组织光学清透效果的定量控制及应用的初步研究

摘要

在生物医学光子学领域,组织内部深层光学信息的获取是促进无创光学技术趋向临床实用的前提条件。然而生物组织的强散射效应限制着光在其内部的穿透深度,这是无创光学检测尚未达到临床应用要求的主要因为之一。组织光学清透技术是降低生物组织散射效应,提高光穿透深度的一种有效方案。基于此,本文借助于皮肤仿体,针对组织光学清透技术中的关键因素——定量控制光学清透效果进行了系统地研究,同时应用组织光学清透技术对提高无创血糖检测精度的可行性进行了初步尝试。
　　 论文从描述组织光学清透效果的理论基础出发,首先通过组织仿体组成成分的含量与光学参数之间的定量关系,制备了能够模拟皮肤光学参数的皮肤仿体。然后在皮肤仿体中加入不同浓度的光学清透剂,利用双积分球系统测量得出其在632.8nm波长下的光学参数,建立了清透剂浓度变化与皮肤仿体光学清透效果改善的定量模型,在此基础上对定量控制光学清透效果进行了系统研究。实验结果表明,当皮肤仿体中清透剂含量增加时,其散射效应有效降低,光穿透深度也相应地增加,最大达到2.51mm；光学清透效果定量模型的预测值与实验测量值在误差允许范围内相一致,表明该模型能够定量控制皮肤仿体的光学清透效果。
　　 在上述研究的基础上,基于intralipid溶液,利用蒙特卡罗模拟研究了光学清透剂甘油改变仿体溶液的光学参数后,建模预测了葡萄糖浓度的检测精度,并通过实验对该建模结果进行验证。模拟及实验结果表明,葡萄糖浓度的预测精度误差(Root mean square error of prediction,RMSEP)随着样品溶液中甘油浓度的增加而减小,结果具有一致性。当仿体溶液中甘油浓度为35％时,葡萄糖浓度预测精度的模拟值及实验值分别提高了30.91％和39.08％。初步证明了应用甘油作为清透剂时组织光学清透技术对血糖无创检测精度有所提高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 组织光学清透技术的研究意义

1.2 光学清透效果的研究进展及评价方法

1.3 组织光学清透技术存在的问题

1.4 本论文的主要研究工作

第二章 定量控制组织光学清透效果的理论基础

2.1 皮肤的组织结构和光学参数

2.1.1 人体皮肤及皮下组织的解剖结构特性

2.1.2 皮肤组织的光学参数

2.2 双积分球测量原理及数据处理方法

2.2.1 双积分球技术及其测量原理

2.2.2 数据处理方法--倍增法

2.3 近红外光谱透射分析理论和扩散定律

2.3.1 近红外光谱透射分析

2.3.2 扩散定律

2.4 小结

第三章 基于皮肤仿体的光学清透效果定量控制的系统研究

3.1 组织光学清透技术基本机理概述

3.2 皮肤仿体成分对其光学参数的影响

3.2.1 皮肤仿体制备材料及其制备方法

3.2.2 墨水及Intralipid溶液的光学参数理论值

3.2.2 皮肤仿体光学特性的可重复性

3.2.3 皮肤仿体成分与其光学参数间的定量描述

3.3 皮肤仿体光学清透效果的定量描述

3.3.1 光学清透剂的选择

3.3.2 光学清透剂浓度对皮肤仿体散射特性的影响

3.3.3 离体猪皮组织的光学清透效果

3.3.4 控制皮肤组织光学清透效果的定量方法

3.4 小结

第四章 组织光学清透技术提高无创血糖检测精度的模拟分析及实验研究

4.1.无创血糖检测的研究现状及存在的主要问题

4.1.1 人体血糖无创检测的研究现状

4.1.2 血糖浓度无创伤检测存在的问题及解决

4.2 偏最小二乘回归模型(PLS)建模方法

4.3 光学清透技术提高无创血糖预测精度的模拟分析

4.3.1 蒙特卡罗方法的步骤与过程

4.3.2 模拟中光学参数的计算

4.3.3 光学清透技术对葡萄糖预测精度的影响评价

4.4 光学清透技术提高无创血糖检测精度的实验验证

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文完成的主要工作及结论

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