CN111077294A - 一种生物组织光热物性参数同时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物组织光热物性参数测量技术领域，公开了一种生物组织光热物性参数同时测量方法；建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型；在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号和温度信号；计算测量表面每个取样点处的辐射强度和温度；建立生物组织光热物性参数测量的目标函数；建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。本发明通过分阶段多步优化模块，能够合理地利用光热响应信号关于生物组织光热物性参数的敏感性；能够实现组织内部光热物性参数的非侵入式测量，为生物组织光热物性参数同时测量提供一种有效的技术方案。

Description

一种生物组织光热物性参数同时测量方法

技术领域

本发明属于生物组织光热物性参数测量技术领域，涉及一种生物组织光热物性参数同时测量方法，尤其涉及一种非侵入式测量生物组织内部光热物性参数的方法。

背景技术

生物组织光热物性参数包括吸收系数和散射系数等光学特性参数以及导热系数和比热容等热物性参数。生物组织光热物性参数信息是研究组织内部光热传输过程的基础，其准确测量对于激光诱导肿瘤热疗、生物有机体冻存及复苏、生物医学诊断等具有重要意义。

生物组织光热物性参数难以直接测量。利用生物组织表面的光响应信号(辐射强度)和热响应信号(温度)，采用数值重构的方式，可以实现生物组织内部光热物性参数的非侵入式测量。然而，生物组织的光热物性参数之间存在复杂的相关性，组织表面的光热响应信号对其内部物性参数的敏感性呈现明显的差异性，导致生物组织光热物性参数测量精度过低，严重限制了生物组织传热研究的发展与应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有方法无法实现生物组织内部光热物性参数的非侵入式同时测量，组织表面光热测量信号敏感性差别很大，生物组织光热物性参数测量精度低，严重限制了生物组织传热研究的发展与应用。

解决上述技术问题的难度：生物组织内部光热物性参数难以直接测量，需要根据表面容易获得的光热响应信息进行反演。然而，生物组织内光热信息的传输存在方向性和沿程性，且表现出强烈的各向异性，导致生物组织光热物性参数同时反演呈现严重病态性和强烈不稳定性；同时，生物组织的光热物性参数之间存在复杂的相关性，生物组织表面的光响应信息和热响应信息对其内部各类光热物性参数的敏感性具有明显差别，如何合理地融合组织表面光热多源信息，实现其内部光热物性参数的准确测量，是生物传热领域亟待解决的重要问题。

解决上述技术问题的意义：生物组织光热物性参数信息是研究组织内部光热传输过程的基础，建立准确的生物组织光热物性参数同时测量方案，实现生物组织光热物性参数的非侵入式同时测量，对于激光诱导肿瘤热疗、生物有机体冻存及复苏、生物医学诊断等具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物组织光热物性参数同时测量方法。

本发明是这样实现的，一种生物组织光热物性参数同时测量方法，所述生物组织光热物性参数同时测量方法包括以下步骤：

步骤一，采用近红外激光辐照生物组织表面，并给定生物组织光热物性参数向量E的初始猜测值，建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型；

步骤二，在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号

和温度信号

步骤三，根据生物组织内部光热传输模型，计算测量表面每个取样点处的辐射强度

和温度

步骤四，根据取样点处辐射强度信号和温度信号的测量值和模拟值，建立生物组织光热物性参数测量的目标函数；

步骤五，基于序列二次规划方案，建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。

进一步，步骤一中，所述生物组织光热物性参数向量E的具体表达式为：

E＝[κ_a,κ_s,λ]^T；

其中，κ_a代表生物组织的吸收系数，κ_s代表生物组织的散射系数，λ代表生物组织的导热系数，单位依次为m^-1、m^-1和W/(m·℃)。

进一步，步骤二中，所述采集生物组织表面辐射强度信号和温度信号的红外热像仪应为两台，其中一台为短波红外热像仪，可测量激光辐照生物组织时的组织表面出射辐射强度；另一台为长波红外热像仪，用于测量生物组织表面温度信息。

进一步，步骤一和步骤三中，所述生物组织内部光热传输模型，包括生物组织传热方程和辐射传递方程以及相应的边界条件：

生物组织传热方程：

边界条件：

辐射传递方程：

边界条件：

式中，x和y表示空间坐标，T表示温度，t表示时间；ρ表示生物组织密度，c_p表示生物组织定压比热容；Q_b＝w_bρ_bc_pb(T_b-T)表示血液流动引起的热量交换，下角标b代表血液，w_b表示血液关注率；Q_m表示新陈代谢产热，Q_r表示辐射换热源项；P表示激光功率密度，I表示辐射强度，γ表示透过率，ρ_w表示表面反射率，下角标w表示生物组织表面；L_x表示所研究生物组织的横向尺寸，L_y表示所研究生物组织的纵向尺寸；h表示对流换热系数，T_a表示环境温度；n₀表示环境折射率，n₁表示生物组织折射率，β_e表示生物组织衰减系数，满足β_e＝κ_a+κ_s；Ω'表示激光入射方向，Ω表示散射方向，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，n_w表示边界法向量。

