散射相函数的高阶光学参量研究

漫反射光谱技术被广泛应用于无创测量生物组织光学性质。当光源与探测器很近时,仅仅依靠吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s不能准确描述光源附近光的传播状态。而二阶光学参量γ的引入改善了近光源光的传播状态的描述。本文将生物组织的散射等效成特定球形颗粒的散射,基于Mie散射理论,计算了与散射相函数p(θ)有关的单粒子和多分散系粒子的二阶光学参量γ,研究了γ随尺度参数α和相对折射率m的变化规律,描述了γ与组织结构参量之间的联系,并阐述了γ对粒子特征的表征能力。研究表明,参量γ对尺度参数α小于2的微粒尺寸的改变是敏感的,并呈二次函数关系,其系数与相对折射率呈线性关系;对于相对折射率和尺度参数都不相同的两个粒子,他们的各向异性因子g相同时,二阶光学参量γ却不同,粒子越大,γ表征粒子特征的能力越强。这对于无创探究组织微观形态具有深远的意义。

用人工神经网络方法测量生物组织光学参数γ

提出了一种利用亚扩散空间分辨漫反射预测生物组织约化散射系数μs’和相函数参量γ的人工神经网络方法.采用蒙特卡罗方法得到光子经生物组织漫反射的数据样本,利用这些数据样本训练反向传播神经网络,用于从亚扩散散射光中预测γ的信息.为了解决同时预测μs’和γ两个参数时会产生较大误差的问题,分段数据训练两个BP网络,依次识别μs’和γ.研究发现3.64lth(lth表示平均输运自由程)是对γ的不敏感点,可用该点附近的数据样本训练网络用于预测μs’,用2lth范围内的数据样本训练网络用于预测γ.蒙特卡罗仿真结果表明,在1.3≤γ≤1.9范围内,预测结果与真实值的相对均方根误差在1%以内.与现有的测量方法相比,所提的人工神经网络方法更加简单,且提高了预测精度.

含有高阶参量的生物组织光学漫反射的半经验解析模型

漫反射光谱技术对生物组织快速和无创测量具有非常重要的意义,但缺乏精确的关于漫反射的解析解限制了该技术有效的应用.本文根据光子迁移理论和二阶相似关系推导了半经验公式,然后利用Monte Carlo方法研究了二阶参量γ对半经验公式的影响.研究表明,当小孔径收集漫反射光时,反射率与γ成二次函数关系.与其他含有高阶参量γ的解析模型相比,本文提出的半经验解析模型具有简单的数学形式,这为生物组织光学参量测量和漫反射光谱应用提供了新的理论和技术支持.

生物组织的散射相函数及其二阶光学参量的性质

生物组织是一种复杂介质 ,在许多情况下仅仅用各向异性因子 g来描述其散射特性是不够的。由于二阶参量γ是一个与相函数的二阶矩 g2 有关 ,并表示与一阶参量 g1关系的量 ,因此用 g和γ两个参量能更好地描述组织的光学性质。对几种目前用于描述人体组织的相函数及其二阶参量作了简要讨论 ,在此基础上研究了相函数的选取对测量参量γ的影响。研究表明γ是一个可测量的组织参量。研究工作对于建立含有相函数高阶矩的漫散射理论 ,对如何测量生物组织的高阶参量γ 。

与散射相函数相关的光源附近微区漫反射

采用Monte Carlo法研究散射相函数对光源附近微区内的漫反射光的影响,分析一个半经验的漫反射解析模型与相函数相关的光学参量之间的关系.研究表明,来自光源附近微区的散射光对散射相函数的变化非常敏感,敏感程度随收集孔径φ的增大而逐渐减弱.当φ>1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响不明显,反射率的相对变化小于1%;当φ<1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响高达15.2%.用各向异性因子g和二阶光学参量γ表征单粒子散射特性时,散射特性的差异反应在三阶参量δ上.漫反射率随δ的增加而减小,并且δ对漫反射率的影响达到9%.

利用光源附近微区漫反射测量组织微观结构参数γ的方法

提出一种利用光纤探头测量组织微观结构参数γ的方法.根据Intralipid组织模拟液球状分形结构,采用蒙特卡罗模拟方法得到光子经Intralipid漫反射的数据样本,通过对数据进行非线性拟合,建立漫反射率与γ的函数关系.研究发现漫反射率与无量纲的约化散射系数μ_s′ф(ф是散射光的收集孔径)呈线性关系,其斜率是γ的二次函数.实验中以Intralipid为样本得到了不同μ_s′ф下的漫反射率,验证了漫反射率与μ_s′ф的线性关系,并利用其斜率获得了Intralipid的γ值为2.04,分形维数为2.93,各向异性因子为0.816,与文献报道相符,验证了该方法的可行性.

生物组织的亚扩散散射及其光谱技术的应用

采用Monte Carlo模拟研究了单光纤反射探针的漫反射率,发现小孔径探测器收集到的亚扩散光对散射相函数是敏感的,而散射相函数与生物组织的微观结构有关。研究了一个适用于小孔径测量的半经验漫反射模型,分析了与生物组织微观结构有关的二阶和三阶光学参量对该模型的影响。结果表明,两个高阶光学参量对漫反射的影响具有相反的效果,并且对于光学各向异性的生物组织,这两种影响是不可忽略的。给出了一个简化的半经验模型及其适用条件,这为生物组织散射特性及相关微观结构的在体测量提供了新的技术支持。