（生物医学工程专业论文）漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l et h ep r o p e r t yo fd p d w t r a n s m i t t i n gt h r o u g hb i o t i s s u ep r o d u c e db y i l l u m i n a t i n go f c o n t i n u o u sw a v e sw a ss t u d i e di ns i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s t h ee f ! f j c tt o t h et r a n s m i t t a n c eo fd p d ww h e na l la b n o r m a lo b j e c tw a sc o n t a i n e di nt i s s u ew a sa l s o d i s c u s s e d o nt h eb a s i c so fd p d w st h e o r y , ap r o g j r a mt h a tc o u l ds h o wt h ep r o c e s sw h e na p h o t o nw a l kt h r o u g h t h et i s s u ea n dt l l ep a r a m e t e r so fs o u r c ea n dt i s s u ec o u l db ei n p u t t e do n t h ei n t e r f a c ea n dt h er e s u l t c a r lb e g i v e nw i t hg r a yp i c t u r e sa n dt x td o c u m e n t sw a s p r o g r a m m e d t h e r e s u l tw a s s i m p l ea n dc o u l d b e a n a l y z e de a s i l y b ym a k i n gf u l lu s eo f t h ep r o g r a mt os i m u l a t et h es p r e a do f p h o t o n sw h e nc h a n g i n g t h ep a r a m e t e r so ft i s s u e s o m en e w p h e n o m e n aw a sf o u n da n de x p l a i n e d t h es i t u a t i o no f m u l t i p l a y e ra n da b n o r m a lo b j e c t sc o n t a i n e di nm o n o l a y e rt i s s u ew a sa l s od i s c u s s e d a sa r e s u l t ，t h ep o s i t i o na n ds i z eo f a b n o r m a lo b j e c t sc o u l db ed e t e c t e db ym o n t ec a r l os i m u l a t e t l l er a r e l ym i l ks o l u t i o n ( t h ec o n c e n t r a t i o no fq u a l i t yi sa b o u t1 e 一5 1w a ss t u d i e d q u a l i t a t i v e l yw i t h6 5 0 n m l d t h ev i s i b i l i t yo fa b n o r m a lo b j e c t sh i d d e ni nt h es o l u t i o na n d t h ev a r i e t yo f s p e c k l ei nt h es u r f a c eo f t r a n s m i s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e dt o o f r o mt h er e s u l t ， w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fc o n c e n t r a t i o no f s c a t t e r i n gp a r t i c l e ，t h e a b n o r m a l o b j e c t s e m b e d d i n g i nt h es o l u t i o nc o u l db es e ec l e a r l y , b u tt h es p e c k l ei nt h es u r f a c eo f t r a n s m i s s i o n w a sd i m i n i s h e d ，a n dt h es o l u t i o nb e c a m e b r i g h t l y