CN107677644B - 一种多层组织体光学参数的检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层组织体光学参数的检测系统及其检测方法。本发明的检测系统包括：光源、反射光接收器、透射光接收器、处理器和输出设备；本发明测量得到多层组织体的反射率和透射率，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数；本发明有效地解算组织体光学参数，该算法所需的输入量少，且便于获得，扩大了解算组织体参数的使用场景，使得家庭和个人测量成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及属于生物信息学领域，具体涉及一种多层组织体光学参数的检测系统及其检测方法。
背景技术
测量多层生物组织体的光学参数是激光医学诊断领域的一项迫切需求。如果能够求解人体组织的光学参数，不仅有助于提高人体生理状态检测的精度，还可用于无创测量人体血液成分，例如血糖、血红蛋白等。现如今的组织体光学参数测量方法需要昂贵的大型光学设备，例如OCT，这类设备只存在于研究所或医疗机构当中，不适用于家庭或个人使用场景。
1999年J.M.Schmitt和Bonne等人提出用学相干断层成像(Optical CoherenceTomography,OCT)技术测量组织体光学参数(《Biomedical Optical Spectroscopy andDiagnostics》,1996,SP4)，在OCT中，分析散射光强与穿透深度的光系曲线来确定组织的光学参数。该方法的主要问题在于OCT设备十分昂贵，且体积巨大，且设备需要专业人员操作。人们只能到专门的医疗机构进行测量，无法满足家庭或个人使用的需求。
2016年，天津大学的高峰等人提出了一种基于空间频域测量的均匀组织体光学参数重建方法(专利申请号201610137234.X).该方法通过漫反射的反射率，在空间频域维度上与事先构造好的组织体光学模型库进行匹配，寻找最匹配的组织体光学参数作为测量结果。该方法需大量的数据样本来构建光学模型库，光学模型库数据量大，无法在嵌入式的设备中存储，不适合随身使用，同样无法满足家庭或个人使用需求。不仅如此，该方法只能用于求的吸收系数和散射系数两种光学参数，并不适用于其他光学参数(例如折射率和各项异性因子)。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多层组织体光学参数的检测系统及其检测方法。
本发明中，组织体光学参数是指吸收系数、散射系数、各项异性因子和折射率。蒙特卡罗法(Monte Carlo Modeling of Light Transport in Multilayered Tissue,MCML)为Wang L于1995年提出的光在生物组织中传播的仿真算法。
本发明的一个目的在于提出一种多层组织体光学参数的检测系统。
本发明的多层组织体光学参数的检测系统分为本地端系统和远端系统。
本发明的本地端系统的多层组织体光学参数的检测系统包括：光源、反射光接收器、透射光接收器、处理器和输出设备；其中，光源与反射光接收器位于待测的多层组织体的同侧；光源与透射光接收器分别位于待测的多层组织体的对侧；反射光接收器和透射光接收器分别连接至处理器；处理器连接至输出设备；光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强传输至处理器，处理器分别得到多层组织体的反射率和透射率；处理器初始化各组织层的厚度，并随机初始化各组织层的光学参数的数值，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数，并从输出设备输出。
本发明的远端系统的多层组织体光学参数的检测系统包括：光源、反射光接收器、透射光接收器、本地处理器、无线传输单元、远端服务器和输出设备；其中，光源与反射光接收器位于待测的多层组织体的同侧；光源与透射光接收器分别位于待测的多层组织体的对侧；光源、反射光接收器和透射光接收器分别连接至本地处理器；本地处理器还连接至无线传输单元、光源和输出设备；本地处理器控制光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强返回给本地处理器，本地处理器解算出多层组织体的反射率和透射率后，通过无线传输单元将数据传输至远端服务器；远端服务器初始化各组织层的厚度，并随机初始化各组织层的光学参数的数值，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数，并通过无线传输单元将结果返回给本地处理器，本地处理器将光学参数传输至输出设备输出。
