（生物医学工程专业论文）时间分辨组织体光学参数测量及扩散光学成像实验研究.pdf

a b s t r a c t t t l ed e t e m i n a t i o no ft i s s u eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，s u c h 弱a b s o r p t i o n 粕dr c d u c e d s c a n e r i n gc o e 硒c i e n t sp a 鲫dp sh 嬲d r 孙v nm u c h 矾e n t i o nh lt h eb i o m e d i c a lo p t i c a l f i e l d ，矗) ri tw i l lo f j 衙锄洒p o r t a n tg u i d 锄c eo fo p t i c a ia p p h c a l i o n si n t 0c l i n i c t 1 l e m e t h o d o l o g yt h a t 印p i i e st od e t e 册i n a t i o no ft i s s u eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n di m a g i n g w i t i ld i 仃h s ei i g h tc u r r e n t i yi i l c l u d e st h - e em a i l lm e a s 嘶n gm o d e s ：c o n t i i l u o u s w a v e ， 仔e q u e n c y - d o m a i n 龃dt i m e r e s o l v e 也o fw h i c kt i m e - c o r r e l a t e d s i n 羽ep h o t o n c o u n t i n g ( t c s p c ) h a sal o to fa d v a n t a g e st h a tc 锄p r o v i d em o r ei n f o r m a t i o nt h a n 仃e q u e n c y - d o m a i n ， s u c ha si tc 锄 s 印a 1 a t e c o n t r i b u t i o n s舶mt h ea b s o r p t i o n c o e 伍c i e n t 锄dt h e 鼢c t t e 血go n e i na d d i t i o n ，c o m p a r e dw i t h0 t h e ri l l l a g i n gt e c h n i q u e ( s u c h 舔m i u ，x - c t ) ，t l l en e 盯i n 胁d r ) 0 p t i c a li m a g i n gi san o - i n v a s i v ea n d o n l i n em e t h o d m o r e o v e r ，t h et i m e - r c s o l v e dm e 嬲u 姗e n t sp r e s e n t 锄e 佑c i e n c y 卸d h i g hs e n s i t i v 时i nd e r i v i l l gm o r e 如n c t i o ni n f o m a t i o n t c s p ch a sb e e nd e m o n s 订a t e d ap o w e r 向lt e c h n o l o g yf o re x 仃a c t i n gt l l eo p t i c a lp r o p e n i e si i lt i s s u e s 锄df o rn i r o p t i c a li m a g i n gd i a g n o s i s w e 嘶e f l yd e s c m e dat c s p cs y s t e ms p e c 湎c a l l yd e s i 舯e df o re 】( t r a c t i n gt h e o p t i c a lp r o p e r t i e si nt i s s u e s f i r s t l y ，c a i i b r a t i o no f t l l et i m es c a l e s e c o n d l y ，b 觞e do nt h em e 卸t i m eo