虞勇坚[1]2004年在《漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究》文中研究指明本文从模拟和实验这两个角度详细地研究了在连续光源照射下漫射光子密度波在生物组织内部的传输特性，以及组织内部含有异物时对漫射光子密度波传输的影响。 根据漫射光子密度波的理论，编制了可以动态显示光子在组织内部的传输过程、可以在程序界面上直接输入组织的光学参数和光源参数、可以用灰度图像和数据方式给出运算结果的Monte Carlo程序，结果直观且便于分析。 利用编制的程序，进行了大量的模拟，得到了在改变生物组织光学参数时对光子在组织体内部传输的影响，发现了一些新的现象，并作了解释。讨论了多层组织的情况，特别是对单层组织内部含有异物的情景也作了模拟和分析。结果显示，用Monte Carlo模拟的方法可以探测到具有一定大小和位置的异物。 实验上首先用650nm的半导体激光定性的研究了650nm的半导体激光在穿透稀牛奶溶液(质量比约10~(-5)量级)时，隐藏在溶液内的异物的可见度变化以及透射面上光斑的变化情况。结果表明，随着溶液中散射粒子浓度的增大，原先隐藏在溶液中的异物逐渐变得清晰，但同时透射面上的光斑也逐渐变小直至消失，而溶液却逐渐显得明亮起来。 本文分析了在生物组织诊断中应该选用的最佳波长，设计了激光发射系统和偏压式光电探测器。用幅度探测的方式，对0.3cm厚单层猪肉组织和(0.2cm+0.4cm)厚双层猪肉组织的透射光强分布以及组织体内部含有异物时透射光强分布的变化进行了探测，从由实验数据还原以后光强分布图上可以明显看到较大异物(如直径2.5mm的石墨棒)的存在，但是对较小的异物(如直径0.5mm的石墨棒)却无法识别，一方面是由于异物的大小和所处的位置的原因，另一方面是由于探测器分辨率的不足的原因故无法探测到。文章最后选用同样的组织参数进行了模拟，实验结果和模拟吻合较好。 本文的工作一方面说明Monte Carlo方法是模拟光子在生物组织内部传输的有效方法，另一方面也从模拟和实验的角度证明了漫射光子密度波技术是可以探测到组织内部的隐藏异物的。本文的研究可为组织光学、光子医学生物学、医疗诊断等领域提供实验依据和参考价值。
孔艳[2]2005年在《多散射介质中光子密度波漫射方程的二阶理论研究》文中研究说明本文从理论和计算模拟两个方面对生物医学光子学领域中的新技术——漫射光子密度波技术进行了详细的研究,特别是对含有异物的情况进行了分析。在已有的理论基础上,对漫射光子密度波技术进行了理论上的扩展,在已知的Green函数基础上,给出了长为a,宽为b,高分别为无限长、半无限长、有限长叁种矩形边界条件下的光子密度波漫射方程的二阶理论解析解。由于实际测到的物理量多为光通量,演算出了叁种边界条件下与入射面相对应面处的光子通量和介质中的吸收系数改变量之间的关系。漫射方程的解析解累加项数较多,对其直接进行数值模拟计算时计算复杂、运算量大不适用于实验与工程应用。本文运用矩阵变换的方法对叁种边界条件下的漫射方程解析解进行了化简,有效的提高了计算模拟速度。在解析解化简的基础上,利用给出的人体前臂肌肉组织的典型光学参数,得到了二阶微扰解的模拟计算结果,并与一阶微扰计算结果进行了比较。结果表明,二阶微扰解比原有的一阶微扰解在计算精度上有一定的提高,尤其是在异常体附近精度更是有较大的提高。利用给定的人体前臂组织的典型光学参数,对生物组织成像进行了模拟研究。模拟计算表明:当探测器与异常物体处于同一轴线时,光子密度最小,也就是光强最弱,进而可以判断异常生物体的位置,验证了已有的关于光子密度波成像的理论知识;各介质参数对漫射光子密度的影响是有很大差别的,介质的基本光学参数可以通过分析漫射光子密度强度及波形形状而获得;该模型条件下的漫射方程的解析解在实际应用中不适用于漫射系数D较大的情况。本文的研究工作可为了解光在生物组织中的传输规律及特性,进而为借助漫射光子密度波进行生物组织成像及临床治疗诊断技术提供理论依据和实验指导。
