光源附近组织的空间分辨漫反射研究

P3 近似理论可以描述光源附近约1个输运平均自由程(MFP)内组织的漫反射光分布,这个区域的光分布与组织的散射相函数有关。利用P3 近似理论研究了组合相函数的结构因子α对光源附近组织的漫反射光分布的影响。研究表明:在输运平均自由程不变条件下,各向异性因子的变化不引起漫射近似适用区域光分布的改变,但对光源附近约1个输运平均自由程附近的光分布有很大影响;α对漫反射率的影响远大于相函数的高阶矩对漫反射率的影响。研究结果对于使用内窥方式或对表层组织进行活体检测的空间分辨漫反射测量技术具有实际意义。     

组织的特征长度微距空间分辨漫反射

从辐射传输理论的相似天系出发,根据P1近似和P3近似满足的一阶和三阶相似关系,引入了特征长度的参量。利用半无限介质的空间分辨漫反射的P3的近似解,对光源附近组织的空间分辨漫反射与特征长度之间的关系进行了研究。研究表明．当需要在光源附近对组织进行测量时,最近的距离与描述该组织的特征长度有天,根据组织的特征长度可以确定探测器的大致宽度,并结合实际光纤直径估计测量光纤的数目。     

采用空间分辨漫反射测定胃组织光学特性

研究了人正常胃黏膜及黏膜下层组织对488 nm,514.5 nm,532 nm,630 nm和632.8 nm的激光的光学特性及其差异,实验采用空间分辨反射光和CCD探测器以及非线性拟合确定组织光学特性。结果表明,人正常胃黏膜及黏膜下层组织对五个波长的激光的吸收系数、约化散射系数、光学穿透深度、漫射系数、漫反射率和漫反射率的位移都是随着激光波长的变化而变化的。其吸收系数的最大值在532 nm,其值为0.482 mm-1,最小值在632.8 nm,其值为0.224 mm-1,最大差异在532 nm和632.8 nm之间,其值为115%,最小差异在488 nm和532 nm之间,其值为1.90%。其约化散射系数的最大值在488 nm,其值为5.93 mm-1,最小值在632.8 nm,其值为3.87 mm-1,最大差异在488 nm和632.8 nm之间,其值为53.2%,最小差异在514.5 nm和532 nm之间,其值为3.25%。其光学穿透深度的最大值在632.8 nm,其值为0.612 mm,最小值在488 nm,其值为0.341 mm。其漫射系数的最大值在632.8 nm,其值为0.084 mm,最小值在488 nm,其值为0.055 mm。其漫反射率的最大值在630 nm,其值为0.356,最小值在532 nm,其值为0.271。其Δx的最大值在632.8 nm,其值为0.153 mm,最小值在488 nm,其值为0.100 mm。可见,人正常胃黏膜/黏膜下层组织对五个波长的激光的光学特性参数存在明显的差异。     

光源面分布对激光针灸经穴组织的漫反射影响

为了研究光源面分布对激光针灸经穴组织的漫反射传输影响,利用激光针炙在穴位组织中虚拟点源的镜像点源分布函数、并引入格林响应函数,外推边界条件求解得到点光源的漫射方程解,由人体穴位4层介质组织的一系列虚拟点源的响应得到不同空间分布光源下人体穴位的激光针炙漫反射模型;采用蒙特卡罗方法模拟了圆平面、光纤及高斯分布的面光源激光针灸。结果表明,无光斑时3种光源的径向光能主要集中在近激光针灸点区域,径向距离大于0.135cm,3种光源卷积曲线重合,圆平面和高斯光源的轴向光能呈负指数衰减,光纤光源呈直线下降;存在光斑时面光源的漫反射与光斑面积成反比,等光斑面积下圆屏光斑比圆环光斑的组织漫反射大,光斑垂直投影处漫反射曲线存在明显畸变,投影外畸变与距离成反比,达到0.5个光斑半径距离时畸变基本消除。该结果可为穴位针灸的光源选取与针灸定位提供有益参考。     

利用微区空间分辨漫反射测量组织光学特性

为了准确测量光源附近微区内的漫反射光分布,设计了一维光纤阵列探头,通过两个光开关的通道切换实现了对距离光源0.125～1.250 mm径向范围内10个位置漫反射光强的测量,空间分辨率为0.125 mm.实验测量的漫反射光分布与Monte Carlo(MC)结果相符合,验证了测量系统的可靠性,采用逆MC算法,实现了对生物组织模拟液光学参量的测量,测量结果与文献报道符合较好.     

