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光与生物组织的相互作用及生物组织光学特性参数测量

张连顺  
【摘要】:生物组织中的光传输是组织光学的研究热点之一,因为决定组织内光传输的光学特性参数与组织的生理和病理状态有关,了解光在组织中的空间和时间分布,对光动力学治疗、医学成像、监测组织的生理状态和组织结构等的研究都有重要的理论和实际意义,因此本论文对光与生物组织的相互作用及生物组织光学特性参数的测量进行了研究。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,并就无限细光束在不同的边界条件下、平面平行光垂直入射到半无限厚组织以及无限细光束垂直入射到两层结构的半无限厚组织的漫射方程进行了求解,首次从理论上获得了组织表面漫射光分布的解析表达式。 为验证漫射理论的准确性,用Monte Carlo方法模拟了组织内的光分布,通过将Monte Carlo模拟结果与漫射近似理论比较以及曲线拟合,得出在无限细光束垂直入射到半无限厚介质的情况下,应用外延边界条件并且定义漫射系数D与吸收系数无关时,所得的漫射解较其他情况下更精确,并且通过曲线拟合的方法,首次确定了漫射近似解的适用范围; 通过Monte Carlo模拟证明了由傅立叶变换得到的两层组织模型的漫射方程解的正确性。 设计和建立了一套无损测量生物组织光学特性参数的实验装置,通过对生物组织模拟液Intralipid-10%的测量和校验,证明测量装置测量吸收系数和有效散射系数的误差分别为:△μ_a/μ_a=2.8%、△μ_s′/μs′=5.2%; 利用该装置对实际生物组织牛肌肉、猪肌肉、鸡大胸进行了测量,获得了相应的吸收系数和有效散射系数。 建立了光纤耦合器的光学相干层析系统,该系统具有20μm的横向分辨率和26μm轴向分辨率,并可在3分钟内获得1幅100×100像素(2mm×2mm)的层析图; 通过分析施加在压电陶瓷上的信号幅度和频率对测量信号的影响,得出施加在压电陶瓷上的电压并不是越大越好,而是随施加电压的增大作类似周期性的变化,并且施加电压在7.5V附近时效果最好; 为了减少压电陶瓷的热效应对绕在压电陶瓷上的光纤的影响,探测频率应选在远离压电陶瓷谐振频率较好,经过测量发现所使用的压电陶瓷的谐振频率为20kHz ,探测频率选在6kHz附近比较合适; 基于所建立的OCT测量装置,用焦点追迹


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