基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法技术

本发明专利技术基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法属于生物组织空间频域成像技术领域，具体涉及光学特性参数反演方法；该方法包括以下步骤：设置皮肤组织仿真样品参数；设定光学特性参数的取值与组合；通过蒙特卡洛仿真得到漫反射率；构建皮肤组织漫射方程组并通过最小二乘算法进行反演；通过计算分析得到反演误差的变化规律；设定初值，测量得到皮肤漫反射率并反演出光学特性参数；通过迭代优化全衰减系数得到最优空间频率采样区间与采样间隔和最优光学特性参数；相比于基于漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法，本发明专利技术方法的有益效果在于能得到最优空间频率采样区间与采样间隔，有效地减小光学特性参数反演误差。反演误差。反演误差。

【技术实现步骤摘要】
基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法


[0001]基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法属于生物组织空间频域成像
，具体涉及光学特性参数反演方法。

技术介绍

[0002]理论和实践表明，光子在介质内部传输普遍存在光吸收和光散射两种现象。介质吸收和散射特性主要由介质吸收系数和约化散射系数这两个光学特性参数来描述，而光学特性参数与介质几何性质和物理性质等密切相关。因此，通过检测介质光学特性参数来发现介质本身物理特征和生物特征等成为一条有效途径。目前，关于光学特性参数诸多检测技术尤其是光学检测技术得到了迅猛发展。其中，空间频域成像技术(SFDI)因非接触和宽场成像等诸多优点而成为发展热点和研究前沿，而且正在尝试应用于烧伤评估、皮肤组织评估、肿瘤组织检测、脑组织监测和农产品质量评估等方面。
[0003]空间频域成像技术先利用多个空间频率和波长投影的结构化照明来测量介质漫反射率，然后基于漫反射率通过光传播模型等途径反向推演获取介质相应波长的吸收系数和约化散射系数，再结合被测介质进行特性表征与解释。其中，光学特性参数反演是一个承上启下的关键环节，它基于漫反射率给出介质光学特性参数，再基于介质给出其物理化学或生物医学表征与解释。不仅如此，反演过程属于反问题，本质上相当于一个不存在唯一解的不适定性问题。因此，光学特性参数反演成为空间频域成像技术的关键和难点。
[0004]目前，普遍采用基于漫射方程通过最小二乘求解和建立查找表通过查表两个途径进行反演，前者更为成熟更具普适性但受到模型误差和模型成立条件的限制；后者简单实用但受到数据完备性、频率选择性和分辨率的限制。对于皮肤组织评估，基于漫射方程的光学特性参数反演方法显示出了良好的可用性，然而因模型误差导致存在反演误差大的问题，而且反演误差大小直接受到空间频率采样区间与采样间隔的影响。因此，优化空间频率采样区间与采样间隔可望成为减小漫射方程皮肤组织光学特性参数反演误差的有效途径。

