光在生物组织中的传输与生物组织光学性质的研究

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1、南开大学博士学位论文光在生物组织中的传输与生物组织光学性质的研究姓名：孙美秀申请学位级别：博士专业：光子学与技术指导教师：张春平20080401摘要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意义和应用价值。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。介绍了描述光在生物组织中传播的辐射传输理论，在漫射近似下给出了生物组织内光传输的漫射近似方程，以及在不同边界条件下无限细光束垂直入射到半无限大生

2、物组织的漫射方程的解。MonteCarlo方法已经成为检验散射介质中各种近似解法的一种非实验标准，文中从随机变量的取样，生物组织中光传播的MonteCarlo模拟过程，物理量的处理，卷积问题等方面对该方法进行了系统的介绍。在对生物组织光学性质研究的实际测量中，入射光束都有一定的尺寸，因此我们从无限细光束入射半无限大生物组织中的光强分布公式出发，通过卷积的方法推导出了有限宽光束入射半无限大生物组织中的光强表达式，并通过实验结果来验证了理论结果的准确性并对有限宽光束入射的漫射近似的精度进行了分析，该方法相

3、对于MonteCarlo模拟方法，具有简单和快速的特点，并且能够给出各个方向的具体的光强分布，有利于漫射近似的实际应用。用MonteCarlo方法模拟了生物组织在半无限大，单层和双层圆柱边界条件下的光传播，讨论了边界条件对生物组织中光传播的影响。用MonteCarlo方法模拟了圆柱边界条件下生物组织中的光传输，给出了圆柱边界条件下，生物组织中的能流率随空间的变化，并与实验结果进行了比较，验证了模拟计算的正确性。生物组织光学性质的准确测量是医疗诊断和治疗的前提，其中活体检测尤为重要，因此我们利用透射法测

4、量了生物组织鱼在活体下的光分布，并确定了光学特性参数，为活体生物组织光学特性参数确定的技术的发展提供了有用的信息。并利用测量生物组织中的光强分布，通过非线性拟合的方法确定了生物组织模拟液的光学特性参数，为液体生物组织光学特性参数的确定提供了新的手段，也可用于检验无损装置的准确性。为了研究表面粗糙度对生物组织光学特性参数确定的影响，我们利用空间摘要分辨稳态漫反射技术和测角光度计技术测量了入射区域分别为光滑和粗糙的尼龙棒在不同表面粗糙度下的漫反射性质和入射区域分别为光滑和粗糙尼龙薄膜在不同表面粗糙度下的散

5、射相函数性质，进而确定了入射区域分别为粗糙和光滑的尼龙在不同表面粗糙度下的光学特性参数，结果表明表面粗糙度对光学特性参数的确定有一定的影响，而入射区域的表面粗糙度的影响是主要的。为了量化研究表面粗糙度对生物组织内光分布测量的影响，我们测量了650hm激光入射下生物组织模拟样品nIntralipid．20％在不同表面粗糙度下的光分布，结果表明表面粗糙度对生物组织中的光分布有重要的影响。生物组织表面都具有一定程度的粗糙度，表面粗糙度对生物组织光学特性参数的确定和生物组织内部的光分布的影响是真实存在的，所以

6、确定生物组织的光学特性参数和测量生物组织中的光分布需要考虑表面粗糙度的影响。用MonteCarlo方法模拟了生物组织中的光传输过程，获得了组织中能流率的分布，由于该方法是跟踪单个光子的散射和吸收过程，只要跟踪的光子数足够多，可认为该方法所得结果是精确的，因此我们将MonteCarlo模拟所得结果作为标准来验证漫射理论所得结论的正确与否，通过将MonteCarlo模拟结果与漫射近似理论比较以及曲线拟合，证明了由卷积方法得到的有限宽光束入射半无限大和双层生物组织的漫射近似模型的准确性，并研究了有限宽光束在

7、生物组织传输的性质，给出了不同光束半径入射生物组织中的能流率。关键词：生物组织：漫射近似；表面粗糙度；光散射；MonteCarlo模拟；光学特性参数IIAbstractItisimportantforbiomedicalphotonics，medicaldiagnosisandtherapytoinvestigatethepropagationoflightinbiologicaltissueandopticalpropertiesoftissue，therefore，thelightpropagat

8、ionintissueandthemeasurementsofopticalpropertiesofbio．tissuesarestudiedinthisthesis．Basedonthelighttransporttheory,thediffusionequationforlightpropagationintissuewasobtained．Thediffusionequationwassolvedwithdifferentboundarycondi