农产品生物组织的光学参数测量方法研究徐志龙,王忠义,黄 岚,侯瑞锋(中国农业大学信息与电气工程学院北京100083)提要:为解决当前近红外光谱分析技术应用于农产品品质分析时所出现的预测模型不稳定、适应性不好、预测精度难于进一步提高等问题,我们认为,研究组织内部的光学性质及其光传输规律是其关键。
为此,我们首先要对农产品生物组织的光学参数进行检测研究。
本文通过对生物组织光学参数目前常用的一些测量方法进行了分析研究,其中着重介绍了基于空间分辨技术、时间分辨技术和积分球技术的光学参数测量方法,并对这些方法的优缺点做了比较,为选择一种适用于农产品生物组织光学参数的测量方法提供了依据。
关键词:光学参数;Monte Carl o 仿真;空间分辨技术;时间分辨技术;积分球技术中图分类号:S1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2005)06-0087-03Investigation of measurement methods for determining the optical properties of agricultural products tissueXU Zhi -long ,WANG Zhong -yi ,HU ANG Lan ,HOU R ui -feng(College of Information and Electrical Engineering ,China Agricult ural U niversit y ,Beij ing ,100083,China )Abs tract :At present ,near infrared s pectroscopy technology is widel y applied to quantitative analysis of agricultural products ,but a lot of problems are in the way ,for instance ,the calculation model is not stable and suitable enough for predicted samples ,the prediction precisi on is difficult to be improved more .To re -solve these problems ,we have to study the optical properties and light propagation in tis sue ,and the optical properties measurement methods are studied firstly .In this paper ,a few optical properties meas urement met hods us ed today are presented and investigated ;es peciall y ,the measurement methods bas ed on spatiall y -resolved s pectroscopy ,ti me -resolved s pectroscopy ,and integrating -sphere system are descri bed in detail .Acc ordingl y ,the advantages and dis advantages of these meas urement methods are compared t o s elect a s uitable meas urement method to determine the optical properties of agricultural products tissue .K ey words :optical propert y ;Monte Carlo simulation ;s patiall y -res ol ved technology ;time -resolved technology ;integrating -sphere technol ogy收稿日期:2005-04-05基金项目:科技部“十五”攻关项目(02EFN216900720)资助;中国农业大学信息与电气工程学院创新基金(KY -06)资助通讯作者:王忠义,工学博士,副教授。
作者简介:徐志龙,中国农业大学硕士研究生,研究方向为生物光子学。
1 引言近红外光谱分析技术在农产品品质分析领域的应用已经十分广泛,考虑到农产品形态的多样性和结构的复杂性给定量分析带来的不便,目前它所采用的分析方法多为系统方法,即通过扫描大量样品光谱来建立样品浓度和吸光度之间的相关模型,进而预测未知样品的浓度信息〔1,2〕。
这种分析方法通过对研究对象的封装有效地避开了组织内部原本十分复杂的光传输过程,简化了分析模型:然而,同时也使得光传输过程中吸收和散射变化的细节信息被丢失,结果导致了光和组织的相互作用机理无法解释,光从组织中携带的信息量变化情况不明确,物理意义不清楚等一系列问题,而这些问题恰恰是当前分析模型不稳定、适应性不好、分析精度难于进一步提高等问题的根源所在。