i nt h i sa r t i c l e ，t h eb e s tw a v e l e n g t hu s e dt o d i a g n o s et h o s ec h a n g e si nt i s s u e sw a s a n a l y z e d t h e8 0 8 n ml a s e re m i s s i o ns y s t e ma n dt h ep h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rw o r k i n gu n d e r r e v e r s e dv o l t a g ew e r ed e s i g n e d 1 1 1 ed i s t r i b u t i n go fi n t e n s i t yo ft r a n s m i t t e dl i g h tw i t ha n d w i t h o u ta b n o r m a lo b j e c t sw a st e s t e di nm o n o l a y e ra n d d o u b l e l a y e r so fp o r kt i s s u ew i t ht h e t h i c k n e s sw e r e0 3 c ma n d0 6 c m ，f r o mt h ed i s t r i b u t i o no f i n t e n s i t yo f t r a n s m i t t e dl i g h tt h a t w a si n v e r s e df r o mt h ed a t ao f e x p e r i m e n t s ，t h eb i g g i s ha b n o r m a lo b j e c t ( 圆2 5 m m ) c a nb e s e eo b v i o u s l y b u tt h el e s s e ra b n o r m a lo b j e c tf 驴0 ，5 r a m ) c a n n o tb ef o u n d e d o n et h eo n e h a n dt h er e a s o nw a st h ep o s i t i o na n ds i z eo fa b n o r m a lo b j e c t ；o nt h eo t h e rh a n dw a st h e l o w e rr e s o l v i n gp o w e ro fd e t e c t o r i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , t h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n w a s p r o c e s s e dw i t ht h es a m ep a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nw e r ef i tw e l l ， i tc a nb ec o n c l u d et h a tt 1 1 em o n t ec a r l os i m u l a t i o ni sa i ie f f e c t i v em e t h o dt os i m u l a t e t h et r a n s m i t t a n c eo fp h o t o n sw a l ki nt i s s u e s a n dt h ef a c tt h a tt h ee m b e d d e da b n o r m a l o b j e c tc o n b ed e t e c t e df o r mt h ee x p e r i m e n t sa n dt h es i m u l a t i o n sw i t hd p d ；矿西er e s e a r c h r e s u l tw i l l p r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e f e r e n c et ot i s s u eo p t i c s ，b i o m e d i c a l p h o t o n i c s ，m e d i c a ld i a g n o s ea n dc o r r e s p o n d i n gf i e l d s k e yw o r d s ：d i 觚s e - p h o t o n - d e n s i t yw a v e s ( d p d w ) ，m o n t ec a r l om e t h o d ，t i s s u e ， t r a n s m i t t a n c ep r o p e r t y , s i m u l a t e ，e x p e r i m e n t b 声明 丫6 2 48 7 4 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 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盔翌堑加4 年占月万日 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： 鏖望墅孙。