ff l i g h t 锄dt h ev 撕柚c eo ft e m p o m lp r o f i l e m e a s u r e db yt h et c s p cs y s t e m ，w eu s e das h p l e 锄df a s tm c t h o dt 0o b t a i nt h e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t a 卸dr e d u c e ds c a ：t t c 血gc o e 衢c i e n t o ft i i et u r b i dm e d i 啪 t h em e t h o dc o u l db e 印p l i e df o ro n l i n em o n i t o r i n go fo p t i c a lp r o p e r t i e si i lt i s s u e s t h i r d i y ， t h i s s y s t 锄 锄dm c t h o dw e r ee v a l u a t e dl i q u i d t i s s u e - s i n l u l a t i n g p h a l l t o m sa n ds o l i dp h a l l t o m s f u r t h e 珊o r e ，i nv i v om e a s u r e m e n t sw e r ep e r f 0 m l e do n s e v e m lh e a l t h yv o l u n t e e r st 0e x t r a u c tt h eo p t i c a lp r o p e r t i e s 龃dt h eo 捌g e ns a ：t u r a t i o n ( s a 0 2 ) i n南r c a n nm u s c l e f r o mo u rp h a n t o m sa n di i l - v i v o e x p e r i m e n t s ， w e c o n c l u d e dt h a tt h eo p t i c a lp r o p e n i e so ft i s s u ec 柚b ed e r i v e dr e 孙o n a b l yb yt h e t c s p cs y s t e m 卸dt h er c l e v 锄ti n v e r s i o nm e t h o d f i n a l l y ，t h ef c a t u r e dp 撒m e t e r s ( s u c h 嬲t h ep e a ：kv a l u e ，t h ei 1 1 t e n s i t y ，t h em e 卸 t i l i l eo ff l i g h t ，t h ev a r i 锄c e ) o ft h et e m p o m lp r o f i l em e a s u r e db yt h et c s p cs y s t e m w e r ev e w n s i t i v ef c a t l j r e d d a t at om o n i t o rc h a n g e so f l ea b s o r p t i o n 锄ds c 甜e r i n g o c c u 盯i n gi nt h et u r b i dm e d i u m c h a p t e r5o ft l l et h e s i si n t m d u c e st l l e s ep a r a m e t e r sm d e t a ila n ds t u d ye x p e r i m e n t a l l yt l l ei m a g i l l ge f r e c tt l l r o u g l lp h a n t o m s i ti ss h o 、lt h a t t h e 印p l i c a t i o n o ft c s p ct o2 di m a g 啦s e 锄st 0b ev i a b l e nw a sa l s oa 血n d 锄e n t a lo fd i h h o p t i c a lt o m o g r a p h y 锄dn u o r e s c e n c em o l e c u l a ri m a g i n g k e yw o r d s ：t 岫e - r c s o l v 酣，d i f j m l i 曲ti m a g i n g ，t i m e - c o n e l a t e ds i n g l ep h o t o n c o u n t i n g ，o p t i c a lp r o p e r t i e si nt i s s u 懿，危姗dp a r a m e t e r s ，t h et c m p o m ip r 0 矗l e 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：卑繁和 签字r 期： 知。