（生物物理学专业论文）农产品生物组织的光学参数检测研究.pdf

摘要 为促进农产品品质近红外快速无损检测技术的发展，研究组织内部较为复杂的光与组织相互 作用、光在组织中的传输规律很有必要，因此本文提出了对农产品组织光学参数进行检测研究的 思路。希望通过对可量化的光学参数的获取来明晰光在穿过样品组织时吸收、散射事件的作用机 理和物理含义，从而对吸收、散射各自所携带的“原信息”做出准确表达，进而为探索基于光学 参数的分析测试方法、研制相应的检测仪器打f 基础。 为实现对农产品组织光学参数的检测，结合农产品生物组织的特点及其后续的研究需要择定 了双积分球法来测量农产品组织光学参数。在对双积分球法的测量原理、系统组成和测量技术深 入研究的基础上自行设计了一套适用于农产品组织光学参数测量的双积分球系统，采用6 5 0 n t o 的 半导体激光器作为分析光源，对i n t r a l i p i d 一1 0 溶液( 强散射弱吸收介质) 和e v a n sb l u e 溶液 ( 纯吸收介质) 及其混合溶液做了光学参数测量准确性的系统验证实验，结果显示实测的光学参 数与文献公布值一致，系统的准确性得到了验证。在此基础上，选用牛奶、猪肉样品作为研究对 象，对其组织光学参数进行了实际测量，给出了测量结果，特别对鲜肉样品的腐败过程进行了跟 踪监测，结果显示其约化散射系数( 。) 和差分路径因子( d p f ) 随时间呈下降趋势比较明显。 通过本研究的开展可以得出结论，双积分球系统对于农产品生物组织的光学参数测量有着很 好的适用性和实用性，特别有利于样品组织随时间变化的跟踪监测，从而为奶品、肉品等新鲜度 检测仪器的研制提供理论指导和数据支持。另外，通过对农产品组织光学参数的检测研究，将为 研究者从组织内部入手研究相关的光学检测方法奠定基础，从而为近红外光谱技术的进一步发展 拓宽研究思路。 关键词：近红外光谱技术，农产品组织光学参数，双积分球系统 l i a b s t r a c t t oi m p r o v et h ef a s tn o n - i n v a s i v ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yf o ra g r i c u l t u r a lp r o d u c t s q u a l i t yb a s e do n n e a r - i n f r a r e d ( n i r ) s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ec o m p l i c a t e dl i g h t t i s s u e i n t e r a c t i o n sa n dt h er u l eo fl i g h tt r a n s p o r t a t i o ni na g r i c u l t u r a lp r o d u c t s t i s s u e 。o nt h ep u r p o s eo ft h a t ， m e t h o d sf o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e si na g r i c u l t u r a lp r o d u c t s t i s s u eh a v eb e e nd e v e l o p e d t h r o u g ht h ea c q u i r e m e n to ft h eq u a n t i t a t i v eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h ef u n d a m e n t a ll a w so fa b s o r p t i o na n d s c a t t e r i n gd u r i n gl i g h tt r a n s p o r t a t i o ni nt i s s u ew i l lb em a d ec l e a r c o n s e q u e n t l y , t h eo r i g i n a li n f o r m a t i o n a b o u ta b s o r p t i o na n ds c a t t e r i n gw i l lb ee x p r e s s e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h e ns o m en & v vm e t h o d sf o rq u a l i t y a n a l y s i sw h i c hi st h eb a s i so f d e v e l o p i n gn e w i n s t r