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1、烟台大学 硕士学位论文 光在分层平板生物组织中的稳态传输模型研究 姓名：张亚星 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：王喜昌 2010-03-30 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘要摘要 光 在 生 物 组 织 的 传 输 是 组 织 光 学 的 研 究 热 点 之 一 ， 生 物 体 的 表 面 组 织 是 一 个 不 匹 配 的 多 层 介 质 ， 现 在 大 多 数 都 是 在 研 究 匹 配 介 质 ， 把 组 织 表 面 看 成 是 折 射 率 相 同 的 介 质 ， 或 是 单 层 平 板 模 型 ， 半 无 限 厚 介 质
2、模 型 ， 对 于 多 层 分 层 平 板 介 质 模 型 来 说 尚 没 有 看 到 此 方 面 的 研 究 的 报 告 ， 为 了 更 好 的 进 一 步 研 究 光 在 生 物 组 织 中 的 传 播 ， 而 实 际 上 ， 很 多 生 物 组 织 具 有 平 板 性 质 ， 如 胃 肠 。 因 此 研 究 多 层 平 板 组 织 具 有 重 要 的 意 义 。 本 文 以 组 织 光 学 的 研 究 为 核 心 ， 以 多 层 平 板 生 物 组 织 为 主 要 研 究 对 象 ， 研 究 了 光 的 传 输 理 论 。 采 取 理 论 推 导 、 计 算 机 模 拟 结 合 的 方
3、法 ， 完 成 了 多 层 平 板 生 物 组 织 的 稳 态 理 论 研 究 、 用 蒙 特 卡 洛 方 法 来 验 证 ， 并 对 结 果 进 行 了 分 析 比 较 。 具 体 内 容 包 括 ， 1研 究 了 光 与 生 物 组 织 相 互 作 用 的 相 关 理 论 。介 绍 了 光 的 传 输 方 程 及 其 近 似 理 论 ， 其 包 括 了 组 织 光 学 中 的 基 本 概 念 ， 对 稳 态 漫 射 方 程 的 成 立 条 件 及 近 似 解 进 行 了 分 析 。 2 利 用 漫 射 方 程 ， 在 上 下 表 面 同 时 使 用 外 推 边 界 条 件 ， 利 用 拉
4、普 拉 斯 变 换 和 傅 里 叶 变 换 ， 在 无 限 细 光 束 垂 直 入 射 到 多 层 平 板 生 物 介 质 组 织 时 ， 得 到 非 匹 配 条 件 下 的 多 层 平 板 生 物 组 织 的 稳 态 方 程 。 3 对 Monte Carlo 模 拟 进 行 研 究 ， 编 写 了 Monte Carlo 程 序 。 4 为 了 验 证 多 层 平 板 生 物 组 织 的 漫 射 理 论 ， 用 Monte Carlo 方 法 模 拟 了 反 射 率 和 透 过 率 ， 通 过 将Monte Carlo 模 拟 结 果 与 漫 射 近 似 理 论 比 较 以 及 曲 线 拟
5、 合 ， 得 出 在 无 限 细 光 束 垂 直 入 射 到 多 层 平 板 生 物 组 织 的 漫 射 方 程 的 正 确 性 。 5 利 用 漫 射 方 程 ， 比 较 了 不 同 参 数 变 化 下 的 漫 射 结 果 ， 总 结 了 漫 射 方 程 的 一 般 规 律 。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 II 关 键 词 ： 输 运 理 论 组 织 光 学 多 层 组 织 漫 射 方 程 边 界 条 件 Monte Carlo 模 拟 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Abstract I
6、n the past few years there has been much interest in photon migration in tissue. organisms surface is an organization that mis- match the multi-layer medium, now most are in the organization, research matching medium surface as refractive index of the same medium, or single slab model, semi-infinite
7、 thick medium model, for multi-layer medium ,we didnt see studies of this report, in order to further study the propagation of the light in biological tissue, but in fact, a lot of biological tissue properties, such as the stomach and intestine. So the multi-layer flat organization has the vital sig
8、nificance. In this paper,tissue optics research is the core,the multi-layer organization is research central subject. This paper discussed light transport theory, Combined theoretical derivation and computer simulation, completed a steady-state theoretical study of multi-layer organization. The equa
