1、課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞四川XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)組織模型后向偏振散射光譜的數(shù)值模擬學(xué) 生:學(xué) 號(hào): 專(zhuān) 業(yè): 生物醫(yī)學(xué)工程班 級(jí): 指導(dǎo)老師: 四川XX學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院二一一年六月課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞摘 要本文結(jié)合偏振門(mén)技術(shù)和米氏散射理論，論述了用蒙特卡羅方法模擬偏振光在散射介質(zhì)中的傳播。在此基礎(chǔ)上，本文首先推導(dǎo)出了單次偏振散射差分光譜術(shù)的理論計(jì)算公式。并利用此公式分析了不同尺寸粒子的偏振散射光譜，計(jì)算分析粒子群的平均尺寸變化時(shí)后向偏振散射差分光譜的特征，粒子群相對(duì)折射率變化對(duì)后向偏振散射光譜的影響。結(jié)果表明，偏振散射差分光譜對(duì)粒子

2、平均尺寸的變化比較敏感，振蕩頻率隨著粒子平均直徑的增大而增大。該方法對(duì)于早期癌癥檢測(cè)具有潛在應(yīng)用意義。關(guān)鍵詞：偏振散射光譜；米氏理論；組織模型；仿生物組織；蒙特卡羅 ABSTRACTThis essay combine with the polarizing technique and mie scattering theory, expounds with the method of monte-carlo to simulate polarized light propagate in the scattering medium. On this basis, this paper fir

3、st derivate the theoretical calculation formula of single polarizing scatterings hotness spectrum technology. And by using the formula analyzed different size particless polarizing scattering spectrum, calculate and analysis the features of polarization scatterings hotness spectrum when the average

4、size of the particle swarm changes and the influence to polarization scattering spectrum when particle swarm relative refraction index changes. The results show that polarizing scatterings hotness spectrum is sensitive to the change of the particles average size, oscillation frequency as the increas

5、e of particles average diameter increase. This method has potential application meaning for early cancer detection.Key words: Polarized backscattering spectroscopy, Organization Model, Mie theory , Monte Carlo simulation Polarization technique課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論

6、11.1 課題研究的歷史背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特征6第2章 偏振散射光的理論基礎(chǔ)72.1 球形粒子散射理論72.2 偏振光102.3 偏振門(mén)技術(shù)122.4 本章小結(jié)12第3章 組織模型后向偏振散射光的測(cè)量133.1 球型粒子散射理論133.2 差分光譜的計(jì)算和結(jié)果分析153.2.1 粒子平均尺寸的變化對(duì)后向偏振散射光譜的影響163.2.2 粒子群相對(duì)折射率的變化對(duì)后向偏振散射差分光譜的影響173.3 本章小結(jié)19第4章 總結(jié)與展望204.1 總結(jié)204.2 展望20致 謝22參考文獻(xiàn)23附錄27課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞課件之家精心整理資料-歡迎你的欣

7、賞第1章 緒論1.1 課題研究的歷史背景及意義隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地球的生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞，同時(shí)也導(dǎo)致飲用水和食品的污染。人類(lèi)的生存和生活質(zhì)量受到了極大的威脅，患癌癥的人越來(lái)越多，據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì),每年世界上有1000萬(wàn)人患上癌癥,而死于癌癥的人數(shù)約6萬(wàn),占全球死亡人數(shù)的12%。從我國(guó)來(lái)看，去年癌癥新增病例人數(shù)約為139萬(wàn)，占世界癌癥發(fā)病總數(shù)的17%，基本接近1/5。今后數(shù)年將會(huì)是癌癥的高發(fā)年份，很多人發(fā)現(xiàn)腫瘤和癌癥時(shí)已經(jīng)到了晚期。常規(guī)的光譜技術(shù)很難分辯出癌變過(guò)程中不同時(shí)期的癌細(xì)胞，同時(shí)存在許多缺陷，利用組織模型后向偏振光技術(shù)準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、安全地檢測(cè)出細(xì)胞早期癌變，即時(shí)給予適當(dāng)?shù)?/p>

8、治療，挽救癌癥患者的生命，就成為當(dāng)今世界醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域一個(gè)極其重要的課題。癌癥患者的存活期直接依賴(lài)于診斷時(shí)的病情，若能檢測(cè)到這些癌癥的早期信號(hào)并加以治療，大部分患者可以痊愈。生物活體組織內(nèi)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特性是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。生物細(xì)胞的大量信息可以用來(lái)研究生物系統(tǒng)的生理過(guò)程，監(jiān)視癌癥或癌癥早期細(xì)胞的形態(tài)和生理參數(shù)變化，細(xì)胞形態(tài)學(xué)的變化概括了整個(gè)腫瘤的形成過(guò)程，病理學(xué)研究表明超過(guò)85%的癌癥源于上皮組織1，早期腫瘤細(xì)胞的顯著特征表現(xiàn)為上皮層內(nèi)細(xì)胞核尺寸、核漿比、核染色質(zhì)的增加，有效地檢測(cè)到這些信號(hào)對(duì)于癌癥的治療具有顯著的意義。到目前為止，我們要想在臨床上檢測(cè)這些信號(hào)并加以處理，只能依靠病理切

9、片、細(xì)胞涂片等組織活檢手段，即從被檢測(cè)部位取下一小片組織（根據(jù)不同情況可采用鉗取、切除或穿刺吸取等方法）或手術(shù)切除標(biāo)本制成病理切片，用光學(xué)或電子顯微鏡觀察細(xì)胞和組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，確定病變性質(zhì)，以作出病理分析和診斷。這種侵入式的隨機(jī)活檢給患者帶來(lái)很大的精神上的痛苦，且需要花費(fèi)一定的診斷時(shí)間，得出的結(jié)論受醫(yī)務(wù)分析人員的經(jīng)驗(yàn)、外界干擾等主客觀因素的影響，且只能粗略檢測(cè)到局部范圍，要想準(zhǔn)確測(cè)定出癌變區(qū)域就顯得更加困難。鑒于侵入式檢測(cè)方法的各種缺陷，研究人員提出的電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、X射線（X-ray）常規(guī)透視、拍片、造影、體層檢查、ECT、核磁共振（MRI）；超聲成像（US）、核醫(yī)學(xué)檢查等影

