强散射生物组织光学特性参数的重构

生物组织光学特性参数无损测量技术的研究在医学诊断和治疗中有着重要意义和广泛应用前景.为求取最优化的光学特性参数,基于准直激光束通过均匀生物组织时所形成的表面漫反射光分布,提出利用退火遗传算法重构生物组织的光学特性参数,用此方法成功地实现了对强散射均匀生物组织多个光学特性参数的联合重构.     

生物组织的光学特性及其测量技术

从物理学的角度系统地分析了生物组织的光学特性及组织光学特性参数测量的基本原理和方法,重点讨论了积分球测量技术．     

测量生物组织光学特性参数的单积分球技术

对测量生物组织光学性质的单积分球系统和双积分球系统进行比较和分析，提出了一种应用比较法进行测量生物组织漫反射率和透射率的单积分球技术，并通过Kubelka-Munk模型获得了离体猪肌肉组织光学特性参数，这种测量技术也适用于离体人体组织的光学特性参数测量．     

生物组织光传播的理论研究

从光的传输理论出发,利用漫射近似方程,推导出当无限细脉冲光及连续光束垂直入射到生物组织表面时,生物组织表面漫反射光随空间及时间变化的解析表达式。详细分析了组织光学特性参数与组织表面漫反射挑分布之间的关系,为生物组织光学特性参数的无损测量提供了理论根据。     

基于f可调δ-P1近似的生物组织光学特性参数的解析

呈现一种基于可调f参数的δ-P1近似理论,结合自适应遗传算法和非线性曲线拟合,获得生物组织光学特性参数(吸收系数、散射系数和各向异性因子)的多步非线性优化算法;其中关键步骤是第一步采用自适应遗传算法精确地确定自由程,而优化用到数据来源于蒙德卡洛模拟(MC).结果表明,结合可调f参数的δ-P1近似理论,采用以自适应遗传为主的算法可以大大减少生物组织光学特性参数的估计误差.     

基于光热频谱检测技术的非均匀材料导热系数二维重构算法

在材料热学参数深度剖面重构理论的基础上,建立了一种基于光热检测技术的材料参数分布重构算法,用于处理有关二维非均匀材料热学和光学参数的反问题,实现对存在损伤性裂纹或含有杂质的薄板状样品的无损检测与评价.同时,该算法也是处理三维不均匀固体材料物理参数重构的理论基础.通过模拟光热信号对算法进行数值模拟,结果表明:通过3次迭代,重构函数的形态与原始函数的形态吻合良好,这说明基于光热检测技术的反演方法在理论层面上可靠、有效,可用于处理二维板状非均匀固体样品的热学参数重构.     

OCT系统对单层散射组织的有效探测深度

为了研究光学相干层析术(OCT)系统在细直光束下对高散射生物组织的深度探测能力,介绍并应用了一种基于蒙特卡罗仿真方法的OCT模型.通过对蒙特卡罗仿真结果的统计分析,提出了OCT系统有效探测深度的评估方法,并分析了生物组织的光学特性参数对有效探测深度的影响.研究表明,生物组织的散射系数越小,越有利于提高OCT系统的有效探测深度.     

用相干光场相位检测法确定生物组织模型的非均匀性

研究光在混浊介质或生物组织内传播的光场分布的变化,可以间接地获得介质的散射和吸收特性以及介质内部结构变化的有用信息。文章给出了一种描述光在均匀散射介质中传播的光场分布的理论和计算机仿真。在此基础上,通过结合组织近红外光谱学技术（ＮＩＲＳ）与现代激光技术,研究了一种用近红外光学相干相位阵列调制法探测生物组织非均匀性（肿瘤）的新方法。设计了组织光学特性模型,并进行了各种不同条件下实验。探索了生物组织中光场分布与组织特性之间的相互关系。实验表明,给出的检测如大脑和乳腺中存在小吸收体的方法是简单、可行和有效的。     

生物组织光学特性参数无损测量的实验研究

通过测量生物组织表面的漫射光分布,利用漫射近似得到的解析表达式,反演其光学特性参数,实现光学特性参数的无损测量。无损测量结果与其它文献报道的结果进行了比较,证明了试验设计的可行性。     