4 年6 月玎日 硕士论文 一 望盟娄宣壅壅垄皇望望堡塑塑堡塑堑丝塑堡塑翌塞笙堡壅 ，一。 1 绪论 1 1 概述 生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。生命科学的重点研究对象直指高 等生命活体与人体本身的一些重大问题。近几年来，己形成了光子学与生命科学互 相交叉的学科新分支一生物医学光子学( b i o m e d i c a lp h o t o n i c s ) 。生物医学光子学包 括生物光子学( b i o l o g i c a lp h o t o n i c s ) 和医学光子学( m e d i c a lp h o t o n i c s ) 两部分。前 者是研究生物系统中产生的光子及其反映的生命过程；而医学光子学则包括对组织光 学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗机理及其作用机理的研 究。医学光子学的发展动力主要来源于医学的迫切需要。许多面向临床光治疗以及光 诊断的具体应用，如激光医学中的光计量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等所 提出来的各种问题，亟待医学光子学给出满意的回答，由此极大地促进了医学光子学 的迅猛发展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特别是活体的生物组织。它的 研究成果将直接服务于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，为人类文明和社 会进步做出贡献【j “。 当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模 式向以信息为依据的治疗模式转变”l 。人们认识到。症状仅仅是疾病的被滞后的很粗 糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，开始就把着眼点放在探索导致 疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目 的。为此，人们从各个学科( 磁学、声学、化学、光学等) 探索医学诊断和治疗的新 方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演重要角色。认识光在 生物组织中的传播规律，以及以激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探测器的研 制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础【1 , 6 - 9 1 。 关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃 发展的激光生物医学的应用基础和前提【“。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光 动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这 涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊 方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术豹开发和完善等。所有这些研究工作牢 出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织的光传播 模型，但是尚未建立统一的生物组织光学理论体系【1 1 。 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究 自上个世纪九十年代以来，有关生物组织漫射光成像的研究在国内外受到广泛的 关注并得到迅速发展【l o z 6 。其中，以近红外漫射光子密度波( n i r - - d p d w ) 技术为 代表的近红外光生物组织诊疗技术则是最近十几年来快速发展起来的一项新技术，主 要用于生物组织体内的肿瘤探测和血氧浓度的监测等方面2 7 。5 1 。因为从组织的构成来 看，在波长为6 5 0 1 2 0 0 r i m 范围内，红光和近红外光对组织有较高穿透能力。这是根 据生物组织中主要色团的吸收光谱得到的结论。水作为生物组织中占主导地位的色 团，其吸收谱主要是在3 0 0 n m 以下和1 2 0 0 h m 以上的波段。对可见光而言，血红蛋白 和黑色素在4 0 0 n m 和6 5 0 n m 之间又有强烈的吸收。而在近红外区，无论是大分子还 是水的吸收都不强烈。只有在近红外波段各色团的总吸收量才足够低，使光可以在穿 过数厘米的生物组织后仍能被探测到 1 3 j 。所以通常把6 5 0 1 2 0 0 n m 的波段区间划为 “治疗窗口”，这也是为什么近红外光在生物组织诊疗中具有得天独厚的优势的原因 3 6 - 4 4 1 。 