宽光谱连续波长组织光学参数测量方法及实验研究

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1、天津大学硕士学位论文宽光谱连续波长组织光学参数测量方法及实验研究InvestigationsonMeasurementMethodandExperimentofTissueOpticalParametersatContinuousWavelengthofWideSpectrumRange学科专业：生物医学工程研究生：韩蕾指导教师：徐可欣教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2014年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰

2、写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日

3、签字日期：年月日中文摘要组织光学参数测量是生物医学光子学领域的研究热点，为疾病早期诊断、人体成分无创检测及光动力治疗等临床应用提供了基础。本文根据无创血糖检测的需要，研究了基于双积分球的离体组织测量系统及基于漫反射光谱测量的在体组织光学参数测量系统。在测量系统的基础上，分析了测量误差来源，设计了校正算法、正向模型及反构算法，分别利用不同测量系统及算法进行了散射样品及多种吸收样品的光学参数反构，结果表明本文所研究的光学参数测量系统及算法能够较为准确地测量宽光谱范围内连续波长下的组织光学参数，为无创成分检测研究中组织光学参数的测量提供了

4、基础。首先，从组织光学参数定义及光与生物组织体的相互作用角度简要介绍了宽光谱连续波长组织光学测量的理论基础。通过对比不同测量方法的优缺点，介绍了双积分球及单一源探距离漫反射谱的测量原理，简要介绍了反构算法中涉及的蒙特卡洛模拟方法、神经网络算法及Levenberg-Marquardt算法等。其次，搭建了基于双积分球及超连续激光器与高精度光谱仪的宽光谱离体组织光学参数测量系统，通过分析系统误差与测量传递函数确定了系统最佳测量条件，研究了BP-MCML正向模型与L-M算法进行光学参数反构的方法。然后，研究了基于单一源探距离下的漫反射光谱组

5、织光学参数测量方法，搭建了实验系统，研究了正向模型，反构算法采用多维无约束非线性优化方法，分析了影响测量精度的因素。最后，利用本文构建的光学参数测量系统及反构方法，配置了多浓度的Intralipid溶液及Intralipid与全血的混合溶液，并基于漫反射光谱及透射光谱在1100-1400nm范围内获取其组织光学参数，验证了双积分球系统测量的稳定性与准确性。实验结果表明不同波长下吸收系数及约化散射系数的平均测量误差分别为8.2%、3.4%，重复性约为2.5%。配置Intralipid溶液与全血、EvansBlue的混合溶液，通过漫反射

6、谱反构单一吸收介质与散射介质混合溶液的光学参数、多种吸收介质与散射介质混合溶液的光学参数，吸收系数与约化散射系数测量结果误差均在10%左右。关键词：组织光学参数；双积分球；近红外光谱；反构算法；漫反射光谱ABSTRACTThemeasurementoftissueopticalpropertiesisaresearchhotspotinthefieldofbiomedicalphotonics,whichprovidesthebasisforclinicalapplicationslikeearlydiagnosisofdiseas

7、e,non-invasivedetectionofbodycompositionandphotodynamictherapy.Inthispaper,weinvestigatedthemeasurementsysteminvitrobasedondouble-integrating-spheresandthesysteminvivobasedondiffusereflectancespectroscopyaccordingtotheneedofnon-invasivebloodglucosedetection.Onthisbasis

8、,weanalyzedthesourceofmeasurementerror,anddesignedthecorrectionalgorithm,theforwardmodelandinversealgorithm.Finallywe