CN101612034A - 重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学参数测量领域，具体涉及重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法。为实现不同波长下组织体光学参数快速、实时、无创的在体测量，本发明采用的技术方案是：可变衰减器出射的激光通过入射光纤进入混浊介质中被散射或吸收，之后由探测光纤接收来自介质表面的反射或透射激光；探测光纤测得的激光送入带有制冷功能的PMT检测器，PMT检测器输出的电子脉冲输入时间相关单光子计数模块TCSPC，时间相关单光子计数模块TCSPC得到从组织出射的时间扩展曲线并输入到计算机进行处理。本发明主要用于不同波长下组织体光学参数测量。

Description

重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法

技术领域

本发明属于组织光学研究中的光学参数测量领域，具体涉及重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法。

技术背景

随着社会的发展，人们的经济和生活水平不断提高，对医学诊断和治疗的无损性、舒适性、可靠性等方面的要求也越来越高。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻求自己有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。纵观现代的医疗技术，生物医学测量或是建立在对生物体本身信号如体温的检测、心电信号的检测，或是建立在对生物体在外界激发下产生的信号，如核磁共振成像MRI，或是生物体对外部信号的调制，如X光成像、超声等。由于生物组织的光谱特征与其分子构成直接相关，因而利用光学信息比其他医学诊断手段能获得更高的灵敏度。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支——生物医学光子学(Biomedical Photonics)也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。生物医学光子学是在组织光学这一理论基础上发展起来的光医学和光生物学。组织光学可以理解为是关于光辐射与生物组织相互作用的学问，基本研究方面首先包括研究光辐射能量在一定条件下在组织体内的分布，其次是发展在体组织光学的测量方法[1-2]。以生物医学光子学为基础的光诊断和光治疗中，生物组织光学特性在光与组织体的相互作用中扮演着重要的角色。如何确定生物组织体的光学参数，包括吸收系数、散射系数、各向异性因子、以及组织的光学穿透深度，具有非常重要的研究意义。

生物组织的光学参数测量，可分为离体测量和在体测量两种方法。离体(in vitro)测量，即测量中需要对组织体进行切片，是一种有创的(invasive)组织病理分析方法，因为在取切片的过程中可能引起组织体生物化学性质的改变；其次，手术取样具有很大的随机性，往往因为只能从所选择的部位上取出少量的组织体作为切片，所以并不一定能准确地反映出病灶组织的真实情况。此外，手术取切片方式在很大的程度上取决于医生的临床经验。再者，手术取出组织样品之后，病理分析一般需要比较长的时间，使得医生在施行手术过程中无法及时得到病理分析的反馈结果，因此不能有效地控制手术过程中对病灶的精确切除。最后，在病理分析过程，根据已经建立的组织学样本库进行比较判断，医生的主观性很大。特别是对于一些临床特殊的疑难病例，传统的病例分析就更加暴露出它的局限性。虽然采用切片法的离体组织体光学参数的测量方法在技术上已经得到解决，但由于个体差异，每个人的正常组织与病灶的光学参数可能都不一样，并且离体测量无法准确的反映组织体的功能信息。所以这方法的实际意义不大，现在的发展方向已经转向了针对个人的活体测量技术。在体(in vivo)测量(也叫活体测量)，可实现对组织体的光学参数的无创、实时测量[3]，由此可更准确获得组织体的病生理相关功能性信息，给医学诊断和治疗提供更可靠的数据。因为生物组织体的各种光学参数与活体的病、生理状态有着密切的联系，因此对组织体在体测量的研究更有实际的临床应用意义，有望实现人类疾病在体的无损光诊断。组织体的在体光学参数测量通常采用间接法，首先是利用实验测量获得组织体表面的漫反射光的时-空分布，因为当光入射到组织时，光在组织内不断的被散射和吸收，其表面漫反射光携带了组织内部的光学特征信息，其时-空分布由组织的吸收和散射等光学特性所决定[4-5]。其次，根据均质条件下扩散理论或蒙特卡洛模拟获得表面光流时-空分布及其特征参数，并与相应的实验数据进行拟合(或匹配)，重构出被测组织域的光学参数。在体测量技术依据人体不同组织所特有的光学特性实时鉴别和诊断出被检组织所处的不同生理状态，包括正常组织、良性病变组织、早期癌变组织、动脉粥样硬化和组织的功能状态等，从而实现组织病理的早期诊断[6-7]。这在临床医学应用中具有重大意义和实用价值。

