（光学工程专业论文）生物组织的光学描述与光传输规律研究.pdf

南京理工大学博卜学位论文生物纽织的光学描述光传输规律研究 摘要 光学在生命和保健科学中的应用由来己久，激光的出现进一步增强了光学方法在 解决现代医学难题时的优势与潜在价值。光学手段被认为是解决医学疑难杂症的最有 效途径之一。确切地认识光在生物组织内的传播规律是这些技术得以正确应用的前提 和基础，但它一直没有被很好解决，始终困扰着组织光学的研究者。目前，最为迫切 需要解决的是“生物组织光传输的快速计算以及生物组织光学特性的合理描述问题”。 本论文正是以这两项内容为研究对象，旨在发展快速高效的光传输计算工具，同时统 一生物组织光学特性的理论描述，为建立完善的组织光学理论体系作有益的尝试。 在光学诊疗中，绝大多数生物组织可以近似看成是层状生物组织。为此，在论文 的上篇，我们以辐射传输方程为基础，建立了层状生物组织光传输问题的系统理论， 同时从数值计算和实验两方面验证了该理论的芷确性。取得的成果有： 为解决生物组织光传输的快速计算问题，我们引入线性系统理论。建立了层状 生物组织光传输的系统理论。该方法与m o n t ec a r l o 方法相比，可将计算效率提高2 个数量级以上。在此基础上，运用该理论讨论了会聚光源在层状生物组织内的传输过 程以及准直光源照射下半无限生物组织的漫反射问题。实践证明：“层状生物组织光 传输系统理论是一种快速、高效而又准确的计算理论”。另外，还建立了可测量任意 准直光源照射下层状生物组织透射光分布的实验装置，并在实验上验证了层状生物组 织光传输系统理论的正确性。 现有光传输理论都依赖于生物组织的光学参数，而组织光学中已知光学参数的 生物组织非常有限，因为生物组织的光学参数不仅依赖于组织的种类，而且依赖于组 织的状态。系统理论的引入使得光传输问题的理论分析不再依赖于生物组织的光学参 数，但必须知道生物组织光传输的点扩散函数。为此，我们提出了种从实验途径获 取层状生物组织光传输点扩散函数的有效方法一逆卷积方法，并将其应用于猪肌肉 组织光透射点扩散函数的实验重建。实验重建结果与m o n t ec a r l o 模拟结果吻合较好， 这充分说明了该方法的正确性。引入该方法的意义在于：它将使层状生物组织光传输 问题的理论分析不再依赖于确切知道生物组织的光学参数。 激光在生物组织内传输时的角分钿信息对于发展和优化光学诊疗技术有着非 常重要的价值，然而在以往的研究中没有加以重视和利用。为此，我们详细地研究了 激光在生物组织内传播时的角分布信息，特别是局部病变生物组织背散射场的角分布 信息，该研究为利用背散射场角分布进行无创伤诊断提供了有益参考。 在上述研究过程中，发现生物组织光学特性的描述与测量是一个更为基本的问 题。它不仅是引入和发展各种光传输理论的基础，也是发展光学无创伤诊断技术的基 础。为此，我们将其作为论文的另一重点进行论述，构成了本论文的下篇生物组 织光学特性的描述与测量。在这部分，具体成果有： i、一一 摘暮博：论文 针对构建组织光学理论体系的需求，我们提出了从分子、细胞和组织层三个尺 度综合描述生物组织的光学特性，以及采用不同光学理论处理生物组织光传输问题的 新思路。这一思路的提出将为统一生物组织光学性质的参数描述及建立完善的组织光 学理论体系提供有益参考。 针对生物组织折射率概念含糊不清的现状，我们界定了组织层尺度上生物组织 折射率的作用与概念。引入“等效折射率”概念，并将其用于处理生物组织光传输的 边界问题。在此基础上，发展了一种等效折射率的确定算法，完善了等效折射率的全 反射测量方法。同时建立了等效折射率的全反射测量系统，并对几种典型生物组织进 行了测量，结果与文献报道吻合较好。 在一般意义上，生物组织折射率是一个复数。为此，我们首次讨论了生物组织 复折射率的椭圆偏振测试问题，建立了全反射椭偏术测量生物组织复折射率的实验装 置，并对两种典型生物样品进行了实验测量。在此基础上，首次引入复折射率边界条 件，并结合m o n t ec a r l o 模拟讨论了复折射率边界对半无限生物组织漫反射特性的 影响。 综上所述，论文的上篇建立了层状生物组织光传输问题的系统理论，有效地解决 了生物组织光传输的快速计算问题。在论文的下篇以统一生物组织光学特性的理论描 述为目标，提出了从分子、细胞和组织层三个尺度上综合描述生物组织光学特性的思 路，同时探讨了生物组织折射率的测试问题，为建立完善的组织光学理论体系提供有 益参考。 关键词：组织光学系统理论，光传输特性光学特性生物组织折射率 n 南京理工大学博f - 学位论文生物组织的光学描述与光传输规律研究 a b s t r a c t o p t i c si nl i f ea n dh e a l t hs c i e n c ei san e wp o i n to fg r o w t hi nm o d e mo p t i c s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a lt e c h n o l o g yi nm o d e mm e d i c i n e ，i ti sk n o w na so n eo ft h em o s t e f f e c t i v es o l u t i o nt od i a g n o s ea n dc u r ed i s e a s e ss u c ha sc a n c e r , t l u n o r se r e 。