小孔径测量生物组织漫反射的光学模型及其实验研究

摘要

由于在近红外光谱区生物组织具有强散射特性，因此近红外光能够达到组织内部一定深度，部分光被吸收，其余被散射回到组织表面，即被漫反射。漫反射光子携带了生物组织的重要信息，因此基于漫反射测量的无创或微创光学检测技术具有巨大的应用潜力。基于空间分辨漫反射的测量技术已被广泛应用于生物医学领域，这种技术要求光源与探测器间距大于几个输运平均自由程，一般需要几个毫米以上。这个条件限制了该技术的应用。例如，当需要使用内窥方式进行活体检测时，需要测量光源附近微区的漫反射，但是由于缺乏精确的解析解限制了该技术有效地应用。本论文研究了用于光源附近微区漫反射的小孔径测量模型，主要研究内容和创新工作包括：
　　1.推导了基于漫射近似和基于1??P近似的小孔径测量漫反射率的解析模型，分析了这些模型应用于光源附近微区内漫反射测量的可行性。
　　2.基于Monte Carlo模拟数据研究了一个适用于小孔径测量漫反射的半经验解析模型，首次研究了反射率随孔径和生物组织折射率变化的函数关系，并利用该模型反演了光学参量，对其适用范围进行了分析。
　　3.在上述研究基础上,建立了一个适用于弱吸收情况的线性半经验模型，研究了各向异性因子对模型的影响，利用Monte Carlo模拟数据反演得到组织光学参量，并且通过分析反演结果与真实值之间的相对误差，验证了该模型的有效性。
　　4.研究了应用小孔径测量漫反射的实验方法。阐述了几种漫反射测量装置，包括多直径单光纤装置、单光纤扫描装置和光纤阵列测量装置。将单光纤扫描测量法和光纤阵列测量法采集的实验数据，分别与Monte Carlo模拟数据进行了比较，并将这些数据转化为不同测量孔径的测量数据，与本论文研究的适用于小孔径测量的半经验解析模型进行了比较分析。

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第一章 绪论

1.1 生物组织的光学模型的研究历史和现状

1.2 生物组织光学参数的测量技术及其发展

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 光子传输理论及其小孔径测量漫反射率的解析模型

2.1 生物组织的光学特性

2.2 光传输方程及其近似解

2.3 小孔径测量漫反射率的解析模型

本章小结

第三章 生物组织漫反射半经验模型的研究

3.1 基于朗伯比尔定律的半经验模型

3.2 基于光子迁移理论的半经验模型

本章小结

第四章 弱吸收半经验解析模型的研究

4.1 弱吸收半经验解析模型

4.2 光学参量反演

4.3 模型分析

本章小结

第五章 生物组织漫反射的实验研究

5.1 实验设计

5.2 光纤阵列探头实验研究

本章小结

总结与展望

本论文的主要工作和研究进展：

本论文的创新点：

对于今后研究工作的展望：

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