u m e n t sw i l lb ep r e s e n t e d i no r d e rt or e a l i z et h et a r g e tf o rd e t e m l i m n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e si na g r i c u l t u r a lp r o d u c t s t i s s u e ，t h e m e t h o db a s e do nd o u b l e - i n t e g r a t i n g - s p h e r es y s t e mw a ss e l e c t e dt op u ti np r a c t i c e a f t e rt h et h e o r y , c o m p o n e n t sa n dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ew e r ei n v e s t i g a t e dc l e a r l y , as e to fd o u b l e - i n t e g r a t i n g - s p h e r e s y s t e mw a sb u i l t i n t r a l i p i d 一1 0 a n de v a n sb l u ew e r eu s e da ss t a n d a r dp h a n t o m st ov e r i f yt h es y s t e m a t 6 5 0 螂w a v e l e n g t h 。t h er e s u l tw a sc o n s i s t e n tw i t ho t h e r sr e s e a r c h e r s r e p o r t s 。f u r t h e r m o r e , t h em i t k a n dp o r ks a m p l e sw e r em e a s u r e dt oo b t a i nt h eo p t i c a lp r o p e r t i e s , a n dt h e nt h ec h a n g eo ft h eo p t i c a l p r o p e r t i e sw a sm o n i t o r e di nt h ed e c a yp r o c e s s o fp o r ks a m p l e s , w h i c ht h er e d u c e ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ( 以) a n dt h ed i f f e r e n t i a lp a t hl e n g t hf a c t o r ( d p f ) d e c r e a s e dd a yb yd a ys i g n i f i c a n t l y i tc m t c l n 如dt h a tt h em e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e si na g r i c u l t u r ep r o d u c t s t i s s u e b a s e do nd o u b l e 。i n t e g r a t i n g - s p h e r es y s t e mw a sf e a s i b l ea n dc h e a p i ti se s p e c i a l l yu s e f u lt ot r a c kt h e c h a n g eo ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e si nt h ed e c a yp r o c e s so fs a m p l e s t h ea c q u i r e m e n to f t h i sf u n d a m e n t a l d a t ai sb e n e f i c i a lt od e v e l o pi n s t r u m e n t sf o rd e t e c t i n gt h ef r e s h n e s so fs a m p l e sl i k em i l ka n dp o r k b e s i d e s t h ew o r ko ft h i sp a p e rw i l ls e tu pan e wf o u n d a t i o nf o fr e s e a r c h e r st oi n v e s t i g a t