一种大面积获取组织光学参数及微观结构的光反射成像技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供了一种大面积获取组织光学参数及微观结构的光反射成像技术，可用 于生物医学光学和遥感等领域。
【背景技术】
[0002] 光的弹性散射早已被用于分析随机介质。反射率光谱和成像是一种广泛使用的非 侵入性方法，用来测量随机介质（如大气、海洋和组织）的光学特性，包括吸收系数（U a)和 约化散射系数（μ/ )。这些参数可以提供关于介质微结构和生化成分的有价值信息，并 已应用于如云遥感、监测细胞凋亡、皮肤表征和癌症检测等领域。由于辐射传输（radiative transfer-RT)描述光在随机介质传播，使得散射光反射率本质上是一个困难的问题。特别 在光源-检测器短距离情况下，对RT通常采用的漫射近似不能工作。因此从反射率测量 来量化介质的相位函数仍然难以实现的，特别是获取包含有关介质微环境的基本信息的介 质相位函数。在任意光源-检测器距离情况下，反射率的精确分析模型是非常需要的。这 种模型将适用于光学特性，尤其是随机介质的相位函数，的快速定量评估。最近提出的在光 源-探测器近距离情况下的一些反射率经验模型都具有各自的局限性。由于在光源-检测 器近距离情况下，散射介质的相位函数对sub-漫反射影响显著，所以一个明确关于sub-散 射反射率与相位函数关系并且可以从反射率分布反推出随机介质光学参数（包括其相位 函数）的分析模型是极其需要的。
【发明内容】
[0003] 本发明涉及一种大面积获取组织光学参数及微观结构的光反射成像技术。其核心 在于结合辐射传输的小角散射近似（SAA)给出近距离SUb-漫散射光反射率与散射介质相 位函数的定量解析关系。
[0004] 本发明提供：一种大面积获取组织光学参数及微观结构的光反射成像技术，根据
[0006] 分别获得低频的反射率公式
[0007] Isnake (Q) +!diffuse (Q) + 卩 b/2 W· t
[0008] 以及高频的反射率公式
[0009] Isaa (q)，
[0010] 其中 qc~2πβ，
[0011] 并将得到的反射率依次通过低频的反射率公式以反演方法获得吸收系数Ua以及 约化散射系数μ/，
[0012] 通过高频的反射率公式以反演方法获得各向异性因子g、传播长度尺度1Θ以及散 射介质的任意相位函数的各向同性散射本底Pb。
[0013] 其反演方法采用查表法或公式拟合法。
[0014] 高频的反射率公式
[0016] 由SAA扩散函数
[0018] 获得。
[0019] 假设pF_,d( Θ )满足高斯分布，使得散射介质的任意相位函数ρ( Θ )修改成为：
由中得出
[0024] 通过以pis。= 2p b，将SAA扩散函数转化为 [
[0026] 当 qlt>> 1 和 P << I t时，
[0027] 高频反射率可简化为
[0030] 其中 μ/ Ξ Ua+2pbu,传播长度尺度 1 θ/μ s。
[0031] 利用高频公式ISAA(q)和ISAA(P )，从两个或多个介质的高频反射图谱，直接获得表 征体系微观结构的参数或这些参数的组合。
[0032] 低频的反射率公式
[0036] 由蛇形光子和弥漫性光子的表达式
[0038] 获得。
[0039] 利用公式I snake,diffuse (q)或 I snake,diffuse (P )，从一个或多个介质的低频反射图谱，直 接获得其吸收系数及约化散射系数。
[0040] 另外，可首先利用SUb-漫散射光反射率进行拟合得到Ub/μ s，μ3/μ 3和θ/μ s 的值，确定Ub/Us后设
[0041] g = (l_2pb) (1-θ2/2)，
[0042] 然后利用最小二乘法拟合对sub-漫射光和漫射光反射率分布进行拟合，得到所 有光学参数。
[0043] 本发明包括在任意空间距离和在整个空间频率域中均适用的浑浊介质反射率计 算方法，以及一种通过测量高和低空间频率浑浊介质反射，并以得到的光反射率反演得出 介质光学参数的方法。反演方法可以是运用查表法或者公式拟合法等。浑浊介质sub-扩 散和漫射光反射率的测量可用于大面积测定混浊介质的光学特性及包括相位函数等的微 观结构。散射介质的相位函数携带了关于形态学的基本信息以及单个散射体的光学特性。 另外相位函数的分析可以用来预测光传播以及检测随机介质内微小结构变化或不均匀性。 本发明所提出的分析模型在快速量化散射介质的所有光学特性，包括相位函数等，特别是 在生物医学光学和遥感等领域，将获得广泛而重要的应用。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的SAA光子的散射示意图。