7 年 弓月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂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：孳禾荤i i 签字同期：加口7 年月i 同 即躲豸衫 签字同期：p 7 年弓月1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展，人们的经济和生活水平不断提高，对医学诊断和治疗的无 损性、舒适性、可靠性等方面的要求也越来越高。目前几乎所有的科学技术都将 环绕人与人类的发展问题，寻求自己有意义的生长点与发展面，而生命科学的重 点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。纵观现代的医疗 技术，生物医学测量或是建立在对生物体本身信号如体温的检测、心电信号的检 测，或是建立在对生物体在外界激发下产生的信号，如核磁共振成像m ，或 是生物体对外部信号的调制，如x 光成像、超声等。由于生物组织的光谱特征 与其分子构成直接相关，因而利用光学信息比其他医学诊断手段能获得更高的灵 敏度。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支生物医 学光子学( b i o m e d i c a lp h o t o n i c s ) 也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤 技术的发展而飞速发展起来i l 】，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究 热点。比如，发明光学显微镜来观察生物体的微观世界、应用近红外吸收光谱的 技术可以进行人的生理过程和脑功能的无创伤( n 0 n i n v 嬲i v e ) 检测及利用吸收光 谱的技术进行人体中功能成分的无创伤检测研究等。 生物医学光子学是在组织光学这一理论基础上发展起来的光医学和光生物 学。组织光学可以理解为是关于光辐射与生物组织相互作用的学问，基本研究方 面首先包括研究光辐射能量在一定条件下在组织体内的分布，其次是发展在体组 织光学的测量方法【2 - 3 】。一般地将生物医学光子学分为生物光子学和医学光子学 两个部分，分属于生物学或医学的光子学与光子技术领域，至今尚无明确的分界， 两者之间存在有相互交叠的范围。生物光子学就是利用光子来研究生命的科学， 是研究生物系统产生的光子以及光子学在生物学研究、生物系统改造、农业及环 境检测方面的应用。例如激光和生物组织的相互作用、d n a 的光检测等。光子 学和现代医学相结合形成了医学光子学( m e d i c a lp h o t o n i c s ) ，主要包括医学光子学 基础，医学光子诊断技术和医学光子治疗技术三大部分。医学光子诊断技术中光 子作为信息的载体，而在医学光子治疗中光子作为能量的载体。 以生物医学光子学为基础的光诊断和光治疗中，生物组织光学特性在光与组 织体的相互作用中扮演着重要的角色。如何确定生物组织体的光学参数，包括 吸收系数、散射系数、各向异性因子、以及组织的光学穿透深度，具有非常重要 第一章绪论 的研究意义。 1 2 研究背景 1 光在生物组织中的传输理论研究 生物组织对可见光和近红外光通常呈现出不透明、混沌和高散射的特点。光 在生物组织体中传播是一个很复杂的过程，其主要特点是生物组织对光波的散射 和吸收。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 ( a n a l ”i ct l l e o 巧) 和传输理论( n 彻s p o nt h e o d ，) 卜列。解析理论是以麦克斯韦方程( 电 磁理论) 为基础，将光的传播描述成电磁波的连续能量的传播，需要知道媒质中 各个位置的介电性能，以获得微分或积分方程。这种方法在数学上是严格的，因 为在原理它包括所有的多次散射、衍射和干涉效应。