基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的分析.docx
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基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的分析.docx
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基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的分析
基于蒙特卡罗传输模型的组织光学参数重构方法的分析
中文摘要
对组织的光学参数进行准确的测量,是组织光学和光医疗中最基本的课题之一,是光应用于医学领域基础研究和临床应用的前提条件。
然而针对如何用数学语言描述光在具有复杂结构的薄层组织中的传输,尤其是选用何种算法通过测得的表面漫散射光反演这种复杂结构中的组织光学参数的问题尚未得到很好的解决。
本论文以无创测量具有薄壁分层结构组织的光学参数为核心内容,首先讨论了对描述组织的光学物理模型的选取和仿真、然后选取了一种新型的算法一微扰蒙特卡罗方法对确定组织光学特性参数的问题进行了研究,并在实验室条件下针对这种算法设计了实验以验证其有效性。
具体包括:
1.从宏观角度对组织光学进行了全面的整理和系统的描述,介绍了光在组
织介质中辐射传输的数学模型——漫射理论和蒙特卡洛模型等。
2.在现有的分层蒙特卡洛算法的基础上加以改进,完善了适合我们需要的
蒙特卡洛模型。
分析了蒙特卡罗仿真随光子数变化的的精度和时间特性。
3.将微扰蒙特卡罗方法应用到组织光学参数无创确定领域,利用一种非线
性最dxZ.乘法一Levenberg.Marqurdt法实现对组织光学参数迅速精确的确定。
4.利用微扰蒙特卡罗参数重构算法从单层均匀组织模型和双层组织模型的
空间分辨稳态漫反射数据反推计算了组织光学特性参数中的吸收系数和散射系数。
,
5.使用印度墨水和Intralipid一10%溶液进行实验,制作了~个较完善的组织模型,测得了各个溶液表面漫反射光的空间分辨波形,将其代入已建立的算法中,得到了组织模型的光学特性参数值,同时也得到了各溶液光学特性参数实测值与理论值的误差,提出了影响所求模型光学特性参数精度的若干误差源,从而验证
了通过本研究中设计的空间分辨波形检测方法和反演算法获得组织光学参数的可行性。
为以后的研究打下了良好的基础。
关键词:
组织光学微扰蒙特卡罗参数重构Levenberg.Marqurdt法
ABSTRACT
Accuratemeasurementoftissueopticalparametersisaveryimportantfieldintissueoptics.Researchesonthebiologicaltissueopticalpropertiesarethepreconditionoflightapplicationsinthefoundationresearchandclinicalapplicationsinmedicalfields,whichcanofervitalguidancetolaser'sclinicapplication.Amethodforrapidreconstructionofopticalproperties,suchastheabsorptionandscatteringpropertiesofturbidmedia,isintroducedinthisdissertation.Themainworkincludeschoosingexactopticalphysicalmodeloftissues,mathematicsdescriptionandsimulationanalysisofphotonspropagationintissue,exploitinganewalgorithmtosolvetheinverseproblemofestimatingthetissueopticalpropertiesfromthediffusereflectanceprofiles,andexperimentaldesignandanalysistoevaluatingthevalidityof
theinversealgorithmandmeasuringmethods.nemaincontentofthedissertation
involves:
1.Firstly.ThetheoreticalframeworkoftissueopticsWasdescribedcompletelyandsystematically.Then,theopticalparametersdescribingtheinteractionbetweenlightandtissuesaredistinctexplanatedanddeducedfordefinitions.Next,weintroducedthetheoriesoflighttransportinthetissuesMonteCarlosimulationsand
diffusionapproximationtheory;
2.Monte-Carlo(MC)methodWaschosenastheforwardmodeltosimulatethephotonmigrationinthetransportregime,forwhichdiffusionapproximationbasedapproacheswerenotapplicable.ByusingtheMonteCarlomodelingformulti-layeredtissues,thetimingcharacterandthestatisticalerrorofMonteCarlosimulationwithdifferentphotonnumberWasdiscussed.
3.Aflexibleandfastperturbationmodel,purtubationMonteCarlo,hasbeendevelopedfortherapidextractionoftheinformationofphotonmigrationtheandthediffusereflectanceprofileintissue.Witllthederivedinformation,photonmigrationinverseproblemwassolvedbyacombinationalgorithmofsteepestdescentandtheGauss-Newtonmethod.Theproposedmethodisvalidforawiderangeofopticalpropertiesandtherelatedmeasurementcanbesimpleandadaptable.
4.WeanalyzedtheuniquecorrespondingrelationshipbetweentheMC
simulateddiffusereflectancedataandthetissueopticalproperties.nereconstructionmethodwasusedtoretrievethetissueabsorptionandscatteringcoefficientsinthe
single-andtwo-layeredtissuemodels,fromthesteady—statespatiallyresolveddiffusereflectanceprofile.