[0045] 图2为Monte Carlo模拟直径为I. 5mm的聚苯乙稀球悬浮液在水中的光反射率对 比示意图。
[0046] 图3为利用SAA相位函数来近似精确米氏相位函数的示意图1。
[0047] 图4为利用SAA相位函数来近似精确米氏相位函数的示意图2。
[0048] 图5为利用SAA相位函数来近似精确米氏相位函数的示意图3。
[0049] 图6为在原点垂直入射的平行光束，离原点径向位置r的反射率的空间分布示意 图1。
[0050] 图7为在原点垂直入射的平行光束，离原点径向位置r的反射率的空间分布示意 图2。
[0051] 图8为在原点垂直入射的平行光束，离原点径向位置r的反射率的空间分布示意 图3。
[0052] 图9为空间频率为q的垂直入射空间调制平面波的反射率的示意图1。
[0053] 图10为空间频率为q的垂直入射空间调制平面波的反射率的示意图2。
[0054] 图11为空间频率为q的垂直入射空间调制平面波的反射率的示意图3。
[0055] 图12为通过公式Isaa(q)对图2中显示的聚苯乙烯悬浮液进行拟合的结果示意图。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
[0057] 将一准直光束在z = 0的界面沼
方向入射，通过前向峰散射介质，后向散 射的方向为
的光反射率。在这样的介质中，非弥漫光子只会遇到少数大角度散射， 非弥漫光子根据大角度散射次数η分为η阶非弥漫光子。由于一阶非弥漫光子经历了多个 小角散射和一个大角度散射，主要贡献可以描述为使用小角度散射近似到辐射传输的近距 离形式。一阶非弥漫光子被称为SAA光子。二阶非弥漫光子被称为蛇形光子（"snake"光 子）。
[0058] SAA光子后向散射主要是由向前方向上散射角的扩散和后向散射效率来决定。假 定散射介质的相位函数Ρ( Θ )(归一化为
分为一个前向峰散射 成分和各向同性散射成分，如
[0059] PSAA( Θ ) = (l-2Pb)PFor紐d( Θ ) + (2 π 1)。
[0060] 图I. (a)经过多次小角散射（"红"散射体）和单各大角度散射（"蓝"散射体） 的一阶非弥漫光子的后向散射。在第一次或最后一次散射事件，光子可以分别以概率为P isci 和I-Pis。发生各向同向散射（虚线）与前向峰散射（实线）。（b)S eff/的列入提高了 SAA 光子的精度，显示了 Monte Carlo模拟直径为I. 5mm的聚苯乙稀球悬浮液在水中的光反射 率对比。
[0061] 而在分层介质中，一准直光束在原点（r = 0)以s。方向入射到达深度z的SAA扩 散函数由下式给出：
[0063] 其中q是在xy平面上的空间频率，Si ο是SO在分界面上的投影，μ W s+W a， 其中Us是散射系数，X (V，Z)是（l-2pb)pF(Md( θ，z)的2维傅里叶变化。通过扩展第二 指数项成具有0阶弹道项的
[0065] 可以识别出包含来自各自所有散射阶次0、1、…的S。
[0066] 然后从中获得SAA光子的反射率，可以表示为
[0068] 其中，后向散射系数μ μ s (z) p ( π，z)，Si = Si in+Si _，Seff是对具有相同相 位函数和两倍吸收与散射的有效介质的扩散函数，Seff'是对相同相位函数和散射而吸收 系数被修改为2u a+2pbus的第二有效介质的扩散函数。在上述公式（2)第二项说明当光 子进入或逃逸介质时，进行各向同性散射路径而不是前向峰散射路径，他们的概率分别为 Pis。和I-P isci(Pisc><< 1)(见图1)。第二项的列入提高了 SAA的准确性（见图2)。注意在 Stff'中应去除弹道项，以避免重复计算。
[0069] 假设pFOTMd( Θ )满足高斯分布，使得散射介质的任意相位函数ρ( Θ )修改成为：
由中得出
[0074]
[0075] Psaa的η阶矩由 得到。具体地，各向异性因子（n = 1) 是
[0076] g = (l_2pb) [1-θ2/2]。 （4)
[0077] 通过将公式（2)中的pis。= 2p b，将SAA扩散函数即公式（1)简化为
[0079] 其中erf是误差函数。相比其它辐射传输的近似解截断相位函数矩的顺序，SAA光 子的反射率（2)包含来自相位函数所有矩的贡献。
[0080] Psaa的表达与由组织和细胞引起的光散射的统一米氏和分形模型是一致的。高斯 项捕获来自米氏散射的贡献，而各向同性散射项与背景的折射率波动相关联。均方根散射 角Θ随着组织和细胞中的米氏散射体（大结构）尺寸减小。
[0081] 当 qlt>> 1 和 P << I t时，
[0082] 高频反射率可简化为<