（光学工程专业论文）频域逆蒙特卡洛光学参数反演研究和频域系统数据采集.pdf

中文摘要 频域近红外漫射光测量是实现早期宫颈癌诊断的新技术，本文研究了基于时 域蒙特卡洛模拟的频域信息提取方法、光学参数反演方法和提高反演速度的措 施。发展了利用离散傅立叶变换( 传统法) 和改进法两种提取频域信号幅值相位 的方法。通过建立一定散射系数范围内的正向m c 模拟数据库、并采用数学插值 方法以及利用朗伯一比尔定理，解决光学参数反演中快速获得m c 模拟结果的问 题，并进行了相关的模拟验证和实验验证。模拟实验结果表明：改进法无论在反 演精度还是计算时间上均优于传统法，当其中一个参数不变时，散射系数的反演 相对误差小于士6 ，吸收系数的反演相对误差小于1 10 ；当吸收和散射系数在 3 0 j a 。 1 0 0e m ，0 2 儿 0 5 0c m 。变化时，两个光学参数的反演相对误差基本小 于士l o ，在对宫颈组织的光学参数范围内，反演误差可控制在土8 以内。采用 本文的快速反演技术重构一组光学参数所需要的计算时间小于1 分钟。最后，利 用实验进一步验证了算法的正确性。 在频域测量系统数据采集方面，本论文基于频域测量方法，讨论了p c i 一1 2 0 2 h 采集卡工作过程，研究了提取幅值和相位的相关法、傅立叶变换法以及滤除噪声 的波形平均算法。基于l a b v i e w 平台，进行了相关程序的设计与调试，并对提 取信号参数算法的精度和抗噪声能力进行了实验研究。实验结果表明，用傅立叶 变换法较相关法具有更高的信号参数精度和抗噪声能力。 关键词：近红外扩散光；频域；宫颈组织；逆蒙特卡洛模拟；数据采集。 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fn e a ri n f r a r e dd i f f u s el i g h to nf r e q u e n c yd o m a i ni san e w t e c h n o l o g yf o rt h ed i a g n o s i so fe a r l yc e r v i c a lc a n c e r c o n c e r n i n gt h es t r u c t u r eo ft h e c e r v i x ，m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n ( m c ) h a st ob ea d o p t e df o rd e s c r i b i n gt h ep h o t o n m i g r a t i o ni nt i s s u e t h i sa r t i c l ed e a l sw i t ht h eo p t i c a lp r o p e r t yr e c o n s t r u c t i o nb a s e do n m c ，e s p e c i a l l yw i t ht h e e x t r a c t i o no ff r e q u e n c yd o m a i ni n f o r m a t i o nf r o mt h e t i m e d o m a i nm ca n dt h er e t r e n c h m e n to ft h er e c o n s t r u c t i o nt i m e i ne x t r a c t i n gt h e f r e q u e n c y d o m a i ni n f o r m a t i o n i na d d i t i o nt ot h et r a d i t i o n a ld i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r mm e t h o d ，a ni m p r o v e dm e t h o di sd e v e l o p e df o rr e d u c i n gt h er e c o n s t r u c t i o n e r r o r i no r d e rt os h o r t e nt h ec o m p u t a t i o nt i m e ，m cs i m u l a t i o nd a t a b a s e su n d e ra r a n g e o fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t sw e r ep r e - b u i l ta n dc o m b i n e dw i t h l a g r a n g e i n t e r p o l a t i o na n dl a m b e r t b e e r sl a w f o rr a p i d l yo b t a i n i n gt h em cs i m u l a t i o ni na n y o p t i c a lp r o p e r t i e s t h es i m u l a t e da n dp h a n t o me x p e r i m e n th a sa l s ob e e nd o n e r e c o n s t r u c t i o nr e s u l t sf r o ms i m u l a t