生物组织中光能量传输与分布的蒙特卡罗研究

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1、山东大学硕士学位论文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。本文首先概述组织光学的发展概况及研究任务，指明光能量在生物组织中传输与分布的研究意义，并简介生物组织中光能量传输与分布规律研究

2、的历史和现状。其次，介绍生物组织的结构特点和光学性质，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漫射近似所得到的漫射方程，并分别得到漫射方程在无限介质和半无限介质模型中的解。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，分别给出单层及双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。具体分析双层及多层生物组

3、织与单层生物组织中光子传输的区别。最后，详尽分析单层与双层生物组织中光分布的蒙特卡罗模拟的仿真结果。首先通过与传输理论对比得出了本文蒙特卡罗方法模拟的正确性，然后分别从二维和三维视角形象地给出光子在组织内部的运动轨迹，讨论各项异性因子与上下表面损失的能量的关系。在此基础上，分别分析光能量在单层以及双层生物组织中的传输情况。具体讨论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；对双层生物组织，分析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，并简单分析高斯光

4、束与平圆光束模拟光在双层组织中的传输，得出了具有实际意义的结果。关键词：生物组织；蒙特卡罗；能量散射；吸收能量密度；光能流率山东大学硕士学位论文ABSTRACTEnergydistributioninbiologicaltissuehasaveryimportantsignificanceinlaserbiomedicalinformationonthediagnosisandtreatment．MonteCarlomethodhasbeenwidelyusedinparticletransportproblem，butalsofitinthesamerese

5、archorganizationinthelighttransportproblem．NumericalresultsobtainedbyMonteCarlomethodhavebecomeanon—teststandardstocomparetheaccuracyofvariousanalyticaltheoryoftissueoptics．ThebasicideaofMonteCarlomethodusedinbiologicaltissueopticalenergytransmissionanddistributionis：usingtheprincip

6、leofabsorptionandscatteringofphotonstotracktheprocessthroughthemediumofchaos；throughalargenumberofphotonstatisticsofsimulationresultstoobtainthedistributionoflaserenergywithintheorganization．Firstly，thepaperprovidesanoverviewofthedevelopmentofopticalorganizeandresearchmission；points

7、outtheresearchsignificanceoflightenergytransferringinbiologicaltissue；introducesthestudyhistoryandthecurrentsituationoflightenergydistribution．Secondly，introducethestructuralcharacteristicsandopticalpropertiesofbiologicaltissue，sumuptheinteractionoflight、Ⅳithbiologicaltissueofanumbe

8、rofways，andfocusond