雙積分球系統(tǒng)組織光學(xué)特性參量測(cè)量

激光在生物組織中的傳輸一直是激光醫(yī)學(xué)所關(guān)注的問(wèn)題 ,為研究組織中的光子傳輸規(guī)律 ,諸多模型被提出來(lái)了 ,理論的準(zhǔn)確性取決于組織光學(xué)特性參量的測(cè)量 . 生物組織的光學(xué)特性常用這樣一些參量來(lái)描述: 吸收系數(shù)、散射系數(shù)及各向異性因子 .

組織光學(xué)特性參量的測(cè)量方法有很多 ,從生物組織所處的狀態(tài)來(lái)看 ,可分為離體測(cè)量與在體測(cè)量. 組織光學(xué)特性參量的在體測(cè)量可以直接應(yīng)用劑量學(xué) ,然而現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)所能提供的信息非常有限。而離體測(cè)量則能分別考慮組織的層狀結(jié)構(gòu) ,如可以對(duì)離體的真皮與表皮分別測(cè)量 ,在體測(cè)量卻只能得到整個(gè)皮膚的參量. 在所有離體測(cè)量中 ,雙積分球技術(shù)是目前公認(rèn)的最為精確的一種測(cè)量技術(shù) ,它將測(cè)量方法與輻射傳輸理論的精確解結(jié)合起來(lái) ,可以同時(shí)獲取離體組織的光學(xué)特性參量. 但雙積分球技術(shù)對(duì)光源穩(wěn)定性要求很高 ,否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差 .

組織光學(xué)特性參量的測(cè)量是通過(guò)可探測(cè)的光學(xué)量 (如反射、透射等 )來(lái)獲得的 ,這些量表征著光子在生物組織的傳輸 2. 雙積分球技術(shù)是將樣品放在兩個(gè)積分球之間 ,通過(guò)對(duì)一片樣品的測(cè)量 ,來(lái)同時(shí)獲取其對(duì)光的反射率、漫透射率及準(zhǔn)直透射率 ;再根據(jù)生物組織中特定的光子傳輸理論 ,進(jìn)而推算出其光學(xué)特性參量: 吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù)_s 及名向異性因子 g. 這里_ a ( mm-1)和 _ s ( mm-1 )的倒數(shù)分別表示光子在介質(zhì)中被吸收或散射前所走過(guò)的平均距離 , g 是光子在不同方向上的散射幾率 . 當(dāng)光通量的空間分布變化不是很大 ,或遠(yuǎn)離邊界及源的區(qū)域時(shí) ,散射各向異性的細(xì)節(jié)并不重要 ,因而常將 _ s和 g 簡(jiǎn)化成單一的散射系數(shù) _′ s= _ s ( 1- g ) , 利用雙積分球測(cè)量樣品的反射率與透射率是一種很成熟的技術(shù) . 探測(cè)器所探測(cè)的信號(hào)與光源功率、球的幾何參量 (球壁面積、洞口的大小 ,樣品的面積 )、 球壁的反射率及樣品的反射率有關(guān) ,Pickering等對(duì)此進(jìn)了深入細(xì)致的探討,這里不再贅述 ,但雙積分球技術(shù)用于組織光學(xué)特性參量測(cè)量卻是近幾年發(fā)展起來(lái)的.改進(jìn)雙積分球系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成: 激光器、斬波器、分光鏡、積分球 (四個(gè) )、鎖定放大器、相關(guān)的探測(cè)電路及轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) . 而常用的雙積分球準(zhǔn)直激光經(jīng)斬波器 ( ND-3型可變頻率雙參考光斬波器 ,頻率波動(dòng)為 0. 1 % )調(diào)制后 ,通過(guò)透過(guò)率為 80%的分光鏡將其分成兩束 ,反射光作為參考探測(cè) ,以監(jiān)測(cè)光源功率的波動(dòng)情況 ,透射光通過(guò)反射球的入光口直接照在樣品上 . 來(lái)自參考球、反射球、透射球及準(zhǔn)直透射球上各探測(cè)器 ( SiPIN, S1223-01型 )的四路信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路后 ,依次送入鎖定大器 ( M odel SR830 DSP Lock- inAm plifier可將頻率鎖定在 0. 1Hz范圍內(nèi)內(nèi) ) ,最后被計(jì)算機(jī)所采集 .