h o w e v e r , t h e p r i n c i p l eo fl i g h tt r a n s p o r t i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u e ss h o u l db ec l e a r l yu n d e r s t o o db e f o r e t h o s eo p t i c a lt e c h n o l o g i e sc a l lb ea p p l i e dc o r r e c t l y u n f o r t u n a t e l y , t h i sp r o b l e mi sn o tw e l l s o l v e du pt on o w , e s p e c i a l l yf o rt h eq u i c kd e t e r m i n a t i o no fl i g h td i s t r i b u t i o ni nb i o l o g i c a l t i s s u e sa n dp r o p e rd e s c r i p t i o no f t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f b i o l o g i c a lt i s s u e s a sar e s u l t , w e w i l lm a i n l yd i s c u s st h o s et w op r o b l e m sc o m p r e h e n s i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t os o l v et h ep r o b l e mo fq u i c kd e t e r m i n a t i o no ft h el i g h td i s t r i b u t i o ni nb i o l o g i c a l t i s s u e s ，w ei n t r o d u c et h el i n e a rs y s t e mt h e o r yi n t ot i s s u e so p t i c st oe s t a b l i s ht h es y s t e m t h e o r yf o rl i g h tt r a n s p o r t i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u e s a n dt h en e wt h e o r yi sv e r i f i e db y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h o s ec o n t e n t sc o m p o s et h ef i r s t p a r to f t i f f sd i s s e r t a t i o n t h ep r o d u c t i o n si nt h i sp a r tc a l lb es u m m a r i z e da sb e l o w ： f i r s t l y , t h el i n e a r - s h i f t - i n v a r i a n tp r o p e r t i e so fl i g h tt r a n s p o r t i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u e s a r ed i s c u s s e db a s e do nt h er a d i a t i v et r a n s f e rt h e o r y a n das y s t e mt h e o r yo fl i g h t t r a n s p o r t i n gi nl a y e r e db i o l o g i c a lt i s s u e si se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sc o m p a r e db ym o n t ec a r l o m e t h o d n 碡r e s u l t ss h o wt h a ti tc a ni m p r o v et h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ym o r et h a nl o r d e r s a n dt h e n ，t h es y s t e mt h e o r yi sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ec o n v e r g i n gl i g h tt r a n s p