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原文传递一种生物组织光热物性参数同时测量方法

专利名称：	一种生物组织光热物性参数同时测量方法
摘要：	本发明属于生物组织光热物性参数测量技术领域，公开了一种生物组织光热物性参数同时测量方法；建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型；在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号和温度信号；计算测量表面每个取样点处的辐射强度和温度；建立生物组织光热物性参数测量的目标函数；建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。本发明通过分阶段多步优化模块，能够合理地利用光热响应信号关于生物组织光热物性参数的敏感性；能够实现组织内部光热物性参数的非侵入式测量，为生物组织光热物性参数同时测量提供一种有效的技术方案。
专利类型：	发明专利
申请人：	重庆大学
发明人：	孙双成;王英乔
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911408954.5
公开号：	CN111077294A
代理机构：	重庆市信立达专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	陈炳萍
分类号：	G01N33/483;G;G01;G01N;G01N33;G01N33/483
申请人地址：	400044 重庆市沙坪坝区正街174号
主权项：	1.一种生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，所述生物组织光热物性参数同时测量方法包括以下步骤：步骤一，采用近红外激光辐照生物组织表面，并给定生物组织光热物性参数向量E的初始猜测值，建立激光辐照下生物组织内部光热传输模型；步骤二，在生物组织表面选取M个取样点，利用红外热像仪采集M个取样点的辐射强度信号和温度信号Timea(i＝1,2,…,M)；步骤三，根据生物组织内部光热传输模型，计算测量表面每个取样点处的辐射强度和温度Tical(i＝1,2,…,M)；步骤四，根据取样点处辐射强度信号和温度信号的测量值和模拟值，建立生物组织光热物性参数测量的目标函数；步骤五，基于序列二次规划方案，建立生物组织光热物性参数同时测量的分阶段多步优化模块，并根据优化结果对生物组织光热物性参数向量E进行迭代修正。 2.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤一中，所述生物组织光热物性参数向量E的具体表达式为： E＝[κa,κs,λ]T；其中，κa代表生物组织的吸收系数，κs代表生物组织的散射系数，λ代表生物组织的导热系数，单位依次为m-1、m-1和W/(m·℃)。 3.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤二中，所述采集生物组织表面辐射强度信号和温度信号的红外热像仪应为两台，其中一台为短波红外热像仪，可测量激光辐照生物组织时的组织表面出射辐射强度；另一台为长波红外热像仪，用于测量生物组织表面温度信息。 4.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤一和步骤三中，所述生物组织内部光热传输模型，包括生物组织传热方程和辐射传递方程以及相应的边界条件：生物组织传热方程：边界条件：辐射传递方程：边界条件：式中，x和y表示空间坐标，T表示温度，t表示时间；ρ表示生物组织密度，cp表示生物组织定压比热容；Qb＝wbρbcpb(Tb-T)表示血液流动引起的热量交换，下角标b代表血液，wb表示血液关注率；Qm表示新陈代谢产热，Qr表示辐射换热源项；P表示激光功率密度，I表示辐射强度，γ表示透过率，ρw表示表面反射率，下角标w表示生物组织表面；Lx表示所研究生物组织的横向尺寸，Ly表示所研究生物组织的纵向尺寸；h表示对流换热系数，Ta表示环境温度；n0表示环境折射率，n1表示生物组织折射率，βe表示生物组织衰减系数，满足βe＝κa+κs；Ω'表示激光入射方向，Ω表示散射方向，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，nw表示边界法向量。 5.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤四中，所述生物组织光热物性参数测量的目标函数，包括光学特性参数测量的目标函数Fobj1和热物性参数测量的目标函数Fobj2；由于辐射强度信号主要对吸收系数和散射系数等光学特性参数敏感，而温度信号主要对导热系数敏感，因而目标函数建立如下： 6.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤五中，所述序列二次规划方案，其主要目的是使上述目标函数最小化，进而得到生物组织光热物性参数；序列二次规划方案优化问题表示如下：其中，c表示约束条件，me表示等式约束条件个数，m表示约束条件总数；上述优化问题可转化为如下二次规划子问题：其中，dk表示搜索方向，Hk表示如下拉格朗日方程的Hesse矩阵的近似：其中，λ表示拉格朗日乘子；引入如下罚函数提高序列二次规划方案的全局优化能力：其中，r表示罚因子；生物组织光热物性参数按照下式迭代更新： Ek+1＝Ek+αkdk；其中，k表示当前迭代次数，αk表示搜索步长，满足：其中，θ为区间(0,1)内的参数。 7.如权利要求1所述生物组织光热物性参数同时测量方法，其特征在于，步骤五中，所述分阶段多步优化模块，是对辐射强度信号和温度信号进行分离多级利用，进而对生物组织光学特性参数和热物性参数进行分阶段多步优化，即首先基于初始给定的生物组织导热系数，利用序列二次规划方案对目标函数Fobj1进行优化，初步反演得到生物组织的吸收系数和散射系数，其次基于已获得的吸收系数和散射系数信息，利用序列二次规划方案对目标函数Fobj2进行优化，反演得到生物组织的导热系数，然后基于更新后的生物组织导热系数，再对目标函数Fobj1进行优化，进一步优化生物组织的吸收系数和散射系数，如此往复，直至下述两个条件同时满足： Fobj1＜ε； Fobj2＜ε；其中，ε表示指定的测量精度。
所属类别：	发明专利