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     

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.     

生物组织的散射相函数及其二阶光学参量的性质

生物组织是一种复杂介质,在许多情况下仅仅用各向异性因子g来描述其散射特性是不够的。由于二阶参量γ是一个与相函数的二阶矩g2有关,并表示与一阶参量g1关系的量,因此用g和γ两个参量能更好地描述组织的光学性质。对几种目前用于描述人体组织的相函数及其二阶参量作了简要讨论,在此基础上研究了相函数的选取对测量参量γ的影响。研究表明γ是一个可测量的组织参量。研究工作对于建立含有相函数高阶矩的漫散射理论,对如何测量生物组织的高阶参量γ,并能够准确测量其它光学参量具有重要理论意义和实际府用价值。     

含有高阶参量的生物组织光学漫反射的半经验解析模型

漫反射光谱技术对生物组织快速和无创测量具有非常重要的意义,但缺乏精确的关于漫反射的解析解限制了该技术有效的应用.本文根据光子迁移理论和二阶相似关系推导了半经验公式,然后利用Monte Carlo方法研究了二阶参量γ对半经验公式的影响.研究表明,当小孔径收集漫反射光时,反射率与γ成二次函数关系.与其他含有高阶参量γ的解析模型相比,本文提出的半经验解析模型具有简单的数学形式,这为生物组织光学参量测量和漫反射光谱应用提供了新的理论和技术支持.     

散射相函数的高阶光学参量研究

漫反射光谱技术被广泛应用于无创测量生物组织光学性质。当光源与探测器很近时,仅仅依靠吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s不能准确描述光源附近光的传播状态。而二阶光学参量γ的引入改善了近光源光的传播状态的描述。本文将生物组织的散射等效成特定球形颗粒的散射,基于Mie散射理论,计算了与散射相函数p(θ)有关的单粒子和多分散系粒子的二阶光学参量γ,研究了γ随尺度参数α和相对折射率m的变化规律,描述了γ与组织结构参量之间的联系,并阐述了γ对粒子特征的表征能力。研究表明,参量γ对尺度参数α小于2的微粒尺寸的改变是敏感的,并呈二次函数关系,其系数与相对折射率呈线性关系;对于相对折射率和尺度参数都不相同的两个粒子,他们的各向异性因子g相同时,二阶光学参量γ却不同,粒子越大,γ表征粒子特征的能力越强。这对于无创探究组织微观形态具有深远的意义。     

用双点源δ-P1近似光学模型反演生物组织的光学参量

根据空间分辨漫反射的双点源δ-P₁近似理论模型,采用非线性最小二乘法,从反射率的测量数据中反演得到了生物组织的吸收系数μ_a、有效散射系数μ' _s和二阶参量γ.研究表明,在光源与探测器之间距离大于一个输运平均自由程的情况下,双点源δ-P₁近似能较好地描述光源附近的光辐射分布,而且能够根据参量γ与μ' _s的关系得到组织的各向异性因子g.这些研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义. 关键词： 组织光学 P₁近似')" href="#">δ-P₁近似 光学参量 双点源     

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.     

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。     

利用人工神经网络方法提高差分光学吸收光谱系统测量精度研究

差分光学吸收光谱法已经变成了测量大气中微量气体浓度常用的方法。微量气体的浓度通过对大气吸收光谱的分析得到。但在实际应用中，由于受到硬件条件的限制，使得每次分析的光谱带宽有限，造成分析的误差较大，结果不够稳定。这里提出了一种利用多层自适应线性（Madaline）人工神经网络对光谱进行扩展的方法，并对试验结果进行了比较，收到了良好的效果。     

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.     

用蒙特卡罗方法研究生物组织中的光分布

本文利用蒙特卡罗方法研究准直光束通过生物组织时其内部光吸收剂量分布的特点．计算模型设定的条件为：组织与其边界折射率不同、组织为纵向有一定宽度的层状结构．理论的计算模拟结果已同组织模拟体的实验结果作了比较，两者能较好的吻合．     

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%.     

新型门控光子计数法测量高散射介质的光学参量

讨论了一种新型而且简单的门控光子计数法，用来测量高散射介质的光学参量。当一束光脉冲入射到高散射介质后，该方法可以恢复出光脉冲经过散射后从介质表面逸出的波形。与传统的门控光子计数法相比，该方法利用计数器控制门可以移动的特点，通过滑动宽度为60ns的控制门实现较高的时间分辨力200ps。在此波形的基础上，Patterson—Chance方法可以快速而且准确计算出被测介质的光学参量。在模型介质上的实验，验证了该方法的可行性，实验结果与复杂的时间相关的单光子计数加曲线拟合方法相比较，误差小于10％。     

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。     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.     

在多层结构的生物组织中近红外光子迁移的研究

在无损近红外光学诊断领域中,研究光子在多层生物组织中的迁移十分重要。本文以猪的脂肪和肌肉组成的两层结构作为研究的样品。将近红外光源和检测器置于脂肪的表面,由光源发出被两层组织反射的光子的一部分由检测器所接收。本文给出了光电流与光源到检测器的距离的关系以及光电流与脂肪厚度的关系。为了分析实验结果,用蒙特卡罗仿真计算光子在均匀介质中迁移轨迹,用菲涅耳定律来决定光子包在脂肪和肌肉边界处的折射分量和反射分量。结果表明,仿真数据与实验符合得很好。结论是：本文中所提供的实验和仿真方法对于分析光子在生物组织中的迁移以及优化传感器设计十分有用。     

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。