e dd a t as h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dm e t h o dh a st h e a d v a n t a g e s o v e rt h et r a d i t i o n a lo n ei nb o t ht h er e c o n s t r u c t i o n a c c u r a c y a n d c o m p u t a t i o nt i m e ，t h er e l a t i v ee r r o ri nr e c o n s t r u c t i o no fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ta n d a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t i s m a i n l yl e s st h a n 士10 i nr a n g eo f3 0 愆 10 0c m ， 0 2 以 0 5 0c m1 ，p a r t i c u l a r l y ，t h ee r r o rc a l l b el e s st h a n 士8 i nt h eo p t i c a l p r o p e r t i e sr a n g eo ft h ec e r v i x w i t ht h er a p i dr e c o n s t r u c t i o ns t r a t e g yd e v e l o p e di nt h i s a r t i c l et h ec o m p u t a t i o nt i m ef o rr e c o n s t r u c t i n go n es e to ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e si sl e s s t h a n1m i n b e s i d e s t h ep h a t o me x p e r i m e n tp r o v et h ep r e c i s e n e s so f t h i sm e t h o d i nt h es t u d yo f d a t a a c q u i r i n ga n dp r o c e e s i n go ft h ef r e q u e n c yd o m a i n m e a s u r e m e n t ，p c i 一12 0 2 hd a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a sd i s c u s s l a b v i e wb a s e dc o d e w e r ed e v e l o p e df o rg e t t i n gt h ea m p l i t u d ea t t e n u a t i o na n dp h a s ed e l a yf r o mt h es i g n a l c o r r e l a t i o n m e t h o d ，d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o dw e r e i n d u c e d ， w a v e - a v e r a g em e t h o df o rr e s t r a i n i n gt h en o i s ew e r ea l s oa d o p t d e di nt h ec o d e e x p e r i m e n tw e r et a k e nt ov a l i d a t et h ep r e c i s i o na n dt h ea n t i - n o i s ec a p a c i t yo fc o d eb y u s i n gt h ev i r t u a la n dt r u es i g n a lg e n e r a t e db yc o m p u t e ra n df u n c t i o ng e n e r a t o r , r e s p e c t i v e l y 。r e s u l t so ft h er e p e t i t i o u se x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tf o u r i e rt r a n s f o r m m e t h o dp r o v i d e sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nb o t ht h ea c c u r a c ya n dn o i s er e s t r a i n i n gt h a n t h ec o r r e l a t i o np r e c i s i o n k e yw o r d s ：n e a ri n f r a r e dd i f f u s e l i g h t ；f r e q u e n c y d o m a i n ；c e r v i c a lt i s s u e ； i n v e r s em o n t ec a r l o ss i m u l a t i o n ；? d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盈刮及煮型 签字同期： 加。