eo p t i c a l d e t e c t i n gt e c h n o l o g yf r o mt h et i s s u ei n s i d e ，a n dw i d e nr e s e a r c hi d e a f o rt h ed e v e l o p m e n to fn i r s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：n e a r - i n r e d 心鳓s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y , o p t i c a lp r o p e r t i e si na g r i c u l t u r a lp r o d u c t s t i s s u e ，d o u b l e - i n t e g r a t i n g - s p h e r es y s t e m i i l 图表目录 图卜1 光穿过样品组织时的实际光学路径示意图 图2 - 1 各向异性散射因子所反映的光子散射方向性示意图 图2 2 半无限介质表面径向距离p 处的漫反射率稳态分布一 图2 - 3 空间稳态分布的漫反射光信号检测装置示意图一 图2 - 4 基于窄脉冲光源的时间分辨波形示意图 图2 - 5 入射光穿过组织后出射光的幅度、相位变化示意图 图2 - 6 单积分球法测量样品组织漫反射率、漫透射率和准直透射率的示意图 图2 - 7 双积分球法测量样品组织漫反射率、漫透射率和准直透射率的示意图 图2 - 8 基于测角术的切片组织光学参数测量法示意图 图2 - 9 基于光能流率测量的光学参数测量方法示意图 图2 1 0p r a i - i l 描述的m o n t ec a r l o 算法流程图 图2 - i im o n t ec a r l o 仿真模型和其他光学模型的关系 图3 - 1 测量生物组织光学参数的双积分球系统原理示意图 图3 2 测量图示 图3 3i a d 算法的基本流程图 图3 - 4 倍增算法流程图 图3 - 5 角度分辨的漫反射函数和漫透射函数示意图 图3 - 6 本文的双积分球系统示意图 图3 - 7 本文的双积分球系统实物图 图3 - 8 双积分球系统各个部分的实物图， 图3 - 9 标准漫反射板实物图 图3 - 1 0f 4 涂料和m c o 、b a s 0 4 涂料的波长响应曲线对比 图3 一1 1 半导体激光器实物图。， 图3 1 2 标称波长为6 5 0 1 嘲的半导体激光光源波长准确性实验 图3 一1 3 光电检测电路示意图 图3 1 4 积分球检测器的线性响应特性曲线 图3 1 5 软件功能模块示意图 图3 一1 6 测量过程流程图 图3 1 7 控制软件界面实例 图3 - 1 8 积分球参数的测量步骤示意图 图3 1 9 样品的测量步骤示意图， 图3 2 0 激光光束穿过积分球时的真实情况 图3 - 2 1 空样品池状态时的测量步骤示意图 图4 - ii n t r a l i p i d - i o 与e v a n sb l u e 溶液的实验数据分析图 图4 2 基于稳态空间分辨技术的漫反射式测试方法示意图 图4 - 3 三种纯牛奶的散射系数随浓度变化曲线 图4 - 4 三种纯牛奶和两种还原奶的聚类分析图 图4 - 5 牛乳经不同处理后其脂肪球粒径人小 表2 - 1 几种常见物质的折射率 表3 - 1 采用积分球参数校正与否的对比结果 v 2 5 7 ，8 9加n n m垢埔招曲船船m蛎拍舱盯盯勰四凹n驼弘卯卯铊眈“拍蛎 5 黯 表3 2 多次测景的积分球参数比较 表4 - 1 不同研究小组对于i n t r a l i p i d 一1 溶液散射系数测量的结果比较 表4 - 2 本文双积分球系统与分光光度计的测试比较 表4 - 3 本文双积分球系统与稳态空间分辨方法的测试比较 表4 4 蒙牛、光明、伊利三种纯牛奶的组分含量 表4 5 完达山、伊利两种奶粉的组分含量， 表4 - 6 蒙牛、光明、伊利三种纯牛奶配置溶液的实测光学参数( 测量波长为6 5 0 n m ) 表4 7 三种纯牛奶和两种奶粉配制溶液的实测散射系数比较( 测量波长为6 5 0 n u ) 表4 8 猪通脊鲜肉的实测光学参数 v i 弘柏们们船们 独创陛声明 y 9 3 8 2 7 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 7 莹志必 时间：力神6 年j ，月沙日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 莹拗时间：多的 7 年j ，月沪日 导师签名 擞 时间：年月日 渺s 2 - 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义 近年来，关于农产品品质和食品安全的检测分析一直是热门的研究课题，在国家中长期科学 和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中重点发展的农业和公菇安全方向其优先主题均涉及了农 产品和食晶安全领域，这氇说明了农产裱品质豹梭测检疫技术将变得越来越重要。