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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0142-02基于CCD无损测量生物组织光学参数赵施展,吕晓东(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191)摘要:提出了基于CCD测量组织光学参数的实验装置和测量思路。首先依据实验数据对理论模型进行了讨论,实验证明Kienle模型更接近于真实情况;然后依据拟合结果的鲁棒性对拟合范围的选取进行了讨论。结果证明:该方法可以有效地去除公式误差的影响,降低实验装置的系统误差,并获取较为准确的
2、光学参数。关键词:CCD;无损测量;光学参数中图分类号:Q632文献标识码:A0引言常数,D=1／[3(μa+μ′s)],μ′s为组织的约化散射系数;生物组织的光学特性参数(吸收系数和散射系数)S(ρ,z)为入射光光源。可以近似认为方程(1)满足外与其生理状态、病理状态关系密切,光学诊断和治疗的延边界条件,此时可以解出组织表面(z=0)的光强[5]有效性在很大程度上取决于光学参数的准确性,因此Φ(ρ,z)大小:生物组织的参数测量是国际上研究的热点问题[1-2]。1e(-μeff×r1)e(-μeff×r2)Φ(ρ,z=0)=[2-2].(2)传统离体测量方法和设备相对简单
3、,但其结果往往和4πDr1r2活体组织相差较大,并且属于有损测量,因此发展活体其中:μeff为有效衰减系数,μeff=3μa(μa+μ′s);r1=[3]测量的无损检测手段势在必行。本文设计了一套z22,z1;r(z)2+ρ2,zCCD测量组织光学参数的实验装置,它可以满足无损0+ρ0=2=0+2zbb=μa+μ′s测量的需求。我们以标准琼脂块(待测参数吸收系数1+Reff和散射系数已知)为研究对象,详细论述了实验装置和2AD,A=,Reff为反射因子,当组织折射率n=1-Reff实验方法,并验证了理论模型的准确性,确定了实验结1.35时R[6]。eff=0.4498果的
4、拟合范围,结果证明CCD技术可以很好地实现生物组织参数的无损测量。1实验装置CCD测量组织表面漫反射信号的实验设备如图1所示。光源为He-Ne激光(波长为663nm,输出功率为35mW,发射器型号为LGK7665-20),光源经发射器和入射光纤(光纤直径Φ600nm~Φ800nm)照射到组织表面。入射角度约5°~10°,以避免镜面反射的影响。CCD探测器(分辨率为512×512像素,型号为C4880-21-24A)对组织表面光信号进行成像,并将图图1实验装置简图图2柱坐标系像数据传输到CCD控制器中进行存储和计算,最后将Farrell等人给出了组织表面的漫反射光信号表[7
5、]数据传送到计算机中做进一步的图像处理,图像分析达式:(-μe×r1)采用SimplePCI系统。实验样品为琼脂块,波长在11eff-1Rflux(ρ)=[z0(μeff+)2+633nm下的标准光学参数为:吸收系数μa=2cm,4πr1r1-1(-μe×r2)散射系数μ。1effs=110cm(z)()].(3)0+2zbμeff+22理论模型的选取r1r2准直光束垂直入射到待测组织表面,组织内光分然而Kienle等人认为,组织表面光强分布Φ(ρ,z=布在柱坐标系下是对称的,因此可以用Φ(ρ,z)来表征0)对漫反射光信号有影响,其表达式为:光强分布(如图2所示),其中ρ
6、表示距离原点的径向R(ρ)=C1×Φ(ρ,z=0)+C2Rflux(ρ).(4)距离,z表示组织深度,坐标原点和入射点重合。其中:R(ρ)为Kienle推导出的漫反射光强;Rflux(ρ)为[4]Farrell推导出的漫反射光强;C组织内的光强分布Φ(ρ,z)满足漫射近似方程:1和C2大小由组织折射D∇2Φ(ρ,z)-μ率确定,当组织折射率n=1.33时,C1=0.1320,C2=aΦ(ρ,z)=-S(ρ,z).(1)其中:∇2为拉普拉斯算子;D为表征组织光学特性的0.3359。收稿日期:2016-03-15;修订日期:2016-10-06作者简介:赵施展(1991-),
7、男,北京人,在读硕士研究生,研究方向:航空宇航制造工程。2016年第6期赵施展,等:基于CCD无损测量生物组织光学参数·143·为了选取更为准确的理论模型,我们把琼脂块的5组典型的拟合范围,并采用公式(4)实现拟合。我们理论光学参数(μ-1,-1)代入到公评估了每组拟合结果的鲁棒性,其结果如图4所示。a=2cmμs=110cm式(3)和公式(4)中,分别得到两种漫反射理论模型,并可以拟合出最接近理论值的光学参数(μa=2.008与实验测量的漫反射光分布进行对比,结果如图3所-1,-1),这一拟合范围表现出了最cmμs=109.