与其它成像方法( 如x 射线、c t ) 相比，光学成像方法是非电离的，具有空问 分辨率较高和成本很低的特点，特别突出的优点是对生物组织不产生损伤 i f 3 ，1 4 ，1 6 ，17 1 9 , 2 3 - 2 6 ，2 8 ，3 l - 3 3 】。 本文的研究目的是要从实验和计算机数值模拟的角度研究近红外漫射光子密度 波在生物组织内的传输特性。 1 2 国内外关于近红外漫射光子密度波技术的研究进展 1 2 1 理论上的研究进展 在国际学术界，特别是最近几年美国光学年会的论文中有近三分之二的内容与生 命科学有关。国际上也出现了专门的研究机构与杂志，如日本已成立了一个生物医学 光子学研究中心，美国几个大学也建立了几个研究小组。l a u r i n 出版公司于1 9 9 1 年 发行了“b i o p h o t o n i c s ”新杂志。多年来，s p i e ( 国际光学工程学会) 于每年年初召 开一次规模十分庞大的“生物医学光学”国际性学术会议，并于1 9 9 6 年出版了新的 期刊j o u r n a lo f b i o m e d i c a lo p t i c s 。美国光学学会重要的会刊之一“a p p l i e do p t i c s ” 也于1 9 9 6 年将其“o p t i c a l t e c h n o l o g y ”栏目更名为“o p t i c a l t e c h n o l o g y a n d b i o m e d i c a l o p t i c s 吐 除了国际学术界对该领域的关注外，国际上一些科研小组的工作同样引人注目。 b c h a n c e 、a g y o d h 等人是近红外漫射光子密度波技术领域的领军人物，他们对漫 射光子密度波的传输特性无论是理论还是实验甚至是医学仪器方面都进行过卓有成 效的研究。早在1 9 9 5 年，就有文献【”咐均匀多散射介质内含有小的球形目标时光子 密度和通量的变化的问题进行过报道，1 9 9 6 ，他们提出近场衍射断层摄影法，用来推 论异物的光学性质和深度信息。1 9 9 7 年他们专门就光子漫射系数与组织的吸收的 堡主堡壅望堑堂量童壁垫垄生塑塑堡堕塑堡塑堑些竺送型翌篓堕笪至 相关性进行讨论( 3 5 】。文献1 4 5 , 4 6 分别就不考虑边界条件的情况下，在平面、柱面和球面 等类型的探测平面时，漫射物质的吸收系数和散射系数的f o u r i e r - l a p l a c e 变换( 2 0 0 1 年) 以及引入半空间、厚层板、柱面和球面等边界条件时的反演问题( 2 0 0 2 年) 进行 了专题讨论。 在国内，有关漫射光子密度波理论研究的报道较少，文献1 3 4 l ( 2 0 0 2 年) 探讨了 组织中实现微小异质子定位的问题，并从理论上对该方法的可行性作了解释。文献p l j ( 2 0 0 2 年) 在光源为复数点光源的假设下，利用格林函数法，进行了多散射介质中光 子密度波扩散方程的求解工作，已经得出了无限、半无限甚至有限介质条件下与入射 面相对应的出射面上的光能流率与吸收系数改变量之间的关系式，其结果经反演计算 后即可用于图像重建，他们的结论具有实用价值。 1 2 2 实验上的研究进展 1 2 2 1 研究进展 美国宾夕法尼亚大学的b c h a n c e 领导的实验室最早开展这方面的研究工作，己 在肿瘤组织的定位上取得了较好的临床实验结果，如已获得乳腺癌的定位图像等。组 织功能成像方面也已取得了一定的进展，己获得了与核磁共振成像结果非常吻合的大 脑功能像。另外，通过相关检测技术，还实现了对血流的监测及烧伤深度的测量。国 际上开展这项研究的单位还有德国的洪堡大学、荷兰菲利普公司及美国伊利诺伊斯大 学等【1 6 】。 1 9 9 4 年l o 月，b c h a n c e 和a g y o d h 等对通过高散射介质组织剖面的扩散光子 密度波进行测量，提出非均匀浑浊介质的成像问题，第一次从实验上得到了基于频域 数据的重建图像，并利用差分测量方案减少了由于对背景光学性质不正确的估计而产 生的误差 2 7 o1 9 9 5 年1 2 月，文献 2 0 j 提出用光学目标示踪法和漫射光子差分传输技术 来探测类似生物组织这一类介质中的目标，结果认为用该方法有可能探测到尺寸约为 o 1 0 3 m m 大小、位于组织表面以下几厘米深处的肿瘤。在1 9 8 5 年，b r a dd r e x l e r 等人指出，运用红外光进行组织异物诊断时。异物大小和可测深度存在l ：2 的近似比 例关系【4 7 1 ，于是为提高漫射光子密度波的分辨率，3 硪t 3 3 , 4 9 l 提出用声光调制的方法对 多散射光进行超声调制，借助于聚焦超声的分辨率来提高漫射光子密度波成像的分辨 率。由于人眼对红光和近红外光的灵敏度较低，文献 2 1 i 提出用单束、连续h e n e 激光 照明组织表面，用c c d 相机代替人眼接收漫射光的技术。文献【删用改进的光学系统 应用单束正交动态光散射技术对强浑浊悬浮液内的粒子尺寸进行了研究。文献口z 1 利用 他们的实验装置证实了光子密度波成像和其它技术相比具有优越的成像性能。而x d ， l i 、a gt o d h 等用光纤作为传光介质的单通道成像系统2 d 扫描的方法对置于高散 射溶液中的吸收体进行探测，b c h a n c e 等为提高探测效率设计了含有幅度相消技术 的多通道成像系统1 1 6 j 。 