漫射光譜數(shù)據(jù)處理方法、建模方法、預(yù)測(cè)方法和處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)一般地涉及光譜檢測(cè)領(lǐng)域，具體地，涉及漫射光譜數(shù)據(jù)處理方法、成分濃度 建模和預(yù)測(cè)方法以及處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜檢測(cè)法具有綠色無(wú)污染、不破壞樣品、檢測(cè)速度快、可實(shí)現(xiàn)多成分同時(shí)定量分 析、不需要使用任何試劑或試紙以及連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是真正意義上的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技 術(shù)。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，需要測(cè)定的被測(cè)物通常是不經(jīng)過(guò)提純等預(yù)處理的復(fù)雜樣品，即散 射介質(zhì)，比如牛奶、生物組織體等。這些散射介質(zhì)在近紅外波段具有強(qiáng)散射、高吸收的特點(diǎn)。 與純吸收介質(zhì)相比，散射介質(zhì)的測(cè)量光譜中包含了散射和吸收兩部分的作用，此時(shí)朗伯比 爾定律不再適用。此外，受散射介質(zhì)中粒子的強(qiáng)散射作用影響，大部分光是漫射光，這些漫 射光子的行走路徑是不固定的，它隨介質(zhì)的吸收特性、散射特性等光學(xué)參數(shù)的變化而改變。 因此，采用光譜法檢測(cè)散射介質(zhì)中的物質(zhì)成分時(shí)，易受到介質(zhì)本身光學(xué)參數(shù)變化的干擾，尤 其受散射特性變化的影響大，一直難以達(dá)到類似純吸收介質(zhì)中的測(cè)量精度水平。
[0004] 現(xiàn)階段，散射介質(zhì)中的物質(zhì)成分測(cè)量，主要成功應(yīng)用于物質(zhì)成分濃度較大且吸收 較強(qiáng)的場(chǎng)合，此時(shí)認(rèn)為吸收作用為主導(dǎo)信息，而忽略散射作用引起的相對(duì)較小的光程變化， 如基于光電脈搏波的血氧飽和度測(cè)量與血紅蛋白的測(cè)量。由于血紅蛋白為血液中主要的吸 收成分，其濃度相對(duì)高，在近紅外波段吸收強(qiáng)，因此，在薄層介質(zhì)的測(cè)量場(chǎng)合下近似認(rèn)為朗 伯比爾定律仍適用。盡管如此，血紅蛋白的檢測(cè)精度仍不高。而其他含量相對(duì)較低、吸收相 對(duì)較弱的成分，如血糖、白蛋白等，檢測(cè)精度較差，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求。因此，散 射介質(zhì)中的微弱成分的檢測(cè)一直是光譜檢測(cè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。
[0005] 同時(shí)，光譜法還必須對(duì)特定的散射介質(zhì)建立測(cè)量模型，模型之間不易移植。比如， 一批牛奶建立的測(cè)量模型，若用于另一批次的牛奶檢測(cè)時(shí)，誤差往往較高。此外，不同的散 射介質(zhì)之間也難以相互借用模型，比如針對(duì)牛奶的模型將不能很好地用于生物組織中的成 分檢測(cè)。
[0006] 鑒于測(cè)量精度低、模型不易移植這兩個(gè)主要原因，光譜法在散射介質(zhì)的成分檢測(cè) 中的應(yīng)用受到了限制。而光譜法具有無(wú)損性、實(shí)時(shí)性、在線性的優(yōu)點(diǎn)，在食品安全檢測(cè)、環(huán)境 安全檢測(cè)、生物組織成分的無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本公開(kāi)的目的至少部分地在于提供能夠?qū)⑸⑸渥饔酶淖円鸬墓鈱W(xué)信息和吸收 作用改變引起的光學(xué)信息進(jìn)行有效分離的漫射光譜數(shù)據(jù)處理方法，利用這些分離的信息進(jìn) 行預(yù)測(cè)模型建立和濃度預(yù)測(cè)的方法，以及相應(yīng)的處理裝置。
[0008] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種漫射光譜數(shù)據(jù)處理方法。該方法可以包括： 獲得被測(cè)介質(zhì)在一個(gè)或多個(gè)第一徑向位置處的漫射光譜數(shù)據(jù)；以及根據(jù)獲得的漫射光譜數(shù) 據(jù)，確定一個(gè)或多個(gè)第二徑向位置處實(shí)質(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的散射特性變化引起的光學(xué)信息 和/或?qū)嵸|(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的吸收特性變化引起的光學(xué)信息。
