基于蒙特卡洛仿真的人体脂肪厚度测量关键技术的研究

发布时间：2020-07-01 01:57

【摘要】：随着社会的进步和人们生活水平的提高,肥胖或超重人群的比例不断上升。肥胖常伴多种慢性疾病,严重影响了人们的身体健康和生活质量,已成为世界各国面临的严重公共健康问题。在临床上,肥胖分成皮下脂肪堆积型和内脏脂肪堆积型两大类。皮下脂肪堆积型的特点是脂肪主要集中分布于皮下组织,而内脏脂肪堆积型的特点是脂肪主要存在于腹腔内。脂肪厚度是反映身体脂肪含量的重要指标,可以用于评价肥胖程度,指导合理的营养摄入与运动。尽管可以通过多种途径测量脂肪厚度,但是近红外光测量法由于操作简单、方便而被大众所接受。然而在利用近红外光进行测量时,探测器与光源的相对位置,光束波长等因素会显著影响测量结果。本文使用蒙特卡洛方法对光子在生物组织中随机行走过程进行仿真,通过对出射光子的分析,确定最佳测量参数,以提高人体脂肪测量的准确度。首先,研究皮下脂肪厚度测量的关键技术。建立皮下脂肪-肌肉组织模型,通过蒙特卡洛仿真方法获得所有光子在组织中的行走路径。统计所有从皮下脂肪层上表面出射的光子数,自定义出射光子比OPR;同时,设定约束条件,Z轴方向最大深度处于0.9 d_(sf)~1.1d_(sf)范围内的光子定义为有效光子,其中d_(sf)表示皮下脂肪层厚度,并自定义有效光子比EPR。研究皮下脂肪厚度d_f=0.1~2.0cm范围内有效光子的出射位置,确定不同皮下脂肪厚度下探测器与光源的最佳距离。研究结果显示:出射光子比随着脂肪厚度变大逐渐增大,有效光子比随着脂肪厚度变大逐渐减小。最佳探测距离与皮下脂肪厚度间的线性回归方程l=0.7597d_(sf)+0.1133。其次,研究波长对皮下脂肪厚度测量的影响。建立表皮-真皮-皮下脂肪-肌肉组织模型,利用波长λ=400~1000nm的入射光进行仿真测量。设定约束条件,Z轴方向最大深度处于0.9 d_(ssf)~1.1d_(ssf)范围内的光子定义为有效光子,其中d_(ssf)表示(皮肤层厚度+皮下脂肪层厚度),并自定义有效光子比和出射光子比,同时分析不同波长下测量皮下脂肪厚度时,探测器与光源间的最佳距离。研究结果显示:出射光子比在波长λ=800~900nm范围内最大,有效光子比比随着波长变大逐渐增大,波长λ在800~1000nm范围内对最佳探测距离没有影响,最佳探测波长为1000nm。最后,研究内脏脂肪厚度测量的关键技术。内脏脂肪主要分布在人体腹部,建立腹部皮下脂肪-肌肉组织-内脏脂肪-肠道模型,设定约束条件,Z轴方向最大深度处于0.9 d_(smv)~1.1d_(smv)范围内的光子定义为有效光子,其中d_(smv)表示(皮下脂肪层厚度+肌肉层厚度+内脏脂肪厚度),并定义有效光子比。有效光子比随着内脏脂肪厚度变大逐渐减小。研究内脏脂肪厚度d_(vf)=0.5~6.0cm范围内有效光子的出射位置,确定了不同内脏脂肪厚度下探测器与光源的最佳距离,建立了最佳探测距离与内脏脂肪厚度间的数学模型。提出了基于人体尺寸和全身皮下脂肪厚度测量人体内脏脂肪含量的方法。本研究为无创测量脂肪厚度时,确定入射光波长、光源与探测器位置等问题提供了解决思路,为后续仪器开发和人体实验提供了理论依据。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH776
【图文】：

脂肪组织,细胞结构,肌肉组织

图 2-1 脂肪组织的细胞结构[35]Figure 2-1 Cell structure of adipose tissue：肌肉层是连接皮下脂肪与骨骼的组织，肌肉组织与脂大特点[36]：一是排列规整，呈纤维状。二是肌肉组织中含细血管中有大量的血红蛋白、肌红蛋白、黑色素等等，这强的吸收作用，因此肌肉组织的吸收系数比脂肪组织heong 等研究表明[37]，虽然肌肉组织中也存在着散射，但值较大，前向散射趋势更为明显。：腹膜位于人体腹腔中，是一层粘膜结构，包括大网膜要由细胞、结缔组织、毛细血管和淋巴管构成。主要生理擦，保护内脏的作用。采用反向倍增法和反演蒙特卡洛的散射和吸收系数。体组织中传播的理论基础

几率,取值,方向,光子

散射系数μs是指组织体中每单位距离上一个光子被散射的概率。（散射作用使得光子偏离原先传播方向，生物组织往往都是强散射组织。）（单位：mm-1或者 cm-1）3）衰减系数μt（消光系数）衰减系数μt定义为吸收系数与散射系数之和（μt= μa+ μs），表示光在生物组织中的衰减程度。（单位：mm-1或者 cm-1）4）平均散射余弦 g当光子与粒子发生碰撞时，光子向四周散射的几率，即为各向异性因子 g，如公式(2-1)所示：( )cos cos=<cos( ) cosP dgP d （2-1）g = 1 表示完全前向散射，g = -1 表示完全后向散射，当 g = 0 时，表示各向同性散射，如图 2-2 所示。研究发现，人体组织的 g 通常在 0.68 到 0.96 之间[38]，前向散射较明显。

【参考文献】