何鑫伟[3]2018年在《基于DPDW的组织仿体光学参数测量系统的研究》文中研究表明基于漫射光子密度波(Diffuse Photon Density Waves,DPDW)的组织光学参数的检测是生物医学领域中研究的重要内容。研究组织的光学参数对医学上疾病的筛查和早期的发现有着重要的作用。目前在此研究方向上已经取得了一定的进展,而在多频调制下的研究很少,合理的建立多频调制模型对于组织检测结果的准确度的提升、检测设备复杂度的降低以及组织功能的基础性研究等方面均提供更为丰富的关键的参考信息。本文从光子辐射漫射理论出发,以利用DPDW技术获得组织仿体的光学参数为研究目标。在近红外光检测组织的基础理论、DPDW在组织中的传输理论、Nirfast仿真、基于DPDW的测量组织光学参数系统的设计与搭建以及系统的测量验证实验等方面进行了深入的研究。主要内容包括:基于近红外光以及辐射漫射理论,利用DPDW技术在多频调制下,建立了可测量量(幅值和相位)与光学参数(吸收系数μa和约化散射系数μs)之间的关系,并确定了非线性拟合算法;利用Nirfast软件建立了不同光学参数的仿真模型;通过DPDW系统的工作原理对所需元器件进行选择及测试,完成搭建工作,并确定系统光源的波长为785nm,调制频率带宽为300kHz-1MHz;配制与组织光学参数相近的仿体对搭建的系统进行测量验证。本文在仿真实验中,分别对μa和/μs进行测量,真实值与拟合值的相关系数最低为0.967,最高为0.999,对应的标准差分别为1.115mm-1、0.008mm-1。由拟合结果可知,非线性拟合算法能够准确获得模型的光学参数。在系统进行测量验证实验中,配制了不同光学参数的液态、固态仿体。在对液态仿体的测量中,DPDW系统的测量值与仿体的理论值相比,μa和μs的检测最大绝对误差分别为0.214 cm-1 2.827 cm-1,平均相对误差分别为13.1%、18.3%,相关系数分别为0.965、0.989。DPDW系统对硬质仿体测量中,μa和μs的检测最大绝对误差分别为0.282 cm-1 0.003 cm-1,最大相对误差分别28.9%、29.0%,平均相对误差分别为19.8%、23.7%,μa检测结果的相关系数为0.999。本研究表明,通过对幅值和相位的测量,能够得到组织的光学参数,并且,通过对不同光学参数模型的建立,能够得到幅值和相位随着频率变化的关系,验证了本研究所提出的多频调制求解组织光学参数的可行性。
许棠[4]2004年在《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》文中研究指明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叁个边界条件的精度,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
王召霞[5]2007年在《用于重构宫颈组织光学参数的频域逆蒙特卡罗模拟的研究》文中研究指明对组织的光学参数进行准确的测量,是组织光学和光医疗中最基本的课题之一,是光应用于医学领域基础研究和临床应用的前提条件。然而针对如何用数学语言描述光在具有复杂结构的薄层组织中的传输,尤其是选用何种算法通过表面测得的信息反演这种复杂结构中的组织光学参数的问题尚未得到很好的解决。本论文以在频域系统下无创测量宫颈组织的光学参数为核心内容,首先介绍了光在组织中的传输理论;然后根据宫颈组织的特殊形状等选取了合适的模拟模型及正向算法,重点研究了宫颈组织边界信号的处理及频域信号的提取方法;最后选取了一种新型的算法-微扰蒙特卡罗方法对组织光学特性参数的重构问题进行了研究,并从模拟和实验两方面对这种算法的有效性进行了验证。具体包括:一、从宏观角度对组织光学进行了全面的整理和系统的描述,介绍了光在组织介质中辐射传输的数学模型——漫射理论和蒙特卡洛模型等。二、根据宫颈组织的物理形状选取空心圆柱作为模拟模型,通过边界处理及时域和频域的转化等工作在蒙特卡罗模拟的基础上得到一定数目的光子经过宫颈组织后的幅值和相位信息。叁、将微扰蒙特卡罗方法和一种非线性最小二乘法——Levenberg-Marqurdt法相结合得到了组织光学参数重构算法,实现了吸收系数的快速精确重构。在单层均匀组织模型上,利用上述算法从幅值和相位数据反推得到了组织光学特性参数中的吸收系数,利用数值模拟模型验证了逆向重构算法的正确性,精度,抗噪性,鲁棒性等;对同时重构吸收系数和散射系数的方法进行了探讨;同时在双层模型上也进行了一些研究。四、使用印度墨水和Intralipid-10%溶液制作了较完善的宫颈组织模型,通过时间分辨测量得到了由组织体表面出射的光的幅值和相位,由逆向重构算法反演得到吸收系数值,通过分析模型光学特性参数实测值与理论值的误差,提出了影响所求模型光学特性参数精度的若干误差源,从而验证了本研究中发展的反演算法获得组织光学参数的可行性。为以后的研究打下了良好的基础。
