CN111122472B - 利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法，首先计算以脂肪乳液为液态仿体的衰减系数和吸收体的衰减系数；通过测得的互相关值和计算得出的脂肪乳液的衰减系数，水的衰减系数，计算出放入吸收体的大小；最高互相关值与最低互相关值之间的夹角即为所求相切角，满足一定关系，通过该关系可以计算出距离；从互相关随角度的变化曲线，得出异质物的初始位置所对应的角度，即θ₁为从x轴正向转到该位置转过的角度；该方法通过得到的透射信号互相关值可以得出异质物在不同位置下的光衰减情况，通过与衰减系数，路径建立联系，可以得到异质物的大小和位置信息。

Description

利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法

技术领域

本发明涉及混沌激光技术领域，尤其涉及的是一种利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法。

背景技术

光学检测由于激光技术的发展在过去几十年有了显著的进步，由于其无创性和高灵敏度及独特的分辨能力等优势用以探测人类身体，例如：组织的探测，乳腺癌的检测，大脑功能性的监测。在早期研究学者已经实现通过记录人类组织的连续光强度的改变来描述组织的光学特性。1999年J.J.A.Marota采用32个不同波长的连续光源实现了光散射层析成像，并成功检测生物组织的血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度(A.M.Siegel J.J.A.Marota andD.A.BoasDesign and evaluation of a continuous-wave diffuse optical tomographysystem.Optics Express.4(8):287-298，1999.)，但这种方法不能够测得完整的光学信息，而且容易受到外界环境的干扰。随着超短激光技术的发展，使用超短脉冲作为光源进行光学检测，当脉冲激光进入到组织或者从组织表面发射回来时，脉冲会发生展宽现象，叫做时间点扩展函数，时间点扩展函数包含了组织体丰富的信息，同时通过时间点扩展函数可以知道更多的细节。相比于连续激光，因为对探测器的要求较高，脉冲响应不能很好的与探测器和示波器的带宽相匹配，同时，使用脉冲光源使得实验装置会非常昂贵所以使用脉冲作为光源来进行成像更为复杂。为了实现更高的成像分辨率，学者们使用可调制的伪随机码相关法进行光学检测。

伪随机序列调制低功率激光开始用于探测异质物，2003年Nan Guang Chen课题组通过采用伪随机码的声光调制半导体激光器输出伪随机的脉冲序列，并用于散射光层析研究，实现了点扩展函数为0.6ns的分辨率(Nan Guang Chen and Quing Zhu Time-resolveddiffusive optical imaging usingpseudo-random bit sequences.Optics Express.11(25)；3445-3544,2003.)这种方法可以提高信号测量精确度和探测范围，但是在调制过程中容易受到电子器件的影响，不能改善系统性能。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种利用混沌互相关法对生物仿体中的异质物的大小和位置进行探测的方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算以脂肪乳液为液态仿体的衰减系数和吸收体的衰减系数，选择水作为吸收体，使用与脂肪乳液相同的方法来计算吸收体的衰减系数；当混沌光源通过含有异质物的脂肪乳液时，光的吸收和光的散射会引起光的损耗；光的传播可通过光损耗定律来表示：

I＝I₀e^-αd (1)

I₀为经过圆杯的强度，I为经过装有脂肪乳液圆杯后的强度，α是衰减系数,d为经过脂肪乳液时通过的路径；经过互相关运算后，得到的互相关满足下式：

R₁₂(τ)＝<(y₁(t)-<y₁(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (2)

y₁为没有经过损耗后到达探测器探测信号，y₂为参考信号，R₁₂为探测信号和参考信号经过互相关运算后在一定延迟时间下得到的互相关峰值，在等式中，尖括号表示进行了平均计算；当光束通过脂肪乳液时，可得到探测信号y₁′，互相关满足下式：

R₁₂'(τ)＝<(y₁'(t)-<y₁'(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (3)

通过转换，可得到下式：

使用公式(4)，计算出通过脂肪乳液时的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂。

当光束通过带有异质物的中心时，平均衰减系数α：

α＝-α₁+2(α₁-α₂)r/d (5)

