基于成像光谱仪的生物组织光学参数重构方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911385533.5 (22)申请日 2019.12.29 (71)申请人 杭州科洛码光电科技有限公司 地址 310013 浙江省杭州市西湖区文一西 路767号西溪国际商务中心E幢518# (72)发明人 赵磊 (51)Int.Cl. G16H 50/00(2018.01) G06F 17/16(2006.01) A61B 5/00(2006.01) (54)发明名称 基于成像光谱仪的生物组织光学参数重构 方法 (57)摘要 本发明的目的是针对现有技术的不足， 提出 一种。

2、基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 通过本发明的装置与方法， 探测生物组织每一个 点的反射光谱， 通过使用大量光谱数据代替大量 空间探测数据， 从而提高探测系统的紧凑性与探 测效率， 在生物组织光学参数重构中， 构建三层 生物组织模型， 同时兼顾了生物组织的复杂性与 计算效率， 并使用扰动式蒙特卡洛仿真， 对光与 生物组织的作用进行高效仿真， 最后采用雅克比 矩阵重构算法， 结合光谱探测数据以及扰动式蒙 特卡洛仿真， 实现生物组织光学参数的重构。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 110911007 A 2020.03.24 CN 110911007 A 1.一种基于成像光谱仪的。

3、生物组织参数重构方法， 其特征在于算法部分包括三层生物 组织模型建模算法、 蒙特卡洛正问题建模算法以及雅克比矩阵重构算法， 硬件部分包括光 源、 成像光谱仪与直线扫描电机， 如附图1所示， 光源1和光源2均匀照射生物组织， 成像光谱 仪3以反射模式检测光源与生物组织作用的后向散射光， 直线扫描电机4带动成像光谱仪3 做直线位移扫描， 获得二维空间的后向散射光谱， 生物组织光学参数重构方法流程如附图2 所示， 在算法中需要对生物组织进行三层生物组织模型建模， 其中第1和第2层生物组织模 型定义为非均匀生物组织， 并划分网格体素， 每个网格体素定义各自的生物组织的光学参 数， 第3层生物组织模型定。

4、义为均匀生物组织， 第三层组织拥有相同的生物光学参数， 基于 三层生物组织模型， 使用扰动蒙特卡洛仿真开展正问题建模， 扰动蒙特卡洛仿真由双步蒙 特卡洛仿真组成， 第一步蒙特卡洛仿真与经典仿真方法基本相同， 但针对 “被探测到的光 子” ， 程序将记录该光子出射时的随机数种子数值， 定义为 “有效种子数值” ， 在第二步蒙特 卡洛仿真中， 仿真程序将读取有效种子数值完成光子随机游走的仿真， 并记录后向散射光 强， 结合扰动蒙特卡洛仿真的数据， 构建雅克比矩阵， 并结合探测的后向散射光谱数据， 使 用逆问题算法， 求解生物组织的光学参数。 2.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数。

5、重构方法， 其特征在于 所述的三层生物组织模型建模， 其中第1和第2层生物组织模型定义为非均匀生物组织， 划 分为离散的正方体体素(Voxelj,j1:2N， N是大于1的整数， 表示单层生物组织表面离散化 后的体素数目)， 第3层生物组织定义为均匀生物组织， 为了便于表述， 将第三层生物组织定 义为Voxel2N+1， 基于上述设置， 当我们研究组织表面的第j号体素Voxelj时， 其体素中心位置 定义为rj， 其散射系数和吸收系数分别定义为 s( ,rj)和 a( ,rj)， 其中 s( ,rj)是体素 Voxelj中散射光谱系数， 定义体素Voxelj中的各向异性因子为g( ,rj)， 。

6、上述两个参数可转 换为Mie散射方程与散射体半径crad(rj)、 散射体浓度csca(rj)、 散射体相对折射率cind(rj)， 在生物组织中， 起吸收作用的物质主要有： 水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂类以及胶 原蛋白等， 因此Voxelj的吸收系数光谱可由下式决定： 其中与分别表示水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂 肪以及胶原蛋白的摩尔吸收系数， 定义第j号体素中的水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂肪以及胶原蛋白的浓度： cw(rj),co(rj),cd(rj),cf(rj)与cc(rj)， 在研究第Voxelj的情况 下， 8个未知参数定义为： p(rj)c。

