用于確定混濁介質中的吸收系數的方法
【專利摘要】本發明涉及一種使用重疊的照明探測區域來確定渾濁介質的波長相關的吸收系數的方法，該方法包括以下步驟的：a）從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜（Cλ）；b）對實際樣品進行測量，以使用在樣品（S介質）上測量到的原始光譜和所述校準光譜（Cλ）來確定絕對反射光譜（Rabs）；c）通過將所測得的絕對反射光譜（Rabs）和模型函數（Rabs模型）之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜（Rabs）來確定所述波長相關的吸收系數，其中，該模型函數（Rabs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：有效光子路徑長度（LPF）對散射相位函數（PF）的依賴性；不存在吸收（Rabs0）時絕對反射比對散射相位函數（PF）的依賴性。本發明還涉及用于確定波長相關的混濁介質的吸收系數的系統和計算機程序產品。
【專利說明】用于確定混濁介質中的吸收系數的方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及一種用于確定混濁介質的吸收系數的方法。
[0002]本申請還涉及一種用于確定混濁介質的吸收系數的系統。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]為此，根據本發明的方法包括以下步驟:
[0010]-從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜(Ca)；
[0011]-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(Ca)來確定絕對反射光譜(Rabs)；
[0012]-通過所測得的絕對反射光譜(Rabs)和模型函數(RabsSS)之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜(Rabs)來確定依賴于波長的吸收系數，其中，所述模型函數(RabsiSS)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:[0013]i.有效光子路徑長度(Lpf)對散射相位函數(PF)的依賴性；
[0014]ii.不存在吸收(Rabs°)時絕對反射比對散射相位函數(PF)的依賴性。
[0015]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10 μ m至3mm之間的單個光纖。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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Ua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μ s以及散射相位函數PF對有效光子路徑長度Lsf的各種影響，從反射光譜的Pa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:
[0019]
【權利要求】
1.一種使用重疊的照明檢測區域來確定混濁介質的波長相關的吸收系數的方法，所述方法包括以下步驟: a.從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜(Ca); b.對實際樣品進行測量，以使用在樣品(S介質)上測量到的原始光譜和所述校準光譜(Ca )來確定絕對反射光譜(Rabs)； c.通過將所測得的絕對反射光譜(Rabs)和模型函數(RabsiSS)之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜(Rabs)來確定所述波長相關的吸收系數，其中 d.所述模型函數(RabsiSS)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(Lpf)對散射相位函數(PF)的依賴性； ii.不存在吸收(Rabs°)時絕對反射比對散射相位函數(PF)的依賴性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述方法進一步包括以下步驟:使用單個光纖，以將光束朝向所述樣品傳遞并且從所述樣品收集經反射的光束。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，用于照明的光點與經反射的光束的光點重疊。
4.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，用于測量的光是由多個單色光源產生的。
5.根據前述權利要求1-3中任一項所述的方法，其中，用于測量的光包括波長的連續光譜。
6.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述混濁介質是組織。
7.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述吸收系數μa與吸收分子的濃度和/或包裝有關，所述吸收分子選自由以下所組成的群組:血紅蛋白、膽紅素、胡蘿卜素、黑色素、細胞色素、葡萄糖、脂質和水。
8.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，對于假定的散射相位函數PFis氣使用位于Y=L 6和Y=L 8之間的伽瑪值，其中，根據Y= (l-g2)/ (1-gl)，伽瑪與所述散射相位函數的第一和第二矩量(分別為gl和g2)相關。
9.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，針對所述校準測量，使用散射參考樣品，所述散射參考樣品具有使得μs’ d光纖>10的散射系數。
10.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，針對所述校準測量，使用已知相位函數和散射系數的參考樣品。
11.一種使用重疊的照明檢測區域來確定混濁介質的波長相關的吸收系數的系統，所述系統包括: 光源，其適于產生光束； 處理器，其適于: a.從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜(Ca); b.得到對實際樣品進行進一步測量的結果，以使用在樣品上(S介質)測量到的原始光譜和所述校準光譜(Ca )來確定絕對反射光譜(Rabs)； c.通過將所測得的絕對反射光譜(Rabs)和模型函數(RabsiSS)之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜(Rabs)來確定所述波長相關的吸收系數，其中，所述模型函數(RabsiSS)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(Lpf)對散射相位函數(PF)的依賴性； ii.不存在吸收(Rabs°)時絕對反射比對散射相位函數(PF)的依賴性。
12.根據權利要求11所述的系統，所述系統還包括:光譜儀，其基于測量數據來進行光譜分析。
13.根據權利要求要求11或12所述的系統，其中所述光源包括多個單色光源。
14.根據前述權利要求11-13中任一項所述的系統，所述系統還包括:單個光纖，其用于將光朝向所述樣品傳遞并且從所述樣品收集經反射的光。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述光纖被設置在介入式儀器中。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述介入式儀器是活檢針。
17.根據前述任一項權利要求所述的系統，其中，針對所述校準測量，使用具有μs，d光纖>10的散射參考樣品。
18.根據前述任一項權利要求所述的系統，其中，針對所述校準測量，使用已知相位函數和散射系數的參考樣品。
19.一種使用重疊的照明檢測區域來確定混濁介質的波長相關的吸收系數的計算機程序產品，所述計算機程序產品包括致使處理器執行以下步驟的指令: a.從使用參考樣品的參考測量中得到校準光譜(Ca); b.得到對實際樣品進行測量的數據，以使用在樣品(S介質)上測量到的原始光譜和所述校準光譜(Ca )來確定絕對反射光譜(Rabs)； c.通過將所測得的絕對反射光譜(Rabs)和模型函數(RabsiSS)之間的差最小化，使用所述絕對反射光譜(Rabs)來確定所述波長相關的吸收系數，其中 d.所述模型函數(RabsiSS)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(Lpf)對散射相位函數(PF)的依賴性； ii.不存在吸收(Rabs°)時所述絕對反射比對散射相位函數(PF)的依賴性。
【文檔編號】A61B5/00GK103460025SQ201280014930
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月26日 優先權日:2011年3月24日
【發明者】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 申請人:鹿特丹伊拉斯謨大學醫療中心