10、像法則采用非侵入式方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這些常用的成像技術(shù)能夠?yàn)榕R床診斷和治療提供有效的生理參數(shù)和信息，不過(guò)它們?cè)谡w上都存在一定的局限2：X射線、CT成像在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)射各種射線，產(chǎn)生電離輻射，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生損傷；磁共振成像激勵(lì)源為短波或超短波段的電磁波，波長(zhǎng)在1米以上(小于300MHz)，無(wú)電離輻射損傷，分辨率能夠達(dá)到亞毫米3，能夠靈敏地分辨出正常組織和異常組織，但其成像速度慢、對(duì)鈣化灶和骨皮質(zhì)病灶不夠敏感、圖像易受多種偽影影響以及成本高、價(jià)格昂貴而限制了它的應(yīng)用；超聲成像分辨率較低、不能提供組織的各種有效信息，因而不能應(yīng)用于早期癌癥的檢測(cè)。滴血芯片檢測(cè)技術(shù)抽取0.5毫升血液，通過(guò)“多腫瘤標(biāo)

11、志物蛋白芯片檢測(cè)系統(tǒng)”的血液檢測(cè)，在一天之內(nèi)知道自己是否患有腫瘤，芯片檢測(cè)還有目前蛋白芯片檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)同時(shí)檢測(cè)AFP、鐵蛋白、C125等幾項(xiàng)指標(biāo)來(lái)定位，檢測(cè)準(zhǔn)確率自然大大提高。但是，這項(xiàng)技術(shù)還只是腫瘤的輔助診斷，不是最后確診，只能作為參考。這些技術(shù)檢測(cè)腫瘤只能定位于某一系統(tǒng)，而不能確定于具體臟器，最后確診還要借助其他的腫瘤檢測(cè)手段；基因檢測(cè)是用PCR技術(shù)(一種新型快速診斷技術(shù))，將受檢者的DNA片段放大，以便清晰檢測(cè)，被檢測(cè)癌基因的最有效方法，這一檢測(cè)手段技術(shù)含量很高，需要同等技術(shù)水平的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作；納米檢測(cè)通過(guò)納米攜帶癌癥檢測(cè)的試劑進(jìn)入人體，檢測(cè)出人體內(nèi)是否已經(jīng)產(chǎn)生了癌細(xì)胞。然而到目前為

12、止，這種技術(shù)還僅僅用于實(shí)驗(yàn)室，而未用于臨床，世界的科學(xué)家正在努力將此技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床。生物組織屬于高散射介質(zhì)，當(dāng)光束入射到組織，由于其散射系數(shù)遠(yuǎn)大于吸收系數(shù)，一部分光將被吸收，而大部分將被散射。光的散射服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，經(jīng)過(guò)組織的吸收和散射，入射光的特性(光強(qiáng)度、相干性、偏振性、方向性等)都會(huì)發(fā)生改變，其改變的程度取決于生物組織的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)及生物特性和入射光波波長(zhǎng)等因素。換句話說(shuō)，散射介質(zhì)是一種能對(duì)偏振光進(jìn)行“轉(zhuǎn)換”的偏振器件。在這種轉(zhuǎn)換中涉及到退偏，偏振狀態(tài)的非純態(tài)描述等。根據(jù)散射理論，穿透生物組織的光有三種: 彈道光子、 蛇行光子、 漫射光子。背向散射光也由三部分構(gòu)成: 單次背向散射光，

13、與彈道光相似; 幾經(jīng)散射的背向散射光，和蛇行光相似; 以及背向漫射光，和透過(guò)漫射光相似。生物光學(xué)檢測(cè)方法在生物組織光學(xué)成像技術(shù)診斷中具有重大應(yīng)用價(jià)值，它是通過(guò)測(cè)量生物目標(biāo)物的反射光和光譜等信號(hào)來(lái)獲得生物組織相關(guān)的形態(tài)參數(shù)和信息，由于其具有完全非侵入性、無(wú)損性、無(wú)電離輻射、靈敏度高、實(shí)時(shí)的探測(cè)和成像，以及能夠顯示組織的各種化學(xué)成分，提供有用的功能信息等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛研究應(yīng)用于早期癌癥的檢測(cè)。如光學(xué)弱相干層析成像OCT（Optical Coherence Tomography ）、內(nèi)窺式共焦顯微術(shù)、偏振散射光譜術(shù)PLSS （ Polarized Light Scattering Spectrosco

14、py）、熒光光譜、拉曼光譜。OCT成像技術(shù)以其成像快速、非侵入、分辨率高等優(yōu)良特性對(duì)生物組織研究及臨床應(yīng)用均具有重要價(jià)值而快速發(fā)展。它是利用寬帶光源的短程相干特性對(duì)活體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷層成像，并結(jié)合了各種門(mén)技術(shù)。到目前其可探測(cè)深度由幾個(gè)毫米到厘米量級(jí)，空間分辨率達(dá)到2-20mm。基于原有OCT成像原理，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出反映組織不同特征信息的多種成像模式。但受到成像原理本身的限制，目前尚存在很多缺點(diǎn)，如難以提供組織細(xì)胞的橫向分辨率。內(nèi)窺式共焦顯微術(shù)是將共焦顯微術(shù)和光纖技術(shù)結(jié)合起來(lái)的新技術(shù),既具有共焦顯微術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):高分辨率和三維成像;又能對(duì)體內(nèi)器官組織進(jìn)行在體成像。然而其視場(chǎng)狹窄且分辨率會(huì)受光纖尺寸的

15、影響，難以準(zhǔn)確反映出早期腫瘤細(xì)胞的形態(tài)學(xué)生理參數(shù)變化，因而限制了它在臨床上的應(yīng)用。因光波波長(zhǎng)在散射介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生變化，以熒光成像為主的新的成像技術(shù)相繼發(fā)展起來(lái)。當(dāng)激勵(lì)光子發(fā)生非彈性散射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熒光、磷光及Raman散射等。熒光的光譜分布、量子產(chǎn)率、熒光壽命等可以用作產(chǎn)生成像對(duì)比度的物理參量。利用熒光光譜的成像有單光子、雙光子和多光子熒光顯微成像。基于激發(fā)熒光信號(hào)與自發(fā)熒光信號(hào)在光譜段的重疊，為了減少自發(fā)熒光的干擾，有研究者利用時(shí)間門(mén)和熒光光譜成像結(jié)合起來(lái)。利用熒光的時(shí)間特性或熒光壽命進(jìn)行成像是熒光成像的另一個(gè)方向，是一種功能成像方法，在醫(yī)學(xué)成像中發(fā)揮很大作用。前述的各種成像方法均可以用于

