生物組織中光能量傳輸與分布的蒙特卡羅研究.pdf

1、生物組織中的光能量分布信息對激光生物醫(yī)學診斷和治療有著極為重要的意義。蒙特卡羅方法已被廣泛應用于研究粒子輸運問題，也同樣適合于研究組織中的光輸運問題。用蒙特卡羅方法得到的數(shù)值結(jié)果已經(jīng)成為比較組織光學中各種解析理論的精確性的一種非實驗標準。 應用蒙特卡羅方法研究光能量在生物組織中的傳輸與分布的基本思想是：運用光子吸收和散射的原理來跟蹤光子通過混沌介質(zhì)的過程；通過統(tǒng)計大量光子的模擬結(jié)果得到激光能量在組織內(nèi)部的分布情況。 本文

2、首先概述組織光學的發(fā)展概況及研究任務(wù)，指明光能量在生物組織中傳輸與分布的研究意義，并簡介生物組織中光能量傳輸與分布規(guī)律研究的歷史和現(xiàn)狀。 其次，介紹生物組織的結(jié)構(gòu)特點和光學性質(zhì)，總結(jié)光與生物組織相互作用的幾種方式，并重點討論組織各項光學特性參數(shù)的物理意義。在此基礎(chǔ)上，從傳輸理論出發(fā)，介紹光在生物組織中的傳輸模型和漫射近似所得到的漫射方程，并分別得到漫射方程在無限介質(zhì)和半無限介質(zhì)模型中的解。 然后，介紹蒙特卡羅方法的基本思

3、想，說明采用此方法研究生物組織中光能量分布的必要性。根據(jù)前面介紹的生物組織結(jié)構(gòu)特點及理論基礎(chǔ)，分別給出單層及雙層生物組織光學模型和模擬流程。詳細介紹光子的發(fā)射、步長和散射方向的概率抽樣、吸收與散射的相關(guān)公式、光子碰撞邊界問題以及光子的終止方式。具體分析雙層及多層生物組織與單層生物組織中光子傳輸?shù)膮^(qū)別。 最后，詳盡分析單層與雙層生物組織中光分布的蒙特卡羅模擬的仿真結(jié)果。首先通過與傳輸理論對比得出了本文蒙特卡羅方法模擬的正確性，然后

4、分別從二維和三維視角形象地給出光子在組織內(nèi)部的運動軌跡，討論各項異性因子與上下表面損失的能量的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分別分析光能量在單層以及雙層生物組織中的傳輸情況。 具體討論無限細準直光束在單層生物組織中的光強分布隨深度變化的規(guī)律，深入分析各光學特性參數(shù)對能量分布的影響；對雙層生物組織，分析吸收能量密度和光能流率在徑向和縱向上的變化規(guī)律，分別討論徑向及角向漫反射率隨半徑及出射角的變化關(guān)系，并簡單分析高斯光束與平圓光束模擬光在雙層組