先进豹检测捡 疫技术不仅可棼簸测帮控翎离品质的农产品生产避程，两且可班霄效打击不法分子、翘范市场。 当前，传统的化学方法已经不爵适应社会发展的需要，快速无损检测技术被广泛应用。利用光学 方法对样品组织的非侵入性测量，既能达到无损的测量要求，也能保证测量速度，一般仅在几分 钟内邵可达到测攮强弱，因此，在常规检测技术的基础上，应加俊接进快速无损授巍l 技术豹发展， 馥备应付一些突发霉锋的公共安全阍题。 在农产品品质分析领域，以近红外光谱技术为代表的快速无损检钡4 技术发展最为迅速，随着 计算机技术和化学计量学的深入发腱，更是使之成为了一种最常用的分析方法，其发展潜力和应 用羲聚均为久们所嚣好”“。然弼，避氛癸光谱技术怒一种铁谱蜂菇度重叠、强帮景信号孛提取弱 信蟹的分析技术，因此狠容易受到样括环境变化、测试条件交纯等外界干扰因素驹影响，致健横 硝稳健性下降，最终导致预测能力f 降，甚至造成很大的测量误差。因此在实际应用中建立预测 能力好、抗干扰能力强的稳健分析模型是至关重要的。为了达到这样的目的，研究者们已经想了 缀多魏办法，在数据预处理、努辑建禳等方露均傲了_ 丈量戆研究鞠改进”。当蒋，对于最大臌 度地消除外界干扰戳素造成的不利影响通常采取以下四个方霹的措施：1 ) 对光谱数据进行预处 理；2 ) 选取对外界影响因素不敏感的分析波长：3 ) 选择最含邂的校正算法；4 ) 将外界影响因 素龟禽到校正集中建立垒局校正模型。然而尽锗采用了以上四种荫益的措施，有时候所建的模型 其稳健瞧还是不慕疆想，难以解决本质目瑟。 实际上光在样晶组织中的传输不仅存在吸收作用而且还存在散射作用“”，谳农产品往往是 强散射物质，光散射的存在不仅改变光传输的方向，而且还最终改变光在样品组织中所经历的实 际光学路程，结聚使褥被检测到的光谱中包含了擞强的光散射背景信号( 光散射作翔被归结为巍 谱形状的变纯) ，磋这种背景镶号不褥子其它井赛壤素掰产生瓣手挠，一般壤滩通过数据预缝穗 的方法来消除，此前发展出的多茹散射校正就是其中的一种“j “9 1o 所咀- 在这种情况下仅用较 为理想的比尔吸收定律( 一级近似，只考虑吸收作用，忽略散射作用) 来描述光吸收和散射的并 存体系，建立群磊“吸光度值”与“浓度值”之阕的分析模型攫然怒有缺陷的，特别是对予显瑷 强敲瓣性质的样晶缀织来说，其毙散射作瘸更是一个不可忽略的影响因素，这静“蘸信息”裘达 的偏麓是构成近红外光谱技术分析谖差的主要来源。冈此，为了能够准确表述这些“原信息”+ 就有必要对组织的吸收和散射髓个方面的作用都进行研究，本文提出对农产品组织光学参数( 吸 牧系数、散射系数簿) 进行检测磺究正是基于这一嚣标。此翦，d e l p y “已经摊出了修正的拢尔 定镑公式，它是巍穿过样品组织时的一种“唯象”表述形式。 比尔定律表述如一f ： 爿( a ) = e b c ( 1 1 ) 修正的比尔定律表述如下： o d ( z ) = d p ，e b c + g ( 卜2 ) 其中，爿( a ) 是吸光度值，s 是摩尔吸光系数，b 是光程，c 是摩尔浓度；6 i d m ) 称为光密度 值，d p f 称为差分路径因子，表示光子在组织中经历的实际平均路径与光源到检测器距离的比值， g 称为修正因子，表示背景吸收、散射等引起的变化。 从公式( 卜2 ) 可以看出，差分路径因子d p f 的物理意义实际上是体现了光散射作用改变实 际光程的能力，它是关于吸收系数和散射系数的一个相关函数。在光散射作用的影响下，光在穿 过农产品组织时的实际光学路径呈现出曲折的迁移路径( 图卜1 ) ，这与“真溶液”中的光传输过 程有着极大的差别。所以，研究农产晶组织的光学性质对于准确表达光与组织的相互作用是十分 重要的。 b 图1 - 1 光穿过样品组织时的实际光学路径示意图 组织光学参数与组织内部生理、病理和代谢过程中的物质变化情况都有着密切联系，因此， 组织光学参数能够准确地反映出样品组织内部的物理化学性状变化。光学参数不仅可以定性的反 映农产品组织的品质特性，例如，跟踪组织光学参数的变化即可说明肉品、奶制品等物质的腐败 过程，进而可以研制相应的检测仪器，解决诸如“肉品新鲜度”、“注水肉”的检测问题；而且可 以通过对样品组织内部可量化的光学参数进行检测研究，为m o n t ec a r l o 仿真提供基础数据，为 研究光与组织相互作用规律、建立稳健的定量分析模型奠定基础。因此，农产品生物组织光学参 数的检测研究有着非常重要的基础研究意义和潜在的应用价值。 1 2 国内外研究现状 研究组织光学参数的检测方法及其应用价值在生物医学领域已经十分普遍，光学参数的检测 研究属于组织光学的两个基本问题之一。