生物組織的光學(xué)描述與光傳輸規(guī)律研究.pdf

1、光學(xué)在生命和保健科學(xué)中的應(yīng)用由來(lái)已久，激光的出現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)了光學(xué)方法在解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)難題時(shí)的優(yōu)勢(shì)與潛在價(jià)值。光學(xué)手段被認(rèn)為是解決醫(yī)學(xué)疑難雜癥的最有效途徑之一。確切地認(rèn)識(shí)光在生物組織內(nèi)的傳播規(guī)律是這些技術(shù)得以正確應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，但它一直沒(méi)有被很好解決，始終困擾著組織光學(xué)的研究者。目前，最為迫切需要解決的是“生物組織光傳輸?shù)目焖儆?jì)算以及生物組織光學(xué)特性的合理描述問(wèn)題”。本論文正是以這兩項(xiàng)內(nèi)容為研究對(duì)象，旨在發(fā)展快速高效的光傳輸計(jì)算工具，同時(shí)

2、統(tǒng)一生物組織光學(xué)特性的理論描述，為建立完善的組織光學(xué)理論體系作有益的嘗試。 在光學(xué)診療中，絕大多數(shù)生物組織可以近似看成是層狀生物組織。為此，在論文的上篇，我們以輻射傳輸方程為基礎(chǔ)，建立了層狀生物組織光傳輸問(wèn)題的系統(tǒng)理論，同時(shí)從數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了該理論的正確性。取得的成果有： ①為解決生物組織光傳輸?shù)目焖儆?jì)算問(wèn)題，我們引入線性系統(tǒng)理論，建立了層狀生物組織光傳輸?shù)南到y(tǒng)理論。該方法與Monte Carlo方法相比，可將

3、計(jì)算效率提高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用該理論討論了會(huì)聚光源在層狀生物組織內(nèi)的傳輸過(guò)程以及準(zhǔn)直光源照射下半無(wú)限生物組織的漫反射問(wèn)題。實(shí)踐證明：“層狀生物組織光傳輸系統(tǒng)理論是一種快速、高效而又準(zhǔn)確的計(jì)算理論”。另外，還建立了可測(cè)量任意準(zhǔn)直光源照射下層狀生物組織透射光分布的實(shí)驗(yàn)裝置，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了層狀生物組織光傳輸系統(tǒng)理論的正確性。 ②現(xiàn)有光傳輸理論都依賴(lài)于生物組織的光學(xué)參數(shù)，而組織光學(xué)中已知光學(xué)參數(shù)的生物組織非常有限，因?yàn)樯?/p>

4、物組織的光學(xué)參數(shù)不僅依賴(lài)于組織的種類(lèi)，而且依賴(lài)于組織的狀態(tài)。系統(tǒng)理論的引入使得光傳輸問(wèn)題的理論分析不再依賴(lài)于生物組織的光學(xué)參數(shù)，但必須知道生物組織光傳輸?shù)狞c(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。為此，我們提出了一種從實(shí)驗(yàn)途徑獲取層狀生物組織光傳輸點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的有效方法──逆卷積方法，并將其應(yīng)用于豬肌肉組織光透射點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的實(shí)驗(yàn)重建。實(shí)驗(yàn)重建結(jié)果與Monte Carlo模擬結(jié)果吻合較好，這充分說(shuō)明了該方法的正確性。引入該方法的意義在于：它將使層狀生物組織光傳輸問(wèn)題的理

5、論分析不再依賴(lài)于確切知道生物組織的光學(xué)參數(shù)。 ③激光在生物組織內(nèi)傳輸時(shí)的角分布信息對(duì)于發(fā)展和優(yōu)化光學(xué)診療技術(shù)有著非常重要的價(jià)值，然而在以往的研究中沒(méi)有加以重視和利用。為此，我們?cè)敿?xì)地研究了激光在生物組織內(nèi)傳播時(shí)的角分布信息，特別是局部病變生物組織背散射場(chǎng)的角分布信息，該研究為利用背散射場(chǎng)角分布進(jìn)行無(wú)創(chuàng)傷診斷提供了有益參考。 在上述研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)生物組織光學(xué)特性的描述與測(cè)量是一個(gè)更為基本的問(wèn)題。它不僅是引入和發(fā)展各種光傳

6、輸理論的基礎(chǔ)，也是發(fā)展光學(xué)無(wú)創(chuàng)傷診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。為此，我們將其作為論文的另一重點(diǎn)進(jìn)行論述，構(gòu)成了本論文的下篇──生物組織光學(xué)特性的描述與測(cè)量。在這部分，具體成果有： ④針對(duì)構(gòu)建組織光學(xué)理論體系的需求，我們提出了從分子、細(xì)胞和組織層三個(gè)尺度綜合描述生物組織的光學(xué)特性，以及采用不同光學(xué)理論處理生物組織光傳輸問(wèn)題的新思路。這一思路的提出將為統(tǒng)一生物組織光學(xué)性質(zhì)的參數(shù)描述及建立完善的組織光學(xué)理論體系提供有益參考。 ⑤針對(duì)生物組織

7、折射率概念含糊不清的現(xiàn)狀，我們界定了組織層尺度上生物組織折射率的作用與概念。引入“等效折射率”概念，并將其用于處理生物組織光傳輸?shù)倪吔鐔?wèn)題。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種等效折射率的確定算法，完善了等效折射率的全反射測(cè)量方法。同時(shí)建立了等效折射率的全反射測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)幾種典型生物組織進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道吻合較好。 ⑥在一般意義上，生物組織折射率是一個(gè)復(fù)數(shù)。為此，我們首次討論了生物組織復(fù)折射率的橢圓偏振測(cè)試問(wèn)題，建立了全反射橢偏術(shù)測(cè)

8、量生物組織復(fù)折射率的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)兩種典型生物樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，首次引入復(fù)折射率邊界條件，并結(jié)合Monte Carlo模擬討論了復(fù)折射率邊界對(duì)半無(wú)限生物組織漫反射特性的影響。 綜上所述，論文的上篇建立了層狀生物組織光傳輸問(wèn)題的系統(tǒng)理論，有效地解決了生物組織光傳輸?shù)目焖儆?jì)算問(wèn)題。在論文的下篇以統(tǒng)一生物組織光學(xué)特性的理論描述為目標(biāo)，提出了從分子、細(xì)胞和組織層三個(gè)尺度上綜合描述生物組織光學(xué)特性的思路，同時(shí)探討了生物組織折