然而由于组织体的结构的复 杂性，因而无法得到方程的解析解。为此，人们提出了一种目前普通应用的理论 光传输理论来描述光在散射介质中传播问题，它认为光的传播是由在组织内 部被吸收或弹性散射的单个光子的传输造成的，光子在散射介质的传输满足玻尔 兹曼方程。由于传输理论只考虑能量的传输，而忽略偏振、干涉和衍射等典型的 波特性，因此它缺少解析理论的严格性。尽管如此，当研究光与生物组织的相互 作用时，人们还是偏爱使用传输理论，并且发现在许多情况下用传输理论描述组 织体中光的传播问题还是令人满意的。 2 生物组织光学参数的测量方法与技术 j 如何根据光在生物组织中的传输理论，定量的确定其光学参数是传输理论建 立后的一项关键性工作，在光医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和广泛的 应用前景。对于测量生物组织光学参数的方法按照测量对象的不同，可归于两类： 一类是离体( i nv i 订o ) 测量，即测量中需要对组织体进行切片p7 | ，是一种有创 的( i n v a s i v e ) 组织病理分析方法，因为在取切片的过程中可能引起组织体生物化学 性质的改变；其次，手术取样具有很大的随机性，往往因为只能从所选择的部位 上取出少量的组织体作为切片，所以并不一定能准确地反映出病灶组织的真实情 况。此外，手术取切片方式在很大的程度上取决于医生的临床经验。再者，手术 取出组织样品之后，病理分析一般需要比较长的时间，使得医生在施行手术过程 中无法及时得到病理分析的反馈结果，因此不能有效地控制手术过程中对病灶的 精确切除。最后，在病理分析过程，根据已经建立的组织学样本库进行比较判断， 医生的主观性很大。特别是对于一些临床特殊的疑难病例，传统的病例分析就更 加暴露出它的局限性。虽然采用切片法的离体组织体光学参数的测量方法在技术 上已经得到解决，但是由于个体差异造成的每个人的正常组织与病灶的光学参数 2 第一章绪论 可能都不一样，并且离体测量无法准确的反映组织体的功能信息。所以这方法的 实际意义不大，现在的发展方向已经转向了针对个人的活体测量技术。 另一类在体( i i lv i v o ) 测量( 也叫活体测量) ，可实现对组织体实时在体测量1 8 】， 这样可更准确获得组织体的光学参数，给医学诊断和治疗提供更可靠的数据。因 为生物组织体的各种光学参数与活体的状态有着很大的联系，因此对组织体在体 测量的研究更有实际意义，有望实现人类疾病在体的无损光诊断。在体测量一般 是利用实验测量获得组织体表面的漫反射光分布。因为当光入射到组织时，光在 组织内不断的被散射和吸收，其表面漫反射光携带了组织内部的结构信息，是由 组织的光学特性决定的( 9 - m ，根据扩散理论获得的解析表达式或者正向蒙特卡洛 模拟【l l 】分别与实验数据进行拟合，还可以采用基于特征参数的近似解直接重构出 组织光学参数。在体测量技术依据人体不同组织所特有的光学特性实时鉴别和诊 断出被检组织所处的不同生理状态，包括正常组织、良性病变组织、早期癌变组 织、动脉粥样硬化和组织的功能状态等，从而实现组织病理的早期诊断【l 二1 3 】。这 在临床医学应用中具有重大意义和实用价值。 由于人体组织有7 0 以上是水，而水在6 0 0 9 0 0i l i i l 是低吸收的( 通常所称为 “治疗窗口”) l l 引，但是对大多数软组织来说光吸收相对较低，散射相对较强， 因而会有较强的散射光从组织中反射或透射出来成为可被探测到的光，从而使得 在此波段的光有可能穿过几厘米深的组织体，能够获得组织体更深层次的功能信 息，实现深层组织的探测。因此，利用近红外波段的光辐射进行生物组织体光学 参数的检测是目前热门研究领域之一。 另外，从组织体出射的光子分类来分析i l5 1 ，基于早期到达光弹道光和蛇形光 测量组织体光学参数的方法首要条件是：需要被测组织体厚度不大于l 厘米，并 且具有很小的散射系数，以避免多次散射的发生。但是生物组织体对大部分光来 说呈现高散射性，对于厚度为几个厘米以上的组织，早期到达光的比例是极其有 限的，因此在安全的曝光量下采用上述技术进行在体测量是不现实的。下面着重 介绍利用全部可探测光能的方法，即测量扩散光( 也叫漫射光) 的技术。 基于扩散光的近红外光波段的组织体光学参数的主要测量方法有时域分辨 ( t i m er e s o l v e d ，t r ) 睁博j 、频域分辨( f r e q u e n c yd o m a i n ，f d ) 憎j 和连续光( c o n t i n u e w a v e ，c 、圳孙2 1 j 测量三种方式： 1 )c w 测量法具有测量系统简单、数据获取时间相对较短，但是其在单 一源和探测器的距离下无法区分吸收系数和散射系数的影响，并且需要光源强度 的绝对值，而在实际中，是很难校正实际入射到组织体内的光强的。 