5.Themethodwasdemonstratedonasetoflayeredliquid-tissuephantomshavingawiderangeofabsorptionscoefficientsandreducedscatteringcoefficientsprovidedbyIndianinkandIntralipid-10%indifferentconcentration,respectively.Asareference,theabsorptioncoefficientofInksolutionwasmeasuredwithaspectrometerandthescatteringcoefficientofIntralidsolutionwascalculatedwithMietheoryfortheassumedparticlesizedistributioninthecorresponding
concentration.CWmeasurementswerecarriedoutonthephantomswithdifferent
optodeseparationsandtheintensitydecayofthediffusereflectancecorrespondingtOtheincidentlightWasrecordedforextractingtheopticalproperties.Itshowsthatourresultsforopticalparametersarecreditable.Themethodhasahigheraccuracyandgoodreal-timeperformanceintheinverseproblemofTissueOpticsfield.Thus,the
possibilitiesofestimatingthetissueopticalpropertiesfromthediffusereflectancebyusingpMCreconstructionalgorithmandsteady—statemeasuretechnologyweredemonstrated.
KEYWORDS:
TissueOptics,perturbationMonteCarlo,parameters
reconstruction,Levenberg-Marqurdt
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第一章绪论
第一章绪论
1.1前言
我们把手电筒打开,试图用手掌去堵住出射的光时,我们发现在手掌周围甚至手掌的背面都变亮了。
这是因为光进入手掌经过与组织作用之后,经过杂乱的散射作用使光线的方向发生了改变,部分光从手掌其他的方逃逸出去了。
组织在受到不会造成其不可逆性损伤的弱光照射后,总要回复到原来的平衡状态。
在这个过程中一部分多余的能量通过光或热的形式释放出来。
热的形式即表现为吸收,光的形式则以反射光或透射光的形式而反映出来。
既然光线经过了组织内部并与组织发生散射和吸收的作用,那么我们能否利用反射光或透射光而获得组织
。
结构和功能的信息昵?
人们对光辐射下光与生物组织的相互作用及其发生的物理和其他变化的研究可以追溯到很早以前。
随着光子学说的创立和二十世纪六十年代激光的出现,光学技术在生物学和医学领域应用日益广泛,并对医学的临床诊疗起到了指导与促进作用,两者的结合已形成了光子学与生命科学的交叉新学科点一生物医学光
’
学(BiomedicalOptics)或称生物医学光子学(BiomedicalPhotonics)。
生物医学光子学是现代光学技术和方法在生物医学领域的应用,其研究内容涉及光物理、生物物理、生物化学、生物学、医学、数学和计算科学等各学科领域知识。
生物医学光子学已成为目前现代光学研究工作最活跃、发展最迅速的一个分支,其研究成果将直接服务于人类健康,并有可能创造出新的高技术产业,为人类文明和社会发展进步做出贡献。
生物医学光子学包括生物光子学(Biophotonics)和医学光子学(Medicalphotonics)两大研究方向,但二者并无明确的分界,存在相互交叠的范围。
其中,生物光学主要研究生物系统中产生的光子及其反映的生命过程,以及利用现代光学技术如多光子荧光成像技术、光镊技术和扫描近场光学显微镜等揭示生命现象。
医学光学的研究包括对组织光学、医学光谱技术、医学成像术和激光医疗机
理及其作用机理的研究。
医学光学的研究对象是生物组织,特别是活体的人体组织,因此其发展及应用的前提和基础是认识光与生物组织的相互作用规律和知识。
生物组织的形态和结构都相当复杂,生物学研究表明,绝大多数生物组织对
第一章绪论