由于人体组织有70％以上是水，而水在600-900nm是低吸收的(通常所称为“治疗窗口”)[8]，而在此波段大多数软组织在物理上是光混浊介质，即吸收相对较低，散射相对较强(即)，因此会有较强的散射光从组织中反射或透射出来成为可被探测到的光，从而使得在此波段的光有可能穿过几厘米深的组织体，能够获得组织体更深层次的功能信息，实现深层组织的探测。另外，近红外(NIR)组织光学测量技术的还具有以下主要优点[9-10]：a)完全无损的、非侵入、非电离辐射及实时的探测检测；b)高时间分辨率；c)直接或间接地提供的组织体解剖和生理功能信息；d)对目标运动的稳健性，潜在的便携性和低价格。其主要缺点是穿透深度较小。光在组织体中的穿透与组织体的物理成分有关，选择“治疗窗”范围内的波长可以稍微加大光的穿透深度。而分辨率可以通过采用高分辨率的探测器来实现。目前随着光源和探测器技术的改善，以及相关测量方法的改进(成像方法、记录方法等)，具有合理空间分辨率的非均匀生物组织的光学成像已成为可能。因此，利用近红外波段的光辐射进行生物组织体光学参数的检测是目前热门研究领域之一。

另外，从组织体出射的光子分类来分析，基于早期到达光弹道光和蛇形光测量组织体光学吸收系数数的方法较简单，可沿用朗伯-比尔定律，但其前提条件是：需要被测组织体厚度不大于1厘米，并且具有很小的散射系数，以避免多次散射的发生。但是生物组织体对大部分光来说呈现高散射性，对于厚度为几个厘米以上的组织，早期到达光的比例是极其有限的，因此在安全的曝光量下采用上述技术进行在体测量是不现实的。下面着重介绍利用全部可探测光能的方法，即扩散光(也称漫射光)测量技术。

基于扩散光的近红外光波段的组织体光学参数的主要测量方法有时域(Time-Domain，TD)[11-13]、频域分辨(Frequency-Domain，FD)[14]和连续光(Continueous-Wave，CW)[15-16]测量三种方式：

CW测量法具有测量系统简单、数据获取时间相对较短，但是其在单一源和探测器的距离下无法区分吸收系数和散射系数的影响，并且需要光源强度的绝对值，而在实际中，是很难校正实际入射到组织体内的光强的。

FD测量方法数据获取时间与CW相差无几。但是FD需要多频率的高频调制，在技术上实现难度较大，且测量信噪比和系统性价比均较低，无法提供更多的组织体的功能信息。而且，组织体的光学参数的变化所能够引起的相位角变化是很小的，用相位作为可测量量需要仪器的测量精度较高，所以系统价格昂贵。

与频域和连续光测量技术相比，时域(或称时间分辨)测量技术在单一源和探测器对的情况下能够提供最完整的组织体功能信息，并且具有信噪比高、灵敏度最高、线性度好的优点，是目前最具临床应用前景的组织光学参数无损在体检测技术之一。虽然时域测量系统价格高，但是随着工业和科学技术的发展，其价格呈显著下降趋势。时间分辨方法的实质是测量组织对超短激光脉冲(皮秒量级)的时间响应，一般用同步条纹扫描相机或时间相关的单光子计数(time-correlated single photon counting，TCSPC)系统检测组织表面出射光的时间分布，利用光子飞行时间的统计信息进行光学参数的测量和成像研究。

