專利名稱：一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物組織光學參數(shù)的檢測方法，尤其是一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法。
背景技術：
光如何在生物組織中傳播的問題，是阻礙光學相干斷層成像、腫瘤光動力學療法和激光誘導熱溫療法等熱點生物醫(yī)學技術發(fā)展的瓶頸問題。這些技術的先進性依賴于生物組織光學參數(shù)空間分布函數(shù)的準確測量。
生物組織中光傳輸特性的重要意義和復雜性，導致一個新學科分支——組織光學形成。1988年美國OSA年會設專題討論哺乳動物組織的光學特性，標志組織光學的興起?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)形成了一批各具特色的組織光學研究中心。國內(nèi)組織光學研究早期以激光醫(yī)學的面目出現(xiàn)，1997年國家自然基金將組織光學列入信息科學部鼓勵研究領域之后，發(fā)展非常迅猛，《中國物理》、《光學學報》和《中國激光》等高級刊物上組織光學的研究論文逐年上升。組織光學研究的繁榮說明其有很強的應用背景，重大成果將類似于CT技術的發(fā)明在人類文明史上所起的推動作用，有可能開辟新的高科技產(chǎn)業(yè)。
與放射成像技術相比，光相干斷層成像OCT技術除了具有非放射性、可區(qū)分軟組織、易于辨別病變發(fā)色團特征吸收等自然優(yōu)勢外，所處頻段的技術發(fā)展更成熟，空間分辨率在2～20μm范圍，比X射線CT與核磁共振MRI高一個量級，有希望在癌瘤很小時就能夠?qū)⑵渫車＝M織區(qū)分開來，在材料科學等領域也有廣泛的應用，是一種有前途新的斷層成像技術。但是，無論OCT直接成像法還是間接成像法，要對組織圖像進行計算機重建，要對特定組織、病灶位置進行準確定位，依賴的是組織對象光傳輸參數(shù)的準確性。具體來說就是對象組織的折射率、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、相位函數(shù)等組織光學參數(shù)的空間分布函數(shù)的準確測量。
Bolin等人基于全反射原理提出的將待測組織樣品作為光纖內(nèi)芯的包層并通過測量該“光纖”數(shù)值孔徑進而確定折射率的方法，是目前較為準確的測量方法。一些研究人員還據(jù)此發(fā)展出離體生物組織折射率的棱鏡測量方法，以解決Bolin方法中存在的纖芯與樣品接觸不良無效測量或樣品尺寸小無法測量等問題。無論是光纖還是棱鏡，由于測量范圍較大，測量值實質(zhì)上是生物組織光學參數(shù)在測量范圍內(nèi)的空間平均值。正是基于生物體折射率等光學參數(shù)的空間分布函數(shù)，光學相干斷層成像、腫瘤光動力學療法和激光誘導熱溫療法等熱點生物醫(yī)學技術才能對病灶準確定位。而且，絕大多數(shù)生物組織對可見和近紅外光是混濁和高散射介質(zhì)，使得測量精度都不高。近年來，雖然已經(jīng)初步建立了生物組織中光的傳播理論，例如蒙特卡羅模擬計算模型，但僅能提供定性結論。光傳輸參數(shù)難以準確測量已經(jīng)成為生物醫(yī)學光子學微觀診斷技術繼續(xù)發(fā)展的瓶頸，組織光學研究必須另辟新徑。
從生物組織的光學參數(shù)的空間分布函數(shù)的角度看，由細胞組成的某些生物組織，介電結構具有天然的周期性。這種周期性的結構類似于光子晶體。
盡管細胞因種類不同而大小不一，形狀各異，同一種類細胞的形狀和尺寸是一致的，使用復周期性介電結構描述某些生物組織的幾何結構還是準確的。某些生物組織結構上具有取向性，例如皮膚、肌肉、結締組織等，也只能說明它是各向異性介質(zhì)，仍然可以使用不同的方向上不同的重復周期來描述。就是說它們具有復周期性。對于具有復周期性介電結構材料光學特性的研究也屬于光子晶體的范疇。事實上，有些生物體是天生的可見光區(qū)光子晶體。例如，蝴蝶的翅膀，正是可見光區(qū)的光子能帶結構才使其五彩繽紛，出神入化。
光子晶體這種介電系數(shù)空間周期性變化的材料概念，是1987年ElibYabnolovitch和Sajeev John分別從抑制光的自發(fā)輻射，增強受激輻射和光子定域的角度提出來的。就象半導體中原子點陣產(chǎn)生禁帶一樣，介電系數(shù)空間周期性分布產(chǎn)生“光子帶隙”(Photonic Band Gap)。位于光子帶隙頻率內(nèi)的光，不能射入光子晶體。
