生物组织光传输的系统模型及应用

以辐射传输方程为基础，讨论了生物组织光传输问题的线性空间平移不变性,同时建立了层状生物组织光传输问题的系统理论及相应的计算模型.与Monte Carlo方法的对比计算表明：该模型在保证结果准确性的前提下，可极大地提高生物组织光传输问题的计算效率.在此基础上，将该模型应用于层状生物组织内会聚光传输问题的理论计算，讨论了光源会聚角对生物组织内光场分布的影响.     

光在分层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模拟研究

建立了光在发层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模型,计算了皮肢层状结构的光传输特性,考虑联折射率不匹配带来的影响及不同光束特性（如均匀分布平面光场、高斯光束、光纤光束）对传输行为的影响,分析了分界面处光通量的传输特性,给出了不同特性光束的生物组织的表面漫射率曲线,比较了高斯光束和平面光场的卷积结果。     

光源会聚角对生物组织光传输问题的影响

基于漫射理论, 建立了可处理任意空间光源照射下生物组织内光传输问题的计算模型, 并编制了相应的计算程序. 在此基础上, 通过大量的数值计算讨论了光源会聚角对组织内光场空间强度分布和组织漫反射场的影响. 结果表明：随着光源会聚角的增大, 组织内光场分布和组织漫反射的分布趋于集中, 当大于一特定角度之后, 光场强度的分布区域迅速扩大, 强度迅速下降, 同时强度出现极大值的位置开始偏离中心位置.     

漫射近似在测量生物组织光学性质中的适用范围

漫射近似理论经常被用来作为测量生物组织光学特性参数实验和方法的理论基础,但是漫射近似理论只是一种对辐射传输理论的近似结果,在一定条件下有其特定的适用范围.为了确定漫射近似理论在活体非侵入式无损测量要求下的适用范围,本文采用Monte Carlo模拟校验的方法,对漫射近似理论和Monte Carlo模拟计算的结果进行了比较,给出了基于单散射反照率a和各向异性因子g的漫射近似理论适用范围数值标准.这一标准为漫射理论的应用提供了参考依据.     

太湖梅梁湾水下光场扰动的特征分析

在水体表面波的扰动作用下,水下光场随深度呈现较为明显的波动现象,且水中光合作用会对水下光场波动作出响应,因而此现象引起了广泛的关注。基于太湖梅梁湾观测的水下光场数据,计算了水下光场随深度的变化,并分析了其波动特征。结果表明:表面波引起了水下光场较为明显的波动现象,波动振幅最大的深度基本小于20 cm,远小于海洋中对应的深度;水下光场波动的振幅随深度呈e的负指数衰减,漫射消光系数越大,水下光场的波动衰减得也越快;当深度大于30 cm时,水下光场的扰动现象基本消失。还计算了船舶对水下光场观测的影响,发现直射光未被遮挡的情况下,漫射比例越高,其相对误差越大。     

利用DDA方法计算大气气溶胶粒子光学特性

大气气溶胶是大气的重要组成部分,其光学特性是研究大气辐射传输特性的重要参量。本文基于DDA方法,对不同形状气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子的消光因子、吸收因子随波长变化的数值结果。结合Muller散射矩阵,给出了气溶胶粒子散射强度和极化度的角分布,为研究大气辐射传输提供了有效的方法。     

线光束照射下局部病变组织背散射场角分布研究

将内含异质层的半无限生物组织作为研究线光束照射下局部病变组织背散射场的近似模型，在此基础上，引入倍加算法对线光束照射下局部病变组织背散射场角分布进行数值计算。根据数值计算结果，分析了不同组织层几何参量和光学参量对背散射场角分布的影响，结果表明：“病变组织层对背散射场中小角度光的影响明显大于对大角度光的影响；背散射场的角分布对病变组织的几何参量(埋藏深度和光学厚度)较为敏感，而对病变组织光学参量亦即病变组织性质的差异敏感度较低。”同时还对含肿瘤的乳房组织的背散射场角分布进行了计算和分析，为将背散射场角分布应用于组织内隐藏异物的无创伤诊断提供了理论参考。     

基于矩阵变换的光场成像及重聚焦模型仿真

基于光场的两平行平面表示方法,针对光场相机两参考平面间的共轴空间距离变换、离轴空间距离变换、轴旋转和沿轴旋转以及透镜作用等对光线描述方式的影响,给出了相应的光场矩阵变换方程,并利用这些方程,建立了光场相机的成像模型、采样模型及辐射传输模型.从光场共轴空间距离变换的观点出发推导出可实现不同点清晰成像的数字重聚焦公式.利用所建立的模型,计算机仿真生成了目标景物,并用所建立模型对生成景物进行了数字重聚焦,验证了数字重聚焦后的图像与直接聚焦图像的一致性.     