进一步，步骤四中，所述生物组织光热物性参数测量的目标函数，包括光学特性参数测量的目标函数F_obj1和热物性参数测量的目标函数F_obj2；由于辐射强度信号主要对吸收系数和散射系数等光学特性参数敏感，而温度信号主要对导热系数敏感，因而目标函数建立如下：

进一步，步骤五中，所述序列二次规划方案，其主要目的是使上述目标函数最小化，进而得到生物组织光热物性参数；序列二次规划方案优化问题表示如下：

min F_obj(E)

s.t.c_i(E)＝0,i∈{1,2,...,m_e}；

c_i(E)≥0,i∈{m_e+1,m_e+2,...,m}

其中，c表示约束条件，m_e表示等式约束条件个数，m表示约束条件总数；上述优化问题可转化为如下二次规划子问题：

其中，d^k表示搜索方向，H^k表示如下拉格朗日方程的Hesse矩阵的近似：

其中，λ表示拉格朗日乘子；

引入如下罚函数提高序列二次规划方案的全局优化能力：

其中，r表示罚因子；生物组织光热物性参数按照下式迭代更新：

E^k+1＝E^k+α^kd^k；

其中，k表示当前迭代次数，α^k表示搜索步长，满足：

其中，θ为区间(0,1)内的参数。

进一步，步骤五中，所述分阶段多步优化模块，是对辐射强度信号和温度信号进行分离多级利用，进而对生物组织光学特性参数和热物性参数进行分阶段多步优化，即首先基于初始给定的生物组织导热系数，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj1进行优化，初步反演得到生物组织的吸收系数和散射系数，其次基于已获得的吸收系数和散射系数信息，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj2进行优化，反演得到生物组织的导热系数，然后基于更新后的生物组织导热系数，再对目标函数F_obj1进行优化，进一步优化生物组织的吸收系数和散射系数，如此往复，直至下述两个条件同时满足：

F_obj1＜ε；

F_obj2＜ε；

其中，ε表示指定的测量精度。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提出一种生物组织光热物性参数同时测量方法，该方法可以快速、简便地确定生物组织光学特性参数和热物性参数信息，实现生物组织内部光热物性参数的非侵入式同时测量。

本发明提供的生物组织光热物性参数同时测量方法，利用生物组织表面测得的辐射强度和温度信号，根据所建立的分阶段多步优化模块，优化反演得到生物组织的吸收系数、散射系数和导热系数等光热物性参数，可以快速、简便地确定生物组织光学特性参数和热物性参数信息，实现生物组织内部光热物性参数的非侵入式同时测量。本发明通过分阶段多步优化模块，能够合理地利用光热响应信号关于生物组织光热物性参数的敏感性，基于表面容易测量的辐射强度和温度信息，实现组织内部光热物性参数的非侵入式测量，为生物组织光热物性参数同时测量提供一种有效的技术方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的生物组织光热物性参数同时测量方法流程图。

图2是本发明实施例提供的激光辐照下生物组织内部光热传输示意图。

图3是本发明实施例提供的生物组织光热物性参数同时测量流程图。

图4是本发明实施例提供的真实物性参数和测量结果对应的皮肤组织表面辐射强度信号示意图。

图5是本发明实施例提供的真实物性参数和测量结果对应的皮肤组织表面温度信号示意图。

图6是本发明实施例提供的真实物性参数和测量结果对应的肝脏组织表面辐射强度信号示意图。

图7是本发明实施例提供的真实物性参数和测量结果对应的肝脏组织表面温度信号示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物组织光热物性参数同时测量方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的生物组织光热物性参数同时测量方法包括以下步骤：

S101：采用近红外激光辐照生物组织表面，并给定生物组织光热物性参数向量E的初始猜测值，建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型。

S102：在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号和温度信号。

S103：根据生物组织内部光热传输模型，计算测量表面每个取样点处的辐射强度和温度。

S104：根据取样点处辐射强度信号和温度信号的测量值和模拟值，建立生物组织光热物性参数测量的目标函数。

S105：基于序列二次规划(SQP)方案，建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。

本发明实施例提供的S101中，生物组织光热物性参数向量E的具体表达式为E＝[κ_a,κ_s,λ]^T，其中，κ_a代表生物组织的吸收系数，κ_s代表生物组织的散射系数，λ代表生物组织的导热系数，单位依次为m^-1、m^-1和W/(m·℃)。