當然，生物組織并不象人工晶體那樣是嚴格的復周期結構，特別是活體時，組織內(nèi)部的微觀運動用長程自相似描述可能更準確些。事實上，光子晶體理論告訴我們，即便材料的介電常數(shù)不是準確地周期性排列，而是準周期性排列，也同樣存在帶隙結構。也就是說準確的周期性結構并不是產(chǎn)生帶隙結構的必要條件，長程有序即可為光子帶隙的存在提供必要條件。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有測量方法對生物組織光學傳輸參數(shù)空間分布函數(shù)的困難，以及生物組織混濁和高散射特性對可見和近紅外光實驗測量精度的限制等問題，本發(fā)明以光子晶體視角看待生物組織，提出了基于光子晶體理論的一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法。該方法采用光子晶體理論計算方法計算生物組織的光子帶隙結構，通過調(diào)整生物組織的折射率值去逼近生物組織的光子帶隙結構實驗測量結果，從而避開生物組織混濁和高散射特性對實驗測量精度的影響，提高生物組織折射率空間分辨率的目的。
本發(fā)明解決現(xiàn)有生物組織光學傳輸參數(shù)空間分布函數(shù)測量方法的問題所采用的技術方案如下。
步驟1確定一個生物對象和根據(jù)它的組織構造，使用光子晶體理論計算方法估算出生物組織光子帶隙結構所在的電磁波譜區(qū)；步驟2在所述的電磁波譜區(qū)，采用實驗方法檢測該種生物組織的光子帶隙結構；步驟3通過精細地改變該種生物組織中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜的折射率這一計算輸入量，使得采用光子晶體理論計算方法計算出的光子帶隙結構向該生物組織的光子帶隙結構實驗測量結果逼近；獲得該生物組織折射率值的空間分布函數(shù)。
本發(fā)明的有益效果如下首先，生物組織光學傳輸參數(shù)空間分布函數(shù)的準確測量將解決目前阻礙光學相干斷層成像、腫瘤光動力學療法和激光誘導熱溫療法等急需發(fā)展的熱點生物醫(yī)學技術的發(fā)展瓶頸問題，它的應用將產(chǎn)生類似于x光CT技術從改進而投入實用在人類文明史上所起的推動作用，有可能開辟新的高科技產(chǎn)業(yè)。要對生物組織圖像進行計算機重建，要對特定組織、病灶位置進行準確定位，依賴的是生物組織對象光傳輸參數(shù)空間分布函數(shù)值的準確性，具體來說就是對象組織的折射率等組織光學參數(shù)的空間分布函數(shù)的準確性。
其次，以光子晶體的視角看待生物組織，擴展了光子晶體領域的研究范圍，同時也在組織光學中開辟了一個新的研究途徑。
以光子晶體的視角看待生物組織，從理論上和用實驗方法探索不同生物組織可能存在的光子帶隙結構，可以避免生物組織高渾濁、強散射特性對實驗測量精度的影響。因為光子晶體在光子帶隙處是絕對白體，這一特點不受材料內(nèi)的渾濁、散射等因素左右。生物體具有吸收大、散射強的特點，成為其他方法的實驗測量障礙，但采用測量生物組織可能存在的光子帶隙的方法，可以避開生物組織中的這些不利因素的影響。
最后，光子晶體能帶結構隨介質(zhì)周期分布的尺寸比例放大的特性將使得我們能夠按照某些生物組織的結構比例，對于不便于檢測的頻段，可以將材料結構進行比例放大或縮小，仿造出類似于光子晶體的聚集體，進而調(diào)整實驗波長，在有適當信號源和測量裝置的電磁譜區(qū)進行檢測。


圖1本發(fā)明的流程2本發(fā)明使用光子晶體理論計算方法估算出豬脂肪組織光子帶隙結構所在的幾個電磁波譜區(qū)的一個計算結果；圖3(a)探測結果；圖3(b)豬脂肪組織光子帶隙結構理論計算逼近結果；圖4本發(fā)明的流程圖；具體實施方式
實施例1生物組織折射率空間分布函數(shù)檢測方法的實施方式一，流程如圖1所示。
步驟1確定一個生物組織對象為豬脂肪，根據(jù)豬脂肪的細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜組織構造和折射率空間平均值1.46，按照細胞核折射率大于細胞膜折射率、細胞膜折射率大于細胞質(zhì)折射率的構架，調(diào)整豬脂肪中折射率的空間分布，使用光子晶體理論計算方法估算出豬脂肪光子帶隙結構所在的電磁波譜區(qū)；如圖2所示為其中一個計算結果。
