刘凤琼毕业设计.docx

1、刘凤琼毕业设计四川理工学院毕业设计 组织模型后向偏振散射光谱的数值模拟学 生 刘凤琼 学 号 07021070130 专 业 生物医学工程班 级 2007.1指导老师 杜玲艳四川理工学院自动化与电子信息学院二一一年六月摘要偏振散射光谱术采用了与直接成像完全不同的思路，它是通过测量后向偏振散射光谱来探测细胞形态的变化。我们知道，细胞核尺寸的微小变化即可导致散射光谱的显著差异，肿瘤的形成往往最先反映于上皮细胞核形态学参数的变化，如细胞核尺寸、核浆比、核染色质的增加。采用偏振散射技术测量上皮细胞的后向散射光谱能够达到对人体损伤小，抗干扰能力强，精度高的优点，有效地检测到早期癌症信号，实现癌症的早期治

2、疗，延长患者的生命周期。本文通过对组织模型后向偏振散射差分光谱数值模拟的设计，系统地介绍了后向散射差分光谱的理论基础偏振门技术和米氏散射理论，结合米氏散射理论推导出单次后向偏振散射差分光谱的理论计算公式，建立了组织模型的偏振散射差分光谱理论模型，并利用理论计算公式对平均直径分别为5.0m、9.0m的两种聚乙烯小球悬浮液进行偏振散射光的计算分析，结果与蒙特卡罗模拟进行对比，验证其正确性。在此基础上，进一步研究了粒子平均尺寸、相对折射率的变化对散射差分光谱的影响，结果表明，粒子平均尺寸、相对折射率的微小变化能够导致偏振散射差分光谱的显著差异。关键词：后向偏振散射光谱 组织模型 米氏理论 偏振技术

3、蒙特卡罗模拟 AbstractPolarization scattering spectroscopy and direct imaging using a completely different idea, it is by measuring the polarized backscattering spectroscopy to detect changes in cell morphology. We know that small changes in nuclear size can lead to significant differences in scattering sp

4、ectra, the formation of tumors in the epithelial cells are often the first to reflect the changes in morphological parameters, such as nuclear size, nuclear cytoplasm ratio, nuclear chromatin increased. Measured by scattering polarized epithelial cells can be achieved after the scattering of human d

5、amage, anti-interference ability, high accuracy, effectively detect early cancer signal, early treatment of cancer andprolonglifein patientsBased on the organizational model polarized backscattering numerical simulation of the differential spectrum of design, the system introduced after the differen

6、tial spectrum to the theoretical basis of scattering - polarization gate technology and the Mie scattering theory, derived from Mie scattering theory to the polarization after a single Difference spectra of the scattering formula, established organizational model theory of differential spectrum of p

7、olarization scattering model and the theoretical formula of the average diameters of 5.0m, 9.0m two polyethylene ball suspension for the calculation of polarized light scattering analysis, the results were compared with the Monte Carlo simulation to verify its correctness. On this basis, further stu

8、dy of the grainKey word: Polarized backscattering spectroscopy, Organization Model, Mie theory , Monte Carlo simulation Polarization technique摘要 Abstact1 绪论1.1 课题研究的历史背景及意义1.2 国内外研究现状1.3 本设计的结构特征2 偏振散射光的理论基础2.1 偏振门技术2.2 球形粒子散射理论2.3 偏振光2.4 本章小结3组织模型后向偏振散射光的数值模拟3.1偏振光散射的蒙特卡罗模拟3.2蒙特卡罗模拟正确性的验证3.3本章小结4 组

9、织模型后向偏振散射光的测量4.1 粒子平均尺寸的变化对后向偏振散射光谱产生的影响4.2 粒子群相对折射率的变化对后向偏振散射差分光谱的影响4.3 本章小结5 总结和展望5.1 总结5.2 展望致谢参考文献1 绪论1.1课题研究的历史背景及意义随着经济快速发展，地球的生态环境遭到了严重的破坏，同时也导致饮用水和食品的污染。人类的生存和生活质量受到了极大的威胁，患癌症的人越来越多，据世界卫生组织(WHO)统计,每年世界上有1000万人患上癌症,而死于癌症的人数约6万,占全球死亡人数的12%。从我国来看，去年癌症新增病例人数约为139万，占世界癌症发病总数的17%，基本接近1/5。今后数年将会是癌症

