基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的分析

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1、中文摘要对组织的光学参数进行准确的测量，是组织光学和光医疗中最基本的课题之一，是光应用于医学领域基础研究和临床应用的前提条件。然而针对如何用数学语言描述光在具有复杂结构的薄层组织中的传输，尤其是选用何种算法通过测得的表面漫散射光反演这种复杂结构中的组织光学参数的问题尚未得到很好的解决。本论文以无创测量具有薄壁分层结构组织的光学参数为核心内容，首先讨论了对描述组织的光学物理模型的选取和仿真、然后选取了一种新型的算法一微扰蒙特卡罗方法对确定组织光学特性参数的问题进行了研究，并在实验室条件下针对这种算法设计了实验以验证其有效性。具体包括：1．从宏观角度对组织光学进行了全面的整理和系统的描述，介绍了光

2、在组织介质中辐射传输的数学模型——漫射理论和蒙特卡洛模型等。2．在现有的分层蒙特卡洛算法的基础上加以改进，完善了适合我们需要的蒙特卡洛模型。分析了蒙特卡罗仿真随光子数变化的的精度和时间特性。3．将微扰蒙特卡罗方法应用到组织光学参数无创确定领域，利用一种非线性最dxZ．乘法一Levenberg．Marqurdt法实现对组织光学参数迅速精确的确定。4．利用微扰蒙特卡罗参数重构算法从单层均匀组织模型和双层组织模型的空间分辨稳态漫反射数据反推计算了组织光学特性参数中的吸收系数和散射系数。，5．使用印度墨水和Intralipid一10％溶液进行实验，制作了～个较完善的组织模型，测得了各个溶液表面漫反射光

3、的空间分辨波形，将其代入已建立的算法中，得到了组织模型的光学特性参数值，同时也得到了各溶液光学特性参数实测值与理论值的误差，提出了影响所求模型光学特性参数精度的若干误差源，从而验证了通过本研究中设计的空间分辨波形检测方法和反演算法获得组织光学参数的可行性。为以后的研究打下了良好的基础。关键词：组织光学微扰蒙特卡罗参数重构Levenberg．Marqurdt法ABSTRACTAccuratemeasurementoftissueopticalparametersisaveryimportantfieldintissueoptics．Researchesonthebiologicaltissueo

4、pticalpropertiesarethepreconditionoflightapplicationsinthefoundationresearchandclinicalapplicationsinmedicalfields，whichcanofervitalguidancetolaser'sclinicapplication．Amethodforrapidreconstructionofopticalproperties，suchastheabsorptionandscatteringpropertiesofturbidmedia,isintroducedinthisdissertati

5、on．Themainworkincludeschoosingexactopticalphysicalmodeloftissues，mathematicsdescriptionandsimulationanalysisofphotonspropagationintissue，exploitinganewalgorithmtosolvetheinverseproblemofestimatingthetissueopticalpropertiesfromthediffusereflectanceprofiles，andexperimentaldesignandanalysistoevaluating

6、thevalidityoftheinversealgorithmandmeasuringmethods．nemaincontentofthedissertationinvolves：1．Firstly．ThetheoreticalframeworkoftissueopticsWasdescribedcompletelyandsystematically．Then，theopticalparametersdescribingtheinteractionbetweenlightandtissuesaredistinctexplanatedanddeducedfordefinitions．Next，

7、weintroducedthetheoriesoflighttransportinthetissuesMonteCarlosimulationsanddiffusionapproximationtheory；2．Monte-Carlo(MC)methodWaschosenastheforwardmodeltosimulatethephotonmigrationinthetransportregim