斜入射光束在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟

分析了斜入射光束在介质中的传播情况,利用VC++语言编制了一套平圆光束斜入射在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟程序,对几种不同参数值的情况进行了模拟,通过对模拟结果的分析,得出了平圆光束斜入射在半无限大生物组织内传播的规律。

近红外漫射光在人体组织中的传播及探测器排布研究

为了研究漫反射光谱法在检测内部组织有效信息方面的径向最远探测距离和合适的探测器排布方式,构建了人体皮下组织模型,利用蒙特卡罗(MC)方法对760 nm近红外光在组织中的传输过程进行了模拟。根据不同组织的光学特性,建立了脂肪-肌肉双层MC模型。在模型中,通过调整脂肪和肌肉双层组织的垂直厚度模拟了双层组织的多种情况,分析了不同情况下、不同距离处逃逸光子的分布、数量和剩余权重。结果表明,在该模型下,将探测器排布在距离光源大约3 cm或更近的位置,采集到的光子信号可以有效体现组织内部的信息。基于MC模拟的结果,分析设计了三种可应用于无创血流或血氧检测的探测器排布方式。通过比较发现,多光源-多探测器混合排布设计不仅可以更有效地收集组织的漫射光,提供更均匀的光子分布,而且相较于单光源-多探测器,该设计可以最大限度地利用探测器的数量实现对组织同一深度更大面积的检测。这为设计近红外血流或血氧无创检测光谱仪器提供了思路。

光在宫颈组织中传输特性的蒙特卡罗模拟

为研究可见近红外光谱在宫颈组织中的光子传输情况,根据宫颈组织的结构,构建双层宫颈组织模型,利用蒙特卡罗方法模拟可见光(500nm左右)和近红外光(810nm左右)在宫颈组织中的光分布,研究宫颈正常组织和高级病变组织中漫反射率、吸收能量密度、光能流率的变化的差异。结果表明:宫颈正常组织表面漫反射率大于高级病变组织;在上皮层中宫颈正常组织光吸收能量密度大于高级病变组织,基质层宫颈正常组织光吸收能量密度小于高级病变组织;宫颈正常组织的光能流率大于高级病变组织,与可见光相比,近红外光在宫颈组织中的分布范围更大、探测深度更深。为使用可见近红外光谱技术进行宫颈癌前病变诊断提供了一定的理论基础。

用Monte Carlo方法模拟光在双层生物组织中的传播

利用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法模拟了光在两层具有不同光学参数的组织中的传输。详细讨论了组织间的吸收系数、有效散射系数和各向异性因子ｇ的差异对漫反射率、漫透射率和光强的纵向分布的影响。

水果组织中光子传输的蒙特卡罗模拟

水果组织内光子传输特性是利用光谱和光谱图像检测农产品内在品质的理论基础。在应用蒙特卡罗模拟理论研究水果组织内部光子传输的基本方法后,选择了几种水果组织光学参数,用C语言编制的程序对水果组织内部的光子传输进行了模拟计算,以入射光点为中心,给出了不同半径位置的光子密度流计算结果。研究表明,应用蒙特卡罗方法来研究光在水果组织中的传输,有助于从机理上了解水果光学无损检测中影响其检测精度的相关因素。

近红外光早期宫颈癌诊断的频域逆蒙特卡洛光学参量重构研究

研究了基于时域蒙特卡洛模拟的频域信息提取方法、光学参量反演方法和提高反演速度的措施.提出了利用离散傅立叶变换(传统法)和改进法两种提取频域信号幅值相位的方法.通过建立一定散射系数范围内的正向MC模拟数据库、采用拟合方法以及利用朗伯-比尔定理,解决了光学参量反演中快速获得MC模拟结果的问题.模拟实验结果表明:改进法无论在反演准确度还是计算时间上均优于传统法,当其中一个参量不变时,散射系数的反演相对误差小于±6%,吸收系数的反演相对误差小于±10%;当吸收和散射系数同时变化时(30<μs<100cm-1,0.2<μa<0.50cm-1),两个参量反演相对误差在±10%以内.采用快速反演技术重构一组光学参量所需要的计算时间小于1分钟.

