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激光诱导荧光检测大肠癌变组织的理论与方法研究

作　者: 唐贵林
导　师: 吕海宝；张阳德
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 大肠癌激光诱导荧光漫反射本征荧光主成分分析诊断
分类号: R735.34
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
下　载: 171次
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内容摘要

肿瘤的早期检测和定位是提高癌症治愈率和挽救广大癌症患者生命的关键。利用激光光谱技术来判别人体组织病理状态，有望克服临床常规检测手段的主要缺点，实现肿瘤组织的实时、无损和定量的在体检测与定位。本文以国家“九五”重点科技攻关项目“结肠早癌自体荧光内镜诊断系统研究”为背景，研究了应用激光诱导自体荧光技术检测大肠癌变组织的理论、基础与方法。本文的主要研究内容包括： 1．研究了激光在人体组织中的传输理论。利用电磁理论和传输理论，分析了对于光学诊断很有用的漫反射近似理论及其局限性，提出了一种三参数简化解析模型，可对组织表面局部漫反射光分布曲线准确地进行拟合。在此模型基础上，提出了一种基于蒙特卡洛仿真的迭代逆椎方法，可用于通过测量组织表面漫反射获取组织的主要光学特性参数。 2．探讨了组织自体荧光的来源及光谱特征与组织病理状态的关系。从组织显微结构和分子水平上研究了大肠组织的荧光物质与组织病理状态的相关性，证实了组织结构完整性的破坏以及生化成份的改变是癌变组织荧光特征发生变化的主要原因。 3．从微观层次上建立了组织荧光激发、发射与传播的数学模型，采用蒙特卡罗仿真方法和分层大肠组织模型，首次实现了在紫外激光激发下大肠组织自体荧光发射的仿真。结果表明：在紫外光激发下，大肠组织自体荧光的95％以上来源于粘膜层和粘膜下层；肿瘤组织粘膜层厚度的增加是导致荧光强度减弱的重要原因。 4．针对组织自体荧光受到组织光学特性的调制作用，设计了一种依据在同样光路下测得的漫反射谱来恢复组织的本征荧光光谱的算法。经过验证表明：在同样的测量光路结构下，能够由原始自体荧光光谱恢复组织的本征荧光光谱，从而为荧光光谱特征的分析提供更准确的信息。 5．针对大肠组织在体自体荧光检测的困难，研制构建了便于临床使用的高灵敏度和高信噪比的自体荧光检测系统，进行了人体大肠组织的在体与离体标本实验，指出了大肠正常组织与癌变组织的自体荧光光谱主要特征差异在于谱峰位置、谱峰宽度和谱线的变化趋势。通过对三种荧光强度比值进行统计分析，发现采用比值法做出判别诊断的可靠性和灵敏度不高。 6．针对已有的自体荧光光谱判别方法的不足，建立了基于主成分分析和贝叶斯判别的自体荧光光谱多元判别诊断方法，可以较高的灵敏度、特异性和可靠性对大肠正常组织和癌变组织进行判别诊断。

