扩散散斑衬比定量模型及其多参数反演

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扩散散斑衬比分析(DSCA)结合激光散斑衬比成像(LSCI)技术和扩散相关谱(DCS)技术两者的优势能够实现深层组织的全场成像,DSCA因具有简单、全场、高时空分辨率等优势在生物组织血流监测中具有重大发展前景。但由于缺乏有效描述扩散散斑衬比度与血液流速信息之间关系的解析解,在前人的研究中,不能从散斑衬比度测量值中定量获得血液流动信息,也不能研究组织的光学参数对血液流动信息测量的影响。针对上述问题,本文从理论分析、数值计算和实验三个方面研究了用于定量测量血液流动信息的DSCA模型及其用于血流状态监测的多参数反演问题。  针对DSCA缺乏扩散散斑衬比解析解的问题,基于相关扩散方程,得到了有限厚平板介质和半无限大均匀介质中不同散射粒子运动模型(布朗运动和定向运动)的扩散散斑衬比度表达式。利用预先测定的光学参数(吸收系数μa和约化散射系数μs)和常量因子β等参数,基于散斑衬比度与曝光时间或光源-探测器距离的函数关系,通过反演优化算法得到了组织介质内部的运动参数αDB=2.14×10-8cm2/s,与基于动态光散射技术的测量结果DB-Einstein=2.04×10-8cm2/s吻合较好。  基于扩散散斑衬比度模型,采用理论推导的方法,得到了扩散散斑线性近似方程。线性近似方程中斜率kslope与运动参数αDB之间存在正比关系,利用预先测定的μa、μs和β等参数,从kslope中定量得到了运动参数αDB=2.12×10-8cm2/s;从理论和数值计算两方面证明了kslope等于DCS中电场自相关函数相关时间的倒数1/τc,进而利用这种等效性在理论上得到了组织光学参数μa和μs对测量运动参数αDB的影响,理论和实验结果吻合较好。  针对DSCA实现多参数(μa、μs、αDB和β)重建的问题,提出了多距离多曝光DSCA(MDME-DSCA)模型,MDME-DSCA可以去除多个参数之间强烈的“串扰(Cross-talk)”关系,减小了参数解存在的空间,在数值计算和实验实现了多参数(μa、μs、αDB和β)重建。分析比较了MDME-DSCA中多个参数的灵敏度,发现了约化散射系数μs对散斑衬比度的影响最为显著,而吸收系数μa的灵敏度要远小于μs和αDB,导致μa的测量结果具有较大的相对误差。  本文的研究结果为监测各种病理状态下组织体内部的血流状态提供了一种理论根据。
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