生物组织中高阶光学参量对空间分辨漫反射的影响

采用Monte Carlo方法,研究了生物组织的二阶和三阶光学参量对空间分辨漫反射率R（ρ）的影响。当光源与探测器间距离ρ为几个输运平均自由程l1时,漫射近似理论不再适用,R（ρ）与散射相函数的高阶Legendre矩有关。研究表明：二阶光学参量γ对R（ρ）的影响范围约为5l1,在0．6l1〈ρ〈5l1范围内,R（ρ）随γ减小而降低;三阶光学参量δ对R（ρ）的影响范围约为2l1在0．3l1〈ρ〈2l1内,R（ρ）随占增加而降低;并且当不满足△δ〈△γ的条件时,δ对R（ρ）的影响会补偿γ的影响,使R（ρ）与γ的关系变得无规律。     

组织光学特性的时间分辨蒙特卡罗仿真研究

组织的反射、透射和散射光检测都包含着组织的内部信息,可发展成为无损检测以及癌症早期诊断的重要手段,有着极为重要的意义。时间分辨蒙特卡罗模型能够预测组织的时间分布光学特性,具有精度高、灵活性强的优点,能适用于多种组织。但传统的蒙特卡罗模型中采用的Henyey-Greenstein(HG)相函数存在一些问题。介绍了基于米氏理论的米氏相函数。利用几种相函数进行时间分辨蒙特卡罗仿真并与实验结果进行对比。结果表明,米氏相函数比HG相函数更能真实地体现人体组织的漫反射特性,但由于米氏相函数与组织的散射颗粒尺寸相关,而组织的散射颗粒大小不一,针对不同的组织有不同的颗粒分布模型,因此应用于具体模型时散射颗粒模型的选择会有一些困难。     

生物组织光学特性参量的图像测量研究

为了测量生物组织的光学特性参量,采用CCD漫反射法和透射法,通过分析CCD摄取的待测样品表面的漫反射光分布图像,利用漫射近似理论,实现了漫反射法对生物组织模拟液(intralipid-20%稀释液)、牛肌肉、猪肌肉和鸡胸肉光学特性参量的测量,获得了样品的吸收系数和有效散射系数;测量了不同浓度生物组织模拟液的透射光强度,根据Beer-Lambert定律,实现了透射法对光学特性参量的测量,获得了样品的散射系数,进而得到了有效散射系数;并将漫反射法和透射法对同种样品光学特性参量的测量结果以及他人的测量结果进行了比较。结果表明,漫反射法和透射法的测量结果有很好的吻合性,测量生物组织光学特性参量采用的CCD测量装置和处理方法具有较高的精度。     

人体组织中光的漫反射理论与仿真研究

本文利用漫射近似理论,推导了组织表面的空间分辨局部漫反射光的稳态解析式,然后利用人体结肠组织的两组典型光学特性参数,给出了漫射近似的计算结果,并与用蒙特卡洛仿真结果进行了比较．结果表明,漫射近似理论的成立是有条件的．通过采用一种修正的简化漫射方程,对漫反射光成功地进行了拟合,可用于组织光学特性参数的间接测量。     

利用深度探测函数研究双层介质的空间分辨漫反射率

提出了一种研究双层介质空间分辨漫反射率的理论模型。考虑到不同深度分布的光子对探测信号的贡献不同,引入深度探测函数a(z,p),用其描述探测光子与散射介质空间面的相互作用,进而提出了一种研究双层散射介质空间分辨漫反射率的理论方法。给出了双层散射介质的空间分辨漫反射率的理论分析结果,并与Monte Carlo模拟结果进行比较,结果表明两者符合得较好。     

由漫射图像测量生物组织的光学特性

为了获取生物组织的光学特性参量,采用CCD无损测量系统来获得生物组织的漫反射图像,通过数据分析获取组织表面的漫射光分布,首先对具有不同光学特性参最的组织模拟液进行测量,用实验所得数据训练神经网络,并用另一组实验数据对神经网络的有效性和精确度进行了验证,然后对牛肉、猪肉以及人体表皮组织在633nm光照下进行了测量,由经实...     

甲状腺组织的双光子荧光成像

分别对离体新鲜的正常甲状腺组织、结节性甲状腺肿组织以及甲状腺乳头状癌组织进行自体双光子激发荧光(TPEF)和二次谐波(SHG)成像的研究.从双光子图像可知,正常甲状腺组织中滤泡大小较均匀,形态较相似,结节性甲状腺肿滤泡大小不等,而甲状腺癌组织则为大量的实质性癌细胞团结构,结果与标准组织学苏木精一伊红(H＆E)染色图相一致.此外,正常甲状腺组织和结节性甲状腺肿在胶原分布上存在一定差别.研究表明,双光子荧光成像技术可在微观结构上分辨出正常甲状腺组织、结节性甲状腺肿组织以及甲状腺乳头状癌组织的形态学差异,并有望成为甲状腺微创、快速诊断的有效方法.     