16、熒光成像，如演變?yōu)闊晒釪PDW、時(shí)間分辨的熒光成像等，但需要加光譜分辨裝置選取合適的光譜范圍。按照光子成像的不同，光學(xué)醫(yī)學(xué)成像方法可分為兩大類(lèi)：直接成像法和間接成像法。直接成像法利用各種門(mén)技術(shù)，如空間門(mén)4-5、時(shí)間門(mén)6-7、相干門(mén)8-11、偏振門(mén)12-31等，從“雜亂無(wú)章”的光子中提取出所需要的能直接成像的光子進(jìn)行成像；間接成像法利用所有的散射光子，通過(guò)合適的數(shù)學(xué)模型和算法得知物體的位置和性質(zhì)，逆向求解問(wèn)題。(1) 空間門(mén)是通過(guò)對(duì)組織表面的溢出光子進(jìn)行空間濾波實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用準(zhǔn)直探測(cè)的空間門(mén)技術(shù)空間分辨率很差，盡管采用盡可能大的輻照劑量及盡可能靈敏的探測(cè)器，對(duì)于人體軟組織可探測(cè)的極限深度也僅有幾毫

17、米; 應(yīng)用該法對(duì)乳腺組織成像的嘗試即是一例。(2) 偏振門(mén)利用線偏振光在散射介質(zhì)中傳播時(shí)偏振度會(huì)減小的特性，彈道光子的偏振度為1，而漫射光子的偏振度為0。(3) 超快快門(mén)又稱(chēng)為時(shí)間門(mén)技術(shù)，依據(jù)光子經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)后到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間不同而加以區(qū)分。可將其理解為一個(gè)快門(mén)，開(kāi)啟時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒(10-12s)，讓早到達(dá)的光子通過(guò)之后關(guān)閉，滯后的漫射光子不能通過(guò)。可以利用非線性光學(xué)現(xiàn)象的快門(mén)進(jìn)行取樣，取樣的過(guò)程是對(duì)通過(guò)的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，或?qū)Ω信d趣的信號(hào)進(jìn)行非線性放大，或?qū)Σ灰墓膺M(jìn)行衰減。由于有限的動(dòng)態(tài)范圍和有限數(shù)量的被檢測(cè)光子，該種技術(shù)穿透深度不超過(guò)幾個(gè)毫米。基于這種原理的時(shí)間門(mén)有: 光學(xué)Kerr門(mén)

18、(Optical Kerr Gate，OKG); Raman放大器(Raman Amplifier，RA); 二次諧波產(chǎn)生(Second Harmonic Generation，SHG); 光學(xué)參量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA)等等。(4) 相干門(mén)利用漫射光子相干性的“破壞”分離出成像光子，并使其與原入射光分出來(lái)的參考光相互干涉進(jìn)行成像。相干門(mén)技術(shù)亦有許多種，如全息門(mén)法，光學(xué)相干層析成像法等。PLSS采用了與直接成像完全不同的思路，它是通過(guò)測(cè)量后向散射偏振光譜來(lái)反應(yīng)有關(guān)細(xì)胞形態(tài)變化的信息。我們知道，細(xì)胞核尺寸的微小變化即可導(dǎo)致散射光譜的顯著差異。有研

19、究表明，超過(guò)85%以上的癌癥源于上皮組織，光在組織細(xì)胞中穿透深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)細(xì)胞層的厚度，來(lái)自于上皮組織細(xì)胞的后向散射光通常會(huì)被下層組織的漫反射背景光遮蓋，所得的光譜為散射光和背景光的混合光，因此，為了有效地探測(cè)到上皮組織細(xì)胞的信息，敏感而準(zhǔn)確地檢測(cè)到細(xì)胞癌變的信號(hào)，LSS引入偏振門(mén)技術(shù)來(lái)屏蔽來(lái)自深層組織的多次散射背景光，通過(guò)測(cè)量差分光譜獲取淺表層組織細(xì)胞的信息，來(lái)進(jìn)行癌癥早期的診斷。由于LSS采用光譜而不是光強(qiáng)作為探測(cè)量，測(cè)量精度可以輕易突破衍射限，不受光纖尺寸的限制，能夠更有效地發(fā)現(xiàn)早期腫瘤細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化，從而有利于癌癥的早期檢測(cè)和治療。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀偏振光源與介質(zhì)相互作用以后的散射

20、光會(huì)帶有其自身的特性所決定的偏振信息，有別于通常測(cè)量得到的光強(qiáng)、光譜、相位等信息，并且偏振光在散射介質(zhì)中的傳輸也是有規(guī)律可循的，研究表明對(duì)偏振信息的利用是可行且有效的。在大氣光學(xué)、海洋光學(xué)中，人們?cè)缇烷_(kāi)始了對(duì)混濁介質(zhì)中偏振光的散射現(xiàn)象研究，并取得了一系列的成果，如大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)分析云層散射光的偏振特性能遙感大氣中各種氣溶膠的存在；根據(jù)介質(zhì)散射和目標(biāo)反射光的不同偏振特性可利用偏振技術(shù)排除粒子散射光的干擾從而提高水下圖像的清晰度；在工業(yè)上用于測(cè)量樣品的應(yīng)力分布，膠溶液和氣懸浮液的密度、其微粒尺度的分布；在氣象方面用于研究云、霧、雨的特性；在環(huán)境保護(hù)方面可用于測(cè)污；在天文方面可用于研究大氣和宇

21、宙塵塊；在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光；攝影時(shí)控制天空亮度，使藍(lán)天變暗等。從 V.Backman, et al(1999)12提出LSS并應(yīng)用于癌癥早期診斷研究開(kāi)始，LSS已引起了廣泛關(guān)注，近兩年國(guó)際上很多領(lǐng)域內(nèi)知名的研究小組紛紛加入到這一課題的相關(guān)研究中來(lái)，進(jìn)一步進(jìn)行成像機(jī)理、技術(shù)改進(jìn)以及臨床應(yīng)用方面的研究，并取得了相當(dāng)顯著的進(jìn)展。Backman12通過(guò)測(cè)量上皮組織的后向偏振散射差分光譜，分離背景噪聲從而有效提取了上皮細(xì)胞的單次散射光信號(hào)，結(jié)果顯示了偏振散射差分光譜對(duì)上皮組織光學(xué)特性參數(shù)的敏感性，對(duì)測(cè)量的差分光譜進(jìn)行傅立葉分析，獲得了正常的和癌變的結(jié)腸細(xì)胞核的尺寸分布、粒子數(shù)密度以及相對(duì)折射

22、率，還找到了一種在每個(gè)象素點(diǎn)同時(shí)獲得顯微成象和散射光譜的方法13。Kim14和Roy15等人也指出，對(duì)光譜、散射角和的方位特性的分析，潛在地能探測(cè)上皮組織內(nèi)早期腫瘤的變化16-17。Jacques18-19等人已通過(guò)測(cè)量返回光的偏振度，完成了生物的表皮或近表皮組織的成像。Mourant和Johnson20-21等人則在測(cè)量中采用基于光纖式探頭設(shè)計(jì)，能更好地獲得表層組織的形態(tài)信息，并提出偏振的后向散射光的光譜和角度分布對(duì)于組織模型和生物組織內(nèi)的散射體的尺寸都是敏感的。S.A.kartazayeva22等人還利用圓偏振光和線偏振光對(duì)混濁介質(zhì)中的目標(biāo)物進(jìn)行成像，研究表明，利用偏振光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行成像的