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究 相比较而言，国内开展相关研究的单位相对较少，且比较集中，多为高校。所用 的方法也较为单一，研究的方向还只是涉及图像定位方面的仿体模拟，实体的比较少。 组织功能成像方面的研究尚没有正式开展。 南开大学物理系的王桂芬等进行的“沉没在高散射介质中的吸收体和散射体的扩 散光子密度波取像”的实验研究口0 j ( 1 9 9 7 年) ，使用的光源是功率为4 m w 、波长为 6 3 2 8 n m 的h e n e 激光( 后改为3 m w ，6 5 0 n n l 的l d 【5 i 】) ，探测器用的是光敏管( 文内 未提及光敏管的具体类型和参数) ，接收透射光信号，实验介质为牛奶( 牛奶的浓度、 光学特性参数等也未说明) 。清华大学生物医学工程研究所的许衡、张永红等( 2 0 0 0 年) 选用1 0 m w ，7 8 0 n m 激光二极管作为光源，用光纤作为传输光信号的载体，用光 电倍增管作为光电探测器，利用激光二极管阵列和探测器阵列进行组织内部异物的检 测【2 3 1 。2 0 0 2 年，华南师范大学激光生命科学研究所的邢达等进行的漫散射光自相关作 用于生物介质的成像研究，所选用的光源也是h e - n e 激光，方法是将激光垂直入射到 被测样品表面，在样品表面距光源l c m 处用探测器接收背散射光( 光源和探测器位于 介质的同一侧) ，选用的光探测器是光电倍增管 2 2 1 。华中理工大学生物医学光子学教 育部重点实验室的骆清铭也进行过相关研究，但未提及光源参数以及具体的实验过程 【3 4 】。 1 2 2 2 存在问题 由于实验的目的是要借助于所选用的光源，分辨出处于高散射介质内的异常物 体，用幅度型探测器得到的是光强信号。在已经报道的文献中，绝大多数是利用h e - - n e 激光或者波长为6 5 0 m 激光二极管( l d ) 作为光源，实验材料多为仿体，很少有 对活体和离体组织的测试报道，探测器则采用了光电倍增管。究其原因主要有两点： h e - - n e 激光或者6 5 0 r h i i l d 是可见光，便于准直和扩束：光电倍增管具有很高的灵敏 度，能对极弱光进行探测。而且从实验的目的来看也比较单纯，主要为探测仿体内部 存在的异物。对探铡的灵敏度问题、探测系统的分辨率、散射介质的光学性质、选用 哪个波长的光源具有最大的探测优势及与之匹配的探测器特性等问题均没有相关报 道，而且各个研究单位所提供的实验参数都比较简单，基本上都没有对选用这些器件 的原因进行特别的说明。 单就探测器来讲，从简单、高效、价廉的观点出发，一般都选用硅材料制成的光 电探测器。但是值得注意的是，在所有的硅光电探测器中，只有利用光生伏特效应的 光电池和p n 光电( 光敏) 二极管，它们的光强一光电流曲线是线性的，其余的光电探 测器如光电管、光敏电阻和光电倍增管( p m t ) 等它们的光强一光电流曲线都是非 线性的1 5 2 。”1 。换言之，对光电倍增管( p m t ) 这类光电探测器，光强并不与光电流成 比例。另外要说明的是，p n 光电二极管在反压工作条件下，具有很高的灵敏度，暗电 流仅仅为n a 级，而光电流则可以达到m a 级，信号非常强。由于硅光电二极管的峰值 响应波长在8 0 0 1 0 0 0 n r n 之间，对可见光产生的响应非常弱，所以在选用近红外光作 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究 为光源时，只要使用得当，并不存在“微弱的信号被强大的背景噪声淹没了”的说法 5 0 , 5 1 】。 另外，国内外在实验装置方面具有很大的相似性，但归根结底不外乎两种方法： 一种是用c c d 接收透射像，另一种则是利用光纤来传输和接收光信号。前一种方法 对c c d 有很高的要求，往往要求c c d 具有很高的分辨率和灵敏度，甚至要在低温的 环境下工作，因此对设备的要求比较高，代价大。后一种方法则利用光纤来传输和接 收光信号，优点在于可以进行阵列探测，具有很高的灵敏度。但是就分辨率而言，从 实际报道的数据来看，也才达到3 m m 的分辨率【23 1 ，和漫射光子密度波至少l m m 的分 辨率相比较田1 2g ，”，5 “，并没有能够完全利用光纤传感器的优势。从接收的方式来看， 不外乎漫射法和透射法两种情况，对相位进行探测还比较少。 至于模拟研究方面，很多方法都是借助于数学的方法来描述光孑在生物组织内部 的传输特性。有基于纯数学的电磁理论方法，简化但实用的多的传输理论和漫射近似 法等【3 ”，以及现在被推崇为标准的m o n t ec a r l o 方法，本文将主要讨论m o n t ec a r l o 方法。 1 3 本文研究的主要内容 本文是在课题组多年研究的基础上，特别是在得到教育部重点科学技术研究项目 ( 教技司2 0 0 2 1 7 8 号) 资助下完成的。 本文主要讨论了以下几个方面的内容： l 、生物医学光子学的发展和研究内容，从理论、模拟和实验等方面总结国内外 在近红外漫射光子密度波技术领域的研究概况。 2 、生物组织的光学特性及其描述参数，并简单介绍目前的几种描述生物组织的 光传输理论，重点介绍了m o n t ec a r l o 方法。 