2 )f d 测量方法数据获取时间与c w 差不多。但是f d 需要多频率的高频 调制，在技术上很难实现，且信噪比低，无法提供更多的组织体的功能信息。而 第一章绪论 且，组织体的光学参数的变化所能够引起的相位角变化是很小的，用相位作为可 测量量需要仪器的测量精度较高，所以系统价格昂贵。 3 ) 与频域和连续光测量技术相比，时域测量技术在单一源和探测器对的 情况下能够提供最多的组织体功能信息，并且具有信噪比高、灵敏度最高、线性 度好、时间分辨率高的优点，是目前最具临床应用前景的组织光学参数无损的在 体检测技术之一。虽然时域测量系统价格高，但是随着工业和科学技术的发展， 价格会越来越降低的。时间分辨方法是测量组织对超短激光脉冲( 皮秒量级) 的时 间响应，一般用同步条纹扫描相机或时间相关的单光子计数( t c s p c ) 系统检测组 织表面出射光的时间分布，利用光子飞行信息进行光学参数的测量和成像研究。 因此本文中选用了基于时间分辨的单光子计数技术测量组织的光学参数以及对 模型组织体的病灶进行透射成像实验研究，为课题后期的妇女乳腺肿瘤的早期诊 断和荧光分子成像奠定理论基础和实验依据。 基于时间分辨的单光子计数技术的组织体光学参数的测量方法是当前国际 学术界广泛关注的无损测量方法之一，已成为新兴的生物医学光子学的重要研究 内容之一。目前，国外研究者在此方面已做了许多基础研究工作【2 2 。2 3 j ，而国内在 这方面的研究却很少。该技术利用组织体的“治疗窗口“效应，能够探测不同器 官5 2 0 厘米深度范围的重要光学参数，如散射系数、吸收系数及平均飞行时间 ( m e 锄t i m eo ff l i g h t ) 等。它作为光诊断方法，对于光学早期乳腺癌检测方法 的研列2 牝5 1 、时间分辨光学层析成象的理论和应用研究及荧光分子成像的研究【2 6 】 都具有广阔的应用前景。 3 近红外光学成像技术 在临床实践中，生物医学的研究人员一直希望能够找到理想的、无创的生物 体检测方法，以求安全、及时、有效地发现肿瘤，并对其进行区分、定位。光学 成像方法无疑是一个很好的选择。虽然已有的一些目前使用的无创性成像方法， 如：x 射线成像、x 射线计算机层析( c t ) 、核磁共振成像( m 刚) 、超声波及放射性 同位素成像等可对生物体的部位成像。但它们具有以下的局限性【2 7 j ： ( 1 ) x 射线透视技术用于乳房肿瘤检查称为乳房成像术( m 姗m o g r a p h y ) ，其 采用软x 射线并经过一些了特殊成像技术实现软组织的鉴别。其成像基础是： 由于肿瘤中存在大量的微钙化( 约占4 0 ) ，因而比正常组织具有更强的x 射线吸 收能力。采用胸透技术，大约9 3 的乳房肿瘤可被查出。x 射线辐射透视成像 的主要缺点之一是具有潜在危险性，特别是对于年轻妇女，过频的胸透可诱发癌 变发生；另一个主要缺点是其成像是二维的，图像中任一点均为x 射线投影路 径上吸收特性的叠加，这使得该技术不适于鉴别软组织及用于脑部检查。而后者 已由x 射线计算机断层成像术克服。 4 第一章绪论 但) x 射线c t 现已发展成熟且被广泛应用，其特点是可获得高分辨率的层析图 像。它的主要缺点是设备庞大昂贵，且操作时被检物需暴露在强x 射线照射下。 由于x 线c t 成像直接与组织的密度有关，因此它只能探查解剖结构的改变而不 能得到组织器官内的功能性( 代谢、血流等) 变化的信息。而且只有当病变部位的 组织结构变化达到一定程度时，在c t 显像上才能反映出来。因此对于某些尚未 出现结构性损伤或只有功能性变化的疾病，x c t 常常是阴性的。它对早期肿瘤 无法进行精确探测，无法区分良性与恶性肿瘤。用x 射线经常做常规检查可能 对组织产生电离，形成潜在的伤害。 ( 3 ) 尽管核医学成像能以较高的分辨率观测人体内的功能信息，但其主要缺点是 成像是二维的。放射性物质注入人体，身体接触会形成长久伤害，不可广泛用于 婴幼儿。例如p e t ，使用对人体损伤很大的同位素辐射，且由于所用同位素的半 衰期很短，其制备非常昂贵，一般需要利用回旋加速器。 ( 4 ) 超声波对线性尺寸小于几毫米的物体的分辨率较差。超声多普勒分辨率也只有 几百毫米，且不可能知道组织的化学成分，只能提供解剖信息。 ( 5 ) 核磁共振( m 对) 现已成为医学诊断中的重要工具，其主要优点是：a ) 属于非离 子化、无创伤、无危险的检测；b ) 具有一系列的检测参数，如质子密度和驰豫时 间等，而这些参数对软组织敏感，并在正常组织与病态组织间差异较大；c ) 具有 部分功能信息获取能力，这是因为红血球中的脱氧血红蛋白充当了血管内天然的 顺磁性造影剂。缺点是成像速度相对较慢，设备笨重昂贵，检查时要求人的体位 固定，且不可有金属如心脏起搏器等存在，无法完整量化组织体的血液信息。 与以上成像方式对比，近红外州i r ) 光学成像的主要优点【2 配9 j ：a ) 完全无损 的、非侵入、非电离辐射及实时的探测检测；b ) 高时间分辨率和合理的空间分 辨率；c ) 直接和间接提供的组织体解剖和生理功能信息；d ) 对目标运动的稳健 性，潜在的便携性和低价格。其主要缺点是穿透深度和分辨率问题。光在组织体 中的穿透与组织体的物理成分有关，选择“治疗窗”范围内的波长可以稍微加大光 的穿透深度。而分辨率可以通过采用高分辨率的探测器来实现。目前随着光源和 探测器的改善，技术的改进( 成像方法、记录方法等) ，生物组织的光学成像成为 可能。 目前，乳腺癌是妇女最大的癌症危机，在高发病地区的北欧和北美早就开 始了这方面的研究。现在的妇女乳腺癌的检测技术都是基于结构型，也就是检测 软组织中的钙化点。m 刚对正常乳房组织有着很好的解剖成像，但是设备昂贵， 且在磁场中不能存在任何金属，大大地限制了适用场合和人群。医学上大量应用 的软x 射线大约可查出9 3 的乳房肿瘤，但是其具有潜在危险性，过频的胸透 可诱发癌变发生，并且无法分辨出早期肿瘤1 3 0 】。根据调查表明，越早探测出乳房 第一章绪论 中的肿瘤，治愈率越高，达到9 0 ，越晚越难治疗，因此乳房肿瘤早期诊断研究 具有非常重要的意义。若用光学成像方法，即使做长时间探测，也不会对生物组 织形成伤害和诱发癌变，并可对早期肿瘤进行探测并判断其性质( 恶性或良性) 。 因此，近红外光成像可广泛应用于妇女乳房肿瘤早期诊断研究，能够提供基于血 氧代谢水平多参数检测新方法与现有x 射线方法形成双控机制，利用各自对比 度和空间分辨率方面的优势，可有效提高乳腺早期肿瘤的成功率。 由于基于时间相关的单光子计数技术可以在单一源和探测器距离下提供比 连续光法和频域法更多的信息，能够有效的区分出吸收系数和散射系数的贡献。 此外，与传统的医学诊断和成像设备( 如x 射线、脑电图、核磁共振) 相比，近红 外光成像不仅可以直接获取组织体的功能信息，还可以实现对活体组织的无损伤 及实时的探测和成像，可用于活体生物组织的显微结构分析、光学参数测量及疾 病的诊断和治疗，特别是在时间分辨测量条件下能够实现快速、高灵敏度的组织 体功能信息的获取。因此，t c s p c 技术是测量生物组织光学参数及近红外光医 学成像诊断的强有力的方法。 1 3 本文的主要研究内容 首先对生物医学光子学进行了综述和对描述组织体的光学参数进行了定义。 其次，对生物组织光学特性参数的测量方法进行介绍，分析各种测量方法，比较 其优缺点；最后，对基于时间分辨单光子计数测量方法进行理论研究，模型建立， 并选用特征参数法来计算光学参数。具体包括以下几个方面的工作： 第一章，对生物医学光子学进行概述，介绍了课题的研究背景和研究内容， 以及课题所采用的时间相关单光子计数测量方法的优缺点。 第二章，首先介绍了光在组织中的传输模型。其次描述了组织体的光学参数。 然后详细介绍了目前存在的基于扩散光的组织体光学参数的主要测量方法并比 较其优缺点。最后，阐述了由时间扩展曲线计算光学参数的主要方法，总结了前 人【6 嘶9 】在零边界条件下的半无限介质上的时变扩散方程计算光学参数的近似解， 并比较了各种近似解的优缺点，选择了基于时间扩展曲线的平均飞行时间和方差 特征参数的近似解法。这是由于该方法快速简单，且基于时间扩展曲线的形状信 息，反映信息量大，适用于活体测量。 第三章详细描述了搭建的基于时间分辨的单光子计数技术测量系统的原理、 组成、器件的选择以及优化系统参数的方法，并分析了系统原点校正的必要性及 提出了一种快速简单的校正方法。 第四章，首先以印度墨水( i n d i ai i l l ( ) 或吲哚青绿( i n d o c y 锄i n eg 陀印，i c g ) 和 i n 魄l i p i d 10 分别作为校准模型的吸收颗粒和散射颗粒，然后对系统和计算光学 6 第一章绪论 参数算法从性能测试、定性测量以及定量测量三方面来进行校正和验证。最后， 迸一步应用于人体前臂的肌肉光学参数和血氧饱和度生理变化的测量。 第五章首先介绍了近红光成像的理论基础，然后采用实验模型验证了六种 直接成像方法( 即最大值、强度、平均飞行时间、方差、弹道光) 的可行性，并进 行分析比较，为测量系统后续应用于光学层析成像和荧光分子成像奠定了实验基 础。 