基于时间相关单光子计数技术的组织体光学参数的测量方法是当前国际学术界广泛关注的无损测量方法之一，已成为新兴的生物医学光子学的重要研究内容之一。目前，国外研究者在此方面已做了大量基础研究工作，而国内在这方面的研究却很少。该技术利用组织体的“治疗窗口“效应和皮秒时间分辨测量所提供的混浊组织体内光子散射的丰富性息，能够有效探测不同器官5-10厘米深度范围的体(Bulk)光学参数(散射和吸收系数)。作为光诊断方法，该技术在早期(乳腺、宫颈、前列腺等)癌症光学检测、脑功能光学定位与成像，新生儿脑发育实时监护、以及基于扩散荧光分子成像的肿瘤分子医学和药物开发[17]等重要研究领域都具有广阔的应用前景。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法，实现不同波长下混浊介质、组织体光学参数快速、实时、无创的在体测量。还为面向小动物分子成像的时域荧光扩散层析实验提供了背景及目标体的光学参数。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统，包括光源系统、检测系统、计算机及数据采集系统，所述的光源系统包括：三个或三个以上的半导体皮秒脉冲激光器，每个激光器能提供三个或三个以上波长的激光；多选一光开关，用于对所述的激光器进行选择切换；可变衰减器，用于对所选定的激光器所产生的激光进行适当衰减；可变衰减器出射的激光通过入射光纤进入混浊介质中被散射或吸收，由探测光纤接收来自介质表面的反射或透射激光；所述的检测系统包括：带有制冷功能的光电倍增管PMT检测器及其增益模块、时间相关单光子计数模块TCSPC，探测光纤测得的激光送入带有制冷功能的PMT检测器，PMT检测器输出的电子脉冲输入时间相关单光子计数模块TCSPC，时间相关单光子计数模块TCSPC得到从组织出射的时间扩展曲线并输入到计算机进行处理。

一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，借助于重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统实现，包括下列步骤：

(1)根据测量要求，利用多选一光开关，选择半导体激光器；

(2)稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强，再对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行系统响应测量，即指将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数即为系统脉冲响应函数；

(3)根据具体介质的尺寸和光学参数选择反射测量模式、透射测量模式或反透射相结合测量模式；利用时间相关单光子计数模块TCSPC系统测得通过介质后出射光的时间扩展曲线；

(4)根据测量方式选取扩散光模型解，并与之前测得的系统脉冲响应函数进行卷积，实现与测量过程中时间相关单光子计数模块TCSPC系统对理想时间扩展函数相同的作用；

(5)将卷积结果与实际介质表面出射光的时间扩展曲线进行拟合，此为一最小二乘问题，当达到测量所得时间扩展函数与卷积后的扩散方程之差最小时的吸收系数与约化散射系数即为混浊介质的光学参数。

所述的选择反射测量模式时，相关步骤细化为：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行空测，即将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_R ^(h)，下标R表示反射模式；

(2)置入混浊介质样品，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤接收与入射光纤同一表面上一定距离d_R处的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)；

(3)求出理想的时间扩展函数，即半无限空间外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_R ^(δ)，当样品厚度d_T与d_R的比值超过2.5倍，并采用三对正负像源时，所得光子密度的相对误差可减少至10^-5，则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_R^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-3/2}{t}^{-\frac{5}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}{e}^{(-{d_R}^2/4\mathrm{Dct})}$

$\{r_1{e}^{-{r_1}^2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-{r_2}^2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-{r_3}^2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-{r_4}^2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-{r_5}^2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-{r_6}^2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ′_s为约化散射系数，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝z₀，r₂＝-z₀-2z_b，r₃＝2d_T+4z_b+z₀，r₄＝2d_T+2z_b-z₀，r₅＝-(2d_T+4z_b-z₀)，r₆＝-(2d_T+6z_b+z₀)， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 时间相关单光子计数模块TCSPC模块设置4096个时间通道time-bin，通道宽度为17.1ps，即测量值为对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积

${\mathrm{\Γ}}_R={{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_R与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数。其中min f(μ_a，μ′_s)求使f最小时的μ_a，μ′_s值，s.t.为subject to表示满足于某μ_a，μ′_s

种约束条件，

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_R}-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_R＝Γ_R/max(Γ_R)   Γ_R ^(M)＝Γ_R ^(M)/max(Γ_R ^(M))。

所述的选择透射测量模式时，相关步骤细化为：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行空测，将入射光纤及接收光纤准直对接测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_T ^(h)，下标T表示反射模式；

(2)置入混浊介质样品，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤接收入射光透过厚度d_T为样品另一表面上的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)；

(3)求出理想的时间扩展函数，即无限平板外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_T ^(δ)，

如图4所示，表明当采用三对正负像源时可使所得的光子密度的相对误差减少到10^-5，则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_T^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-1/2}{t}^{-\frac{3}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}$

