两层生物组织光学特性参数无损测量的模拟研究

生物组织的光学特性参数是与疾病的无损光诊断有关的重要的光学参数，一般的测量所应用的模型是假设生物组织为半无限厚的均匀结构。为了更能反映生物组织的真实特性，本文应用两层结构模型，即假设第一层为有限厚的均匀组织，第二层为半无限厚，由漫射方程经过傅立叶变换得到传输方程的漫射解。为检验漫射解的准确性，将漫射解的表面漫射光分布与Monte Carlo模拟结果进行了比较，结果表明两者符合得很好。为了研究由漫射解是否可以获得两层组织的光学特性参数，将漫射解与Monte Carlo模拟数据进行了非线性拟合，反演获得组织的光学特性参数，结果表明，由漫射解可以获得两层组织的有效散射系数和吸收系数。     

生物组织光学参数的离体和在体无损测量

利用漫反射无损测量装置对实际生物组织的光学性质进行了测量,同时对人体前臂进行了在体测量,利用漫射近似所得到的两个解析表达式,对实验数据进行非线性拟合得到了两组光学特性参数,与其它文献中的结果相比较,一方面证实了我们实验设计的可行性,另一方面验证了漫射近似所得到的两个解析表达式之一更准确一些.     

用人工神经网络方法测量生物组织光学参数γ

提出了一种利用亚扩散空间分辨漫反射预测生物组织约化散射系数μ_s'和相函数参量γ的人工神经网络方法 .采用蒙特卡罗方法得到光子经生物组织漫反射的数据样本,利用这些数据样本训练反向传播神经网络,用于从亚扩散散射光中预测γ的信息.为了解决同时预测μ_s'和γ两个参数时会产生较大误差的问题,分段数据训练两个BP网络,依次识别μ_s'和γ.研究发现3.64l_(th)(l_(th)表示平均输运自由程)是对γ的不敏感点,可用该点附近的数据样本训练网络用于预测μ_s',用2l_(th)范围内的数据样本训练网络用于预测γ.蒙特卡罗仿真结果表明,在1.3≤γ≤1.9范围内,预测结果与真实值的相对均方根误差在1%以内.与现有的测量方法相比,所提的人工神经网络方法更加简单,且提高了预测精度.     

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。     

生物组织血液灌注率的无损测量研究

本文提出了无损测量生物组织血液灌注率的体表绝热法。推导出了体表绝热时生物组织内温度响应的一维解析解。采用二维生物传热模型,分析了生物组织有限厚度、体表有限绝热面积和血液灌注率分布不均匀的影响。对人体组织的血液灌注率进行了测量,实测温度响应与理论预测值吻合。由于利用的只是体表的瞬态温度信息,对生物组织不会造成损伤,也不会干扰生物组织正常的生理状态,整个测量系统也比较简单。     

生物组织光学参数与热物性参数的相关性研究

基于组织光学和人工神经网络理论,提出了一种全新的确定生物体热物性参数的方法.利用积分球系统测量介质组织光学特性参数,以该特性参数作为人工神经网络输入变量,以热物性参数为目标变量,利用神经网络的自学习系统,最终建立光学特性参数与热物性参数间的非线性映射一黑箱模型.为验证模型,测量了多种热物性参数已知物质的光学特性参数,然后由黑箱模型得到热物性参数计算值,计算值和已知真实值的相对误差均在5%以内.该方法可用于测量生物体的各种热物性参数.     

生物组织光学特性参数的无创检测理论与技术

无创定量确定生物组织的光学特性在医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和广泛的应用前景。作为生物组织光学特性参数无创检测技术的理论基础 ,首先简要介绍了描述散射介质中光传播及分布的漫散射理论及蒙特卡罗模拟算法 ;然后分别介绍了用漫散射理论和蒙特卡罗模拟算法无创定量确定生物组织光学特性参数的具体方法 ;最后总结了到目前为止无创定量确定生物组织光学特性参数的研究成果 ,并对今后的工作作了展望     

光电子材料光学参数的无损检测

利用消光式椭圆偏振光谱法 ,在室温下可见光区对光电子材料镓铟磷的光学参数进行了测量 ,得到该材料的折射率和吸收系数随光子能量的变化关系曲线 ,并对结果进行了分析和讨论 ,给出了镓铟磷带隙的位置     

新生儿脑部光学参数的无损检测

生物组织的光学参数与组织中各种生化、生理以及病理过程密切相关。利用频域近红外光谱技术,使用一个140 MHz的射频振荡源对不同波长的半导体激光管进行调制,通过精确测量距离光源一定距离处光子密度波的相位延迟和幅度衰减,并借助于一个光学参数已知的校准模型,实现了对23个新生儿头部组织光学参数的定量测量。并且根据两个波长(788和832 nm)下的吸收系数的测量结果进一步得到了新生儿脑部组织的生理学参数。实验结果表明,这种便携式的频域近红外光谱系统可以有效地获取新生儿头部的光学和生理学参数。     

