蒙特卡洛仿真的加速與電場(chǎng)矢量化及其在生物光學(xué)成像中的應(yīng)用.pdf

1、由于弱光對(duì)生物體的損傷性極小，生物光子學(xué)作為一門光學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。利用光學(xué)技術(shù)，人們可以研究生命的基本元素細(xì)胞的微觀形態(tài)，可以探索生物元素的化學(xué)成分，還可以進(jìn)行疾病檢測(cè)。因此，研究光與生物組織的相互作用，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文將研究蒙特卡洛仿真在生物光子學(xué)中的應(yīng)用，全文的核心內(nèi)容可分為兩部分:光強(qiáng)型的蒙特卡洛仿真和電場(chǎng)型的蒙特卡洛仿真。目的之一是提高光強(qiáng)型的蒙特卡洛仿真的效率，并使用加速后的

2、光強(qiáng)型蒙特卡洛仿真為三種常用的生物光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)建模。另一個(gè)主要的目的是使用電場(chǎng)型的蒙特卡洛仿真，去研究散射與吸收對(duì)活體顯微成像的影響，以幫助人們?cè)陲@微成像中選取合適的光學(xué)參數(shù)。
　　 本論文由六章組成。在第一章中，我們將簡(jiǎn)要介紹研究光強(qiáng)與場(chǎng)強(qiáng)在生物介質(zhì)中的強(qiáng)度分布的實(shí)際意義，并說(shuō)明蒙特卡洛仿真是研究上述兩個(gè)問(wèn)題的黃金模型，并介紹光強(qiáng)型與電場(chǎng)型蒙特卡洛仿真。我們將在第二章中介紹光強(qiáng)型的蒙特卡洛仿真，在第三章與第四章中介紹電場(chǎng)型的蒙

3、特卡洛仿真。
　　 由于蒙特卡洛仿真的計(jì)算效率很低，我們?cè)诘诙轮薪Y(jié)合硬件加速與算法加速提高了蒙特卡洛仿真的計(jì)算速度，并使用高效的蒙特卡洛仿真模擬了三種常用的生物光學(xué)成像/探測(cè)系統(tǒng)。在擁有了高速的蒙特卡洛仿真后，動(dòng)態(tài)精度判斷技術(shù)將有助于判斷蒙特卡洛仿真結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)設(shè)精度，以幫助電腦程序判斷終止仿真的時(shí)機(jī)。
　　 傳統(tǒng)的蒙特卡洛仿真盡管計(jì)算精度高，卻因?yàn)橛?jì)算時(shí)間長(zhǎng)而被束之高閣。在獲得加速的蒙特卡洛仿真的基礎(chǔ)上，我們將在

4、第二章中繼續(xù)對(duì)擾動(dòng)蒙特卡洛仿真的應(yīng)用進(jìn)行拓展，使其可以應(yīng)用于散射系數(shù)大幅度整體變化的生物介質(zhì)中。另外，擾動(dòng)蒙特卡洛仿真還將用于計(jì)算漫射光層析成像中常用到的雅克比矩陣。
　　 光強(qiáng)的蒙特卡洛仿真方法忽略了光的偏振與相位信息。在第三章中，我們將使用電場(chǎng)型的蒙特卡洛仿真研究聚焦電場(chǎng)在生物介質(zhì)中傳播，研究散射對(duì)聚焦光斑的影響。我們還將使用電場(chǎng)型蒙特卡洛仿真模擬矢量光束與STED光束在生物介質(zhì)內(nèi)部的聚焦光斑。
　　 活體顯微成像是

5、生命科學(xué)研究的必備工具。由于生物介質(zhì)對(duì)光的散射和吸收，當(dāng)前常用的光學(xué)活體顯微成像的深度只能達(dá)到1mm左右。在第四章中，電場(chǎng)型蒙特卡洛仿真將被用來(lái)研究不同波長(zhǎng)對(duì)生物介質(zhì)的穿透性，并通過(guò)模擬結(jié)果選取出適合于生物光學(xué)顯微成像的光學(xué)波段。
　　 在第五章中，我們將結(jié)合光強(qiáng)型和電場(chǎng)型蒙特卡洛仿真，判斷無(wú)損式探測(cè)生物介質(zhì)內(nèi)部的拉曼信號(hào)的可行性，并通過(guò)混濁樣品和小動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)可行性。
　　 最后一章對(duì)本論文介紹的工作進(jìn)行了總結(jié)