CN102495027B - 混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于组织光学研究中的光学参数测量领域，涉及一种混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量装置，包括光源部分，探测部分，数据采集部分和计算机。光源部分包括多个不同近红外波长的激光器、多通道直接数字合成正弦信号调制器、单模光纤；探测部分包括源光纤束及其固定架、探测光纤及其固定架、电动平移台和硅光电二极管探测器，探测光纤的固定架置于电动平移台上，通过电动平移台移动探测光纤，由探测光纤采集的漫反射混合光信号经由硅光电二极管探测器转换成电信号；计算机对由数据采集部分输入的数字信号，进行数字锁相和曲线拟合，并重构出光学参数。本发明能够实现不同波长下组织体的快速，无创的离体或在体测量。

Description

混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量方法与装置

方法领域

本发明属于组织光学研究中的光学参数测量领域，具体涉及混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量方法与装置。

技术背景

由于人体组织大部分为水，而水在600-900nm(通常被称为‘近红外光测量和治疗窗口’)[1]波段是低吸收的，在此波段大多数软组织为光学混沌介质，呈现低吸收，高散射特性，因此在该波段组织体的出射光主要为漫射光，漫射光携带了组织体丰富的生理和病理信息，因此利用基于近红外光波段多波长漫射光的光学参数(吸收系数和约化散射系数)测量能够得到较为准确的组织体生理和病理信息。

基于近红外波段漫射光的光学参数测量通常采用间接测量法，首先由实验得到组织体表面的漫反射光的时空分布，其时空分布主要是由组织体的吸收系数和散射系数决定的[2-3]，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光学参数，并与相应的实测所得数据进行拟合，重构出被测组织域的光学参数。其主要的测量方法有时域(Time-Domain，TD)[4-6]、频域分辨(Frequency-Domain，FD)[7]和连续光(Continueous-Wave，CW)[8-9]测量三种方式：

时域(TD)测量法虽然具有测量信息相对完整和只需单点测量等优点，但是其测量系统价格昂贵，难以在小型实验室中进行普及。

频域(FD)测量方法一般需要200MHz以上的高频调制以实现相移测量所需的合理信噪比，实现难度较大，单频测量提供的信息有限，而多频测量系统性价比与时域测量相比不占优势，无法提供更多的组织体的功能信息。

基于连续光的多波长空间分辨光学参数测量方法已成为新兴的生物医学光子学重要研究内容之一，目前，国外的科学工作者在这方面做了大量的工作，也取得了诸多成果，而国内该方面的研究较少，该技术利用组织体的“窗口效应”和连续光的空间分辨锁相测量所提供的混沌组织体内光子漫反射的丰富信息，能够有效探测不同器官的光学参数(吸收和散射系数)，作为光检测和诊断技术，该方法在脑功能光学定位与成像，新生儿脑发育实时监护等重要领域有着广阔的应用前景。

参考文献

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发明内容

为了对现有技术不足的补充，本发明的目的在于提供一种混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量方法与装置，实现不同波长下组织体的快速，无创的离体或在体测量。本发明的技术方案如下：

一种混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量装置，包括光源部分，探测部分，数据采集部分和计算机，其中，

光源部分：包括多个不同近红外波长的激光器、多通道直接数字合成正弦信号调制器、单模光纤；每个激光器由半导体激光二极管(LD)及其相应的驱动组成，多通道直接数字合成(DDS)正弦信号调制器，各个激光器产生的不同波长的近红外激光经由单模光纤输出；

探测部分：包括源光纤束及其固定架、探测光纤及其固定架、电动平移台和硅光电二极管探测器；源光纤束与单模光纤相连，用于传导照射到混沌介质表面的入射光，探测光纤用于传导由混沌介质表面反射的漫反射混合光信号，探测光纤的固定架置于电动平移台上，通过电动平移台移动探测光纤；由探测光纤采集的漫反射混合光信号经由硅光电二极管探测器转换成电信号；