全文目录

中文摘要  6-7
英文摘要  7-9
缩略语  9-10
第一章绪论  10-21
  1．1 课题的引出及来源  10-11
  1．2 综述  11-19
    1．2．1 组织诊断光谱学研究概述  11-12
    1．2．2 激光诱导荧光检测技术在癌症诊断中的应用研究动态  12-14
    1．2．3 激光诱导荧光技术在胃肠道癌症诊断中的研究动态  14-17
    1．2．4 激光光谱学组织诊断技术的理论与基础研究动态  17-19
  1．3 本文研究工作及安排  19-21
第二章激光在人体组织中的传输理论研究  21-43
  2．1 概述  21-22
  2．2 组织中的电磁理论  22-30
    2．2．1 组织的电磁描述  22-23
    2．2．2 吸收与自量作用  23-26
    2．2．3 散射与Mie理论  26-29
    2．2．4 生物组织的实际散射结构  29-30
  2．3 生物组织中的辐射传输理论  30-34
    2．3．1 传输方程  30-31
    2．3．2 漫射近似理论  31-32
    2．3．3 漫射方程的稳态解  32
    2．3．4 蒙特卡罗仿真  32-34
  2．4 人体大肠组织光学特性的仿真研究  34-37
    2．4．1 光路结构  34-35
    2．4．2 大肠组织的光学模型与光学特性参数  35
    2．4．3 漫射近似结果分析  35-36
    2．4．4 简化漫反射模型  36-37
  2．5 组织光学特性参数的确定  37-42
    2．5．1 光学特性参数的测量问题  37-39
    2．5．2 一种基于蒙特卡洛仿真的测量方法  39-42
  2．6 本章小结  42-43
第三章激光诱导荧光诊断的微观机理研究  43-55
  3．1 激光与组织的自量作用及荧光发射  43-46
    3．1．1 组织中能量的传递与荧光的产生  43-45
    3．1．2 组织自体荧光发射的特点  45-46
  3．2 组织的内荧光物质与自体荧光光谱的相关性  46-51
    3．2．1 组织的内荧光物质  46-49
    3．2．2 大肠正常组织与肿瘤组织自体荧光差异的可能原因  49-50
    3．2．3 大肠组织中Ⅳ型胶原表达与荧光差异的相关性研究  50-51
  3．3 大肠正常组织和癌组织的显微自体荧光差异  51-53
  3．4 本章小结  53-55
第四章组织中激光诱导荧光的发射模型研究  55-71
  4．1 基本的荧光发射模型  55-60
    4．1．1 均匀光学薄介质的荧光发射模型  55-56
    4．1．2 影响组织荧光谱的因素  56-58
    4．1．3 组织的荧光发射模型与仿真  58-60
  4．2 大肠组织的荧光发射仿真  60-65
    4．2．1 大肠组织的分层光学模型  60-62
    4．2．2 激发光在组织内的分布  62-63
    4．2．3 由组织表面出射的自体荧光  63-64
    4．2．4 各组织层的荧光贡献分量  64-65
  4．3 组织本征荧光的恢复  65-70
    4．3．1 模型推导  66-69
    4．3．2 模型验证试验  69-70
  4．4 本章小结  70-71
第五章大肠组织自体荧光在体检测系统与实验研究  71-87
  5．1 概述  71-73
  5．2 在体大肠组织的自体荧光检测系统  73-78
    5．2．1 系统主要构成  73-75
    5．2．2 系统软件  75-76
    5．2．3 系统工作流程  76
    5．2．4 系统性自分析  76-78
  5．3 实验与结果分析  78-85
    5．3．1 标本取材与处理  78-79
    5．3．2 自体荧光检测方式  79
    5．3．3 实验分析  79-85
  5．4 本章小结  85-87
第六章基于自体荧光光谱的判别诊断算法研究  87-99
  6．1 概述  87-89
  6．2 一种用于自体荧光光谱判别的多元判别方法  89-93
    6．2．1 用主成分分析法提取光谱主要特征信息  89-91
    6．2．2 贝叶斯判别  91-92
    6．2．3 判别算法的回顾评价和预测评价  92-93
  6．3 多元判别算法的结果分析  93-98
    6．3．1 预处理后的自体荧光光谱  93-94
    6．3．2 正常组织与癌变组织自体荧光光谱的主成分分析  94-96
    6．3．3 贝叶斯判别分析  96-98
    6．3．4 讨论  98
  6．4 本章小结  98-99
第七章结论与展望  99-102
  7．1 全文总结  99-100
  7．2 研究展望  100-102
致谢  102-103
参考文献  103-117
作者在攻读博士学位期间发表的论文和取得的成果  117

激光诱导荧光检测大肠癌变组织的理论与方法研究

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