CN117990624A - 基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法 - Google Patents

Abstract

基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，涉及生物组织组分信息检测技术领域，针对现有基于时域单光谱或者多光谱的生物组织光谱参数场及组分含量测量，所能获取的光谱信息有限，仅能对血氧含量相关参数进行探测的问题，本申请克服了目前生物组织时域谱诊断中基于单光谱或者多光谱的检测获取的光谱信息有限，仅能对血氧含量相关参数进行探测的问题，且多运用时域扩散近似模型对光子输运过程近似求解，检测参数范围及测量精度有限的问题，对于生物医学检测及诊断具有重要意义。

Description

基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法

技术领域

本发明涉及生物组织组分信息检测技术领域，具体为基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法。

背景技术

近年来随着物理学、科学算法、仪器设备等方面的更新和进步，对于疾病的诊断的探索也在逐渐深入，促进了医工交叉学科的发展。其中，漫射光学成像利用可见光和近红外光对生物组织进行非侵入式的探测和诊断，研究光与组织的相互作用过程，对探测光信号进行分析，可对组织结构或功能信息进行探测及诊断，主要应用于乳腺肿瘤诊断、脑部成像(脑功能的研究，脑障碍的辅助预防)、风湿性指关节滑液检测、小动物成像等生物医学领域，具有广泛的应用前景。

漫射光学成像利用毫瓦量级的激光进行无损诊断，而漫射光谱测量在漫射光学成像的基础上，基于单个波长下光学参数的重建模型，对于多光谱或宽光谱进行测量，得到组织在特定波段的重建光谱光学参数。其中，宽光谱测提供的波段选择范围更加广泛，根据宽光谱重建模型分析介质光学参数对于重建结果的影响，可以针对生物组织选择适当的波段范围，利于生物组织的医学诊断研究。

生物组织的光学参数与生理状态及过程相关，因此，漫射光谱测量可以完成其他传统诊断方法无法达到的功能性成像。其中，时域光谱测量精度较高，但测量难度较大，目前研究多数基于时域单光谱或者多光谱(多数选用2-3个有限光谱)进行近似测量，仅能对血氧含量相关参数进行探测，检测参数范围及测量精度有限；而时域宽光谱测量利用了宽泛波长范围内的较多谱段的漫射光进行探测，可以得到生物组织在特定波段范围的重建光谱参数场，除了可以获取血氧含量水平、氧气摄入量、新陈代谢速率等功能性信息之外，还可以对组织内部脂质、胶原蛋白、水分等重要组分的含量进行测量。因此，研究利用宽光谱测量进行的无损探测辅助诊断具有一定的必要性。

发明内容

本发明的目的是：针对现有基于时域单光谱或者多光谱的生物组织光谱参数场及组分含量测量，所能获取的光谱信息有限，仅能对血氧含量相关参数进行探测的问题，提出基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，所述方法基于测量装置实现：

所述测量装置包括：NKT短脉冲连续光源1、分光镜2、可变中性密度衰减器3、第一干涉滤波器4、第二干涉滤波器5、光电探测器6以及数据采集处理系统7，所述第一干涉滤波器4包括w个滤波片；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启NKT短脉冲连续光源1，NKT短脉冲连续光源1输出的白光通过分光镜2和可变中性密度衰减器3后，分解为单色光，单色光通过第一干涉滤波器4后，得到第一干涉滤波器4当前滤波片产生的脉冲激光，即当前光谱下的脉冲激光，脉冲激光从生物组织8的表面垂直入射，最后通过第二干涉滤波器5和光电探测器6采集生物组织8表面的反射辐射测量信号；

步骤二：重复步骤一，得到第一干涉滤波器4中w个滤波片对应的反射辐射测量信号，并将w个反射辐射测量信号发送至数据采集处理系统7，数据采集处理系统7对反射辐射测量信号进行处理，得到生物组织8表面的反射辐射测量信号Mⁱ，其中，i＝1,2,...w；

步骤三：选取第i个光谱下的脉冲激光，设生物组织8中光谱参数场的分布值初值为之后将/>带入时域辐射传输方程，得到当前脉冲激光入射下，生物组织8表面的反射辐射信号/>然后，利用/>与步骤一中的出射辐射信号Mⁱ，得到初始目标函数

步骤四：基于初始目标函数并利用共轭梯度法更新生物组织8中光谱参数场的分布值，得到第k步迭代得到的光谱参数场的分布值/> 表示为：

其中，k表示迭代次数，Δμⁱ表示光谱参数场的改变量，表示第k次迭代得到的光谱参数场的分布值，/>表示k-1次迭代得到的光谱参数场的分布值；

步骤五：将光谱参数场的分布值带入时域辐射传输方程，得到更新后的反射辐射信号Pⁱ(μⁱ)，之后，利用Pⁱ(μⁱ)步骤一中的反射辐射信号Mⁱ，得到更新后的目标函数F(μⁱ)，最后判断目标函数F(μⁱ)是否小于设定的极少值ε，若目标函数F(μⁱ)小于设定的极少值ε，则执行步骤七，否则，执行步骤六；

步骤六：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数K，若当前迭代次数达到最大迭代次数K，则使当前的光谱参数场分布值作为初值重新执行步骤三，即令/>若当前迭代次数未达到最大迭代次数K，则执行步骤四，令k＝k+1；

步骤七：当前迭代得到的光谱参数场的分布值即为第i个光谱下光谱参数场的分布值；

步骤八：重复步骤三至步骤七，得到w个不同光谱下，所有光谱参数场的分布值μⁱ；

步骤九：获取μⁱ的光谱吸收系数之后将典型生物组织重要组分宽光谱吸收光谱与光谱吸收系数/>进行线性拟合，并对组织成分进行量化处理，得到脱氧血红蛋白含量HHb、氧合血红蛋白含量O2Hb、血红蛋白总含量THb和血氧饱和度StO₂，以及水分含量H₂O、脂质含量Lipid和胶原蛋白含量Collagen中的一种或多种，即完成生物组织组分信息测量。

进一步的，所述时域辐射传输方程表示为：

其中，r表示位置，c表示组织介质内的光速，t表示时间，表示偏微分符号，/>表示哈密顿算子，Iⁱ(r,Ω,t)表示第i个光谱下r位置t时刻沿着Ω方向的辐射强度，/>和/>分别表示光谱吸收系数和光谱散射系数，βⁱ(r)表示衰减系数，gⁱ表示散射非对称因子，Φⁱ(Ω′,Ω)表示散射相函数，d表示微分符号，Ω′表示辐射方向，π表示圆周率。

进一步的，所述初始目标函数表示为：

所述更新后的目标函数F(μⁱ)表示为：

其中，表示待侧光谱参数场，/>

进一步的，所述利用共轭梯度法更新生物组织8中光谱参数场的分布值表示为：

其中，表示第w个光谱的第k次迭代的步长，/>表示第w个光谱第k次迭代的下降方向。

进一步的，所述血红蛋白总含量THb表示为：

THb＝HHb+O2Hb。

进一步的，所述组织的血氧饱和度StO₂表示为：

StO₂＝O2Hb/THb。

进一步的，所述w≥10。

进一步的，所述NKT短脉冲连续光源1输出的光谱范围为500—1250nm。

进一步的，所述光电探测器6为硅光电倍增管。

进一步的，所述光电探测器6为雪崩二极管。

本发明的有益效果是：

本申请克服了目前生物组织时域谱诊断中基于单光谱或者多光谱的检测获取的光谱信息有限，仅能对血氧含量相关参数进行探测的问题，且多运用时域扩散近似模型对光子输运过程近似求解，检测参数范围及测量精度有限的问题，对于生物医学检测及诊断具有重要意义。

本申请运用宽光谱时域短脉冲激光入射生物组织，不同波段的入射光源下，生物组织内部组分具有独特的光谱特性分布和光谱吸收峰值，结合时域模型提供丰富的时变探测信号，利用时域辐射传输模型对介质内光子传输过程进行模拟，结合反问题算法分析可以获取生物组织的光谱参数场，进一步分析可以得到生物组织内部血氧、脂质、胶原蛋白、水分等生理状态、过程、结构及功能相关组分信息。

附图说明

图1为本申请装置结构示意图；

图2为典型生物组织重要组分宽光谱吸收光谱示意图；

图3为基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测定流程图。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于所述方法基于测量装置实现：

所述测量装置包括：NKT短脉冲连续光源1、分光镜2、可变中性密度衰减器3、第一干涉滤波器4、第二干涉滤波器5、光电探测器6以及数据采集处理系统7，所述第一干涉滤波器4包括w个滤波片；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启NKT短脉冲连续光源1，NKT短脉冲连续光源1输出的白光通过分光镜2和可变中性密度衰减器3后，分解为单色光，单色光通过第一干涉滤波器4后，得到第一干涉滤波器4当前滤波片产生的脉冲激光，即当前光谱下的脉冲激光，脉冲激光从生物组织8的表面垂直入射，最后通过第二干涉滤波器5和光电探测器6采集生物组织8表面的反射辐射测量信号；

步骤二：重复步骤一，得到第一干涉滤波器4中w个滤波片对应的反射辐射测量信号，并将w个反射辐射测量信号发送至数据采集处理系统7，数据采集处理系统7对反射辐射测量信号进行处理，得到生物组织8表面的反射辐射测量信号Mⁱ，其中，i＝1,2,...w；

步骤三：选取第i个光谱下的脉冲激光，设生物组织8中光谱参数场的分布值初值为之后将/>带入时域辐射传输方程，得到当前脉冲激光入射下，生物组织8表面的反射辐射信号/>然后，利用/>与步骤一中的出射辐射信号Mⁱ，得到初始目标函数

步骤四：基于初始目标函数并利用共轭梯度法更新生物组织8中光谱参数场的分布值，得到第k步迭代得到的光谱参数场的分布值/> 表示为：

其中，k表示迭代次数，Δμⁱ表示光谱参数场的改变量，表示第k次迭代得到的光谱参数场的分布值，/>表示k-1次迭代得到的光谱参数场的分布值；

步骤五：将光谱参数场的分布值带入时域辐射传输方程，得到更新后的反射辐射信号Pⁱ(μⁱ)，之后，利用Pⁱ(μⁱ)步骤一中的反射辐射信号Mⁱ，得到更新后的目标函数F(μⁱ)，最后判断目标函数F(μⁱ)是否小于设定的极少值ε，若目标函数F(μⁱ)小于设定的极少值ε，则执行步骤七，否则，执行步骤六；

步骤六：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数K，若当前迭代次数达到最大迭代次数K，则使当前的光谱参数场分布值作为初值重新执行步骤三，即令/>若当前迭代次数未达到最大迭代次数K，则执行步骤四，令k＝k+1；

步骤七：当前迭代得到的光谱参数场的分布值即为第i个光谱下光谱参数场的分布值；

步骤八：重复步骤三至步骤七，得到w个不同光谱下，所有光谱参数场的分布值μⁱ；

步骤九：获取μⁱ的光谱吸收系数之后将典型生物组织重要组分宽光谱吸收光谱与光谱吸收系数/>进行线性拟合，并对组织成分进行量化处理，得到脱氧血红蛋白含量HHb、氧合血红蛋白含量O2Hb、血红蛋白总含量THb和血氧饱和度StO₂，以及水分含量H₂O、脂质含量Lipid和胶原蛋白含量Collagen中的一种或多种，即完成生物组织组分信息测量。

所述生物组织的光谱参数场μ包括μ_a光谱吸收系数和μ_s光谱散射系数。

NKT短脉冲连续光源1共发射w次激光，通过w个特定滤波片的依次选取可以对应得到w个特定光谱的脉冲激光。特定光谱的脉冲激光依次从生物组织8的表面垂直入射，NKT短脉冲连续光源1每发射一次激光，通过第二干涉滤波器5和光电探测器6采集一次对应光谱下的生物组织8表面的反射辐射测量信号，然后光电探测器6将采集得到的所有w个光谱下的反射辐射信号发送至数据采集处理系统7中，通过数据采集处理系统7对反射辐射信号进行处理，得到生物组织8表面的所有光谱下的反射辐射测量信号Mⁱ，其中，i＝1,2,...w，w≥10。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述时域辐射传输方程表示为：

其中，r表示位置，c表示组织介质内的光速，t表示时间，表示偏微分符号，/>表示哈密顿算子，Iⁱ(r,Ω,t)表示第i个光谱下r位置t时刻沿着Ω方向的辐射强度，/>和/>分别表示光谱吸收系数和光谱散射系数，βⁱ(r)表示衰减系数，gⁱ表示散射非对称因子，Φⁱ(Ω′,Ω)表示散射相函数，d表示微分符号，Ω′表示辐射方向，π表示圆周率。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述初始目标函数表示为：

所述更新后的目标函数F(μⁱ)表示为：

其中，为待侧光谱参数场，由时域辐射传输方程计算得到的边界信号， 表示光谱吸收系数，/>表示光谱散射系数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，本实施方式与具体实施方式三的区别是所述利用共轭梯度法更新生物组织8中光谱参数场的分布值表示为：

其中，为第w个光波的第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；/>为第w个光波第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实施方式与具体实施方式四的区别是所述血红蛋白总含量THb表示为：

THb＝HHb+O2Hb。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述组织的血氧饱和度StO₂表示为：

StO₂＝O2Hb/THb。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，本实施方式与具体实施方式六的区别是所述w≥10。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七的进一步说明，本实施方式与具体实施方式七的区别是所述NKT短脉冲连续光源1输出的光谱范围为500—1250nm。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体实施方式八的区别是所述光电探测器6为硅光电倍增管。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九的进一步说明，本实施方式与具体实施方式九的区别是所述光电探测器6为雪崩二极管。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于所述方法基于测量装置实现：

所述测量装置包括：NKT短脉冲连续光源(1)、分光镜(2)、可变中性密度衰减器(3)、第一干涉滤波器(4)、第二干涉滤波器(5)、光电探测器(6)以及数据采集处理系统(7)，所述第一干涉滤波器(4)包括w个滤波片；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启NKT短脉冲连续光源(1)，NKT短脉冲连续光源(1)输出的白光通过分光镜(2)和可变中性密度衰减器(3)后，分解为单色光，单色光通过第一干涉滤波器(4)后，得到第一干涉滤波器(4)当前滤波片产生的脉冲激光，即当前光谱下的脉冲激光，脉冲激光从生物组织(8)的表面垂直入射，最后通过第二干涉滤波器(5)和光电探测器(6)采集生物组织(8)表面的反射辐射测量信号；

步骤二：重复步骤一，得到第一干涉滤波器(4)中w个滤波片对应的反射辐射测量信号，并将w个反射辐射测量信号发送至数据采集处理系统(7)，数据采集处理系统(7)对反射辐射测量信号进行处理，得到生物组织(8)表面的反射辐射测量信号Mⁱ，其中，i＝1,2,...w；

步骤三：选取第i个光谱下的脉冲激光，设生物组织(8)中光谱参数场的分布值初值为之后将/>带入时域辐射传输方程，得到当前脉冲激光入射下，生物组织(8)表面的反射辐射信号/>然后，利用/>与步骤一中的出射辐射信号Mⁱ，得到初始目标函数/>

步骤四：基于初始目标函数并利用共轭梯度法更新生物组织(8)中光谱参数场的分布值，得到第k步迭代得到的光谱参数场的分布值/> 表示为：

其中，k表示迭代次数，Δμⁱ表示光谱参数场的改变量，表示第k次迭代得到的光谱参数场的分布值，/>表示k-1次迭代得到的光谱参数场的分布值；

步骤五：将光谱参数场的分布值带入时域辐射传输方程，得到更新后的反射辐射信号Pⁱ(μⁱ)，之后，利用Pⁱ(μⁱ)步骤一中的反射辐射信号Mⁱ，得到更新后的目标函数F(μⁱ)，最后判断目标函数F(μⁱ)是否小于设定的极少值ε，若目标函数F(μⁱ)小于设定的极少值ε，则执行步骤七，否则，执行步骤六；

步骤六：判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数K，若当前迭代次数达到最大迭代次数K，则使当前的光谱参数场分布值作为初值重新执行步骤三，即令/>若当前迭代次数未达到最大迭代次数K，则执行步骤四，令k＝k+1；

步骤七：当前迭代得到的光谱参数场的分布值即为第i个光谱下光谱参数场的分布值；

步骤八：重复步骤三至步骤七，得到w个不同光谱下，所有光谱参数场的分布值μⁱ；

步骤九：获取μⁱ的光谱吸收系数之后将典型生物组织重要组分宽光谱吸收光谱与光谱吸收系数/>进行线性拟合，并对组织成分进行量化处理，得到脱氧血红蛋白含量HHb、氧合血红蛋白含量O2Hb、血红蛋白总含量THb和血氧饱和度StO₂，以及水分含量H₂O、脂质含量Lipid和胶原蛋白含量Collagen中的一种或多种，即完成生物组织组分信息测量。

2.根据权利要求1所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于，所述时域辐射传输方程表示为：

其中，r表示位置，c表示组织介质内的光速，t表示时间，表示偏微分符号，/>表示哈密顿算子，Iⁱ(r,Ω,t)表示第i个光谱下r位置t时刻沿着Ω方向的辐射强度，/>和/>分别表示光谱吸收系数和光谱散射系数，βⁱ(r)表示衰减系数，gⁱ表示散射非对称因子，Φⁱ(Ω′,Ω)表示散射相函数，d表示微分符号，Ω′表示辐射方向，π表示圆周率。

3.根据权利要求2所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于，所述初始目标函数表示为：

所述更新后的目标函数F(μⁱ)表示为：

其中，表示待侧光谱参数场，/>

4.根据权利要求3所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于，所述利用共轭梯度法更新生物组织(8)中光谱参数场的分布值表示为：

其中，表示第w个光谱的第k次迭代的步长，/>表示第w个光谱第k次迭代的下降方向。

5.根据权利要求4所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于，所述血红蛋白总含量THb表示为：

THb＝HHb+O2Hb。

6.根据权利要求5所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于：所述血氧饱和度StO₂表示为：

StO₂＝O2Hb/THb。

7.根据权利要求6所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于：所述w≥10。

8.根据权利要求1所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于：所述NKT短脉冲连续光源(1)输出的光谱范围为500—1250nm。

9.根据权利要求1所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于：所述光电探测器(6)为硅光电倍增管。

10.根据权利要求1所述的基于时域宽光谱测量的生物组织组分信息测量方法，其特征在于：所述光电探测器(6)为雪崩二极管。