o r t i n g i nb i o l o g i c a lt i s s u e sa n dt h ed i f f u s er e f l e c t a n c eo fb i o l o g i c a lt i s s u e si r r a d i a t e d b y c o l l i m a t e dl i g h ts o u r c e t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sa ne f f e c t i v et o o lf o rq u i c kd e t e r m i n a t i o n o fl i g h td i s t r i b u t i o ni nl a y e r e db i o l o g i c a lt i s s u e s a n dt h e n , 锄e x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt o v e r i f yt h es y s t e mt h e o r y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa l ew e l lm a t c h e d w i t l lt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s s e c o n d l y , t om a k et h ea p p l i c a t i o no fs y s t e mt h e o r yf o rl i g h tt r a n s p o r t i n gi nl a y e r e d b i o l o g i c a lt i s s u e si n d e p e n d e n t so na c c u r a t e l yk n o w i n gt h eo p t i c a lp a r a n a c t e r s w cd e v e l o p an e wm e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h ep o i n ts p r e a df u n c t i o no fb i o l o g i c a lt i s s u e sf r o m e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s w ec a l li td e c o n v o l u t i o nm e t h o d w h o l ea r i t h m e t i co ft h e m e t h o di sp r e s e n t e d ，a n dw h i c hi su s e dt oo b t a i nt h et r a n s m i s s i o np o i ms p r e a df u n c t i o no f m u s c u l a t u r e s t h er e s u l ti sw e l lm a t c h e dw i t ht h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h i r d l y , t h ea n g u l a rd i s t r i b u t i o no fl i g h ti nb i o l o g i c a lt i s s u e si sv e r yi m p o r t a n tt o d e v e l o pa n do p t i m i z et h eo p t i c a ld i a g n o s i sa n dt r e a tt e c h n o l o g i e s a sar e s u l t ，t h ea n g u l a r d i s t r i b u t i o n so fl i g h ti nb i o l o g i c a lt i s s u e sa r ei n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v e l y , w h i l el a s e r l i g h t i s t r a n s p o r t i n g i nb i o l o g i c a lt i s s u e s a n dt h e a n g u l a rd i s t r i b u t i o n so fd i f f u s e i i i a b s t r a c t博士论文 r e f l e c t a n c ee m i t t i n gf r o ml o c a l - p a t h o l o g i c c h a n g et i s s u e sa r ea l s od i s c u s s e d ，w h i c hi sa f a v o r a b l er e f e r e n