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多维弹性光散射场与浅表层组织形态关系研究

作　者: 王保勇
导　师: 丁志华
学　校: 浙江大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 浅表层组织形态 多维弹性光散射 光学指纹 离散随机介质 连续随机介质 偏振门
分类号: O436.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


弹性光散射(Elastic light Scattering, ELS)是一项基于麦克斯韦方程组或辐射传输理论,求解介质的散射光场,进而反演介质信息的技术。介质解析光场,又称多维弹性光散射场,包含角谱、光谱、偏振态等综合信息,其信息量远大于传统基于单点光强探测的信息量,具备超越光学衍射极限的潜质。事实上,依照不同的应用目的,各研究小组做了大量的工作,这包括从介质到多维弹性散射光场的正向问题及从多维弹性光场到介质的逆向问题。特别的,在生物组织光学领域,各研究小组从多维弹性光散射场中提取出了丰富的信息,为医学诊断提供了新的信息,为医学治疗提供了新的方法。一直以来,生物组织以其结构的复杂性和多样性,光在组织中的传输规律都是一个难题,研究者无法在麦克斯韦方程组下建立严格的、普适的组织光传输模型。研究者只能把组织抽象化,把组织看成单个光学微元的集合体,光在各微元间随机的游走,通过改变微元的光学性质及密度达到仿真任何组织光学特性的目的,这是基于辐射传输理论的组织光学研究内容。显然,辐射传输理论对不同的生物组织具有普适性,也正是如此,基于该理论求解的组织光学参数失去了特异性。在某些应用领域,比如浅表层生物组织的光传输规律研究,光传输的规律相对比较简单,不像深厚组织那样复杂,散射光场特异性强,与组织信息的关联性强,应用麦克斯韦方程组的电磁理论更适合这类问题的研究。本论文以浅表层组织的弹性光散射场的正演及反演问题为研究对象,达到从探测多维弹性散射光散射场反演组织形态学信息的目的。首先根据浅表组织的结构特点,将组织分为离散随机介质和连续随机介质两大类,分别建模和进行有限元仿真,并从两大基本模型出发推导出综合介质模型,并进行仿真,最终搭建系统实验。第一章绪论。说明本论文的研究背景,研究问题的主要内容及实现的技术路线。第二章浅表层组织弹性光散射的理论基础。从单个粒子的散射理论出发,具体研究了从离散随机介质模型和连续随机介质模型的多维弹性散射场反演组织模型参数的问题,并尝试将两种模型统一起来。第三章浅表组织弹性光散射的模拟与实验。本文用时域有限元仿真的方法(finite-different time-domain, FDTD)及实验两种研究方法检验理论研究的正确性。首先本文离散随机小球和连续随机介质的仿真,然后做了聚苯乙烯小球(离散随机介质模型)的仿真与实验。第四章总结与展望。对全文进行总结,探讨下一步工作的方向,提出完善工作的几种途径。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 课题背景  11
  1.2 多维弹性光散射测量技术的发展现状  11-13
  1.3 本课题研究内容及完成的主要工作  13-14
  1.4 课题实现的研究路线  14
  参考文献  14-18
第二章 浅表层组织弹性光散射理论基础  18-36
  2.1 单粒子  18-24
    2.1.1 Mie散射理论基本公式  19-22
    2.1.2 逆Mie散射算法  22-23
    2.1.3 单粒子的近似散射理论  23-24
  2.2 随机介质  24-32
    2.2.1 离散随机介质  24-30
      2.2.1.1 单次散射判据  25
      2.2.1.2 浅表层组织粒子的单次散射叠加  25-28
      2.2.1.3 提取浅表层组织的散射场  28-30
    2.2.2 连续随机介质  30-32
      2.2.2.1 势散射基本理论  30-32
      2.2.2.2 连续随机介质模型反演  32
  2.3 综合介质模型  32-34
    2.3.1 叠加原理  32-33
    2.3.2 综合随机介质中散射场的反演  33-34
  参考文献  34-36
第三章 浅表组织弹性光散射的模拟与实验  36-63
  3.1 实验系统的设置与搭建  37-41
  3.2 FDTD仿真  41-58
    3.2.1 验证性仿真  42-43
    3.2.2 离散随机介质模拟  43-48
      3.2.2.1 光学厚度小于1的情形  44-47
      3.2.2.2 光学厚度大于1的情况  47-48
    3.2.3 连续随机介质模拟  48-55
      3.2.3.1 单一自相关长度的连续随机介质  48-52
      3.2.3.2 多自相关长度连续随机介质  52-55
    3.2.4 综合随机介质模拟  55-58
  3.3 样品实验  58-62
    3.3.1 聚苯乙烯小球实验  58-61
      3.3.1.1 浊液的配置  59
      3.3.1.2 仿真组织实验  59-61
      3.3.1.3 实验结果分析  61
    3.3.2 离体组织实验  61-62
  参考文献  62-63
第四章 总结与展望  63-67
  4.1 论文总结  63
  4.2 工作展望  63-67
附录一 微区域仿真与理论一致性分析  67-69
作者简历  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 物理光学（波动光学） > 吸收与散射
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