光在生物组织中传播的蒙特卡罗研究

摘要

生物组织中的光能量分布信息对激光生物医学诊断和治疗有着极为重要的意义。蒙特卡罗方法已被广泛应用于研究粒子输运问题，也同样适合于研究组织中的光输运问题。用蒙特卡罗方法得到的数值结果已经成为比较组织光学中各种解析理论的精确性的一种非实验标准。
　　 应用蒙特卡罗方法研究光能量在生物组织中的传输与分布的基本思想是：运用光子吸收和散射的原理来跟踪光子通过混沌介质的过程；通过统计大量光子的模拟结果得到激光能量在组织内部的分布情况。
　　 本文首先简介生物组织中光传输与分布规律研究的历史和现状，概述了组织光学的研究历史、发展现况及研究任务，指明光能量在生物组织中传输与分布的研究意义。
　　 其次，介绍生物组织的结构特点和光学性2，总结光与生物组织相互作用的几种方式，并重点讨论组织各项光学特性参数的物理意义。在此基础上，从传输理论出发，介绍光在生物组织中的传输模型和由漫射近似所得到的漫射方程。
　　 然后，介绍蒙特卡罗方法的基本思想，说明采用此方法研究生物组织中光能量分布的必要性。根据前面介绍的生物组织结构特点及理论基础，分别给出单层、两层及多层生物组织光学模型和模拟流程。详细介绍光子的发射、步长和散射方向的概率抽样、吸收与散射的相关公式、光子碰撞边界问题以及光子的终止方式。具体分析多层生物组织与单层生物组织中光子传输的区别。
　　 最后，详尽分析单层与多层生物组织中光分布的蒙特卡罗模拟的仿真结果。从二维视角形象地给出光子在组织内部的运动轨迹，讨论各向异性因子、吸收系数、散射系数与光能量分布的关系。在此基础上，分别分析光能量在单层以及多层生物组织中的传输情况。
　　 具体讨论了无限细准直光束在单层生物组织中的光强分布随深度变化的规律，深入分析各光学特性参数对能量分布的影响；对多层生物组织，分析了吸收能量密度和光能流率在径向和纵向上的变化规律，分别讨论径向及角向漫反射率随半径及出射角的变化关系，并模拟了高斯光束与平圆光束在生物组织中的传输，得出了具有实际意义的结果。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 生物组织光学的研究历史与现状

1.4 课题来源

1.5 本文的主要工作

第二章 生物组织中的特性参数及光传输

2.1 引言

2.2 生物组织的结构特点

2.3 光与生物组织的相互作用

2.3.1 光的反射和折射

2.3.2 光的吸收和散射

2.4 生物组织的光学特性参数

2.4.1 四个基本参数

2.4.2 基本参量的导出量

2.5 光在生物组织中的传输

2.5.1 辐射传输理论

2.5.2 漫射近似

2.6 本章小结

第三章 光在生物组织中传播的蒙特卡罗模拟

3.1 引言

3.2 蒙特卡罗方法的基本思想

3.3 坐标系统

3.4 步长和散射方向的概率抽样

3.4.1 概率抽样

3.4.2 步长的概率抽样

3.4.3 散射方向的概率抽样

3.5 光子在生物组织中传播的模拟过程

3.5.1 光子传播的模拟过程

3.5.2 单层组织光学模型及模拟过程

3.5.3 两层及多层组织光学模型及模拟过程

3.6 本章小结

第四章 卷积方法

4.1 引言

4.2 卷积方法的应用

4.3 有限宽光束入射

4.3.1 光源函数为高斯光束

4.3.2 光源函数为平圆光束

第五章 蒙特卡罗模拟结果分析

5.1 单层生物组织中的光传输模拟

5.1.1 各光学特性参数对光子分布的影响

5.1.2 光强随深度分布的影响

5.2 多层生物组织中的光传输模拟

5.2.1 三层组织模型与模拟结果

5.2.2 五层组织模型与模拟结果

5.3 高斯光束及平圆光束

5.3.1 高斯光束

5.3.2 平圆光束

5.3.3 小结与讨论

5.4 光束宽度的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

附录

附录1 mcmain.m核心程序清单

附录2 mcmlmain.c核心程序清单

附录3 conv.c核心程序清单

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目

学位论文评阅及答辩情况表