10、的高发年份，很多人发现肿瘤和癌症时已经到了晚期。常规的光谱技术很难分辩出癌变过程中不同时期的癌细胞，同时存在许多缺陷，利用组织模型后向偏振光技术准确、经济、安全地检测出细胞早期癌变，即时给予适当的治疗，挽救癌症患者的生命，就成为当今世界医学研究领域一个极其重要的课题。癌症患者的存活期直接依赖于诊断时的病情，若能检测到这些癌症的早期信号并加以治疗，大部分患者可以痊愈。生物活体组织内的细胞结构特性是生物医学领域的一个重要问题。生物细胞的大量信息可以用来研究生物系统的生理过程，监视癌症或癌症早期细胞的形态和生理参数变化，细胞形态学的变化概括了整个肿瘤的形成过程，病理学研究表明超过85%的癌症源于上皮

11、组织【1】，早期肿瘤细胞的显著特征表现为上皮层内细胞核尺寸、核浆比、核染色质的增加，有效地检测到这些信号对于癌症的治疗具有显著的意义。到目前为止，我们要想在临床上检测这些信号并加以处理，只能依靠病理切片、细胞涂片等组织活检手段，即从被检测部位取下一小片组织（根据不同情况可采用钳取、切除或穿刺吸取等方法）或手术切除标本制成病理切片，用光学或电子显微镜观察细胞和组织的形态结构变化，以确定病变性质，作出病理分析和诊断。这种侵入式的随机活检给患者带来很大的精神上的痛苦，且需要花费一定的诊断时间，得出的结论受医务分析人员的经验、外界干扰等主客观因素的影响，且只能粗略检测到局部范围，要想准确测定出癌变区域

12、就显得更加困难。鉴于侵入式检测方法的各种缺陷，研究人员提出的电子计算机断层扫描（CT）、X射线（X-ray）常规透视、拍片、造影、体层检查、ECT、核磁共振（MRI）；超声成像（US）、核医学检查等影像法则采用非侵入式方法来进行检测，这些常用的成像技术能够为临床诊断和治疗提供有效的生理参数和信息，不过它们在整体上都存在一定的局限【2】：X射线、CT成像在工作过程中会发射各种射线，产生电离辐射，会对人体健康产生损伤；磁共振成像激励源为短波或超短波段的电磁波，波长在1米以上(小于300MHz)，无电离辐射损伤，分辨率能够达到亚毫米【3】，能够灵敏地分辨出正常组织和异常组织，但其成像速度慢、对钙化灶

13、和骨皮质病灶不够敏感、图像易受多种伪影影响以及成本高、价格昂贵而限制了它的应用；超声成像分辨率较低、不能提供组织的各种有效信息，因而不能应用于早期癌症的检测。滴血芯片检测技术抽取0.5毫升血液，通过“多肿瘤标志物蛋白芯片检测系统”的血液检测，在一天之内知道自己是否患有肿瘤，芯片检测还有目前蛋白芯片检测系统通过同时检测AFP、铁蛋白、C125等几项指标来定位，检测准确率自然大大提高。但是，这项技术还只是肿瘤的辅助诊断，不是最后确诊，只能作为参考。这些技术检测肿瘤只能定位于某一系统，而不能确定于具体脏器，最后确诊还要借助其他的肿瘤检测手段；基因检测是用PCR技术(一种新型快速诊断技术)，将受检者的

14、DNA片段放大，以便清晰检测，被称做“检测癌基因的最有效方法，这一检测手段技术含量很高，需要同等技术水平的专业人员进行操作；纳米检测通过纳米携带癌症检测的试剂进入人体，检测出人体内是否已经产生了癌细胞。然而到目前为止，这种技术还仅仅用于实验室，而未用于临床，世界的科学家正在努力将此技术应用于医学临床。生物组织属于高散射介质，当光束入射到组织，由于其散射系数远大于吸收系数，一部分光将被吸收，而大部分将被散射。光的散射服从统计规律，经过组织的吸收和散射，入射光的特性(光强度、相干性、偏振性、方向性等)都会发生改变，其改变的程度取决于生物组织的结构、物理化学及生物特性和入射光波波长等因素。换句话说，

15、散射介质是一种能对偏振光进行“转换”的偏振器件。在这种转换中涉及到退偏，偏振状态的非纯态描述等。根据散射理论，穿透生物组织的光有三种: 弹道光子、 蛇行光子、 漫射光子。背向散射光也由三部分构成: 单次背向散射光，与弹道光相似; 几经散射的背向散射光，和蛇行光相似; 以及背向漫射光，和透过漫射光相似。生物光学检测方法在生物组织光学成像技术诊断中具有重大应用价值，它是通过测量生物目标物的反射光和光谱等信号来获得生物组织相关的形态参数和信息，由于其具有完全非侵入性、无损性、无电离辐射、灵敏度高、实时的探测和成像，以及能够显示组织的各种化学成分，提供有用的功能信息等优点得以广泛研究应用于早期癌症的检