$\{r_1{e}^{-{r_1}^2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-{r_2}^2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-{r_3}^2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-{r_4}^2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-{r_5}^2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-{r_6}^2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ′_s为约化散射系数，d_R为探测距离，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝d_T-z₀，r₂＝d_T+z₀+2z_b，r₃＝d_T+4z_b+z₀，r₄＝d_T+2z_b-z₀，r₅＝3d_T+4z_b-z₀，r₆＝3d_T+6z_b+z₀， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 时间相关单光子计数模块TCSPC模块设置4096个时间通道(time-bin)，通道宽度为17.1ps，即测量值为对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积

${\mathrm{\Γ}}_T={{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_T与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_R}-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_T＝Γ_T/max(Γ_T)     Γ_T ^(M)＝Γ_T ^(M)/max(Γ_T ^(M))。

所述的选择透射和反射相结合测量模式时，相关步骤细化为：

(1)按权利要求2和权利要求4反射和透射测量方式的前三步骤进行测量得到系统脉冲响应函数Γ^(h)，反射、透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)，并分别计算得到与反透射理想的时间扩展函数的卷积Γ_R和Γ_T；

(2)将反透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)接合成一个有8192个点的数组Γ^(M)，同样取卷积Γ_R和Γ_T的前4096个点接合成一个8192个点的数组Γ，将Γ^(M)和Γ进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数，公式如下：

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ＝Γ/max(Γ)    Γ^(M)＝Γ^(M)/max(Γ^(M))。

本发明具备下列技术效果：

1)本发明是重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法，系统的稳定性好，精度高。时间相关单光子分辨技术可得到出射光子的时间扩展曲线，有效反应了光在组织体内的散射情况，并带有丰富的组织体内部信息。

2)在系统中加入光开关对多各光源进行切换控制。本系统设置了三个半导体激光器，采用三选一光开关进行光源切换，并采用Labview程序对光源之间的切换进行控制。光开关的切换速度可达到10ms，可以满足对样品的光学参数进行实时、快速测量的需要，拓宽了实验系统的波长测量范围。

3)本发明中的系统实现了光学参数的在体测量，当介质光学参数与组织体光学参数接近时，测量深度可到达5-10cm，可以测得离体测量无法准确的反映组织体的功能信息。

4)本发明系统采用Labview程序实现数据的采集，并同时对实验系统中的光开关，可变衰减器、PMT光电倍增管，单光子计数模块等进行软件控制，方便人机交互，且增强了系统的可控制性。

5)相比于已有的光学参数重构方法，采用模型“恶化”-测量匹配优化策略(即将模型计算曲线与系统响应曲线相卷积后，再与实测曲线匹配)，消除系统时间特性对测量结果的影响，从而降低对系统分辨率的要求。

6)重构过程采用了归一化光强匹配模式，有效降低了对光源稳定性要求，消除了系统精确标定任务及其误差对于重建光学参数的影响，还减少了计算时间。

7)本发明中应用外推边界条件下的时域扩散方程解析解进行光学参数重构，且可以根据介质的形状尺寸和光学特性来采用不同的解析模型和测量方式(反射式、透射式、反射与透射相结合方式进行测量)，从而提高测量精度。

8)重构算法过程由MATLAB(GUI)设计的软件界面来实现，操作简便。

附图说明

图1时间相关单光子计数测量系统的结构框图。

图2光源系统的基本结构示意图。

图3反射模型中光子密度的相对误差与正负源对数及样品厚度的关系图。

图4透射模型中光子密度的相对误差与正负源对数的关系图。

图5实际测量所得的时间扩展函数示意图。

图6半无限空间反射式测量的光学参数重建流程图。

图7无限平板透射式测量的光学参数重建流程图。

图8平板压缩反透射相结合测量的光学参数重建流程图。

具体实施方式

本发明的技术方案如下：

重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统及方法，即基于时间相关单光子计数的混浊介质光学参数测量系统及方法。

