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。     

光子在生物组织中输运过程的模拟研究

随着激光在医学上应用的日益发展,特别是光动力疗法诊治恶性肿瘤的深入研究促使人们对生物组织中光能的分布和光的传输问题越来越感兴趣。Monte Carlo方法作为一种统计随机抽样的模拟方法,在这一领域得到了非常广泛的应用。本文概括介绍了组织光学中研究激光在生物组织中输运过程的方法和重要意义。重点描述了Monte Carlo方法的基本原理和利用Monte Carlo模拟激光在生物组织中输运的具体步骤。评述了Monte Carlo方法在组织光学中的研究进展,对其发展趋势作了展望。     

皮肤组织光学参数的变化对漫反射率、吸收比和光能流率的影响

根据皮肤结构特点,构建皮肤组织四层结构模型,采用Monte Carlo方法模拟计算光在皮肤中分布及皮肤组织光学参数变化对光分布的影响.得到如下结论：光在皮肤组织中的光能流分布与入射光束的形状和光束宽度有关,高斯光束在组织中的吸收和光能流率峰值都较均匀平面光束的大,高斯光束的能量更加集中;光在皮肤内的吸收、反射和分布与光照射参数及皮肤的光学参数有关.对于多层结构皮肤组织,第一层组织光学参数对光分布的影响要大于其它各层,越深层的组织参数对光分布的影响越小;光能流率随组织的吸收和散射系数及厚度增大而减小,但在组织表面附近出现微小的上升,且在同一层面,光能流率沿光轴向和径向都逐渐减小;漫反射率随吸收系数、各层折射率、各向异性因子和组织厚度的增大而减小,随散射系数的增大而增大;吸收比随吸收系数、折射率、各向异性因子和厚度的增大而增大,随散射系数的增大而减小.     

短脉冲激光在散射性介质中传输的时域有限元分析

从瞬态辐射传输方程出发,利用最小二乘变分原理,发展了基于离散坐标形式辐射传输方程的最小二乘有限元方法,并将其用于模拟短脉冲激光在二维散射性介质中的瞬态传输现象.首先简要介绍了求解瞬态辐射传输方程的最小二乘有限元公式,然后以脉冲激光在生物介质中的应用为背景,考察了脉冲激光入射二维非均匀散射性介质的情况,调查了不同位置处时域信号的演化规律,为短脉冲激光在生物医学领域中的应用研究提供了有价值的参考数据.结果表明:对于局部短脉冲入射条件下的非均匀散射性介质,早期的时域反射信号能够较多地反映出介质光学属性分布信息,而距离入射光源较远的测量位置,由于辐射信号经过了较长时间的衰减,所包含的介质光学属性分布信息较少.     

自适应光学在生物荧光显微成像技术中的应用

显微成像是开展微观生命科学研究的重要手段,其中荧光显微成像以其可特异性标记、暗场对比度高、动态示踪性能出色等优势在生物成像领域占据重要地位.由于活体生物组织通常是非透明、非均匀、各向异性的复杂三维结构,激发光和发射荧光在生物组织内传播时均会由于折射、散射、吸收等作用使得光波波前发生明显畸变,造成激发光点扩散函数以及荧光成像点扩散函数的性能显著降低.借助自适应光学技术可对上述经由生物组织传播产生的波前畸变进行实时探测和精确校正,从而提升激发光照明和发射荧光成像的空间分辨率和深度.本文归纳了生物荧光显微成像中的不同像差来源,介绍了自适应光学波前传感和校正的方法,概括了不同成像方式下波前校正的要求,重点讨论了自适应光学技术在不同类型荧光显微成像中的运用和实现方法,并对其今后的应用目标和发展方向提出展望.     

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.     

聚焦超声消融肝癌时大血管位置对热场分布的影响

采用有限元方法研究了聚焦超声消融肝脏肿瘤时，大血管存在于肿瘤附近不同位置对温度分布以及热剂量分布的影响．建立基于大血管对流效应的生物传热模型，基于不同的加热方案进行3-D温度瞬态仿真．仿真针对四种情况进行计算：模型中无血管，血管分别距离肿瘤1mm、2mm、3mm．仿真结果表明使用聚焦超声进行快速加热可以使能量集中在目标治疗区域．但是当肿瘤组织的近距离内（1mm）存在大血管且加热时间较长时（〉2s），肿瘤组织靠近血管的边界部分仍然会受到大血管冷却效应的影响，这种影响会导致肿瘤治疗不彻底．当肿瘤距离大血管3ram以上时，大血管在聚焦超声治疗中的冷却效应不再明显．     

强散射生物组织光学特参数的重构

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.     

复杂生物组织中光传输规律的Monte Carlo方法及应用

该文针对生物组织的特殊光学性质，基于统计光学的基本原理，通过引入Monte Carlo方法对光在生物组织中的传输规律进行了大量数值模拟，得出了光在单层以及多层生物组织中光通量随深度的分布规律，计算结果与现有文献已报道的结果吻合较好，证明Monte Carlo方法是研究光在复杂（多层结构、各向异性、强散射）生物组织中传输规律的有效工具。     

压实土壤组织中激光传输的蒙特卡罗仿真

选择三种土壤组织光学参数,通过计算机编程仿真计算激光在土壤组织中的传输,计算不同半径上的漫反射率.研究表明,应用蒙特卡罗方法研究光在土壤组织中的传输,可以从机理上了解压实土壤光学无损检测密实度中影响其检测精度的因素.     

