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1、华中科技大学 硕士学位论文 双积分球获取生物组织光学特性参数误差分析 姓名：陆为 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：朱（艹丹） 20070130 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要* 用于生物组织光学特性参数测量的双积分球技术是目前公认的最为精确的离体 测量技术，但处于两球之间的样品中的光侧漏因其无法为球内探测器所探测，而被 常用的快速计算方法反向迭代算法所忽略，从而导致生物组织光学特性参数的 计算误差。本文的工作正是从样品的光侧漏、生物组织光学参数的计算误差及如何 修正这种误差等几个方面来展开的。主要研究
2、内容包括： 利用蒙特卡罗方法模拟双积分球系统对样品的测量值，从积分球系统参数、样 品几何参数与光学特性参数等方面，定量分析这些因素对样品光侧漏的影响，进而 探讨反向迭代算法在计算生物组织光学特性参数时所带来的计算误差。结果表明， 该计算误差明显来源于光侧漏，计算误差随光侧漏的增加而增加。相比之下，光侧 漏导致样品的吸收系数计算误差远大于其给散射系数的带来的误差。增大积分球样 品口径可有效减小误差，而样品本身的吸收与散射较大时，这种误差也会随之减 小。 在此基础之上，构建了适用于本实验室积分球系统的反向迭代算法获取生物组 织光学特性参数的误差数据库。通过曲线拟合与二维插值的方式，实现了对计算结
3、果的修正。通过对标准样品光学特性参数的测量，从实验角度证实了光侧漏引起的 反向迭代计算方法使用中的误差修正理论与修正方法的正确性。 本研究不仅能用于评价因侧漏使反向迭代算法在计算吸收系数时所引起的误 差，并能为双积分球准确获取生物组织光学特性参数提供最佳的系统设计与解决方 案，最终实现了双积分球系统测量生物组织光学参数的光测漏问题的修正。 关键词：关键词： 双积分球 反向迭代算法 蒙特卡罗模拟 光侧漏 吸收系数 散射系数 *本研究由国家自然科学基金资助项目(30500115 ，60478016) I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
4、 Abstract The method which is the most frequently applied to measure the optical properties of tissue in vitro is the double-integrating-sphere (DIS) technique. But light losses out of the edge of the sample with glass slides sandwiched between the two integrating spheres can not be detected by the
5、detectors of the sphere are not taken into account correctly by the inverse adding doubling method, which introduces error for the estimation of optical properties of tissue. In this thesis, our work is carried out in the light loss out of the edge of the sample, error of tissue optical properties e
6、stimation, how to modify the error and so on. At first, a Monte Carlo algorithm (MC) is applied to simulate the measurements of sample with glass slides sandwiched between the double-integrating-sphere setup (DIS). The various parameter causing effects were analyzed and optical properties estimated
7、by the inverse adding-doubling method (IAD) have been investigated quantificationally from the parameters of DIS, the geometry and tissue optical properties of the sample. The results show that the larger the losses, the greater the error of optical properties estimation, the error of scattering coe
8、fficient is much less than that of absorption coefficient. The error is reduced effectively by enhancing the sample port diameter or decreasing the thickness of sample. In addition, the IAD method is proved to be valid for estimating the optical properties of highly scattering or highly absorbing sa
9、mple. Then, based on the data from MC simulation, we set up a data base and a software to modify the error of optical properties estimation. Optical properties of the standard models were measured by the double-integrating-sphere system and modified by our software. The modified results showed more
10、accuracy and proved that the correctness of the theory and the software. This study is not only to evaluate the error of optical properties estimation, but also to give optimal ways for the design of DIS and scheme for acquiring accurate optical properties of tissue. Keywords: Double-integrating-sph
11、ere measurement system Inverse adding doubling method Monte Carlo simulation Light losses Absorption coefficient Scattering coefficient II 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：
12、 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论
13、 文 1 绪绪 论论 1.1 生物组织光学特性参数测量概述生物组织光学特性参数测量概述 1.1.1 生物组织光学特性参数概念生物组织光学特性参数概念 无论从光子医学诊断还是光子医学治疗的角度来看，光在生物组织中的传输均 为医学光子学领域的研究人员所关注的热点问题。为研究生物组织中光子传输规 律，诸多理论模型被提出。而理论的准确性取决于生物组织光学特性参数的获取。 因此，有关生物组织的光学特性参数测量方法与技术的研究一直是本领域的研究热 点1-15 。 生物组织光学特性参数用来表述生物组织的光学性质，是生物组织结构和生理 生化参数的光学表征1。生物组织的光学特性参数常用吸收系数 a 、散射系数
14、s 及 各向异性因子g来表征。这里 a (mm-1)是指单位长度内光子被吸收的几率，而 s (mm-1)则表示单位长度内光子被散射的几率；g是光子散射角余弦的平均值，它反映 的是光子在生物组织中不同方向上的散射几率。在处理远离光源及边界的区域，或 者光通量无明显变化的问题时，散射各向异性的细节远不如其他因素重要，此时可 以将散射系数与各向异性因子简化为约化散射系数，即 ()g ss =1 2。 1.1.2 生物组织光学特性参数测量的分类生物组织光学特性参数测量的分类 生物组织光学特性参数的测量一般是通过如下方式来实现的： 在测量一些可观 测的光学量（如光经过生物组织后所产生的反射、透射或光在生
15、物组织中的分布） 基础上，利用生物组织中特定的光子传输理论，进而推算出生物组织光学特性参数 4。目前，用于生物组织光学特性参数的测量技术很多。不同的研究者从各自的角 度出发，对其有着不同的分类方法。 从测量技术角度出发，生物组织光学特性参数的测量可分为直接测量和间接测 量。 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 直接测量技术获取光学特性参数，不需要用到复杂的传输理论，它基于Beers Law: 光在生物组织中传输时，能量呈指数形式衰减1，通过非散射的透射测量2、 有效衰减测量5、以及对单次散射相函数而言的光的角分布的测量来获取生物组
16、织 光学特性参数，即总的衰减系数以及有效衰减系数 6 t eff 。 间接测量技术又分为迭代与非迭代的方法，在获取光学特性参数时需要涉及到 复杂的光子传输模型。对非迭代方法来说，这种技术只涉及到一些简单的数学模 型，例如KubelkaMunk理论以及扩散理论，这些理论建立了生物组织光学特性参 数与透射，反射等测量值之间的关系，这使得测量值与光学特性参数的关系是显性 的；相对于非迭代方法来说，迭代方法中测量值与光学特性参数的关系是隐含的， 一般先假定光学特性参数，以此来计算反射与透射量，然后将其与测量值相比较， 直到满足一定精度，即通过多次迭代的方法来获取光学特性参数6。 从生物组织样品本身所处的状态来看，生物组织光学的测量技术可以分为在体 测量和离体测量两类。 生物组织光学特性参数的在体测量可以直接应用于疾病的光谱学诊断及治疗。 侵入式的生物组织间隙测量能够得到有效衰减系数，有时也能得到吸收系数与约化 散射系数，非侵入式的在体测量一直