[0009] 根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，提供了一種建立預(yù)測(cè)模型的方法。該方法可以包括：提供 一系列被測(cè)介質(zhì)，所述一系列被測(cè)介質(zhì)分別包括背景介質(zhì)或基準(zhǔn)介質(zhì)以及向背景介質(zhì)或基 準(zhǔn)介質(zhì)中加入的不同已知濃度的特定成分，其中所述基準(zhǔn)介質(zhì)包括背景介質(zhì)以及初始濃度 的該特定成分；針對(duì)所述一系列被測(cè)介質(zhì)，按上述方法進(jìn)行處理；以及基于各已知濃度以 及相應(yīng)的實(shí)質(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的吸收特性變化引起的光學(xué)信息和/或?qū)嵸|(zhì)上僅由被測(cè)介 質(zhì)的散射特性變化引起的光學(xué)信息，獲得預(yù)測(cè)模型。
[0010] 根據(jù)本公開(kāi)的再一方面，提供了一種濃度預(yù)測(cè)方法。該方法可以包括：針對(duì)被測(cè)介 質(zhì)，按上述方法進(jìn)行處理，其中被測(cè)介質(zhì)包括背景介質(zhì)或基準(zhǔn)介質(zhì)，其中基準(zhǔn)介質(zhì)包括背景 介質(zhì)以及初始濃度的特定成分，由于特定成分的濃度變化而導(dǎo)致被測(cè)介質(zhì)中該特定成分的 濃度未知；以及基于針對(duì)被測(cè)介質(zhì)的實(shí)質(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的吸收特性變化引起的光學(xué)信息 和實(shí)質(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的散射特性變化引起的光學(xué)信息中至少之一以及如上所述獲得的 預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)所述特定成分的濃度。
[0011] 根據(jù)本公開(kāi)的又一方面，提供了一種濃度預(yù)測(cè)方法。該方法可以包括：提供一系列 介質(zhì)，獲得相應(yīng)的吸收系數(shù)或吸光度，其中所述一系列介質(zhì)分別包括純吸收背景介質(zhì)以及 向該純吸收背景介質(zhì)中加入的不同已知濃度的特定成分；基于各已知濃度與相應(yīng)的吸收系 數(shù)或吸光度，獲得預(yù)測(cè)模型；針對(duì)被測(cè)介質(zhì)，獲得其散射不敏感點(diǎn)處的漫射光譜數(shù)據(jù)，其中 被測(cè)介質(zhì)包括散射背景介質(zhì)或基準(zhǔn)介質(zhì)，其中基準(zhǔn)介質(zhì)包括散射背景介質(zhì)以及初始濃度的 特定成分，由于特定成分的濃度變化而導(dǎo)致被測(cè)介質(zhì)中該特定成分的濃度未知；以及基于 針對(duì)被測(cè)介質(zhì)獲得的散射不敏感點(diǎn)處的漫射光譜數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)所述特定成分的 濃度，其中，所述散射不敏感點(diǎn)指示光譜數(shù)據(jù)中的光強(qiáng)信息對(duì)被測(cè)介質(zhì)的散射特性變化不 敏感的徑向位置。
[0012] 根據(jù)本公開(kāi)的又一方面，提供了一種處理裝置。該處理裝置可以包括：探測(cè)器，用 以探測(cè)被測(cè)介質(zhì)的光譜；以及處理器，配置為根據(jù)探測(cè)器的探測(cè)，確定一個(gè)或多個(gè)徑向位置 處實(shí)質(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的散射特性變化引起的光學(xué)信息和/或?qū)嵸|(zhì)上僅由被測(cè)介質(zhì)的吸 收特性變化引起的光學(xué)信息。
[0013] 根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，可以分離由散射特性變化導(dǎo)致的光學(xué)信息以及由吸收特性 變化導(dǎo)致的光學(xué)信息。利用這些信息，可以實(shí)現(xiàn)較高的預(yù)測(cè)精度。特別是，可以提取到基本 上純粹的吸收信息，可以有效用于物質(zhì)成分的濃度測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 通過(guò)以下參照附圖對(duì)本公開(kāi)實(shí)施例的描述，本公開(kāi)的上述以及其他目的、特征和 優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中：
