空間頻域成像技術(shù)測量單雙層農(nóng)產(chǎn)品組織光學(xué)特性的研究.pdf

1、光的吸收和散射是光與生物組織相互作用過程中的兩個基本現(xiàn)象，通常用吸收系數(shù)μa和約化散射系數(shù)μs'來表征。由于吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)分別與生物組織的化學(xué)成分和物理性質(zhì)相關(guān)，近年來組織光學(xué)特性測量受到越來越多的關(guān)注。組織光學(xué)特性測量有助于理解光在組織中的傳輸情況，解釋光學(xué)測量數(shù)據(jù)，優(yōu)化光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，從而提高農(nóng)產(chǎn)品與食品質(zhì)量及安全的無損檢測精度。但是，如何提高光學(xué)特性測量精度一直是該領(lǐng)域的研究難題。作為一種新的光學(xué)測量技術(shù)，空間頻域成像技術(shù)能

2、得到生物組織的二維或三維吸收系數(shù)圖和約化散射系數(shù)圖，可用于表征組織光學(xué)特性的空間分布。同時，通過選擇結(jié)構(gòu)光的空間頻率可控制光穿透深度，從而獲取不同層次組織光學(xué)信息，為兩層或多層組織光學(xué)特性的準(zhǔn)確測量提供可能。因此，本論文采用空間頻域成像技術(shù)無損測量單層和雙層生物組織（液體固體光學(xué)仿生樣本、牛奶樣本、農(nóng)產(chǎn)品樣本）的光學(xué)特性參數(shù)，對逆向參數(shù)擬合算法進(jìn)行研究，旨在提高光學(xué)特性的測量精度，解析光在農(nóng)產(chǎn)品組織中的傳輸規(guī)律，為光學(xué)檢測技術(shù)提供理論依

3、據(jù)。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)初步研制并開發(fā)空間頻域成像系統(tǒng)，包括系統(tǒng)組成和操作方法，并用該系統(tǒng)測量固體仿生樣本和36個蘋果樣本的μa和μs'。結(jié)果表明:1）固體仿生樣本在460nm、527nm和630nm測得μa和μs'的誤差分別為13.3％、6.4％、12.8％和7.8％、3.4％、5.1％;2）正常蘋果樣本的μa和μs'值在正常范圍內(nèi)，內(nèi)部褐變蘋果的μa要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常蘋果，而μs'相差不大。在此基礎(chǔ)上總

4、結(jié)分析系統(tǒng)初步研制和光學(xué)特性測量過程中存在的主要問題，并提出可能的解決方案，包括光學(xué)變量對參考方法（單積分球技術(shù)）測量組織散射特性的影響研究、空間頻域成像系統(tǒng)的改進(jìn)、空間頻域成像技術(shù)測量單層和雙層組織光學(xué)特性的算法優(yōu)化，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。
　　(2)開發(fā)單積分球系統(tǒng)，研究參考方法（單積分球技術(shù)）中不同光學(xué)變量對測量μs'的影響規(guī)律，評價該系統(tǒng)的性能（精度、重復(fù)性、檢測限），并分析該系統(tǒng)測量μs'的誤差情況。結(jié)果表明:1）進(jìn)光口尺

5、寸、檢測口尺寸、標(biāo)準(zhǔn)反射率和各向異性系數(shù)對測量μs'影響較小(＜2.2％)，比色皿和樣本折射率、積分球內(nèi)壁反射率、光斑位置、光斑尺寸和鏡面反射對測量μs'影響較大，折射率和積分球內(nèi)壁反射率在實(shí)驗(yàn)過程中需要精確測量，建議使用尺寸較小的光斑并垂直照射在樣本表面中心，鏡面反射在測量過程中可以不予以考慮;2)系統(tǒng)在550-900nm測量純吸收液體樣本μa和純散射液體樣本μs'的精度分別為15.0％和4.7％，測量μa和μs'的重復(fù)性良好，變異系

6、數(shù)小于4％，測量μa的檢測限為0.02cm-1，所用液體樣本的μa和μs'值（0.02cm-1≤μa≤0.85cm-1，4cm-1≤μs'≤43cm-1）都處于有效檢測范圍;3）12個液體仿生樣本的μs'測量誤差略大于12個純散射樣本，500-900nm的誤差平均值分別為5.6％和4.5％，且差異不顯著。
　　(3)采用有限元方法模擬結(jié)構(gòu)光在農(nóng)產(chǎn)品組織中的傳輸情況，對比Monte Carlo方法、有限元方法和漫射近似方程解析解三種

7、方法計算得到的組織表面漫反射的變化情況，為單層組織光學(xué)特性的測量打下理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明:1）有限元方法得到的漫反射變化趨勢與解析解和Monte Carlo方法一致;2）μs'/μa越大，有限元方法和解析解得到的漫反射與Monte Carlo方法的結(jié)果越接近，且μs'/μa不能小于10;3）與Monte Carlo方法的結(jié)果相比，當(dāng)μtr/fx較大時，有限元方法和解析解得到的漫反射偏大，當(dāng)μtr/fx較小時，有限元方法和解析解得到的漫反射