23、過(guò)程中，入射光和探測(cè)光偏振狀態(tài)的選擇應(yīng)能展現(xiàn)介質(zhì)和目標(biāo)物的散射光的最大區(qū)別，針對(duì)不同性質(zhì)的介質(zhì)及目標(biāo)物，應(yīng)選擇不同偏振狀態(tài)的入射光和探測(cè)光，并證明了對(duì)混濁介質(zhì)內(nèi)的大粒子成像，利用圓偏振光成像比線偏振光更具優(yōu)越性。趙慶亮等對(duì)偏振反射譜的原理和測(cè)量方法進(jìn)行了研究說(shuō)明，并通過(guò)偏振光散射光譜技術(shù)來(lái)得到上皮層內(nèi)組織核大小及折射率變化，從基底組織的活細(xì)胞中提取細(xì)胞核中DNA 的數(shù)量和蛋白質(zhì)形態(tài)學(xué)信息，并對(duì)偏振光譜技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中所采用的手段及其分析結(jié)果加以評(píng)述，證明了其應(yīng)用于組織醫(yī)學(xué)診斷的重要作用和意義。L . T. Perelman通過(guò)對(duì)人的正常和發(fā)育異常的結(jié)腸、食管上皮組織的后向散射光譜進(jìn)行傅里

24、葉變換,獲得了每平方毫米面積內(nèi)單位微米間隔內(nèi)細(xì)胞核的數(shù)量。鞠柵等23-24等利用蒙特卡羅模擬方法對(duì)偏振散射光譜術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題探測(cè)深度進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，對(duì)于各向異性因子g 較大（g0.95）的生物上皮組織，增加入射角能夠有效地減小平均探測(cè)深度。 鄧勇等25-27從組織的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，在米氏散射理論的基礎(chǔ)上建立了雙層散射介質(zhì)的單次后向散射光譜的理論模型，并利用傅里葉分析法計(jì)算分析了粒子的形態(tài)學(xué)參量變化時(shí)的單次散射光譜的特征。Alfano28利用偏振門(mén)技術(shù)去掉來(lái)自淺表層組織的散射光，測(cè)量散射光中與入射光偏振方向相垂直的分量，即探測(cè)來(lái)自深層組織的多次散射光，從而完成對(duì)深層組織的成像。有些研究小組29

25、-35通過(guò)蒙特卡羅的方法來(lái)模擬偏振散射光在散射介質(zhì)中的傳播，采用斯托克斯米勒矩陣形式，來(lái)追跡每個(gè)光子偏振態(tài)在傳輸過(guò)程中的改變，并根據(jù)米氏散射理論來(lái)完成每次散射之間的矩陣轉(zhuǎn)換和散射角的取樣。1.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特征本文系統(tǒng)地介紹了組織模型后向偏振散射光譜的理論基礎(chǔ)米氏散射理論和偏振門(mén)技術(shù)，推導(dǎo)出單次后向偏振散射差分光譜術(shù)的理論計(jì)算公式，并利用此公式對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m的聚乙烯小球懸浮液進(jìn)行偏振散射光的分析，結(jié)果與蒙特卡羅模擬進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其正確性。在此基礎(chǔ)上，初步研究了粒子平均尺寸、相對(duì)折射率的變化對(duì)散射差分光譜的影響，結(jié)果表明，粒子平均尺寸的微小變化能夠?qū)е缕?/p>

26、振散射差分光譜的顯著差異，這對(duì)于早期癌癥的檢測(cè)，提高癌癥治愈率具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。第一章 緒論 本章重點(diǎn)介紹了課題研究的歷史背景及意義，連同國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與其他檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，證明了偏振散射技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)越性，以及它在早期腫瘤細(xì)胞檢測(cè)中的意義，并概述了本文的結(jié)構(gòu)內(nèi)容。第二章 詳細(xì)闡述組織模型后向偏振光的理論基礎(chǔ)偏振門(mén)技術(shù)和米氏散射理論，進(jìn)一步介紹了球形粒子散射理論，并用米氏理論的解析解來(lái)進(jìn)行分析，描述偏振光的斯托克斯矢量和光與組織模型相互作用導(dǎo)致偏振特性改變的米勒矩陣以及反映組織退偏性的偏振度。第三章 本章首先推導(dǎo)了單次偏振散射差分光的理論計(jì)算公式，它是跟散射振幅和散射角相關(guān)的函

27、數(shù)關(guān)系式，同時(shí)隨入射光的波長(zhǎng)、粒子直徑、相對(duì)折射率的變化而變化，并對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m的粒子群進(jìn)行理論計(jì)算，并通過(guò)改變相對(duì)折射率來(lái)反映介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)對(duì)偏振散射光譜的敏感性，得出相應(yīng)的結(jié)論。第四章 對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)和概括。課件之家精心整理資料-歡迎你的欣賞第2章 偏振散射光的理論基礎(chǔ)偏振散射光譜術(shù)是一種新型的早期癌癥無(wú)損光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它是一種基于米氏散射理論和偏振門(mén)技術(shù)的光譜測(cè)量方法。能對(duì)生物組織的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行快捷而準(zhǔn)確的探測(cè)，其探測(cè)前提是偏振光與生物組織產(chǎn)生相互作用并發(fā)生散射，由于生物組織的等效粒子粒度大小在可見(jiàn)光區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其波長(zhǎng)，而對(duì)于不規(guī)則的粒子，只要其粒度

28、遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，那么其散射光強(qiáng)的分布在整體上就與具有相同散射截面的球形粒子相同，因此，我們能夠用米氏散射理論來(lái)對(duì)生物組織（混濁介質(zhì)）粒徑范圍內(nèi)的散射光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算與分析36。2.1 球形粒子散射理論米氏（Mie）散射理論是從 Maxwell 方程組出發(fā)，加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，解出了任意直徑，任意分布的均勻球型粒子散射光的解析解37 ，由德國(guó)科學(xué)家Gustav Mie在1908 年得出，目前各種光散射測(cè)粒技術(shù)的基本原理主要是基于米氏散射理論及其近似結(jié)論。對(duì)于一束波數(shù)為k 的平面波被直徑為d，相對(duì)折射率為n的球形粒子散射，米氏理論為之給出了精確的解析表達(dá)式。為了滿足米氏散射理論37的要求，現(xiàn)在我們把樣品看

