生物组织光学特性参数的测量原理及实验研究

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生物组织的光学特性参数,特别是吸收系数(μa)和约化散射系数(μs′),在临床医学中有重要的应用价值,是探测疾病、研究生物组织新陈代谢情况、决定激光治疗中的光剂量的重要参数。实时、在体、无损地测量生物组织光学特性参数是目前生物光学领域研究的热点。生物组织在近红外波段表现为强散射弱吸收的特性,当光穿过生物组织后携带了组织内部结构信息,这些信息和组织的光学特性参数有关,因此研究近红外波段生物组织光学参数的测量原理、方法及技术具有重要意义。 本文主要测量吸收系数(μa)、约化散射系数(μs′)、各向异性因子(g)、折射率(n)和总消光系数(μt)。在实验中采用根据倾斜入射时的偏移量间接测量μa、μs′的新方法,其原理如下:依据双光源漫射理论,当无限细的光束倾斜入射到生物组织中时,生物组织表面漫反射光空间分布的中心与入射点不重合,二者存在一个偏移量△x,它是一个可测的物理量,和生物组织的扩散系数(D)有关系,而D是μa和μs′的函数。采用最小二乘法依据双光源漫射理论模型对实际探测的漫反射光的空间分布进行拟合,可以得到有效消光系数(μeff),它也是μa和μs′的函数。这样由△x和μeff就可以求解出μa、μs′。用全内反射方法测量组织的折射率(n),根据 Lambert-Beer 定律测量总消光系数(μt),由测量得到的总消光系数、吸收系数和约化散射系数计算得到各向异性因子(g)。 本文选用医用Intralipid脂肪乳剂作为仿体溶液,首先,用上述方法分别测量其吸收系数、约化散射系数、折射率和总消光系数,验证测量原理及技术方案的可行性和准确性;然后,测量离体动物组织的吸收系数、约化散射系数、折射率和总消光系数;最后,测量在体人体组织的吸收系数和约化散射系数。 实验结果表明,Intralipid的散射系数和溶液的浓度成正比,因此,用它作为仿体模型是合适的,可以用它验证测量的原理和技术。另外,测量得到的离体动物组织的光学特性参数具有一定的参考价值。特别是,本文采用的倾斜入射的方法可以应用于实时、无损、在体测量生物组织光学特性参数,耗时短、易操作、准确性高,易于推广。
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