狰月 9 0 ) ，但特异性低( 1 m m ) ，以及对于紫外可见光范围内强吸收的介质，比标准漫射近 似要好，光源探测器距离 0 9 ) ，超出此范围误 差明显增加，且缩放蒙特卡洛仅适用于平板结构或半无穷平面结构，限制该方法 的应用。p h a n e e n d r a 2 8 j 等人使用了基于m c 微扰的模型进行光学参数重建和成像， 他们在逆问题的解决中使用了微扰m c 方法求取雅克比矩阵，加速了求解光学参 数的迭代过程，使用了1 2 个探测位置，通过b p b ( p r o p a g a t i o n b a c k p r o p a g a t i o n ) 方法进行图象重建，迭代次数小于2 0 次，实验结果发现通过微扰m c 方法缩短 了迭代次数，但通过微扰m c 方法更新光子权重时与单独进行m c 相比存在误差， 这也对图象重建带来了影响。 训练方式通过对不同光学参数进行多次m c 模拟，建立正向m c 模拟数据库， 使用训练和拟合等方式求得光学参数。p f e f e r 2 9 】等人研究了一种使用训练的方法 从空间漫射信息中提取吸收，散射系数。他们通过对一组人工仿体进行了神经网 络算法的训练，然后利用神经网络模型来提取其他人工仿体的吸收，散射系数， 他们使用了波长6 7 5 n m ，在六个探测距离，范围从0 2 3 - 2 4 6 r a m 对比在l - 2 5 c m ， 胁在5 - 2 5 c m 叫范围内的仿体进行空间分辨漫射光的测量。神经网络的提取空间漫 射光信息中的吸收，散射系数的均方差在- + - 2 c m 。1 和3 c m 一。由于训练拟合方式 建立在多次独立m c 模拟基础上，因此该方该方式不会受到各种快速m c 方法中 天津大学硕士学位论文 第二章宫颈组织光学传输模型和频域测量 精度不高或探测距离的约束，同时也不会受到研究对象几何形状和光学参数分布 的影响，因此该方法能够适应于复杂几何形状和光学参数分布的光学参数反演问 题。 由于本课题的研究对象的宫颈组织具有空心圆柱形结构，几何形状和边界条 件较为特殊，目前还没有d e 近似解可以用于光学参数反演，其他的快速m c 方 式由于其应用条件的约束也难以适用于宫颈组织的特殊结构。综合考虑以上各方 面原因，本课题选择使用建立m c 数据库，通过插值拟合方法进行组织光学参数 反演。 2 3 组织光学参数的近红外频域检测技术 2 3 1 组织光学参数的近红外测量方式 近红外光检测技术具有安全、可靠、连续、实时及无损的特点，在组织光学 研究和临床检测中具有较高的应用价值。生物组织的无损测量，通常选择透射光 或反射光信息作为测量量。又由于组织的强散射特性，即使是对组织相对透明的 近红外光( 波长：6 0 0 1 3 0 0n m ) ，对组织的探测深度最高也仅达c m 量级，且对 于本课题宫颈组织来说不易获得透射信号，因此，本文主要讨论反射式的测量方 式，即测量信号为光经组织的反射出的信号。根据所用光源的不同，现有的近红 外测量方式，主要分为连续光( c o n t i n u e sw a v e ，c w ) 测量方式、频域( f f e q u e n c v d o m a i n ，f d ) 测量方式和时域( t i m e r e s o l v e d ，t r ) 测量方式【3 3 】。 ，。删 l o爹1 二 t ；： ? l 。 l f ( a ) 彩7 碜一 篆“。蠢 6 ( t ) 一鬈几f 9 天津大学硕士学位论文 第二章宫颈组织光学传输模型和频域测量 a c 电道歉 欠沁 d c f * t， a 驴 。自， ( c ) 图2 - 1 近红外扩散光的三种测量方式示意图 ( a ) 连续波测量方式( b ) 时域测量方式( c ) 频域测量方式 连续波测量方式( 如图2 1 ( a ) ) 使用具有恒定强度的点光源或细准直光束 注入介质，检测出射光强度信息，得到组织光学参数。该测量方式相对简单、设 备便宜且易于小型化，但通过单点测量无法区分吸收系数和散射系数的影响，即 使采用多点多频率测量方法进行改进，也会使测量变得复杂并引入误差，使重构 精度降低，在重构生物组织的光学参数时耗费更大量的时间【2 4 1 。 时间分辨测量技术p 4 j ( 如图2 - 1 ( b ) ) 采用一束皮秒( 或飞秒) 超短脉冲光 入射生物组织，并在与入射点一定距离处利用具有皮秒分辨率的高速探测器测得 出射光强随时间的变化关系，即得到组织的冲激响应，时间点扩散函数( t e m p o r a l p o i n ts p r e a df u n c t i o n ，t p s f ) 。结合一定的反演传输模型以及适当的拟合优化算 法就可反演出被测组织的光学特性参数。虽然该技术能够获得较高精度的组织光 学特性参数，但由于信噪比与测量的光子数目有关，短的时间间隔和高的信噪比 很难同时获得，因此时域方法通常测量速度比较低，且这类系统需要高精度的皮 秒脉冲光源以及高速探测器，设备复杂且造价昂贵。 频域测量方式【3 5 j ( 如图2 1 ( c ) ) ，使用高频调制光入射生物组织，漫射光 子在生物组织内部形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅 衰减系数在生物组织中传播，经过折射、衍射、色散、散射后，出射光中携带了 生物组织内部的光学参数分布信息。