8、偏小，且μtr/fx不能小于3;4）漫反射隨著μa/fx的增大而減小，變化接近線性，漫反射隨著μs'/fx的增大而增大，變化呈非線性，且當(dāng)μs'/fx大于50時，漫反射趨于穩(wěn)定，此時μs'對漫反射的影響不顯著。
　　(4)改進(jìn)空間頻域成像系統(tǒng)，優(yōu)化參數(shù)擬合算法，提出測量單層組織光學(xué)特性參數(shù)的“兩步法”，并用改進(jìn)后的系統(tǒng)測量單層固體和液體仿生樣本的光學(xué)特性，對系統(tǒng)和優(yōu)化算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:1）空間頻域成像改進(jìn)系統(tǒng)的波長檢測范

9、圍更寬(650-830nm)，硬件組成更簡單，操作更方便，實(shí)驗(yàn)效率更高，且系統(tǒng)的線性度良好(R2＞0.97)，滿足實(shí)驗(yàn)要求;2）μs'的靈敏系數(shù)大于μa，當(dāng)頻率較小時，漫反射與μa較為相關(guān)，而當(dāng)頻率較大時，漫反射與μs'較為相關(guān);3）采用moving數(shù)據(jù)平滑方法且span參數(shù)為5時，能提高μa和μs'反演精度;4）當(dāng)μs'小于2mm-1時，最優(yōu)頻率分辨率隨著μs'的增大而增大，當(dāng)μs'大于或等于2mm-1時，最優(yōu)頻率分辨率保持不變，為0

10、.04mm-1，最優(yōu)頻率起點(diǎn)一直保持不變，為0mm-1，而最優(yōu)頻率終點(diǎn)隨著μs'的增大從0.3/mfp減小為0.16/mfp';5）“兩步法”能提高μa和μs'的反演精度，40個樣本的μa和μs'平均反演誤差分別為4.3％和6.5％，與“傳統(tǒng)一步法”相比，反演精度分別提高了37.5％和9.8％，且μa的反演精度差異非常顯著;6）“傳統(tǒng)一步法”和“兩步法”測得μa和μs'的變化趨勢均與參考方法（準(zhǔn)直透射方法測μa，單積分球方法測μs'）的

11、結(jié)果一致，“兩步法”在675nm、700nm和715nm處測得μa和μs'的精度高于“傳統(tǒng)一步法”。
　　(5)提出一種空間頻域成像技術(shù)測量雙層組織光學(xué)特性的分步方法（測量方法1），驗(yàn)證該方法的可行性，確定適用于該方法的首層組織厚度約束條件，對參數(shù)擬合算法進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，并將測量結(jié)果與“測量方法2”進(jìn)行比較（同時反演μa1、μs1'、μa2和μs2')。結(jié)果表明:1）樣本的光學(xué)特性參數(shù)和首層組織厚度d值均會影響μa1、μs1'、μ

12、a2和μs2'的靈敏系數(shù)，且μs1'的反演難度最小，μa1次之，μa2和μs2的反演難度最大;2）基于樣本的校正方法能減小雙層擴(kuò)散模型和Monte Carlo模擬的組織表面漫反射差異，選擇合適的頻率，單層擴(kuò)散模型能用于反演雙層樣本的首層組織光學(xué)特性參數(shù);3）當(dāng)首層組織厚度d值滿足條件0.2mm≤d≤2mm時，首層組織和次層組織的光學(xué)特性參數(shù)才都有可能被準(zhǔn)確反演;4）頻率區(qū)間優(yōu)化能提高μa1和μs1'的反演精度，“優(yōu)化方法1”基于mfp1

13、'/mfp2和較優(yōu)頻率區(qū)間之間的關(guān)系，只適用于反演μa1和μs1'，“優(yōu)化方法2”根據(jù)μs1'的不同確定較優(yōu)頻率區(qū)間，適用于反演μa1、μs1'、μa2和μs'，且“優(yōu)化方法2”優(yōu)于“優(yōu)化方法1”，結(jié)合“測量方法1”反演μa1的精度差異顯著，“測量方法1”優(yōu)于“測量方法2”，結(jié)合“優(yōu)化方法2”反演μa1和μs1'的精度差異顯著;5）頻率區(qū)間優(yōu)化能提高μa2和μs2'的反演精度，精度差異顯著，“測量方法1”的反演結(jié)果（11.8％和8.9％

14、）優(yōu)于“測量方法2”（24.3％和14.0％），但是總體反演效果比首層組織光學(xué)特性參數(shù)的反演要差。
　　(6)采用空間頻域成像改進(jìn)系統(tǒng)和優(yōu)化后的算法測量雙層固體仿生樣本、以不同濃度牛奶作為次層組織的雙層液體樣本、蘋果(Golden Delicious、Red Rome、Delicious和Jonagold)、獼猴桃、芒果果皮和果肉組織的光學(xué)特性參數(shù)，并分析空間頻域成像技術(shù)和單積分球技術(shù)測量農(nóng)產(chǎn)品果皮和果肉組織光學(xué)特性參數(shù)存在差異的

15、原因。結(jié)果表明:1）當(dāng)雙層固體仿生樣本的首層組織厚度滿足約束條件(0.2mm≤d≤2mm)時，μa1、μs1'、μa2和μs2'的測量誤差分別小于35％、17％、26％和27％，當(dāng)雙層固體仿生樣本的首層組織厚度不滿足約束條件(＞2mm)時，μa2和μs2'的測量誤差過大;2）測量以不同濃度牛奶作為次層組織的雙層液體樣本μa1、μs1'、μa2和μs2'的平均誤差分別小于19％、7％、28％和20％;3)三種農(nóng)產(chǎn)品果皮和果肉組織的吸收系數(shù)