当光束通过脂肪乳液时，有两种情况：光束通过异质物，然后通过脂肪乳液，到达探测器,得到的互相关R₁₂”(τ)会随着装置的转动而变化；光束直接通过脂肪乳液到达探测器，得到互相关R₁₂'(τ)；

设定直角坐标系，光束沿y轴负方向传播；当光束通过异质物中心时，已知通过脂肪乳液的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂，通过公式(4),(5)：可得到下式：

步骤2：通过测得的互相关值和计算得出的脂肪乳液的衰减系数α₁，水的衰减系数α₂，计算出放入吸收体的大小；当装置在转动时，存在特殊点可使半径与异质物距圆杯中心的距离建立关系，当光束通过异质物中心时，由于在水中传播的路径最长，在脂肪乳液的传播路程最短，所以损耗最低，互相关值最高，继续旋转装置，当光束打到小试管边缘时，由于光在玻璃边缘的散射使得互相关值最低，再增加角度时，互相关值增加；

当光束通过异质物中心，对透射光信号进行采集，发现在这个位置处会有最大的透射光强度，主要是因为光信号在传播过程中通过水的路径最长，而且水的衰减系数小于脂肪乳液的衰减系数，损耗最小；将计算得出的衰减系数及最高互相关值代入公式(6)中，便可以得到放入圆杯的异质物大小；

步骤3:最高互相关值与最低互相关值之间的夹角即为所求相切角，满足

通过该式可以计算出距离l；

步骤4:从互相关随角度的变化曲线，得出异质物的初始位置所对应的角度，即θ₁为从x轴正向(θ＝0°)转到该位置转过的角度；

步骤5：异质物的位置坐标为

本发明提出了利用混沌互相关法对生物仿体中的异质物的大小和位置进行探测的方法，该方法通过得到的透射信号互相关值可以得出异质物在不同位置下的光衰减情况，通过与衰减系数，路径建立联系，可以得到异质物的大小和位置信息。该方法在测量的过程中能够避免噪声的干扰，在一定程度上能够促进生物医学检测的进步。

附图说明

图1：混沌激光的时序和自相关特征；(a)时序图；(b)自相关曲线；

图2：混沌激光产生实验装置；

图3：实验探测系统图；

图4：待探测目标；

图5：光路图；

图6：通过不同介质的互相关；

图7：互相关值随角度变化曲线；

图8：关键点的互相关；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

混沌激光是激光器的一种不稳定输出，混沌激光由于类噪声及随机性强，在时序上和伪随机码相似，如图1(a)，混沌激光的自相关具有类delta函数的特征，如图1(b)，能够解决伪随机码在调制使用中的带宽限制，同时也避免了在调制过程中的噪声干扰。

如图2所示，在本实施例中，源(Ⅰ)可以控制混沌激光的产生，一级放大(Ⅱ)可以改变输出激光的功率。半导体激光器(LD-1)由泵浦电源驱动，经过波分复用器(WDM-1)、一定长度的掺镱光纤(YDF)(用于增益介质)、然后经过单模光纤(SMF)、光耦合器1(OC-1)改变输出信号的比率，将输出信号分为10％和90％两路，一路90％通过偏振控制器(PC)、偏振无关隔离器1(ISO-1)可以改变混沌激光的输出状态，通过环型结构的腔，在非线性克尔效应下，达到了激光产生的条件，泵浦能量，增益，所以可以实现混沌激光的输出。然后一路10％进入光耦合器2(OC-2)，经过光耦合器2(OC-2)分为95％和5％两路，一路95％进入偏振无关隔离器2(ISO-2)，然后光信号通过波分复用器(WDM-2)进入掺镱光纤进行放大，实现99:1信号的输出。

本实施例中通过调整偏振控制器和泵浦电流可以输出1070nm，24mW的光信号，如图3所示，我们使用99:1的光耦合器将混沌信号分为两路，99％一路经过光纤准直器准直后的光信号通过含有异质物的一定浓度的脂肪乳液，经过探测器1(PD1)接收的光信号是探测信号y₁(t),另外一路1％经过准直的光信号被探测器2(PD2)直接接收的是参考信号y₂(t),光信号通过光电探测器进行光电转换，转换后的电信号在示波器上进行显示。然后将采集的两路电信号在电脑上进行存储，通过互相关程序对两路电信号进行互相关运算。通过电信号互相关峰值的改变，可以得到在脂肪乳液中异质物的大小和位置信息。

