一种生物组织光学特性的检测装置和检测方法

摘要

本发明公开了一种生物组织光学特性的检测装置和检测方法。卤钨光源与照明光纤的一端相连，另一端和多根接收光纤的一端与探头连接，探头垂直放置于待测样本表面，N根接收光纤的另一端经切换器与光谱仪相连，光谱仪与计算机的USB口相连，计算机的第一个串口与卤钨光源相连，二个串口与切换器相连，光学传输特性数据处理软件安装于计算机中。根据分析算法分析待检测光源的光学特性，消除空间分辨光强在光纤移动过程中的误差；采用稀疏分解降低采集过程中随机噪声的干扰，最大限度保留了光谱的原始信息；用支持向量回归直接建立幻影空间漫反射光强数据与已知光学特性参数的回归关系，在高维空间提取回归数据结构，消除低维空间数据的非线性混叠。

主权项

一种生物组织光学特性检测装置的检测方法，该装置包括：卤钨光源(1)、照明光纤(2)、多根接收光纤(3)、探头(8)、载物台(9)、切换器(4)、光谱仪(5)和计算机(6)；卤钨光源(1)与照明光纤(2)的一端相连，照明光纤(2)的另一端和多根接收光纤(3)的一端分别与探头(8)连接，探头(8)垂直放置于待测样本(7)表面，待测样本(7)放置于载物台(9)上，多根接收光纤(3)的另一端与切换器(4)相连，切换器(4)与光谱仪(5)相连，光谱仪(5)与计算机(6)的USB口相连，计算机(6)的第一个串口与卤钨光源(1)控制串口相连，计算机(6)的第二个串口与切换器(4)控制串口相连，光学传输特性数据处理软件安装于计算机中；其特征在于，该装置的检测方法包括以下步骤：步骤1)计算机的第一个串口向卤钨光源控制串口发送S1命令,照明光纤被点亮；步骤2)照明光纤经探头照到待测样本，通过多根接收光纤将待测样本的空间漫反射光传送到切换器；步骤3)计算机的第二个串口向切换器控制串口发送S2命令,切换器切换一路光源进入光谱仪；步骤4)光谱仪采集一路光源的光谱信号,并通过USB口发送到计算机；步骤5)重复步骤3)和步骤4),切换器对多根接收光纤进行切换，并将多根接收光纤接收的光谱信号全部采集完成，并通过USB口发送到计算机；步骤6)计算机根据光学传输特性数据处理软件分析待测样本的光学特性；所述的光学传输特性数据处理软件的处理流程包括：步骤6.1)使用脂肪乳注射液和印度墨水，按照《Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction With Optical Measurements of Tissue》手册的内容，配制吸收系数和约化散射系数均在特定范围内的定标幻影，使用生物组织光学特性的检测装置采集所有定标幻影空间漫反射光强信号；步骤6.2)将所有定标幻影测得的空间漫反射光强信号，使用RLS‑DLA冗余字典训练算法训练出一冗余字典矩阵A∈n*m，其中n为空间漫反射光强信号，字典中的每个列为一个原子，m为原子个数；设某一空间漫反射光强信号为b，对其进行稀疏分解，求其稀疏表示系数x：Ax＝b此问题等效于求解：$\begin{array}{ccc}\underset{x}{min}\left\{\right||b-Ax|{|}_2^2\}& s.t.,& \left|\right|x|{|}_0<T\end{array}$上述过程采用OMP算法求解，其中||x||₀表示x的l₀范数，即x中非零元素的个数，l₀范数上限T为稀疏度；设x'为OMP算法求解后对x的逼近，使用Ax'＝b'重构完成空间漫反射光强信号的降噪，得到降噪后的光强数据b'；逐一将所有幻影的空间漫反射光强信号完成降噪；步骤6.3)设定标幻影的光学特性参数和空间漫反射光强信号为其中x_i＝[μ_ai,μ_si]是第i个幻影的吸收系数和约化散射系数，y_ij代表第j个接收光纤的空间漫反射光强信号，n为定标幻影的总数量；将空间光学特性参数x_i＝[μ_ai,μ_si]与不同接收光纤的空间漫反射光强信号y_ij，建立支持向量回归关系y_ij＝f_j(x_i)；回归过程映射x_i到高维特征空间φ(x_i)，在高维特征空间φ(x_i)的拟合光学特性和预测函数的非线性回归关系为：f_j(x_i)＝(α_j·φ(x_i))+b_j其中，α_j为权重系数向量,b_j为截距,(·)表示向量的内积运算；f_j(x_i)拟合求解采用稀疏表示理论和拉格朗日乘子法；步骤6.4)将待测样本放置于载物台上，使用生物组织光学特性的检测装置采集待测样本组织空间漫反射光强信号；利用牛顿迭代优化算法，在所述步骤6.3)建立的支持向量回归关系中，使用采集的空间漫反射光强数据搜索待测样本的光学特性参数；搜索过程分多次进行，搜索的初始变量在所述步骤6.1)配置定标幻影的光学特性范围内随机分布；搜索过程采用目标函数：$\min F=min\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(\frac{Y_{i,meas}-Y_{i,sim}}{Y_{i,meas}}\right)$其中，Y_i,meas和Y_i,sim分别表示第i个接收光纤空间漫反射光强的测量值和模型预测值；损失函数F趋近于零则表示搜索完成，搜索得到的光学特性参数用于预测待测样本的光学特性参数。