1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室，天津 300072
生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。
医用光学 吸收系数 约化散射系数 蒙特卡罗模拟 单纯形算法 时域测量
南京林业大学机械电子工程学院, 江苏 南京 210037
成熟度是确定番茄采摘时间和评估收获后果实品质的重要参数之一, 随着番茄成熟阶段的递进, 叶绿素含量逐渐下降, 而番茄红素含量逐步增加, 使得果实颜色由绿色转变为红色。 以六个成熟阶段的600个番茄为研究对象, 采用空间分辨光谱技术提取番茄的吸收(μa)和约化散射(μ's)系数光谱, 结合偏最小二乘判别分析(PLSDA)算法对番茄的不同成熟度进行判别。 由新型空间分辨光谱系统采集每个番茄样品的30个空间分辨光谱, 光谱区间为550~1 650 nm, 覆盖光源-检测器距离1.5~36 mm。 由于30根光纤对称布置, 平均具有相同光源-检测器距离的光纤数据, 获得15个新空间分辨光谱。 受水分强吸收影响, 1 300 nm之后的光谱区域信噪比较小, 仅550~1 300 nm的光谱区域被用来分析和计算番茄的μa和μ's。 另外, 由于光在组织中传输衰减, 光源-检测器距离超过12.5 mm的信号较弱, 仅靠近光源的9个空间分辨光谱(光源-检测器距离1.5~12.5 mm)被用来提取番茄的μa和μ's, 根据漫射近似方程逆算法获得μa和μ's在550~1 300 nm的光谱区间的光谱值。 随着番茄的成熟, μa光谱在675 nm处叶绿素吸收峰逐渐衰减伴随着560 nm处花青素和姜黄素吸收峰的增加, μ's光谱随着波长的增加单调递减。 比较分析μa和μ's评估番茄六成熟度与三成熟度分类效果, 同时, 针对表面颜色和内部颜色两方面对番茄成熟度进行分类。 数学模型结果表明, μa和μ's光谱组合能够进一步提高单独μa和μ's光谱建立的番茄六成熟度分类模型性能, 尤其是μa×μ's参数, 对基于内、 外颜色特征的番茄成熟度识别率分别为78.5%与85.5%。 μa和μ's以及它们的组合对番茄三成熟度分类结果更优, 且基于内、 外颜色特征的成熟度分类准确率相近, 均可达到94%。 本研究证明光学吸收与约化散射系数光谱能够有效识别番茄成熟度, 为农产品品质无损检测提供了新的技术手段。
番茄 成熟度 吸收系数光谱 约化散射系数光谱 Tomato Ripeness Absorption coefficient spectra Reduced scattering coefficient spectra 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3556
中国工程物理研究院流体物理研究所 物理与生物医学交叉实验室, 四川 绵阳 621900
由于近红外光对于大多数生物样品具有较高的穿透深度, 因此近红外光谱技术广泛用于生物医学、化工、食品安全以及农产品等领域的无损检测, 但是多局限于生物样品的光学性质测量, 即光吸收测量.利用最新研制的近红外光扩散相关谱系统和采用脂肪乳作为生物样品的替代物, 同时测量了国产30%脂肪乳的光学特性和动态特性, 约化散射系数约为303 cm-1, 吸收系数约为0.037 cm-1, 30%脂肪乳稀释为0.85%(体积比)浓度后的布朗扩散系数约为8.40×10-9 cm2/s, 根据Stokes-Einstein关系可推算出脂肪乳的颗粒半径约为253 nm; 研究了脂肪乳随时间演化特性, 在七天时间内约化散射系数上升106%, 布朗扩散系数下降到63%, 研究表明利用近红外扩散相关谱系统的光强衰减可以获得生物样品的光学特性(约化散射系数和吸收系数), 利用光强随时间的波动可以获得生物样品的动态特性(布朗扩散系数), 因此能够更加准确的测量生物样品的性质变化, 为生物样品检测提供一种新的技术手段.