数据采集部分：用于对经过转换的电信号进行采集并进行模数转换；

计算机：对由数据采集部分输入的数字信号，进行数字锁相和曲线拟合，并重构出光学参数：吸收系数和约化散射系数。

本发明同时提供一种混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相方法，包括下列步骤：

1)由扩散理论可得到混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数，该函数是关于吸收系数μ_a、约化散射系数μ′_s和是表面源-探测距离d的函数；

2)利用不同频率的正弦信号对每个不同波长的激光器进行调制，得到不同波长的近红外混合激光信号；

3)将近红外混合激光信号作为入射光照射到混沌介质上；

4)控制电动平移台移动探测光纤固定架，对表面源-探测距离(d)进行控制，采集不同距离下的漫反射混合信号，并将其转换成电信号；

5)对转换得到的电信号进行数字锁相进行处理，得到漫反射混合信号的各个不同波长的分信号在不同表面源-探测距离d下的幅度，每个幅度值对应相应波长的分信号在不同的表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率；

6)对于每个波长，根据近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数，对步骤5得到的不同分信号的实测数据分别进行非线性最小二乘拟合；

7)利用信赖域方法求解混沌介质在相应波长下的吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s。

作为优选实施方式，假定各向同性点光源位于混沌介质表面下的z＝z₀＝1/(μ′_s+μ_a)处，真实和虚拟边界的距离为

其中，D为扩散系数，

R_eff为光子在界面发生内反射的概率，，设-对正负像源位置分别是：正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，负像源的位置在-z₀-2z_b处，则混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数如下： $R({\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′},d)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}[\frac{z_0({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_1\left(d\right)+1)}{{\mathrm{\ρ}}_1{\left(d\right)}^3}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_1\left(d\right)}+\frac{(z_0+2z_b)({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_2\left(d\right)+1)}{{\mathrm{\ρ}}_2{\left(d\right)}^3}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_2\left(d\right)}],$ 式中，μ_eff为有效散射系数，

ρ₁(d)为当表面源-探测距离为d时，正像源到表面探测点的距离，

ρ₂(d)为当表面源-探测距离为d时，负像源到的表面探测点的距离， ${\mathrm{\ρ}}_2\left(d\right)=\sqrt{{(z_0+2z_d)}^2+d^2}.$

本发明对转换得到的电信号进行数字锁相进行处理的步骤可以如下：

①先用复参考信号与漫反射混合信号相乘，使漫反射混合信号发生频移；

②将发生频移后的信号利用均值滤波器进行卷积，滤除掉发生频移后的交流分量和噪声，保留直流分量Z_K×I，再对其中的每个元素取两倍的模，便得到K个分信号在I个不同表面源-探测距离d下的幅度。

与时域(TD)测量技术和频域(FD)测量技术相比，本发明提供的空间分辨连续光(CW)测量技术的系统价格低廉，同时也能有效克服单点连续光测量无法将吸收系数和散射系数分离的缺点，另外，本发明由于采用了数字锁相不仅能够实现多个波长点的同时测量，而且还能很好地滤除各类噪声干扰，从而可大大提高测量的精确度。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

1)本发明提出的混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量装置和方法，探测部分，只是需要一根源光纤导入入射光，由一根探测光纤导出漫反射光，系统简单廉价、稳定性好，易于实现。

2)本发明可以同时测量混沌介质在多个波长下的光学参数，也可以根据需要测量某些特定波长下的光学参数。

3)本发明用数字锁相算法来实现漫反射光信号幅值的提取，除了能独自分离出各个分信号的幅值外，其中的均值滤波器能很好地除掉其他的干扰信号，大大地提高了系统测量的准确性。

附图说明

图1：本发明实施例的混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量装置结构框图。

图2：数字锁相流程图。

图3：曲线拟合流程图。

图4：/(21)个不同表面源-探测距离d下的漫反射率空间分辨归一化曲线(a)与实测数据(对应波长为830nm)形成的归一化曲线(b)。

图5：/(21)个不同表面源-探测距离d下的漫反射率空间分辨归一化曲线(a)与实测数据(对应波长为830nm)形成的归一化曲线(b)的拟合。

图6：均值滤波器的频率响应图，该图对应的是Ns＝20时的均值滤波器的频率响应，每个零值节点对应的横坐标(频率)为f＝kfs/Ns(0≤k≤Ns/2，此处Ns取20，k为整数)。

