生物组织光分布的数值模拟及测量研究

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近年来生物医学光子学研究发展迅速，光与生物组织间的相互作用及分布规律成为热点研究内容。考虑到组织结构的多样性和生理状态的复杂性，准确地描述出光传输规律十分困难，这需要获取完备的光学特性参数以建立组织模型。同时组织的生理、病理状态和光学参数密切相关，因此光学参数的测量是生物医学光子学的研究重点，在临床光诊断和光治疗中具有重大的理论和实际意义。
　　蒙特卡罗算法常用来考察粒子的追踪问题，它的精度极高，常常作为理论模型的非实验性检验标准。本文采用蒙特卡罗算法探究光子在组织内的传播规律，其基本思想是模拟光子与介质粒子的相互作用，并通过若干次独立重复实验来统计每个光子的运动轨迹，进而得到宏观的光传输情况。
　　首先本文论述了光在生物组织中的传播规律，从光子传输理论和漫射近似理论出发，给出了三种不同的近似边界条件，得到了稳态情况下的光分布理论模型；以蒙特卡罗算法作为标准结果，对理论模型的精度和适用范围进行了验证。
　　然后本文对生物组织光传输的蒙特卡罗算法进行研究。根据现有的稳态蒙特卡罗算法，建立了多层生物组织模型，用卷积方法分析了光束半径对光分布的影响；对现有算法进行了优化与改进，得到了时域蒙特卡罗算法，实现了漫反射率光谱的记录，并依据漫射近似理论验证了算法的准确性；在不同探测位置下，分别考察了吸收系数、散射系数、各向异性因子和相对折射率对仿真结果的影响。
　　最后本文对组织光学参数进行实验测量。分别搭建了空间分辨和时间分辨的光学参数检测平台，并详细给出了实验原理、设备型号以及相关参数；以组织样品块为研究对象，测量了样品的漫反射率信号，并利用Matlab Cfool工具箱和编写的拟合程序对实验数据曲线进行光学参数反演；同时本文对拟合理论模型的选取和拟合范围的确定进行了深入讨论，有效地提高了测量精度，并与样品块的标准值进行了对比和分析。

著录项

作者
王玉娇;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科机械电子工程
授予学位硕士
导师姓名王武义;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类生物光学;
关键词
生物组织; 光分布; 蒙特卡罗; 漫射近似法; 参数测量;

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