16、测。如光学弱相干层析成像OCT（Optical CoherenceTomography ）、内窥式共焦显微术、偏振散射光谱术PLSS （ Polarized Light Scattering Spectroscopy）、荧光光谱、拉曼光谱。OCT成像技术以其成像快速、非侵入、分辨率高等优良特性对生物组织研究及临床应用均具有重要价值而快速发展。它是利用宽带光源的短程相干特性对活体组织内部结构断层成像，并结合了各种门技术。到目前其可探测深度由几个毫米到厘米量级，空间分辨率达到2-20mm。基于原有OCT成像原理，现已开发出反映组织不同特征信息的多种成像模式。但受到成像原理本身的限制，目前尚存在很多

17、缺点，如难以提供组织细胞的横向分辨率。内窥式共焦显微术是将共焦显微术和光纤技术结合起来的新技术,既具有共焦显微术的独特优点:高分辨率和三维成像;又能对体内器官组织进行在体成像。然而其视场狭窄且分辨率会受光纤尺寸的影响，难以准确反映出早期肿瘤细胞的形态学生理参数变化，因而限制了它在临床上的应用。因光波波长在散射介质中传播时发生变化，以荧光成像为主的新的成像技术相继发展起来。当激励光子发生非弹性散射时，就会产生荧光、磷光及Raman散射等。荧光的光谱分布、量子产率、荧光寿命等可以用作产生成像对比度的物理参量。利用荧光光谱的成像有单光子、双光子和多光子荧光显微成像。基于激发荧光信号与自发荧光信号在光

18、谱段的重叠，为了减少自发荧光的干扰，有研究者利用时间门和荧光光谱成像结合起来。利用荧光的时间特性或荧光寿命进行成像是荧光成像的另一个方向，是一种功能成像方法，在医学成像中发挥很大作用。前述的各种成像方法均可以用于荧光成像，如演变为荧光DPDW、时间分辨的荧光成像等，但需要加光谱分辨装置选取合适的光谱范围。按照光子成像的不同，光学医学成像方法可分为两大类：直接成像法和间接成像法。直接成像法利用各种门技术，如空间门【4-5】、时间门【6-7】、相干门【8-11】、偏振门【12-31】等，从“杂乱无章”的光子中提取出所需要的能直接成像的光子进行成像；间接成像法利用所有的散射光子，通过合适的数学模型和

19、算法得知物体的位置和性质，逆向求解问题。(1)空间门是通过对组织表面的溢出光子进行空间滤波实现的。应用准直探测的空间门技术空间分辨率很差，尽管采用尽可能大的辐照剂量及尽可能灵敏的探测器，对于人体软组织可探测的极限深度也仅有几毫米; 应用该法对乳腺组织成像的尝试即是一例。(2)偏振门利用线偏振光在散射介质中传播时偏振度会减小的特性，弹道光子的偏振度为1，而漫射光子的偏振度为0。(3)超快快门又称为时间门技术，依据光子经过散射介质后到达探测器的时间不同而加以区分。可将其理解为一个快门，开启时间很短，只有几个皮秒(10-12s)，让早到达的光子通过之后关闭，滞后的漫射光子不能通过。可以利用非线性光学

20、现象的快门进行取样，取样的过程是对通过的强度进行调制，或对感兴趣的信号进行非线性放大，或对不要的光进行衰减。由于有限的动态范围和有限数量的被检测光子，该种技术穿透深度不超过几个毫米。基于这种原理的时间门有: 光学Kerr门(Optical Kerr Gate，OKG); Raman放大器(Raman Amplifier，RA); 二次谐波产生(Second Harmonic Generation，SHG); 光学参量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA)等等。(4)相干门利用漫射光子相干性的“破坏”分离出成像光子，并使其与原入射光分出来的参考光相互干涉进行成

21、像。相干门技术亦有许多种，如全息门法，光学相干层析成像法等。PLSS采用了与直接成像完全不同的思路，它是通过测量后向散射偏振光谱来反应有关细胞形态变化的信息。我们知道，细胞核尺寸的微小变化即可导致散射光谱的显著差异。有研究表明，超过85%以上的癌症源于上皮组织，光在组织细胞中穿透深度远远超过细胞层的厚度，来自于上皮组织细胞的后向散射光通常会被下层组织的漫反射背景光遮盖，所得的光谱为散射光和背景光的混合光，因此，为了有效地探测到上皮组织细胞的信息，敏感而准确地检测到细胞癌变的信号，LSS引入偏振门技术来屏蔽来自深层组织的多次散射背景光，通过测量差分光谱获取浅表层组织细胞的信息，来进行癌症早期的诊

