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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃敏菁
研究生(外文):MIN-JING HUANG
論文名稱:以近紅外光動態傳播影像分析生物組織特性
論文名稱(外文):Tissue Characterization by the Dynamic Propagation of Near-Infrared
指導教授:蔡正倫蔡正倫引用關係
指導教授(外文):Cheng-Lun Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:可見度光斑點對比低同調光干涉儀光傳播
外文關鍵詞:Speckle contrLow coherence interferometerVisibility
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光在散射物質內的遷移是決定生醫光學應用的基本現象之一,對其發生過程的了解越多,就越知道如何操控以便獲得較好測量結果,而研究光遷移過程的方法之ㄧ就是直接觀察光的動態擴散傳播現象。
在此研究中建立了一套小型化的低同調光干涉儀用來從介質側面觀察光子的擴散傳播,實驗所使用的光源有655nm 以及780nm兩種波長。所擷取的影像也分別使用了光斑點對比以及可見度兩種影像處理方式來做處理,而可見度影像的訊號強度比斑點對比的訊號約大了一倍,而此訊號的產生來源主要是光斑隨著時間而晃動,產生了亮度改變。經過空間濾波平滑化之後的影像,可更明顯看出光在動態擴散時的分布輪廓,而光分布影像的亮度截面也提供了用以研究光隨著時間經過而散射的重要資訊。
光動態擴散量測明確顯示了紅光比近紅外光在塑膠以及生物組織內都有較強的散射特性,與蒙地卡羅模擬(Monte Carlo Simulation)之結果比較,找出各樣本之光學參數。
Photon migration in scattering media is one of the basic phenomena that determine the applications of biomedical optics. The more we understand its process, the better we can manipulate it to obtain better measurement. One way to study the photon migration process is to direct observe the dynamic diffusive propagation of light.
In this study, a compact low coherence time-gating interferometer was set up to observe the lateral image of photon diffusive propagation. Both 650nm and 780nm light sources were used in this study. The interference images were processed by using speckle contrast and visibility methods to acquire the photon distribution within a specific time period. The results show that the intensity of visibility is about twice the magnitude of speckle contrast. The variation of speckle intensity in time is the major source of signal. The filtered speckle contrast images provide smoother profile of diffusing light distribution. The cross-section of light distribution image also showed useful information for studying the time-resolved behavior of light scattering.
The dynamic propagation measurement clearly showed that opaque plastic and biological tissues all have stronger scattering property for red light near infrared. The Monte Carlo simulation also showed results similar to the measurements.
目錄
摘要……………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………II
謝誌……………………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………………………IV
圖索引…………………………………………………………………………VI
表索引…………………………………………………………………………IX
第一章 緒論
1.1 研究動機…………………………………………………………………1
1.2 研究目的…………………………………………………………………3
第二章 背景原理
2.1 光的同調性………………………………………………………………4
2.2 光的干涉現象……………………………………………………………5
2.3 背景………………………………………………………………………8
2.4 國內外相關研究…………………………………………………………9
2.5 動態擴散系統原理………………………………………………………12
第三章 材料與方法
3.1 低同調光干涉影像系統…………………………………………………13
3.2 實驗樣本材料……………………………………………………………17
3.3 低同調干涉光斑的影像處理……………………………………………18
3.3.1 時間斑點對比…………………………………………………………18
3.3.2 可見度(Visibility)…………………………………………………20
3.4 影像亮度呈現方式………………………………………………………22
3.5 蒙地卡羅模擬……………………………………………………………26
第四章 結果與討論
4.1 斑點對比與可見度的比較………………………………………………27
4.2 光動態擴散影像的不同呈現法…………………………………………30
4.3 不同樣本中近紅外光與紅光的動態擴散………………………………34
4.3.1 高密度聚乙烯(HDPE)…………………………………………………34
4.3.2 矽膠(Silicon Rubber)………………………………………………34
4.3.3 鐵弗龍(Teflon)………………………………………………………34
4.3.4 雞胸肉…………………………………………………………………35
4.3.5 猪皮下脂肪組織………………………………………………………35
4.3.6 猪真皮組織……………………………………………………………35
4.3.7 猪後腿肉………………………………………………………………35
4.4 蒙地卡羅模擬光子動態分佈與靜態分佈之比較………………………51
4.5 模擬光學參數在模型中所代表的意義…………………………………54
4.5.1 吸收係數的意義………………………………………………………54
4.5.2 散射係數的意義………………………………………………………55
4.5.3 非均向係數的意義……………………………………………………56
第五章結論與未來展望………………………………………………………57
第六章 參考文獻 ……………………………………………………………59
圖索引
圖2.1 麥克森干涉儀 (Michelson Interferometer)………………………6
圖2.2 以麥克森干涉儀產生之干涉條紋……….……………………....6
圖2.3干涉條紋中心點亮度截面圖…………………………….……….7