生物组织散射相函数实验的研究

介绍了相函数在建立生物组织模型中的作用,分析了在测量生物组织散射相函数时存在的问题．利用Mie氏理论对不同偏振方向的偏振光被生物组织粒径范围内的单粒子散射后,在观测平面上的散射光强进行计算、比较得出结论：偏振光的偏振性对测量生物组织散射相函数的影响较大,通过实验方法获得精确的相函数时,要注意对所用实验光源偏振性的选择。     

生物组织光透射特性的理论与实验研究

该文利用所建立的测量激光在组织透射面上光强分布的实验装置,实验测得在不同分布的激光光源照射下,组织透射面上的光能分布,并进行了三维图重建,同时采用基于脉冲响应函数的Monte Carlo方法模拟了相应条件下仿生物组织样品透射面上的二维光场分布,模拟结果与实验结果具有很好的一致性,说明基于脉冲响应函数的Monte Carlo方法是处理复杂面光源照射条件下生物组织中光分布和传输问题的简洁、有效途径。     

Monte Carlo方法研究光子在有界肿瘤组织中的分布

目的研究有界肿瘤组织中光子分布特性。方法通过建立光在有界肿瘤组织中传输模型,用蒙特卡罗方法模拟光子在有界生物组织的传输,与半无限大肿瘤组织中光子分布的特性对比,分析光子在有界肿瘤组织中的分布特性。结果肿瘤组织中光子能量密度分布在纵向和横向基本是按负指数规律变化,但沿纵向在入射表面附近有极值点,当取定较小边界范围时,光子能量密度增加,组织内的有效光子数下降。结论有界肿瘤组织光子能量密度沿纵向和横向变化规律与半无限大组织变化规律相似,肿瘤组织边界影响光子在生物组织的能量密度和有效光子数分布。     

各向同性点光源的制备及生物组织模拟液中光能流率的测定

本文提出了一种制备用于模拟液测量的各向同性小球的新方法,对制备小球的出射光能流率测量的结果表明,其角分布平均误差小于10%;用我们制备的各向同性小球测量了生物组织模拟液Intralipid-10%溶液中的光能流率,实验结果与理论结果吻合很好。     

生物组织折射率分布的P偏光测量研究

基于菲涅尔公式推导了P偏光以布鲁斯特角入射时测量透明组织在二维空间中的折射率分布,并设计搭建了相应的实验系统来验证该技术的可行性。实验结果表明,反射光强较小的部分对应折射率较大的物相,反射光强较大的部分对应折射率较小的物相,从而可以清晰地分辨出生物组织中的不同结构,这与理论模拟结果是一致的。此外还给出了实验误差的来源,分析了实验解析度,结果发现解析度可达0.044。该研究与传统方法相比,具有非侵入性、非破坏性、精确、快速、简单等优点。     

脑瘤诱发的组织变化和皮层脑电图分析

健康组织和肿瘤组织具有不同的代谢,结构和热力学特性.脑瘤的代谢和结构无序性导致其有较高的熵产生.两种组织不同的熵产生决定了熵由癌流向健康组织.脑瘤和正常细胞在熵和能量方面的差异诱发皮层不同的脑电信号.研究了28个脑瘤患者的脑电图并和健康人进行比较,观察到脑瘤患者脑电图频率的降低.多数情况中慢alpha和theta波出现在肿瘤投影区,此可能与其高熵产生和向外的熵流有关.研究认为,脑瘤的持续高熵产生和热耗散及其它物理效应使得皮层电产生慢化,从而使肿瘤及其邻近的脑组织显示出频率较低的电活性.     

隧道照明光源光色对驾驶员视觉功效的影响

目前,各国以及CIE的隧道照明设计规范和标准在隧道照明研究中都只考虑隧道路面的亮度或者照度水平,对于色温、显色性和光谱分布等因素对视觉效果的影响考虑不足,导致对隧道照明质量的评价不够科学。笔者从隧道照明光源光色对于驾驶员视觉功效的影响出发,选择两个隧道进行了小目标识别现场实验和不同色温反应时间测试实验,分析了驾驶员视觉功效受隧道照明光源的显色性和色温的影响情况。结果表明：隧道照明光源显色指数越高,驾驶员的视觉功效越好;对于光谱能量分布相似的光源,背景亮度相同时,含有短波成分多的光源照明效果更好,驾驶员的视觉功效也更好。     

近红外光子在生物组织中迁移的仿真及应用

通过对光与生物组织相互作用物理本质的分析,介绍了一种求解光子在生物组织中迁移规律的蒙特卡罗计算方法。方法假定入射光为离散的光子,并受到生物组织的吸收和散射。认为光子在两次散射之间的长步和散射方向虽然是随机的,但可引入随机变量予以确定。对大量光子进行计算就可以获得光在生物组织中传播的宏观数据。将此方法用于脂肪组织,所得结果与实验符合甚好。说明此方法可用于检测人体皮下脂肪层的厚度,并对合理设计红外无损检测的传感器可提供依据     

发展替代能源 实现可持续发展

阐述了我国能源发展面临的形势与政策,分析了发展替代能源的客观必然性．探讨了山西省发展替代能源的模式,指出只有调整能源开发使用结构,增加替代能源、可再生能源及生物能源的使用比重,才能在经济增长中优化能源结构,降低能源消耗。加快能源开发利用技术进步,解决能源供给和使用中所面临的问题。