为此,我们有必要从组织内部出发,通过对组织光学特性及其光和组织相互作用规律等问题的研究来挖掘原本被丢失的重要信息,从而为进一步提高分析精确性和稳定性寻找出新的有效途径。
当前,对于生物组织内部光传输规律的研究在生物医学光子学领域已经十分普遍,并且在医学光学诊断、光学治疗上有了一些成功的应用〔3-4〕。
我们通过借鉴它们的研究方法应用到农产品品质分析领域对进一步提高农产品品质分析水平应该是一个契机。
生物医学光子学的研究告诉我们,生物组织光学参数的检测研究对于组织中光传输规律的研究有着重要的基础意义,光在组织内部的光传输、光分布情况归根结底都依赖于组织的光学参数变化。
另外,光学参数作为生物组织内部光学特性的反映,与组织内部生理、病理和代谢过程中的物质变化情况都有着密切联系,这也是生物组织光学参数检测研究的意义所在。
Cheong 等人〔5〕在1990年总结了一份测量生物组织光学参数的清单,其中列举了大量的生物组织光学参数测量结果及其相应的测量方法,为后续的研究工作提供了丰富的参考;然而,这些研究的对象大多集中在人体组织或者动物组织,对于农产品生物组织来说目前还未见相应的报道。
所以,我们对农产品生物组织光学参数的检测研究就显得十分重要。
本文的目的就是希望通过对生物组织光学参数目前一些常用的测量方法进行分析研究,从而为选择一种适用于农产品生物组织的光学参数测量方法提供依据。
2 生物组织光学参数及其测量方法用来描述生物组织光学特性的基本光学参数有三个:吸收系数μa 、散射系数μs 和各向异性散射因子g 。
吸收系数μa 和散射系数μs描述的是光在单位距离内因为被组织吸收或散射而损失的光能变化,单位都是mm -1。
吸收系数μa 反映了生物组织中分子的原子能级信息,散射系数μs 反映了组织结构的显微不均匀性。
各向散射异性因子g 是平均散射余弦,无量纲,用来表征组织中光分布的不均匀性和前向散射的大小,g =1表示完全前向散射,g =0表示完全同向散射,g =-1则表示完全后向散射。
除了上述三个基本光学参数以外,为了研究的方便还定义了其他一些光学参数,如反照率α、穿透深度τ、扩散系数D 等,对于这些光学参数来说,一般都可以由上述三个基本光学参数组合得到,在此就不再赘述。
根据生物组织所处的状态,确定其光学参数的方法一般有两类:一类是离体测量,也称为切片测量法,即根据光学参数的定义将组织切片后置于光学系统中进行测量的方法;一类是活体测量,也称为无损测量法,即通过测量组织表面的漫射光分布再根据特定的光传输理论来反演光学参数的方法。
对于离体生物组织和活体生物组织来说,因为它们所处的生理状态差异较大,所以它们的光学参数也会有所不同。
若观察组织表面的漫射光分布,可以发现,光进入组织后其组织表面的漫射率是随着观察点与入射光源的距离增加而减小的。
根据漫射近似理论,若选择入射光源为连续变化、窄脉冲变化和正弦调制时可以发展出基于空间分辨技术〔6-8〕、时间分辨技术〔9〕和频率分辨技术〔10〕的光学参数测量方法。
目前常用的一般是前两种方法,而基于频率分辨技术的光学参数测量方法是通过对入射光进行调制引起光穿过组织后的相位变化、幅度变化来确定光学参数的一种方法。
2.1 基于连续光源的空间分辨技术当连续光源准直入射到半无限介质表面时,可以认为组织体内的光分布是和时间无关的一种稳态分布,组织表面某观察点距入射光源ρ处的漫反射率也是一定的,如图1所示。
Farrell 等人〔6〕基于稳态漫射方程的推导,采用外延边界条件和两点正负镜像光源的近似方法,得到了组织表面距离光源ρ处的漫反射率公式:R (ρ)=α′4π〔1μ′t (μeff +1r 1)exp (-μeff r 1)r 21+(1μ′t +4A 3μ′t )(μeff +1r 2)exp (-μeff r 2r 22〕图1 组织表面距入射光源ρ处的漫反射率R (ρ)其中,传输反照率α′=μ′s /(μ′s +μa ),μ′s =μs (1-g )是传输散射系数;有效衰减系数μeff =〔3μa (μa +μ′s )〕1/2;总衰减系数μ′t =μa +μ′s ;r 1和r 2是观察点到组织表面附近的正负镜像同性散射点光源之间的几何距离,r 1=〔(1/μ′t )2+ρ2〕1/2,r 2=〔(1/μ′t +4A /3μ′t )2+ρ2〕1/2;A 是组织内部反射系数,若组织和周围介质边界匹配则取A =1,典型的,若组织的相对折射率n =1.4,那么根据Groenhuis 等人〔11〕的计算取A =3.23。
根据上述Farrell 公式,若在适当的组织表面范围内通过光纤或CCD 检测器获取这种漫射光分布的变化情况,那么就可以通过非线性拟合算法推算出组织的光学参数了。
87 《激光杂志》2005年第26卷第6期 LASER J OURNAL (Vol .26.No .6.2005)这里若我们取ρ>5mm ,则对于一般生物组织的光学参数来说应该能够满足ρ>>1/μ′t +4A /3μ′t ,此时就有r 1=r 2=ρ,所以,组织表面距离光源ρ处的漫反射率变为:R (ρ)=α′2π3+2A 3μ′t (μeff +1ρ)exp (-μeff ρ)ρ2 通过这个式子,我们可以简化Farrell 公式的复杂性,在应用中将更具有实际意义。