王海龙[6]2014年在《基于蒙特卡罗仿真的趋近式光参重建方法研究》文中指出生物组织光学是生物医学光子学和光医学的重要组成部分，主要包括两部分研究内容：生物组织中光传输过程的建模和活体组织光学参数的重建方法研究。其中，组织光学参数的重建是生物组织光学领域的热点问题之一，在组织生理和病理的诊断领域有着巨大的理论和实际意义并且为光动力治疗提供理论和实验依据。然而，组织光学参数重建不同于生物组织内靶标的重建，是一个比较困难的非线性问题。针对上述问题，本文基于描述生物组织中光传输规律的蒙特卡罗方法，提出了一种生物组织光学参数重建方法——蒙特卡罗仿真的趋近法来研究组织光学参数的测量问题。基于蒙特卡罗的趋近法首先通过蒙特卡罗仿真原理获取光传输正向模型，然后依据透射光强分布的半波宽来决定散射系数。在散射系数确定情况下根据光强强度信息来决定吸收系数。最后借助蒙特卡罗仿真通过不断逼近的方式推导出生物组织的光学参数。在基于蒙特卡罗仿真的趋近式算法中先要重建散射系数然后重建吸收系数。为了验证算法的准确性，利用实验室自主研发的一款跨平台生物组织光传输仿真软件——QT-MOSE，获取生物组织光学的前向仿真数据。基于聚甲醛制备的多层平板仿体，我们对算法的性能进行了真实实验验证。实验结果和目前应用广泛的查表法进行比较，结果表明了基于蒙特卡罗仿真的趋近法的准确性和有效性，也说明了该算法在组织光学参数测量领域的应用潜力。
朱莉莉[7]2005年在《散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验》文中指出超声调制光学成像术将光学技术和声学技术有效地结合起来,充分利用了二者的优势,即具有超声定位的高空间分辨率和反映生物组织生理结构变化的光学检测的高灵敏度的特点,是一种有前途的无损的生物组织成像技术。 针对超声调制光学成像术目前存在的问题,如:光在聚焦超声场作用下的散射介质中的传播理论尚不完备,还有待完善;再如:成像分辨率不高,还达不到临床要求,本文提出了若干新的观点与方案: 1.利用漫射理论分析了散射光在聚焦超声场作用下的散射介质中的传 播规律,并给出了具体的解析方程。 2.从全新的角度讨论了散射光的超声调制原理,分别提出了均匀透明 介质中超声对光调制的光栅模型和基于光吸收机制的散射光超声调 制原理,使声光作用机制有新的诠释。 3.通过Monte Carlo模拟与实验研究了超声调制的散射光在散射介质 中的传播。模拟和实验结果与理论分析相一致,即经声光作用区出 来的调制散射光在散射介质中的传播满足漫射理论,且其调制深度 只与超声区的声光特性有关,不随调制光的传播而改变。 4.采用反卷积算法对经超声场调制的输出信号进行预处理,再进行图 像重建,理论和仿真结果表明,成像分辨率得到提高,图像质量明 显改善。该方法无须对系统装置做任何改动,只需要适当的信号处 理,就实现成像超分辨,因此具有很强的实用价值。
来建成[8]2005年在《生物组织的光学描述与光传输规律研究》文中认为光学在生命和保健科学中的应用由来已久，激光的出现进一步增强了光学方法在解决现代医学难题时的优势与潜在价值。光学手段被认为是解决医学疑难杂症的最有效途径之一。确切地认识光在生物组织内的传播规律是这些技术得以正确应用的前提和基础，但它一直没有被很好解决，始终困扰着组织光学的研究者。目前，最为迫切需要解决的是“生物组织光传输的快速计算以及生物组织光学特性的合理描述问题”。本论文正是以这两项内容为研究对象，旨在发展快速高效的光传输计算工具，同时统一生物组织光学特性的理论描述，为建立完善的组织光学理论体系作有益的尝试。 在光学诊疗中，绝大多数生物组织可以近似看成是层状生物组织。为此，在论文的上篇，我们以辐射传输方程为基础，建立了层状生物组织光传输问题的系统理论，同时从数值计算和实验两方面验证了该理论的正确性。取得的成果有： ①为解决生物组织光传输的快速计算问题，我们引入线性系统理论，建立了层状生物组织光传输的系统理论。该方法与Monte Carlo方法相比，可将计算效率提高2个数量级以上。在此基础上，运用该理论讨论了会聚光源在层状生物组织内的传输过程以及准直光源照射下半无限生物组织的漫反射问题。实践证明：“层状生物组织光传输系统理论是一种快速、高效而又准确的计算理论”。另外，还建立了可测量任意准直光源照射下层状生物组织透射光分布的实验装置，并在实验上验证了层状生物组织光传输系统理论的正确性。 ②现有光传输理论都依赖于生物组织的光学参数，而组织光学中已知光学参数的生物组织非常有限，因为生物组织的光学参数不仅依赖于组织的种类，而且依赖于组织的状态。系统理论的引入使得光传输问题的理论分析不再依赖于生物组织的光学参数，但必须知道生物组织光传输的点扩散函数。为此，我们提出了一种从实验途径获取层状生物组织光传输点扩散函数的有效方法——逆卷积方法，并将其应用于猪肌肉组织光透射点扩散函数的实验重建。