组织光学是- - f 研究光与组织相互作用进而指导光学诊 断、光学治疗等生物医学的新兴学科，因此它的应用必须解决两个方面的基本问题：1 ) 研究在 特定条件下组织体内光分布情况及光传输规律的问题，称为“正问题”；2 ) 研究测试数据在特定 2 光传输模型下反演组织光学特性参数的问题，称为“逆问题”。这两个方面的问题既是相对独立 又是相辅相成的，准确的光学参数可以描述准确的光传输模型，反过来从特定的准确光传输模型 又可反演出准确的光学参数。因此，要想得到准确的光学参数一般需要有准确的光传输模型作为 依托。当前。研究者已经发展出多种光传输模型，例如输运方程在定条件下的解析解、k - m 理 论、倍增模型、m o n t ec a r l o 仿真等。其中，从输运方程在一定条件下的解析解出发可以发展出 基于稳态空间分辨技术、时间分辨技术、频域分辨技术的活体组织光学参数测量方法，基于积分 球技术又可结合k m 理论、倍增模型、m o n t ec a r l o 仿真等发展出离体组织的光学参数测量方法。 所以，关于组织光学参数测最问题的探索和研究从一开始就从未间断过，一大批组织光学参数的 测试结果已经被研究者公布出来，比如c h e o n g 等人在1 9 9 0 年总结了一份测最组织光学参数的 清单，几乎涵盖了当时所有研究者的测量结果及其相应的测量方法，为后续的研究工作提供了丰 富的参考。在光源波长为6 0 01 3 0 0 n m 的“治疗窗口”，一些人体组织如皮肤组织、脂肪组织、 肌肉组织、血液组织等的光学参数报道最为广泛，其典型的平均折射率为1 3 1 5 ，吸收系数为 0 1 1 小m ，散射系数为l o l o o m m ，各向异性散射因子为0 6 0 9 9 ，可见这些生物组织 呈现出一种强散射弱吸收、前向散射性好的光学特性。 对于农产品生物组织来说，关于其组织光学参数测量的相关报道则极少，除了牛奶和猪肉以 外其它农产品生物组织的光学参数测量目前几乎没有任何报道，而且已经报道过的牛奶、猪肉组 织光学参数的测量其应用研究的目的也并不是用于农产品品质的检测分析领域，丽一般仅是用于 验证测量装置或者用于生物医学领域。本研究的开展将从快速无损检测技术的角度来阐述组织光 学参数对于农产品晶质分析测试方法、理论研究、仪器研制等方面的指导意义和应用价值。 1 3 研究任务和研究内容 通过上述的分析，本研究的任务是要对农产品例如叶片、奶品、果汁、果肉、肉制品等组织 光学参数的测量方法做出探索性研究，并且在此基础上建立起一个适用于农产品组织光学参数的 测量平台，以实现对实际农产品样品组织光学参数的测量要求，进而为理解光与组织相互作用机 理、研究光在组织中的传输规律、准确表达吸收和散射所携带的“原信息”、建立稳健分析模型 方法等后续研究工作奠定基础。 为实现上述的任务，本文将围绕以f 内容展开研究： 1 ) 明确光学参数的基本概念及其物理内涵； 2 ) 研究光学参数与光传输模型之间的实质关系； 3 ) 研究当前光学参数常见的测量方法，综合比较它们的优缺点，并且择其一种比较适合于 农产品组织光学参数测量的方法； 4 ) 通过对择定方法的研究、改进，建立一套相应的实验测量装置； 5 ) 验证实验测量装置的准确性； 6 ) 在系统准确性得到验证的基础上，对实际样品牛奶、猪肉的组织光学参数进行初步测试 研究； 7 ) 对于本研究的总结、建议和应用展望。 3 第二章光学参数及其测量方法简介 光与组织乏阀的梧互住溺是一个极其复杂的过程，但是，如栗把生物缀缀萃纯蟪毳戏是由吸 收粒子、散莉粒子组戒弱菲均匀离数分毒体，那么这个过程将得到大大地籁纯。当光孑在组织中 传播时，要么被完全吸收，簧么被弹性散射，因此可以通过能够反映吸收和散射作用能力的光学 参数来表征嫩织的光学特性，进而研究光与组织的相互作用规律。在这章中将对本文所涉及到 的一些光学参数基本毂念及其常见嚣溺量方法饿一个筒单分绍。 2 1 光学参数的基本概念 2 ，1 基本激攀参数 基本的光举参数有吸收系数、散射系数和箨向异性散射因子，另外，组织的平均折射率在描 述和处理边界特性时有着独立的物理意义，因此，把它也肴成是组织的一个蒸本光学参数。 暇收系数 介质对光的吸收作用其实质是光作用于组织时引起的分子振动将光能转化为热能或 者其它形式能擞的一种表述，在组织光学中可以采用吸收系数来袭征介质对于光吸收驰能 力，所阻吸收系数反映熬楚生物组织中分子鲍振动能缀揍惑。当党穿进吸收薄璎瓠露，光 能i 由于吸收作用将损失绝对值d i ，因此对于d i i 与薄层膊度d x 有如”f 关系： 一d ；以d x ( 2 - 1 ) “ l 式中比罄! | 系数纵豫为嚷牧系数，常用的单经是m m _ 1 或者槐。 2 散射系数 介质对光的散射作崩反踺出了组织结构的显微不均匀性，秘吸收系数类毂，缀织光学 中采用鼓射系数来表征舟震对予毙散射的能力，其徽蕊物淫含义为毙予在失去藏寒鳃迁移 方向之前所经过单位路径陡度上的衰减能力。