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新生儿大脑组织光学参数的无损检测

作　者: 赵军
导　师: 丁海曙；周丛乐
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 近红外光谱新生儿大脑光学参数频域
分类号: R318.51
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 216次
引　用: 6次
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内容摘要

大脑的神经细胞活动伴随着脑组织光学特性的变化。因此,大脑组织的光学参数可以为我们提供关于大脑生理学和病理学方面丰富的信息。利用近红外光线对人体组织良好的穿透特性可以实现对大脑组织光学参数的无损检测。最近二十多年来,近红外光谱技术在组织光学领域得到了巨大的发展。但是,到目前为止,人类头部的活体组织光学参数,特别是新生儿大脑的光学参数还没有得到深入研究。本文的工作就是紧密围绕着利用频域近红外光谱系统实现对新生儿大脑组织光学参数的无损检测展开的。频域近红外光谱系统利用一个高频正弦信号对光源进行调制,从而在大脑这类强散射介质中形成一种漫射光子密度波。由于组织对光线的吸收和散射作用,距离光源一定距离处的漫射光子密度波的振幅和相位都发生了变化。通过对光子漫射密度波的理论分析,我们提出如果借助一个光学参数已知的校准模型,就可以利用一对固定距离的光源和检测器实现光学参数的无损检测。这种单间距方法相对于传统的频域多点斜率拟合测量方法更加适合于非均匀介质的检测,同时也解放了探头设计中的形状束缚。这些研究结果对于将来频域近红外漫射光成像系统的研制具有指导性作用。论文中完成了一套可用于新生儿头部光学参数无损测量的便携式频域近红外光谱系统的原型机。我们还研制了具有与人体组织相近的光学特性的标准光学参数模型。包括用于实验室测试的配置灵活的Intralipid-Ink 模型和更加便于临床环境的固体硅树脂模型。我们成功地将这套频域近红外系统应用到了临床环境中。通过对44 例新生儿进行初步研究,首次获得了正常新生儿头部光学参数和生理学参数的分布情况和统计结果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT(英文摘要)  5-10
符号对照表  10-12
第一章引言  12-26
  1.1 近红外光谱窗  12-13
  1.2 组织光学参数的定义  13-14
  1.3 组织光学参数的生理学含义  14-16
  1.4 组织光学参数的测量  16-20
    1.4.1 离体组织光学参数的测量  16-18
    1.4.2 活体组织光学参数的测量  18-20
  1.5 大脑活动的生理学过程  20-21
  1.6 近红外漫射光学的优势  21-22
  1.7 新生儿脑损伤的研究进展  22-24
  1.8 本文的研究内容  24-26
第二章光子在组织中的传输模型  26-39
  2.1 BOLTZMANN 传输方程  26-27
  2.2 传输方程的简化  27-30
  2.3 漫射光子密度波  30-31
  2.4 无限大边界条件  31-32
  2.5 半无限大边界条件  32-38
    2.5.1 折射率匹配情况  32-35
    2.5.2 折射率不匹配情况  35-36
    2.5.3 镜像源方法  36-38
  2.6 本章小结  38-39
第三章光学参数测量与应用  39-47
  3.1 频域测量的基本原理  39-40
  3.2 无限大边界条件下光学参数的测量  40-43
    3.2.1 单间距校准模型方法  41
    3.2.2 多间距斜率拟合方法  41-43
  3.3 半无限大边界条件下光学参数的测量  43-45
    3.3.1 多间距斜率拟合方法  43-44
    3.3.2 单间距标准模型方法  44-45
  3.4 吸收系数的应用  45-46
  3.5 约化散射系数的应用  46
  3.6 本章小结  46-47
第四章频域近红外光谱系统  47-61
  4.1 系统原理框图  47-55
    4.1.1 正交相位解调器  48-49
    4.1.2 光电倍增管(PMT)部分  49-52
    4.1.3 激光管驱动电路部分  52-54
    4.1.4 射频开关  54
    4.1.5 信号采集接口卡  54-55
  4.2 电路部分测试  55-57
  4.3 光具台实验  57-59
  4.4 仪器噪声与漂移测试  59-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章组织光学标准模型  61-70
  5.1 液体模型的制作  61-63
  5.2 液体模型的测试  63-66
  5.3 固体树脂模型的制备  66-67
  5.4 固体树脂模型的测量  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章系统的评估测试  70-80
  6.1 INTRALIPID-INK 液体模型实验  70-72
  6.2 血液模型实验  72-76
  6.3 前臂动脉阻断实验  76-79
  6.4 本章小结  79-80
第七章新生儿头部光学参数的测量  80-87
  7.1 测量方法  80-81
    7.1.1 测试对象  80
    7.1.2 测试过程  80-81
  7.2 测试结果  81-85
    7.2.1 新生儿头部组织光学参数  81-83
    7.2.2 新生儿头部组织生理学参数  83-84
    7.2.3 光学测量的可重复性  84-85
  7.3 几个需要考虑的问题  85-86
  7.4 本章小结  86-87
第八章论文结论  87-90
  8.1 主要研究成果和发现  88
  8.2 未来的课题和方向  88-90
参考文献  90-98
致谢及声明  98-99
附录  99-107
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  107

新生儿大脑组织光学参数的无损检测

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