用于确定混浊介质中的吸收系数的方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用重叠的照明探测区域来确定浑浊介质的波长相关的吸收系数的方法，该方法包括以下步骤的：a）从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱（Cλ）；b）对实际样品进行测量，以使用在样品（S介质）上测量到的原始光谱和所述校准光谱（Cλ）来确定绝对反射光谱（Rabs）；c）通过将所测得的绝对反射光谱（Rabs）和模型函数（Rabs模型）之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱（Rabs）来确定所述波长相关的吸收系数，其中，该模型函数（Rabs模型）是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的：有效光子路径长度（LPF）对散射相位函数（PF）的依赖性；不存在吸收（Rabs0）时绝对反射比对散射相位函数（PF）的依赖性。本发明还涉及用于确定波长相关的混浊介质的吸收系数的系统和计算机程序产品。
【专利说明】用于确定混浊介质中的吸收系数的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种用于确定混浊介质的吸收系数的方法。
[0002]本申请还涉及一种用于确定混浊介质的吸收系数的系统。
[0003]本申请进一步涉及一种计算机程序产品，其包括用于致使处理器确定混浊介质的吸收系数的指令。
【背景技术】
[0004]对诸如活体组织之类的光学混浊介质中的不同吸收物质的浓度的非侵入式测量是具有挑战性的。对此，通常使用的方法是采用对来自这种光学混浊介质的反射光的测量。从混浊介质反射的光的主要部分已经穿过该介质，并且通过散射从该介质中导出。这种测量的主要问题是探测到的光子的光程长度强烈依赖于光学特性，例如吸收系数、散射系数以及散射角分布，也称为散射相位函数。因此，所探测到的光子的路径长度取决于测量的几何结构和光学特性，并且随波长变化。由于路径长度对所考虑的介质特性的依赖，基于混浊介质中的吸收光谱来对浓度所进行的绝对测量会被损害。
[0005]现有技术中已知的经典反射光谱学设备在测量期间经常利用多个光纤来传递和收集光。然而，具有用于传递和收集光的单个光纤的反射探头的潜在优点是很多的。单个光纤设计的优点包括较小的探头尺寸和简单的设备设计，使其比起多光纤探头更适合于临床应用，例如，经由内窥镜或活检针来对潜在恶性肿瘤的光学活检。然而，在与重叠的源-探测器区域相关的体制中，不存在对光传输的经验性或分析性说明，例如在使用单个光纤时。
[0006]使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质中的吸收系数的反射光谱系统的实施例可从Kanick et al.Phys.Biol.54, 6991-7008 (2009)中获知。在已知的实施例中，公开了一种方法，其中，单个光纤被使用并且被设置在所研究的组织的表面处。该光纤用于照亮该组织，并且用于收集反射光。
[0007]已知方法的缺点是，光子的有效路径长度对散射相位函数的依赖以及减少的散射系数都是猜测的，这可能导致对吸收系数的确定不准确。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是当使用重叠照明和检测区域时在不知道散射系数和散射相位函数的情况下，提供一种用于确定混浊介质的吸收系数的方法。
[0009]为此，根据本发明的方法包括以下步骤:
[0010]-从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Ca)；
[0011]-对实际样品进行测量，以使用样品(S介质)上测量的原始光谱和所述校准光谱(Ca)来确定绝对反射光谱(Rabs)；
[0012]-通过所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(RabsSS)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定依赖于波长的吸收系数，其中，所述模型函数(RabsiSS)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的:[0013]i.有效光子路径长度(Lpf)对散射相位函数(PF)的依赖性；
[0014]ii.不存在吸收(Rabs°)时绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
[0015]应所述理解的是，多个不同的本身已知的实施例可用于提供这种重叠的照明检测几何结构。在优选实施例中，使用单个光纤，例如使用尺寸在10 μ m至3mm之间的单个光纤。
[0016]根据本发明，在缺乏吸收时对反射比进行的校准评估用于适当地估算减小的散射系数和散射相位函数对有效光子的路径长度的组合效应。由此，吸收系数的估算大体上得以改善。
[0017]在活组织的测量上应用该方法提供了可用于组织健康状态表征的血管生理学的诸多方面。例如，可以确定血容积分数、平均血管直径和血红蛋白氧饱和度，以及确定其他光吸收物质的浓度，包括胆红素、β_胡萝卜素、黑色素、葡萄糖、脂肪和水。另外，该方法可用于测量组织中外源性物质的浓度，例如药物、光学对比剂、染料、污染物，只要它们在使用的波长区域中具有适当的吸收特性。
[0018]本发明基于下面的理解。白光反射比测量提供了关于光采样混浊介质(例如，组织)的吸收和散射特性的信息。具体地说，吸收系数Ua涉及组织生理学的各方面。据发现，由于μ a、减小的散射系数μ s以及散射相位函数PF对有效光子路径长度Lsf的各种影响，从反射光谱的Pa的定量估算需要进行数学校正。这个关系的数学表示的示例可以由等式
(1)给出:
[0019]
【权利要求】