第六章，总结全文，并对t c s p c 系统进行展望。 7 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 生物组织对光的吸收特性和散射特性，在数学上有两种不同的描述方法：解 析理论和输运理论。解析理论是以麦克斯韦方程物理学为基础的，引入粒子的吸 收和散射特性，并获得相关统计量如方差和相关函数等的微分一积分方程。由于 该理论原则上考虑了光波的多次散射、衍射和干涉效应，因此它在数学上是严格 的，但在实际应用中该理论不可能得到完全包括这些效应的通用解，产生有用解 的各种模型( 如1 讯r s b 理论、图解法以及d y s o n 和b e t t l e s a l p a t e r 方程等) 都是 近似的，只适用于一定的参数范围，因此其适用性是很有限的【如j 。而输运理论不 需要考虑麦克斯韦方程，它直接描述了光子通过吸收介质和散射介质的传输，研 究方法直接，在处理激光和生物组织相互作用时，输运理论得到了广泛的应用。 本章从生物组织的光学参数的基本概念出发，简明扼要地给出了现有生物组 织中光的传输模型和扩散近似所得到的解析解，并分别在无限介质、半无限介质 这两种模型中得到扩散方程的解，这将是我们后面进行实验设计的基础。 2 1 生物组织体的光学参数 生物医学光子学中的最主要问题是定义与组织生理参数相关的光学参数，用 来区分活体内的结构和功能情况。对这些参数的定义取决于光与媒质例如组织相 互作用的途径。通常有两种方式，第一种是基于光的波形描述，它导致了麦克斯 韦方程的应用并使量化空间变化介电常数作为可测量的量。一直以来，光的粒子 性一直被更多的应用。光子传播理论中，更多考虑离散光子穿过组织的运动。当 进入界面后，此运动用吸收系数和散射系数来描述。 光在组织中的表征参数有很多，如反射率、透过率、吸收系数、散射系数和 各向异性系数等。其中比较常用的参数如下p 卜3 副： 1 吸收系数。 光的吸收是指光在通过组织体时部分光能转换成热运动或者是吸收此材料 中分子的某种振动从而导致的电磁波的衰减，评价吸收程度的参数是吸收系数。 光的吸收系数是单位长度上一个光子被吸收的几率，或者吸收事件发生的概 率，用p a 表示，单位是c m 。1 或m m ，此系数主要反映生物组织对光的吸收程度的 大小。用公式2 1 表示： 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 以：华屈 ( 2 - 1 ) ll 出单位路径 刃单位路径内光子因被吸收而损失的光能量 ，吸收事件发生前光子的能量 若介质中包含多种不同的吸光物质，则总的吸收( 系数) 为各吸光物质吸收( 系 数) 的简单线性叠加： 儿= c j ( 2 - 2 ) 是吸收物质在特定溶剂中在特定波长处的特性，它不随浓度和光程的改变而改 变；c 为吸收物质的浓度。 2 散射系数p 。 光的散射是指电磁能方向的改变，光在组织体中的散射被认为是由于组织体 的密度、折射率、介电常数等的空间杂乱分布引起的，散射改变了光子的传播方 向。 。 评价参数为光的散射系数，它表示单位光程长上一个光子被散射的几率，或 者散射事件发生的概率。单位c m 。1 或m m ，用“。表示。主要反映生物组织对光散 射程度的大小。用公式2 3 表示： 舻粤屈 ( 2 - 3 ) 出单位路径 讲单位路径内光子因被散射而损失的光能量 ，散射事件发生前光子的能量 3 总衰减系数i i t 吸收系数p 。和散射系数“。之和定义为总衰减系数，用表示： 鸬= 儿+ 心( 2 卸 单位为c m - 1 或m m ，它表征光在组织中的衰减程度。因此，只有知道吸收系数、 散射系数和总衰减系数其中的两个光学参数，就可以描述混沌介质的吸收和散射 特性。 4 散射各向异性因子g g 为散射各向异性因子，又称为平均散射余弦，是光子发生散射时散射角9 的余弦加权平均值。一棚碡譬 陆5 ， 9 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 式中e 取值在0 。到1 8 0 之间。 g = 1 表示完全后向散射，g = 0 表示散射是各向同性的，g = 1 表示完全前向 散射。g 越大，表明光子在组织内传播的前向性越好。在“治疗窗口”内，对大多 数组织而言，g 的值通常在0 8 0 9 5 之间。也就是说偏转角在1 8 。到3 7 之间( c o s 3 7 = o 8 ，s 18 。= 0 。9 5 ) 。 5 约化散射系数。 对散射远远大于吸收的生物组织来讲，组织表面有显著的背向散射光子流， 构成漫反射。