一种基于时间相关单光子计数技术的混浊介质光学参数测量装置，包括光源系统、检测系统、计算机及数据采集系统。所述的光源系统包括：三个或三个以上的半导体皮秒脉冲激光器，能够提供三个或三个以上波长的激光光源；多选一光开关，用于对所述的半导体激光器进行选择切换；可变衰减器，用于对所选定的激光器所产生的激光进行适当衰减。可变衰减器出射的激光通过入射光纤进入混浊介质中被散射或吸收，之后由探测光纤接收来自介质表面的反射或透射激光。所述的检测系统包括：光电倍增管(PMT)检测器及其增益模块、时间相关单光子计数模块(TCSPC)。探测光纤将测得的激光送入带有制冷功能的光电倍增管PMT，将PMT输出的电子脉冲送入时间相关单光子计数模块，就可以得到从组织出射的时间扩展曲线并送入计算机进行处理。

本发明同时提供一种采用上述的测量装置实现的混浊介质光学参数重构方法，包括下列步骤：

(1)根据测量要求，利用多选一光开关，选择半导体激光器；

(2)稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强。再对TCSPC系统进行系统响应测量，即将图1中的入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数即为系统脉冲响应函数；

(3)根据具体介质的尺寸和光学参数选择测量模式(反射、透射、反透射相结合)；

(4)利用TCSPC系统测得通过介质后出射光的时间扩展曲线；

(5)根据测量方式选取扩散光模型解，并与之前测得的系统脉冲响应函数进行卷积，意图实现与测量过程中TCSPC系统对理想时间扩展函数相同的作用。

(6)将卷积结果与实际介质表面出射光的时间扩展曲线进行拟合，此为一最小二乘问题，当达到测量所得时间扩展函数与卷积后的扩散方程之差最小时，我们认为此时的吸收系数与约化散射系数即为混浊介质的光学参数。

本发明中所涉及的系统进行组织光学参数测量时，首先入射光纤及接收光纤准直对接得到系统脉冲响应函数，再与选定的扩散模型进行卷积，卷积结果与系统测量得的介质表面出射光的时间扩散曲线进行数据拟合，得到介质的光学参数。

本发明中所涉及的测量系统主要由如下几部分组成(见图1)：

(1)为实验系统提供准直光源的光源系统1，以及将光源系统出射的激光导入混浊介质的入射光纤2。

(2)图中所示样品3，为生物组织体或其光学参数与组织体相似的任意混浊介质，几何形状一般为厚度3-10cm的立方体。

(3)接收来质表面反射激光的接收光纤4和接收透射激光的接收光纤5；

(4)接收光纤将探测的激光送入带有制冷功能的光电倍增管(PMT)6，PMT将实验中的弱光信号转换为电子脉冲信号。

(5)为PMT提供增益控制，并为PMT的制冷装置提供电源的光电倍增管增益模块7。

(6)对输入的电子脉冲进行计数，得到从介质表面出射的时间扩展曲线的时间相关单光子计数模块8。

(7)对整个系统进行软件控制及数据显示和处理的计算机，以及系统电源。

本发明中对光源系统加入了多选一光开关，可以在系统中放置多个半导体激光器，并由Labview软件控制光源的快速转换，满足对样品的实时测量要求，并拓宽了系统的检测范围。其具体组成如图2，包括皮秒半导体激光器，三选一光开关，可变衰减器等几个部分：

(1)皮秒半导体激光器9、皮秒半导体激光器10、皮秒半导体激光器11：系统中设置了多个波长的半导体激光光源。光源波长可在660nm、789nm、830nm中进行选择。拓宽了系统的测量范围。

(2)三选一光开关12：可以对光源进行快速转换，最快的转换速率小于10ms，满足系统对样品的光学参数进行实时、快速检测的要求。

(3)可变衰减器13：由于空测及各种模式的测量所需要的光强不同，可变衰减器调解光源出射光强，使PMT6所检测的光子数在其工作响应范围内。

本发明可以根据待测介质的尺寸以及光学特性来选择合适的测量方式。其包括反射测量方式、透射测量方式、反透射结合测量方式。各种测量前两种方式采用不同的扩散模型，从而使测量结果更符合不同介质的要求。以下将对各种测量方式进行具体的描述。

1、反射测量方式的具体测量及重构步骤如图6所示：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对TCSPC系统进行空测，将图1中的入射光纤2及接收光纤5准直对接，测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_R ^(h)(下标R表示反射模式)；

(2)置入混浊介质样品3，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤5接收与入射光纤2同一表面上一定距离d_R处的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)。