本实施例中要探测的目标是放置在一个圆形玻璃杯中装有水的小试管，圆杯直径为6.05cm(内径为5.45cm)用来装一定浓度的脂肪乳液，如图4所示。该圆杯被固定在用3D打印机打印的底座上，圆杯和小试管作为一个整体，使用旋转平台可以进行0°-360°的旋转。准直光源固定在电位移平台，探测器被固定在玻璃杯另一侧平台上，另外一个用来探测参考信号的探测器被固定在光学夹具上。

步骤1：首先计算以脂肪乳液为液态仿体的衰减系数和吸收体的衰减系数，在本实施例中选择水作为吸收体，使用与脂肪乳液相同的方法来计算吸收体的衰减系数。当混沌光源通过含有异质物的脂肪乳液时，光的吸收和光的散射会引起光的损耗。光的传播可通过光损耗定律来表示：

I＝I₀e^-αd (1)

I₀为经过圆杯的强度，I为经过装有脂肪乳液圆杯后的强度，α是衰减系数,d为经过脂肪乳液时通过的路径，使用光损耗定律可以定性来分析光的衰减程度。我们知道电压值与光强度是成正比例关系的。在测量强度的过程中，信号容易受到外界环境的干扰，而互相关法具有很强的抗干扰性，经过互相关运算后，得到的互相关满足下式：

R₁₂(τ)＝<(y₁(t)-<y₁(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (2)

y₁为没有经过损耗后到达探测器探测信号，y₂为参考信号，R₁₂为探测信号和参考信号经过互相关运算后在一定延迟时间下得到的互相关峰值，在等式中，尖括号表示进行了平均计算；当光束通过脂肪乳液时，可得到探测信号y₁′，互相关满足下式：

R₁₂'(τ)＝<(y₁'(t)-<y₁'(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (3)

通过转换，可得到下式：

在圆杯中分别加入脂肪乳液和水，并测得对应的入射前后互相关值，通过理论分析后，使用公式4,就可以直接计算出通过脂肪乳液时的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂。

当光束通过带有异质物的中心时，平均衰减系数α，使用下式来得出：

α＝-α₁+2(α₁-α₂)r/d (5)

当光束通过脂肪乳液时，有两种情况：光束通过异质物，然后通过脂肪乳液，到达探测器,得到的互相关R₁₂”(τ)会随着装置的转动而变化；光束直接通过脂肪乳液到达探测器，得到互相关R₁₂'(τ)。光路图如图5所示，大圆代表圆杯，小圆代表异质物,为了计算和分析，设定直角坐标系，光束沿y轴负方向传播。

当光束通过异质物中心时，已知脂肪乳液时的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂，通过公式(4),(5)：可得到下式：

本实施例中所采用的光纤激光可输出24mW的混沌光信号(在探测器探测范围内)，其中一个探测器分别用来探测经过空杯、装有水的圆杯、装有脂肪乳液的圆杯的透射光信号，另外一个探测器直接测得参考信号，在测出入射前后的信号互相关值及通过的路径后直接代入公式4，可得到通过相应介质的衰减系数。通过测得10次归一化后经过空杯的光信号，装有水、脂肪乳液的圆杯等不同条件下的透射光信号，得到的10次通过不同介质的互相关值如图6所示，求得平均值，通过计算后得到的水的衰减系数，脂肪乳液的衰减系数，分别为13.0856m^-1,22.4717m^-1。

