光子信息进行统计，并计算出相关的光漫射特性参量，然后输出。

2.根据权利要求1所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，其特征在于，所述步骤B中，计算光子完成该步移动所用的时间采用下列公式：

                                                              

                        

其中，t₀表示光子开始该步的时刻，

表示光子在该步移动的长度，n表示光子该步移动所经过的组织的折射系数，C表示光速，t光子完成该步移动的时刻，并设定光子入射完成的时刻为0。

3.根据权利要求1所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析方法，其特征在于，所述步骤B中，根据采样间隔计算光子当前所处的采样间隔序数采用下列公式：

                         

其中， t表示当前时刻， T表示采样间隔， 

表示采样间隔序数，符号[ ]表示求取邻近的较大整数。

4.一种获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述系统包括：

参数输入模块，用于接收系统所需各种参数；所述参数具体为组织模型参数、仪器光源参数、组织模型的光学参数、输出漫射特性参数的稳态或瞬态类型以及组织模型文件名和漫射特性输出文件名；

组织模型输入模块，用于将被测生物体的组织结构描述为三维结构；

漫射特性计算模块，与所述参数输入模块和组织模型输入模块分别相连接，用于计算漫射特性参量；所述漫射特性参数具体为光子入射参数、光子吸收参数、光子散射参数、光子撞击不同组织交界面参数、光子步进参数、光子逸出参数、光子湮灭参数、确定光子在界面作用点参数以及计时参数；

漫射特性记录模块，与所述漫射特性计算模块相连接，用于记录漫射特性参量；所述漫射特性参量具体为生物体内光吸收分布参量以及光子个体信息参量；

漫射特性输出模块，与所述漫射特性记录模块的输出端相连接，用于最终统计、计算漫射特性参量，并将结果输入；所述输出结果包括生物体内光吸收能量分布结果、逸出光子个体信息以及统计过的或转换过的漫射特性参量。

5.根据权利要求4所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述漫射特性计算模块内部包括光子入射任务模块、光子吸收任务模块、光子散射任务模块、光子撞击不同组织交界面任务模块、光子步进任务模块、光子逸出任务模块、光子湮灭任务模块、确定光子在界面作用点任务模块以及计时任务模块；还包括与所述各任务模块相连接的任务终止控制模块。

6.根据权利要求5所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述漫射特性计算模块中的计时任务模块与光子吸收任务模块相连接，用以计算光子完成当前一步移动后的时刻以及该时刻所属的采样间隔序数。

7.根据权利要求4所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述漫射特性记录模块内包括生物体内光吸收分布记录模块和光子个体信息记录模块。

8.根据权利要求4所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述漫射特性计算模块与所述漫射特性记录模块之间交互控制连接；所述漫射特性计算模块中执行每个光子的每一步移动后执行漫射特性记录模块，当漫射特性记录模块执行完毕后继续调用漫射特性计算模块。

9.根据权利要求4所述的获取稳态/瞬态光漫射特性的分析系统，其特征在于，所述漫射特性输出模块包括生物体内光吸收能量分布输出模块、逸出光子个体信息输出模块以及统计过的或转换过的漫射特性参量输出模块。

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