[發明專利]用于確定混濁介質中的吸收系數的方法及系統

有效

• 申請號: 201280014930.1
• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN103460025B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發明（設計）人: 亨利克斯·約瑟夫斯·科尼勒斯·瑪麗亞·斯提倫伯格;史提芬·查德·卡尼克;阿里恩·阿梅林克;多米尼克·詹姆斯·羅賓遜
• 申請（專利權）人: QuaSpec有限公司
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47;G01N21/49;A61B5/00;A61B5/1455
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司11270
• 代理人: 徐川,武晨燕

技術領域

本申請涉及一種用于確定混濁介質的吸收系數的方法。

本申請還涉及一種用于確定混濁介質的吸收系數的系統。

本申請進一步涉及一種計算機程序產品，其包括用于致使處理器確定混濁介質的吸收系數的指令。

背景技術

對諸如活體組織之類的光學混濁介質中的不同吸收物質的濃度的非侵入式測量是具有挑戰性的。對此，通常使用的方法是采用對來自這種光學混濁介質的反射光的測量。從混濁介質反射的光的主要部分已經穿過該介質，并且通過散射從該介質中導出。這種測量的主要問題是探測到的光子的光程長度強烈依賴于光學特性，例如吸收系數、散射系數以及散射角分布，也稱為散射相位函數。因此，所探測到的光子的路徑長度取決于測量的幾何結構和光學特性，并且隨波長變化。由于路徑長度對所考慮的介質特性的依賴，基于混濁介質中的吸收光譜來對濃度所進行的絕對測量會被損害。

現有技術中已知的經典反射光譜學設備在測量期間經常利用多個光纖來傳遞和收集光。然而，具有用于傳遞和收集光的單個光纖的反射探頭的潛在優點是很多的。單個光纖設計的優點包括較小的探頭尺寸和簡單的設備設計，使其比起多光纖探頭更適合于臨床應用，例如，經由內窺鏡或活檢針來對潛在惡性腫瘤的光學活檢。然而，在與重疊的源-探測器區域相關的體制中，不存在對光傳輸的經驗性或分析性說明，例如在使用單個光纖時。

使用重疊的照明檢測區域來確定混濁介質中的吸收系數的反射光譜系統的實施例可從Kanick?et?al.Phys.Biol.54,6991-7008（2009）中獲知。在已知的實施例中，公開了一種方法，其中，單個光纖被使用并且被設置在所研究的組織的表面處。該光纖用于照亮該組織，并且用于收集反射光。

已知方法的缺點是，光子的有效路徑長度對散射相位函數的依賴以及減少的散射系數都是猜測的，這可能導致對吸收系數的確定不準確。

發明內容

本發明的目的就是當使用重疊照明和檢測區域時在不知道散射系數和散射相位函數的情況下，提供一種用于確定混濁介質的吸收系數的方法。

為此，根據本發明的方法包括以下步驟：

-從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜（C_λ）；

-對實際樣品進行測量，以使用樣品（S_介質）上測量的原始光譜和所述校準光譜（C_λ）來確定絕對反射光譜（R_abs）；

-通過所測得的絕對反射光譜（R_abs）和模型函數（R_abs^模型）之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜（R_abs）來確定依賴于波長的吸收系數，其中，所述模型函數（R_abs^模型）是基于下列組合的現有知識，使用預先確定的等式來建模的：

ⅰ.有效光子路徑長度（L_PF）對散射相位函數（PF）的依賴性；

ⅱ.不存在吸收（R_abs⁰）時絕對反射比對散射相位函數（PF）的依賴性。

應所述理解的是，多個不同的本身已知的實施例可用于提供這種重疊的照明檢測幾何結構。在優選實施例中，使用單個光纖，例如使用尺寸在10μm至3mm之間的單個光纖。

根據本發明，在缺乏吸收時對反射比進行的校準評估用于適當地估算減小的散射系數和散射相位函數對有效光子的路徑長度的組合效應。由此，吸收系數的估算大體上得以改善。

在活組織的測量上應用該方法提供了可用于組織健康狀態表征的血管生理學的諸多方面。例如，可以確定血容積分數、平均血管直徑和血紅蛋白氧飽和度，以及確定其他光吸收物質的濃度，包括膽紅素、β-胡蘿卜素、黑色素、葡萄糖、脂肪和水。另外，該方法可用于測量組織中外源性物質的濃度，例如藥物、光學對比劑、染料、污染物，只要它們在使用的波長區域中具有適當的吸收特性。

本發明基于下面的理解。白光反射比測量提供了關于光采樣混濁介質（例如，組織）的吸收和散射特性的信息。具體地說，吸收系數μ_a涉及組織生理學的各方面。據發現，由于μ_a、減小的散射系數μs以及散射相位函數PF對有效光子路徑長度L_SF的各種影響，從反射光譜的μ_a的定量估算需要進行數學校正。這個關系的數學表示的示例可以由等式（1）給出:

其中