生物组织中有限束宽光吸收的蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗法模拟了有限束宽均匀分布和高斯分布光在生物组织中的传播 ,分析了生物组织的光学参数及光源特性对光吸收分布的影响。结果表明 :只要有效光吸收系数增加 ,最大光吸收率就会增加。光的侧向传输能力主要依赖于光的有效散射。光束宽度增加 ,辐照范围加宽。高斯光束的吸收分布的梯度更大。

反卷积在生物组织光传输特性研究中的应用

生物组织中的光传输特性可以以点扩散函数表征,即在线状光束入射条件下,生物组织中某一深度层面上的光强度场分布。为获得点扩散函数的具体形式,已发展了多种理论分析方法,其中以MonteCarlo模拟方法最具代表性。但现有理论计算方法都要以生物组织的光学参数已知为前提,而光学参数的准确度直接影响着计算的精度。从线性平移不变系统理论出发,生物组织内一定深度层面上的光强分布被看成是光源强度分布与点扩散函数的卷积,从而提出通过测量在轴对称的准直扩展光源照射条件下,组织中特定层面上的光强度分布,利用反卷积重建生物组织的点扩散函数的方法,并将这种方法应用于典型生物组织透射面上点扩散函数的重建,得到了相应的点扩散函数。实验结果与MonteCarlo模拟的结果吻合较好,表明该方法从实验上获得生物组织点扩散函数的正确性和有效性。

直缝焊管预弯成形质量概率特性分析

在焊管制造过程中,由于存在材料性能参数等不确定因素,将直接影响直缝焊管的预弯成形质量。因此,为了研究材料性能的波动对焊管质量的影响,采用有限元法分析预弯成形过程,并通过实验验证计算结果的准确性。在此基础上,基于随机模型分析了预弯成形质量的概率分布和敏感性分析。

光学特性参数对生物组织光分布的影响

利用蒙特卡罗方法模拟准直光束在生物组织中的光分布,分别改变吸收系数、散射系数、衰减系数等光学特性参数,比较分析组织中吸收能量密度、光能流率、漫反射率、透射率、光通量分布的差异。结果表明:增大吸收系数和散射系数均会增大吸收能量密度及其梯度;吸收系数影响光能流率和光通量的大小,散射系数影响二者的衰减梯度;吸收系数和散射系数影响漫反射率和透射率大小,散射系数影响二者的衰减梯度。

生物组织光透射特性的理论与实验研究

该文利用所建立的测量激光在组织透射面上光强分布的实验装置 ,实验测得在不同分布的激光光源照射下 ,组织透射面上的光能分布 ,并进行了三维图重建 ,同时采用基于脉冲响应函数的MonteCarlo方法模拟了相应条件下仿生物组织样品透射面上的二维光场分布 ,模拟结果与实验结果具有很好的一致性 ,说明基于脉冲响应函数的MonteCarlo方法是处理复杂面光源照射条件下生物组织中光分布和传输问题的简洁、有效途径。

传递函数在生物组织光传输问题中的应用(英文)

本文将传递函数的概念引入生物组织光传输问题,并将传递函数理论用于面光源照射下生物组织内特定深度层面上光场强度分布的理论计算。结合MonteCarlo模拟获取脉冲相应函数,我们分析了不同面光源照射下层状组织样品透射面上的光场强度分布。理论计算结果与实验测试结果的一致性较好,这充分说明了本文建立的基于MonteCarlo模拟的传递函数方法是一种处理面光源照射下生物组织内光场空间的直接而有效的手段。

近红外光在皮肤组织中的传播和光纤探测结构设计

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播,建立了人体皮肤组织模型,包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质,采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900nm范围内,光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明:光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大,而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45mm,当入射波长为1 550nm时,光子运动路径长度为1.806mm,穿透深度为0.467mm,漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果,分析和设计了一种光纤探测结构,这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成,每根光纤间距均为0.45mm并且刚好紧凑相邻.最后,仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W,则探测器接收的漫反射光功率为0.598mW,这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.

