论文题目: 生物组织的光学描述与光传输规律研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 来建成
导师: 贺安之,李振华
关键词: 组织光学,系统理论,光传输特性,光学特性,生物组织折射率
文献来源: 南京理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 光学在生命和保健科学中的应用由来已久，激光的出现进一步增强了光学方法在解决现代医学难题时的优势与潜在价值。光学手段被认为是解决医学疑难杂症的最有效途径之一。确切地认识光在生物组织内的传播规律是这些技术得以正确应用的前提和基础，但它一直没有被很好解决，始终困扰着组织光学的研究者。目前，最为迫切需要解决的是“生物组织光传输的快速计算以及生物组织光学特性的合理描述问题”。本论文正是以这两项内容为研究对象，旨在发展快速高效的光传输计算工具，同时统一生物组织光学特性的理论描述，为建立完善的组织光学理论体系作有益的尝试。 在光学诊疗中，绝大多数生物组织可以近似看成是层状生物组织。为此，在论文的上篇，我们以辐射传输方程为基础，建立了层状生物组织光传输问题的系统理论，同时从数值计算和实验两方面验证了该理论的正确性。取得的成果有： ①为解决生物组织光传输的快速计算问题，我们引入线性系统理论，建立了层状生物组织光传输的系统理论。该方法与Monte Carlo方法相比，可将计算效率提高2个数量级以上。在此基础上，运用该理论讨论了会聚光源在层状生物组织内的传输过程以及准直光源照射下半无限生物组织的漫反射问题。实践证明：“层状生物组织光传输系统理论是一种快速、高效而又准确的计算理论”。另外，还建立了可测量任意准直光源照射下层状生物组织透射光分布的实验装置，并在实验上验证了层状生物组织光传输系统理论的正确性。 ②现有光传输理论都依赖于生物组织的光学参数，而组织光学中已知光学参数的生物组织非常有限，因为生物组织的光学参数不仅依赖于组织的种类，而且依赖于组织的状态。系统理论的引入使得光传输问题的理论分析不再依赖于生物组织的光学参数，但必须知道生物组织光传输的点扩散函数。为此，我们提出了一种从实验途径获取层状生物组织光传输点扩散函数的有效方法——逆卷积方法，并将其应用于猪肌肉组织光透射点扩散函数的实验重建。实验重建结果与Monte Carlo模拟结果吻合较好，这充分说明了该方法的正确性。引入该方法的意义在于：它将使层状生物组织光传输问题的理论分析不再依赖于确切知道生物组织的光学参数。 ③激光在生物组织内传输时的角分布信息对于发展和优化光学诊疗技术有着非常重要的价值，然而在以往的研究中没有加以重视和利用。为此，我们详细地研究了激光在生物组织内传播时的角分布信息，特别是局部病变生物组织背散射场的角分布信息，该研究为利用背散射场角分布进行无创伤诊断提供了有益参考。 在上述研究过程中，发现生物组织光学特性的描述与测量是一个更为基本的问题。它不仅是引入和发展各种光传输理论的基础，也是发展光学无创伤诊断技术的基础。为此，我们将其作为论文的另一重点进行论述，构成了本论文的下篇——生物组织光学特性的描述与测量。在这部分，具体成果有：
论文目录:
摘要
Abstract
1. 绪论
1.1 引言
1.2 本论文的主要工作
上篇: 层状生物组织光传输理论
2. 生物组织光传输理论研究回顾
2.1 生物组织光传输问题
2.2 生物组织光传输的现有理论
2.3 组织光传输问题与辐射传输理论
2.4 基于辐射传输理论的近似方法
2.4.1 Monte Carlo方法
2.4.2 漫射近似
2.4.3 多流理论
2.5 本章小结
3. 层状生物组织光传输问题的系统理论
3.1 引入系统理论的可能性
3.2 辐射传输问题的线性平移不变性
3.3 层状生物组织光传输系统模型
3.4 层状生物组织光传输计算模型
3.5 准直光束垂直照射时的简化模型
3.6 本章小结
4. 层状生物组织光传输系统理论的应用
4.1 会聚光源在层状生物组织内的传输
4.1.1 会聚光传输问题的模型化
4.1.2 典型结果与讨论
4.2 准直光照射下层状生物组织的漫反射问题
4.2.1 准直光束传输问题的模型化
4.2.2 典型结果与讨论
4.3 本章小结
5. 层状生物组织光传输问题的实验研究
5.1 准直光源照射下层状生物组织的透射光场
5.1.1 实验装置
5.1.2 典型结果与分析
5.2 层状生物组织光透射点扩散函数的实验重建
5.2.1 逆卷积方法
5.2.2 空间域的简化重建
5.2.3 猪肌肉组织透射点扩散函数的重建
5.3 肌肉组织薄片的远场衍射现象
5.3.1 实验装置
5.2.2 典型结果与分析
5.4 本章小结
6. 激光在生物组织内传输时的角分布信息
6.1 激光在层状生物组织内传播时的角分布信息
6.1.1 层状生物组织的光传输问题
6.1.2 离散坐标法
6.1.3 典型计算与分析
6.1.4 结论
6.2 局部病变生物组织的背散射场角分布信息
6.2.1 局部病变组织的光学模型
6.2.2 倍加法描述
6.2.3 典型计算与分析
6.2.4 结论
6.4 本章小结
下篇: 生物组织光学特性的描述与测量
7. 生物组织光学特性及其理论描述
7.1 生物组织的光学特性
7.1.1 吸收特性
7.1.2 散射特性
7.2 生物组织光学特性的理论描述
7.2.1 辐射传输参数
7.2.2 生物组织折射率
7.2.3 电极化率、折射率和辐射传输参数之间的联系
7.3 本章小结
8. 生物组织折射率及其实验测定
8.1 等效折射率与平均折射率
8.2 生物组织折射率测试进展
8.3 生物组织等效折射率的测量
8.3.1 测量原理
8.3.2 典型生物组织等效折射率的测量
8.3.3 测角精度对等效折射率测量精度的影响
8.4 生物组织复折射率的实验测量
8.4.1 测量原理
8.4.2 典型结果与讨论
8.5 本章小结
9. 复折射率边界及其对组织漫反射特性的影响
9.1 生物组织光传输边界条件
9.2 复折射率在边界效应中的作用
9.3 复折射率对生物组织漫反射特性的影响
9.4 本章小结
10. 结论与展望
10.1 总结
10.2 展望
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
参考文献
发布时间: 2006-12-06
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