此时，除了接近组织边界和光源的地方光子流量变化快以外，散射 的各向异性特性已变得不再重要，可近似看成各向同性散射。因此，“。与g 可以 合并成一个约化散射系数系数。： 联= 鸬f ，j 一g ) ( 2 - 6 ) 在各项异性散射的混沌介质中，p 。常常只有p 。的1 5 1 1 0 0 。 6 散射相函数p ( s 1 ，s ) 相函数p ( s ，s ) 是光传输理论中的一个重要参数。生物组织一般都是光的强散 射体，光在组织体内传播时会发生多次散射。但是光子在组织内发生散射时，沿 不同方向角传播的几率是不同的，即散射现象是各向异性的，该特性用散射角度 分布函数( 相函数) p ( s ，s ) 来表示，代表散射事件发生时光子偏转角的概率分布即 确切定义为光子与组织发生散射时，从s 方向附近一个立体d w 内到方向s 附近一 个立体角d w 内的概率，可以用公式2 7 表示： 吖s ，s ，j = j l i 厂一s 爿7 ( 2 7 ) p d 七p s j j 式中i 厂( 5 一s ) 1 2 可看作是s 方向上的单位入射能量被散射到s 方向的几率，s 和s 均表示方向的单位矢量。 7 平均折射率n 平均折射率，可以用来描述光子在组织边界的折射和反射特性以及在组织中 传输的时间特性。光在组织介质中的传播速度c 也与组织的平均折射率n 有关： c2 音 ( 2 8 )，、。v ， 其中，c 0 为光在真空中的传播速度。组织中折射率的变化引起光速的变化， 使光在组织传播中发生折射和反射的现象。此外，c 。+ 以) 称为光子碰撞频率。 8 平均自由程m ：f p 光在组织中传播时，光子与组织微粒发生两次相互作用之间所传播距离的平 均值称为平均自由程，用m f p ( m e 锄f r e ep a t l l ) 表示。平均自由程是衰减系数 的倒数。 l o 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 脚： ( 2 ，9 ) “ m f p 的值通常在l0 微米到lo o 微米之间。 9 扩散系数d 扩散系数是宏观上反映块状生物组织扩散特性的一个基本特性参数，这是经 过严格推导得出的扩散方程中的一个常数，用d 表示，单位是c m 或m m 。 ， 肚面了碥 q 。0 ) 3 f p d + l g ) p s 】 、 l0 有效衰减系数陶痢有效透射深度6 万：j _ ：1 ；一 ( 2 1 1 ) p 呵0 3 p 。【弘o + ps l g ) 1 6 表征的是光穿透组织的能力，它是有效衰减系数岍的倒数。在波长大于 7 0 0 n m 后，6 缓慢的上升接近常数，在9 6 0 n m ( 水的吸收峰) 处下降明显。而有效衰 减系数提一个和折射率有关的量，它的表达式仅含有与建立组织光学模型相 关的最基本的三个参数，因此很多间接组织光学参数测量往往是首先求出i i e 椭 值，进而求解相应的光学参数值。以上生物组织的各种光学参数随波长的改变有 所不同，它们都是波长的函数。求解组织中的光分布的方法的精确的传输理论和 扩散近似理论都分别用到了以上参数。 2 2 光在生物组织体中的传播 当光入射到组织时，它会经历不同的相互作用：反射、折射、散射和吸收， 见图2 1 。此外，组织吸收入射辐射会产生发光或不发光跃迁。反射和折射发生 在界面上，例如空气和媒质间的界面。散射是由于组织的介电性质的微观变化 c 图2 1 光与生物组织的基本相互作用 第二章光在生物组织中的传播模型及组织光学参数的确定方法 而引起的，这些变化是起因于细胞膜和亚细胞成分如线粒体和细胞核的变化。吸 收主要是由组织中的水分子以及像蛋白质和色素这样的大分子等引起，蛋白质和 色素主要吸收光谱的紫外和可见光，而在光谱的红外区的吸收主要是由水分子引 起的【3 3 1 。它们的相对重要性取决于所考虑的波长和它们在组织中的分布。 2 2 1 组织体对光的吸收 在生物组织中，组织的吸收系数随波长的变化而发生明显的变化，在治疗窗 口内，大多数生物组织的吸收系数范围为( o 们1 ) m m 。波长小于6 0 0 m 的可见 光，光的吸收会由于血红蛋白，黑色素以及其它色素的影响而升高；在紫外波段， 又会由于蛋白质、核酸的强吸收而升高；在红外波段，组织中水的吸收占主要地 位【9 】【川。作为生物医学光学检测，为了更好地获得其它发色团对光的吸收信息， 一方面选用的光波长应尽量避开水的吸收峰【3 5 1 ，另一方面，要采取灵敏的检测技 术和方法从水吸收的背景内提取出所需要的发色团的吸收信息。 2 2 2 组织体对光的散射 当一束波长为五的光照射到物质上之后，一部分光被反射，一部分被吸收， 一部分被透射，还有一部分被散射。当外来媒质仅占据媒质的一