29、作是一個(gè)懸浮著很多小球的均勻介質(zhì)。這種物理模型與大多數(shù)懸濁液以及實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用的聚乙烯小球懸浮液等高散射介質(zhì)完全一致，該假設(shè)被證明適用于生物組織中。 圖2-1 散射前后局部坐標(biāo)系Fig.2.1 Local coordinate system for light before and after scattered入射光與散射光坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2-1 所示。一束沿方向傳播的波長(zhǎng)為波數(shù)為k）平面電磁波，被球形粒子散射后，出射方向?yàn)椤Ｎ覀兌x 與方向的夾角為散射角，光的散射方向與光初始入射方向所決定的平面定義為散射平面，散射平面與軸所成的夾角為相位角 。在散射平面內(nèi)與垂直散射平面的方向上，入射光

30、的電場(chǎng)矢量分解為和，散射光的電場(chǎng)矢量分解為和；若入射場(chǎng) x、y 方向上的分量分別記為和，則： （2-1）根據(jù)米氏理論，散射場(chǎng)是入射場(chǎng)散射振幅的線性函數(shù)，由下列散射矩陣出：(2-2)若粒子對(duì)于光的傳播方向是球?qū)ΨQ(chēng)的，則散射振幅S3=S4=0，而（2-3）an 和bn 是米氏散射的散射場(chǎng)系數(shù)， n 和n是米氏散射的角度函數(shù)：（2-4）式中的m為粒子相對(duì)周?chē)橘|(zhì)的折射率，為尺寸參數(shù)（ =d ），d 為粒子直徑， 是光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)， = m ，n ,n 的函數(shù)表達(dá)式如下：（2-5）其中Jn+（Z）和H（2）n+（Z） 分別是半奇數(shù)階的第一類(lèi)貝塞耳(Bessel)函數(shù)和第二類(lèi)漢克爾(Hankel)函

31、數(shù)，而（2-9）式中的 Pn為n 次締合勒讓得(Legendre)函數(shù)， P 1n為一次n階Legendre 函數(shù)，有關(guān)這些函數(shù)的定義與計(jì)算可參見(jiàn)文獻(xiàn)35。由上可知，在知道小球的相對(duì)折射率m、直徑d 和光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)等條件后，可以根據(jù)（2-4）（2-5）的一系列關(guān)系式，對(duì)于每次散射的發(fā)生，我們都可以算出其在各個(gè)散射角下的電場(chǎng)分布。即我們可以通過(guò)米氏散射理論，建立起散射光強(qiáng)I ()與粒子的相對(duì)折射率m、直徑d、光波波長(zhǎng)及散射角之間的數(shù)值關(guān)系。反映在生物組織上，則細(xì)胞散射光譜將可以顯示出尺寸分布不同、相對(duì)折射率不同的細(xì)胞的差異，從而為癌癥早期診斷提供有效的方法和手段。2.2 偏振光由于生物組織

32、的復(fù)雜性和多樣性，偏振光在散射介質(zhì)中的傳播是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，我們只能通過(guò)一些理論來(lái)對(duì)它進(jìn)行模擬假設(shè)。偏振是各種矢量波所共有的一種特性，它是用一個(gè)場(chǎng)矢量來(lái)描述空間某一固定觀察點(diǎn)所觀測(cè)到的矢量波的時(shí)間變化特性。光也是一種電磁波，其在偏振光的研究領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著極其重要的作用。要深入地研究這個(gè)問(wèn)題，首先要解決如何描述光的偏振以及光的偏振態(tài)的變化。本文采用斯托克斯矢量來(lái)描述光的偏振態(tài)，用米勒矩陣描述散射介質(zhì)對(duì)光的偏振狀態(tài)的變換作用，用偏振度表征光的偏振態(tài)變化的程度。（1）斯托克斯矢量入射的偏振光可以由斯托克斯矢量來(lái)表示，在實(shí)際使用中，斯托克斯矢量是一個(gè)能在實(shí)驗(yàn)中被測(cè)定的物理量，所以在散射介質(zhì)與偏振光的

33、相互作用求解過(guò)程中，采用它來(lái)描述光的偏振態(tài)。斯托克斯矢量定義如下：（2-6）其中，E ，E 是與傳播方向相互垂直的平面內(nèi)平行和垂直的電場(chǎng)分量，表示對(duì)時(shí)間的平均值。表2.1 中列舉了一些典型偏振光狀態(tài)的斯托克斯矢量。表2-1 斯托克斯矢量表達(dá)式自然光水平直線偏振光垂直直線偏振光+45方向偏振光-45方向偏振光左旋偏振光右旋偏振光（2）米勒矩陣 當(dāng)偏振光入射到散射介質(zhì)并產(chǎn)生相互作用時(shí)，散射后偏振光的狀態(tài)特性將發(fā)生變化。為了求出散射光的斯托克斯矢量，可借助于一個(gè)44 的米勒矩陣。將單次散射米勒矩陣作用在入射光的斯托克斯矢量上，即可得到散射光的斯托克斯矢量。對(duì)于球形粒子，其單次散射米勒矩陣由下式給出，

34、（2-7）單次散射米勒矩陣中的元素s11,s12,s34,s33 與散射振幅S1 ,S2 相關(guān)，其關(guān)系如下：（2-8）（3）偏振度在偏振光與生物組織相互作用的過(guò)程中，偏振度的改變即組織的退偏性也是組織的重要特征之一。不同的組織有著不同的退偏性，同一組織對(duì)不同波長(zhǎng)的光的退偏性也不一樣。因此對(duì)于組織散射光的偏振度光譜的研究在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有重要意義。利用斯托克斯矢量，偏振度作為整個(gè)強(qiáng)度中的完全偏振光強(qiáng)度的比例可用下式表示： （2-9）2.3 偏振門(mén)技術(shù)偏振門(mén)技術(shù)是利用線偏振的入射光束經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)后就變成橢圓偏振光束的特性進(jìn)行光子選通，彈道光子和蛇形光子比漫射光子保留更多的初始偏振特性。如果讓線偏

35、振光入射到生物組織等混濁介質(zhì)上，出射光通過(guò)另一檢偏器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，讓探測(cè)部分偏振片的偏振方向與入射部分偏振片的偏振方向成不同的夾角，如0和90，就可以實(shí)現(xiàn)偏振門(mén)技術(shù)。 彈道光子的偏振度接近1，主要來(lái)自于經(jīng)上層組織散射的單次散射光信號(hào)，仍然保持其偏振性，散射后平行于散射平面的光強(qiáng)與垂直于散射平面的光有： （2-10）而漫射光子的偏振度接近0，主要由于光經(jīng)過(guò)下層組織發(fā)生多次散射，失去了原來(lái)的偏振性，散射后平行于散射平面的光強(qiáng)與垂直于散射平面的光強(qiáng)為： （2-11）讓檢偏器的偏振方向與起偏振器的偏振方向分別成0和90，探測(cè)到的差分光強(qiáng): （2-12）由此，偏振門(mén)技術(shù)可以用來(lái)從透射光中選取攜帶圖像信息的