4 、扩散光子密度波的概念及其数学描述方法。 5 、编制了一套基于w i n d o w s 平台、以图形界面方式可以动态的显示光子在组织 内部传输过程的m o n t ec a r l o 模拟程序，可以处理单层、多层组织以及组织体内部含 有规则外形的异物的情况。 6 、分析了用于生物组织活体诊断的最佳激光波长。根据实验需要，设计了波长 为8 0 8 n ml d 的恒流驱动电源、光学发射系统和偏压式光电探测器等实验设备，设计 并组建了可二维移动的工作平台，测试了近红外漫射光子密度波在仿体和离体生物组 织内部的传输特性并对正常组织内含有小的规则异物时的情况也做了相应的研究。 本文研究的内容中利用近红外漫射光子密度波来实现对生物组织内部异物的探 测部分，具有非常实际的意义，可以用于早期肿瘤的诊断和医学普查，相关技术亦可 用于临床上进行血氧的持续监测等方面。 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验研究 2 生物组织的光学特性及光传输理论 本章主要讨论生物组织的光学性质，介绍描述生物组织光学特性的主要参量，并 简单介绍了部分在研究生物组织光学特性时需要着重考虑的参量及其产生机理，分析 了在激光医学中研究生物组织光学性质的重要性。本章还介绍了光在生物组织内部的 传输理论，特别是对m o n t ec a r l o 方法作了比较详细的介绍。 2 1 组织光学 “组织光学”( t i s s u eo p t i c a l ) 是专门研究生物组织光学性质的学科。1 9 8 8 年1 1 月在美国举办的美国光学学会年会上，以讨论哺乳动物组织的光学特性为起点，该次 大会首次对“组织光学”进行了专题讨论。“组织光学”是光学与生命科学相互交叉、 相互渗透的一个新的研究领域，是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有 关组织光学特性的测量方法的- - f 7 新兴交叉学科，它涉及医学光子学中最基础性的理 论问题，是医学光子学技术的理论基础，也是进一步发展光医学( 包含光诊断和光治 疗) 的前提。在研究光予在生物组织中的传输问题时，必须要考虑生物组织对光子的 吸收和散射的影响i l j “j 。 当今，激光在医学和生物学上的应用越来越广泛，对激光与生物组织相互作用机 理的研究曰益受到重视。研究光在生物组织中的传播特性以及光分布，对于许多医学 应用都有重要意义，是激光医学临床应用中人们主要关心的问题之一。因此，加速研 究生物组织光学特性、尤其是人体组织的光学特性具有极其重要的现实意义。 2 2 生物组织的主要光学特性参量 为了描述光在生物组织中的传输、分布规律以及光与生物组织的相互作用规律， 一般选用几个关键的光学参量来描述。这些参数主要包括【3 6 4 4 】： 2 2 1 散射系数( s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t ) ： 散射系数是指组织体中单位程长( 两次散射事件间的平均距离) 上一个光子被散 射的几率，用麒表示，单位 c m “】或【m 。】； 2 2 2 吸收系数( a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ) ： 吸收系数是指组织体中单位程长( 被吸收前通过的平均距离) 上一个光子被吸收 的几率，用心表示，单位 c m 。】或 m 。1 】； 6 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模趑和实验研究 2 2 3 总衰减系数( t o t a l a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t ) ： 总衰减系数又称总消光系数，是吸收系数和散射系数之和，用，表示，定义为 “= 。+ z 。，单位【c m 。1 】或【m “ ； 2 2 4 相对折射率( r e l a t i v er e f r a c t i v ei n d e x ) ： 相对折射率定义为生物组织与真空的折射率之比，用n 表示，对于生物组织而言， 典型的相对折射率为l3 7 ； 2 2 5 平均散射余弦( m e a nc o s i n eo f s c a t t e r i n g a n g l e ) ： 平均散射余弦又称各向异性因子，用g 表示，用以简单、直观地表示生物组织的 各向异性程度，定义为g = ，其中0 为散射角。当g = 0 时，表示各向同性的 散射，g = 1 表示纯前向散射，g = - 1 表示纯后向散射，而0 g l 则表示完全对称的、 非均匀的前向散射。 2 2 6 散射相位函数( s c a t t e r i n gp h a s e f u n c t i o n ) ： 对于大多数生物组织而言，由于无法简单的用r a y l e i g h 散射和m i e 散射来描述， 因此常用一个关于散射角0 的经验函数p ( 臼) ( 相函数) 来描述光子的散射，其中 h e n y e y g r e e n s t e i n 函数和实验数据符合最好，它由下式给出 p ( 口) = 再7 0 夏- g 丽2 ) ( 2 1 ) 对动物组织而言，组织体的光分布有高度的前向散射特性，一般g 位于0 6 o 9 9 的范围。 