c ef o ra p p l y i n gt h ea n g u l a rd i s t r i b u t i o no ft h ed i f f u s er e f l e c t a n c et o n o n - i n v a s i v e l yo p t i c a ld i a g n o s e i nt h ep e r i o do fa b o v er e s e a r c h , w ef m dt h a tt h ed e s c r i p t i o na n dm e a s u r e m e n to f o p t i c a lp r o p e r t i e sf o rb i o l o g i c a lt i s s u e si sam o r eb a s i ca n di m p o r t a n tp r o b l e mi nt i s s u e o d t i c s a sar e s u l lw ew i l id i s c u s si ti nt h es e c o n dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e t a i l e d c o n t e n t sc a nb eg e n e r a l i z e da s f o u r t h l y , t ou n i 匆t h ed e s c r i p t i o no fo p t i c a lp a r a m e t e r so fb i o l o g i c a lt i s s u e s 。a n i n n o v a t i o n a li d e ai sp r o p o s e dt h a ts y n t h e t i c a l l y d e s c r i b i n gt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f b i o l o g i c a lt i s s u e sf r o mt h r e es c a l e s ：m o l e c u l e ，c e l la n dt i s s u e ，a n dt h e nd e a l i n gw i t ht h e o p t i c a lp h e n o m e n ab yd i f f e r e n tt h e o r e t i c a lt o o l sc o r r e s p o n d i n g l y t h ep r o p o s a lo f t h i si d e a i sag o o dr e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gt h et h e o r ys y s t e mo f t i s s u e s o p t i c s f i f t h l y , t h ec o n c e p to fe q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xi si n t r o d u c e dt od e a l 、i t l lt h e b o u n d a r yc o n d i t i o no fl i g h tt r a n s p o r t i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u e s t h ep r i n c i p l eo ft o t a l r e f l e c t i o nm e a s u r i n gt h ee q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xi sd i s c u s s e di nd e t a i l an e w a l g o r i t h m f o rd e t e r m i n a t i o no fe q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xi sd e v e l o p e d ，a n dw h i c hi s a p p l i e df o r o b t a i n i n gt h ee q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xo f s a m et y p i c a lb i o l o g i c a lt i s s u e s s i x t h l y , g e n e r a l l y , t h er e f r a c t i v ei n d e xo fb i o l o g i c a lt i s s u e si sf tc o m p l e xv a l u e a sa r e s u l t ，w em a k eaf i r s ta t t e m p to nt h em e a s u r e m e n to fc o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xo f b i o l o g i c a lt i s s u e s a ne x p e r i m e n t a ls e t u pf o re l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o nm e t h o dm e a s u r i n gt h e c o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xi se s t a b l i s h e d 。