生物组织中的光传输及生物组织光学特性参数测量的研究

【摘要】：生物组织中的光传输以及生物组织的光学特性是生物医学光子学重要的研究内容,在医学上对疾病的光诊断和光治疗有重要的理论和实际的意义。因此本论文对光在生物组织中的传输以及生物组织光学特性参数的测量进行了理论和实验研究。 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,并且在不同的边界条件下对无限细光束垂直入射到半无限大组织的漫射方程进行了求解,给出了组织表面漫反射系数的时间和空间分辨的表达式。 设计了测量准直光束入射到半无限大生物组织模拟液内部不同方向散射光沿空间分布的实验装置和研究组织模拟液的边界对光分布影响的实验装置,并获得生物组织模拟液中散射光分布以及组织模拟液边界对光分布影响的新实验结果,对所得的实验结果基于漫射理论提出了新的分析方法,这种方法通过对光子在组织模拟液中的漫射作进一步的近似假设而合理地解释了实验结果; 组织模拟液边界对光分布影响的研究表明,组织模拟液内部散射光分布的主要特性由组织模拟液对光的散射所决定,而组织边界的反射和透射对分布曲线的形状影响很小。该研究结果澄清了目前一些文献中对组织边界与光分布之间的关系含糊不清的说法。 用Monte Carlo模拟方法检验了漫射近似理论三个边界条件的精度,研究结果表明,分流边界条件和外延边界条件有较高的精度且两者精度相当,而外延边界条件兼有精度较高且数学表达式相对简单的优点; 研究了半无限大介质在零边界条件ZBC和外延边界条件EBC下基于漫射理论的总时间分辨漫反射模型,并将理论模型与时域Monte Carlo模拟结果作比较检验了漫射理论模型的精度,相应的漫射模型拟合Monte Carlo模拟数据确定了吸收系数和约化散射系数,并且分析了不同边界条件对确定光学参数的误差的影响。 设计了用光纤和CCD无损测量生物组织表面漫反射光的实验装置并开发了CCD测量分析软件,测量了不同生物组织表面的漫反射光分布,并与Monte Carlo模拟的结果作了比较检验了实验装置的可行性,CCD测量方法与目前国外报道的方法相比较有一定的改进; 理论模型拟合实验测量数据或Monte Carlo模拟数据确定了生物组织的光学特性参数,所获得牛脂肪和牛肌肉组织的吸收和约化散射系数与国外报道的结果作了比较,其差别在9.4%以内; 研究了理论模型拟合实验数据或模拟数据确定组织光