光学 近红外光谱 近红外扩散相关谱 布朗扩散系数 吸收系数 约化散射系数 near infrared spectroscopy diffuse correlation correlation spectroscopy brownian diffusion coefficient absorption coefficient reduced scattering coefficient
1 中国民航大学 理学院,天津 300300
2 国家农业智能装备工程技术研究中心,北京 100097
为了实现叶绿素含量的无损检测研究，采用激光后向散射图像技术来测量小麦叶片光学特性参量的方法，进行了理论分析和实验验证。利用670nm和970nm的半导体激光器和视频成像系统获得了小麦叶片的激光后向散射图像,通过漫反射理论分析了叶片组织表面的漫射光分布和在这两个波长下绿叶、黄叶、干叶的激光后向散射图像的变化特征，取得了其光学特性参量数据(约化散射系数和吸收系数)，并与叶片的叶绿素相对含量值建立对应的函数关系。结果表明，小麦叶片的光学特性参量与叶绿素相对含量值呈现线性相关，其中利用约化散射系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中，预测集样本的相关系数为0.9095，预测均方根误差为5.9；利用吸收系数建立的叶绿素相对含量值预测模型中，预测集样本的相关系数为0.8366，预测均方根误差为7.5，说明激光后向散射图像技术测定植物叶绿素含量是可行的。这一结果对激光散射图像实现农作物长势诊断是有帮助的。
激光技术 激光后向散射图像 约化散射系数 吸收系数 叶绿素 叶绿素相对含量 laser technique laser backscatter image reduced scattering coefficient absorption coefficient chlorophyll soil and plant analyzer development
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
3 东南大学附属中大医院, 江苏 南京 210009
探讨了利用功能近红外光谱（FNIRS）实时在体监测激光诱导肿瘤间质热疗(LITT)进行疗效评估的可行性。实验采用新鲜离体猪肝和肝癌小鼠皮下移植瘤模型，按不同激光功率和加热时间进行LITT毁损热疗，利用FNIRS监测系统同时监测热疗过程中约化散射系数s。结果表明，FNIRS监测系统获取的约化散射系数在LITT热疗过程中呈上升趋势，起始阶段上升较快，达到一定数值后趋于稳定。激光功率越大，s上升越快。组织成分不一样时，约化散射系数的变化趋势一致，曲线形态有所不同。因此，FNIRS可以用于LITT实时在体疗效评估，s可以作为一种新的LITT术中实时在体疗效评估因子，通过监测s的变化将有助于指导临床热疗。
激光生物学 激光热疗 功能近红外光谱 约化散射系数 疗效评估
1 南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
2 东南大学附属中大医院， 江苏 南京 210009
利用近红外光谱（NIRs）技术和米氏(Mie)理论对生物组织射频毁损散射特性进行了研究。首先通过近红外光谱技术对不同参数射频毁损术中大鼠进行实时监测，探索生物组织的约化散射系数(RSC)s与其热凝固程度的关系。然后利用米氏理论分析热凝固前后生物组织在形态方面的变化，探索热凝固导致生物组织光学参数改变的基本机理。生物组织的约化散射系数与生物组织的热凝固程度有着密切的关系，可以通过生物组织的约化散射系数反应生物组织的热凝固程度；生物组织热凝固后约化散射系数增大，平均等效散射颗粒半径减小，颗粒体密度增大，各向异性因子减小。
生物医学光子学 射频毁损 近红外光谱 米氏理论 约化散射系数 散射颗粒 光学学报
2010, 30(s1): s100411
1 南通大学 机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学 生物医学工程系, 南京 210016
约化散射系数是生物组织光学研究中的一个重要的组织光学参数。利用微光纤探头与光纤光谱仪组成漫反射光谱采集系统对脑组织约化散射系数的实时在位测量进行研究。通过悬乳液与模拟胶模型实验推导了700~850nm波段约化散射系数与漫反射光谱斜率绝对值的关系式, 用模型对公式的计算精度进行验证, 利用该系统实时在位测量了20只大鼠脑组织在700nm、750nm和800nm处的约化散射系数。经统计分析, 大鼠脑白质约化散射系数在上述波长处分别为 30±5 cm-1、28±5 cm-1和25±6 cm-1, 脑灰质约化散射系数则分别为14±3 cm-1、13±3cm-1和12±3cm-1。脑组织约化散射系数实时在位测量对脑外科微创手术中的组织识别具有重要的参考意义。
约化散射系数 漫反射光谱 模拟胶 悬乳液 脑组织 reduced scattering coefficient diffusion spectrum phantom intralipid brain tissue
建立了匹配介质的n层半无限厚频域方程的解，并对频域进行傅里叶变换，计算出时域方程的时间分辨漫反射(Time－resolved Reflectance)．为检验漫射模型的准确性，将时间分辨漫反射与蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟结果进行了比较，结果表明两者符合得很好．研究表明：该时域漫射模型可以判断生物组织和病变的光学特性．
组织光学 生物组织 吸收系数 约化散射系数 蒙特卡罗模拟 Tissue optics Biological tissue Absorption coefficients Reduced scattering coefficients Monte Carol simulation
