基于扩散近似理论的荧光光学成像方法研究

摘要

在世界上第一台激光器诞生到目前的半个多世纪中，激光技术得到迅猛发展，与此同时，激光技术在通信、测量技术、生物医学、工业材料加工、国防军事、科学技术等许多领域得到了广泛地应用。利用近红外光辐照介质探测介质内部信息的光学成像技术得到了快速发展。而具有高对比度和强选择性等优点的荧光扩散光学成像技术得到了越来越多研究人员的关注和研究。荧光扩散光成像技术的测量模型主要有稳态（连续波）模式，时域模式与频域模式三种。时域荧光扩散光成像技术在信息数据的完整性和灵活性以及系统的稳定性等方面相较于稳态荧光扩散光成像技术和频域荧光扩散光成像技术都具有一定的优势，时域荧光扩散光成像技术已经成为目前研究的主流。
　　本文对于荧光光学成像方法进行了系统地研究，课题的研究内容主要为基于耦合扩散方程的稳态与时域测量方法的荧光光学成像方法研究。具体包含如下的内容：
　　1.建立了荧光扩散光成像技术的正向模型，模拟入射激光和受激荧光在介质内的传输过程，利用有限差分法对于耦合扩散方程组进行求解，得到介质表面出射的模拟荧光信号。详细分析了入射激光脉冲宽度、背景介质光学参数、介质内含异质体尺寸大小和光学参数等因素对于介质表面出射荧光信号的影响。
　　2.对于逆向问题进行研究，选取共轭梯度法进行介质内部荧光参数的反演。研究了基于稳态耦合扩散方程组的荧光扩散光成像技术，重建过程中引入最大后验概率估计方法来改善重建图像质量。另外，分析了介质内含异质体的尺寸大小和反演初始估计值对于荧光参数重建的影响。
　　3.研究了基于时域耦合扩散方程组的荧光扩散光成像技术，实现了二维矩形非均匀介质荧光产率和荧光寿命的同时重建，分析了对比度和测量误差对于重建图像的影响。在此基础上，利用时域荧光扩散光成像技术实现了二维圆形非均匀介质内的荧光产率和荧光寿命的同时重建。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 激光入射参与性介质的荧光信号模拟

2.1引言

2.2荧光的发光机理和基本参量

2.3扩散近似方程

2.4扩散近似方程求解方法

2.5时域耦合扩散方程

2.6正确性验证和网格无关性验证

2.7非均匀介质模拟

2.8本章小结

第3章 基于稳态耦合扩散方程组的成像方法研究

3.1引言

3.2逆向问题研究

3.3基于稳态扩散方程的光学成像

3.4本章小结

第4章 基于瞬态耦合扩散方程组的成像方法研究

4.1引言

4.2基于二维平板介质的重建模型及模拟研究

4.3基于二维圆域介质的重建模型及模拟研究

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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