近红外光子在膝关节中传输的三维蒙特卡洛仿真

摘要

膝骨性关节炎是一种常见的慢性关节疾病，早期检测膝骨性关节炎，力求在疾病的初期做出诊断是亟待解决的重要课题。近红外光谱技术因其对样本具有无损性、分析速度快等优点被广泛运用于生物医学领域，因此可将近红外光谱技术应用于早期膝骨性关节炎的研究。作为该领域的基础研究，光在膝关节组织中的传输特性和光与组织相互作用的机制越来越引起大家的兴趣。
　　本论文运用三维体素模型模拟膝关节组织，应用蒙特卡洛方法模拟近红外光子在膝关节组织中的传输，研究不同衰减系数和光源入射位置的情况下膝关节表面光强分布，为近红外光谱技术用于早期膝关节炎的临床诊断奠定一定的理论基础。研究内容主要包括以下几个方面:
　　一、将蒙特卡洛方法应用于早期膝骨性关节炎的诊断中。主要内容包括:根据膝关节组织病理特征及光学特性，提出近红外光谱技术检测早期膝骨性关节炎的原理;利用蒙特卡洛方法仿真近红外光子在膝关节中的传输，分析膝关节内部光子运动轨迹，得到碰撞骨组织后迁移出膝关节组织的信号光子和未碰撞骨组织直接迁移出膝关节组织的噪音光子;分析信号光子与噪音光子在膝关节表面的分布，光源从不同位置入射时膝关节表面信号光子的数目，以及信号光子数目随膝关节组织约化衰减系数变化的规律。
　　二、通过实验验证蒙特卡洛仿真结果的正确性。主要内容包括:根据膝关节光学参数制备膝关节组织模型，验证光源从不同位置入射时膝关节表面光强分布;改变膝关节组织的约化衰减系数，得到健康关节与病变关节的表面光强分布，验证仿真结果的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 骨关节炎检测技术概述

1．3 近红外光谱技术概述

1．4 论文主要研究内容

第二章 光在三维组织结构中传输的Monte Carlo方法研究

2．1 光在生物组织中传输的数学模型

2．2 体素模型中的光子传输规则

2．2．1 体素模型形状与结构的描述

2．2．2 光子迁移时与体素边界的交叉点

2．2．3 体素边界处光子反射和透射

2．3 Monte Carlo模拟中的随机变量抽样

2．3．1 步长抽样

2．3．2 散射方向的抽样

2．4 本章小结

第三章 Monte Carlo方法在膝骨性关节炎诊断中的应用

3．1 膝关节组织结构与光学信息

3．1．1 膝关节组织结构与KOA病理特征

3．1．2 光与膝关节组织的相互作用

3．1．3 近红外光谱技术检测KOA原理

3．2 Monte Carlo模拟

3．2．1 膝关节组织模型的建立

3．2．2 仿真流程图

3．3 模拟结果与分析

3．3．1 膝关节组织中光子运动轨迹

3．3．2 膝关节表面光强分布

3．3．3 光子信噪比与光源位置入射的关系

3．3．4 信号光子数目与约化衰减系数的关系

3．4 本章小结

第四章 近红外早期膝骨性关节炎检测的实验研究

4．1 实验

4．1．1 制备膝关节组织模型

4．1．2 搭建实验平台

4．2 实验结果及分析

4．2．1 膝关节表面光强分布

4．2．2 光源入射位置与膝关节表面光强分布的关系

4．2．3 约化衰减系数对膝关节表面光强分布的影响

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 研究前景展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果