可见光呈现出不透明、混浊和高散射的特点,因此光与生物组织的相互作用,不能用传统光学来解释,由此产生了专门研究生物组织光学性质的学科一组织光拳【l】【2】于o
1.2组织光学的主要研究内容
l光在生物组织中的传输理论研究生物组织对可见光和近红外光通常呈现出不透明、混沌和高散射的特点。
光
在生物组织传播是一个很复杂的过程,其主要特点是生物组织对光波的散射和吸收。
作为电磁波的光波在散射介质中的传播遵循麦克斯韦方程。
但是,由于组织的组成和结构的复杂性,使得我们无法获得麦氏方程的解析解。
为此,人们提出了一种目前普遍应用的理论一光传输理论来描述光在散射介质中传播问题12]【3】。
它认为光的传播是由在组织内部被吸收或被弹性散射的单个光子的传输造成的,光子在散射介质的传输满足玻尔兹曼方程。
此时光子的传播行为就用组织的光学特性参数来描述,如用吸收系数和散射系数来描述组织体对入射光的吸收和散射能力的大小,用有效透射深度表示光在组织中的穿透能力等。
生物组织的不同成分会对光的散射和吸收表现出不同的特性,即使是同一组织在不同的生理状态(如组织正常、癌变或局部缺血缺氧)下对光的吸收和散射也表现出不同的特性。
这些组织光学特性参数是激光诊断、激光治疗、光剂量学等理论和临床实践的基
础,近年来,已建立了各种模型用于研究生物组织中光的传输及分布情况【4】【5】【61,
但各种模型均具有一定的局限性,如何更准确的描述光在生物组织中传输,成为了组织光学中重要的研究课题。
2生物组织光学参数的测量方法与技术如何根据光在生物组织中的传输理论,定量确定这些参数是传输理论建立后
的一项关键性工作,在医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和广泛的应用前景。
目前,有关生物组织光学性质的测量方法主要有直接测量法和间接测量法171。
直接测量法即是根据基本定义,将组织切片置于光学系统中进行测试的切片测量法。
间接测量法是指由测得的表面反射光信号或透射光信号推算组织光学参数的无损检测法。
由于生物组织在切片状态和活体状态下的光学特性可能相差甚远,因此生物组织光学特性的无损检测技术一直是组织光学的一个基本研究课题。
另一方面,传统的光学参数有时并不适合于实际应用,寻找新的参数,使其能够更准确、更具特异性的体现生物组织的特性,也是这方面工作的一个重点。
3生物组织光谱研究
光谱方法以其高的光谱和时间分辨率、精确度以及无损、安全、快速等优点
第一章绪论
而成为研究生物组织的重要手段,为光诊断与光治疗技术的发展以及为解决组织
光学中的基础测量问题开辟一条新的途径【8j。
4无辐射损伤、适用于活体的、高分辨率的生物组织光学成像研究
由于生物组织的不均匀性,使得它对光波具有强散射作用,光波无法深入生物组织内部,更难以从生物组织中取出清晰的图象。
近年来人们发展了一系列的先进光学取像方法,希望可对活体生物组织实现非侵入性的无损伤检测。
由上可看出,对生物组织光学性质及光在生物组织中传播的理论和实验研究是组织光学研究中的重要内容。
如何由组织表面的漫射光分布无创定量确定组织内部的散射和吸收系数,以及组织对光的散射和吸收系数与组织的物理状态的关系等等这些问题亟待组织光学给出满意的回答。
定量确定生物组织的光学特性在医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和极其广泛的应用前景,是肿瘤诊断、代谢状态动态监护、药效分析及光动力治疗等理论和临床实践的基础。
显然,这种定量测量方法所采用的描述光在组织中传输的理论模型的正确性和根据所选模型确定的反演算法决定了决定这种方法的优劣。
1.3组织光学的发展和研究现状
1光在组织中传输理论模型的发展人们对光在散射介质中传输的研究最初是从天体物理、大气光学和海洋光学
开始的。
生物组织是高散射介质,表现为随机粒子对光的散射和吸收,只不过在生物组织中多次散射效应起主导作用。
历史上曾经提出两种不同的理论来讨论多次散射问题,第一种是从诸如Maxwell方程或波动方程这种基本微分方程出发的解析理论。
但由于生物组织的复杂性,它不可能得到完全包括这些效应的精确解。
Twersky理论、图解法以及Dyson和Benle.Salpeter力"程都属于这种解析理论例。
这些理论都是近似的,每一种理论只在一定的参数范围内才适用。
另一种称之为输运理论,不是从波动方程出发,而是直接讨论能量通过包含粒子的介质时的输运问题。
人们用光子传输的Maxwell.Boltzmann方程来描述散射介质的光传播【l01。
尽管解析理论和输运理论的出发点不同,但处理的物理现象是相同的。
在生物组织光学中,一般不考虑光的波动性,用辐射传输方程(RadiativeTransferEquation,RTE)来解决光在随机介质中的传播问题。