步驟2在所述的電磁波譜區(qū)，采用實驗方法包括吸收光譜法或反射光譜法或激光光譜法檢測該種豬脂肪生物組織的光子帶隙結構；若不存在光子帶隙結構，則回到步驟1，再次調(diào)整豬脂肪中折射率的空間分布，估算豬脂肪光子帶隙結構所在的電磁波譜區(qū)；或者更換檢測對象，換另一種生物組織進行。豬脂肪生物組織的光子帶隙結構探測結果如圖3(a)所示。
步驟3取折射率改變量0.001，精細地改變豬脂肪中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜對應的的折射率這一計算輸入量，采用光子晶體理論計算方法，包括時域有限差分法或轉(zhuǎn)移矩陣法或平面波展開法或采用超元胞法進行平面波展開的方法或格林函數(shù)法，對豬脂肪的光子帶隙結構進行精密計算。
步驟4將計算出的豬脂肪光子帶隙結構與步驟2中豬脂肪光子帶隙結構實驗的探測結果比較，是否均方差最小，若不是則回到步驟3。豬脂肪光子帶隙結構理論計算逼近結果如圖3(b)所示。
步驟5得到豬脂肪折射率值的空間分布函數(shù)。
上述的光子晶體理論計算方法是按照光子晶體理論計算具有周期性介電結構材料的光子帶隙結構和電磁波在其中傳播方式的方法，它包括時域有限差分法、轉(zhuǎn)移矩陣法、平面波展開法，以及采用超元胞法進行平面波展開的方法和格林函數(shù)法。
檢測生物組織光子帶隙結構的實驗方法是檢測生物組織材料的電磁波反射系數(shù)和透射系數(shù)隨入射電磁波波長變化的實驗方法，它包括吸收光譜法、反射光譜法和激光光譜法；入射電磁波包括可見、紅外、紫外、微波和射頻電磁波譜區(qū)的電磁波。
實施例2
生物組織折射率空間分布函數(shù)檢測方法的實施方式二，如圖5所示。
步驟1確定一個生物組織對象為大鼠的視網(wǎng)膜，根據(jù)大鼠視網(wǎng)膜的細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜組織構造和折射率空間平均值1.35，按照細胞核折射率大于細胞膜折射率、細胞膜折射率大于細胞質(zhì)折射率的構架，調(diào)整大鼠視網(wǎng)膜中折射率的空間分布，使用光子晶體理論計算方法估算出大鼠視網(wǎng)膜光子帶隙結構所在的幾個電磁波譜區(qū)；步驟2在所述的電磁波譜區(qū)，采用實驗方法包括吸收光譜法或反射光譜法或激光光譜法檢測該種大鼠視網(wǎng)膜生物組織的光子帶隙結構；若不存在光子帶隙結構，則回到步驟1，再次調(diào)整大鼠視網(wǎng)膜中折射率的空間分布，使用光子晶體理論計算方法估算出大鼠視網(wǎng)膜光子帶隙結構所在的幾個電磁波譜區(qū)；或者更換檢測對象，換另一種生物組織進行。
步驟3取折射率改變量0.001，精細地改變大鼠視網(wǎng)膜中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜對應的的折射率這一計算輸入量，采用光子晶體理論計算方法，包括時域有限差分法或轉(zhuǎn)移矩陣法或平面波展開法或采用超元胞法進行平面波展開的方法或格林函數(shù)法，對大鼠視網(wǎng)膜的光子帶隙結構進行精密計算。
步驟4將計算出的大鼠視網(wǎng)膜光子帶隙結構與步驟2中大鼠視網(wǎng)膜光子帶隙結構實驗的探測結果比較，是否均方差最小，若不是則回到步驟3。
步驟5得到大鼠視網(wǎng)膜折射率值的空間分布函數(shù)。
光子帶隙結構是具有周期性介電結構材料的電磁波透射系數(shù)和相位隨入射波長變化的光譜結構。
檢測生物組織光子帶隙結構的實驗方法是檢測生物組織材料的電磁波反射系數(shù)和透射系數(shù)隨入射電磁波波長變化的實驗方法，它包括吸收光譜法、反射光譜法和激光光譜法；入射電磁波包括可見、紅外、紫外、微波和射頻電磁波譜區(qū)的電磁波。
實施例3同實施例1或?qū)嵤├?的步驟，不同的是生物組織包括哺乳動物或非哺乳動物的脂肪、肌肉和結締組織，例如哺乳動物人或牛或貓或狗的脂肪、肌肉和結締組織，例如非哺乳動物鷹或魚或雞和鱷魚的脂肪、肌肉和結締組織；生物組織構造知識是生物組織組成的知識，以及其中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜幾何尺寸及細胞間距的知識。
