蒙特卡洛仿真的加速與電場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。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。因此，研究光與生物組織的相互作用，具有巨大的現(xiàn)實意義。
　　 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)探測系統(tǒng)建模。另一個主要的目的是使用電場型的蒙特卡洛仿真，去研究散射與吸收對活體顯微成像的影響，以幫助人們在顯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，我們將簡要介紹研究光強(qiáng)與場強(qiáng)在生物介質(zhì)中的強(qiáng)度分布的實際意義，并說明蒙特卡洛仿真是研究上述兩個問題的黃金模型，并介紹光強(qiáng)型與電場型蒙特卡洛仿真。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型的蒙

3、特卡洛仿真。
　　 由于蒙特卡洛仿真的計算效率很低，我們在第二章中結(jié)合硬件加速與算法加速提高了蒙特卡洛仿真的計算速度，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/探測系統(tǒng)。在擁有了高速的蒙特卡洛仿真后，動態(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機(jī)。
　　 傳統(tǒng)的蒙特卡洛仿真盡管計算精度高，卻因為計算時間長而被束之高閣。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)對擾動蒙特卡洛仿真的應(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，擾動蒙特卡洛仿真還將用于計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，我們將使用電場型的蒙特卡洛仿真研究聚焦電場在生物介質(zhì)中傳播，研究散射對聚焦光斑的影響。我們還將使用電場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，電場型蒙特卡洛仿真將被用來研究不同波長對生物介質(zhì)的穿透性，并通過模擬結(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)型和電場型蒙特卡洛仿真，判斷無損式探測生物介質(zhì)內(nèi)部的拉曼信號的可行性，并通過混濁樣品和小動物活體實驗證實這個可行性。
　　 最后一章對本論文介紹的工作進(jìn)行了總結(jié)