光在生物組織中的傳輸與生物組織光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、生物組織中的光傳輸以及生物組織的光學(xué)特性是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)重要的研究內(nèi)容,在醫(yī)學(xué)上對疾病的光診斷和光治療有重要的理論意義和應(yīng)用價值。因此本論文對光在生物組織中的傳輸以及生物組織光學(xué)特性參數(shù)的測量進(jìn)行了理論和實驗研究。 介紹了描述光在生物組織中傳播的輻射傳輸理論,在漫射近似下給出了生物組織內(nèi)光傳輸?shù)穆浣品匠?以及在不同邊界條件下無限細(xì)光束垂直入射到半無限大生物組織的漫射方程的解。Monte Carlo方法已經(jīng)成為檢驗散射介質(zhì)中各

2、種近似解法的一種非實驗標(biāo)準(zhǔn),文中從隨機(jī)變量的取樣,生物組織中光傳播的Monte Carlo模擬過程,物理量的處理,卷積問題等方面對該方法進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。 在對生物組織光學(xué)性質(zhì)研究的實際測量中,入射光束都有一定的尺寸,因此我們從無限細(xì)光束入射半無限大生物組織中的光強(qiáng)分布公式出發(fā),通過卷積的方法推導(dǎo)出了有限寬光束入射半無限大生物組織中的光強(qiáng)表達(dá)式,并通過實驗結(jié)果來驗證了理論結(jié)果的準(zhǔn)確性并對有限寬光束入射的漫射近似的精度進(jìn)行了分析,

3、該方法相對于Monte Carlo模擬方法,具有簡單和快速的特點,并且能夠給出各個方向的具體的光強(qiáng)分布,有利于漫射近似的實際應(yīng)用。用Monte Carlo方法模擬了生物組織在半無限大,單層和雙層圓柱邊界條件下的光傳播,討論了邊界條件對生物組織中光傳播的影響。用Monte Carlo方法模擬了圓柱邊界條件下生物組織中的光傳輸,給出了圓柱邊界條件下,生物組織中的能流率隨空間的變化,并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較,驗證了模擬計算的正確性。 生

4、物組織光學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確測量是醫(yī)療診斷和治療的前提,其中活體檢測尤為重要,因此我們利用透射法測量了生物組織魚在活體下的光分布,并確定了光學(xué)特性參數(shù),為活體生物組織光學(xué)特性參數(shù)確定的技術(shù)的發(fā)展提供了有用的信息。并利用測量生物組織中的光強(qiáng)分布,通過非線性擬合的方法確定了生物組織模擬液的光學(xué)特性參數(shù),為液體生物組織光學(xué)特性參數(shù)的確定提供了新的手段,也可用于檢驗無損裝置的準(zhǔn)確性。 為了研究表面粗糙度對生物組織光學(xué)特性參數(shù)確定的影響,我們利用

5、空間分辨穩(wěn)態(tài)漫反射技術(shù)和測角光度計技術(shù)測量了入射區(qū)域分別為光滑和粗糙的尼龍棒在不同表面粗糙度下的漫反射性質(zhì)和入射區(qū)域分別為光滑和粗糙尼龍薄膜在不同表面粗糙度下的散射相函數(shù)性質(zhì),進(jìn)而確定了入射區(qū)域分別為粗糙和光滑的尼龍在不同表面粗糙度下的光學(xué)特性參數(shù),結(jié)果表明表面粗糙度對光學(xué)特性參數(shù)的確定有一定的影響,而入射區(qū)域的表面粗糙度的影響是主要的。為了量化研究表面粗糙度對生物組織內(nèi)光分布測量的影響,我們測量了650hm激光入射下生物組織模擬樣品I

6、ntralipid-20％在不同表面粗糙度下的光分布,結(jié)果表明表面粗糙度對生物組織中的光分布有重要的影響。生物組織表面都具有一定程度的粗糙度,表面粗糙度對生物組織光學(xué)特性參數(shù)的確定和生物組織內(nèi)部的光分布的影響是真實存在的,所以確定生物組織的光學(xué)特性參數(shù)和測量生物組織中的光分布需要考慮表面粗糙度的影響。用Monte Carlo方法模擬了生物組織中的光傳輸過程,獲得了組織中能流率的分布,由于該方法是跟蹤單個光子的散射和吸收過程,只要跟蹤的光