然后将装有水的小玻璃试管，外径为13.12mm(内径为11.52mm)放在y轴靠近光源的离原点13.54mm处(θ＝90°)，然后将装置从θ＝0位置处进行逆时针旋转，光束将会以一定角度入射，随着角度的增加，玻璃试管对光束的反射开始增强，而且光束通过水的路径将会减少，通过脂肪乳液的路径增多，这意味着光信号在传播过程中损耗会更多，故测得的透射信号互相关值将会降低，当光束与玻璃边缘相切时，此时的反射率最大，故互相关值会降到最低，这个情况会成为之后判断相切角的重要因素。因为在旋转的过程中，装置是对称的，所以小玻璃试管会与光束相切4次，以测得的10次放入脂肪乳液的透射互相关平均值作为基准，对旋转过程中测得的互相关值进行归一化，可以将其划分为两个区域：有异质物，和无异质物区域，当互相关值在1附近波动时，代表光束直接通过脂肪乳液，没有经过异质物，当互相关值变化范围较大，那么光束通过了异质物，异质物的位置会对光束产生不同的影响，如图7所示，可得到互相关值随角度的变化曲线。

在图7(a)中,图中关键点的坐标为A(0°,1.118)，B(28°,-8.64E-04)，C(151°,4.18E-05)，D(180°,1.094)，E(207°,0.001)，F(333°,9.50E-04)，G(360°,1.119)。

步骤2：通过测得的互相关值和计算得出的脂肪乳液时的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂，算出放入吸收体的大小。当装置在转动时，存在特殊点可使半径与异质物距圆杯中心的距离建立关系，当光束通过异质物中心时，由于在水中传播的路径最长，在脂肪乳液的传播路程最短，所以损耗最低，互相关值最高，继续旋转装置，当光束打到小试管边缘时，由于光在玻璃边缘的散射使得互相关值最低，再增加角度时，互相关值增加；

当角度为0°时，对透射光信号进行采集，发现在这个初始位置处会有最大的透射光强度，主要是因为光信号在传播过程中通过水的路径最长，而且水的衰减系数小于脂肪乳液的衰减系数，损耗最小。将计算得出的衰减系数及最高互相关值即图7(a)A点代入公式6中，便可以得到放入圆杯的异质物大小。计算得出放入异质物的半径大小为5.94mm。当旋转到28°时，此时通过示波器观察到的电信号强度基本接近噪声水平，而且此后再旋转时，信号强度会增加，那么在此时认为光束达到了玻璃试管的边缘。

步骤3:最高互相关值与最低互相关值之间的夹角即为所求相切角，满足

通过该式可以计算出距离l；

由于最高互相关点与最低互相关点之间的间隔即为相切角，则对光束通过小试管边缘时对应的4个相切角进行记录，得到的相切角分别为28°，29°，27°，27°。求得平均相切角度值为27.75°。代入公式

中，通过之前算得的半径大小以及记录得到的相切角度可以计算出异质物的中心与圆杯中心的距离l为12.76mm。

步骤4:从本实施例中的互相关随角度的变化曲线，可以得出异质物的初始位置所对应的角度，即θ₁为从x轴正向(θ＝0°)转到该位置转过的角度。因为初始位置与最大透射光信号(此时异质物与X轴正向夹角为90°)处的夹角为0，所以θ₁＝90°。

步骤5：异质物的位置坐标为

本例中，通过计算可得到小玻试管的位置坐标为(0，12.76mm)。

然后在同样的条件下，将小玻璃试管向y轴负方向移动，位置为靠近光源离原点8.68mm处，将计算得出的衰减系数及入射透射互相关值即图7(b)B点代入公式6中，计算得出放入异质物的半径大小5.90mm.转动装置，可以在图7(b)中得到互相关值随角度变化曲线，图中关键点的坐标为A(21°,-0.002)，B(69°,1.117)，C(116°,-2.93E-04)，D(202°,-5.45E-04)，E(249°,1.095)，F(295°,-0.002)。与图7(a)的区别是，因为与圆杯中心的距离减少，那么光束便可以经过更多角度才能达到相切角度，通过记录得到4个相切角度分别为48°，47°，47°，46°，得到的平均相切角度为47°代入公式

l为8.07mm,当在点B时，互相关值达到最大，此时异质物与X轴的夹角为90°，同时在图7(b)中，初试位置0°与点B之间的夹角为69°，故θ₁为21°，故得到小玻璃试管的位置坐标为(7.53mm，2.89mm)，然后在图8给出了图7(a)中两个点A和B的互相关。