光源采用发光二极管LED或者激光。光源包括多个波长的光，从而测量不同波长下的光学参数。反射光接收器和透射光接收器采用铟镓砷光电二极管。
本发明的另一个目的在于提供一种多层组织体光学参数的检测方法。
本发明的多层组织体光学参数的检测方法分为本地端检测方法和远端检测方法。
本发明的本地端的多层组织体光学参数的检测方法，包括以下步骤：
1)测量得到反射率和透射率：
光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强传输至处理器，处理器分别得到多层组织体的反射率和透射率；
2)初始化多层组织体和光学参数：
处理器根据所测量的多层组织体的部位，初始化各组织层的厚度，随机初始化各层的光学参数；
3)模拟单个光子在多层组织体中的传播：
处理器依据MCML算法，按照当前的组织体光学参数仿真单个光子在多层组织体中的传播，并保存光子的传播路径，然后得到仿真的透射率、反射率以及光子传播路径；
4)计算偏差和偏差梯度：
将仿真的透射率和反射率与测量的透射率和反射率对比，计算得到偏差，利用梯度的链式法则，反向求解出偏差相对于光学参数的梯度；
5)更新光学参数：
处理器根据光学参数的梯度更新光学参数，然后返回步骤3)，不断迭代循环，直到光学参数收敛或者循环次数达到设置的最大值；
6)输出光学参数：
处理器将得到的光学参数传输至输出设备输出。
本发明的远端的多层组织体光学参数的检测方法，包括以下步骤：
1)测量得到反射率和透射率：
光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强返回给本地处理器，本地处理器解算出多层组织体的反射率和透射率后，通过无线传输单元将数据传输至远端服务器；
2)初始化多层组织体和光学参数：
远端服务器根据所测量的多层组织体的部位，初始化各组织层的厚度，随机初始化各层的光学参数；
3)模拟单个光子在多层组织体中的传播：
远端服务器依据MCML算法，按照当前各层组织光学参数仿真单个光子在多层组织体中的传播，并保存光子的传播路径，然后得到仿真的透射率、反射率以及光子传播路径；
4)计算偏差和偏差梯度：
远端服务器将仿真的透射率和反射率与测量的透射率和反射率对比，计算得到偏差，利用梯度的链式法则，反向求解出偏差相对于光学参数的梯度；
5)更新光学参数：
远端服务器根据光学参数的梯度更新光学参数，然后返回步骤3)，不断迭代循环，直到光学参数收敛或者循环次数达到设置的最大值；
6)输出光学参数：
远端服务器将得到的光学参数传输至无线发射装置，无线传输单元将结果返回给本地处理器，本地处理器将光学参数传输至输出设备输出。
在步骤2)中，各组织层的厚度已知。
在步骤3)中，MCML算法包括以下五个步骤：
i.输入各组织层的光学参数P，其中包括吸收系数μa、散射系数μs、各向异性因子g和折射率n；
ii.模拟发射单个光子照射到组织体表面，该光子的能量初始值设为1，光子射入组织层当中，依照菲涅尔公式计算出折射光和反射光的能量，Et为透射光的能量，Er为反射光的能量，n1为入射组织层的折射率，n2为透射组织层的折射率，θi为入射角，θt为透射角；
iii.依据概率密度函数随机生成光子的移动步长r，将光子按照垂直方向移动步长r，如果光子到达组织层的分界处，则将光子移动至组织层分界处；
iv.模拟光子发生衰减，依据公式计算光子衰减后的能量；
v.判断光子的能量是否小于给定阈值(例如0)或者光子已射出组织体，如果是，则保存这颗光子的最终能量，然后返回步骤ii，发射下一颗光子；如果否，则依据概率密度函数和随机生成方位角ψ和θ，然后再次随机生成移动步长r,将光子按照方位角ψ和θ方向移动步长r，并返回步骤iv；如果所有光子发射完毕，则根据保存的所有光子能量计算出透射率和反射率，并输出。
在步骤5)中，根据光学参数的梯度更新光学参数 为光学参数的梯度，E为偏差R和T分别为测量得到的反射率和透射率，T’和R’分别为仿真得到的透射率和反射率。
本发明的优点：
本发明测量得到多层组织体的反射率和透射率，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数；本发明有效地解算组织体光学参数，该算法所需的输入量少，且便于获得，扩大了解算组织体参数的使用场景，使得家庭和个人测量成为可能。
附图说明
图1为本发明的多层组织体光学参数的检测系统方法的流程图；
图2为本发明中使用的MCML算法的流程图；