a n dw h i c hi su s e dt oo b t a i nt h ec o m p l e xr e f r a c t i v e i n d e xo fb i o l o g i c a lt i s s u e s a n dt h e n , t h eb o u n d a r yc o n d i t i o nw i t hc o m p l e xr e f r a c t i v e i n d e xi si n t r o d u c e d ，a n dw h i c hi su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fc o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e x o nt h ed i f f u s er e f l e c t a n c eo f b i o l o g i c a lt i s s u e sc o m b i n i n gw i t hm o n t ec a r l om e t h o d k e yw o r d s ：t i s s u e so p t i c s ，s y s t e mt h e o r y , l i g h tt r a n s p o r t i n gp r o p e r t i e s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s o f b i o l o g i c a lt i s s u e s ，r e f r a c t i v ei n d e xo f b i o l o g i c a lt i s s u e s 曼坐望塑2 苎堡望兰堡垒垒兰兰! ! 塑壑竺垄兰塑箜兰垄堡塑塑堡塑塞 论文中所用符号的物理涵义 占( 尹，i ，t ) ，e ( - ) w ， 0 ， g 彳( f ) ，a ( p 。z ) r ( p ) ，r ( p ，) o ( z ) i ( 芦，i ) ，厶( ，；) 厶( ，j ) m ( ，) ，中( ，t ) d c 物理涵义 辐射强度 位置矢量 方向矢量 数密度 散射截面 吸收截面 消光截面 散射相函数 辐射源项 生物组织内的光传播速度 散射系数 吸收系数 消光系数 时间 光子迁移的随机步长 迁移步长的概率函数函数 0 ，1 之间的随机数 光子能量权重 俯仰角和方位角 散射各向异性因子 组织吸收的能量权重分布 生物组织漫反射强度 组织内部的光通量 约化入射强度和漫射强度 l e g e n d r e 多项式 辐射通量密度 漫射系数 净能流矢量 极坐标的矢径 删芦w，q蚓怫u从儿h，删手 论文中所用符号的物理涵义 博士论塞 x k ，s 1 t i f ( f ，j ，f ) ， ( 尹，) ， ( 尹) p 嚼，畦 i z 艿( 尹，i ，f ) ，占( t i o ，f ) 岛 昂 ，( 曼，夕，z ) 占( 置歹，0 ) 疗( 曼，夕，z ) ( 量，歹，z ) i ，夕 丘( 产，三) n ( x ) 昂 f 孑 t ”黜“ 西 声 z 屋 他 e ， 占 ， 兄 d k u b e l k a - m u n k 系数 沿正负方向传播的光通量 辐射传输算子 光传输点扩散函数 有效衰减系数 组织折射率 d e l t a 函数 有效散射系数 准直光束的半径 入射光功率 辐射强度的频率域形式 光源项的频率域形式 噪声项的频率域形式 点扩散函数的频率域形式 工。y 方向的空间频率 约化入射强度的电场形式 组织内的折射率分布 入射光通量 光学深度 光学厚度 透射和反射算符 电位移矢量 电极化强度 电极化率 电场强度 电子的质量 电子的电荷 阻尼系数 介电常数 真空的介电常数 相对介电常数 光波长 散射元的大小 曼堕塑坚蔓兰塑望兰型堕蔓_ 望丝! ! ! 堕生兰塑堕! ! 垄竺垫型堡堕壅 只 6 ： 砬 e ，e | 5 ，5 l ， r n 。r 。 