生物組織的光學(xué)描述與光傳輸規(guī)律研究.pdf

1、光學(xué)在生命和保健科學(xué)中的應(yīng)用由來已久，激光的出現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)了光學(xué)方法在解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)難題時的優(yōu)勢與潛在價值。光學(xué)手段被認(rèn)為是解決醫(yī)學(xué)疑難雜癥的最有效途徑之一。確切地認(rèn)識光在生物組織內(nèi)的傳播規(guī)律是這些技術(shù)得以正確應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，但它一直沒有被很好解決，始終困擾著組織光學(xué)的研究者。目前，最為迫切需要解決的是“生物組織光傳輸?shù)目焖儆嬎阋约吧锝M織光學(xué)特性的合理描述問題”。本論文正是以這兩項內(nèi)容為研究對象，旨在發(fā)展快速高效的光傳輸計算工具，同時

2、統(tǒng)一生物組織光學(xué)特性的理論描述，為建立完善的組織光學(xué)理論體系作有益的嘗試。 在光學(xué)診療中，絕大多數(shù)生物組織可以近似看成是層狀生物組織。為此，在論文的上篇，我們以輻射傳輸方程為基礎(chǔ)，建立了層狀生物組織光傳輸問題的系統(tǒng)理論，同時從數(shù)值計算和實驗兩方面驗證了該理論的正確性。取得的成果有： ①為解決生物組織光傳輸?shù)目焖儆嬎銌栴}，我們引入線性系統(tǒng)理論，建立了層狀生物組織光傳輸?shù)南到y(tǒng)理論。該方法與Monte Carlo方法相比，可將

3、計算效率提高2個數(shù)量級以上。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用該理論討論了會聚光源在層狀生物組織內(nèi)的傳輸過程以及準(zhǔn)直光源照射下半無限生物組織的漫反射問題。實踐證明：“層狀生物組織光傳輸系統(tǒng)理論是一種快速、高效而又準(zhǔn)確的計算理論”。另外，還建立了可測量任意準(zhǔn)直光源照射下層狀生物組織透射光分布的實驗裝置，并在實驗上驗證了層狀生物組織光傳輸系統(tǒng)理論的正確性。 ②現(xiàn)有光傳輸理論都依賴于生物組織的光學(xué)參數(shù)，而組織光學(xué)中已知光學(xué)參數(shù)的生物組織非常有限，因為生

4、物組織的光學(xué)參數(shù)不僅依賴于組織的種類，而且依賴于組織的狀態(tài)。系統(tǒng)理論的引入使得光傳輸問題的理論分析不再依賴于生物組織的光學(xué)參數(shù)，但必須知道生物組織光傳輸?shù)狞c擴(kuò)散函數(shù)。為此，我們提出了一種從實驗途徑獲取層狀生物組織光傳輸點擴(kuò)散函數(shù)的有效方法──逆卷積方法，并將其應(yīng)用于豬肌肉組織光透射點擴(kuò)散函數(shù)的實驗重建。實驗重建結(jié)果與Monte Carlo模擬結(jié)果吻合較好，這充分說明了該方法的正確性。引入該方法的意義在于：它將使層狀生物組織光傳輸問題的理

5、論分析不再依賴于確切知道生物組織的光學(xué)參數(shù)。 ③激光在生物組織內(nèi)傳輸時的角分布信息對于發(fā)展和優(yōu)化光學(xué)診療技術(shù)有著非常重要的價值，然而在以往的研究中沒有加以重視和利用。為此，我們詳細(xì)地研究了激光在生物組織內(nèi)傳播時的角分布信息，特別是局部病變生物組織背散射場的角分布信息，該研究為利用背散射場角分布進(jìn)行無創(chuàng)傷診斷提供了有益參考。 在上述研究過程中，發(fā)現(xiàn)生物組織光學(xué)特性的描述與測量是一個更為基本的問題。它不僅是引入和發(fā)展各種光傳

6、輸理論的基礎(chǔ)，也是發(fā)展光學(xué)無創(chuàng)傷診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。為此，我們將其作為論文的另一重點進(jìn)行論述，構(gòu)成了本論文的下篇──生物組織光學(xué)特性的描述與測量。在這部分，具體成果有： ④針對構(gòu)建組織光學(xué)理論體系的需求，我們提出了從分子、細(xì)胞和組織層三個尺度綜合描述生物組織的光學(xué)特性，以及采用不同光學(xué)理論處理生物組織光傳輸問題的新思路。這一思路的提出將為統(tǒng)一生物組織光學(xué)性質(zhì)的參數(shù)描述及建立完善的組織光學(xué)理論體系提供有益參考。 ⑤針對生物組織

7、折射率概念含糊不清的現(xiàn)狀，我們界定了組織層尺度上生物組織折射率的作用與概念。引入“等效折射率”概念，并將其用于處理生物組織光傳輸?shù)倪吔鐔栴}。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種等效折射率的確定算法，完善了等效折射率的全反射測量方法。同時建立了等效折射率的全反射測量系統(tǒng)，并對幾種典型生物組織進(jìn)行了測量，結(jié)果與文獻(xiàn)報道吻合較好。 ⑥在一般意義上，生物組織折射率是一個復(fù)數(shù)。為此，我們首次討論了生物組織復(fù)折射率的橢圓偏振測試問題，建立了全反射橢偏術(shù)測

8、量生物組織復(fù)折射率的實驗裝置，并對兩種典型生物樣品進(jìn)行了實驗測量。在此基礎(chǔ)上，首次引入復(fù)折射率邊界條件，并結(jié)合Monte Carlo模擬討論了復(fù)折射率邊界對半無限生物組織漫反射特性的影響。 綜上所述，論文的上篇建立了層狀生物組織光傳輸問題的系統(tǒng)理論，有效地解決了生物組織光傳輸?shù)目焖儆嬎銌栴}。在論文的下篇以統(tǒng)一生物組織光學(xué)特性的理論描述為目標(biāo)，提出了從分子、細(xì)胞和組織層三個尺度上綜合描述生物組織光學(xué)特性的思路，同時探討了生物組織折