图3为本发明的多层组织体光学参数的检测系统的实施例一的示意图；
图4为本发明的多层组织体光学参数的检测系统的实施例二的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图3所示，本实施例采用本地端系统，多层组织体光学参数的检测系统包括：光源3、反射光接收器2、透射光接收器4、处理器1和输出设备5；其中，光源3与反射光接收器2位于待测的多层组织体6的同侧；光源3与透射光接收器4分别位于待测的多层组织体6的对侧；反射光接收器2和透射光接收器4分别连接至处理器1；处理器1连接至输出设备5。
如图1所示，本实施例对耳垂组织的光学参数进行测量，检测方法包括以下步骤：
1)测量得到反射率和透射率：
光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光，并传输至处理器，分别得到多层组织体的反射率R和透射率T；
2)初始化多层组织体和光学参数：
处理器根据所测量的多层组织体的部位，初始化耳垂组织的各组织层的厚度，随机初始化各层的光学参数P；
3)模拟单个光子在多层组织体中的传播：
处理器依据MCML算法，如图2所示，按照当前仿真单个光子在多层组织体中的传播，并保存光子的传播路径，然后得到仿真的透射率T’、反射率R’以及光子传播路径path；
4)计算偏差和偏差梯度：
将仿真的透射率和反射率与测量的透射率和反射率对比，计算得到偏差利用梯度的链式法则，反向求解出偏差相对于光学参数的梯度
5)更新光学参数：
处理器根据光学参数的梯度更新光学参数根据光学参数的梯度更新光学参数 为光学参数的梯度，E为偏差R和T分别为测量得到的反射率和透射率，T’和R’分别为仿真得到的透射率和反射率，然后返回步骤3)，不断迭代循环，直到光学参数收敛或者循环次数达到设置的最大值；
6)输出光学参数：
处理器将得到的光学参数传输至输出设备输出。
在本实施例中，光源包括四个不同波长的LED，可以测量四个不同波长下的耳垂组织光学参数。对于吸收系数和散射系数的测量误差在0.1cm-1以内，各项异性因子的误差在10-5以内，折射率的误差在10-4以内。
实施例二
如图4所示，本实施例采用远端系统，多层组织体光学参数的检测系统包括：光源3、反射光接收器2、透射光接收器4、本地处理器10，无线传输单元7、远端服务器8和输出设备5；其中，光源3与反射光接收器2位于待测的多层组织体6的同侧；光源3与透射光接收器4分别位于待测的多层组织体6的对侧；反射光接收器2和透射光接收器4分别连接至本地处理器1；本地处理器还连接至无线传输单元7和输出设备5。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种本地端系统的多层组织体光学参数的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：光源、反射光接收器、透射光接收器、处理器和输出设备；其中，所述光源与反射光接收器位于待测的多层组织体的同侧；所述光源与透射光接收器分别位于待测的多层组织体的对侧；反射光接收器和透射光接收器分别连接至处理器；所述处理器连接至输出设备；光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强传输至处理器，处理器分别得到多层组织体的反射率和透射率；处理器初始化各组织层的厚度，并随机初始化各组织层的光学参数的数值，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到偏差相对于光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数，并从输出设备输出。
2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光源采用发光二极管LED或者激光；所述光源包括多个波长的光，从而测量不同波长下的光学参数。
3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述反射光接收器和透射光接收器采用铟镓砷光电二极管。