当光穿避散射薄层血时，光能i 由予散射作用 将损失绝对值d i ，因此对于d i i 与薄层厚度d x 有如下关系； 一d ；雎d r ( 2 2 ) j 。 式中比例系数。称为散射系数，常用的单位是m - 1 或者册。 3 各向异性散射因子 介质对光的鼗嘉| 是其舂方起性豹，当光发生敖菇事件孵，入莉光由予缀织中鼓射钵幻影响会 偏离原来的传播方向，入射光和散射光之间的这个夹角称为徼射角，记为口，o e 【o ，玎】，这种偏 转是随机的，可以采用散射角度分布函数( 相函数) 来袭承：p ( v ) ，v c o s o ，其物理意义是散 4 辩事件发生时光予散射角的概率统计分布。此时，数射角的余弦平均毽称为各向异性散射因子， 记为譬，无量纲。 g - - - - v f = 尹( v 罐甜 ( 2 3 ) # 当g = 1 时，有散射角疗一0 。表示完全前向散射，当g 一0 时，有散射角一* 石2 ，表示 鑫向弱幢散射，当客；一l 时，毒散射螽学一万，表示完全螽囱教射，图2 - i 楚箨国异蛙敬射因 子所反映的光子散射方向性示意图。在大多数生物组织中，g 慎介于0 6 到0 9 9 之间，即前向散 射特性比较明显。 婚审蚤 g = 10 g 1 g 20 一l g 0g2 1 圈2 - i 各向弊性散射因子所反映的光早散射宵向性示意图 4 折射犟 根据物理光学的定义，余震懿折射事n 有： n 篙三 ( 2 4 ) v 箕中，c 是光在囊空环境串匏接播速度，v 憩宠在奔矮琢境中的传播速发，因此，折射率n 无量 纲。 折射率鲸不圈是组织不均匀援的一辩宏联体现，它所反映的是介囊与赍质之潞对改变光传播 方向能力的差别，主要用予描述和处理组织边界特性等问题。折射率和上述三个光学参数不同， 它所体现的是光盼波动性特征，豳蕊可以通过菲涅尔反射公式在测量其缎织反射率的基础上来求 解。表2 - l 绘出的楚几种常见奔葳的折射率。对于生物组织来说，一般葜折瓣率在1 3 i ，5 之 间，更多的则是接近于水的折射搴，典型的取1 3 7 。 瘟2 - i 几种常见物质的折射率 物质折射率 物质 折射率 水1 3 3 3窀气 1 0 0 3 撤 i 3 l磊英 1 4 6 酒精 1 3 6玻璃 l 。5 2 1 2 奠它光学参数 为了研究的方便，逐有一些其京的光学参数表述形式被研究者 f 】提出来，如总衰疆系数、约 化散射系数、反照率，平均自由程等，这些常见的参数已经列予附录a 当中，它们都可由最基本 的吸收系数、散射系鼗、嚣囱异性数射因予推导出来e 5 2 ，2 光学参数测量方法麓介 根据生物组织所处的状态不同，组织光学参数的测量方法一般可以分为两类：一类是滔体测 蠹，也稼为冤授测曩法，帮遵避测量组缓表疆的漫射光分布荐摄撂特定盼光镄辕理论来爱演先学 参数的方法；弱一类是离体溺麓，也称为翻持溯量法，郄将组织切片置于光学系统中进幸子溅鬣的 方法。区分活体测最和离体测量是因为活体组织和离体组织的生理状态、物理化学状态、物质变 化状态等都有麓很大的不同，因此活体组织和离体组织的光学特性也会呈现很大的不同，这时， 离体组织所测褥躲光学参数裁无法用于表蔹活体组织的光学特性，反过来亦然，所戳对予灞体组 织和离体组织来说需要根雅典体情况以实际测试结采为准。 根据理论基础的不同，组织光学参数的测最方法又可分为直接测撬方法和间接测量方法”“。 赢接测量方法是指赢接根据光学参数的定义将级织置于光学系统进行测试的方法；间接测餐方法 楚指通过一种巍模型反接光学参数的方法。在鞠接测量方法申为了得至猴确的组织竟学参数，光 传输模型的准确性是相当囊簧的。当前较为准确的光传输模裂主要有两类，一类是基于光予输运 理论“解析解”的光传输模型，另一类是基于m o n t ec a r l o 仿真“数值解”的光传输模型。 2 2 1 活体缀织光学参数测爨方法 对于活体组织的光学参数测孱一般是建立在漫射近似方程解析解基础之上的，因为滔体组织 臻达到无损测爨耍求通常是避道测量组织表丽的漫射光分布米实现的，而漫射近似方程在特定条 件下的辩辑辩是囊翦对于半嚣隈太强散射奔矮光传输模型中较为准确的一一秘光传输模型。鼹察组 织表面的漫射光分布，可以发现，光进入组织厢其组织袭丽的漫射率是随蕾观察点与入射光源的 距离增加而减小的，如果选择入射光源为连续变化、窄脉冲变化和正弦调制时即可发展出燕子空 阅分辨技术“、时间分辨技术”和频率分辨技术o 的光学参数测量方法，这些光学参数测 鬟方法在实鼯样品蕊溅量中酃跫经有了成凌的应翊。 2 。2 1 ，漫射近似理论蒸础 光作为一秘电磁波，其零壤可鞋运用电磁渡理论斡麦竞赣韦方程组来表达。当光与缀缓相互 作用对，从艇撮守恒的孤璎幽发面以建立辐射亮度的玻尔兹受缎积分方程，然而求解这个徽积分 方程却是个六维时空阀题，需要已知光密度初始值和缀织边界等己知祭件才可求解，因此至今 尚未有解析解，所以一般的处理方法是将玻尔兹曼微积分方程在特定条件下进行漫射避似，得到 漫射方程，藩解近议解。 