强激光对组织热损伤过程的数值模拟与实验研究

强激光作用于生物组织时会产生气化、碳化和熔融等相变热效应，并对组织造成热损伤，据此提出了包含碳化层和生物组织层双层结构、具有两个相间移动边界的激光与生物组织热相互作用数学模型。对数学模型进行了数值求解，得出了组织内部的温度分布，相间边界的温度，相间边界移动速度及碳化层厚度等参数的变化规律，并探讨了它们与激光强度之间的相互关系等问题。数值模拟表明，该光热作用过程分为两个不同阶段：起初的非稳态阶段以及紧接着的准稳态阶段，此时相间边界温度、相间边界移动速度以及碳化层的厚度均为与时间无关的常数。进行了激光生物组织热损伤实验，实验结果与数值模拟结果进行了比较和分析。结果表明，热损伤区大小、碳化层厚度等模拟值能与实验值较好地相符。     

面向黏膜组织诊断的亚扩散域漫反射与荧光联合光谱测量系统

黏膜组织病变的早期诊断和治疗是遏制黏膜组织癌变的有效手段。利用光谱检测技术,以实时、在体、无创的方式检测黏膜组织细胞的形态变化引起的光学特性改变,通过合理算法进行客观分析,可实现低成本大规模黏膜组织病变的筛查。为了提高面向黏膜组织病变诊断的光谱检测系统的灵敏度和特异性,开发了一套亚扩散域漫反射与荧光联合光谱测量系统,实现对不同深度黏膜组织的漫反射光谱和自体荧光光谱的高效采集,进而通过对光谱信息进行特征抽取,实现黏膜组织病变的快速筛查和恶性肿瘤等级的实时诊断。为了评估所开发系统的性能,开展了仿体实验、离体组织实验和在体实验：仿体实验证明了系统具有良好的测量稳定性;离体组织实验证明了该系统对离体组织具有优异的分类能力(不同类型组织的分类精度>98%,同类组织不同部位的分类精度>74%);在体实验初步验证了该系统在黏膜组织诊断和分类领域中的应用潜力。     

混浊介质中光子的迁移程长研究

从时间分辨漫射方程出发推导了混浊介质中光子的程长概率分布函数，研究了平均程长、最可几程长与组织光学特性参数以及光源检测器之间的距离的关系。结果显示，约化散射系数对程长分布的影响要大于吸收系数的影响；平均程长在整个范同内与光源检测器之间的距离呈现良好的线性关系；而最可几程长在光源检测器之间的距离较大时与其呈线性关系。蒙特卡罗模拟结果显示与理论计算结果吻合。     

生物组织高对比度的快速光声层析成像

为了得到高对比度的快速光声层析成像,采用甘油增加组织的透明度,结合多元相控技术的成像方法,获得了活体动物不同直径血管的光声重建图像.成像系统的横向分辨率为0.5mm,光声采集成像时间为5s.实验结果表明,该成像方法与现有的方法比较,具有成像对比度高、快速方便等特点,并有望成为一种组织功能在体成像的新方法.     

人眼光学模型的研究与发展

以适宜光刺激为主的人眼是人类获取外界信息最多的重要感觉器官.从光学角度而言,人眼是一个有多个界面的复杂光学系统,每一个界面都具有复杂的几何特征和光学特性.结合光学测量,对人眼建立光学模型,研究每个界面的光学特征,在视光学和眼科学领域都有着重要的实际应用意义.通过对国内外模型眼的研究与发展的介绍,总结了各种典型人眼模型的光学结构与特性,并给出了人眼光学模型的研究发展趋势--个性化与精密性.     

Ar+激光辐照下离体猪鼻咽组织的热响应特性

为了获得用于鼻咽癌(NPC)光活检的Ar^ 激光对鼻咽组织的安全光剂量阈值，实验测定了离体猪鼻咽组织在Ar^ 激光辐照下不同位置的温度分布，重点研究了辐照功率密度和波长对组织中温度分布的影响。实验结果表明，组织中的温度分布与探测位置、激光波长以及激光辐照功率密度有关。在同一波长激光辐射下，组织中的温度随着辐照激光功率密度的增大而增大，当辐照功率密度达到1．85W／cm^2时，鼻咽组织黏膜下层的温度可超过41．5℃；在相同功率密度激光的辐照下，波长为514．5nm的激光照射鼻咽组织时的光热效应较488nm波长明显。     

人肝组织病变及热凝固导致组织光学特性的变化

研究了人肝的病变及热凝固的肝组织对532 nm和1064 nm激光的光学特性的变化。实验采用双积分球测量系统以及运用生物组织的反向倍增(IAD)光学模型。结果表明,正常肝组织对532 nm和1064 nm的吸收系数显著地较肝肿瘤组织要大;正常肝和肝肿瘤组织热凝固后对532 nm的吸收系数都显著地增大,正常肝组织热凝固后对1064 nm的吸收系数显著减小。而肝肿瘤组织热凝固后对1064 nm的吸收系数却显著地增大。正常肝组织对532 nm和1064 nm的散射系数都显著地较肝肿瘤组织要小,正常肝和肝肿瘤组织热凝固后散射系数都显著地增大。正常肝组织对532 nm和1064 nm的各向异性因子都明显地较肝肿瘤组织要大,正常肝和肝肿瘤组织热凝固后其各向异性因子都明显地减小。