1.一种使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质的波长相关的吸收系数的方法，所述方法包括以下步骤: a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Ca); b.对实际样品进行测量，以使用在样品(S介质)上测量到的原始光谱和所述校准光谱(Ca )来确定绝对反射光谱(Rabs)； c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(RabsiSS)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，其中 d.所述模型函数(RabsiSS)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的: i.有效光子路径长度(Lpf)对散射相位函数(PF)的依赖性； ii.不存在吸收(Rabs°)时绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤:使用单个光纤，以将光束朝向所述样品传递并且从所述样品收集经反射的光束。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，用于照明的光点与经反射的光束的光点重叠。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，用于测量的光是由多个单色光源产生的。
5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，用于测量的光包括波长的连续光谱。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述混浊介质是组织。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述吸收系数μa与吸收分子的浓度和/或包装有关，所述吸收分子选自由以下所组成的群组:血红蛋白、胆红素、胡萝卜素、黑色素、细胞色素、葡萄糖、脂质和水。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，对于假定的散射相位函数PFis气使用位于Y=L 6和Y=L 8之间的伽玛值，其中，根据Y= (l-g2)/ (1-gl)，伽玛与所述散射相位函数的第一和第二矩量(分别为gl和g2)相关。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，针对所述校准测量，使用散射参考样品，所述散射参考样品具有使得μs’ d光纤>10的散射系数。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，针对所述校准测量，使用已知相位函数和散射系数的参考样品。
11.一种使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质的波长相关的吸收系数的系统，所述系统包括: 光源，其适于产生光束； 处理器，其适于: a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Ca); b.得到对实际样品进行进一步测量的结果，以使用在样品上(S介质)测量到的原始光谱和所述校准光谱(Ca )来确定绝对反射光谱(Rabs)； c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(RabsiSS)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，其中，所述模型函数(RabsiSS)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的: i.有效光子路径长度(Lpf)对散射相位函数(PF)的依赖性； ii.不存在吸收(Rabs°)时绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
12.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括:光谱仪，其基于测量数据来进行光谱分析。
13.根据权利要求要求11或12所述的系统，其中所述光源包括多个单色光源。
14.根据前述权利要求11-13中任一项所述的系统，所述系统还包括:单个光纤，其用于将光朝向所述样品传递并且从所述样品收集经反射的光。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述光纤被设置在介入式仪器中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述介入式仪器是活检针。
17.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，针对所述校准测量，使用具有μs，d光纤>10的散射参考样品。
18.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，针对所述校准测量，使用已知相位函数和散射系数的参考样品。
19.一种使用重叠的照明检测区域来确定混浊介质的波长相关的吸收系数的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括致使处理器执行以下步骤的指令: a.从使用参考样品的参考测量中得到校准光谱(Ca); b.得到对实际样品进行测量的数据，以使用在样品(S介质)上测量到的原始光谱和所述校准光谱(Ca )来确定绝对反射光谱(Rabs)； c.通过将所测得的绝对反射光谱(Rabs)和模型函数(RabsiSS)之间的差最小化，使用所述绝对反射光谱(Rabs)来确定所述波长相关的吸收系数，其中 d.所述模型函数(RabsiSS)是基于下列组合的现有知识，使用预先确定的等式来建模的: i.有效光子路径长度(Lpf)对散射相位函数(PF)的依赖性； ii.不存在吸收(Rabs°)时所述绝对反射比对散射相位函数(PF)的依赖性。
【文档编号】A61B5/00GK103460025SQ201280014930
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月26日 优先权日:2011年3月24日
【发明者】亨利克斯·约瑟夫斯·科尼勒斯·玛丽亚·斯提伦伯格, 史提芬·查德·卡尼克, 阿里恩·阿梅林克, 多米尼克·詹姆斯·罗宾逊 申请人:鹿特丹伊拉斯谟大学医疗中心