2 2 7 光子漫射系数( d i f f u s ec o e f f i c i e n t ) ： 光予漫射系数是用以表示生物组织漫射特性的又一个重要参量，用d 表示，定义 为d = l l 3 p 。+ ( 1 一g ) 段 ，单位 c m 】或【m 】： 2 2 8 约化散射系数( r e d u c e ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ) ： 约化散射系数用卢，表示，定义为z ，= ( 1 一g ) 麒，单位 c m 。 或 m 1 ； 2 2 9 有效衰减系数( e f f e c t i v e a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t ) ： 有效衰减系数用p 。，表示，单位【c m 。】或【m 。】，它是穿透深度占的倒数； 2 2 1 0 吸收长度( a b s o r p t i o nl e n g t h ) ： 吸收长度表示光子在吸收介质中被吸收前通过的平均距离，用，。表示，定义为 ，。= l t 。，单位 c m 或 m 】； 2 2 1 1 散射平均自由程( s c a t t e r i n gm e a n f r e ep a t h ) ： 散射平均自由程表示发生两次散射事件间的平均距离，用，。表示，定义为 ，= l 段，单位 c m 】或 m 】； 堕主堡塞 一 垄盟垄量宣壁垫垄生塑丝塑查塑堡笪鲎丝塑堡垫塑堕量 2 2 1 2 入射光子平均自由光程( m e a n f r e ep a t h ) ： 入射光孑平均自由光程表示光在组织中传输时，光子在吸收和散射发生之前所走 过的距离，用l ，表示，定义为= 1 a ，= 1 ( “。+ a 。) ，单位 c m 】或【m 】； 2 2 1 3 漫射长度( d i f f u s el e n g t h ) ： 漫射长度用工表示，单位 c m 】或 m 】，定义为 l = q d | “，= 1 1 f3 ( 1 一g ) 。 ( 2 2 ) 2 2 “穿透深度( p e n e t r a t i o nd e p t h ) ： 穿透深度表示组织内光能流率衰减到l e 时光传播的距离。大小取决于组织体的 微观光学特性，是有效衰减系数。，的倒数。穿透深度可通过测量来获得，用艿表示， 单位【c m 】或【m 】，定义为 占： ! ( 2 3 ) x 3 a 。 。+ 。0 一g ) 】 预计人体组织平均漫射长度( 或穿透深度) 为2 m m 左右。 在生物组织的这些光学特性参数中，一般以吸收系数、散射系数、各向异性因子、 散射相函数和相对折射率最为常用。由于生物组织的光学特性往往随波长的改变而有 所不同，所以它们一般都是波长的函数。 2 3 生物组织的光学特性 2 3 1 生物组织产生吸收和散射的机理 光子在组织内部的传播过程中存在着与组织发生弹性散射和被组织吸收的两种 效应，散射与吸收量的多少分别与组织的散射系数和吸收系数有关 3 6 , 4 4 , 5 9 1 。 对于近红外光，生物组织是一种高度散射、在光学上浑浊的介质，光子在生物组 织内传输时将受到生物粒子和生物大分子的散射和吸收的影响：组织中的吸收源于自 然生色团，如血红蛋白、肌红蛋白中的血红素和肌红素、线粒体呼吸链中的细胞色素、 黑色素，以及光动力治疗中所引入的外源性生色团( 如光敏染料等) 。例如，黑色素 是皮肤的基本色素，也是目前为止已知的最重要的表皮色团，它的吸收系数从可见向 紫外光谱方向单向增加。在血管组织中主要细胞是血红蛋白，它相应的吸收峰约在 2 8 0 h m ，4 2 0 h m ，5 4 0 n m 和5 8 0 r i m 波段，并在波长约为6 0 0 n m 处出现截止点。 对不同波长的入射光，组织对其的吸收效果是有差别的，但均服从l a m b e r t b e e r 定律f 拍, 4 4 , 6 2 1 ，即有 堡主堕奎 望塾堂至宣壅堕壅皇塑望堡堕塑堡塑堑堡堕堡塑翌塞堕堑翌 ，( = ) = ，0e x p ( 一心z ) ( 2 4 ) 其中，。表示光轴，( ：) 是距离z 处的强度，。是入射光强，。是介质的吸收系数。 图2 1 、2 , 2 分别为血红蛋白和水在近红外区的吸收谱p 6 ，5 引。 0 4 00 3 蕾 螓 董o 2 尊 o 1 o 图2l 血红蛋白在近红外区的吸收谱国2 2 水在近红外区的吸收谱 生物组织对光子的散射则源于生物组织折射率的不连续性，如包围每个细胞以及 某个细胞内部的水样类脂膜界面、细胞间质中的胶样原纤维等部位具有不同的折射 率。w i l s o n 和a d a m ( 1 9 8 3 ) ，j a c q u e s 等人( 1 9 8 7 ) 及p a r s a ( 1 9 8 9 ) 等人发现，对大 多数生物组织而言，无法简单的用r a y l e i g h 散射和m i e 散射来描述所以常用一个关 于散射角目的经验函数( 相函数) 来描述光子的散射，如其中的h e n y e y g r e e n s t e i n 函 数和实验数据符合最好p 6 j 。另外，组织内在的光学特性决定了光在组织中的穿透和在 组织表面的反射。所以说，光子在生物组织中的传输规律由生物组织的光学特性决定 3 6 4 4 , 5 9 | 。 