[0015] 圖1是示出了光譜檢測(cè)的示意圖；
[0016] 圖2是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的光譜數(shù)據(jù)分離的示意圖；
[0017] 圖3是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的在特定成分的不同濃度下光譜數(shù)據(jù)分離的示 意圖；
[0018] 圖4是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的漫射光譜數(shù)據(jù)處理方法的流程圖；
[0019] 圖5是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的確定散射不敏感點(diǎn)的方法的流程圖；
[0020] 圖6是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的不同波長(zhǎng)下散射不敏感點(diǎn)位置的示意圖；
[0021] 圖7是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的確定吸收不敏感點(diǎn)的方法的流程圖；
[0022] 圖8是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的確定散射不敏感點(diǎn)的方法的流程圖；
[0023] 圖9是示出了根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的分離散射信號(hào)和/或吸收信號(hào)的方法的流 程圖；
[0024] 圖10是示出了建立濃度預(yù)測(cè)模型和進(jìn)行濃度預(yù)測(cè)的一般性原理的示意圖；
[0025] 圖11是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的建立預(yù)測(cè)模型/濃度預(yù)測(cè)方法的流程圖；
[0026] 圖12是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的利用散射不敏感點(diǎn)處的漫射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建 模/預(yù)測(cè)的方法的流程圖；
[0027] 圖13是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的不同散射介質(zhì)間模型移植方法的流程圖；
[0028] 圖14是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的純吸收介質(zhì)與散射介質(zhì)間模型移植方法的流 程圖；
[0029] 圖15是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的利用吸收不敏感點(diǎn)處的漫射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建 模/預(yù)測(cè)的方法的流程圖；
[0030] 圖16是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的針對(duì)3% intralipid溶液+10000mg/dL葡萄 糖在1160nm波長(zhǎng)的探測(cè)光下的光譜數(shù)據(jù)分離的示意圖；
[0031] 圖17是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的從3% intralipid溶液中不同葡萄糖濃度下 的光譜數(shù)據(jù)中提取的純吸收信息的示意圖；
[0032] 圖18是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的理想50mM葡萄糖濃度變化引起的吸收系數(shù)變 化量的示意圖；
[0033] 圖19是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的3% intralipid溶液的吸收系數(shù)的示意圖；
[0034] 圖20是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的理想的葡萄糖引起的吸收系數(shù)的相對(duì)變化量 的不意圖；
[0035] 圖21是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的不同波長(zhǎng)下散射不敏感點(diǎn)位置的示意圖；
[0036] 圖22是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的ImM葡萄糖濃度變化引起的吸收系數(shù)和散射 系數(shù)的變化量的示意圖；