具体实施方式

本发明的具体实施方案如下：

参见图1，本发明的混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量装置，包括光源部分，探测部分，数据采集部分和数据处理部分：

光源部分包括：源光纤束、五个半导体激光二极管(LD)和相应的驱动，其波长分别为：660nm、705nm、780nm、830nm、904nm；一个5通道直接数字合成(DDS)正弦信号调制器，分别提供频率为5kHz、6kHz、7kHz、8kHz、9kHz的正弦信号分别对各个激光器进行调制，并将由各个激光器产生的激光经由单模光纤通入到源光纤束。

探测部分主要包括源光纤束及其固定架、探测光纤及其固定架、电动平移台、硅光电二极管探测器。源光纤束和探测光纤，分别传导入射光和漫反射光；源光纤束固定架固定，探测光纤固定架带动探测光纤入射端按一定间距沿源-探测端点延长线方向逐点移动；探测光纤固定架置于一个电动平移台上，电动平移台由计算机驱动，在计算机屏幕上显示有Labview控制界面，通过操作Labview控制界面控制电动平移台移动探测光纤。硅光电二极管探测器把探测光纤中漫反射光信号转换成电信号，使用时，通过调节探测器上的增益旋钮可以对该信号进行增益放大。

数据采集部分包括：一个12位数据采集卡，利用Labview控制界面进行数据采集的参数设置，对经过放大的信号进行采集并进行模数转换后被送入计算机。

计算机：由Matlab实现数字锁相和曲线拟合，其中，数字锁相对采集的多频率的混合信号进行分离并提取各分信号的幅度，曲线拟合指将解析的归一化曲线与经锁相处理后得到的实测数据的归一化值进行拟合，并重构出光学参数(吸收系数和约化散射系数)。

本发明的混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相测量方法，具体包括下列步骤：

1.由扩散理论可得到混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数

设μ_a是吸收系数，μ′_s是约化散射系数，d是表面源-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+μ_a)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

D为扩散系数，并设定一对正负像源位置分别是：正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，负像源的位置在-z₀-2z_b处，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，μ_eff为有效散射系数，

ρ₁(d)为当表面源-探测距离为d时，正像源到表面探测点的距离，

ρ₂(d)为当表面源-探测距离为d时，负像源到的表面探测点的距离，

则由扩散理论可得到混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数[10]：

$R({\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′},d)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}[\frac{z_0({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_1\left(d\right)+1)}{{\mathrm{\ρ}}_1{\left(d\right)}^3}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_1\left(d\right)}+\frac{(z_0+2z_b)({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_2\left(d\right)+1)}{{\mathrm{\ρ}}_2{\left(d\right)}^3}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ρ}}_2\left(d\right)}]$

2.通过实验获得K个波长近红外连续光在I个不同表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率实测数据。令对应第k个波长在I个不同表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率实测数据为

k＝1，2，…，K。该部分分两步完成：

(1)通过实验测得K个波长近红外连续光在I个不同表面源-探测距离d下的漫反射混合信号。用K个不同频率的正弦信号分别对K个不同波长的激光器进行调制，并将K路单频激光信号耦合成一路具有K个不同频率正弦激光信号的混合信号垂直射入混沌介质，并用探测器从探测光纤检测漫反射光信号，该漫反射光信号和入射激光信号具有相同的频率和波形，但幅度发生了衰减，也引入了噪声，本发明采用一对源-探测光纤，其中源光纤出射端固定，探测光纤入射端按一定间距沿源-探测端点延长线方向逐点移动，每移动一点采集一次数据(由数据采集卡实现)，采集的数据便是K个波长近红外连续光在I个不同表面源-探测距离d下的漫反射混合信号M[n]，0≤n≤N_s-1。

