基于OCT的鲜红斑痣特征参数研究及其在数学仿真中的应用

发布时间：2017-10-19 09:18

  本文关键词：基于OCT的鲜红斑痣特征参数研究及其在数学仿真中的应用

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【摘要】：鲜红斑痣(port wine stain,PWS)是由皮肤真皮浅层毛细血管扩张畸形造成的异常红斑。血管靶向光动力疗法(vascular-targeted photodynamic therapy,V-PDT)是目前治疗PWS最为有效的方法。V-PDT涉及光、光敏剂和氧等多个因素的相互作用。研究这些因素间的相互作用规律有助于临床医生制定合理的治疗方案。数学建模是研究多因素相互作用关系的常用方法。目前针对V-PDT治疗PWS建立的数学模型主要是利用不同病变类型的血管结构的经验参数进行仿真。临床对PWS病变的分型主要是基于对患者外观颜色的观察。但是,单纯依靠外观颜色很难判断患者病变组织内部的实际情况。因此,需要一种客观的手段,对PWS的内部结构进行检测和分析,利用实际的参数优化数学模型,从而使仿真结果更符合临床实际情况。光学相干层析成像(optical coherence tomography,OCT)是一种无创的光学检测成像方法,能够用于组织内部结构的检测与分析。此外,其成像信号中还携带了组织光学特性的信息。因此,为了针对临床患者实际情况进行仿真模拟,本研究利用OCT实现PWS结构参数与光学参数的提取,改进PWS组织光学模型。V-PDT中作用于靶点位置的主要光毒性产物为单线态氧,其产量与疗效直接相关,因此,可以结合数学仿真的方法,对V-PDT治疗过程中单线态氧的产量进行计算,从而指导治疗方案的制定。首先,基于PWS组织结构的特点,建立了含有柱状血管的PWS组织光学模型。利用Monte Carlo算法对V-PDT治疗条件下光能流率在组织模型中的分布进行了数值模拟。编写了GUI程序运行界面,实现了PWS组织光学模型参数的自由输入,利用该模型分析了PWS特征参数,包括表皮层厚度、扩张血管管径及深度和组织散射系数对光分布的影响。其次,论述了时域OCT系统的基本理论,介绍了OCT系统的关键技术,并在临床检测条件下对主要系统参数指标进行了测试。建立了PWS表皮层厚度、扩张血管管径及深度的提取方法。利用OCT对临床60个PWS部位进行了检测,分析了V-PDT术前和术后三个月的结构参数差异,并对结构参数与疗效之间的相关性进行了分析。再次,建立了利用OCT纵向扫描信号提取PWS各层组织散射特性参数的方法。该方法利用最小二乘法对PWS各层组织的纵向扫描信号进行曲线拟合来实现特性参数的获取。将不同浓度的脂肪乳溶液作为标准样品,验证了散射系数提取方法的准确性。利用该方法,获取了V-PDT前和术后三个月以及治疗过程中PWS患者皮肤表皮层和真皮层的散射系数。最后,根据V-PDT中血管和组织中的光敏剂及氧浓度随时间变化的情况,建立了PWS组织中单线态氧产量的数学仿真模型。利用光分布和单线态氧产量仿真程序,结合OCT获取的PWS组织特征参数,分别模拟了典型组织结构的PWS患者在V-PDT治疗中组织中的光分布情况和单线态氧产量,并以此对术后疗效进行了预测。术后随访结果与预测结果一致。分析了PWS结构参数对V-PDT中组织单线态氧产量的影响,验证了结构参数与疗效之间的关系。同时,初步分析了数学仿真模型用于指导临床治疗方案制定的可行性。
【关键词】：数学仿真 光学相干层析成像 鲜红斑痣 血管靶向光动力疗法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R758.51
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 选题背景和依据11-12
• 1.2 数学仿真在光动力疗法中的应用12-14
• 1.3 OCT技术及其在组织检测中的应用14-18
• 1.3.1 组织结构成像方法及OCT技术简介14-16
• 1.3.2 OCT技术在组织检测中的应用16-18
• 1.4 本研究的主要内容及工作安排18-20
• 第二章 V-PDT治疗中PWS组织内光分布的研究20-41
• 2.1 组织光分布研究常用数学方法20-23
• 2.1.1 近似解求解方法20-22
• 2.1.2 精确数值解求解方法22-23
• 2.2 PWS组织光分布模拟的实现23-33
• 2.2.1 PWS组织光学模型的建立23-26
• 2.2.2 组织的光学特性26-28
• 2.2.3 Monte Carlo程序流程28-32
• 2.2.4 组织中光能流率的计算32
• 2.2.5 光分布仿真程序的编写32-33
• 2.3 PWS组织模型参数对光分布影响的数学仿真分析33-40
• 2.3.1 表皮层厚度对光分布的影响33-35
• 2.3.2 扩张血管结构对光分布的影响35-37
• 2.3.3 组织散射系数对光分布的影响37-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 OCT用于提取PWS组织结构参数的研究41-66
• 3.1 时域OCT原理及分辨率41-44
• 3.2 OCT系统的关键技术44-49
• 3.2.1 光学延迟线设计原理及其参数44-47
• 3.2.2 样品臂设计原理及其参数47
• 3.2.3 宽带光源及光电检测设备参数47-49
• 3.3 OCT系统指标测试49-51
• 3.3.1 纵向分辨率和纵向成像范围的测定49-50
• 3.3.2 横向分辨率及横向扫描范围的测定50
• 3.3.3 系统信噪比的测定50-51
• 3.3.4 OCT系统扫描速度的测定51
• 3.4 基于OCT的PWS结构参数提取方法51-56
• 3.4.1 OCT图像中像素点定标51-52
• 3.4.2 表皮层厚度的提取方法及实验验证52-54
• 3.4.3 扩张血管结构的判定及提取54-56
• 3.5 结构参数提取方法的实验验证56-58
• 3.5.1 表皮层厚度提取算法的验证56-57
• 3.5.2 扩张血管结构参数提取的实验验证57-58
• 3.6 PWS组织结构的临床检测与数据分析58-65
• 3.6.1 PWS组织结构参数的数据采集及分析方法58-61
• 3.6.2 结果与讨论61-65
• 3.7 本章小结65-66
• 第四章 OCT用于提取PWS组织散射特性参数的研究66-86
• 4.1 OCT干涉信号模型分析66-70
• 4.1.1 单次散射模型66-67
• 4.1.2 多次散射模型67-70
• 4.2 基于OCT的PWS组织散射系数提取方法70-73
• 4.2.1 PWS组织散射系数提取算法71
• 4.2.2 PWS各层组织拟合数据的选取71-72
• 4.2.3 干涉信号的曲线拟合算法72-73
• 4.3 脂肪乳溶液的散射系数测量73-75
• 4.3.1 脂肪乳溶液的配制73
• 4.3.2 测量结果73-75
• 4.4 PWS组织散射系数的提取与数据分析75-85
• 4.4.1 PWS组织散射系数的数据采集及分析方法76-78
• 4.4.2 结果与讨论78-85
• 4.5 本章小结85-86
• 第五章 V-PDT过程中单线态氧产量的数学仿真分析86-106
• 5.1 V-PDT原理86-88
• 5.2 V-PDT中氧和光敏剂的分布模型88-92
• 5.2.1 V-PDT中氧的分布模型88-89
• 5.2.2 V-PDT中光敏剂的分布模型89-92
• 5.3 单线态氧产量数学模型的建立92-98
• 5.3.1 单线态氧产率公式92-93
• 5.3.2 组织中的光分布93
• 5.3.3 有限差分法求解组织中氧和光敏剂浓度方程93-96
• 5.3.4 单线态氧产量仿真程序的参数设定及编写96-98
• 5.4 PWS组织结构参数对疗效影响的数学仿真研究98-105
• 5.4.1 V-PDT治疗PWS的数学仿真过程98-100
• 5.4.2 结果与讨论100-105
• 5.5 本章小结105-106
• 第六章 结论与展望106-109
• 6.1 总结106-107
• 6.2 创新点107
• 6.3 展望107-109
• 参考文献109-119
• 攻读博士学位期间发表的论文及研究成果清单119-120
• 致谢120

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王颖;廖小华;顾瑛;陈荣;曾晶;;漫反射光谱用于光动力治疗中鲜红斑痣皮肤氧含量监测的初步研究[J];光谱学与光谱分析;2010年12期

2 周国瑜,张志愿,李江;52例鲜红斑痣颜色类别的病理图像计算机分析[J];口腔颌面外科杂志;1999年02期

3 朱菁;毛维翰;陈美娟;朱耀珍;张慧国;马继壮;郑忠华;;氩激光治疗鲜红斑痣及单纯血管瘤的临床报导(附动物实验)[J];应用激光;1981年06期

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本文编号：1060270