36、彈道光子和蛇形光子。2.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)闡述了生物組織模型后向偏振散射光譜的理論基礎(chǔ)偏振門(mén)技術(shù)和米氏散射理論，進(jìn)一步介紹了球形粒子散射理論，用于描述偏振光的斯托克斯矢量和光與組織模型相互作用導(dǎo)致偏振特性改變的米勒矩陣以及反映組織退偏性的偏振度。第3章 組織模型后向偏振散射光的測(cè)量3.1球型粒子散射理論入射光xyz散射面直徑d折射率m對(duì)于一束波數(shù)為k的平面波被一個(gè)直徑為d、相對(duì)折射率為n的球形粒子散射，米氏理論已為之提供了確切的解析表達(dá)式。為了滿足米氏散射理論的要求，現(xiàn)在把組織模型看作是一個(gè)懸浮著很多小球的均勻介質(zhì)。這種物理模型與大多數(shù)懸濁液以及實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用的聚乙烯小球懸浮液等高散射介質(zhì)完

37、全一致，該假設(shè)也適用于生物組織。圖3-1散射前后局部坐標(biāo)系如圖3-1所示，定義探測(cè)平面X-O-Y與垂直于探測(cè)平面所在的直線構(gòu)成的空間坐標(biāo)系X-Y-Z為全局坐標(biāo)系。一束可見(jiàn)偏振光垂直入射到樣品上，該線性偏振光的電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)方向及傳播方向構(gòu)成右手螺旋局部坐標(biāo)系X-Y-Z。在全局坐標(biāo)系內(nèi)，其方向矢量可由下式給出： （3-1）入射的線性偏振光可由一斯托克斯矢量表示： （3-2）其中，、是與傳播方向相互垂直的平面內(nèi)的平行和垂直的電場(chǎng)分量，表示對(duì)時(shí)間的平均值。當(dāng)該平面電磁波被一球形粒子散射后，出射方向?yàn)椤Ｔ诰植孔鴺?biāo)系X-Y-Z內(nèi)，定義與方向的夾角為散射角，與所決定的平面為散射平面，散射平面與軸所成的夾角

38、為相位角。初始入射光的方向可由（3-2）式中的三個(gè)矢量描述，發(fā)生單次散射后，散射光()在全局坐標(biāo)系中的位置可通過(guò)空間向量變換由下式給出： （3-3）在局部坐標(biāo)系X-Y-Z內(nèi)，發(fā)生了單次散射的偏振光的斯托克斯矢量變換關(guān)系如下： （3-4）式中，為旋轉(zhuǎn)到散射平面的旋轉(zhuǎn)矩陣，為單次散射米勒矩陣。和可以表示為， （3-5） 在局部坐標(biāo)系X-Y-Z內(nèi)，對(duì)于多次散射，散射后斯托克斯矢量可用如下式子表示，其中n 表示散射次數(shù)，和分別表示第k次散射的散射角和相位角。 （3-6）實(shí)驗(yàn)的目的是為了測(cè)量后向偏振散射差分光強(qiáng)，它表示與入射光的偏振方向平行、垂直的散射光強(qiáng)之差，即斯托克斯矢量中的第二個(gè)元素。而探測(cè)器位于

39、X-O-Y平面內(nèi)，為此，需對(duì)發(fā)生了單次散射的斯托克斯矢量作旋轉(zhuǎn)10，設(shè)D為旋轉(zhuǎn)矩陣，則D中的第二行元素： （3-7） 綜上，對(duì)于某一特定的，探測(cè)器探測(cè)到的差分光強(qiáng)可由下式表達(dá)： （3-8）上式是關(guān)于散射振幅和散射角的函數(shù)，而散射振幅又是粒子直徑、相對(duì)折射率和波長(zhǎng)的函數(shù)，因此，偏振散射差分光譜可以反映出粒子之間的形態(tài)差異。此外，對(duì)于光子的單次散射，可假定粒子之間的間隔大小隨機(jī)分布，且散射光非相干，即各個(gè)粒子的散射光場(chǎng)之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，微粒體系的散射光輻射強(qiáng)度是各個(gè)單獨(dú)粒子的散射光輻射強(qiáng)度之和。當(dāng)粒子體系中的粒子間距比較大時(shí)，這個(gè)近似是成立的，稱(chēng)為粒子的獨(dú)立性假設(shè)。在光譜的數(shù)值計(jì)算中，忽略不

40、同波長(zhǎng)之間的相互作用，認(rèn)為光子服從獨(dú)立同分布。有了粒子的獨(dú)立性假設(shè)和光子的獨(dú)立同分布，對(duì)于單次偏振散射光譜，我們就可以由公式3-8直接計(jì)算出粒子群的偏振散射差分光譜。3.2差分光譜的計(jì)算和結(jié)果分析我們知道，癌變細(xì)胞早期的明顯特征表現(xiàn)為上皮層內(nèi)細(xì)胞核尺寸、核漿比、核染色質(zhì)的增加，這些微小變化都可以通過(guò)顯微鏡來(lái)進(jìn)行觀察，從而有助于我們檢測(cè)到早期癌變細(xì)胞并加以治療，對(duì)提高癌癥治愈率，延長(zhǎng)患者生命周期具有重要意義。本論文采用Matlab軟件對(duì)粒子群的平均尺寸、相對(duì)折射率發(fā)生變化時(shí)的后向偏振散射差分光譜的特征進(jìn)行了分析；對(duì)散射體分別等效成直徑為5.0m、7.0m、8.0m 、9.0m球形粒子的散射光強(qiáng)度

41、進(jìn)行理論計(jì)算，進(jìn)一步研究癌變細(xì)胞的形態(tài)學(xué)參量。3.2.1 粒子平均尺寸的變化對(duì)后向偏振散射光譜的影響考慮到人體正常發(fā)育的組織細(xì)胞核的典型直徑為57m 9，我們?cè)诖藢?duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m，方差分別為0.05m、0.07m、0.08m 、0.09m，相對(duì)折射率為1.19的粒子群進(jìn)行理論計(jì)算。在理論計(jì)算中，光子的初始斯托克斯矢量均為(1 1 0 0)T，所有散射平面（即 =0,2）、錐角為0.0275rad的直接后向散射光都被探測(cè)，探討粒子平均尺寸的變化對(duì)后向偏振散射差分光譜的影響，四種粒子的后向偏振散射差分光譜如圖4.1所示。d=5.0m，相對(duì)折射率為1.19 d=