由于人体组织光学特性与光的波长相关，不同的组织呈现的光学特性不同，而且 对同一组织来说，在不同波长光作用下的光学特性也各不相同，散射系数和吸收系数 分别在1 0 c m l5 0 0 e m 1 和o 1 c m l 1 0 c m 1 范围内，散射大大强于吸收【3 7 - 4 4 , 6 3 - 6 9 l 。 2 3 2 生物组织的折射率m 州, 5 8 - 6 9 从已有的报道来看，对于入射光波长为6 3 2 8 n m 的h e - - n e 激光，除了猪脂肪的 折射率为1 4 5 5 外，各种哺乳动物组织( 牛的肌肉、肾组织、肝、肺组织；人的血、 肺、肝和脾组织；猪的肌肉、肾、肝、脾组织等等) 的折射率在1 l 3 b 1 4 l 之间，样 品的类型并末表现出较大差异：肌肉组织在可见光范围内呈现出正常的色散性质：破 坏组织的自然性，则显著地使折射率发生了改变，如加热鸡蛋清使之变性凝固，折射 率从1 3 3 上升为1 3 8 。“搅碎捣烂”的组织样品与整块组织的折射率在统计意义上没 有差别。另外，大多数研究者认为，由于组织中含水量达到8 0 甚至更高，所以软体 组织的折射率可以根据其含水量的大小来计算。有研究者认为折射率可近似表示为 盼15 3 - - 0 2 w ，其中是组织中水的含量与组织总重量的比值。若缈= 8 0 ，则 胛= 【3 7 。 硕士论文漫射光子密度波在生物组织内部传输特性的模拟和实验鲤壅 2 4 生物组织的光传输理论 对生物组织的光传输理论的建立具有奠基意义和重要贡献的人有：美国的a i s h i m a r u ，b c h a n c e ，aep r o f i o ，a j w e l c h ，加拿大的b c w i l s o n ，m s p e t t e r s o n 以及挪威的l o s v a a s a n d 等人 3 6 , 6 0 。 对于光的吸收特性和散射特性的数学描述有两种不同的方法：解析理论和传输理 论。解析理论以麦克斯韦方程物理学为基础，至少它在理论上也是最基本的方法。传 输理论则不用考虑麦克斯韦方程，它直接论述了通过吸收介质和散射介质中的光子的 传输，但其缺乏解析理论的严格性，而用在处理激光与生物组织相互作用时，它的预 测性是令人满意的【”，”】。 2 4 1 解析理论 解析理论认为，作为电磁波的光在组织中传播行为属于光与组织相互作用问题， 在不考虑吸收的情况下，理论上由麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组及组织体的电磁性质 或折射率，加上边界条件唯一地确定：即在所规定的条件下求解m a x w e l l 方程，以得 到电矢量在空间和时间上的分布。其中必然会出现一般光学中所有的现象，诸如干涉、 衍射、反射和偏振等纯粹的物理光学问题。当组织对光产生吸收现象时，应当考虑组 织中原子分子的能级结构性质，即此时应采用半经典理论，当然，最严格的处理应使 用全量子理论雌”j 。 2 4 2 传输理论 生物组织是由不同大小，不同成分的细胞和细胞间质组成的浑浊介质，由于其本 身的组织结构及生物组织体的电磁性质及它的折射率的不均匀性，无望获得m a x w e l l 方程的数值解，更不用说解析解。因此有人把光在生物组织体中的传播时而有光能 分布的物理现象用一种粒子的传输过程来唯象地模拟，粒子的体密度等价为光能，并 将这种假想的粒子称为光子，其可以等效于光量子胁的集合。同时把生物组织理解 为大量无规则分布的散射粒子和吸收粒子。这样，生物组织的光学基本参数即可理解 为：吸收系数、散射系数和散射相位函数，其中吸收系数反映的是生物组织的原子能 级结构性质，而散射系数及散射相位函数则由组织的电磁性质或折射率及其分布决 定。于是光在生物组织中的传播就可看成是某种要么被弹性散射、要么被完全吸收的 粒子在组织中传输的方法，这就是传输模型理论( t r a n s p o r tm o d e lt h e o r y ，传输理论) 1 1 s , 1 6 , 7 0 。 描述光在生物组织中传输的两类基本理论中，传输理论不及解析理论严格，但由 于解析理论在推导分析解时过于复杂，所以适用性有限。况且大量实验结果表明，传 o 堕主鲨壅望堑堂至窒堕垫垄生塑塑壑查塑垡丛生丝堕垡垫塑塞幽 输理论适合于大多数的实际问题。根据吸收和散射哪一个过程处于主要地位，可以 采用以下各方法：一级散射、k u b e l k a - - m u n k 理论、漫射近似法、m o n t ec a r l o 模拟 方法以及反向倍加法，每种方法都是在给定初始值和边界条件的基础上建立起来的。 在绝大多数情况下，考虑到生物组织散射的各向异性、介质非均匀性、复杂的几何形 状及其在红光与近红外光波段具有高散射、低吸收的特点，其传输方程的解多采取漫 射近似理论及m o n t ec a r l o 模拟方法等作近似处理c 3 7 1 玎。由于本文将利用m o n t ec a r l o 方法研究光子在生物组织内部的传输过程，因此，仅对m o n t ec a r l o 方法进行介绍。 2 5m o n t ec a r l o 方法 7 4 - 9 0 】 2 5 1m o n t ec a r l o 方法简介 m o n t ec a r l o ( 蒙特卡罗) 原是地中海沿岸小国m o n