平稳状态下匹配介质三层漫射方程的空间分辨漫反射

如果应用漫射方程分析和确定生物表面组织的光学特性,就能够确定生物活体是否发生病变,实现生物活体的无损探测。目前,光在生物体内传播常用的基本模型是半无限厚模型和两层介质模型。而实际上,人体组织为多层介质。根据漫射方程理论,在平稳状态条件下,使用外推边界条件,精确给出了匹配介质中平稳状态下三层体系光的漫射方程格林函数的解。通过此解,可以算出空间分辨漫反射。使用蒙特卡罗方法来验证三层体系的漫射方程,发现我们给出的理论解,不仅可以包括与Kienle的结论一致的两层体系模型的空间分辨漫反射的解,而且三层体系漫射方程的空间分辨漫反射解和蒙特卡罗方法基本一致。     

高聚物与光场相互作用的微观机制

分析光场与高聚物相互作用的微观机制，介绍高分子与小分子在光场作用下的极化过程。对在窄束光场作用下，高分子链极化后链上各处极化程度的分布情况进行研究，指出对于高度拉伸的聚合物薄膜，电偶极子模型不适合准确解释高分子与光场相互作用的微观机制。为此，采用符合实际的天线模型分析高分子天线与窄束光场的相互作用，从理论上推导出天线模型高分子链上一小段的极化公式，并用离散变分方法——DVM（discrete variational method）计算一个高分子链的极化分布，验证了文中推导出的分式的合理性。最后，将极化分布看作是电流在天线上的分布，计算了天线的次级辐射在空间中的角分布，得到天线模型对电偶极子模型的修正因子。     

650nm光在Intralipid-10%中分布的测量和分析

本文提出一种用光纤测定光在生物组织模型Iitralipid内部光分布的方法并测定了650nm激光在Iitralipid 10%中的分布,该方法与各向同性球形光纤探头探测组织内光分布是一种互补的方法。实验结果揭示了在生物组织模型中不同方向散射光的分布规律,表明了不同的组织光学参数和不同直径的入射光束与光分布之间的关系;采用外推边界条件的漫射方程解拟合前向散射光的测量数据确定了组织模型的散射系数和吸收系数并得到较好的结果,所测量的光学参数与公开发表的结果比较其差别在2 35%以内。     

用基于方位分辨的漫后向散射光确定粒子尺寸分布及相对折射率

基于偏振门技术,提出了利用漫后向散射光随线偏振光入射方位的变化来测量双层模型表层的粒子尺寸分布及相对折射率。双层物理模型用来模拟上皮组织,上层分别由聚苯乙烯小球或HeLa细胞悬浮液组成,下层由脂肪乳溶液组成,每层的光学特性与上皮组织光学特性匹配。根据米氏(Mie)散射理论,建立了与散射体形态参量相关的偏振后向漫散射强度随入射偏振方位变化的理论模型,并采用浮点遗传算法反演程序获得表层粒子的尺寸分布(PSD)及相对折射率。将理论值和实验测量值进行比较。研究结果表明通过测量随方位变化的后向漫散射光的偏振差分信号,能够获得类上皮组织模型表层的形态结构信息。     

基于P3近似的空间分辨漫反射研究

光源附近组织的空间分辨漫反射是近年来生物医学光子学领域的一个研究热点,其目的是发展一种能够测定活体生物组织光学参量的新技术。漫射近似理论研究光源附近组织的空间分辨漫反射具有很大局限性。P3近似理论考虑了相函数的三阶矩,能较准确地描述光源附近组织的光辐射分布。研究了基于P3近似的空间分辨漫反射,从输运理论的PN方程组出发,导出了P3近似方程组和P3近似的格林函数解;阐述了漫射近似与P1近似的关系,给出了外推边界条件下,准直光束近似后的P3近似漫反射率的完整表示,讨论了相函数二阶参量对P3近似漫反射的影响,并与漫射近似和蒙特卡罗模拟结果进行了比较,指出了P3近似的应用范围。     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