基于有限元模拟的圆柱边界介质中的光传输

应用有限元模拟方法,在外推边界条件下研究圆柱介质中的光传输问题,讨论了不同光学参数条件下圆柱表面空间分辨反射率和穿透深度的规律,并且与有限元分析、Monte Carlo模拟和解析解方法的结果进行比较.结果表明:有限元模拟的结果与Monte Carlo模拟的结果吻合度很好,其空间反射率在光学参数满足漫射近似条件μ′s/μa≥5时误差小于10%,在非近源区甚至小于5%;穿透深度的值随μ′s/μa值增大而增大.但比Monte Carlo模拟的穿透深度略小,误差不超过7%,且μ′s/μa的值越大时该误差越小.有限元模拟结果比解析解方法的结果误差要更小,解析解方法在μ′s/μa≥5时,其误差在非近源区接近10%,在近源区会超过15%.此外比较了三种方法的计算速度.单次运算有限元模拟用时约385s,甚至比通常用于快速计算的解析解方法(单次运算耗时416s)更快,而Monte Carlo模拟单次运算耗时8~9h.考虑到有限元模拟方法的介质模型构建简便,计算速度快,且模拟结果有着不错的精度,该方法对圆柱边界乃至一般具有曲率的复杂介质中光子辐射传输问题具有非常好的应用前景.

光在组织中传输的光强分布的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法，模拟计算了无限窄细光束、高斯光束、平面圆光束等三种光束与血管内膜组织相互作用时的光强分布，并分析了光强分布的变化及导致这种变化的原因，讨论了三种光束光强分布变化的区别及由此引起的三种光束的实际适用范围。

老化皮肤光分布的蒙特卡洛模拟

为研究老化皮肤中的光子传输情况,在构建老化皮肤七层模型的基础上,采用蒙特卡洛方法模拟准直无线窄光束、有限束宽的平圆光束和高斯光束在皮肤组织中的光分布,研究年轻皮肤和老化皮肤的差异。结果表明:老化皮肤在表皮吸收能量密度较小,真皮反之,光能流率较大,光子的穿透深度更深,更多光子进入真皮层;与高斯光束相比,平圆光束的光能流率径向分布较均匀,适合大面积嫩肤。

多束光在皮肤组织中传输的蒙特卡罗模拟

光在皮肤组织中的输运情况决定了激光皮肤外科手术治疗的有效深度和疗效。采用蒙特卡洛方法,模拟多束平圆光和高斯光辐照皮肤组织,分析光束间距对光分布的影响,比较平圆光束和高斯光束光能流率分布的异同。结果表明,光束间距为2R的多束光入射时,平圆光束的光能流率实现了均匀的径向展宽。光束间距为R时,高斯光束穿透深度更深,光能流率峰值更大;平圆光束和高斯光束在叠加区域光能流率均明显增大,平圆光束增幅较大,二者光能流率在非叠加区域均与单束光相近;二者辐照光束越多,叠加区域出现径向展宽越大。光束间距对光能流率影响的研究有助于激光皮肤外科手术中治疗方案的优化设计。

有限宽光束在生物组织中的传播

用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法讨论了有限宽光束在生物组织中的传播，模拟了当无限细光束入射、高斯光束及平面圆光束入射到生物组织时的漫反射率及漫透射率等。模拟了有限宽光束在多层生物组织中的传播。

超声调制的散射光在多层生物组织中的传播

通过Monte Carlo方法研究了经超声场调制的散射光在双层和三层生物组织中的传播规律。给出了超声调制的散射光及其调制深度与介质厚度、吸收系数、散射系数和各向异性因子的关系。Monte Carlo模拟结果表明,经超声调制后的散射光会随着超声区外生物组织的光学参数和组织结构的变化而变化,而调制深度只与超声区的声光特性有关,与超声区外生物组织的光学特性、组织结构等无关,是超声调制光学成像技术最终进行图像处理与重建的关键物理量。

表面照射下激光与生物组织的光热作用分析

建立了表面照射下激光与生物组织光热作用的二维变物性数学模型,采用MonteCarlo模拟方法数值求解了表面照射下组织内激光能量的分布,进而采用有限差分方法数值求解Pennes生物传热方程得到了组织内的温度分布。计算结果表明:假设组织热物性为常数,将高估组织的温升;假设激光能量在组织内按指数规律衰减,计算得到的光束范围内的组织温升高于采用MOnteCarlo方法的模拟结果;在功率相同的情况下,光束半径越大,光束范围内组织的温升越小,径向温升区域越大。