用于重构宫颈组织光学参数的频域逆蒙特卡罗模拟的研究

摘要

本论文以在频域系统下无创测量宫颈组织的光学参数为核心内容，首先介绍了光在组织中的传输理论；然后根据宫颈组织的特殊形状等选取了合适的模拟模型及正向算法，重点研究了宫颈组织边界信号的处理及频域信号的提取方法；最后选取了一种新型的算法-微扰蒙特卡罗方法对组织光学特性参数的重构问题进行了研究，并从模拟和实验两方面对这种算法的有效性进行了验证。具体包括： 一、从宏观角度对组织光学进行了全面的整理和系统的描述，介绍了光在组织介质中辐射传输的数学模型——漫射理论和蒙特卡洛模型等。 二、根据宫颈组织的物理形状选取空心圆柱作为模拟模型，通过边界处理及时域和频域的转化等工作在蒙特卡罗模拟的基础上得到一定数目的光子经过宫颈组织后的幅值和相位信息。 三、将微扰蒙特卡罗方法和一种非线性最小二乘法——-Levenberg-Marqurdt法相结合得到了组织光学参数重构算法，实现了吸收系数的快速精确重构。在单层均匀组织模型上，利用上述算法从幅值和相位数据反推得到了组织光学特性参数中的吸收系数，利用数值模拟模型验证了逆向重构算法的正确性，精度，抗噪性，鲁棒性等；对同时重构吸收系数和散射系数的方法进行了探讨：同时在双层模型上也进行了一些研究。 四、使用印度墨水和Intralipid-10％溶液制作了较完善的宫颈组织模型，通过时间分辨测量得到了由组织体表面出射的光的幅值和相位，由逆向重构算法反演得到吸收系数值，通过分析模型光学特性参数实测值与理论值的误差，提出了影响所求模型光学特性参数精度的若干误差源，从而验证了本研究中发展的反演算法获得组织光学参数的可行性。为以后的研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2组织光学的主要研究内容

1.3组织光学的发展和研究现状

1.4本论文的主要研究内容

第二章光在组织中的传输理论

2.1引言

2.2生物组织的光学特性

2.2.1基本光学参数

2.2.2组织成分对光学特性的影响

2.3光在生物组织中的传输模型

2.3.1辐射传输理论

2.3.2漫射理论

2.3.3蒙特卡罗方法

2.3.4离散坐标法

2.4生物组织光学特性的近红外测量技术

2.4.1连续波测量系统

2.4.2时域测量系统

2.4.3频域测量系统

2.5本章小结

第三章频域中基于蒙特卡罗模拟的宫颈组织正向传输模型

3.1蒙特卡罗模型

3.1.1蒙特卡罗的随机抽样

3.1.2蒙特卡罗模拟过程

3.2针对宫颈组织的蒙特卡罗模拟

3.2.1宫颈癌简介

3.2.2宫颈组织模型选取

3.2.3宫颈组织的边界处理

3.3频域信号提取方法探讨及选取

3.4正向模犁的模拟结粜分析

3.4.1注入光子数的影响

3.4.2光源与探测区中心距离的影响

3.4.3组织参数与频域信息的对应关系

3.5本章小结

第四章频域中基于蒙特卡罗的组织光学参数重构

4.1基于蒙特卡罗正向模型的重构方法选取

4.2微扰蒙特卡罗原理

4.3基于微扰蒙特卡罗的参数重构

4.3.1参数重构问题表述

4.3.2参数重构算法的选取

4.3.3用Levenberg-Marqurdt算法进行参数重构

4.4此算法在解决宫颈组织参数重构的难点及后续思路

4.5本章小结

第五章 微扰蒙特卡罗参数重构方法的模拟验证和实验验证

5.1微扰蒙特卡罗参数重构方法的模拟验证

5.1.1不同光学参数下吸收系数的重建结果

5.1.2重构算法的抗噪性分析

5.1.3重建算法的鲁棒性分析

5.2双层组织模型的光学参数重构思路

5.3实验研究微扰蒙特卡罗参数重构

5.3.1实验系统

5.3.2组织模型的制作与测量

5.3.3对组织模型的参数重构

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本课题总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