4.一种远端系统的多层组织体光学参数的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：光源、反射光接收器、透射光接收器、本地处理器、无线传输单元、远端服务器和输出设备；其中，所述光源与反射光接收器位于待测的多层组织体的同侧；所述光源与透射光接收器分别位于待测的多层组织体的对侧；所述光源、反射光接收器和透射光接收器分别连接至本地处理器；所述本地处理器还连接至无线传输单元、光源和输出设备；本地处理器控制光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强返回给本地处理器，本地处理器解算出多层组织体的反射率和透射率后，通过无线传输单元将数据传输至远端服务器；远端服务器初始化各组织层的厚度，并随机初始化各组织层的光学参数的数值，根据MCML算法输出仿真得到的透射率、反射率以及光子传播路径，根据测量得到的反射率和透射率得到偏差相对于光学参数的梯度，通过循环迭代最终得到光学参数，并通过无线传输单元将结果返回给本地处理器，本地处理器将光学参数传输至输出设备输出。
5.如权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述光源采用发光二极管LED或者激光；所述光源包括多个波长的光，从而测量不同波长下的光学参数。
6.如权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述反射光接收器和透射光接收器采用铟镓砷光电二极管。
7.一种本地端的多层组织体光学参数的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
1)测量得到反射率和透射率：
光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强传输至处理器，处理器分别得到多层组织体的反射率和透射率；
2)初始化多层组织体和光学参数：
处理器根据所测量的多层组织体的部位，初始化各组织层的厚度，随机初始化各层的光学参数；
3)模拟单个光子在多层组织体中的传播：
处理器依据MCML算法，按照当前的组织体光学参数仿真单个光子在多层组织体中的传播，并保存光子的传播路径，然后得到仿真的透射率、反射率以及光子传播路径；
4)计算偏差和偏差相对于光学参数的梯度：
将仿真的透射率和反射率与测量的透射率和反射率对比，计算得到偏差，利用梯度的链式法则，反向求解出偏差相对于光学参数的梯度；
5)更新光学参数：
处理器根据偏差相对于光学参数的梯度更新光学参数，然后返回步骤3)，不断迭代循环，直到光学参数收敛或者循环次数达到设置的最大值；
6)输出光学参数：
处理器将得到的光学参数传输至输出设备输出。
8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于，在步骤5)中，根据偏差相对于光学参数的梯度更新光学参数 为偏差相对于光学参数的梯度，E为偏差 R和T分别为测量得到的反射率和透射率，T’和R’分别为仿真得到的透射率和反射率。
9.一种远端的多层组织体光学参数的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
1)测量得到反射率和透射率：
光源发出激发光照射至待测的多层组织体，反射光接收器和透射光接收器分别接收反射光和透射光并计算出反射光和透射光的光强，然后将反射光和透射光的光强返回给本地处理器，本地处理器解算出多层组织体的反射率和透射率后，通过无线传输单元将数据传输至远端服务器，远端服务器分别得到多层组织体的反射率和透射率；
2)初始化多层组织体和光学参数：
远端服务器根据所测量的多层组织体的部位，初始化各组织层的厚度，随机初始化各层的光学参数；
3)模拟单个光子在多层组织体中的传播：
远端服务器依据MCML算法，按照当前各层组织光学参数仿真单个光子在多层组织体中的传播，并保存光子的传播路径，然后得到仿真的透射率、反射率以及光子传播路径；
4)计算偏差和偏差相对于光学参数的梯度：
将仿真的透射率和反射率与测量的透射率和反射率对比，计算得到偏差，利用梯度的链式法则，反向求解出偏差相对于光学参数的梯度；
5)更新光学参数：
远端服务器根据偏差相对于光学参数的梯度更新光学参数，然后返回步骤3)，不断迭代循环，直到光学参数收敛或者循环次数达到设置的最大值；
6)输出光学参数：
远端服务器将得到的光学参数传输至无线发射装置，无线传输单元将结果返回给本地处理器，本地处理器将光学参数传输至输出设备输出。
10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在步骤5)中，根据偏差相对于光学参数的梯度更新光学参数 为偏差相对于光学参数的梯度，E为偏差R和T分别为测量得到的反射率和透射率，T’和R’分别为仿真得到的透射率和反射率。
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