对于生物组织来说，其散射系数一般要远远大于吸收系数，而且它鬟现蹬根强的髓商漱射特 性，因此，槛逡离光源和边界的情况下组织内部某点的光能流率妒( r ) 可以硐公式( 2 - 5 ) 米夜述。 d v 劬p ) 一芦。妒p ) 4 - s ( ，) 一0 ( 2 5 ) 式中妒p ) 表示距离光源入射赢r 处的光能流率( w m 2 ) ，s r ) 表示光源，d 表示扩散系数， 。表示吸收系数。 6 关予公式( 2 5 ) 的求解和接导融经有缀多相关鲍文献“”，这里将不再赘述。摄姑溪射近 似的理论可以建立起基于空间分辨、时间分辨和频域分辨的光学模型，为反演组纵光学参数提供 理论基础。 2 2 1 2 稳态奎间分辨方法 根据漫射近似理论，当连续光源垂直入射到半无限介质裘飚时，可以认为缎缎体内的光分布 是和时间无关的一种稳态分布( 见图2 2 ) ，组织表面某观察点距入射光源p 处的浸反射率可以 用公式( 2 - 6 ) 来表述。因此，可鞋遥过涮繁组织袭谣的漫爱瓣率来廑演组织光学参数，应用这 种方法来测量光学参数的研究目前已经有很多相关的报道”“1 。用于检测组织漫反射光的仪器一 般是采j ；l l 竞纤设备帮电耱精会嚣 串( c c d ) 设备，检测装置示意圈见匿2 叼。 图2 - 2 半无限舟质表面经向距离p 处的漫戚射率稳态分布 珏 培 ( 曲光纤检测方式 璐) c c d 检测方式 霭2 - 3 空瓣稳态分糍豹漫夏射免偿号橙浏装鼍暴意鬻 7 脚，* 去+ 净等产+ 4 枷+ 夸等等嘞 式中霖p ) ，表示半无敝丈套震中轴对称坐标下与点光源经向距离p 处黯漫反射率。掇撼上式， 当点光源径向距离p 满足一定条件时还可以得到进一步简化“”。 在避红外光谗技术争，漫反瓣率鲍检测主要用予漫发射式梭测仪器静磺割，它靛原蘧其实是 利用散射光经过样品组织时与组织发生相互作用所携带的样品组织的结构和组成信息进行分析。 在漫反射式捡测技术中，光密度馕代替比尔定律中吸光度a 的概念，如公式( 2 7 ) 所示： 刮嘴荔 7 通过适当的推导“1 ，光密度值和组织光学参数之间可以得到如下关系： 3 乒。芦，t ( o d 2 ，d d i ) ，p 2 ( 2 - 8 ) 式中，o d i 和o d 2 分别表示组织表面径向距离p 1 和p 2 处的光密度值a 通过公式( 2 - 8 ) 即可建立光密度值与缀织光学参数的援燕关系，文中在4 - i ，j 、节璧为验证 i n t r a l i p i d - l o 溶液光学参数测量的准确性用到了此方法。 2 2 。 3 时溺分瓣方法 当一柬昧坤点光源凇矗入射酬半无限奔驻时，在援短的孵间( 凡个续秒裂几。p 纳秒) 海缎织 表面的漫反射率是随时闻变化的一个时问函数，图2 - 4 所示的是入射光作用于组织后漫反射光信 号的时间分辨波形示意鲤。依靠现代单光予检测技术可以实测光子出射随时同的变化情况。根据 实测的射闯分辨波形既苜反演出缵织的兜学参数”。“。 蕊) 对藏t 竦s ) 萤2 q 纂于窄脉冲巍潦的时瓣势辨渡彩承意豳 ( a ) 窄脉冲入射光源，( b ) 组织表面菜r 处出射光的时间分辨波形 通过时问分辨技术一般可以得到单光源单检铡器情况下融大量的祥品信惠，但是考虑到时间 分辨仪器非常昂贵，一般仅限于大型实验童的使用，婴想用予农产品生物组织的光学参数检测研 8 究不太瑰实。 2 2 1 4 频域方法 目前常用的光学参数测量方法一般是前两种方法，基于频率分辨技术的光学参数测量方法是 遥过对入射光迸褥调割引起光穿避组织后的相位变化、幅度变化来确定光学参数的一种方法”一。 图2 - 5 给出了入射光穿过组织后出射光的幅度、相位变化示意图，可以看出光缀过组织后，出射 光幅度较入射光幅度减小了，相位则滞后了。通过频域方法，有研究已经表明可以测量麓分路径 | 霹子。 ，八、 a 觥 。 、出射光 0 ， 瞬扣5 入射光穿过组织詹出射光的幅度、相位变化示意隰 2 2 2 离体生物组织光学参数测量方法 2 2 。2 ，1 积分球法 剽翔积分琢溅光系统( 积分球理论觅附录b ) ，弼班对维缓表瑟貔掰有漫射光信号进行采集， 测得组织的攫反射率和漫遴射率。利用积分球技术测餐组织光学参数是离体测鬣中最常_ i = i 的一种 方法，测得反射搴和漫逶射翠等物理量嚣褥鳍会k 塌瑾论、遴m o n t ec a r l o 簿法、逆倍增i a d ( i n v e r s eh d d i n g - d o u b l i n g ) 算法即可反演出组织的光学参数“。积分球法测鬣组织光学参数 常用的商单积分璩法和蹶积分球法鼯种。 1 单积分球法 单积分球技术“是窜用单个积分球遥过分时渊鼙龌织漫反射率、漫透射搴靼准直透射率的 一种测墩技术，一般以已知漫反射率的标准漫反射板为参考，通过比较法来获褥测量值，并消除 由积分球参数引起蛇误差。