42、7.0m，相對(duì)折射率為 1.19d=8.0m ，相對(duì)折射率為1.19 d=9.0m，相對(duì)折射率為1.19圖3.2后向偏振散射差分光譜隨粒子平均尺寸的變化通過(guò)對(duì)圖3.2波形的分析比較，得出以下結(jié)論：大、小粒子光譜的振蕩頻率均隨入射光波波長(zhǎng)的增大而略有減小，而對(duì)于相同的光譜波段，隨著粒子平均尺寸的增大，光譜的振蕩頻率明顯增大，振幅則減小。由此可見(jiàn)，偏振散射差分光譜的形狀、差分光強(qiáng)、振蕩頻率都與球形粒子的尺寸大小的變化有關(guān)，因此，我們可以通過(guò)測(cè)量組織的偏振散射光譜來(lái)反演粒子尺寸的大小。3.2.2 粒子群相對(duì)折射率的變化對(duì)后向偏振散射差分光譜的影響我們采用小粒子模擬正常組織的細(xì)胞核，大粒子模擬發(fā)生生理

43、癌變的細(xì)胞核。早期癌變細(xì)胞的顯著特征表現(xiàn)為上皮層內(nèi)細(xì)胞核尺寸的增大，核漿比和核染色質(zhì)的增加，這一變化反映在形態(tài)學(xué)上就是細(xì)胞核相對(duì)折射率的減小。發(fā)生癌變的細(xì)胞以較快的速度增長(zhǎng)和擴(kuò)散，為了較早地檢測(cè)到這些癌變信號(hào)，測(cè)量偏振散射差分光譜對(duì)粒子尺寸變化的敏感性，我們通過(guò)改變相對(duì)折射率對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m的粒子進(jìn)行理論計(jì)算，得出的光譜圖形如圖3.3所示d=7.0m，相對(duì)折射率為1.11 d=9.0m，相對(duì)折射率為1.11d=7.0m，相對(duì)折射率為1.15 d=9.0m，相對(duì)折射率為1.15d=7.0m，相對(duì)折射率為1.19 d=9.0m，相對(duì)折射率為1.19圖3.3 偏

44、振散射光譜隨相對(duì)折射率變化的比較通過(guò)比較圖3.3中相同直徑而相對(duì)折射率變化，得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于正常組織細(xì)胞（d=7.0m），當(dāng)相對(duì)折射率減小時(shí)，光譜的振蕩頻率逐漸變小，光波波長(zhǎng)在450nm650nm范圍內(nèi)，光譜的振幅有一定的減小，在650nm750nm范圍內(nèi)光譜振幅明顯減小；（2）對(duì)于發(fā)生生理癌變的組織細(xì)胞(d=9.0m)，當(dāng)相對(duì)折射率減小時(shí)，振蕩頻率變小，光波波長(zhǎng)在450nm650nm光波段時(shí)，光譜的振幅有一定程度的減小，而在650nm750nm光波段內(nèi)，振幅明顯變小，因此，我們可以通過(guò)改變相對(duì)折射率來(lái)區(qū)分粒子的大小尺寸，從而有效區(qū)別出正常組織細(xì)胞和已發(fā)生癌變的細(xì)胞。3.3 本章小結(jié)本

45、章采用Matlab軟件對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m的聚乙烯小球懸浮液進(jìn)行了模擬，并通過(guò)改變介質(zhì)的折射率對(duì)模型的后向偏振散射差分光譜進(jìn)行測(cè)量，得出以下結(jié)論：（1）大、小粒子光譜的振蕩頻率均隨入射光波波長(zhǎng)的增大而略有減小。（2）對(duì)于相同的光譜波段，隨著粒子平均尺寸的增大，光譜的振蕩頻率明顯增大，振幅則減小。（3）當(dāng)相對(duì)折射率減小時(shí)，不管粒子尺寸的大小，光譜的振蕩頻率均變小，振幅也相對(duì)變小。因此，由米氏散射理論分析得出的偏振散射差分光譜不僅對(duì)粒子平均尺寸的微小變化表現(xiàn)出敏感性，對(duì)折射率的改變也能反映出顯著的差異。第4章 總結(jié)與展望4.1 總結(jié)本文通過(guò)對(duì)組織模型后向偏振散射差

46、分光譜的數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地介紹了后向散射差分光的理論基礎(chǔ)偏振門(mén)技術(shù)和米氏散射理論，并結(jié)合米氏散射理論推導(dǎo)出單次后向偏振散射差分光譜術(shù)的理論計(jì)算公式，并利用此公式對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m的聚乙烯小球懸浮液進(jìn)行偏振散射光的計(jì)算分析，結(jié)果與蒙特卡羅模擬進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其正確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了粒子平均尺寸、相對(duì)折射率的變化對(duì)散射差分光譜的影響，結(jié)果表明，粒子平均尺寸、相對(duì)折射率的微小變化能夠?qū)е缕裆⑸洳罘止庾V的顯著差異。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：（1）詳細(xì)闡述了后向偏振散射差分光譜的理論基礎(chǔ)偏振門(mén)技術(shù)和米氏散射理論，進(jìn)一步介紹了球形粒子散射理論，以及在理論計(jì)算中描述

47、光的偏振特性及光與組織模型相互作用過(guò)程中偏振狀態(tài)發(fā)生改變的斯托克斯矢量和米勒矩陣，簡(jiǎn)單敘述了描述組織退偏性的偏振度，并在米氏理論的基礎(chǔ)上得出散射光強(qiáng)與粒子的平均直徑、相對(duì)折射率、入射光波波長(zhǎng)及散射角的函數(shù)關(guān)系式。（2）推導(dǎo)出了單次偏振散射差分光的理論計(jì)算公式，它是跟散射振幅和散射角相關(guān)的函數(shù)，同時(shí)跟入射光的波長(zhǎng)、粒子平均直徑、相對(duì)折射率的變化有關(guān)，我們可以通過(guò)測(cè)量偏振散射差分光譜來(lái)反映粒子平均尺寸的變化。（3）利用Matlab軟件對(duì)平均直徑分別為5.0m、7.0m、8.0m、9.0m，方差分別為0.05m 、0.07m 、0.08m 、0.09m的粒子群進(jìn)行理論計(jì)算，并改變粒子群的折射率模擬出