[0037] 圖23是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的不同散射介質(zhì)下葡萄糖濃度變化引起的吸收 信息的示意圖；
[0038] 圖24是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的處理裝置的方框圖；
[0039] 圖25是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的通過(guò)仿真獲得的光強(qiáng)相對(duì)變化量隨徑向位置 的線性變化規(guī)律的圖；
[0040] 圖26是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的針對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)分別獲得各波長(zhǎng)下的散射不敏 感點(diǎn)處光譜數(shù)據(jù)的示意圖；以及
[0041] 圖27是示出了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的針對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)通過(guò)固定兩點(diǎn)測(cè)量獲得各波長(zhǎng) 下的散射不敏感點(diǎn)處光譜數(shù)據(jù)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下，將參照附圖來(lái)描述本公開(kāi)的實(shí)施例。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性 的，而并非要限制本公開(kāi)的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，可能省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描 述，以避免不必要地混淆本公開(kāi)的概念。
[0043] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，從散射介質(zhì)的混疊漫射光譜數(shù)據(jù)中，可以將散射介質(zhì)中各成分粒子 的散射特性（常用散射系數(shù)Ps或約化散射系數(shù)Ps'來(lái)表征）改變引起的光學(xué)信號(hào)和吸 收特性（常用吸收系數(shù)μ a來(lái)表征）改變引起的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行分離。在此，所謂散射介質(zhì)， 是指其中存在對(duì)光有較強(qiáng)散射作用（同時(shí)，一般地也存在吸收作用）的成分的介質(zhì)（與純 吸收介質(zhì)不同，朗伯比爾定律不再適用）。例如，intralipid溶液是脂肪乳，是一種懸濁溶 液，對(duì)光有強(qiáng)散射。通常，可以利用intralipid溶液來(lái)模擬人體皮膚的光學(xué)特性，并且可以 向其中加入葡萄糖，來(lái)模擬皮膚中葡萄糖的測(cè)量。
[0044] 特別是針對(duì)某些特定的測(cè)量位置，可以只獲得"（基本上）純散射特性改變引起的 光學(xué)信號(hào)"（簡(jiǎn)稱"純散射信號(hào)"）和"（基本上）純吸收特性改變引起的光學(xué)信號(hào)"（簡(jiǎn)稱 "純吸收信號(hào)"）。兩種"純信號(hào)"可分別用于體現(xiàn)散射作用和吸收作用的影響。
[0045] 這是因?yàn)?，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了隨測(cè)量位置由近至遠(yuǎn)，光強(qiáng)的相對(duì)變化呈現(xiàn)出單調(diào)遞增 或單調(diào)遞減的線性或近似線性的規(guī)律。
[0046] 下面將以散射介質(zhì)測(cè)量理論中的漫射方程在無(wú)限介質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)解來(lái)說(shuō)明這種規(guī) 律。
[0047] 如圖1所示，在距離光源101檢測(cè)距離為r的環(huán)形或者環(huán)球形區(qū)域時(shí)，檢測(cè)距離P =r，光能流密度Φ的一階近似解可表示為公式（1)。
[0048]
Ili
[0049] 其中，P為檢測(cè)器與光源之間的徑向距離；ya為吸收系數(shù)；μ ' s為約 化散射系數(shù)，定義為（l-g)ys，g為各向異性因子，Ps為散射系數(shù)；D為光子的 擴(kuò)散系數(shù)，D= mPa+a-ghJ}1= [3(μ3+μ ' J=1Weff為有效衰減系數(shù)，