The Angular Distribution of Light Particle Projectile Based on a Semi-Classical Model

A semi-classical model of multi-step direct and compound nuclear reactions is proposed to describe the angular distributions of the light particle projectiles from reaction processes induced by a nucleon with energies of several tens of MeV. The exact closed solution to the time-dependent master equation of the exciton model is applied. Based on the Fermi gas model, the scattering kernal between two-nucleon collieion includes the influences of the Fermi motion and the Pauli exclusion principle, which give the significant improvement to rise of the backward distributions. The energyangular correlation for the first few steps of the collision process (muli-step direct process) yields the further improvement of the angular distribution. The pick-up mechanism is employed to describe the composite particle emission. Thh reasonable physical picture reproduces the experimental data of the energy spectra of the composite particles satisfactorily. The angular distribution of the emitted composite particle is determined by an angular factor in terms of the momentum conservation of the nucleons forming the composite cluster. The generalized master equation is employed for the multi-step compound process. Thus a classical approach has been establised to calculate the double differential cross sections for all kinds of particles emitted in multi-step nucler reaction processes.     

Estimation of optical abnormalities in breast phantom by diffuse equation

Optical imaging is an emerging method for bio-imaging. The advantages of this imaging provide non-ionizing and safe radiation, non-invasive and functional medical imaging. Due to diffusion of photons inside biological tissues, its image processing is complicated. So in spite of these advantages, this imaging method has not been progressed like ultrasound imaging and magnetic resonance imaging (MRI). Also, the penetration depth of photons inside biological phantom is low. To overcome this problem, the complicated diffusion of photons through tissue must be modeled. The diffuse equation can be applied to simulate photons through turbid media like biological tissues. In this paper, the diffuse equation is used to study propagation of diffuse photons. The green function method is applied to solve this equation, and then the optical properties of abnormalities in breast phantom are estimated. This fast method can be applied for image processing.     

Lesion location inside live tissues using the scattering of polarized light

The temporal intensity distributions of the transmitted light through the tissue with lesion structures are investigated using the polarized Monte Carlo technique. Simulation results show that time-resolved curves of transmitted light change obviously for different lesion structures. When the lesion thickness increases, the intensity of transmitted light decreases for co-polarization detection and increases for cross-polarization detection. With the increase of the lesion depth, the amplitude rises for both co- and cross-polarization detection. A method considering the dependence of the peak temporal distribution on the lesion position is thus proposed to locate lesions inside live tissues.     

Variation of photon density distribution with system component within Intralipid emulsion

In order to recover distributions of optical parameters of underlining tissues utilizing backreflection optic tomography or diffuse reflectance spectroscopy for diagnostic proposes, trajectories of photons should be correctly estimated within tissue. Therefore, we have simulated the soft tissues with 1% Intralipid emulsion and have determined photon density distribution as a function of depth inside the Intralipid emulsions using laser light of wavelength 808 nm and two different detectors for different source-to-detector (S-D) separations. In this study we have shown difference in path distribution of the detected photons with two different detectors with different sensitivity for the same S-D separations in the Intralipid emulsions. This study has also shown that, the maximum penetration depth (MPD) of the detected photons is not an increasing function of the S-D separations. After reaching a maximum depth, the penetration depth decreases as S-D separation increases.     

氖原子光电子角分布的理论计算

本文利用密度矩阵理论和Racah代数推导出了光电子角分布的一般计算公式, 并在多组态Dirac-Fock方法基础上发展了计算原子光电离过程中产生的光电子角分布的相对论程序, 利用该程序对氖原子2s和2p光电子角分布的偶极和非偶极参数进行了具体计算, 所得结果与已有文献具有很好的一致性. 在此基础上, 本文讨论了光子与电子相互作用多级展开中的非偶极项以及入射光的极化性质对光电子角分布的影响.