双层散射介质中的光传播理论和实验研究

1、天津大学硕士学位论文双层散射介质中的光传播理论和实验研究姓名：陈红军申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：刘迎20030601摘要摘要生物组织是一种高散射随机介质，研究光在这种高散射随机介质中的传播过程并且从中提取有关组织内部的特征信息，是近年来光学技术研究较为活跃的前沿领域之一。通常在研究光在生物组织中的传播过程中，均假设生物组织是一种均匀介质。但是大多数情况下，生物组织都是非均匀的或者即使是均匀的在生物组织内部不同的部位发生的生理变化也是不同的。因此，本文将主要研究的光在双层随机散射介质中传输规律。本论文初衷是构建研究光在双层介质中的传输规律的基础框架，提出具有研究价值的创新内容，并初步给出研究问题的方案和简单的分析方法。但是由于本人的水平有限，因此仅作出以下几方面的内容：( 1 ) 总结研究光在双层介质中的传输规律的格点理论、漫射近似理论和蒙特卡罗模拟方法：( 2 ) 通过分析光予路径分布函数。引入了一个深度探测几率函数a ( z ，P ) ，用这个函数描述探测光子与散射介质空间面的相互作用，在此基础上，提出了一种研究光在双层散射介质中传输规律的新的理论模型：( 3 ) 从均匀介

2、质的漫射方程出发，研究光源近似对均匀介质漫射方程解的影响，提出光源近似对双层介质漫射方程解的影响问题：( 4 ) 初步尝试双层介质模拟样品的制备方法，主要是上层介质厚度较薄情况的样品制备方法，实验研究上层介质厚度对漫射近似方程解的影响。关键宇：双层散射介质、探测函数、光源近似、理论模型、模拟样品制备A B S T R A C TA B S T R A C TI n v e s t i g a t i n gU g h tp r o p a g a t i o ni nh i g hs c a t t e r i n gm e d i u ms u c ha st i s s u ea n da c q u i r i n gd i a g n o s t i ci n f o r m a t i o no nt i s s u ei so n eo ft h em o s ta c t i v ef l o u t sf o ro p t i c a lt e c h n i q u e U s u a l l y , i nt h er e s e a r c ho fl i g h

3、 tt r a n s p o r t a t i o ni nt i s s u e ，ah o m o g e n e o u ss c a t t e r i n gm e d i u mi ss u p p o s e d H o w e v e r , i nm a n ye a s e st i s s u ei si n h o m o g e n e o u so re v e ni fr e g a r d e da sh o m o g e n e o u s ，b i o l o g i c a lc h a n g e si nd i f f e r e n tp a r tv a r y H e n c ew em a i n l ys t u d yt h et h e o r yo fl i g h tt r a n s p o r t a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt w o - l a y e r e dr a n d o ms c a t t e r i n gm e d i u ma n dc o r r e

4、 s p o n d i n gf u n d a m e n t a le x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r O u ro r i g i n a li n t e n t i o ni st oc o n s t r u c tab a s i cf r a m eo fl i l g h tt r a n s p o r t a t i o nt h e o r yi nt w o l a y e r e dm e d i u m ，a n dt op u tf o r w a r ds o m ev a l u a b l ep o i n t s ，a sw e l la st og i v es o m es i m p l es o l u t i o n sa n ds c h e m e s T h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e s ：( 1 ) s u m m a r i z i n gt h e o r i e sa p p l i e di nr e s e a r c ho

5、 fl i g h tt r a n s p o r t a t i o ni nt w o - l a y e r e dm e d i u mc o n t a i n i n gg r i dt h e o r y , d i f f u s i o nt h e o r ya n dM o n t eC a r l os i m u l a t i o n ；a n d ( 2 ) d e s c r i b i n gt h ep r o b a b i l i t yo fp h o t o ni n t e r a c t i o n sa tp a r t i c u l a rp o i n ti ns c a t t e r i n gm e d i u m ，b ya n a l y z i n gp h o t o np a t h _ l e n g t hf u n c t i o na n di n t r o d u c i n gd e p t hd e t e c t i n gp r o b a b i l i t yf u n c t i o n