[0050] 假設(shè)初始狀態(tài)下，散射介質(zhì)的吸收系數(shù)為μ a，散射系數(shù)為μ s，各向異性因子為g， 且折射率為n，此時(shí)獲得的光譜為初始光譜，即式（1)。假定散射介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（例如，吸 收和/或散射特性）例如由于其中成分的濃度變化（甚至是從〇到一定值，即，加入某成分） 等而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致例如吸收系數(shù)的變化量為Λ μ a，且散射系數(shù)的變化量為Λ ，此 時(shí)獲得的光能流密度改變?yōu)?1Φ或Λ Φ。對(duì)公式（1)求全微分，得到公式（2)。
[0051]
[0052]
[0053] 光能流密度Φ是距光源P處單位體積內(nèi)的光輻射強(qiáng)度，它的強(qiáng)弱及變化規(guī)律可 以反映實(shí)際檢測(cè)光強(qiáng)的強(qiáng)弱及變化規(guī)律。在此，定義一個(gè)能流密度的相對(duì)變化量S，即S = (1Φ/Φ。利用公式⑵可以得到S的表達(dá)式，如公式（3): CN 105136690 A 說(shuō)明書(shū) 5/24 頁(yè)
[0054]
[0055] 根據(jù)公式（3)可以看出，在散射介質(zhì)的吸收系數(shù)和/或散射系數(shù)改變之后，光能流 密度的相對(duì)變化量S隨著檢測(cè)距離P呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。此外還可以看出，S可以分離為 實(shí)質(zhì)上僅由散射特性改變（dy s')引起的變化（即，式（3)中第一項(xiàng)）以及實(shí)質(zhì)上僅由吸 收特性改變（d μ J引起的變化（即，式（3)中第二項(xiàng)），而且這兩種變化也分別呈現(xiàn)線性變 化規(guī)律。實(shí)際檢測(cè)中測(cè)量值常為光強(qiáng)，當(dāng)接收面積、角度、時(shí)間等參數(shù)固定后，它與光能流密 度呈線性關(guān)系。因此，可以推測(cè)，光強(qiáng)的相對(duì)變化量也滿足上述規(guī)律。以下，光強(qiáng)的相對(duì)變 化量也記為S。
[0056] 盡管公式（3)是在無(wú)限介質(zhì)的情況下得出的，但是發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種線性規(guī)律對(duì)于 半無(wú)限介質(zhì)也適用。盡管某些散射介質(zhì)在半無(wú)限測(cè)量的場(chǎng)合可能并非嚴(yán)格遵循上述線性 規(guī)律，但是仍然基本上符合線性規(guī)律，特別是當(dāng)并非在整個(gè)徑向距離范圍（從〇至無(wú)窮大） 內(nèi)而是在相對(duì)小范圍的徑向距離范圍考察光強(qiáng)變化時(shí)，因此可以采用上述線性規(guī)律來(lái)予以 近似。實(shí)際測(cè)量中常出現(xiàn)半無(wú)限測(cè)量的情況，發(fā)明人已經(jīng)采用實(shí)驗(yàn)和模擬仿真的手段驗(yàn)證 了該線性規(guī)律仍然適用。例如發(fā)明人進(jìn)行了散射介質(zhì)溶液的半無(wú)限介質(zhì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，光源位 于介質(zhì)的上方，介質(zhì)向下延伸，厚度很大，接近無(wú)限。此時(shí)，依次測(cè)量距離光源不同位置處的 光強(qiáng)后發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)的相對(duì)變化量S隨徑向距離呈現(xiàn)出大致線性變化規(guī)律，如圖16中的實(shí)線所 示。此外，發(fā)明人還采用蒙特卡洛模擬對(duì)半無(wú)限介質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算仿真，模擬了 IO8個(gè)光子在 散射介質(zhì)中的隨機(jī)行走。具體地，模擬了作為散射介質(zhì)的3% intralipid溶液中葡萄糖濃 度改變?yōu)?0mM時(shí)的光強(qiáng)相對(duì)變化量。在不同徑向位置處出射光子的數(shù)目可以反映出射光 強(qiáng)的強(qiáng)弱，出射光子數(shù)的相對(duì)變化量可以反映出射光強(qiáng)的相對(duì)變化量S。圖25反映了 S隨 徑向距離P的變化規(guī)律?？梢钥闯?，遠(yuǎn)離光源一小段距離后，如〇.5_后，線性規(guī)律非常明 顯。
[0057] 另一方面，光強(qiáng)變化也可以下述形式來(lái)表達(dá)。
[0058]
(4)
[0059] 其中P是徑向距離，仏是散射介質(zhì)中一特定成分的濃度為C1時(shí)的測(cè)量光強(qiáng)， 是散射介質(zhì)中不含該特定成分或該特定成分為某固定初始濃度時(shí)的測(cè)量光強(qiáng)，μ /