当在旋转的过程中，光束直接通过脂肪乳液时，由于小玻璃试管在不同的位置会导致光子与玻璃试管之间的相互作用(光子碰到玻璃壁进行了不同程度的反射，折射等)不同，所以在图中所看到的互相关值会出现波动。在这将异质物分为靠近光源和远离光源的情况，可以发现，当异质物在靠近光源处时，得到的互相关值要高于在远离光源处的互相关值，主要因为光束在入射时，会因为不同介质发生反射，导致在远离光源处时，在脂肪乳液中经过的路径更多，所以损耗加大，引起互相关值的减少。当放入水作为异质物时，由于水的衰减系数小于脂肪乳液的衰减系数，当通过水的路径最长(即小试管内径)时，得到的衰减最小，所以会出现最大的透射强度，通过得到的最大透射信号的互相关值及相切角度，可以对放入的异质物进行半径大小的计算及位置的探测。通过互相关值进行计算得到的结果比较精确，主要是因为使用透射光强度时，容易受到外界环境的干扰，而进行互相关运算，由于噪声和信号互相关值是0，得到的结果是两个有效信号的互相关值，避免了噪声的干扰，同时采用平均值计算又减少了误差，所以得到的结果更加准确。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用混沌激光探测生物仿体中异质物大小和位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算以脂肪乳液为液态仿体的衰减系数和吸收体的衰减系数，选择水作为吸收体，使用与脂肪乳液相同的方法来计算吸收体的衰减系数；当混沌光源通过含有异质物的脂肪乳液时，光的吸收和光的散射会引起光的损耗；光的传播可通过光损耗定律来表示：

I＝I₀e^-αd (1)

I₀为经过圆杯的强度，I为经过装有脂肪乳液圆杯后的强度，α是衰减系数,d为经过脂肪乳液时通过的路径；经过互相关运算后，得到的互相关满足下式：

R₁₂(τ)＝<(y₁(t)-<y₁(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (2)

y₁为没有经过损耗后到达探测器探测信号，y₂为参考信号，R₁₂为探测信号和参考信号经过互相关运算后在一定延迟时间下得到的互相关峰值，在等式中，尖括号表示进行了平均计算；当光束通过脂肪乳液时，可得到探测信号y₁′，互相关满足下式：

R₁₂'(τ)＝<(y₁'(t)-<y₁'(t)>)(y₂(t-τ)-<y₂(t-τ)>)> (3)

通过转换，可得到下式：

使用公式(4)，可计算出通过脂肪乳液时的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂；

当光束通过带有异质物的中心时，平均衰减系数α：

α＝-α₁+2(α₁-α₂)r/d (5)

当光束通过脂肪乳液时，有两种情况：光束通过异质物，然后通过脂肪乳液，到达探测器,得到的互相关R₁₂”(τ)会随着装置的转动而变化；光束直接通过脂肪乳液到达探测器，得到互相关R₁₂'(τ)；

设定直角坐标系，光束沿y轴负方向传播；当光束通过异质物中心时，已知通过脂肪乳液的衰减系数α₁，通过水的衰减系数α₂，通过公式(4),(5)：可得到下式：

步骤2：通过测得的互相关值和计算得出的脂肪乳液的衰减系数α₁，水的衰减系数α₂，计算出放入吸收体的大小；当装置在转动时，存在特殊点可使半径与异质物距圆杯中心的距离建立关系，当光束通过异质物中心时，由于在水中传播的路径最长，在脂肪乳液的传播路程最短，所以损耗最低，互相关值最高，继续旋转装置，当光束打到小试管边缘时，由于光在玻璃边缘的散射使得互相关值最低，再增加角度时，互相关值增加；

当光束通过异质物中心，对透射光信号进行采集，发现在这个位置处会有最大的透射光强度，主要是因为光信号在传播过程中通过水的路径最长，而且水的衰减系数小于脂肪乳液的衰减系数，损耗最小；将计算得出的衰减系数及最高互相关值代入公式(6)中，便可以得到放入圆杯的异质物大小；

步骤3:最高互相关值与最低互相关值之间的夹角即为所求相切角，满足

通过该式可以计算出距离l；

步骤4:从互相关随角度的变化曲线，得出异质物的初始位置所对应的角度，即θ₁为从x轴正向(θ＝0°)转到该位置转过的角度；

步骤5：异质物的位置坐标为

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