權利要求
1.一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法，其特征是步驟1確定一個生物組織對象，根據(jù)它的組織構造使用光子晶體理論計算方法估算出該生物組織光子帶隙結構所在的電磁波譜區(qū)；步驟2在所述的電磁波譜區(qū)，采用實驗方法檢測該種生物組織的光子帶隙結構；步驟3通過精細地改變該生物組織中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜的折射率這一計算輸入量，使得采用光子晶體理論計算方法計算出的光子帶隙結構向該生物組織的光子帶隙結構實驗測量結果逼近；步驟4獲得該生物組織折射率值的空間分布函數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法，其特征是步驟1確定一個生物組織對象，根據(jù)它的組織構造使用光子晶體理論計算方法估算出生物組織光子帶隙結構所在的電磁波譜區(qū)；步驟2在所述的電磁波譜區(qū)，采用實驗方法包括吸收光譜法或反射光譜法或激光光譜法檢測該種生物組織的光子帶隙結構；探測結果若不存在光子帶隙結構，則回到步驟1，再次調(diào)整該種生物組織的折射率的空間分布，使用光子晶體理論計算方法估算出該種生物組織的光子帶隙結構所在的幾個電磁波譜區(qū)；或者更換檢測對象，換另一種生物組織進行；步驟3通過精細地改變該種生物組織的中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜對應的折射率這一計算輸入量，使得采用光子晶體理論計算方法計算出的光子帶隙結構向該生物組織的光子帶隙結構實驗測量結果逼近；步驟4獲得該生物組織折射率值的空間分布函數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法，其特征是生物組織包括哺乳動物和非哺乳動物的脂肪、肌肉和結締組織，例如哺乳動物人、牛、貓和狗的脂肪、肌肉和結締組織，例如非哺乳動物鷹、魚、雞和鱷魚的脂肪、肌肉和結締組織；生物組織構造知識是生物組織組成的知識，以及其中細胞核、細胞質(zhì)和細胞膜幾何尺寸及細胞間距的知識。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法，其特征是光子晶體理論計算方法是按照光子晶體理論計算具有周期性介電結構材料的光子帶隙結構和電磁波在其中傳播方式的方法，它包括時域有限差分法、轉(zhuǎn)移矩陣法、平面波展開法，以及采用超元胞法進行平面波展開的方法和格林函數(shù)法。
5.根據(jù)權利要求4所述的光子晶體理論計算方法計算的光子帶隙結構，其特征是光子帶隙結構是具有周期性介電結構材料的電磁波透射系數(shù)和相位隨入射波長變化的光譜結構。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法，其特征是檢測生物組織光子帶隙結構的實驗方法是檢測生物組織材料的電磁波反射系數(shù)和透射系數(shù)隨入射電磁波波長變化的實驗方法，它包括吸收光譜法、反射光譜法和激光光譜法；入射電磁波包括可見、紅外、紫外、微波和射頻電磁波譜區(qū)的電磁波。
全文摘要
一種生物組織折射率空間分布函數(shù)的檢測方法。為了克服現(xiàn)有測量方法對生物組織光學傳輸參數(shù)空間分布函數(shù)的困難，以及生物組織混濁和高散射特性對可見和近紅外光實驗測量精度的限制等問題，以光子晶體視角看待生物組織，采用光子晶體理論計算方法計算生物組織的光子帶隙結構，通過調(diào)整生物組織的折射率值去逼近生物組織的光子帶隙結構實驗測量結果，從而避開生物組織混濁和高散射特性對實驗測量精度的影響，提高生物組織折射率空間分辨率的目的。解決目前阻礙光學相干斷層成像、腫瘤光動力學療法和激光誘導熱溫療法等急需發(fā)展的熱點生物醫(yī)學技術的發(fā)展瓶頸問題。
文檔編號G01N21/25GK1580740SQ20041003826
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權日2004年5月19日
發(fā)明者吳重慶, 盛新志 申請人:北京交通大學