技术实现思路

[0005]为了减小基于漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法的反演误差，本专利技术公开了基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法，相比于基于漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法，本专利技术方法通过蒙特卡洛仿真建立由全衰减系数表达的最佳空间频率采用区间与采样间隔、通过全衰减系数迭代优化获得最优空间频率采用区间与采样间隔，本专利技术的目的是减小皮肤组织光学特性参数的反演误差。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤a、皮肤组织仿真样品设定为面积无穷大的平板，仿真样品几何参数中厚度设定为d＝2cm、深度z方向上的网格线总数设定为n
z
＝200、半径r方向上的网格线总数设定为
n
l
＝300、网格线间距即分辨率设定为Δ＝0.01cm；根据皮肤组织光学性质，仿真样品物理参数中各向异性系数设定为g＝0.9、折射率设定为n2＝1.4、其周围介质折射率设定为n1＝1，入射光子数量设定为m＝106、光波长设定为λ＝633nm；将这些参数设定值置入生物组织光传输蒙特卡洛仿真模型，形成皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型，所述皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型输入量为皮肤组织光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)和皮肤表面条纹光的空间频率f
j
、输出量为漫反射率仿真值R(μ
a
,μ
′
s
,f
j
)，所述皮肤组织光学特性参数包括吸收系数μ
a
和约化散射系数μ
′
s
；
[0009]步骤b、依据实际皮肤组织光学特性参数，设定入射光波长为633nm时皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型的输入量吸收系数μ
a
取值和约化散射系数μ
′
s
取值及其组合参见表1：
[0010]表1 输入光学特性参数设定值及其30组组合(cm
‑1)
[0011][0012]表1中全衰减系数μ
tr
为
[0013]μ
tr
＝μ
a
+μ
′
s
[0014]令
[0015]f
j
＝γ
×
μ
tr
[0016]其中，f
j
以全衰减系数μ
tr
为单位归一化表达为γ；根据表1中设定值，再考虑到漫射近似方程的前提条件f
j
＜0.33μ
tr
，设定起始空间频率f
min
取值范围为0μ
tr
‑
0.08μ
tr
、取值间隔为0.01μ
tr
、取值共计9个，设定终止空间频率f
max
取值范围为0.09μ
tr
‑
0.33μ
tr
、取值间隔为0.03μ
tr
、取值共计9个，对每组光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)即每个全衰减系数μ
tr
都形成81个空间频率采样区间，从光学特性参数反演相对误差最小角度出发设定空间频率采样间隔Δf在μ
′
s
＝10cm
‑1时为0.3cm
‑1、在其它情况下为0.4cm
‑1；
[0017]步骤c、针对表1中每组光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)，在每个空间频率采样区间[f
min
,f
max
]中，以空间频率采样间隔Δf为步长得到空间频率采样点f
j
＝f
min
+j
×
Δf，其中j＝0,
1,2,...,J、J＝floor[(f
max
‑
f
min
)/Δf]、floor()为向下取整函数，将光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)和空间频率采样点f
j
置入皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型，运行皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真程序，得到每组光学特性(μ
a
,μ
′
s
)下皮肤组织仿真样品在每个空间频率采样区间[f
min
,f
max
]中空间频率采样点f
j
下的漫反射率仿真值R(μ
a
,μ
′
s
,f
j
)；
[0018]步骤d、将皮肤组织仿真样品折射率n2＝1.4置入生物组织漫射近似方程，得到
[0019][0020]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于频率优化漫射方程的皮肤组织光学特性参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、皮肤组织仿真样品设定为面积无穷大的平板，仿真样品几何参数中厚度设定为d＝2cm、深度z方向上的网格线总数设定为n
z
＝200、半径r方向上的网格线总数设定为n
l
＝300、网格线间距即分辨率设定为Δ＝0.01cm；根据皮肤组织光学性质，仿真样品物理参数中各向异性系数设定为g＝0.9、折射率设定为n2＝1.4、其周围介质折射率设定为n1＝1，入射光子数量设定为m＝106、光波长设定为λ＝633nm；将这些参数设定值置入生物组织光传输蒙特卡洛仿真模型，形成皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型，所述皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型输入量为皮肤组织光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)和皮肤表面条纹光的空间频率f
j
、输出量为漫反射率仿真值R(μ
a
,μ
′
s
,f
j
)，所述皮肤组织光学特性参数包括吸收系数μ
a
和约化散射系数μ
′
s
；步骤b、依据实际皮肤组织光学特性参数，设定入射光波长为633nm时皮肤组织光传输蒙特卡洛仿真模型的输入量吸收系数μ
a
取值和约化散射系数μ
′
s
取值及其组合参见表1：表1输入光学特性参数设定值及其30组组合(cm
‑1)表1中全衰减系数μ
tr
为μ
tr
＝μ
a
+μ
′
s
令f
j
＝γ
×
μ
tr
其中，f
j
以全衰减系数μ
tr
为单位归一化表达为γ；根据表1中设定值，再考虑到漫射近似方程的前提条件f
j
＜0.33μ
tr
，设定起始空间频率f
min
取值范围为0μ
tr
‑
0.08μ
tr
、取值间隔为0.01μ
tr
、取值共计9个，设定终止空间频率f
max
取值范围为0.09μ
tr
‑
0.33μ
tr
、取值间隔为0.03μ
tr
、取值共计9个，对每组光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)即每个全衰减系数μ
tr
都形成81个空间频率采样区间，从光学特性参数反演相对误差最小角度出发设定空间频率采样间隔Δf在
μ
′
s
＝10cm
‑1时为0.3cm
‑1、在其它情况下为0.4cm
‑1；步骤c、针对表1中每组光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)，在每个空间频率采样区间[f
min
,f
max
]中，以空间频率采样间隔Δf为步长得到空间频率采样点f
j
＝f
min
+j
×
Δf，其中j＝0,1,2,
…
,J、J＝floor[(f
max
‑
f
min
)/Δf]、floor()为向下取整函数，将光学特性参数(μ
a
,μ
′
s
)和空间频率采样点f
j

【专利技术属性】
技术研发人员：于双，张文强，赵烟桥，杨文龙，于欣，于晓洋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：