生物组织中的光传输及光源定位研究

论文摘要

生物组织中光传输及光学定位问题的研究是组织光学重要的研究内容,对疾病的诊断和治疗有着重要的理论和实际意义。本论文以实现生物发光光源定位为核心内容,主要工作包括组织光学物理模型的建立、光子与生物组织相互作用的数学描述、组织光学特性参数的获取、等距测量法的提出与仿真、实验设计与对比分析等。具体来说,本论文的主要内容包括以下方面:第一,简要介绍Monte Carlo方法的原理,通过Monte Carlo方法模拟研究光在组织内部的分布。运用Matlab软件对Monte Carlo模拟的结果进行二维图像重建,重建图像可以直观看出组织内部的光场分布,根据光强与相对距离之间的变化关系来分析光在组织中的传播趋势。用Monte Carlo方法得到的数值结果已经成为比较组织光学各种解析理论的精确性的一种非实验标准,这就为验证下面的漫射理论的正确性提供对比。第二,从光的传输理论出发,在漫射近似下获得了生物组织内光传输的漫射近似方程,并且对无限细光束垂直入射到半无限大和无限大组织的漫射近似方程进行求解,最后获得组织内漫射光分布的解析表达式。为了验证漫射理论的准确性,通过Matlab仿真将漫射方程的解析解与相应条件下的Monte Carlo方法的结果来进行对比验证。漫射近似方程的解析解为下一节等距测量法的提出奠定理论基础。第三,针对光学组织特性参数难于精确获取的缺点,根据漫射近似理论提出了组织内部光源定位的等距测量法。通过计算机仿真与理论值进行对比来验证算法的正确性,然后根据定位算法设计相应的弱光检测系统,其中通过对双积分球实际测量获取的光学特性参数重构光源分布与通过等距测量法所获得的光源分布进行对比来验证算法的准确性。结果表明该算法可以相对准确、实时地计算光源的位置。本文算法理论对临床微创手术导航和微创肿瘤的早发现的研究具有很大的实用价值,为肿瘤诊治提供一个实用方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 生物发光分子技术的特点
• 1.3 生物发光成像逆向问题的研究和存在的问题
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文的构思与主要研究内容
• 第2章 生物组织中光传播的Monte Carlo模拟
• 2.1 引言
• 2.1.1 随机抽样原理
• 2.2 Monte Carlo 模拟光子传输的主要步骤和过程
• 2.2.1 光子的产生
• 2.2.2 光子的迁移
• 2.2.3 光子的吸收
• 2.2.4 确定散射方向和散射程长
• 2.2.5 边界条件处理
• 2.2.6 光子传输的终止
• 2.2.7 Monte Carlo程序
• 2.3 光在组织中的Monte Carlo仿真分析
• 2.3.1 组织仿真模型的建立
• 2.3.2 Monte Carlo程序的仿真
• 2.3.3 组织模型的二维平面光场分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 生物组织中光传输方程的近似
• 3.1 引言
• 3.2 辐射传输方程
• 3.3 光子在生物组织中的输运方程
• 3.4 漫射近似方程
• 3.5 漫射方程的解
• 3.5.1 漫射方程在无限大介质中的解
• 3.5.2 漫射方程在半无限介质中的解
• 3.6 扩散方程与Monte Carlo仿真对比分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 生物组织中光源定位算法
• 4.1 引言
• 4.2 基于漫射方程的等距测量法
• 4.3 等距测量法的仿真分析
• 4.4 系统的搭建以及实验分析
• 4.4.1 模拟组织的制作
• 4.4.2 实验系统的搭建
• 4.4.3 实验结果的分析
• 4.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