频域逆蒙特卡洛光学参数反演研究和频域系统数据采集

论文摘要

频域近红外漫射光测量是实现早期宫颈癌诊断的新技术,本文研究了基于时域蒙特卡洛模拟的频域信息提取方法、光学参数反演方法和提高反演速度的措施。发展了利用离散傅立叶变换（传统法）和改进法两种提取频域信号幅值相位的方法。通过建立一定散射系数范围内的正向MC模拟数据库、并采用数学插值方法以及利用朗伯-比尔定理,解决光学参数反演中快速获得MC模拟结果的问题,并进行了相关的模拟验证和实验验证。模拟实验结果表明:改进法无论在反演精度还是计算时间上均优于传统法,当其中一个参数不变时,散射系数的反演相对误差小于±6%,吸收系数的反演相对误差小于±10%;当吸收和散射系数在30<μs<100 cm-1, 0.2<μa<0.50 cm-1变化时,两个光学参数的反演相对误差基本小于±10%,在对宫颈组织的光学参数范围内,反演误差可控制在±8%以内。采用本文的快速反演技术重构一组光学参数所需要的计算时间小于1分钟。最后,利用实验进一步验证了算法的正确性。在频域测量系统数据采集方面,本论文基于频域测量方法,讨论了PCI-1202H采集卡工作过程,研究了提取幅值和相位的相关法、傅立叶变换法以及滤除噪声的波形平均算法。基于LabVIEW平台,进行了相关程序的设计与调试,并对提取信号参数算法的精度和抗噪声能力进行了实验研究。实验结果表明,用傅立叶变换法较相关法具有更高的信号参数精度和抗噪声能力。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 研究背景
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 宫颈组织光学传输模型和频域测量
• 2.1 近红外波段生物组织的光学特性
• 2.1.1 生物组织的基本光学参数
• 2.1.2 近红外波段组织成分与组织的光学特性
• 2.2 生物组织的光传输模型
• 2.2.1 生物组织中光的正向传输模型
• 2.2.2 生物组织光学参数反演模型
• 2.3 组织光学参数的近红外频域检测技术
• 2.3.1 组织光学参数的近红外测量方式
• 2.3.2 宫颈组织光学参数近红外频域测量系统
• 第三章 基于频域测量的宫颈组织正向蒙特卡洛模拟
• 3.1 宫颈组织模型
• 3.2 宫颈组织蒙特卡洛模拟的基本过程
• 3.2.1 蒙特卡洛模拟的一般过程
• 3.2.2 宫颈组织蒙特卡洛的边界处理
• 3.3 正向蒙特卡洛模拟的参数研究
• 3.3.1 光子穿透深度与测器距离的研究
• 3.3.2 其他光学参数设置
• 3.4 MC 模拟的结果记录与频域信息提取
• 3.4.1 提取相位及幅度信息的传统方法
• 3.4.2 提取相位及幅度的改进法
• 3.4.3 两种频域信息提取方法的误差比较
• 3.5 正向MC 模拟数据库的建立及分析
• 第四章 基于频域测量方法的组织光学参数反演
• 4.1 光学参数反演问题
• 4.2 任意光学参数下频域信息的获得
• 4.2.1 利用数学插值计算任意散射系数对应的频域信息
• 4.2.2 使用Beer-Lambert 定理获得任意吸收系数下的频域信息
• 4.2.3 任意光学参数下的频域信息计算的具体实现
• 4.3 频域测量的光学参数反演
• 4.3.1 Levenberg-Marquart 优化算法
• 4.3.2 使用L-M 算法对频域测量光学参数的反演
• 4.3.3 光学参数反演过程
• 第五章 频域测量系统的数据采集处理和仪器控制
• 5.1 频域测量系统的数据采集
• 5.1.1 数据采集的基本任务
• 5.1.2 数据采集的基本过程
• 5.2 频域测量系统的数据处理
• 5.2.1 信号的平均滤波
• 5.2.2 基于时域的信号参数提取方法
• 5.2.3 基于频域的信号参数提取方法
• 5.2.4 数据处理的程序设计
• 5.3 频域系统的仪器控制
• 5.3.1 仪器驱动函数和语句
• 5.3.2 仪器控制的程序设计
• 5.4 数据采集处理的实验验证
• 5.4.1 虚拟信号情况下的参数提取实验
• 5.4.2 信号源提供信号的幅值相位提取实验
• 第六章 频域测量的组织光学参数反演实验研究
• 6.1 模拟验证
• 6.1.1 反演结果的影响因素
• 6.1.2 光学参数的反演结果
• 6.1.3 模拟验证反演结果的分析与讨论
• 6.2 实验验证
• 6.2.1 人工仿体的制作
• 6.2.2 人工仿体的光学参数测量
• 6.2.3 光学参数测量结果及反演误差分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