斜入射光束在生物组织中传输的数值模拟(2)

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1 引言

随着人类社会的不断发展以及生活水平的日益提高，人们越来越热衷探求生命的奥秘，越来越重视自身的健康状况。在众多科学工作者不懈的研究和探索下，逐步建立了生命科学这门和人体本身紧密相关的学科。与此同时，越来越多的学科尝试和生命科学相结合：例如，光子学在生物学和医学领域的应用日益广泛，它不断与生命科学相互渗透，出现了许多新兴交叉学科。运用光子学原理及技术对生物组织进行探索，研究光能量在组织体中传输分布的规律，为疾病的诊疗提供了新方法，为生物学的研究提供新手段，对人类的健康和社会的发展都具有重大意义，目前此领域的研究工作十分活跃，前景繁荣。论文网

1．1 课题研究背景及意义

随着光子学说的创立及上世纪60年代激光的出现，作为一个用光子学的方法研究生命科学的新兴学科——生物医学光子学蓬勃发展起来。生物医学光子学中的医学光子学方向，主要对组织光学、医学成像术和医学光谱学进行研究，对用光学手段诊疗疾病的机理进行研究，研究对象是生物组织，特别是活体生物组织。医学应用中的迫切的需求是推动医学光子学发展的不竭动力，许多新手段新技术需要医学光子学从理论上做出满意解释，如光治疗中各种参量的选择问题：“激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治疗肿瘤等，需要预先确定光剂量，即合理确定照射光源的几何形状、光束功率、照射时间、焦点深度、周围组织的光学性质和形状，以及组织内部各部分光能流率的分布等”[1]。而解答这些问题的途径就是对光在生物组织中的传输理论，光和组织作用的算机数值模拟，组织光学特性参数的测量等方面进行不断研究，所以讨论光在生物组织中传输和分布所具有的特殊规律，并从中提取出组织内部的相应信息，是当前组织光学研究领域中的热点研究之一。光在生物组织中传输的过程极其复杂，光子在其中既被散射又被吸收，生物组织是混浊介质，非均匀分布，在不同部位发生的散射和吸收各不相同，且生物组织拥有多样性，组织的特性参数还会随着生物的生理状态不同而有所改变，所以如何应用光子学，如何从复杂的生物组织中获得准确可靠的特性参数来指导医学诊疗，还有许多困难需要不断的研究解决。从激光诊疗的角度看，激光只有穿过皮肤和肌肉才能与皮下组织和器官发生作用，无论是正常组织还是病变组织都会因吸收激光的能量而升温，温度高达55°以上时，蛋白质和胶原蛋白会发生变性，很短的时间内便失去生理活性，给生物体造成严重损伤，且这种损伤是不可逆转的。因此，研究光在生物组织中传输的能量分布规律，使其为激光手术或激光诊断等提供可靠的参数，可让医学诊疗更为安全，为治疗疾病增添更多把握提供更多帮助。

光在生物组织中的传输行为一般采用传输理论来解释，传输理论中认为光的传播是由于单个光子在组织内部发生吸收或发生弹性散射这类情况造成的，它不考虑光子的波动性和偏振效应，只保留其粒子性。这种理论在组织光学的研究中应用的十分普遍，无论是做理论分析、数学模拟还是试验验证都常用到。与此同时，光子传输行为的描述可以转换为组织的光学特性参数来体现，这些特性参数能定量的反映出组织的光学效应，是激光诊断、激光手术、光剂量学等理论研究的基础，也是进行临床实践的重要依据。目前，测量生物组织中的光学特性参数有多种方法，但若要应用于医疗，便要求在活体上实现无损伤检测，所以寻找一种对活体无创伤的测量方法尤为重要。光在生物组织中的传输模型就是实现生物组织光学特性参数无损伤检测的理论依据。光入射进生物组织后不断的发生散射和吸收，由于散射，将有一部分光从组织表面逸出。当入射光一定时，组织内部的吸收系数（）和散射系数（）便决定了组织表面出射光的分布情况，因此，我们只需观察组织表面出射光的分布，便可逐一对应出组织内部的光学特性参数，进而得到组织内部包含的光学信息。也就是说有了组织表面的出射光分布，再和相应的理论模型相对应，便可计算出组织内部的光学特性[2]。多年以来，在生物组织光学的研究中，为模拟光在生物组织中的传输及分布的情况已先后建立了各种模型，也给出了在不同模型下对组织光学特性参数如何测量以及测量得到的结果。但各种模型都有自己的缺点和局限，要想进一步提高可靠性和准确性还需不断的改进和完善。而且绝大多数模型建立的都是光束垂直入射进组织的情形，倾斜入射方面的研究还比较少，所以本文主要研究倾斜入射模型下的光传输的数值模拟。