22、断。由于LSS采用光谱而不是光强作为探测量，测量精度可以轻易突破衍射限，不受光纤尺寸的限制，能够更有效地发现早期肿瘤细胞的形态学变化，从而有利于癌症的早期检测和治疗。1.2 国内外研究现状偏振光源与介质相互作用以后的散射光会带有其自身的特性所决定的偏振信息，有别于通常测量得到的光强、光谱、相位等信息，并且偏振光在散射介质中的传输也是有规律可循的，研究表明对偏振信息的利用是可行且有效的。在大气光学、海洋光学中，人们早就开始了对混浊介质中偏振光的散射现象研究，并取得了一系列的成果，如大气激光雷达系统通过分析云层散射光的偏振特性能遥感大气中各种气溶胶的存在；根据介质散射和目标反射光的不同偏振特性可利

23、用偏振技术排除粒子散射光的干扰从而提高水下图像的清晰度；在工业上用于测量样品的应力分布，胶溶液和气悬浮液的密度、其微粒尺度的分布；在气象方面用于研究云、雾、雨的特性；在环境保护方面可用于测污；在天文方面可用于研究大气和宇宙尘块；在摄影镜头前加上偏振镜消除反光；摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗等。从 V.Backman, et al(1999)12提出LSS并应用于癌症早期诊断研究开始，LSS已引起了广泛关注，近两年国际上很多领域内知名的研究小组纷纷加入到这一课题的相关研究中来，进一步进行成像机理、技术改进以及临床应用方面的研究，并取得了相当显著的进展。Backman12通过测量上皮组织的后向偏振

24、散射差分光谱，分离背景噪声从而有效提取了上皮细胞的单次散射光信号，结果显示了偏振散射差分光谱对上皮组织光学特性参数的敏感性，对测量的差分光谱进行傅立叶分析，获得了正常的和癌变的结肠细胞核的尺寸分布、粒子数密度以及相对折射率，还找到了一种在每个象素点同时获得显微成象和散射光谱的方法13.17。Kim14和Roy15等人也指出，对光谱、散射角和的方位特性的分析，潜在地能探测上皮组织内早期肿瘤的变化【16-17.15-16】。Jacques【18-19.23-24】等人已通过测量返回光的偏振度，完成了生物的表皮或近表皮组织的成像。Mourant和Johnso【20-21】n等人则在测量中采用基于光纤

25、式探头设计，能更好地获得表层组织的形态信息，并提出偏振的后向散射光的光谱和角度分布对于组织模型和生物组织内的散射体的尺寸都是敏感的。S.A.kartazayeva22等人还利用圆偏振光和线偏振光对混浊介质中的目标物进行成像，研究表明，利用偏振光对目标物进行成像的过程中，入射光和探测光偏振状态的选择应能展现介质和目标物的散射光的最大区别，针对不同性质的介质及目标物，应选择不同偏振状态的入射光和探测光，并证明了对混浊介质内的大粒子成像，利用圆偏振光成像比线偏振光更具优越性。赵庆亮等对偏振反射谱的原理和测量方法进行了研究说明，并通过偏振光散射光谱技术来得到上皮层内组织核大小及折射率变化，从基底组织的

26、活细胞中提取细胞核中DNA 的数量和蛋白质形态学信息，并对偏振光谱技术在生物医学光子学中所采用的手段及其分析结果加以评述，证明了其应用于组织医学诊断的重要作用和意义。L . T. Perelman23 通过对人的正常和发育异常的结肠、食管上皮组织的后向散射光谱进行傅里叶变换,获得了每平方毫米面积内单位微米间隔内细胞核的数量。鞠栅等24-25.29-30等利用蒙特卡罗模拟方法对偏振散射光谱术的关键问题探测深度进行了探讨，结果表明，对于各向异性因子g 较大（g0.95）的生物上皮组织，增加入射角能够有效地减小平均探测深度。 邓勇等【26-28.26-28】从组织的结构特征出发，在米氏散射理论的基础

27、上建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型，并利用傅里叶分析法计算分析了粒子的形态学参量变化时的单次散射光谱的特征。Alfano29.22利用偏振门技术去掉来自浅表层组织的散射光，测量散射光中与入射光偏振方向相垂直的分量，即探测来自深层组织的多次散射光，从而完成对深层组织的成像。有些研究小组【30-36.39-45】通过蒙特卡罗的方法来模拟偏振散射光在散射介质中的传播，采用斯托克斯米勒矩阵形式，来追迹每个光子偏振态在传输过程中的改变，并根据米氏散射理论来完成每次散射之间的矩阵转换和散射角的取样。1.3 本设计的结构特征本文系统地介绍了组织模型后向偏振散射光谱的理论基础米氏散射理论和偏振门