平均折射率 等效折射率 入射角 折射角 全反射临界角 p 波和s 波电场 p 波和s 波的相位延迟 p 波和s 波的反射系数 复折射率 p 波和s 波的反射率 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：毕峰二 舯阳妒日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：毒雌，嫜乡月2 辑 南京理工大学博十学位论文生物组织的光学描述光传输规律研究 1 绪论 1 1 引言 近年来，光子学和现代医学、生物学交叉发展，楣互融合，逐步形成了一个新的 交叉学科增长点生物医学光子学( b i o m e d i c a lp h o t o n i c s ) i - 4 o 生物医学光子 学包括生物光子学和医学光子学二部分，它们分属生物学和医学领域，但两者无明确 的界限，研究内容上存在互相交叠性。目前，它主要包含两方面的内容：一是生物系 统中光子的产生与生命过程的联系、及其在生物、医学诊断、农业、环境、甚至食品 检查等领域中的应用：二是医学光子学基础与技术，它包括组织光学、新颖的激光诊 断和医疗技术等等。医学光子学是光子学与现代医学相结合的产物。事实上，光学在 生命和保健科学中的应用已久，激光的出现进一步增强了它在疾病诊疗中应用潜力， 日益受到人们的重视。光学在生命和保健科学中的这些应用可以分为光学诊断和光学 治疗两大类，但无论是光学诊断还是治疗，光或激光只有透过皮肤及肌肉，才能传到 皮下组织和器官，因此光或激光在生物组织内的传输问题是生物医学光子学领域的基 础性问题”。在生物医学光子学的发展迸程中，将光学诊疗的研究任务赋予给了医 学光子学，而将生物组织光传输问题的研究赋予给了组织光学，因此组织光学作为医 学光子学的基础而存在，为医学光子学的发展提供理论基础与指导。 随着人类社会的发展，出现了许多传统医学手段难以早期诊断和治疗的疾病，如 上皮组织的发育异常、心血管疾病、癌变等等。医学统计表明：心血管疾病和癌症是 导致人类非正常死亡的两大主要原因，至今没有找到能对其进行有效诊断和治愈的医 学手段。光学技术具有非接触、非电离、无创伤或微创伤( 与光纤配合使用时) ，灵 活性高等突出优点，这促使人们探索其在解决现代医学难题中的潜在应用“”。初 步研究表明：光学手段是解决早期诊断和治疗心血管疾病、癌症等的有效途径之一。 在以往的研究中，已经提出了多种无创伤光学诊断技术，如激光诱导荧光技术、偏振 光成像技术、弹性散射光谱技术等，并探讨了对肿瘤、癌症等进行早期诊断的可行性 1 4 - 2 4 o 这些工作中，以麻省理工大学( m i t ) 激光生物与物理研究所的工作最为突出， 他们通过测量弹性散射光谱反演出了上皮组织体内细胞核肿大、密度增大、折射率增 大等组织形态信息，进而可以探知上皮组织是否发育异常或早期癌变，这一研究成果 公布在2 0 0 0 年的“n a t u r e ”杂志上“”。事实上，这些研究成果真正仪器化的非常少， 主要原因在于生物组织自身结构的复杂性，以及由此引起的光学现象的复杂性，因此 解决光波与复杂生物组织的相互作用问题，尤其是光在复杂生物组织内的传输问题是 促使各类光学诊疗技术仪器化、定量化的关键所在。为此，2 0 0 3 年国家自然科学基 金委员会信息科学部组织编写的光子学的重要学科及发展将这项内容列为生物医 学光子学研究的重点内容之一。 组织光学领域对生物组织光传输问题的研究，已经经历了将近二十年的历程。研 博t 论文 究者们基于辐射传输理论发展了多种生物组织光传输问题的近似计算模型和理论，如 m o n t ec a r l o 方法帅1 、漫射近似嘲、随机游走理论随，离散坐标法叫、路径积分法研 等等。这些方法忽略组织自身的结构及光在其内传播时的波动效应，为处理密厚生物 组织内的光传输问题提供了有效工具。另外，还以电磁理论为基础，发展了m i e 理论、 t - m a t r i x 法等散射理论，为处理生物样品的单散射问题提供了理论工具啪1 。生物样品 单散射问题的研究直接为发展无创伤诊断新技术提供思路和理论基础。经过将近二十 年的摸索，组织光学的研究取得了丰硕的成果，较好地辅助了医学光子技术的发展。 但是，纵观整个医学光子学的发展历程，组织光学始终落后于医学光子技术的发展， 组织光学的现有研究仍然不能满足医学光子学发展的需求，因此组织光学仍然是需要 加大力度发展的领域。随着医学光子技术的发展，人们希望将各种精密光学技术应用 于各类疾病的无刨伤诊断，如光学干涉技术、光学偏振技术等等。光学弱相干层析技 术( o c t ) 应运而生了，它将干涉技术与共焦扫描显微技术完美地结合，实现了高达1 0 微米的三维层析空间分辨率，为活体组织的层析测量提供了有效的手段。该技术公布 在1 9 9 1 年的“s c i e n c e ”杂志，引起了广大研究者的关注啪。删。这一系列精密光学技 术的引入，使得辐射传输理论不再能够满足生物组织光传输问题研究的新需求考 虑光在生物组织内传播时的波动效应、偏振特性、以及组织微结构的影响，因此需要 建立更为完整的光传输理论或者修正辐射传输理论。另外，随着某些光学诊疗技术向 临床实用化发展，对快速、精确分析生物组织内的光传输问题提出了更高的要求。