6、 U p o nt h eb a s i sa b o v e ，w ep u tf o r w a r dan e wt h e o r e t i c a lm o d e lf o rl i g h tt r a n s p o r t a t i o ni nt w o l a y e r e ds c a t t e r i n gm e d i u m ；( 3 ) s t a r tf r o md i f f u s i o ne q u a i o ni nh o m o g e n e o u sm e d i u m ，s t u d yt h ei n f l u e n c eo fl i g h ts o u r c ea p p r o x i m a t i o no ns o l u t i o nt od i f f u s i o ne q u a t i o n ，a n dt h e nd i s c u s st h ee f f e c to fl i g h ts o u r c ea p p r o x i m a t i o no i

7、 ls o l u t i o nt od i f f u s i o ne q u a t i o ni nt w o l a y e r e dm e d i u m ；( 4 ) a t t e m p tt op r e p a r et w o l a y e r e dp h a n t o m s ，m a i n l yf o c u s i n go np h a n t o m sw i t ht h i nu p p e rl a y e r , a n du n d e a a k ee x p e r i m e n t st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h i c k n e s so fu p p e rl a y e ro nd i f f u s i o nr e f l e c t a n c ek e yw o r d s ：T w o l a y e r e dM e d i u m ，D e t e c t e dF u n c t i o n ，L i g h tS o u r c e

8、A p p r o x i m a t i o n ，T h e o r e t i c a lM o d e l ，P h a n t o m独创性声明本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导 、进行的研究工作和圾得的研究成果，除了文中特别加以标注和致埘之处外，论文r l I 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位沦文作者签名：f b 纽譬签字日期：2 妒。鲜月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔盗盘堂州以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，并采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、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f 勺复印件和磁盘。( 保密的学位沦文在解密后适用本授权晚明)学位沦文作者签名：熬 l 耳导师签名：支k 巴签字目期：一2 3 年幽府日签字门_ ! l J 】：0 D d 年6 月f D 口笙二兰堑笙一一第一章绪论c l 物组织是一种

9、高散射随机介质，研究光在这种高散射随机介质中的传播过程并且从中提取有关组织内部的特征信息，是近年来光学技术研究较为活跃的前沿领域之一。该研究足光学与生物学的交叉学科，具有很强的学术价值和广阔的应用前景，对于生物医学诊断和治疗，如肿瘤的早期无损诊断，具有重要的意义。考虑到实际生物组织均具有层状结构，本文将主要研究的光在双层随机散射介质中传输的理论和实验基础。这一章介绍了近年来有关理论和实验研究的成就，以及本论文的主要工作。1 1 光在分层组织中传播的实验研究光在生物介质中传播时将产生散射和吸收，光散射和吸收的性质与生物组织的性质和光源的波长有关。通常在研究光在生物组织中的传播过程中，均假设生物组织是一种均匀介质，即在生物介质内，各处的散射系数、吸收系数和各项异性因子均相同。但是大多数情况下，生物组织都足非均匀的或者即使足均匀的在生物组织内部不同的部位发生的生理变化也是不同的“。R A W e e r s i n k 等通过实验测量在探测距离在1 1 0 m m 范围内的漫反射率，测量光敏性染料在兔子皮肤内的分布情况【1 1 。实验样品的分析结果表明：皮肤表层的光子分布差不多比脂肪和肌肉大一个数量级。另外，tJ F a r r e l l 等同样研究皮肤的光学性质【2 】，研究结果表明：真皮的光学性质与肌肉和脂肪的光学性质完全不同。这一光学性质的不同导致：用均匀介质的光传播模型分析皮肤表面光的反射率，从而获得生物组织中的内部信息是不合理的。E i j iO k a d a 等利用模拟样品制备脑组织模型，研究光在脑组织中的传输过程及不同层的组织对探测信号的影响 3 1 。研究结果表明：光子在脑组织中传输时，光子程氏大约6 5 分布在脑骨和脑皮，3 5 分布在脑脊髓液，5 分布在灰组织，其余很小一部分分布在白组织。另外虽然探测光了只有一小部分经过灰组织和白组织，但是由于探测光的改变受程长分布和吸收系数的共同影响，因此当灰组织或白组织的脑内部深度充血时，探测信号仍能检测到。K o h r i 等的研究结果还表明【4 】，灰组织的吸收系数的改变对探测信号的影响大约可以达到2 0 3 0 。上面的研究结果表明，对于脑组织同样应利用分层介质模型研究光在其中的传输规律。另外其他一些生物组织如肝脏、胃等也都是由具有不

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