9、tion is checked by Monte-Carlo simulation. and test the accuracy of the diffusion theory, the material content is: 1.Studied the theory related to interaction of light and organizations, introduced optical transmission equation and its approximation theory, including basic concepts and theories of o
10、ptical. Analyzed conditions of steady-state diffusion equation and the approximate solution. 2.make use of diffusion equation, use extrapolated boundary condition in the upper surface and lower surface at the same time. use Laplace Transform and Fourier transform, we obtain the steady-state diffusio
11、n equation of multi-layer organization of mismatch boundary condition. 3. Studied the Monte Carlo method, Separately prepared corresponding procedures. 4. To test the accuracy of the multi-layer organization diffusion theory, we simulated the transmittance and reflectance by Monte Carlo method. Anal
12、ytical expressions from diffusion theory are compared with Monte Carlo simulations. we obtain the accuracy of the diffusion equation When an infinitely thin beam is incident perpendicular onto the multi -layer medium. 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 5. Using the diffuse equation, compares
13、different parameter changes the diffuse results under, summarizes the general rule of diffuse equation. Keywords: Transport theory organization optical multi-layer organization diffusion equations boundary conditions Monte Carlo simulation. 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1 绪论 1.1 引言 引
14、言 光 在 生 物 组 织 中 传 输 模 型 、验 证 方 法 和 手 段 以 及 相 应 的 反 演 算 法 提 取 组 织 的 光 学 特 性 ，是 组 织 光 学 研 究 的 热 门 问 题 和 重 点 问 题 之 一 。 如 果 我 们 能 够 分 析 和 确 定 表 面 组 织 的 光 学 特 性 ， 我 们 能 够 确 定 是 否 生 物 活 组 织 产 生 了 病 理 变 化 ，因 而 我 们 可 以 实 现 生 物 活 组 织 的 无 损 探 测 1。 目 前 对 于 光 在 单 层 和 两 层 半 无 限 厚 介 质 的 生 物 组 织 中 传 播 的 光 学 特 性 的
15、研 究 已 经 比 较 深 入 ，然 而 由 于 生 物 组 织 的 多 样 性 和 复 杂 性 , 对 于 某 一 生 物 样 品 , 实 际 上 由 多 层 组 织 形 成 . Kienle 等 人 2， 3建 立 和 研 究 了 两 层 介 质 模 型 。 在 他 们 的 总 结 中 ， 指 出 生 物 组 织 有 多 层 结 构 ， 将 多 层 结 构 介 质 变 成 两 层 介 质 模 型 ， 要 非 常 仔 细 的 调 查 和 研 究 ， 而 且 这 一 点 是 非 常 严 格 的 。 Dehghani et al 等 人 4 认 为 头 骨 有 四 层 介 质 组 成 。 Loh
16、wasser 等 人 5认 为 头 骨 由 五 层 介 质 组 成 。 Kevin G. Phillips 6等 人 使 用 PN 近 似 研 究 了 分 层 介 质 模 型 。 而 人 体 表 面 也 是 由 多 层 介 质 构 成 的 ， 如 果 有 多 层 模 型 ， 可 以 解 决 实 际 生 物 组 织 的 问 题 ， 目 前 ， 对 于 多 层 介 质 ， 人 们 只 是 使 用 比 较 费 时 的 蒙 特 卡 罗 （ Moonte-Carlo） 模 拟 进 行 研 究 ， 因 而 我 们 提 出 光 在 多 层 生 物 组 织 中 的 传 输 模 型 和 光 学 特 性 的 研 究 ，建 立 多 层 匹 配 和 不 匹 配 介 质 多 层 平 板 （ layered slabs） 稳 态 模 型 ， 也 可 以 进 一 步 研 究 时 域 、 频 域 模 型 ， 同 时 使 用 相 应 的 蒙 特 卡 罗 模 拟 进 行 验 证 。 此 类 方 法 对 复 杂 介 质 的 高 散 射 理 论