圖2.4 置入阻礙物之光斑點散射影像……………….……………..…10
圖2.5 光子散射蒙地卡羅模擬與光擴散模型之比較………..……….11
圖2.6 動態擴散Mach-Zender 干涉儀……………………..…………12
圖3.1 低同調干涉系統架構圖……………………...............................15
圖3.2 655 nm紅光光源光譜……………………………….……..….16
圖3.3 780 nm近紅外光源光譜………………………………....……16
圖3.4 時間斑點對比影像處理流程…………………….……….…….21
圖3.5 以可見度影像處理法之二維影像…………………….…..…..23
圖3.6 以灰階等高線分佈之上視圖呈現光斑點擴散影像…….……..23
圖3.7 以彩色等高線分佈之上視圖呈現光斑點擴散影像……….…..24
圖3.8 以三度空間呈現光斑點在空間中強度衰弱之影像….………..24
圖3.9光斑點影像經低通濾波後的中心亮度截面圖……….…….…..25
圖3.10 蒙地卡羅光分佈模型示意圖…………………………...……..26
圖4.1 (a)時間斑點對比影像 (b)可見度影像………….……………....28
圖4.2截取影像a~c三條截面圖及A~D四個不同點亮度作分析…..28
圖4.3 經斑點對比處理以及低通濾波器平滑處理後,通過a、b、c三
條線的光干涉程度曲線………………………………………..29
圖4.4 經可見度處理以及低通濾波器平滑處理後,通過a、b、c三條
線的光干涉程度曲線…………………………………………..29
圖4.5 光斑對比影像中心線截面在濾波平滑化前後的比較………..31
圖4.6 二維灰階強度(左)、強度等高線圖(中)、與三維空間曲面圖(右)等不同光動態擴散量測結果的呈現方法……………………..32
圖4.7 相對強度隨時間變化的關係圖………………………………..33
圖4.8 HDPE的光動態擴散影像(A)780 nm從0 ps到5 ps (B)655 nm從0 ps到4ps………………………………….………..….……..37
圖4.9 HDPE的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm…..….…..38
圖4.10 矽膠的光動態擴散影像(A與B) 780 nm從0 ps到4 ps,(C與D) 655 nm從0 ps到4 ps……………………..……….………39
圖4.11 矽膠的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm…….……40
圖4.12 鐵弗龍的光動態擴散影像(A)780 nm從0 ps到4 ps,(B) 655 nm從0 ps到2 ps……………………………………..…..……41
圖4.13 鐵弗龍的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm.………42
圖4.14 雞胸肉的光動態擴散影像(A) 780 nm從0 ps到12 ps (B) 655
nm從0 ps到5 ps………………………….…………….….…43
圖4.15雞胸肉的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm……..…44
圖4.16 猪皮下脂肪的光動態擴散影像(A與B) 780 nm從0 ps到10 ps,(C與D) 655 nm從0 ps到4 ps………….………...……45
圖4.17 猪皮下脂肪的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm….46
圖4.18猪真皮組織的光動態擴散影像 (A與B) 780 nm從0 ps 到8 ps,(C與D) 655 nm從0 ps 到3 ps………….………….….47
圖4.19 猪真皮組織的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm.…48
圖4.20猪後腿肉的光動態擴散影像 (A與B) 780 nm從0 ps 到10 ps,(C與D) 655 nm從0 ps 到4 ps………….………….….49
圖4.21 猪後腿肉的光擴散影像截面圖 (A) 780 nm (B) 655 nm….…50
圖4.22 模擬光子的擴散型態 (A) 動態影像………………….….….52
圖4.22 模擬光子的擴散型態 (B) 靜態影像……………………..….53
圖4.23 改變吸收係數,模擬光子隨時間變化之動態擴散影像….…54
圖4.24 改變散射係數,模擬光子隨時間變化之動態擴散影像…….55
圖4.25 改變非均向係數,模擬光子隨時間變化之動態擴散影像….56
表索引
表3.1 紅光與近紅外光光源規格………….………….……………….13
1. D. A. Boas, J. P. Culver, J. J. Stott, A. K. Dunn, “Three dimensional
Monte Carlo code for photon migration through complex heterogeneous media
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A nonscanning, full-field technique for monitoring capillary blood flow,”
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3. J. David Briers, School of Applied Physics, Kingston University, “Laser
Doppler and time-varying speckle: a reconciliation,” Opt. Soc. Am. A Vol.
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5. G. Häusler, J. M. Herrmann, R. Kummer, and M. W. Lindner,“Observation of
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Let. Vol. 21, No. 14, 1996
6. T. Kubota, and Y. Awatsuji, “Observation of light propagation by
holography with a picosecond pulsed laser,” Optics Letters, Vol. 27(10),
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7. Eiji Okada and David T. Delpy “Near-infrared light propagation in an adult
head model. I. Modeling of low-level scattering in the cerebrospinal fluid
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8. Eiji Okada, Michael Firbank, Martin Schweiger “Theoretical and
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the adult head,” APP OPT. Vol. 36, No. 1, 1997
9. António Pereira, Flávio Ferreira, and Michael Belsley “Using light
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12. C. A. Thompson, K. J. Webb, A. M. Weiner, ”Imaging in scattering media by
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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