第34卷第5期光子学报Vo1．34No．52005年5月ACTAPHOTONICASINICAMav2005光源会聚角对生物组织光传输问题的影响冰徐乃洲来建成王春勇李振华贺安之(南京理工大学理学院信息物理与工程系，南京210094)摘要基于漫射理论，建立了可处理任意空间光源照射下生物组织内光传输问题的计算模型，并编制了相应的计算程序．在此基础上，通过大量的数值计算讨论了光源会聚角对组织内光场空间强度分布和组织漫反射场的影响．结果表明：随着光源会聚角的增大，组织内光场分布和组织漫反射的分布趋于集中，当大于一特定角度之后，光场强度的分布区域迅速扩大，强度迅速下降，同时强度出现极大值的位置开始偏离中心位置．关键词会聚光源；计算模型；漫射理论；组织光学中图分类号Q631文献标识码A漫射理论是辐射传输理论的一种近似解，它要求组0引言织的有效散射系数远大于吸收系数，即(1一g)。》光在生物组织内的传输规律是组织光学的基本。，对于一般的生物组织这一条件容易得到保证．问题之一，深入认识光在生物组织内的传输规律是它能够给出点光源照明条件下半无限或层状组织内发展各种疾病的光学无创伤诊断和治疗手段的前提部光场空间分布和漫反射场空间分布的解析形式，和基础．但是，其现有的应用集中于分析点源或无限细光束组织光学的研究者们已经提出了多种近似理论在生物组织内的光传输问题，未见有用于任意分布来处理生物组织内的光传输问题，如MonteCarlo方光源情况的研究报道．法，随机游走理论，路径积分法、离散坐标法以及漫为此，本文在深人剖析现有漫射理论的基础上，射近似理论等等J．这众多的研究主要集中于处建立了一个可用于处理任意空间光源照射条件，生理线光束在生物组织内的传输过程或是垂直照射的物组织内光传输问题的计算模型．基本思路如下：准直光束在生物组织内的传输过程，而未见有对会首先是将任意空间光源抽象成沿不同方向传播的光聚光束照射条件下，生物组织内的光传输问题进行线系，这个过程也就是“先将光源按空间位置离散研究的报道．事实上，在实际的临床应用中，如共焦化成网格微源，然后再根据光源的角分布情况对每扫描成像术或激光手术刀头等均采用会聚光束照射个微源发出的光进行角度离散化，由此得到可较好生物组织，因此研究会聚光在生物组织内的问描述入射光源特征的一个光线系”；然后求解整个题对于优化设计光学成像术与精确确定光学疗法所描述光源特征的光线系在生物组织内的传输情况．需的光辐射剂量有着重要的理论意义．由于漫射方程(即便是辐射传输方程)的线性特征，本文基于漫射近似理论，建立了可处理任意光使得整个光线系综合作用于组织的结果等价于各光源照射下生物组织内光传输问题的计算模型，分析线单独照明生物组织时结果的线性叠加，因此只要了光源会聚角对生物组织内光场分布与组织漫射场求得各光线单独照明时组织内光场的分布情况，即分布的影响．’可得到整个光源照射组织时的光场分布，如图1．对于单一的无限细光束照明生物组织的情况，根据已1理论模型有研究可将其近似看成是组织内部某一位置处一虚组织光学发展了多种处理生物组织光传输问题SpatialtightSOttt'0e的近似理论，这其中数MonteCarlo方法和漫射近似理论的应用最为广泛．目前，对于任意光源照射下生物组织内的光传输问题唯有MonteCarlo模型能够处理，但受到计算量大的限制，即便是对简单情况下的光传输过程进行分析也需在工作站上完成．而‘江苏省高等学校研究生创新计划项目资助Tel：025—84315699Emall：lzhljcfg@mail．njust．edu．ca图1基于漫射近似的计算模型收稿日期：2004—04—05Fig．1Computationa1．modelbasedonthedifuseapproximation678光子学报34卷拟点源照明生物组织的情况，点源在组织内的位置定入射光束的空间强度分布服从高斯分布，光束的可根据光线的入射角和组织的光学特性确定1／e全宽度为2R，透镜距组织样品的高度为h，透镜x：xo+S：3D的焦距为．厂'因此光束的会聚角0=sin(R／f)．为Y=Yo+S3D(1)了进行对照，两种模型对同一参数条件进行计算．取z=+s3D高斯光束的1／e全宽度为0．5cm，透镜距界面的高这里，(，)，，z)为虚拟点源的位置，(，Yo，g0)为无度为0．1cm，组织光学参数如表1．通过计算发现限细光线在组织界面入射点的位置坐标，(s，s，s：)本文所建模型的计算结果与MonteCarlo模拟的结为无限细光线经界面折射后在组织内传播的方向余果吻合较好，其中会聚角为30。和60。时组织漫反射弦，D