本发明实施例提供的S102中，在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号

和温度信号

采集生物组织表面辐射强度信号和温度信号的红外热像仪应为两台，其中一台为短波红外热像仪，可测量激光辐照生物组织时的反射辐射强度；另一台为长波红外热像仪，用于测量生物组织表面温度信息。

本发明实施例提供的S103中，根据生物组织内部光热传输模型，计算测量表面每个取样点处的辐射强度

和温度

本发明实施例提供的S101和S103中，生物组织内部光热传输模型(具体参见附图2)，包括生物组织传热方程和辐射传递方程以及相应的边界条件，即：

生物组织传热方程：

边界条件：

辐射传递方程：

边界条件：

式(1)-式(7)中，x和y表示空间坐标，T表示温度，t表示时间；λ表示生物组织导热系数，ρ表示生物组织密度，c_p表示生物组织定压比热容；Q_b＝w_bρ_bc_pb(T_b-T)表示血液流动引起的热量交换，下角标b代表血液，w_b表示血液关注率；Q_m表示新陈代谢产热，Q_r表示辐射换热源项；P表示激光功率密度，I表示辐射强度，γ表示透过率，ρ表示反射率，下角标w表示生物组织表面；L_x表示所研究生物组织的横向尺寸，L_y表示所研究生物组织的纵向尺寸；h表示对流换热系数，T_a表示环境温度；n₀表示环境折射率，n₁表示生物组织折射率，κ_a表示生物组织吸收系数，κ_s表示生物组织散射系数，β_e表示生物组织衰减系数，满足β_e＝κ_a+κ_s；Ω'表示激光入射方向，Ω表示散射方向，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，n_w表示边界法向量。

本发明实施例提供的S104中，生物组织光热物性参数测量的目标函数，包括光学特性参数测量的目标函数F_obj1和热物性参数测量的目标函数F_obj2；由于辐射强度信号主要对吸收系数和散射系数等光学特性参数敏感，而温度信号主要对导热系数敏感，因而目标函数建立如下：

本发明实施例提供的S105中，序列二次规划方案，其主要目的是使上述目标函数最小化，进而得到生物组织光热物性参数；序列二次规划方案优化问题表示如下：

其中，c表示约束条件，m_e表示等式约束条件个数，m表示约束条件总数；上述优化问题可转化为如下二次规划子问题：

其中，d^k表示搜索方向，H^k表示如下拉格朗日方程的Hesse矩阵的近似：

其中，λ表示拉格朗日乘子。

引入如下罚函数提高序列二次规划方案的全局优化能力：

其中，r表示罚因子；生物组织光热物性参数按照下式迭代更新：

E^k+1＝E^k+α^kd^k (14)

其中，k表示当前迭代次数，α^k表示搜索步长，满足：

其中，θ为区间(0,1)内的参数。

本发明实施例提供的S105中，分阶段多步优化模块，是对辐射强度信号和温度信号进行分离多级利用，进而对光学特性参数和热物性参数进行分阶段多步优化(具体参见附图3)，即首先基于初始给定的生物组织导热系数，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj1进行优化，初步反演得到生物组织的吸收系数和散射系数，其次基于已获得的吸收系数和散射系数信息，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj2进行优化，反演得到生物组织的导热系数，然后基于更新后的生物组织导热系数，再对目标函数F_obj1进行优化，进一步优化生物组织的吸收系数和散射系数，如此往复，直至下述两个条件同时满足：

F_obj1＜ε (16)

F_obj2＜ε (17)

其中，ε表示指定的测量精度。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例：以下给出采用本发明方法进行生物组织光热物性参数同时测量的算例。

算例中，所研究生物组织的几何参数设置为L_x＝40cm和L_y＝40cm；生物组织的密度ρ＝1000kg/m³，定压比热容c_p＝4200J/(kg·℃)，血液灌注率w_b＝1.0×10^-3s^-1；表面对流换热系数为h＝7W/(m²·℃)，环境温度为T_a＝25℃，环境折射率n₀＝1.0，生物组织折射率n₁＝1.4，取样点数量M＝20，指定测量精度ε＝10^-6；初始给定参数向量为E＝[κ_a,κ_s,λ]＝[50,10000,1.0]，其单位依次为m^-1、m^-1和W/(m·℃)。

算例一：

以人体皮肤组织为研究对象，其真实光热物性参数为：吸收系数κ_a＝15m^-1，散射系数κ_s＝7500m^-1，导热系数λ＝0.5W(m·℃)。通过本发明所述方法测量的生物组织光热物性参数为：吸收系数κ_a＝15.0001m^-1，散射系数κ_s＝7500.0192m^-1，导热系数λ＝0.5000W(m·℃)。真实皮肤组织光热物性参数和测量结果对应的组织表面出射辐射强度和温度信号分别见图4和图5。