2 0 0 3 年国家自然科学基金委员会信息科学部组织编写的光子学的重要学科及发展指出 了组织光学发展的几个重点，现引述如下； “作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参 数数据库外，在理论上可着重考虑以下几个问题：a 继续改进生物组织光传输模型， 一要发展受限制少、快速而又精确的模型：二要精确化组织光学模型，使之与生物组 织特别是活体组织状态相近似：b 研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射光的 时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备；c 研究调制光在生物组织中的传播 特点，例如将振幅调制的光波照射到组织上产生漫散射光子密度波，它同样要发生反 射、折射、衍射、散射、色散等，它既可以用于测量组织的光学性质参数，又可以用 于组织成像；d 研究生物组织散射和吸收特性对测量荧光及其光谱的影响：e 光在复 杂组织结构中的传输过程的计算机模拟，通过大量模拟找出简单而有效的规律来说明 光在组织中传输的基本性质，并建立各光学参数与可测物理量之间的关系为组织光学 性质的测量提供依据；f 统一生物组织光学性质的参数描述，建立完善的组织光学理 论体系。” 1 2 本文的主要工作 在上述研究背景下，本人以江苏自然科学基金项目“生物光学无损检测复杂 2 南京理丁大学博l 学位论文生物组织的光学描述光传输燃律研究 生物组织中光传输规律的研究”和“生物组织中光学传递函数理论的建立与应用”， 南京理工大学青年学者基金项目“生物组织折射率分布的理论建模与测试技术研究”， 江苏省高等学校研究生创新计划项目“生物组织无创伤诊断的光传输新模型”，以及 南京理工大学优秀博士培养基金等多个项目为依托，从理论和实验两个角度对生物组 织的光传输特性问题进行了深入研究。具体内容可概述如下： 上篇；层状生物组织光传输理论 本篇以解决生物组织光传输的快速计算问题为目标，建立了层状生物组织光传输 问题的系统理论。从理论和实验两方面验证了系统理论的正确性和高效性，同时讨论 了它在处理生物组织光传输问题中的应用。本篇具体内容包括： 较为全面地评述了生物组织光传输问题的研究状况，详细地介绍了基于辐射传 输理论的各种近似模型及其适用条件。 在辐射传输方程的基础，讨论了层状生物组织光传输问题的线性平移不变性， 同时建立了层状生物组织光传输的系统理论及计算模型。 运用层状生物组织光传输系统理论，研究了会聚光源在层状生物组织中的传输 问题，以及准直光源照射下层状生物组织的漫反射问题。 在实验上，建立了准直光源照射下层状生物组织透射特性的测量装置，并通过 实验验证了层状生物组织光传输系统理论的正确性。 以系统理论为基础，发展了一种从实验途径获取层状生物组织光传输点扩散函 数的新方法逆卷积重建法。在此基础上，建立了相应的实验装置，通过实验测量 重建了肌肉组织光透射点扩散函数。此外，还讨论了肌肉组织薄片的远场衍射现象。 以辐射传输理论为基础，讨论了激光在生物组织内传播时的空间角分布问题； 同时还研究了准直激光照射下局部病变组织的背散射场角分布，为将背散场角分布信 息应用于无创伤诊断技术提供了有益参考。 下篇：生物组织光学特性的描述与测量 下篇以统一生物组织光学特性参数的理论描述为背景，探讨了从分子、细胞、组 织层三个尺度综合描述生物组织光学特性的可能性，同时对生物组织折射率的测量问 题进行了深入讨论。本篇具体内容包括： 深入讨论了生物组织的光学特性，在此基础上，提出了从分子、细胞和组织三 个尺度综合描述生物组织光学特性的创新思路，同时给出了这三个尺度上的基本光学 参量：电极化率、折射率和辐射传输参数，及其三者之间的联系。这一思路的提出为 统一生物组织光学性质的参数描述及建立完善的组织光学理论体系提供了有益的参 考。 界定了组织层尺度上生物组织折射率的作用与概念，引入“等效折射率”处理 生物组织光传输的边界问题：用“平均折射率”处理生物组织内光的传播速度并以 3 绪论博l 论文 此为基础，分类评述了生物组织折射率测量问题的研究状况。 基于等效折射率的物理涵义，发展了一种生物组织等效折射率的确定算法，完 善了等效折射率的全反射测量理论。同时建立了等效折射率的全反射测量系统，并对 几种典型生物组织进行了测量，结果与文献报道吻合较好。此外，还讨论了生物组织 复折射率的测试问题，这是一项尚未有人研究的新问题。 在组织光学中，首次引入复折射率边界条件，结合m o n t ec a r l o 模拟分析了复 折射率边界对半无限生物组织漫反射特性的影响。 4 南京理工大学博士学位论文生物组织的光学描述与光传输规律研究 2 生物组织光传输理论研究回顾 随着医学光子技术的发展，使得我们需要更加准确地认识光或激光在复杂生物组 织内的传输过程。因为无论是激光诊断还是治疗，光或激光只有透过皮肤及肌肉，才 能传输到所要诊疗的皮下组织或器官。“生物医学光子学”将这一基础理论课题赋予 给了“组织光学”。组织光学在1 9 8 8 年应运而生，至今已经经历了将近2 0 年的历程， 取得了丰硕的研究成果“”。为此，在展开本论文的中心内容之前，先简单回顾一 下组织光学中现有的生物组织光传输理论。 2 1 生物组织光传输问题 光或激光在生物组织内的传输问题是生物医学光子学领域的基础性问题。它的准 图2 1 皮肤的模型”1 1 表皮层，2 真皮，3 含有超细纤维的真皮 4 真皮，5 含有超细纤维的真皮 确解决是发展光学诊疗新技术的前提与基 础，是现有医学光子技术仪器化和定量化的 前提，因此它在医学光子学领域有着举足轻 重的作用。那么它到底包含那些内容呢? 答 案是：它包含了与生物组织光传输过程相关 的所有内容，例如“生物组织光学特性的描 述”、“光在生物组织内的传输规律”、“如何 精确测定组织内的光场分布? ”以及“如何 精确测定生物组织的光学参数”等等。