出射漫射光具有和入射光相同的强度调制频 率、不同的调制度和相位，通过测量其振幅和相位，再经过数据处理和参数反演 便能够得到生物组织的有关结构或生理功能的光学属性和参数。 相比于连续波和时域测量方式，频域技术具有设备简单、测量速度高的优点， 并能更有效地分离吸收系数和散射系数。因此频域测量方式更为经济、实用，适 合于临床检测，本课题的主要研究内容即是基于频域测量方式的光学参数反演及 系统数据采集部分的相关研究。 2 3 2 宫颈组织光学参数近红外频域测量系统 频域测量系统框图如图2 2 所示，由高频信号源提供两路初始相位相同、频 率相差的高频正弦信号，其中一路用于调制光源( l d ) ，高频调制光经过内 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章富颈组织光学传输模型和频域测量 窥探头照射人体组织，出射光频率不变，幅值和相位发生变化，经过光电检测器 ( p m t ) 转换成电信号，另一路信号对光电检测器进行调制，实现两路高频信号 混频，经信号的放大、滤波等处理后，组织的光学信息便包含在低频信号的幅值 和相位中，最后通过一定的反演算法即可得到组织的光学特性参数。 甲 睦惩群窜囤趣 膨奢 r i 墨h 竖卜 外差法的具体实现方式是： 设高频信号源提供的两路高频信号分别为： yj = 4 l + m fc o s ( c a o t + ) ( 2 9 ) y 2 = a l l l + 彳，c o s ( e a o t + 吼) l( 2 一i o ) 经过高频调制之后，近红外光源系统输出高频正弦光信号经过光纤和探头 入射组织体， y 3 = 一1 】+ m ，c o s ( o n d + 纯) l( 2 一1 1 ) 光信号经过组织体之后，出射光信号为 y 4 = 21 + m fc o s ( c a d + + 妒) l( 2 - 1 2 ) 出射信号中却和坼包含了组织中的光学信息。同时信号源另一路信号m 经过功率放大后。对p m t 进行调制，由p m t 的特性，y 2 和将在p m t 内实现 混频， 天津大学硕士学位论文 第二章宫颈组织光学传输模型和频域测量 y 2 y 。= 4 1 + 必c 。s ( q f + ) 4 1 + m jc o s ( f + + 矿) ( 2 - 1 3 ) = 4 2 4 1 + m fc o s ( c n o t + p o + 缈) + tc o s ( c o l t + ) + 以m fc o s ( c 0 1 t + o o ) c o s ( c o o t + + 伊) 】 式( 2 1 3 ) 第一项为直流信号，第二和第三项仍为高频信号项，最后一项展开 后得， 去丝m ；【c o s ( 倒+ 缈) 卜c o s ( 纨f + q f + 2 + 纠 ( 2 - 1 4 ) 其中，第一项为o 与1 的差频项，包含了检测信息：幅值和相位；第二项 为高频分量。 经过一定的滤波处理后，保留下直流和低频信号中包含了反映组织光学特性 的幅值和相位信息， 1 y 52 4 4 + 主m c 蛑c 0 8 ( a c a t + a 矿)( 2 15 ) = a ( 1 + 朋名c o s ( a a r + 伊) ) 再经过计算机的数据采集和一定的算法即可提取出幅值和相位信息，进行下 面的参数重建。 综上所述，本课题的主要任务是通过程序设计，对采集设备进行驱动采集， 通过一定的滤波和参数提取算法，得到差频信号的幅值和相位。并利用提取的幅 值和相位使用逆蒙特卡洛方法反演求得组织光学特性参数。 1 2 天津大学硕士学位论文 第三章基于频域测量的富颈组织正向蒙特卡洛模拟 第三章基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟 如2 22 节介绍，由于其他反演模型不能适用于课题研究的空心圆柱形宫颈 组织因此本设计通过建立正向蒙塔卡洛数据库与数学插值方法用于光学参数反 演过程，由于针对空心圆柱几何模型的正向m c 程序已经编写完成l ，因此本 课题的主要内容在于针对用于建立正向m c 数据库的程序进行针对性的修改，并 根据实际的宫颈组织和实验过程对相关参数设置进行讨论。同时针对逆蒙特卡洛 光学参数反演过程，对两种从m c 模拟结果中提取频域信息的方法进行研究。 3 1 宫颈组织模型 宫颈组织是空心圆柱体结构，宫颈癌早期浸润深度一般不超过0 5 c m ，并逐 渐向外扩展。医学诊断中通常使用直径为】2 - 2 c m 的内窥探头对宫颈进行测量， 使其形成内径2 c m 左右的空心圆柱体【”i 。因此本例使用内径2 c m ，外径4 c m ， 长度视为无穷的空心圆柱体作为宫颈组织的模型进行研究，如图3 1 图3 - i 宫颈组织模型 3 2宫颈组织蒙特卡洛模拟的基本过程 32i 蒙特卡洛模拟的一般过程 蒙特卡罗模拟光在组织中传输的基本思路是，应用吸收和散射现象来跟踪光 子通过混浊介质的运动。光源发出的光了，运个垂直入射到介质中，认为光予具 有光子包的性质，除了具有确定的方向外它的能量具有可分性，即经历每次碰 撞后都有一部分能量( 权重) 被吸收。若发生散射，则通过给定相函数和个随机 数选定了个新的传播方向。当权重小于一个预定的截止阈值时，整个过程结束。 最后累计所有在目标区域出射光子的权重、光程等信息。 