艾灸过程生物组织的传热特性实验研究

为了研究艾灸过程生物组织内的传热特性,探究艾灸疗法的温热刺激机理。本文采用红外热像仪和热电偶探针,对离体猪肉腹部组织和均匀琼脂凝胶在温和灸("拨灰"和"不拨灰")过程中的空间温度场分布和变化规律进行了实验研究。从生物传热学角度分析了离体猪肉组织艾灸过程的组织传热机理和动态响应特征。研究结果表明:温和灸的"拨灰"过程有利于提高组织表皮及内部温度,延长高温持续时间,加强艾灸温热刺激的作用;艾条燃烧的辐射在猪肉组织皮肤层中有明显的散射衰减,且琼脂凝胶与离体猪肉均具有温度滞后现象,可使用琼脂凝胶来代替离体生物组织简化实验。     

温度对生物组织模拟液光学特性影响的研究

采用牛奶作为生物组织的模拟液,研究温度变化对生物组织光学特性的影响。应用双积分球技术对牛奶在光波波长为1100~1700 nm、温度25~40℃范围内的光学参量进行了测量,分析光学参量随温度的变化规律。结果表明,温度对散射作用的影响比吸收作用更大,随温度的升高,约化散射系数具有明显减小的趋势。与25℃相比,40℃下的约化散射系数下降了约10%;而吸收率的变化趋势不明显且规律复杂。以上研究结果与公开发表的人体离体皮肤组织光学参量随温度变化的研究结果基本一致,从而为深入研究温度对生物组织光学测量的影响提供了理论和实践上的指导。     

基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。     

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.     

基于矩变换的生物组织光学特性参量反演

针对漫射模型在近光源区具有较大模型误差,导致光学特性参量反演准确度较低的问题,提出了一种利用矩变换,改变原始数据形态,提高反演准确度的方法.比较了不同阶次条件下的光学特性参量反演准确度和拟合残差的统计分布状况,分析了不同信噪比下重构系数的相对误差.对25组数据的研究结果表明:3阶矩变换可显著提高两个光学参量(μa、μ′s)的估计准确度.在无噪音条件下,吸收系数μa重构的平均相对误差为7.04%;有效散射系数μ′s重构的平均相对误差为5.55%,相比于自然对数变换,μa降低了8.57%;μ′s降低了32.73%.在信号噪音满足一定条件情况下(大于50dB),3阶矩变换仍然能获得较高的光学参量反演准确度.矩变换方法能有效地提高光学特性参量反演估计准确度.     

LED光学特性的测量与研究

采用微型光纤光谱仪测量了LED的峰值波长、半高宽、光强的角分布及不同温度下的LED光谱.通过对LED光学特性的定性、定量测量及探究,有助于学生了解LED的原理和结构、相关特性及测量方法.     

哺乳动物五种离体组织光学特性的测量

光在哺乳动物组织中的传输依赖于组织体的光学特性,组织的光学特性是由吸收系数、散射系数和散射相位函数决定的。我们设计并实现了哺乳动物5种离休组织光学特性的测量。对实验方法和技术作了较大的改进,联合组织体漫反射特性和光能流率的测定,获得了满意的结果:光穿透深度δ=1.1～5.06mm,吸收系数μ_a=0.4～1.6cm^-1.有效散射系数μ_s(1-g)=2.7～17.7cm^-1.这种测量方法可用于人体组织光学特性的测量。     

用阶跃温升法测量生物组织的热物理参数

生物体的热物性是研究生物组织热物理问题的基本参数。本文设计制作了以热敏电阻为探头的生物探针,基于阶跃温升法研制了相应的测量电路和计算机采集和控制系统,测量了生物组织的导热率,分析了组织试样尺寸对测量的影响。离体实验表明,阶跃温升法能够可靠地测量生物组织的热物性。     

研究性实验:GaN光学特性研究

本文介绍了研究性实验——GaN的光学特性研究实验的开发过程以及一些体会．     

热作用过程中生物组织特性变化的光学监测

基于热作用下生物组织特性的理论，描述了最新的理论研究进展，介绍了将光学监测技术用于热致组织特性变化研究的原理与方法，并给出了典型的实验结果；生物组织的散射系数与损伤特性的关联：生物组织的吸收系数对脱水量的依赖性；热作用下血液灌注的光学成像监测。将光电技术用于热作用过程中生物组织特性变化的监测，对进一步完善热疗理论、实现热疗的在体监测具有重要的理论意义与实践意义。     

基于漫反射模型的生物组织光学特性参量迭代反演

提出一种基于迭代反演的输运平均自由程估计及光源-检测器最小距离确定方法.该方法利用迭代估计思想,自适应地改变光源-检测器最小距离,提高光学特性参量的反演准确度.对29组仿真数据的研究结果表明:迭代反演对输运平均自由程初始值不敏感,具有较高的鲁棒性,可在一定程度上提高吸收系数和有效散射系数的反演准确度.在无噪声的条件下,吸收系数反演的平均相对误差为7.17%,有效散射系数反演的平均相对误差为5.73%,与传统方法给定的光源-检测器最小距离下反演的最佳结果相比,分别降低了1.73%和1.14%.在加入信噪比为40~80dB噪声的情况下,该方法仍然能获得较高的光学特性参量反演准确度,吸收系数误差的变动范围为8.46%~10.05%;有效散射系数误差的变动范围为6.79%~8.76%.