(3)图5表明实际测量所得的时间扩展函数是系统各个组成部分对理想的时间扩展函数展宽的结果，其展宽过程可以看作对理想的时间扩展函数的卷积。首先，求出理想的时间扩展函数，即半无限空间外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_R ^(δ)。但样品多为厚度d_T无限平板，因此需要多对正负源以保证其外推边界的齐次性。且样品的厚度d_T与探测距离d_R也要满足一定的关系，以吸收系数μ_a＝0.01mm^-1，约化散射系数为μ′_s＝1mm^-1的介质为例，研究正负源个数和样品厚度d_T对于探测距离d_R处光子密度大小的影响。如图3所示，当样品厚度d_T与探测距离d_R的比值超过2.5倍，并采用三对正负源时，所得光子密度的相对误差可减少至10^-5。则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_R^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-3/2}{t}^{-\frac{5}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}{e}^{(-{d_R}^2/4\mathrm{Dct})}$

$\{r_1{e}^{-{r_1}^2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-{r_2}^2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-{r_3}^2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-{r_4}^2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-{r_5}^2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-{r_6}^2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ′_s为约化散射系数，d_R为探测距离，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝z₀，r₂＝-z₀-2z_b，r₃＝2d_T+4z_b+z₀，r₄＝2d_T+2z_b-z₀，r₅＝-(2d_T+4z_b-z₀)，r₆＝-(2d_T+6z_b+z₀)， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}}.$

实验中TCSPC模块设置4096个时间通道(time-bin)，通道宽度为17.1ps，即测量值为

对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积

${\mathrm{\Γ}}_R={{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_R与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数。

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_R}-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_R＝Γ_R/max(Γ_R)    Γ_R ^(M)＝Γ_R ^(M)/max(Γ_R ^(M))

2、透射测量方式的具体测量及重构步骤如图7所示：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对TCSPC系统进行空测，将图1中的入射光纤2及接收光纤4准直对接测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_T ^(h)(下标T表示反射模式)；

(2)置入混浊介质样品3，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤4接收入射光透过厚度d_T为样品另一表面上的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)。

(3)图5表明实际测量所得的时间扩展函数是系统各个组成部分对理想的时间扩展函数展宽的结果，其展宽过程可以看作对理想的时间扩展函数的卷积。首先，求出理想的时间扩展函数，即无限平板外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_T ^(δ)。如图4所示，表明当采用三对正负源时可使所得的光子密度的相对误差减少到10^-5，则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_T^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-1/2}{t}^{-\frac{3}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}$

$\{r_1{e}^{-{r_1}^2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-{r_2}^2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-{r_3}^2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-{r_4}^2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-{r_5}^2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-{r_6}^2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ′_s为约化散射系数，d_R为探测距离，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝d_T-z₀，r₂＝d_T+z₀+2z_b，r₃＝d_T+4z_b+z₀，r₄＝d_T+2z_b-z₀，r₅＝3d_T+4z_b-z₀，r₆＝3d_T+6z_b+z₀， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}}.$

实验中TCSPC模块设置4096个时间通道(time-bin)，通道宽度为17.1ps，即测量值为

对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积

${\mathrm{\Γ}}_T={{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_T与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数。

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}_T}-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_T＝Γ_T/max(Γ_T)    Γ_T ^(M)＝Γ_T ^(M)/max(Γ_T ^(M))。

3、反透射相结合测量方式的具体测量及重构步骤如图8所示：

(1)按前面叙述的反射和透射测量方式的前三步骤进行测量得到系统脉冲响应函数Γ^(h)，反透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)，并分别计算得到与反透射理想的时间扩展函数的卷积Γ_R和Γ_T。

(2)将反透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)接合成一个有8192个点的数组Γ^(M)。同样取卷积Γ_R和Γ_T的前4096个点接合成一个8192个点的数组Γ。将Γ^(M)和Γ进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数。公式如下：

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.  0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ＝Γ/max(Γ)   Γ^(M)＝Γ^(M)/max(Γ^(M))。

参考文献：

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Claims (5)