(2)将第(1)步测得的漫反射混合信号M[n]经数字锁相[11](其流程图如图2所示)进行处理，从漫反射混合信号中分离出K个分信号在I个不同表面源-探测距离d下的幅度(其元素为第k个波长在表面源-探测距离为d_i下的空间分辨漫反射率实测值，其中k＝1，2，…，K，i＝，2，…，I)，即K个波长近红外连续光在I个不同表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率实测值，每个分信号对应一个波长。则对应第k个波长在I个不同表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率实测数据为

k＝1，2，…，K。数字锁相处理漫反射混合信号分以下两步完成：

①先用复参考信号

(其中

1≤k≤K，0≤n≤N_s-1，f_k为调制频率，f_s为采样频率，N_s为采样点数，且满足f_k＝kf_s/N_s，K≤N_s/2)与漫反射混合信号相乘，使漫反射混合信号发生频移。

②将相乘后的信号与均值滤波器(

0≤n≤N_s-1，其频率响应如图6所示)进行卷积，滤除掉发生频移后的交流分量和噪声，保留直流分量Z_K×I，再对中的每个元素取两倍的模，便得到K个分信号在I个不同表面源-探测距离d下的幅度，即

其中k＝1，2，…，K，i＝1，2，…，I。

3.将混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数的归一化曲线

与K个波长在I个不同表面源-探测距离d下的实测数据的归一化值分别进行拟合，并重构出相应的光学参数(其流程图如图3所示)。令在I个不同表面源-探测距离d下的空间分辨漫反射率计算值为R(μ_a，μ′_s)＝[R(μ_a，μ′_s，d₁)，R(μ_a，μ′_s，d₂)，L，R(μ_a，μ′_s，d_I)]，对应的归一化值为

令第k个波长在I个不同源-探测距离d下的空间分辨漫反射率测量值为

对应的归一化值为

则混沌介质在第k个波长下的光学参数由求解下面最小二乘优化问题确定，即 ${[{\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′}]}^{\left(k\right)}=\mathrm{arv}{\min \left|\right|\stackrel{\‾}{R}({\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′})-{\stackrel{\‾}{R}}_k^{\left(M\right)}\left|\right|}_2^2=\mathrm{arv}\min \underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{[\stackrel{\‾}{R}({\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′},d_i)-{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{ki}}^{\left(M\right)}]}^2$

本发明采用信赖域方法[12]求解上述最小二乘优化问题，该方法是把最优化问题转化为一系列简单的局部优化问题。为方便起见，令x＝[μ_a，μ′_s]，则目标函数 $f\left(x\right)={\left|\right|\stackrel{\‾}{R}({\mathrm{\μ}}_a,{\mathrm{\μ}}_s^{\′})-{\stackrel{\‾}{R}}_k^{\left(M\right)}\left|\right|}_2^2={\left|\right|\stackrel{\‾}{R}\left(x\right)-{\stackrel{\‾}{R}}_k^{\left(M\right)}\left|\right|}_2^2,$ 其基本思想是在当前迭代点x_h附近用二次函数逼近目标函数f(x)，其中s＝x-x_h，

G_h为f(x)在迭代点x_h的Hessian矩阵

或其近似，Δ_h＞0为信赖域半径，在子问题中，明确要求x必须在x_h邻域(信赖域)内，在算法每次迭代中，求解下列信赖域子问题：

$\min q_h\left(s\right)=f\left(x_h\right)+{g_h}^{T}s+\frac{1}{2}{s}^T{G}_{h}s$

s.t||s||≤Δ_h

在信赖域算法中，根据q_h(s)与f(x)的近似程度来调整信赖域半径Δ_h，对于上面信赖域子问题的解s_h，定义比值：r_h越接近1，表明近似程度越好，应加大Δ_h，否则减小Δ_h或不变，这样使当前点x_h一步一步逼近最优解。

信赖域方法在求解上面最小二乘优化问题时，既具有牛顿法的快速局部收敛性，又具有理想的总体收敛性，而且不要求目标函数的Hessian矩阵是正定的，另外，该方法利用了二次模型来求修正量，使得目标函数的下降比线性搜索方法更有效，可通过调用Matlab优化工具箱中的lsqcurvefit()函数来实现。