算例二：

以人体肝脏组织为研究对象，其真实光热物性参数为：吸收系数κ_a＝100m^-1，散射系数κ_s＝7500m^-1，导热系数λ＝0.5W(m·℃)。通过本发明所述方法测量的生物组织光热物性参数为：吸收系数κ_a＝99.9999m^-1，散射系数κ_s＝20400.0004m^-1，导热系数λ＝0.5046W(m·℃)。真实肝脏组织光热物性参数和测量结果对应的组织表面出射辐射强度和温度信号分别见图6和图7。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，所述生物组织光热物性参数同时测量方法包括以下步骤：

步骤一，采用近红外激光辐照生物组织表面，并给定生物组织光热物性参数向量E的初始猜测值，建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型；

步骤二，在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号

和温度信号T_i ^mea(i＝1,2,…,M)；

步骤三，根据生物组织内部光热传输模型，计算测量表面每个取样点处的辐射强度

和温度T_i ^cal(i＝1,2,…,M)；

步骤四，根据取样点处辐射强度信号和温度信号的测量值和模拟值，建立生物组织光热物性参数测量的目标函数；

步骤五，基于序列二次规划方案，建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。

2.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤一中，所述生物组织光热物性参数向量E的具体表达式为：

E＝[κ_a,κ_s,λ]^T；

其中，κ_a代表生物组织的吸收系数，κ_s代表生物组织的散射系数，λ代表生物组织的导热系数，单位依次为m^-1、m^-1和W/(m·℃)。

3.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤二中，所述采集生物组织表面辐射强度信号和温度信号的红外热像仪应为两台，其中一台为短波红外热像仪，可测量激光辐照生物组织时的组织表面出射辐射强度；另一台为长波红外热像仪，用于测量生物组织表面温度信息。

4.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤一和步骤三中，所述生物组织内部光热传输模型，包括生物组织传热方程和辐射传递方程以及相应的边界条件：

生物组织传热方程：

边界条件：

辐射传递方程：

边界条件：

式中，x和y表示空间坐标，T表示温度，t表示时间；ρ表示生物组织密度，c_p表示生物组织定压比热容；Q_b＝w_bρ_bc_pb(T_b-T)表示血液流动引起的热量交换，下角标b代表血液，w_b表示血液关注率；Q_m表示新陈代谢产热，Q_r表示辐射换热源项；P表示激光功率密度，I表示辐射强度，γ表示透过率，ρ_w表示表面反射率，下角标w表示生物组织表面；L_x表示所研究生物组织的横向尺寸，L_y表示所研究生物组织的纵向尺寸；h表示对流换热系数，T_a表示环境温度；n₀表示环境折射率，n₁表示生物组织折射率，β_e表示生物组织衰减系数，满足β_e＝κ_a+κ_s；Ω'表示激光入射方向，Ω表示散射方向，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，n_w表示边界法向量。

5.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤四中，所述生物组织光热物性参数测量的目标函数，包括光学特性参数测量的目标函数F_obj1和热物性参数测量的目标函数F_obj2；由于辐射强度信号主要对吸收系数和散射系数等光学特性参数敏感，而温度信号主要对导热系数敏感，因而目标函数建立如下：

6.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤五中，所述序列二次规划方案，其主要目的是使上述目标函数最小化，进而得到生物组织光热物性参数；序列二次规划方案优化问题表示如下：

其中，c表示约束条件，m_e表示等式约束条件个数，m表示约束条件总数；上述优化问题可转化为如下二次规划子问题：

其中，d^k表示搜索方向，H^k表示如下拉格朗日方程的Hesse矩阵的近似：

其中，λ表示拉格朗日乘子；

引入如下罚函数提高序列二次规划方案的全局优化能力：

其中，r表示罚因子；生物组织光热物性参数按照下式迭代更新：

E^k+1＝E^k+α^kd^k；

其中，k表示当前迭代次数，α^k表示搜索步长，满足：

其中，θ为区间(0,1)内的参数。

7.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤五中，所述分阶段多步优化模块，是对辐射强度信号和温度信号进行分离多级利用，进而对生物组织光学特性参数和热物性参数进行分阶段多步优化，即首先基于初始给定的生物组织导热系数，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj1进行优化，初步反演得到生物组织的吸收系数和散射系数，其次基于已获得的吸收系数和散射系数信息，利用序列二次规划方案对目标函数F_obj2进行优化，反演得到生物组织的导热系数，然后基于更新后的生物组织导热系数，再对目标函数F_obj1进行优化，进一步优化生物组织的吸收系数和散射系数，如此往复，直至下述两个条件同时满足：

F_obj1＜ε；

F_obj2＜ε；

其中，ε表示指定的测量精度。

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