天津大学硕士学位论文第三章基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟 蒙特卡罗方法模拟光在组织中的传输是通过大量记录每个光子在组织中的 行迹实现的，模拟每个光子在生物组织中的行迹，其步骤总体上分以下几步【2 4 】： l 、根据入射条件确定起始跟踪点； 2 、确定光子运动的步长； 3 、确定光子行进的方向和下一次碰撞的位置； 4 、确定在该位置光子的吸收和散射部分： 5 、返回第二步。 如此循环计算，直到光子权重小于某一设定值，或者光子逸出生物组织表面 时结束对该光子的跟踪。然后返回第一步记录另一光子，直到所设定的光子数全 部跟踪完毕，如图3 2 。 图3 - 2 蒙特卡洛模拟过程流程图 3 2 2 宫颈组织蒙特卡洛的边界处理 针对宫颈组织，主要的问题在于边界的处理，即当光子包运动到宫颈内外边 1 4 天津大学硕士学位论文第三章基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟 界处的反射和透射问题，如图3 - 3 ，光子在( x - a s 甜，y a s 甜。，z a s u z ) 位置 对步长和方向进行随机抽样，得到在组织外的落点 声) ，设抽样步长为丛， 抽样方向为( 圾，u y ，地) ，内外半径分别为，内，外，则根据推导得出反射点坐标， l = 毛z f ，a s + x y l = 毛掰，a s + y ( 3 - 1 ) 【z l = 毛叱a s + z 其中毛：二! ! ：三：! ! ：! 圭 ! ! ! ：三a 二s ：( ：u ! 二! 三：三：二堕! ! 兰：! ! ：! 。 1,2+u：2) 一 一：二一：卫弋王一一返 。、醚逝盟一二：逊乡7 ( ( 瞒，舅 7 。 丝：多丁公 图3 3 光子在圆柱边界上的反射 光子由 一a s u x ，y a s u y ，z a s 。u z ) 以( ，如) 方向入射到边界，抽样步长为丛，在 边界的o l i ，z 1 ) 处发生反射，光子的反射方向( 魄，u s ，u ：) ，以及剩余步长s 。 进而推出剩余步长a s l 和反射后光子运行方向： 蝇：届面而瓦万丽( 3 - 2 ) 一( 等坞小扩x ( i x 2 1 叱 卢 u x ! = ( 一吩 c o s 0 一而“：) 五 = 卜o s 2 矽+ 睁小+ 华协 对于内半径反射问题，将以上各式r 内改为r 外即可【3 9 】。 ( 3 3 ) 天津大学硕士学位论文 第三苹基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟 3 3正向蒙特卡洛模拟的参数研究 本设计利用富颈组织正向m c 程序建立数据库，以用于参数反演程序的插值 拟合计算，为了使建立的m c 数据库更接近真实宫颈组织以及近红外频域测量系 统的要求，本设计中对光学参数范围，探襁j 距离，探澳0 深度等进行研究，以确定 合理的参数范围。 3 3 1 光子穿透深度与测器距离的研究 光子的穿透深度是指漫反射光于在组织中到达的最大纵向位置，将漫反射光 子的穿透深度隶加权平均即得到该点处光子的平均穿透深度 4 ”。对于圆柱形宫颈 模型来说，设光子为n ，光子的穿透深度指每个光子所到达的最大半径与模型内 半径之差，如图3 - 4 ，d - , m 。n 。 圈3 4 光子的穿透深度 组织中光的平均穿透深度是光源探测器之间距离，的函数1 4 ”，如图3 5 。同 时，组织光学参数风，m 也会对平均穿透深度有影响。为了使入射光达到足够的 探测深度，以增大光信号的相位延迟便于测量，又不致带入深层组织的噪声。针 对空心圆柱形结构，本文使用m c 模拟研究光源一探测器距离及组织光学参数对 平均穿透深度的影响，从而确定正向m c 模拟数据库的参数。 d 。 囤3 - 5 光源探测器距离与平均穿透深度的关系 当探测位置由1 变为2 时，光的半均穿透深度由d - 变为d 。 首先考虑不同散射系数下光源一探测器距离与平均穿透深度的关系，通过设 置不同的进行m c 模拟，记录不同，处的漫射光平均穿透深度，如图3 - 5 所 天津大学硕士学位论文第三章 基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟 示。由图可知，平均穿透深度随，的增加而增加，成近似线性关系。同时，散射 系数增加会使平均穿透深度略微减小，但各条曲线相差不大，相同，下各胁对应 平均穿透深度相差不超过o 0 8 c m 。 0 8 0 7 言0 6 毒0 5 醛0 4 孱0 3 鞴0 2 0 1 0 0 7 0 6 言0 5 u 越o 4 媾0 3 羹0 2 o 1 0 u a = o o c m 1 时的探测深度曲线 00 20 40 60 8 11 21 41 6 探测距离( c m l u a = o 3 c m 1 时的探测深度曲线 00 20 40 60 811 21 41 6 、。 探测距离( c m l 图3 - 6 儿= 0 0 和0 3 c m 一不同散射系数下光源探测器距离，与平均穿透深度的关系 参数设置：内径为i c m ，外径为2 c m ，a 。= 0 o c m ，光子数1 0 6 。 图中列出了g , = 4 0 ，6 0 ，8 0 ，l o o c m 。1 时，不同光源探测器距离下的平均穿透深度曲线。 探测深度( c m - i ) 00 1o 20 30 40 5o 60 7 0 80 9 吸收系数( e r a - 1 ) 图3 - 6 不同吸