实验重建结果与Monte Carlo模拟结果吻合较好，这充分说明了该方法的正确性。引入该方法的意义在于：它将使层状生物组织光传输问题的理论分析不再依赖于确切知道生物组织的光学参数。 ③激光在生物组织内传输时的角分布信息对于发展和优化光学诊疗技术有着非常重要的价值，然而在以往的研究中没有加以重视和利用。为此，我们详细地研究了激光在生物组织内传播时的角分布信息，特别是局部病变生物组织背散射场的角分布信息，该研究为利用背散射场角分布进行无创伤诊断提供了有益参考。 在上述研究过程中，发现生物组织光学特性的描述与测量是一个更为基本的问题。它不仅是引入和发展各种光传输理论的基础，也是发展光学无创伤诊断技术的基础。为此，我们将其作为论文的另一重点进行论述，构成了本论文的下篇——生物组织光学特性的描述与测量。在这部分，具体成果有：
邓小元, 邢达[9]2000年在《光子密度波在正常和异常生物组织中传输的模拟研究》文中指出本文研究光子密度波在模拟生物组织中传播的变化规律 ,探讨了在各种条件下光子密度波的特性和引起光子密度波畸变的因素 ,为实验研究提供了理论基础
关堂兵[10]2007年在《基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的研究》文中研究说明对组织的光学参数进行准确的测量,是组织光学和光医疗中最基本的课题之一,是光应用于医学领域基础研究和临床应用的前提条件。然而针对如何用数学语言描述光在具有复杂结构的薄层组织中的传输,尤其是选用何种算法通过测得的表面漫散射光反演这种复杂结构中的组织光学参数的问题尚未得到很好的解决。本论文以无创测量具有薄壁分层结构组织的光学参数为核心内容,首先讨论了对描述组织的光学物理模型的选取和仿真、然后选取了一种新型的算法-微扰蒙特卡罗方法对确定组织光学特性参数的问题进行了研究,并在实验室条件下针对这种算法设计了实验以验证其有效性。具体包括:1.从宏观角度对组织光学进行了全面的整理和系统的描述,介绍了光在组织介质中辐射传输的数学模型——漫射理论和蒙特卡洛模型等。2.在现有的分层蒙特卡洛算法的基础上加以改进,完善了适合我们需要的蒙特卡洛模型。分析了蒙特卡罗仿真随光子数变化的的精度和时间特性。3.将微扰蒙特卡罗方法应用到组织光学参数无创确定领域,利用一种非线性最小二乘法——Levenberg-Marqurdt法实现对组织光学参数迅速精确的确定。4.利用微扰蒙特卡罗参数重构算法从单层均匀组织模型和双层组织模型的空间分辨稳态漫反射数据反推计算了组织光学特性参数中的吸收系数和散射系数。5.使用印度墨水和Intralipid-10%溶液进行实验,制作了一个较完善的组织模型,测得了各个溶液表面漫反射光的空间分辨波形,将其代入已建立的算法中,得到了组织模型的光学特性参数值,同时也得到了各溶液光学特性参数实测值与理论值的误差,提出了影响所求模型光学特性参数精度的若干误差源,从而验证了通过本研究中设计的空间分辨波形检测方法和反演算法获得组织光学参数的可行性。为以后的研究打下了良好的基础。
参考文献：
[1]. 漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究[D]. 虞勇坚. 南京理工大学. 2004
[2]. 多散射介质中光子密度波漫射方程的二阶理论研究[D]. 孔艳. 江南大学. 2005
[3]. 基于DPDW的组织仿体光学参数测量系统的研究[D]. 何鑫伟. 天津工业大学. 2018
[4]. 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[D]. 许棠. 南开大学. 2004
[5]. 用于重构宫颈组织光学参数的频域逆蒙特卡罗模拟的研究[D]. 王召霞. 天津大学. 2007
[6]. 基于蒙特卡罗仿真的趋近式光参重建方法研究[D]. 王海龙. 西安电子科技大学. 2014
[7]. 散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验[D]. 朱莉莉. 福建师范大学. 2005
[8]. 生物组织的光学描述与光传输规律研究[D]. 来建成. 南京理工大学. 2005
[9]. 光子密度波在正常和异常生物组织中传输的模拟研究[J]. 邓小元, 邢达. 光子学报. 2000
[10]. 基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的研究[D]. 关堂兵. 天津大学. 2007
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