时间：2020-07-13
组织光学(tissue optics)旨在研究可见光和近红外光在生物组织中的传播特点和规律，其基本任务是确定在一定条件下光辐射能量在组织体内的分布，进而发展活体组织光学特性参数的测量方法。组织光学是光用于生物医学研究的基础，其中光辐射能量计算的典型应用是光动力治疗（PDT）和激光热疗（LITT），光学参数测量的典型应用是各种无创光学疾病诊断方法。本实验室围绕疾病的无创诊断开展了组织光学研究，主要包括光学参数测量系统的研究、描述光在组织体中传播的数学模型的研究、蒙特卡洛模拟等。
1.积分球测量系统
积分球（integrating sphere）被广泛地应用于各个光学领域,例如纤维光学、激光技术、天体物理、照相化学和医学技术中的微弱光测量。积分球内表面由BaSO4 喷涂而成，因此具 有超高的反射特性，光在均匀分布的球壁作无规则的反射,最后在球体内空间形 成均匀的光强分布。测量生物组织反射率和透射率的积分球技术包括双积分球技术和单积分球技术。由于单积分球的测量不同时性和机械切换误差，搭建了基于双积分球的组织光学参数测量系统，分析了系统传递函数及误差来源，并对误差进行校正。积分球系统已经成为直接测量生物组织的漫反射率 VR 、漫透射率 VT 和准直透射率（collimated transmittance）Vcoll 的重要工具（注：漫透射是不包含准直透射的全部透射光强）。依据逆蒙特卡洛算法（IMC）或逆加-倍法（IAD），由测量量可以反算出组织的吸收系数ma、散射系数ms和各向异性因子g。
图1 积分球测量系统结构示意图
图2 积分球测量系统实物图
2、光在组织体中传播的数学模型的研究
在人体无创血糖测量的应用中，光学方法具有便捷、快速、信息多维化、无耗材、安全等特点，是目前无创伤血糖测量的主要手段，而近红外光谱由于自身的优点，也被认为是最具有应用前景的检测技术之一。目前无创血糖测量的难题，并不仅仅是需要更高稳定性，更高测量精度和测量灵敏度的系统，关键是解决被测对象自身背景的变化的影响（包括人体代谢差异、体温改变、人体皮肤结构特性变化等）。只有找到有效的消除这些干扰因素的解决方法，加强校正模型的稳健性和通用性，才能真正攻克人体无创血糖检测，实现临床应用。为了解决这一难题，课题组经过多年的研究，创新性的提出了浮动基准方法，为无创血糖测量提出了自身的参考背景。如果在特定的空间位置或在特定波长下，由散射和吸收作用引起的光能量可以相互抵消，就能够实现在该位置或该波长下测得的光能量不随葡萄糖浓度的变化而变化，我们将这特定的位置或者波长作为内部参考测量的位置或者波长，将这一方法称为浮动基准方法，分为浮动基准波长点和浮动基准位置点。由于浮动基准位置随着光学参数以及皮肤组织厚度的变化而变化，因此必须要研究在未知光学参数情况下实时计算浮动基准位置的方法。为了实现这一方法，本课题主要围绕单层大吸收和小吸收浑浊介质以及多层大吸收和小吸收浑浊介质这两种情况进行研究。
图3 适合大约照反射率范围的联合反构方法
图4 针对多层组织的混合漫射P3近似模型
3、基于瞬态光子动力学的辐射-扩散混合模型
该模型按组织内瞬态光子动力学过程定义“转换时间点”可将光子输运过程按时间分为符合辐射传输规律“早期”和符合扩散规律的“后期”阶段，物理上实现了完整光输运期内早期辐射传输段和后期扩散段的自然匹配耦合，如下图所示。该模型特别适用于时间分辨光子输运过程的高效计算，可作为模拟验证数据产生和相关深度学习方法训练的工具。
(a) (b)
图5 基于瞬态光子动力学的辐射-扩散混合模型：(a)策略示意图；(b)模型与MC模型相对误差对比，其中上、中、下行分别为正常、低散射和高吸收组织情形；左、中、右列代表转换时间点分别为3、5、7和9倍光子自由输运时间
发表的主要论文：
1. Zhenzhi Shi, Ying Fan, Huijuan Zhao, Kexin Xu, A joint derivation method for determining optical properties based on steady-state spatially resolved diffuse reflectance measurement at small source-detector separations and large reduced albedo range: theory and simulation, Journal of Biomedical Optics. 17(6), 067004, 2012
2. Zhenzhi Shi, Huijuan Zhao, Kexin Xu, Hybrid diffusion-P3 equation in N-layered turbid media: steady-state domain, Journal of Biomedical Optics. 16(10), 105002, 2011
3. Huijuan Zhao, Xiaoqing Zhou, Ying Fan, and Feng Gao ，Near-infrared frequency domain system and fast inverse Monte Carlo algorithm for endoscopic measurement of tubular tissue，Journal of X-Ray Science and Technology， Vol.19（1）, p.57–68，2011
4. Chenxi Li, Huijuan Zhao, Qiuyin Wang and Kexin Xu, Artificial neural network method for determining optical properties from double-integrating-spheres measurements, CHINESE OPTICS LETTERS 8(2), 2010
5. Huijuan Zhao, Chenxi Li, Qiuyin Wang, and Kexin Xu, Improvement of the measurement methodologies and optical property calculation for double-integrating-sphere system, NIR2009
6. 李晨曦,赵会娟,王秋殷,宋扬,徐可欣, 基于双积分球和锁相放大测量的近红外多波长光学参量测量系统的研究, 光子学报 38(7), 2009
发明专利：
1. 赵会娟，李晨曦，王秋殷，徐可欣，“快速多波长组织光学参数测量装置及反构算法，专利号：ZL200910068569.0
2. 高峰、杨芳、范颖、赵会娟，“光学乳腺成像用固态仿体制作方法”，中国发明专利， 专利号：ZL2010 1 0537763.1
3. 高峰、李娇、张丽敏、赵会娟，重构混浊介质光学参数的时间分辨测量系统和方法， 中国发明专利，专利号 ZL 200910069698.1