这些 内容构成了“组织光学”嘲。我们可以将它 们分为两类：一类是与光学治疗相关的正问 题，它主要解决生物组织内光分布的理论计 算或实验测量问题，它们是优化设计激光针 灸、光动力治疗、激光手术等光学治疗技术 的理论基础；另一类是与光学诊断相关的逆 问题，它主要解决生物组织光学特性的测量 问题。逆问题研究为正问题提供必需的组织 光学参数，同时也为探索生物组织光学无创 伤诊断技术提供基础；正问题研究为解决逆 问题提供必需的理论工具，因此它们是相互 依存，不可分割的。图2 1 给出了皮肤组织的五层模型。假如在真皮层内出现了病变， 如癌变或发育不良，现需要用光学方法对其进行诊断。此时，需要测量特定光源照射 下生物组织内的光分布或反射光分布，从而确定生物组织的光学特征量或结构特征量 的变化，以此判定组织内部是否存在病变，此类问题属于“逆问题”。当需要对组织 的病变进行光学治疗，如p d t 治疗时，则需要考虑如何恰当的选择光源形式使生物 生物组织光传输理论研究刨顾 博士论文 组织内的光能分布尽可能的集中在病变区域，这时光学治疗所需要的辐射剂量最少， 同时带给周围正常组织创伤最小，这类问题属于“正问题”。这两类问题构成了组织 光学的基本内容，构成了医学光子学发展的理论和技术基础。 2 2 生物组织光传输的现有理论 图2 2 生物组织光传输的现有理论 在组织光学中，已经发展了多种处理生物组织光传输问题的近似模型与算法，如 漫射近似理论“1 、离散坐标法阻矧、随机游走理论慨、m o n t ec a r l o 模拟“”等。这些 方法主要可以分为两类汹】：辐射传输理论和电磁理论。具体可参见图2 2 。 电磁理论从麦克斯韦方程着手，考虑了生物组织的统计特性与光的波动特性。从 原理上看，这是最基本的理论方法，它可以处理光在生物组织内传播时的各种光学现 象。它的不足之处在于数学处理过于复杂，因此在处理生物组织光传输问题中使用较 少，而在分析生物组织构成微元的散射特性时使用较多。辐射传输理论不直接从麦克 斯韦方程出发，它忽略光的波动性和生物组织的内在结构，直接处理光能量在生物组 织内的统计传输过程。这种方法带有直观试探性和推断性，缺乏电磁理论的严密性， 但是它有着良好的实验基础，适用于绝大多数的光传输问题，因此它在组织光学内有 着广泛的应用。 6 南京理工大学博 学位论文生物组织的光学描述0 光传输规律研究 2 3 组织光传输问题与辐射传输理论 在辐射传输模型中，生物组织被抽象成是一个大量散射和吸收元的集合。这些散 射和吸收元服从统计均匀分布，并且它们的散射和吸收特性可以理解为是生物组织内 的细胞膜、细胞质和细胞核等基本组成单元的散射和吸收特性的统计平均效应在此 组织模型的基础上，它还忽略了光的波动特性，仅考虑光能量在组织内的传输过程。 此时，辐射传输方程较好地描述了光子及其携带的能量在生物组织内的统计平均传输 过程饥捌 辐射传输方程与中子输运理论中的b o l t z m a n n 方程相似“1 。如图2 3 所示，我们 考察入射到长度为凼的具有单位截面的柱形体元上的辐射强度，( f ，j ) 。体积元幽内 包含了7 凼个散射粒子，为散射粒子的数密度，盯。和吒分别为散射粒子的散射截面 和吸收截面，则通过体积元凼后辐射强度，( f ，；) 的减少为嘲 玎扩，i ) = - v a s ( o ，+ o 。p = 一y d s e r f i ( 2 1 ) 同时，考虑沿其它方向i 入射到体积元凼上的辐射强度经散射后，有一部分将 叠加到沿i 方向传播的辐射强度上，由此引起，( 尹，i ) 的增加为嘲 等p ( 州巾，孑) d c o ( 2 2 ) 式中，p g ，i ) 为散射相函数，它描述了沿i 方向传播的光辐射被粒子散射到i 方向的 概率。 此外，沿i 方向传播的辐射又会因为体积元西内的辐射发射而增加，假定由辐射 源的辐射发射引起沿i 方向传播的辐射强度的增加量为 出伊，i ) ( 2 3 ) 综合上述讨论，辐射强度，( i ，i ) 随d s 的变化率为 ! ! ! 辱型：一y q ，扩，i ) + 雩_ p g ，i ) ，舻，r ) 豳+ 扩，i ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 为微分形式的稳态辐射传输方程州。如果还需要考虑辐射强度随时间的变 化，则只要在式( 2 4 ) 的基础上，添加上“，p ，i ，f ) 随时间的变化项”即可 三煎；型+ 型擘型：叩，畸r ) + 譬，i 力，+ e 畸f ) ( 2 5 ) u a ta s q 兀。 式中，p ，i ，t ) 为t 时刻空间某点尹处沿i 方向传播的辐射强度，伊，i ，) 为t 时刻 空间某点尹处的辐射源对沿i 方向传播的辐射强度的贡献，d 是光在生物组织中的传 播速度事实上，麒= 鸬为消光系数，飓= 从为散射系数。 由以上讨论可知：“辐射传输方程公式化地描述了f 时刻空间某点f 处微小体积元 内，辐射能量的平衡情况。它从能量守恒的角度描述了光在生物组织内的统计传输过 程。”式( 2 5 ) 左边第一项代表了辐射强度随时间的变化；第二项代表了辐射强度随空 7 生物组织光传输理论研究| d i 顾博i 一论文 间的变化( 即光辐射从体积元边界的流入与