1.一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统，包括光源系统、检测系统、计算机及数据采集系统，其特征是，所述的光源系统包括：三个或三个以上的半导体皮秒脉冲激光器，每个激光器能提供三个或三个以上波长的激光；多选一光开关，用于对所述的激光器进行选择切换；可变衰减器，用于对所选定的激光器所产生的激光进行适当衰减；可变衰减器出射的激光通过入射光纤进入混浊介质中被散射或吸收，由探测光纤接收来自介质表面的反射或透射激光；所述的检测系统包括：带有制冷功能的光电倍增管PMT检测器及其增益模块、时间相关单光子计数模块TCSPC，探测光纤测得的激光送入带有制冷功能的PMT检测器，PMT检测器输出的电子脉冲输入时间相关单光子计数模块TCSPC，时间相关单光子计数模块TCSPC得到从组织出射的时间扩展曲线并输入到计算机进行处理。

2.一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，借助于基于单光子计数混浊介质光学参数测量装置实现，包括下列步骤：

(1)根据测量要求，利用多选一光开关，选择半导体激光器；

(2)稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强，再对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行系统响应测量，即指将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数即为系统脉冲响应函数；

(3)根据具体介质的尺寸和光学参数选择反射测量模式、透射测量模式或反透射相结合测量模式；利用时间相关单光子计数模块TCSPC系统测得通过介质后出射光的时间扩展曲线；

(4)根据测量方式选取扩散光模型解，并与之前测得的系统脉冲响应函数进行卷积，实现与测量过程中时间相关单光子计数模块TCSPC系统对理想时间扩展函数相同的作用；

(5)将卷积结果与实际介质表面出射光的时间扩展曲线进行拟合，此为一最小二乘问题，当达到测量所得时间扩展函数与卷积后的扩散方程之差最小时的吸收系数与约化散射系数即为混浊介质的光学参数。

3.根据权利要求2所述的一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，所述的选择反射测量模式时，相关步骤细化为：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行空测，即将入射光纤及接收光纤准直对接，测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_R ^(h)，下标R表示反射模式；

(2)置入混浊介质样品，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤接收与入射光纤同一表面上一定距离d_R处的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)；

(3)求出理想的时间扩展函数，即半无限空间外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_R ^(δ)，当样品厚度d_T与d_R的比值超过2.5倍，并采用三对正负像源时，所得光子密度的相对误差可减少至10^-5，则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_R^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-3/2}{t}^{-\frac{5}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}{e}^{(-d_{R}2/4\mathrm{Dct})}$

$\{r_1{e}^{-r_{1}2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-r_{2}2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-r_{3}2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-r_{4}2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-r_{5}2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-r_{6}2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ_s′为约化散射系数，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝z₀，r₂＝-z₀-2z_b，r₃＝2d_T+4z_b+z₀，r₄＝2d_T+2z_b-z₀，r₅＝-(2d_T+4z_b-z₀)，r₆＝-(2d_T+6z_b+z₀)， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 时间相关单光子计数模块TCSPC模块设置4096个时间通道time-bin，门宽为17.1ps，即测量值为Γ^(M)＝[Γ^(M)(1)，Γ^(M)(2)，…，Γ^(M)(4096)]，对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数Γ^(h)＝[Γ^(h)(1)，Γ^(h)(2)，…，Γ^(h)(4096)]进行卷积： ${\mathrm{\Γ}}_R={{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_R与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数，其中

求使f最小时的μ_a，μ′_s值，

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_R-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_R}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_R＝Γ_R/max(Γ_R)    Γ_R ^(M)＝Γ_R ^(M)(max(Γ_R ^(M))。

4.根据权利要求2所述的一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，所述的选择透射测量模式时，相关步骤细化为：

(1)通过切换光开关选定一个波长的皮秒半导体激光器，稳定光源，并调节可变衰减器得到适合光强对时间相关单光子计数模块TCSPC系统进行空测，将入射光纤及接收光纤准直对接测得的时间扩展函数作为系统脉冲响应函数Γ_T ^(h)，下标T表示反射模式；

(2)置入混浊介质样品，并再次调节可变衰减器得到适合光强，由接收光纤接收入射光透过厚度d_T为样品另一表面上的出射光，从而得到实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)；

(3)求出理想的时间扩展函数，即无限平板外推边界条件下的时域扩散方程解析解Γ_T ^(δ)，如图4所示，表明当采用三对正负像源时可使所得的光子密度的相对误差减少到10^-5，则其解析解为：