48、組織模型后向偏振散射光譜，得出以下結(jié)論：光譜的振蕩頻率隨粒子平均尺寸的增大而增大，而振幅隨粒子尺寸的增大呈減小的趨勢(shì)；大、小粒子的光譜振蕩頻率隨波長(zhǎng)的增大而有所減小；正常組織細(xì)胞和癌變細(xì)胞的光譜振蕩頻率均隨相對(duì)折射率減小而減小，振幅也相對(duì)變小。結(jié)果表明，常規(guī)的光譜技術(shù)很難區(qū)分出不同階段的癌變細(xì)胞，而后向偏振散射光譜術(shù)則能夠很好地顯示處于不同時(shí)期的癌變細(xì)胞的顯著差異。4.2 展望 綜上所述，基于米氏理論和偏振技術(shù)的后向散射光譜能夠比較全面地描述組織細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變化參量和偏振特性，這些形態(tài)學(xué)的參數(shù)和特性在癌癥的檢測(cè)過(guò)程中具有重要的意義，因此，組織模型后向偏振散射光譜的測(cè)量對(duì)早期癌癥的檢測(cè)具有潛在的

49、應(yīng)用價(jià)值。但是，要想依據(jù)此理論設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量高散射介質(zhì)的后向偏振散射光譜的光學(xué)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于臨床上腫瘤細(xì)胞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：（1） 關(guān)于偏振門(mén)機(jī)制。在組織光學(xué)中，對(duì)偏振光在生物組織內(nèi)的傳播理解得不夠全面。來(lái)自深層組織的多次散射究竟是什么原因引起的,是否仍存在著保偏性很好的光子，能否敏感地測(cè)量到淺表層組織的信息。因此，弄清楚偏振光在組織內(nèi)的傳播及檢測(cè)非常重要。（2）有關(guān)細(xì)胞的散射理論。米氏理論只是基于麥克斯韋方程組及其相應(yīng)的邊值條件得出的平面電磁波對(duì)于均勻小球的散射的解。我們只能是近似的用米氏理論來(lái)研究細(xì)胞的散射。那么，腫瘤細(xì)胞形狀與排列規(guī)則的變化對(duì)散射光譜會(huì)有什么影響，上

50、皮細(xì)胞中，除了細(xì)胞核之外的其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)如線粒體對(duì)散射光譜的影響。（3）在現(xiàn)有條件下，想要將細(xì)胞上皮組織和深層組織有效地分離，完全排除深層組織散射背景光的干擾還有一定難度。（4）有關(guān)組織模型。到目前為止，還沒(méi)找到既能模仿生物組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，又能模仿生物組織的光學(xué)特性的理想組織模型。然而，在實(shí)驗(yàn)中偏振門(mén)使用活體組織也存在一些缺點(diǎn)：活體組織的光學(xué)特性和物理模型都不能按預(yù)先設(shè)想的方式進(jìn)行變化或控制，這一點(diǎn)對(duì)于進(jìn)行重復(fù)性，可控性的實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的。致 謝本科學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束之際，在此對(duì)過(guò)去四年給予我指導(dǎo)、關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)以及親人表示感謝。本次設(shè)計(jì)是在杜玲艷老師的悉心指導(dǎo)下完成的，通過(guò)這一個(gè)學(xué)

51、期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，從中體會(huì)到了很多酸甜苦辣。以前從來(lái)沒(méi)有設(shè)計(jì)過(guò)這么大的課題，這個(gè)題目對(duì)我來(lái)說(shuō)是我對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用及全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也是對(duì)自己綜合能力考驗(yàn)，由于此次設(shè)計(jì)范圍較廣，課題較新，查閱的相關(guān)資料繁雜且多，我們需要從中尋找出自己需要的信息，無(wú)疑是對(duì)自己耐心、信心、決心、細(xì)心的綜合考驗(yàn)。我曾經(jīng)想過(guò)要沮喪過(guò)，失望過(guò)，煩惱過(guò)，但是最后我都堅(jiān)持過(guò)來(lái)了，我并沒(méi)有放棄，我想如果現(xiàn)在放棄，那就是對(duì)自己大學(xué)四年的全面否定。在設(shè)計(jì)中我遇到了很多前所未有的困難，我都咬咬牙堅(jiān)持過(guò)來(lái)了，加上杜老師淵博的學(xué)識(shí)，敏銳的學(xué)術(shù)洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的學(xué)風(fēng)，誨人不倦的師德，和藹可親的崇高風(fēng)范，以及科學(xué)的研究方

52、法和良好思維方式使我在學(xué)習(xí)和工作中做人做事方面受益匪淺，值得我學(xué)習(xí)一生。從選題、研究工作到論文撰寫(xiě)的各個(gè)階段杜老師都給予具體的指導(dǎo)和無(wú)私的幫助，傾注了大量的心血，對(duì)我們的設(shè)計(jì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)。在此謹(jǐn)向杜老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！本論文的順利完成，離不開(kāi)好朋友的默默支持和幫助，在我遇到困難時(shí)他們給予我無(wú)私的幫助。在此表示衷心的感謝！感謝四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院的所有老師四年來(lái)給我的一貫支持和幫助。感謝我同專(zhuān)業(yè)及同班同學(xué)四年來(lái)在學(xué)習(xí)和生活中給予的關(guān)心和幫助。我要向我的家人表示深深的謝意。大學(xué)四年來(lái)，你們對(duì)我默默的支持我都銘記于心，感謝你們對(duì)我學(xué)習(xí)的支持，正是由于你們的關(guān)懷和鼓勵(lì)才使得我能

53、順利完成學(xué)業(yè)。最后，再次向所有關(guān)心和支持過(guò)我的老師、朋友、親人致以最衷心的感謝和最美好的祝愿！參考文獻(xiàn)1 R. S. Gurjar, V. Backman, L. T. Perelman et al. Imaging human epithelial properties with polarized light scattering spectroscopy. Nature Medicine, 2001,7(11):124512482 D.A.Benaron. The future of cancer imaging. Cancer and Metastasis Reviews,2002,2

54、1(1):45783 杜玲艷, 魯強(qiáng), 鄧勇. 組織模型偏振后向散射差分光譜的測(cè)量 J. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(11): 2038-2041.4 C. J. Sheppard, T. J. Connolly, J. Lee et al. Confocal imaging of a stratified medium. Applied Optics, 1994,33(4):6316405 D. S. Dilworth, E. N. Leith, J. L. Lopez. Three-dimensional confocal imaging of objects embedded with

55、in thick diffusing media. Applied Optics, 1991,30(14):179618036 M. E. Zevallos, S. K. Gayen, B. B. Das et al. Picosecond Electronic Time-Gated Imaging of Bones in Tissues. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,1999, 5(4): 9169227 S. K. Gayen, M. Alrubaiee, H. E. Savage et al. Parotid Gland Tissues Investigated by Pisosecond Time-Gated and Optical Spectroscopic Imaging Techniques. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum E