生物组织光分布的数值模拟及测量研究

发布时间：2017-06-20 06:00

  本文关键词：生物组织光分布的数值模拟及测量研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来生物医学光子学研究发展迅速,光与生物组织间的相互作用及分布规律成为热点研究内容。考虑到组织结构的多样性和生理状态的复杂性,准确地描述出光传输规律十分困难,这需要获取完备的光学特性参数以建立组织模型。同时组织的生理、病理状态和光学参数密切相关,因此光学参数的测量是生物医学光子学的研究重点,在临床光诊断和光治疗中具有重大的理论和实际意义。蒙特卡罗算法常用来考察粒子的追踪问题,它的精度极高,常常作为理论模型的非实验性检验标准。本文采用蒙特卡罗算法探究光子在组织内的传播规律,其基本思想是模拟光子与介质粒子的相互作用,并通过若干次独立重复实验来统计每个光子的运动轨迹,进而得到宏观的光传输情况。首先本文论述了光在生物组织中的传播规律,从光子传输理论和漫射近似理论出发,给出了三种不同的近似边界条件,得到了稳态情况下的光分布理论模型;以蒙特卡罗算法作为标准结果,对理论模型的精度和适用范围进行了验证。然后本文对生物组织光传输的蒙特卡罗算法进行研究。根据现有的稳态蒙特卡罗算法,建立了多层生物组织模型,用卷积方法分析了光束半径对光分布的影响;对现有算法进行了优化与改进,得到了时域蒙特卡罗算法,实现了漫反射率光谱的记录,并依据漫射近似理论验证了算法的准确性;在不同探测位置下,分别考察了吸收系数、散射系数、各向异性因子和相对折射率对仿真结果的影响。最后本文对组织光学参数进行实验测量。分别搭建了空间分辨和时间分辨的光学参数检测平台,并详细给出了实验原理、设备型号以及相关参数;以组织样品块为研究对象,测量了样品的漫反射率信号,并利用Matlab Cfool工具箱和编写的拟合程序对实验数据曲线进行光学参数反演;同时本文对拟合理论模型的选取和拟合范围的确定进行了深入讨论,有效地提高了测量精度,并与样品块的标准值进行了对比和分析。
【关键词】：生物组织 蒙特卡罗 漫射近似法 光学参数测量
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 研究概述11-12
• 1.2.2 光传输理论研究现状12-13
• 1.2.3 蒙特卡罗算法研究现状13-14
• 1.2.4 组织光学参数测量技术研究现状14-16
• 1.3 课题主要研究内容16-17
• 第2章 光在生物组织中的传输特性17-37
• 2.1 生物组织的光学性质17-23
• 2.1.1 吸收作用17-18
• 2.1.2 散射作用18-19
• 2.1.3 生物组织光学特性参数19-23
• 2.2 辐射传输理论23-25
• 2.2.1 理论概述23-24
• 2.2.2 辐射传输方程24-25
• 2.3 漫射近似方程的推导与化简25-29
• 2.3.1 辐射传输方程的简化25-27
• 2.3.2 漫射近似方程的边界条件27-29
• 2.4 基于漫射近似理论的稳态光传输模型精度验证29-36
• 2.4.1 理论模型建立29-32
• 2.4.2 理论模型验证32-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 基于蒙特卡罗算法的光传输特性模拟研究37-60
• 3.1 蒙特卡罗算法37-43
• 3.1.1 算法简介37-38
• 3.1.2 坐标系系统38-39
• 3.1.3 概率随机抽样39-40
• 3.1.4 光子传输过程40-43
• 3.2 稳态蒙特卡罗算法43-52
• 3.2.1 稳态算法的光子数讨论43-45
• 3.2.2 光束宽度的影响45-50
• 3.2.3 多层生物组织的光传输50-52
• 3.3 时域蒙特卡罗算法52-59
• 3.3.1 时域算法的光子数讨论53-54
• 3.3.2 时域算法验证54-56
• 3.3.3 光学参数对时域漫反射光谱的影响56-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 生物组织光学参数测量的实验研究60-78
• 4.1 空间分辨测量研究60-64
• 4.1.1 实验系统设计60-61
• 4.1.2 设备介绍61-64
• 4.2 空间分辨测量的光学参数反演64-68
• 4.2.1 理论模型选取64-66
• 4.2.2 数据拟合原理66-67
• 4.2.3 拟合范围确定67-68
• 4.3 时间分辨测量研究68-74
• 4.3.1 单光子计数器原理69-70
• 4.3.2 实验系统设计70-73
• 4.3.3 时间零点校正73-74
• 4.4 时间分辨测量的光学参数反演74-77
• 4.4.1 理论模型选取74-75
• 4.4.2 拟合起始时间讨论75-77
• 4.5 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-85
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果85-87
• 致谢87-88
• 个人简介88

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