如图2 6 赝示，为得到样懿的漫菠射率置b ，先测鼙露中( a ) 所示鲍 光能跫? 。再交换样品和标准漫反射板( 凝反射率为j 0 ) 的位置重新测量兜能量j 。，这样得 n r 4 9 艇j n n n g n r 女* r 女1 。l ，。其它物理量可以采用类似的方法得到t 9 222 b o 9 弋 5 ( b ) 捌2 - 8 单鞭分球法测鬟样品缉鳃浸厦射率、浸透射率衽准宣透射率静示豢溺 ( i ) 测釜漫反射率，( b ) 测璧漤透射率，( c ) 溯羹准直遴射率 1 a 射激兜，2 t 标准漫反射板，3 样品，4 挡板，5 椽测器 2 。戏积分球法 双积分球技术。”1 是将样品组织放在一对水平放鬣的积分球之间。当分析光入射样品组织时 同时褥捌组织漫魇瓣率、浸透射率翻准矗透麓率的潮爨按本。图2 7 帮楚双积分球系统测燕生物 组织光学参数的示意图。 24 77 5 豳2 7 双积分球法测量样品组织漫反射率、浸透射攀和准直透射率的示意嘲 ，激光，2 ，漫反射辍分璩，3 。群晶，4 。澧遴射积分球，5 准轰遴射积分蟓，8 接校，7 ，捡测嚣 采崩积分球法测量组织光学参数具有快速准确的优点，丽且可以灵活处理任意光学参数、任 意敖射特性和任意边界条睾| ：的问题。运崩敞积分球系统，可以同时测褥棒晶组织的漫反射率、漫 透射率和准直透射率，而不需要改变样品的位置，阁此可以监测样品在温度变化、压力变化等情 况f 豹实薅测量，这是攀辍分球系缓无法傲鬻的，鹚为在单彀分球系统中蔼要惩避改变襻晶组织 的位谶来完成指对测量。然而，在职积分球系统中+ 由于两球之间的串扰会引起测量的谈蒹，尽 管p i c k e r i n g 等人”“”已经采用了较为可靠的校正方法，但是还是存在一定的误差，面且校正的 过程也增加了测掇步骤的复杂性，这在单积分球中照不会出现的。所以，相对而富，单积分球系 统和破积分球系统在测量上各有好处，也备商不足之处，实际皮用中应视具体情况而定。 2 2 | 22 其它离体组织光学参数测量方法 1 0 对于离体组织来说，它不像活体组织一样只能采用间接的测量方法，离体组织被切成很薄的 薄片后可以在测试系统中直接进行测量。得到光学参数。当样品切片厚度薄到小于一个平均自由 程，即dsm 加时，可对样品切片直接进行准直透射率的测量和单次散射的测量，测试装置如图 2 - 8 所示，图中一束极细的激光光束入射切片组织，通过位于组织中心半圆上可沿圆周移动的检 测器来检测辐出角度口变化的散射光信号，当辐出角度日= 0 时即为准直透射率的测量。 入 图2 _ 8 基千测角术的切片组织光学参数测量法示意图 d a m 等人“”和f i r b a n k 等人“”结合辐出角度分辨技术和空间分辨技术提出的组织光学参数的 测试方法即属于此类方法。另外，也有将光源和检测器插入组织内部通过测量光能流率来得到光 学参数的测最方法“”“1 ，图2 - 9 给出了示意图。 图2 _ 9 基于光能流率测量的光学参数测量方法示意图 2 2 3 上述几种光学参数测量方法的比较 介绍上述几种光学参数测量方法的目的是要通过综合比较这些方法来选择一种较适台于农 产品组织光学参数测量的方法。下面将对上述几种光学参数测量方法的准确性以及这些方法建立 和实现的成本、难易程度等方面做出比较，并且结合农产品生物组织的结构特点和光学特性来说 明哪种方法更加适用于农产品组织光学参数的测量及其后续研究： 作的开展。 稳态空润分辨方法、时闻分辨方法和频域方法都是来源予光子输运方程熬捶导，均瓣于间接 测箍方法，研通过对组织表蕊漫射光分布波形的理论曲线和实测曲线进行! i 线性拟台来求解组织 光学参数，因此它们的准确性惹不多。研究袭明，影响这螋测量方法准确与街的主要因素在予光 话摭攘型的礁臻性，毽为在举弱豹边界条终整理方法f 褥刘魏兜铸赣搂鹫也楚不一样能，葵中醛 多 攘边赛条转处理戆臻漾最好，疆符合实际馕况。在这三糖方法中穗态空阕分辨方法般瓣的鼹 多，因为它翱对其它两耱方法来说要更加戆梗些，两且实验装受的研翻鄹维护都要相对麓单一 些，成本较低，在漫反射式检渌领域应粥最为广泛；时阀分辨方法需要飞秒缀蹦的窄赫i 中光源发 生器帮单巍予检测器，这些仪器十分精密、鼯爨，国步 也仅商少数的研究机构配备；频蛾方法瞒 需要港懑谖蠲霸摇寝稔溅等鼓零鹣支持，对予安虢装篮於瓷谤囊开袋调试毽诿毙稳态方法蔓杂， 相对不易实现。因此，通过对以上三种测掇方法的对比来澍，成本最低也魑娥切实可彳亍的光学参 数溅爱方法燕穗悫空闻分辨方法，当蘸遮穆努辑方法被广泛艨溺也正是这个藏困。然箍，要将稳 悫空闻分辨方法盛攘皮髑予农产箍生物缀织的光学参数测擞，还存在着一臻瓣鼷，因y 为农产黠种 类十分繁多，接次维翰氇较两复杂，磊稳态空窝分辨方法樊哇燕对于拳无浆麦赍矮组织摸赘其鸯较 好的准确性，对于多屡组织来说还有待干遴一劳的研究。积分球法燕将积分球测景技术、辐射传 辕方程糖确群和计算帆数值方法相结合的一种方法，它具胄准确、快速韵特点，而且在处