28、技术，推导出单次后向偏振散射差分光谱术的理论计算公式，并利用此公式对平均直径分别为5.0m、9.0m的两种聚乙烯小球悬浮液进行偏振散射光的分析，结果与蒙特卡罗模拟进行对比，验证其正确性。在此基础上，初步研究了粒子平均尺寸、相对折射率的变化对散射差分光谱的影响，结果表明，粒子平均尺寸的微小变化能够导致偏振散射差分光谱的显著差异，这对于早期癌症的检测，提高癌症治愈率具有潜在的应用价值。第一章 绪论 本章重点介绍了课题研究的历史背景及意义，连同国内外研究现状与其他检测技术进行对比，证明了偏振散射技术应用于生物医学领域的优越性，以及它在早期肿瘤细胞检测中的意义，并概述了本文的结构内容。第二章 详细阐述

29、组织模型后向偏振光的理论基础偏振门技术和米氏散射理论，进一步介绍了球形粒子散射理论，并用米氏理论的解析解来进行分析，描述偏振光的斯托克斯矢量和光与组织模型相互作用导致偏振特性改变的米勒矩阵以及反映组织退偏性的偏振度。第三章 本章重点阐述了组织模型的蒙特卡罗模拟方法，并推导了单次偏振散射差分光的理论计算公式，它是跟散射振幅和散射角相关的函数关系式，同时随入射光的波长、粒子直径、相对折射率的变化而变化。第四章 本章对平均直径分别为5.0um、9.0um的粒子群进行理论计算，并通过改变介质的折射率来反映偏振散射光谱对它的敏感性，得出相应的结论。第五章 对全文进行总结和概括。2 偏振散射光的理论基础偏

30、振散射光谱术是一种新型的早期癌症无损光学检测技术，它是一种基于米氏散射理论和偏振门技术的光谱测量方法。能对生物组织的微观结构进行快捷而准确的探测，其探测前提是偏振光与生物组织产生相互作用并发生散射，由于生物组织的等效粒子粒度大小在可见光区远远大于其波长，而对于不规则的粒子，只要其粒度远大于波长，那么其散射光强的分布在整体上就与具有相同散射截面的球形粒子相同，因此，我们能够用米氏散射理论来对生物组织（混浊介质）粒径范围内的散射光强进行计算与分析【37】。2.1 偏振门技术偏振门技术是利用线偏振的入射光束经过散射介质后就变成椭圆偏振光束的特性进行光子选通，弹道光子和蛇形光子比漫射光子保留更多的初始

31、偏振特性。如果让线偏振光入射到生物组织等混浊介质上，出射光通过另一检偏器来进行检测，让探测部分偏振片的偏振方向与入射部分偏振片的偏振方向成不同的夹角，如0和90，就可以实现偏振门技术。 弹道光子的偏振度接近1，主要来自于经上层组织散射的单次散射光信号，仍然保持其偏振性，散射后平行于散射平面的光强与垂直于散射平面的光有： （1）而漫射光子的偏振度接近0，主要由于光经过下层组织发生多次散射，失去了原来的偏振性，散射后平行于散射平面的光强与垂直于散射平面的光强为： （2）让检偏器的偏振方向与起偏振器的偏振方向分别成0和90，探测到的差分光强： （3）由此，偏振门技术可以用来从透射光中选取携带图像信息

32、的弹道光子和蛇形光子。2.2 球形粒子散射理论米氏（Mie）散射理论是从 Maxwell 方程组出发，加上适当的边界条件，解出了任意直径，任意分布的均匀球型粒子散射光的解析解 38 ，由德国科学家Gustav Mie在1908 年得出，目前各种光散射测粒技术的基本原理主要是基于米氏散射理论及其近似结论。对于一束波数为k 的平面波被直径为d，相对折射率为m 的球形粒子散射，米氏理论为之给出了精确的解析表达式。为了满足米氏散射理论38的要求，现在我们把样品看作是一个悬浮着很多小球的均匀介质。这种物理模型与大多数悬浊液以及实验中经常采用的聚乙烯小球悬浮液等高散射介质完全一致，该假设被证明适用于生物组织中。 图2.1 散射前后局部坐标系Fig.2.1 Local coordinate system for light before and after scattered入射光与散射光坐标系之间的关系如图2-1 所示。一束沿方向传播的波长为波数为k）平面电磁波，被球形粒子散射