積分球理論在對(duì)樣品的反射及透射測(cè)量中的誤差分析表明 ,準(zhǔn)直入射比漫入射時(shí)的情況更好. 因此用雙積分球系統(tǒng)測(cè)量組織光學(xué)特性參量時(shí)常采用準(zhǔn)直較好的激光光源 .

用于反射及漫透射測(cè)量的兩個(gè)積分球是對(duì)稱(chēng)放置的 . 球的內(nèi)表面由 Ba SO4噴涂而成 ,具有較高的漫反射特性 ;兩球內(nèi)徑為 220m m± 1mm,樣品口直徑為 25± 0. 1mm ,反射球的入光口與透射球的出光口直徑為 7± 0. 1m m;另外在樣品口與探測(cè)口之間設(shè)置了擋板 ,這將避免樣品上的反射光直接被探測(cè)器所收集 . 為使來(lái)自樣品的規(guī)則反射光不至于從入光口逃離出去 ,我們將光軸與樣品口平面的法線(xiàn)方向設(shè)置成 3° 的夾角 ,這樣反射球上的探測(cè)器所探測(cè)到的信號(hào)就是漫反射光與規(guī)則反射光之和 ,即總的反射光強(qiáng) .

由于光斑會(huì)聚成一個(gè)小點(diǎn)直接照在探測(cè)器上時(shí) ,會(huì)降低探測(cè)器的線(xiàn)性度 . 為此 ,在參考通道及準(zhǔn)直透射光強(qiáng)的探測(cè)中 ,我們也采用了積分球 (內(nèi)徑為 70± 0. 5mm ) ,入光口大小為 7± 0. 1mm ,這樣將使光經(jīng)過(guò)漫反射后均勻地照射在探測(cè)器的光敏面上 . 在準(zhǔn)直探測(cè)中 ,為避免漫透射信號(hào)的影響 ,準(zhǔn)直探測(cè)球與透射球之間的距離應(yīng)大于700m m,在這里我們將其設(shè)定為 800m m.在弱光信號(hào)檢測(cè)中 ,斬波及鎖定放大將能很好的消除背景光的干擾 .與常用的雙積分球系統(tǒng)相比 ,我們引入了參考測(cè)量監(jiān)測(cè)光源功率的變化 ,以此消除光源波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響 . 這是因?yàn)殡p積分球系統(tǒng)采用的是相對(duì)的測(cè)量技術(shù) ,各探測(cè)器 (光電二極管與光電倍增管 )所探測(cè)到的信號(hào)與入射到探測(cè)器上的光強(qiáng)成正比 ,因此對(duì)光功率的穩(wěn)定性有著較高的要求 ,否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差.為同時(shí)測(cè)量反射、漫透射、準(zhǔn)直透射信號(hào) ,并實(shí)現(xiàn)對(duì)光源功率波動(dòng)的監(jiān)測(cè) ,通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路 ,將四路信號(hào)分時(shí)送到鎖定放大器上 ,這一點(diǎn)通過(guò)計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)是很容易控制的 . 由于機(jī)械調(diào)制本身存在的局限性 ,我們將斬波器的頻率設(shè)置為 1000Hz,相應(yīng)的鎖定放大器的積分時(shí)間設(shè)置為 30m s. 在對(duì)不同通道的信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集時(shí) ,為避免各路信號(hào)之間的相互影響 ,將每路信號(hào)采集的時(shí)間間隔設(shè)置為 500ms. 由于光源本身的波動(dòng)非常緩慢 ,所以這樣的延遲對(duì)測(cè)量所帶來(lái)的影響是可以忽略的 .

雙積分球系統(tǒng)采用的是相對(duì)測(cè)量技術(shù) ,即反射率、漫透射率及準(zhǔn)直透射率都是相對(duì)于某個(gè)基線(xiàn)的測(cè)量 ,各量均介于 0~ 1,三者之和的量大值也不可能大于 1.球內(nèi)壁上的探測(cè)器所探測(cè)到的信號(hào)與入射到探測(cè)器上的功率成正比 ,即V=K Pd ( 1)式中 K 取決于探測(cè)器的特性 . 實(shí)際上還有一些背景光 Vn ,它由探測(cè)系統(tǒng)的噪音及雜散光的大小決定 ,因此上式可改寫(xiě)為Pd= K -1( V - Vn) ( 2)這樣就可以根據(jù)入射光功率 P、探測(cè)系數(shù) K ,利用透射球外的第三個(gè)探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)直的透射光的測(cè)量 ,可得到準(zhǔn)直的透過(guò)率Tc= (Vc - Vn ) Tref /(V C0- Vn ) ( 3)由于激光束在不經(jīng)過(guò)樣品直接照射到準(zhǔn)直通道上時(shí) ,所探測(cè)的信號(hào)會(huì)很大 ,所以在沒(méi)有樣品的情況下 ,常在樣品口放置一個(gè)衰減片 ,以避免探測(cè)的信號(hào)過(guò)大而超出鎖相放大的范圍 . VC0為準(zhǔn)直通道相對(duì)衰減片所測(cè)得的值 , Tr ef為衰減片的透過(guò)率 (本系統(tǒng)采用的值為 6 % ) ,Vc 是在有樣品無(wú)衰減片時(shí)的測(cè)量值 .

雖然入射光功率可以直接測(cè)量 ,但為方便起見(jiàn) ,常常把漫反射系數(shù)為 Rref ( 99. 9% )的標(biāo)準(zhǔn)片放在樣品口 ,通過(guò)相對(duì)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn). 反射率 R與漫透射率 Td 的獲取與光源的準(zhǔn)直性有關(guān) ,它是通過(guò)以下幾個(gè)量的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的 .V(%) = (Vmeasure - Vn ) /( V0- Vpn ) ( 4)式中 V(% )為反射率 R或漫透射率 Td ,V n 與前面類(lèi)似 ,是相應(yīng)積分球上探測(cè)器的噪音 ; Vpn是在沒(méi)有樣品的情況下光穿過(guò)球時(shí)的測(cè)量值 ;而 V0是將標(biāo)準(zhǔn)的反射片 ( 99. 9% )放于樣品口 ,激光照射在鏡片上時(shí) ,探測(cè)器所探測(cè)的信號(hào) . 所有的參考測(cè)量都是對(duì)單球而言的 . 如果激光器的準(zhǔn)直性較好 ,光路調(diào)整好以后均會(huì)有 Vpn≈ Vn,即無(wú)論入射口 (反射球 )或出射光口 (透射球 )擋住與否 ,都會(huì)有相同的測(cè)量值 . 事實(shí)上 ,由于我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的調(diào)制 ,鎖定放大器消除了背景噪音的干擾 ,所以只要調(diào)整好光路 , 均有 Vpn≈Vn≈ 0.

在組織光學(xué)中 ,一般用吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù) _ s及各向異性因子 g 表征生物組織的特性 . 積分球系統(tǒng)獲取組織光學(xué)特性參量 ,是通過(guò)總的反射、漫透射及準(zhǔn)直透射的測(cè)量 ,再利用逆加折疊 (簡(jiǎn)稱(chēng) IAD)或 M onte Ca rlo方法來(lái)確定光學(xué)特性參量 . IAD方法作為一種迭代法計(jì)算起來(lái)非?？?,在處理各向異性散射及處理邊界上的內(nèi)部反射時(shí)很靈活 ,并可通過(guò)增加計(jì)算時(shí)間使其達(dá)到任意的精度 ; 而 Mo nte Carlo方法常常需要較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間 . 因此通過(guò)雙積分球測(cè)量 ,獲取生物組織光學(xué)特性參量時(shí) ,一般都采用 IAD 方法.IAD方法由以下幾步組成: 1)猜參量 ; 2)利用逆加折疊計(jì)算反射率和透射率 ; 3)將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行比較 ; 4)檢查是否滿(mǎn)足精度 ,否則重復(fù)前三步 .

利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)谷物、水果、肉品等農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行定量分析已經(jīng)十分普遍,這種定量方法是基于化學(xué)計(jì)量學(xué)的思想建立化學(xué)值與光譜數(shù)據(jù)間的關(guān)系。隨著應(yīng)用和研究的不斷深入 ,針對(duì)其適用性和分析精度 ,研究人員進(jìn)行了一些探索,鑒于農(nóng)產(chǎn)品是對(duì)光具有吸收、散射作用的多組分復(fù)雜體系 ,目前對(duì)其組織內(nèi)部光輸運(yùn)規(guī)律研究不多 ,一般是將散射等引起的變化 (光學(xué)路徑變化 )歸結(jié)到光譜形狀的變化,由于散射作用將引起模型不穩(wěn)定和較大的誤差。為了進(jìn)一步提升近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析領(lǐng)域應(yīng)用的適用性和準(zhǔn)確性 ,應(yīng)從生物組織內(nèi)部入手來(lái)研究光和樣品的相互作用 ,直接或間接地得到吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù) _ s 和各向異性因子 g 等光學(xué)參數(shù) ,將散射與吸收系數(shù)分開(kāi) ,進(jìn)而計(jì)算出物質(zhì)含量 。

測(cè)量原理

光在生物組織中的輸運(yùn)過(guò)程中包含吸收和散射作用兩個(gè)部分 ,研究光在生物組織中輸運(yùn)要解決兩方面的問(wèn)題: 1)描述在光學(xué)參數(shù)已知條件下 ,研究光子在組織內(nèi)部的輸運(yùn)過(guò)程和規(guī)律 ,例如 ,漫射方程及在一定邊界條件下的解、 Mo nte Carlo仿真模型等 ; 2)由測(cè)試數(shù)據(jù)反演出組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子等光學(xué)參數(shù)。 為了得到農(nóng)產(chǎn)品的光學(xué)參數(shù) ,采用雙積分球系統(tǒng)的測(cè)量方法,其原理是將一片薄片樣品 (如鮮肉組織 )置于兩個(gè)積分球之間 ,當(dāng)一束激光入射樣品的時(shí)候 ,同時(shí)對(duì)兩個(gè)積分球內(nèi)所收集的漫反射光和漫透射光進(jìn)行檢測(cè) ;此外 ,還要同步檢測(cè)激光傳播方向上距離漫透射積分球 60 cm以外的準(zhǔn)直透射光信號(hào) ,這樣同時(shí)得到漫反射率 Rd、漫透射率 Td 和準(zhǔn)直透射率 Tc三個(gè)物理量 ,進(jìn)而運(yùn)用一種光傳輸模型的逆算法反演出組織的吸收系數(shù)_ a、散射系數(shù)_ s和各向異性因子 g 等光學(xué)參數(shù) ,逆倍增 ( Inverse Adding-Doubling, IAD)算法是其最常用也是最快速準(zhǔn)確的一種算法 。

IAD算法是 AD算法 (一種正向光傳輸模型 ,稱(chēng)之為倍增模型 )的求逆算法 , AD倍增模型的基本思想是:對(duì)于一片已知光學(xué)參數(shù)的光學(xué)薄層 S 1 來(lái)說(shuō) ,若它的漫反射率和漫透射率是已知的 ,那么對(duì)于兩倍于它厚度的同樣光學(xué)性質(zhì)的另一光學(xué)薄層 S2 來(lái)說(shuō) ,其漫反射率和漫透射率就相當(dāng)于把原來(lái)兩片相同的光學(xué)薄層 S 1 并置在一起進(jìn)行加倍 ( Doubling)計(jì)算得到的漫反射率和漫透射率 ,通過(guò)這種處理 ,薄層厚度即可成倍地增加 ,一直達(dá)到所期望的組織厚度為止 ,同時(shí)計(jì)算出該組織的總漫反射率和總漫透射率 ;對(duì)于不同光學(xué)性質(zhì)的其他介質(zhì)層也可以采用同樣的方法來(lái)處理 ,然后將幾個(gè)介質(zhì)層的漫反射率分量和漫透射率分量進(jìn)行加和 ( Adding )計(jì)算 ,這樣得到包含若干層結(jié)構(gòu)的總漫反射率和總漫透射率。"玻璃 - 樣品 - 玻璃"就是這樣一個(gè)典型的 3層結(jié)構(gòu) 。

IAD算法主要包含四個(gè)步驟: 1)根據(jù)實(shí)測(cè)的漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率來(lái)估計(jì)一組光學(xué)參數(shù) ,把它們作為迭代初始值 ; 2)將這組光學(xué)參數(shù)代入 AD算法來(lái)計(jì)算實(shí)測(cè)物理量所對(duì)應(yīng)的理論值 ; 3)通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論值兩者之間的比較來(lái)確定下一步驟的操作 ; 4)如果已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的精度 ,那么當(dāng)前所設(shè)定的光學(xué)參數(shù)就是最后的輸出結(jié)果 ;否則 ,根據(jù)比較結(jié)果重新設(shè)定一組光學(xué)參數(shù) , 就是最后的輸出結(jié)果 ;否則 ,根據(jù)比較結(jié)果重新設(shè)定一組光學(xué)參數(shù) ,然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程 ,直到輸出最后結(jié)果或者超出迭代最大步驟為止 。