近场光学显微术对凋亡HeLa细胞成像的探索

用扫描近场光学显微镜对凋亡的HeLa细胞进行了近场光学成像,得到优于光学衍射极限的光学分辨率.由于近场光学显微镜同时测量细胞表面形貌信息和透射光强信息,可以将细胞表面及其内部的物质结构特性和光学特性与空间位置相结合,获得凋亡细胞的结构信息与光学细节信息的对应关系.运用近场光谱方法在不同波长进行透射光谱成像时,不同波长的光在细胞内的传播与吸收所造成的光强分布存在显著差别,这种特性可以用于对细胞内不同组分的超高空间分辨率成像.结合近场光学成像和光谱成像结果,表明凋亡HeLa细胞内部为非均匀结构,并且其物质分布也极不均匀.研究表明,运用近场光学显微镜和近场光谱成像技术,不但提供优于衍射极限的高分辨本领,还可以提供生物细胞精细结构的更深层次的光学信息.     

动态光热参数情形下激光牛肌肉组织光热响应模拟

以牛肌肉组织为模拟对象,考虑到其光热光学和热学参数对温度的依赖性,运用有限元方法模拟了激光在牛肌肉组织中的传输以及动态热响应过程.通过数值求解热传输方程,得到牛肌肉组织内部的温度场分布,并与静态光热参数情形下的结果进行了比较.结果表明:若不考虑光学参数以及热学参数随温度变化的影响,将高估牛肌肉的温升;与热学参数相比,动态光学参数更大程度地影响牛肌肉组织的温度响应;在激光辐照的过程中,牛肌肉组织表面附近将会形成一个光学屏障,影响组织表面和内部的光子数分布,该结论通过Monte-Carlo方法模拟组织内部光子数的分布情况得到了验证.     

一种测量组织光学特性的新方法：超快时间分辨漫反射法

从时域中的漫射理论出发，推导获得光在组织中传输的特性参数方程，应用超快时间分辨漫反射法测量的漫反射率曲线Ｒ（ρ，ｔ）可以得到μｓ＇和μａ该方法可望在临床上无损、快速、实时地测量活体组织光学特性，具有广泛的应用前景。     

光在多层生物组织中传输的蒙特卡罗模拟

提出一种基于蒙特卡罗方法的数学模型 ;建立一个移动的球坐标系采样光子包传输方向 ;模拟了光在多层具有不同光学参数的组织中传输的漫反射率、漫透射率和光通量等光学特性 ,并将结果与已发表的结果进行对比 ,验证了该算法的正确性     

AM ultrasound-modulated optical tomography with realtime FFT

We report on a novel ultrasound-modulated optical tomographic technique applied in dense tissue-simulating turbid media. A 1 MHz ultrasound beam is focused into the media to modulate and tag the scattering laser light passing through the ultrasonic focused zone. A 10 kHz sinusoidal wave, as a detection wave, is carried by the ultrasound beam through amplitude-modulation (AM). The scattering photons that come from the focused zone carry the modulated information, received by detector and demodulated by real-time fast Fourier transform (FFT). The optical tomographic images of the tissue simulating media and buried object are reconstructed with AM spectral intensity. This method can be applied to imaging three-dimensional tissue structures with different optical parameters. For the first time, we obtained the tomography of buried objects in biological tissue phantoms with a detecting depth of 30 mm.     

Monte-Carlo方法研究生物组织内部的光能分布

由于光的无损性及其在光动力学中对于肿瘤的选择性杀伤 ,因此在医学诊断和治疗中光学方法具有良好的应用前景。全面了解光在高散射组织中的传播规律对于基础研究和临床应用都很重要。论文给出了在均匀或非均匀半无限大平板状生物组织中光分布的计算方法和仿真结果。结果表明 ,生物组织的光学性质强烈影响光在组织中的分布图案。若两个光源的位置取不同的安排 ,则会给出与之相应的、不同的光能分布图案。若在组织中存在一个肿瘤 ,大量光子将被其吸收 ,并且由检测器测得的能量会减小。结果表明Monte- Carlo仿真方法能提供对于探头结构设计和光源光强选择都十分有用的信息。     

Towards skin polarization characterization using polarimetric technique

Measurement of optical properties of skin is an expanding and growing field of research. Recent studies have shown that the biological tissue, especially skin, changes the polarization state of the incident light. Using this property will enable the study of abnormalities and diseases that alter not only the light intensity but also its polarization state. In this paper we report an experimental study for measuring changes of polarization state of the light scattered from a phantom similar to a sample model of scattering skin. Using the notation of Stokes vector for the polarized light and Mueller matrix for the sample with its polarization properties, we have shown that some elements of the matrix were particularly sensitive to the changes of the polarization-altering physical properties of the scatterers within the phantom.