${\mathrm{\Γ}}_T^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\left(4\mathrm{\πDc}\right)}^{-1/2}{t}^{-\frac{3}{2}}{e}^{-\left({\mathrm{\μ}}_a\mathrm{ct}\right)}$

$\{r_1{e}^{-r_{1}2/4\mathrm{Dct}}-r_2{e}^{-r_{2}2/4\mathrm{Dct}}+r_3{e}^{-r_{3}2/4\mathrm{Dct}}-r_4{e}^{-r_{4}2/4\mathrm{Dct}}+r_5{e}^{-r_{5}2/4\mathrm{Dct}}-r_6{e}^{-r_{6}2/4\mathrm{Dct}}\}$

其中，μ_a为吸收系数，μ_s′为约化散射系数，d_T为探测距离即样品厚度，假定各向同性点光源位于组织体表面下z＝z₀＝1/μ′_s处，采用外推边界其数值实验所得到真实和虚拟边界的距离近似为 $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 选用了三对正负像源位置分别是：第一个正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，第一个负像源的位置在-z₀-2z_b处，第二个正像源位置在2d_T+4z_b+z₀处，第二个负像源位置在2d_T+2z_b-z₀处，第三个正像源位置在-(2d_T+4z_b-z₀)处，第三个负像源位置在-(2d_T+6z_b+z₀)处，D为扩散系数，c为光子组织体中的传播速度，R_eff为光子在界面发生内反射的概率，当折射率为1.4时，经验值为0.493，z₀＝1/μ′_s，r₁＝d_T-z₀，r₂＝d_T+z₀+2z_b，r₃＝d_T+4z_b+z₀，r₄＝d_T+2z_b-z₀，r₅＝3d_T+4z_b-z₀，r₆＝3d_T+6z_b+z₀， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{3{\mathrm{\μ}}_a({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $D=\frac{1}{3({\mathrm{\μ}}_a+{\mathrm{\μ}}_s^{\′})},$ $z_b=2D\frac{1+R_{\mathrm{eff}}}{1-R_{\mathrm{eff}}},$ 时间相关单光子计数模块TCSPC模块设置了4096个时间通道time-bin，通道宽度为17.1ps，即测量值为Γ^(M)＝[Γ^(M)(1)，Γ^(M)(2)，…，Γ^(M)(4096)]，对上述解析解以0.1ps为间距进行相应的离散化，再以每171个值进行平均作为该段的光流率，共取4096段即Γ^(δ)＝[Γ^(δ)(1)，Γ^(δ)(2)，…，Γ^(δ)(4096)]，然后与空测所得到时间扩展函数

进行卷积

${\mathrm{\Γ}}_T={{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(\mathrm{\δ}\right)}\⊗{{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(h\right)};$

(4)将上述所得的卷积结果Γ_T与实际测量所得的时间扩散曲线Γ_T ^(M)进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_T-\stackrel{\‾}{{{\mathrm{\Γ}}_T}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ_T＝Γ_T/max(Γ_T)    Γ_T ^(M)＝Γ_T ^(M)/max(Γ_T ^(M))。

5.根据权利要求2所述的一种重构混浊介质光学参数的时间分辨测量方法，其特征是，其特征是，所述的选择透射和反射相结合测量模式时，相关步骤细化为：

(1)按权利要求2和权利要求4反射和透射测量方式的前三步骤进行测量得到系统脉冲响应函数Γ^(h)，反射、透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)，并分别计算得到与反透射理想的时间扩展函数的卷积Γ_R和Γ_T；

(2)将反透射测量所得的时间扩散曲线Γ_R ^(M)和Γ_T ^(M)接合成一个有8192个点的数组Γ^(M)，同样取卷积Γ_R和Γ_T的前4096个点接合成一个8192个点的数组Γ，将Γ^(M)和Γ进行拟合，利用最小二乘非线性曲线拟合中的信赖域方法求出吸收系数及约化散射系数，公式如下：

$\underset{{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}}{\min }\left|\right|\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Γ}}^{\left(M\right)}}\left|\right|$

s.t.0.001≤μ_a≤0.1，0.5≤μ′_s≤5

Γ＝Γ/max(Γ)   Γ^(M)＝Γ^(M)/max(Γ^(M))。

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