该测量方法的具体操作步骤如下：

1.按照测量要求，打开相应的激光器，再打开5通道直接数字合成(DDS)正弦信号调制器相应的通道，用频率为5kHz、6kHz、7kHz、8kHz、9kHz的正弦信号分别对相应的激光器进行调制，经耦合获得由5个不同频率正弦信号组成的混合激光信号。

2.通过Labview控制界面控制电动平移台移动探测光纤固定架，对表面源-探测距离(d)进行控制。实验开始前使平移台刻度归零，记下源-探测光纤的中心距离d₁，设置光纤移动的点间距Δd(本发明中多采用0.5mm)和源-探测光纤距离取样点数I(本发明中多采用21点)，并通过数据采集控制界面设置实测信号离散化的采样点数N_s(本发明中多采用4000点)和采样频率f_s(本发明中多采用400kHz)，打开探测器，并控制数据采集卡对每个距离下进行逐点采样，得到一组5个波长近红外连续光在I个不同表面源-探测距离下的漫反射混合信号。

3.将采集卡采集得到的漫反射混合信号的离散数据用数字锁相进行处理，得到5组在I个不同源-探测距离d下的空间分辨漫反射率实测数据，每组数据对应一个波长，并对其归一化(图4中的曲线b是根据实测数据由Matlab生成的归一化曲线，对应波长为830nm)；根据扩散理论构造在不同表面源-探测距离下漫反射率的空间分辨归一化曲线(如图4中的曲线a所示)，并使该解析曲线和5组实测数据的归一化值分别进行拟合(如图5所示，本图只给出解析曲线与波长为830nm对应曲线的拟合)，重构出的5组光学参数便是混沌介质在这5个波长下的光学参数。

Claims (2)

1.一种混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相方法，包括下列步骤： 

1)由扩散理论可得到混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数，该函数是关于吸收系数μ_a、约化散射系数μ_s′和表面源—探测距离d的函数； 

2)利用不同频率的正弦信号对每个不同波长的激光器进行调制，得到不同波长的近红外混合激光信号； 

3)将近红外混合激光信号作为入射光照射到混沌介质上； 

4)控制电动平移台移动探测光纤固定架，对表面源—探测距离d进行控制，采集不同距离下的漫反射混合信号，并将其转换成电信号； 

5)对转换得到的电信号进行数字锁相处理，得到漫反射混合信号的各个不同波长的分信号在不同表面源—探测距离d下的幅度，每个幅度值对应相应波长的分信号在不同的表面源—探测距离d下的空间分辨漫反射率；其中，对转换得到的电信号进行数字锁相处理的步骤如下： 

①先用复参考信号与漫反射混合信号相乘，使漫反射混合信号发生频移； 

②将发生频移后的信号利用均值滤波器进行卷积，滤除掉发生频移后的交流分量和噪声，保留直流分量Z_K×I，再对其中的每个元素取两倍的模，便得到K个分信号在I个不同表面源—探测距离d下的幅度； 

6)对于每个波长，根据近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数，对步骤5）得到的不同分信号的实测数据分别进行非线性最小二乘拟合； 

7)利用信赖域方法求解混沌介质在相应波长下的吸收系数μ_a和约化散射系数μ_s′。 

2.根据权利要求1所述的混沌介质光学参数多波长空间分辨锁相方法，其特征在于，假定各向同性点光源位于混沌介质表面下的z＝z₀＝1/(μ_s′+μ_a)处，真实和虚拟边界的距离为

其中，D为扩散系数，

R_eff为光子在界面发生内反射的概率，设一对正负像源位置分别是：正像源在z₀为所有入射光子最初的散射位置，负像源的位置在-z₀-2z_b处，则混沌介质在近红外波段连续光的漫反射率空间分辨解析函数如下： 

式中，μ_eff为有效散射系数，

ρ₁(d)为当表面源—探测距离为d时，正像源到表面探测点的距离，

ρ₂(d)为当表面源—探测距离为d时，负像源到表面探测点的距离， 

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