但在大部分情况下人们无法求出RTE的精确解析解,于是又提出了各种近似解法,主要包括Kubelka.Munk(简称K.M)方法和漫射近似方法【l11,漫射近似方法比K—M方法更精确,是目前人们用得最多的一种近似方法。
然而,在实际应用中,应注意漫射方程仅仅是辐射传输方程的近似,只有散射介质的吸收系数远小于有效散射系数,
第一章绪论
以及所关心位置,.远离光源或边界时,才能近似描述散射介质中的光分布。
而且,在解决复杂组织几何模型的光传输问题时,漫射近似解的精度不高【12】【13】。
为此,人们试图寻找一种更加灵活易用的方法。
若将光波在散射介质中的传播看成光子输运问题,那么蒙特卡洛(MonteCarlo,MC)方法就可以成功地用于研究光子在散射介质中的传播。
蒙特卡洛方法是一种统计模拟随机抽样的方法,主要用于模拟各种输运现象。
自从Wilson等人114J首次将蒙特卡洛方法引入激光与生物组织相互作用领域以来,该方法广泛用于模拟旨在解决各种实际问题的生物混沌介质中的光传输,并已经成为检验散射介质中各种近似解法的一种非实验标准。
一方面,人们将它用于各种具体问题;另一方面,蒙特卡洛方法本身也有待进一步发展。
WangLihong等人Il5】将漫射近似速度快的优势和蒙特卡洛模拟精度高的优势有机地结合在一起,给出一种混合模型模拟了高散射介质平板中光的漫反射的情况等等。
由生物组织光学理论研究的历史与发展来看,如果基于研究求解的较简单
化来考虑,人们趋向于使用源于辐射传输方程(RTE)的漫射近似(DA)建立模型,针对不同几何形状的介质提出不同的漫射近似解析表达式,来得出对实际问题的近似分析。
而如果侧重于对实际情况的精确解,则人们选择蒙特卡洛(MC)模拟来研究问题,这样可获取相对准确、更近于实际情况的生物组织信息。
然而,由上述分析可知,实际上两种方法各有其利弊,本文的目标是精确求解组织参数,因此选取了蒙特卡洛(MC)模拟来建立正向输运模型。
2组织光学特性参数检测技术的发展
髓着生物组织光学的发展,生物组织光学特性的测量成为了组织光学研究的首要任务和深入研究的前提。
生物组织光学特性参数的测量方法按被测样品的形式可分为离体和在体两种方法。
离体方法的特点是测量方法简单、精度高,但由于必须从生物组织中取样才能进行测量,应用于医学时不可避免的会给患者带来一定的痛苦,且不可能做到对疾病的实时监测。
早在70年代,就有许多研究者用切片离体测量的方法获得了某些生物组织在离体状态下的光学特性参数。
在体测量方法是通过测量组织表面的漫射光分布来确定组织内部的光学参数,该方法能够对生物组织进行无损测量,且可做到对疾病的实时监测,在医学上具有广阔的应用前景,因此生物组织光学特性参数的在体测量是当前的一个研究热点。
其中:
Kienle等人【l6J使用CCD设计了一套无损非接触的组织光学参数测量系统,其所用理论不是漫射近似方程,而是用蒙特卡洛模拟训练的神经网络,且通过物组织模拟液——英脱利匹特(Intralipid.10%)对测量结果进行了验证,同时给出了牛肌肉、牛脂肪、鸡胸、牛肝的光学特性参数测量结果。
Prahl等人【l刀利用两个积分
球分别测量薄片组织表面的漫反射和透过光强,然后利用倍增(adding.doubling)方法来推算组织的光学参数。
该方法的特点是所用理论精确,无需近似处理,但
第一章绪论
只适用于组织的离体测量。
N.Ghosh,S.K.Mohanty等人18通过测量组织表面漫射光分布确定了正常和癌变乳腺组织的光学特性参数,发现癌变组织的散射和吸收系数均大于正常组织的散射和吸收系数,并估算出癌变组织中等效的米氏散射粒子直径大于正常组织中的等效直径,显示了该方法在临床应用中的潜力。
综上所述,光学参数的测量技术正处于研究阶段,国内外研究者在理论及实验上都做了大量的工作。
鉴于组织光学特性无损测量对医学光诊断和光治疗等领域具有极高的临床应用价值,待测量的光学量应尽可能选择能够在对组织无创或微创的方式下测得的光学量,如透射光强度或反射光强度。
由于生物组织的强散射特性,因此,采用透射测量方式的应用场合十分有限。
目前应用最为广泛的测量方式为反射式测量。
此外,根据测量技术的不同,测量技术还可分为时间分辨、
频域分辨和空间分辨稳态测量三种方式。
与时域或频域测量技术相比,空间分辨测量技术相对简单、设备便宜且易于小型化,是目前最具临床应用前景的组织光学特性无创检测技术之一。
因此本文中选用了空间分辨的表面漫反射光数据来反演确定组织的光学特性参数。
3从漫反射光数据反演组织光学特性参数算法的发展从生物组织表面测得的漫反射光无创确定该组织的光学特性参数是解决生
物组织光学参数检验问
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- 基于 蒙特卡罗 传输 模型 组织 光学 参数 方法 分析