7、w(rj),co(rj),cd(rj),cf(rj),cc(rj),crad(rj),csca(rj), cind(rj)T， 将上述8个参数代入Mie散射理论以及式(1)， 可以得到散射系数与吸收系数， 整 个生物组织模型的未知参数数目为8(2N+1)， 在成像光谱仪扫描探测实验中， 可获得第一 层每一个体素漫反射的漫反射光谱， 定义为D(rmi)D 1(rmi),D 2(rmi),.,D B(rmi)T， 其 中rmi表示第i(i1:N)号探测位置， 探测位置位于第一层体素的上表面中心。 3.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的蒙特卡洛正问题建。

8、模算法， 使用扰动蒙特卡洛仿真实现光子在生物组织中传播的建 模， 扰动蒙特卡洛仿真的算法由双步蒙特卡洛仿真组成， 第一步蒙特卡洛仿真与经典仿真 方法基本相同， 利用抽样方法追踪生物组织中的光子迁移， 但针对 “被探测到的光子” ， 程序 将记录该光子出射时的随机数种子数值， 定义为 “有效种子数值” ， 在第二步蒙特卡洛仿真 权利要求书 1/3 页 2 CN 110911007 A 2 中， 仿真程序将读取有效种子数值完成光子随机游走的仿真， 在第二步蒙特卡洛仿真中不 会追踪 “无法被探测到的光子” ， 提高了蒙特卡洛仿真的效率， 在第二步蒙特卡洛仿真中， 吸 收系数的数值可随意改变， 在结合。

9、实验数据前， 预先针对一系列离散的散射数值以及波长 数值运行第一步蒙特卡洛仿真， 记录不同散射数值、 不同波长下的有效种子数值， 在雅克比 矩阵重构算法中， 将根据散射系数以及工作波长的数值， 选择对应的有效种子数值， 使用第 二步蒙特卡洛仿真进行高效率的仿真计算。 4.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的雅克比矩阵重构算法， 核心计算满足下列关系： 在上述式子中， 每一个符号均代表一个子矩阵， 雅克比矩阵内的子矩阵定义为： 其中， rmi表示蒙特卡洛模拟中的探测位置， rj表示第j(j1:2N+1)号体素Voxelj的中心 位置， p表示当前整个。

10、生物组织的未知参数的数值， 可定义为pp(r1) ,p(r2) ,.,p (r2N+1)T， 子矩阵 D(rmi)定义为 D 1(rmi), D 2(rmi),., D B(rmi)T， 其中 D k(rmi)表示在 探测位置rmi处第k号光谱通道的探测数值D k(rmi)与蒙特卡洛模拟数值D k(rsi)的差值， 在 式(2)中， M表示探测点的数目， N为探测位置数目， MN， 将每一个探测位置设置在第一层体 素顶面的中心， 子矩阵 p(rj)定义为： p(rj) cw(rj), co(rj), cd(rj), cf(rj), cc(rj), crad(rj), csca(rj), cin。

11、d(rj)T， p(rj)表示Voxelj的参数更新值， 在逆问题的反演过程中， 通过求解 可获得 p p(r1), p(r2),., p(r2N+1)T， 其中 是正则化参数， 是一个有理数， D D(rm1), D(rm2),., D(rmM)T， 完成式(4)的计算后， 根据下式更新生物组织的未知参 数： pp(r1),p(r2),.,p(r2N+1)T+ p(r1), p(r2),., p(r2N+1)T (5)， 不断重复上述过程， 并根据当前生物组织参数计算雅克比矩阵的所有元素以及漫反射 光谱的模拟结果， 再利用式(5)计算参数更新值， 进而更新生物组织参数， 直至收敛为止。 5.。

12、根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的雅克比矩阵， 其子矩阵的元素定义为J k(rsi,cx(rj)； p)， 生物组织表面的漫反射光谱 的蒙特卡洛仿真数据D k(rsi)， 雅克比的元素J k(rsi,cx(rj)； p)的计算式为： 根据当前的波长 k以及散射数值， 选择相应的有效种子数值(已在第一步蒙特卡洛仿 权利要求书 2/3 页 3 CN 110911007 A 3 真中获取)， 运行第二步蒙特卡洛仿真计算雅克比矩阵中的元素， 在第二步蒙特卡洛仿真 中， 当第g号光子包经过体素Voxelj时， 记录该体素内的散射事件产生次数以及传输总步 长。

13、， 将数值保存为STg(rj)和Leng(rj)， 当g号光子包最终从rsi位置出射并被成像光谱仪探 测， 探测到的光子包权重为g， 该光子包的模拟可用于更新元素J k(rsi,cx(rj)； p)的数值 (其初值设为0)， 具体的计算方法为： 在体素Voxelj中针对cx(rj)引入扰动cx(rj)， 基于参 数p(rj)+cx(rj)， 结合Mie散射方法以及式(1)得到新的散射与吸收系数和 然后根据下式计算雅克比矩阵元素： 其中在式(7)中， s ( k,rj)和 a( k,rj)是使用参数p(rj)计算得到的散射与吸收系数， 通过大量的光子包追 踪， 最终可以准确计算雅克比矩阵中的子矩。

14、阵所有元素。 6.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的成像光谱仪， 其核心元件包括成像镜头、 狭缝、 准直透镜、 光栅、 聚焦透镜和面阵相 机， 狭缝位于成像镜头的焦面， 空间中的线状物体发出的光线被成像镜头采集， 成像在狭缝 位置， 光线经过狭缝后， 由准直透镜准直， 准直透镜的前焦面与狭缝位置重合， 准直的光线 铜鼓光栅后发生衍射， 不同波长的光衍射角度不同， 并通过聚焦透镜聚焦到面阵相机中， 面 阵相机的感光面与聚焦透镜的后焦面重合。 7.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的。 8.根据权利要求1。

15、所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的光源， 包含着可见光-红外光的波长信号， 光源发出的光线照亮生物组织， 被生物组 织后向反射后， 被成像光谱仪探测。 9.根据权利要求1所述的一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 其特征在于 所述的直线扫描电机， 是一种电机与导轨的结合， 电机的转动， 带动导轨上的滑块做直接移 动， 成像光谱仪与滑块连接， 在滑块直线移动的时候， 成像光谱仪也同时做直线移动， 从而 实现一系列直线的光谱图像采集， 最后可拼接出一个二维物体的光谱图像数据。 权利要求书 3/3 页 4 CN 110911007 A 4 基于成像光谱仪的生物。

16、组织光学参数重构方法 技术领域 0001 本发明属于光学技术领域， 具体涉及一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方 法。 背景技术 0002 近年来， 生物医学光子学的研究备受关注， 其中一个原因是光学技术在医疗中的 应用是无损的、 数字量化的， 可为医护人员提供明确的检查结果。 在生物医学光子学的研究 中， 生物组织的光学参数重构尤为重要， 通过组织光学参数的研究， 可对生物组织内部的不 同物质的含量进行量化分析。 然而， 由于生物组织的复杂散射特性， 生物组织光学参数的探 测系统需要探测大量的数据， 才能准确的计算生物组织参数， 这对于探测系统的探测模式 提出了很高的要求， 往往需要布置大。

17、量的探测点开展探测工作， 以获取详尽数据。 0003 本发明专利中， 我们提出一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 通过使 用成像光谱仪对生物组织进行光谱图像检测， 通过不同波段通道的光谱数据， 实现探测区 域的大量探测数据获取， 并结合生物物质中重要的吸收、 散射物质的光学特性， 建立计算模 型， 重构生物组织光学参数。 发明内容 0004 本发明的目的是针对现有技术的不足， 提出一种基于成像光谱仪的生物组织参数 重构方法。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 本发明的算法部分包括三层生物组织模型建模算法、 蒙特卡洛正问题建模算法以及雅 克比矩阵重构算法， 硬件部分包。

18、括成像光谱仪、 光源与直线扫描电机， 光源均匀照射生物组 织， 成像光谱仪以反射模式检测光源与生物组织作用的后向散射光， 直线扫描电机带动成 像光谱仪做直线位移扫描， 获得二维空间的后向散射光谱， 在算法中需要对生物组织进行 三层生物组织模型建模， 其中第1和第2层生物组织模型定义为非均匀生物组织， 并划分网 格体素， 每个网格体素定义各自的生物组织的光学参数， 第3层生物组织模型定义为均匀生 物组织， 第三层组织拥有相同的生物光学参数， 基于三层生物组织模型， 使用扰动蒙特卡洛 仿真开展正问题建模， 扰动蒙特卡洛仿真由双步蒙特卡洛仿真组成， 第一步蒙特卡洛仿真 与经典仿真方法基本相同， 但针。

19、对 “被探测到的光子” ， 程序将记录该光子出射时的随机数 种子数值， 定义为 “有效种子数值” ， 在第二步蒙特卡洛仿真中， 仿真程序将读取有效种子数 值完成光子随机游走的仿真， 并记录后向散射光强， 结合扰动蒙特卡洛仿真的数据， 构建雅 克比矩阵， 并结合探测的后向散射光谱数据， 使用逆问题算法， 求解生物组织的光学参数。 0006 所述三层生物组织模型建模， 其中第1和第2层生物组织模型定义为非均匀生物组 织， 划分为离散的正方体体素(Voxelj,j1:2N， N是大于1的整数， 表示单层生物组织表面 离散化后的体素数目)， 第3层生物组织定义为均匀生物组织， 为了便于表述， 将第三层。

20、生物 组织定义为Voxel2N+1， 基于上述设置， 当我们研究组织表面的第j号体素Voxelj时， 其体素中 说明书 1/7 页 5 CN 110911007 A 5 心位置定义为rj， 其散射系数和吸收系数分别定义为 s( ,rj)和 a( ,rj)， 其中 s( ,rj)是 体素Voxelj中散射光谱系数， 定义体素Voxelj中的各向异性因子为g( ,rj)， 上述两个参数 可转换为Mie散射方程与散射体半径crad(rj)、 散射体浓度csca(rj)、 散射体相对折射率cind (rj)， 在生物组织中， 起吸收作用的物质主要有： 水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂类 以及。

21、胶原蛋白等， 因此Voxelj的吸收系数光谱可由下式决定： 其中与分别表示水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂肪以及胶原蛋白的摩尔吸收系数， 定义第j号体素中的水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋 白、 脂肪以及胶原蛋白的浓度： cw(rj),co(rj),cd(rj),cf(rj)与cc(rj)， 在研究第Voxelj的情 况下， 8个未知参数定义为： p(rj)cw(rj) ,co(rj) ,cd(rj) ,cf(rj) ,cc(rj) ,crad(rj) ,csca (rj),cind(rj)T， 将上述8个参数代入Mie散射理论以及式(1)， 可以得到散射系数与吸收系 数， 整个生。

22、物组织模型的未知参数数目为8(2N+1)， 在成像光谱仪扫描探测实验中， 可获 得第一层每一个体素漫反射的漫反射光谱， 定义为D(rmi)D1(rmi) ,D2(rmi) ,.,DB (rmi)T， 其中rmi表示第i(i1:N)号探测位置， 探测位置位于第一层体素的上表面中心。 0007 所述蒙特卡洛正问题建模算法， 使用扰动蒙特卡洛仿真实现光子在生物组织中传 播的建模， 扰动蒙特卡洛仿真的算法由双步蒙特卡洛仿真组成， 第一步蒙特卡洛仿真与经 典仿真方法基本相同， 利用抽样方法追踪生物组织中的光子迁移， 但针对 “被探测到的光 子” ， 程序将记录该光子出射时的随机数种子数值， 定义为 “有。

23、效种子数值” ， 在第二步蒙特 卡洛仿真中， 仿真程序将读取有效种子数值完成光子随机游走的仿真， 在第二步蒙特卡洛 仿真中不会追踪 “无法被探测到的光子” ， 提高了蒙特卡洛仿真的效率， 在第二步蒙特卡洛 仿真中， 吸收系数的数值可随意改变， 在结合实验数据前， 预先针对一系列离散的散射数值 以及波长数值运行第一步蒙特卡洛仿真， 记录不同散射数值、 不同波长下的有效种子数值， 在雅克比矩阵重构算法中， 将根据散射系数以及工作波长的数值， 选择对应的有效种子数 值， 使用第二步蒙特卡洛仿真进行高效率的仿真计算。 0008 所述雅克比矩阵重构算法， 核心计算满足下列关系： 在上述式子中， 每一个符。

24、号均代表一个子矩阵， 雅克比矩阵内的子矩阵定义为： 其中， rmi表示蒙特卡洛模拟中的探测位置， rj表示第j(j1:2N+1)号体素Voxelj的中 心位置， p表示当前整个生物组织的未知参数的数值， 可定义为pp(r1) ,p(r2) ,.,p (r2N+1)T， 子矩阵 D(rmi)定义为 D 1(rmi), D 2(rmi),., D B(rmi)T， 其中 D k(rmi)表示在 探测位置rmi处第k号光谱通道的探测数值D k(rmi)与蒙特卡洛模拟数值D k(rsi)的差值， 在 说明书 2/7 页 6 CN 110911007 A 6 式(2)中， M表示探测点的数目， N为探测。

25、位置数目， MN， 将每一个探测位置设置在第一层体 素顶面的中心， 子矩阵 p(rj)定义为： p(rj) cw(rj), co(rj), cd(rj), cf(rj), cc(rj), crad(rj), csca(rj), cind(rj)T， p(rj)表示Voxelj的参数更新值， 在逆问题的反演过程中， 通过求解 可获得 p p(r1), p(r2),., p(r2N+1)T， 其中是正则化参数， 是一个有理数， D D(rm1), D(rm2),., D(rmM)T， 完成式(4)的计算后， 根据下式更新生物组织的未知参 数： pp(r1),p(r2),.,p(r2N+1)T+ p。

26、(r1), p(r2),., p(r2N+1)T (5)， 不断重复上述过程， 并根据当前生物组织参数计算雅克比矩阵的所有元素以及漫反射 光谱的模拟结果， 再利用式(5)计算参数更新值， 进而更新生物组织参数， 直至收敛为止。 0009 所述雅克比矩阵， 其子矩阵的元素定义为J k(rsi,cx(rj)； p)， 生物组织表面的漫反 射光谱的蒙特卡洛仿真数据D k(rsi)， 雅克比的元素J k(rsi,cx(rj)； p)的计算式为： 根据当前的波长 k以及散射数值， 选择相应的有效种子数值(已在第一步蒙特卡洛仿 真中获取)， 运行第二步蒙特卡洛仿真计算雅克比矩阵中的元素， 在第二步蒙特卡洛。

27、仿真 中， 当第g号光子包经过体素Voxelj时， 记录该体素内的散射事件产生次数以及传输总步 长， 将数值保存为STg(rj)和Leng(rj)， 当g号光子包最终从rsi位置出射并被成像光谱仪探 测， 探测到的光子包权重为g， 该光子包的模拟可用于更新元素J k(rsi,cx(rj)； p)的数值 (其初值设为0)， 具体的计算方法为： 在体素Voxelj中针对cx(rj)引入扰动cx(rj)， 基于参 数p(rj)+cx(rj)， 结合Mie散射方法以及式(1)得到新的散射与吸收系数和 然后根据下式计算雅克比矩阵元素： 其中在式(7)中，s ( k,rj)和 a( k,rj)是使用参数p。

28、(rj)计算得到的散射与吸收系数， 通过大量的光子包追 踪， 最终可以准确计算雅克比矩阵中的子矩阵所有元素。 0010 所述成像光谱仪， 其核心元件包括成像镜头、 狭缝、 准直透镜、 光栅、 聚焦透镜和面 阵相机， 狭缝位于成像镜头的焦面， 空间中的线状物体发出的光线被成像镜头采集， 成像在 狭缝位置， 光线经过狭缝后， 由准直透镜准直， 准直透镜的前焦面与狭缝位置重合， 准直的 光线铜鼓光栅后发生衍射， 不同波长的光衍射角度不同， 并通过聚焦透镜聚焦到面阵相机 中， 面阵相机的感光面与聚焦透镜的后焦面重合。 0011 所述光源， 包含着可见光-红外光的波长信号， 光源发出的光线照亮生物组织，。

29、 被 生物组织后向反射后， 被成像光谱仪探测。 说明书 3/7 页 7 CN 110911007 A 7 0012 所述直线扫描电机， 是一种电机与导轨的结合， 电机的转动， 带动导轨上的滑块做 直接移动， 成像光谱仪与滑块连接， 在滑块直线移动的时候， 成像光谱仪也同时做直线移 动， 从而实现一系列直线的光谱图像采集， 最后可拼接出一个二维物体的光谱图像数据。 0013 本发明的有益效果： 通过本发明的装置与方法， 探测生物组织每一个点的反射光 谱， 通过使用大量光谱数据代替大量空间探测数据， 从而提高探测系统的紧凑性与探测效 率， 在生物组织光学参数重构中， 构建三层生物组织模型， 同时兼。

30、顾了生物组织的复杂性与 计算效率， 并使用扰动式蒙特卡洛仿真， 对光与生物组织的作用进行高效仿真， 最后采用雅 克比矩阵重构算法， 结合光谱探测数据以及扰动式蒙特卡洛仿真， 实现生物组织光学参数 的重构。 附图说明 0014 图1为基于成像光谱仪的生物组织探测系统示意图。 0015 图2为生物组织光学参数重构方法流程图。 0016 图3为扰动式双步蒙特卡洛算法流程图。 具体实施方式 0017 为了使公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果， 申请人将在下面 以实施例的方式作详细说明， 但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制， 任何依据 本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等。

31、效变换都应视为本发明的技术方案 范畴。 0018 实施例1 下面结合附图1、 附图2、 附图3和实施例1对本发明作进一步说明。 0019 一种基于成像光谱仪的生物组织参数重构方法， 算法部分包括三层生物组织模型 建模算法、 蒙特卡洛正问题建模算法以及雅克比矩阵重构算法， 硬件部分包括光源、 成像光 谱仪与直线扫描电机， 如附图1所示， 光源1和光源2均匀照射生物组织， 成像光谱仪3以反射 模式检测光源与生物组织作用的后向散射光， 直线扫描电机4带动成像光谱仪3做直线位移 扫描， 获得二维空间的后向散射光谱， 生物组织光学参数重构方法流程如附图2所示， 在算 法中需要对生物组织进行三层生物组织模。

32、型建模， 其中第1和第2层生物组织模型定义为非 均匀生物组织， 并划分网格体素， 每个网格体素定义各自的生物组织的光学参数， 第3层生 物组织模型定义为均匀生物组织， 第三层组织拥有相同的生物光学参数， 基于三层生物组 织模型， 使用扰动蒙特卡洛仿真开展正问题建模， 扰动蒙特卡洛仿真由双步蒙特卡洛仿真 组成， 第一步蒙特卡洛仿真与经典仿真方法基本相同， 但针对 “被探测到的光子” ， 程序将记 录该光子出射时的随机数种子数值， 定义为 “有效种子数值” ， 在第二步蒙特卡洛仿真中， 仿 真程序将读取有效种子数值完成光子随机游走的仿真， 并记录后向散射光强， 结合扰动蒙 特卡洛仿真的数据， 构建。

33、雅克比矩阵， 并结合探测的后向散射光谱数据， 使用逆问题算法， 求解生物组织的光学参数。 0020 所述三层生物组织模型建模， 如附图1所示， 其中第1和第2层生物组织模型定义为 非均匀生物组织， 划分为离散的正方体体素(Voxelj,j1:2N， N是大于1的整数， 表示单层 生物组织表面离散化后的体素数目)， 第3层生物组织定义为均匀生物组织， 为了便于表述， 说明书 4/7 页 8 CN 110911007 A 8 将第三层生物组织定义为Voxel2N+1， 基于上述设置， 当我们研究组织表面的第j号体素 Voxelj时， 其体素中心位置定义为rj， 其散射系数和吸收系数分别定义为 s(。

34、 ,rj)和 a( , rj)， 其中 s( ,rj)是体素Voxelj中散射光谱系数， 定义体素Voxelj中的各向异性因子为g( , rj)， 上述两个参数可转换为Mie散射方程与散射体半径crad(rj)、 散射体浓度csca(rj)、 散射 体相对折射率cind(rj)， 在生物组织中， 起吸收作用的物质主要有： 水、 含氧血红蛋白、 非含 氧血红蛋白、 脂类以及胶原蛋白等， 因此Voxelj的吸收系数光谱可由下式决定： 其中与分别表示水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋白、 脂肪以及胶原蛋白的摩尔吸收系数， 定义第j号体素中的水、 含氧血红蛋白、 非含氧血红蛋 白、 脂肪以及胶原蛋白的。

35、浓度： cw(rj),co(rj),cd(rj),cf(rj)与cc(rj)， 在研究第Voxelj的情 况下， 8个未知参数定义为： p(rj)cw(rj) ,co(rj) ,cd(rj) ,cf(rj) ,cc(rj) ,crad(rj) ,csca (rj),cind(rj)T， 将上述8个参数代入Mie散射理论以及式(1)， 可以得到散射系数与吸收系 数， 整个生物组织模型的未知参数数目为8(2N+1)， 在成像光谱仪扫描探测实验中， 可获 得第一层每一个体素漫反射的漫反射光谱， 定义为D(rmi)D1(rmi) ,D2(rmi) ,.,DB (rmi)T， 其中rmi表示第i(i1:。

36、N)号探测位置， 探测位置位于第一层体素的上表面中心。 0021 所述蒙特卡洛正问题建模算法， 使用扰动蒙特卡洛仿真实现光子在生物组织中传 播的建模， 如附图3所示， 扰动蒙特卡洛仿真的算法由双步蒙特卡洛仿真组成， 第一步蒙特 卡洛仿真与经典仿真方法基本相同， 利用抽样方法追踪生物组织中的光子迁移， 但针对 “被 探测到的光子” ， 程序将记录该光子出射时的随机数种子数值， 定义为 “有效种子数值” ， 在 第二步蒙特卡洛仿真中， 仿真程序将读取有效种子数值完成光子随机游走的仿真， 在第二 步蒙特卡洛仿真中不会追踪 “无法被探测到的光子” ， 提高了蒙特卡洛仿真的效率， 在第二 步蒙特卡洛仿真。

37、中， 吸收系数的数值可随意改变， 在结合实验数据前， 预先针对一系列离散 的散射数值以及波长数值运行第一步蒙特卡洛仿真， 记录不同散射数值、 不同波长下的有 效种子数值， 在雅克比矩阵重构算法中， 将根据散射系数以及工作波长的数值， 选择对应的 有效种子数值， 使用第二步蒙特卡洛仿真进行高效率的仿真计算。 0022 所述雅克比矩阵重构算法， 核心计算满足下列关系： 在上述式子中， 每一个符号均代表一个子矩阵， 雅克比矩阵内的子矩阵定义为： 其中， rmi表示蒙特卡洛模拟中的探测位置， rj表示第j(j1:2N+1)号体素Voxelj的中 心位置， p表示当前整个生物组织的未知参数的数值， 可定。

38、义为pp(r1) ,p(r2) ,.,p (r2N+1)T， 子矩阵 D(rmi)定义为 D 1(rmi), D 2(rmi),., D B(rmi)T， 其中 D k(rmi)表示在 说明书 5/7 页 9 CN 110911007 A 9 探测位置rmi处第k号光谱通道的探测数值D k(rmi)与蒙特卡洛模拟数值D k(rsi)的差值， 在 式(2)中， M表示探测点的数目， N为探测位置数目， MN， 将每一个探测位置设置在第一层体 素顶面的中心， 子矩阵 p(rj)定义为： p(rj) cw(rj), co(rj), cd(rj), cf(rj), cc(rj), crad(rj), 。

39、csca(rj), cind(rj)T， p(rj)表示Voxelj的参数更新值， 在逆问题的反演过程中， 通过求解 可获得 p p(r1), p(r2),., p(r2N+1)T， 其中是正则化参数， 是一个有理数， D D(rm1), D(rm2),., D(rmM)T， 完成式(4)的计算后， 根据下式更新生物组织的未知参 数： pp(r1),p(r2),.,p(r2N+1)T+ p(r1), p(r2),., p(r2N+1)T (5)， 不断重复上述过程， 并根据当前生物组织参数计算雅克比矩阵的所有元素以及漫反射 光谱的模拟结果， 再利用式(5)计算参数更新值， 进而更新生物组织参数。

40、， 直至收敛为止。 0023 所述雅克比矩阵， 其子矩阵的元素定义为J k(rsi,cx(rj)； p)， 生物组织表面的漫反 射光谱的蒙特卡洛仿真数据D k(rsi)， 雅克比的元素J k(rsi,cx(rj)； p)的计算式为： 根据当前的波长 k以及散射数值， 选择相应的有效种子数值(已在第一步蒙特卡洛仿 真中获取)， 运行第二步蒙特卡洛仿真计算雅克比矩阵中的元素， 在第二步蒙特卡洛仿真 中， 当第g号光子包经过体素Voxelj时， 记录该体素内的散射事件产生次数以及传输总步 长， 将数值保存为STg(rj)和Leng(rj)， 当g号光子包最终从rsi位置出射并被成像光谱仪探 测， 探。

41、测到的光子包权重为g， 该光子包的模拟可用于更新元素J k(rsi,cx(rj)； p)的数值 (其初值设为0)， 具体的计算方法为： 在体素Voxelj中针对cx(rj)引入扰动cx(rj)， 基于参 数p(rj)+cx(rj)， 结合Mie散射方法以及式(1)得到新的散射与吸收系数和 然后根据下式计算雅克比矩阵元素： 其中在式(7)中，s ( k,rj)和 a( k,rj)是使用参数p(rj)计算得到的散射与吸收系数， 通过大量的光子包追 踪， 最终可以准确计算雅克比矩阵中的子矩阵所有元素。 0024 所述成像光谱仪， 其核心元件包括成像镜头、 狭缝、 准直透镜、 光栅、 聚焦透镜和面 阵。

42、相机， 狭缝位于成像镜头的焦面， 空间中的线状物体发出的光线被成像镜头采集， 成像在 狭缝位置， 光线经过狭缝后， 由准直透镜准直， 准直透镜的前焦面与狭缝位置重合， 准直的 光线铜鼓光栅后发生衍射， 不同波长的光衍射角度不同， 并通过聚焦透镜聚焦到面阵相机 中， 面阵相机的感光面与聚焦透镜的后焦面重合。 0025 所述光源， 包含着可见光-红外光的波长信号， 光源发出的光线照亮生物组织， 被 说明书 6/7 页 10 CN 110911007 A 10 生物组织后向反射后， 被成像光谱仪探测。 0026 所述直线扫描电机， 是一种电机与导轨的结合， 电机的转动， 带动导轨上的滑块做 直接移动， 成像光谱仪与滑块连接， 在滑块直线移动的时候， 成像光谱仪也同时做直线移 动， 从而实现一系列直线的光谱图像采集， 最后可拼接出一个二维物体的光谱图像数据。 说明书 7/7 页 11 CN 110911007 A 11 图1 图2 说明书附图 1/2 页 12 CN 110911007 A 12 图3 说明书附图 2/2 页 13 CN 110911007 A 13 。