本文關鍵詞：基于OCT的鮮紅斑痣特征參數(shù)研究及其在數(shù)學仿真中的應用

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【摘要】：鮮紅斑痣(port wine stain,PWS)是由皮膚真皮淺層毛細血管擴張畸形造成的異常紅斑。血管靶向光動力療法(vascular-targeted photodynamic therapy,V-PDT)是目前治療PWS最為有效的方法。V-PDT涉及光、光敏劑和氧等多個因素的相互作用。研究這些因素間的相互作用規(guī)律有助于臨床醫(yī)生制定合理的治療方案。數(shù)學建模是研究多因素相互作用關系的常用方法。目前針對V-PDT治療PWS建立的數(shù)學模型主要是利用不同病變類型的血管結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗參數(shù)進行仿真。臨床對PWS病變的分型主要是基于對患者外觀顏色的觀察。但是,單純依靠外觀顏色很難判斷患者病變組織內(nèi)部的實際情況。因此,需要一種客觀的手段,對PWS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測和分析,利用實際的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型,從而使仿真結(jié)果更符合臨床實際情況。光學相干層析成像(optical coherence tomography,OCT)是一種無創(chuàng)的光學檢測成像方法,能夠用于組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測與分析。此外,其成像信號中還攜帶了組織光學特性的信息。因此,為了針對臨床患者實際情況進行仿真模擬,本研究利用OCT實現(xiàn)PWS結(jié)構(gòu)參數(shù)與光學參數(shù)的提取,改進PWS組織光學模型。V-PDT中作用于靶點位置的主要光毒性產(chǎn)物為單線態(tài)氧,其產(chǎn)量與療效直接相關,因此,可以結(jié)合數(shù)學仿真的方法,對V-PDT治療過程中單線態(tài)氧的產(chǎn)量進行計算,從而指導治療方案的制定。首先,基于PWS組織結(jié)構(gòu)的特點,建立了含有柱狀血管的PWS組織光學模型。利用Monte Carlo算法對V-PDT治療條件下光能流率在組織模型中的分布進行了數(shù)值模擬。編寫了GUI程序運行界面,實現(xiàn)了PWS組織光學模型參數(shù)的自由輸入,利用該模型分析了PWS特征參數(shù),包括表皮層厚度、擴張血管管徑及深度和組織散射系數(shù)對光分布的影響。其次,論述了時域OCT系統(tǒng)的基本理論,介紹了OCT系統(tǒng)的關鍵技術,并在臨床檢測條件下對主要系統(tǒng)參數(shù)指標進行了測試。建立了PWS表皮層厚度、擴張血管管徑及深度的提取方法。利用OCT對臨床60個PWS部位進行了檢測,分析了V-PDT術前和術后三個月的結(jié)構(gòu)參數(shù)差異,并對結(jié)構(gòu)參數(shù)與療效之間的相關性進行了分析。再次,建立了利用OCT縱向掃描信號提取PWS各層組織散射特性參數(shù)的方法。該方法利用最小二乘法對PWS各層組織的縱向掃描信號進行曲線擬合來實現(xiàn)特性參數(shù)的獲取。將不同濃度的脂肪乳溶液作為標準樣品,驗證了散射系數(shù)提取方法的準確性。利用該方法,獲取了V-PDT前和術后三個月以及治療過程中PWS患者皮膚表皮層和真皮層的散射系數(shù)。最后,根據(jù)V-PDT中血管和組織中的光敏劑及氧濃度隨時間變化的情況,建立了PWS組織中單線態(tài)氧產(chǎn)量的數(shù)學仿真模型。利用光分布和單線態(tài)氧產(chǎn)量仿真程序,結(jié)合OCT獲取的PWS組織特征參數(shù),分別模擬了典型組織結(jié)構(gòu)的PWS患者在V-PDT治療中組織中的光分布情況和單線態(tài)氧產(chǎn)量,并以此對術后療效進行了預測。術后隨訪結(jié)果與預測結(jié)果一致。分析了PWS結(jié)構(gòu)參數(shù)對V-PDT中組織單線態(tài)氧產(chǎn)量的影響,驗證了結(jié)構(gòu)參數(shù)與療效之間的關系。同時,初步分析了數(shù)學仿真模型用于指導臨床治療方案制定的可行性。
【關鍵詞】：數(shù)學仿真 光學相干層析成像 鮮紅斑痣 血管靶向光動力療法
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R758.51
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 選題背景和依據(jù)11-12
• 1.2 數(shù)學仿真在光動力療法中的應用12-14
• 1.3 OCT技術及其在組織檢測中的應用14-18
• 1.3.1 組織結(jié)構(gòu)成像方法及OCT技術簡介14-16
• 1.3.2 OCT技術在組織檢測中的應用16-18
• 1.4 本研究的主要內(nèi)容及工作安排18-20
• 第二章 V-PDT治療中PWS組織內(nèi)光分布的研究20-41
• 2.1 組織光分布研究常用數(shù)學方法20-23
• 2.1.1 近似解求解方法20-22
• 2.1.2 精確數(shù)值解求解方法22-23
• 2.2 PWS組織光分布模擬的實現(xiàn)23-33
• 2.2.1 PWS組織光學模型的建立23-26
• 2.2.2 組織的光學特性26-28
• 2.2.3 Monte Carlo程序流程28-32
• 2.2.4 組織中光能流率的計算32
• 2.2.5 光分布仿真程序的編寫32-33
• 2.3 PWS組織模型參數(shù)對光分布影響的數(shù)學仿真分析33-40
• 2.3.1 表皮層厚度對光分布的影響33-35
• 2.3.2 擴張血管結(jié)構(gòu)對光分布的影響35-37
• 2.3.3 組織散射系數(shù)對光分布的影響37-40
• 2.4 本章小結(jié)40-41
• 第三章 OCT用于提取PWS組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究41-66
• 3.1 時域OCT原理及分辨率41-44
• 3.2 OCT系統(tǒng)的關鍵技術44-49
• 3.2.1 光學延遲線設計原理及其參數(shù)44-47
• 3.2.2 樣品臂設計原理及其參數(shù)47
• 3.2.3 寬帶光源及光電檢測設備參數(shù)47-49
• 3.3 OCT系統(tǒng)指標測試49-51
• 3.3.1 縱向分辨率和縱向成像范圍的測定49-50
• 3.3.2 橫向分辨率及橫向掃描范圍的測定50
• 3.3.3 系統(tǒng)信噪比的測定50-51
• 3.3.4 OCT系統(tǒng)掃描速度的測定51
• 3.4 基于OCT的PWS結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法51-56
• 3.4.1 OCT圖像中像素點定標51-52
• 3.4.2 表皮層厚度的提取方法及實驗驗證52-54
• 3.4.3 擴張血管結(jié)構(gòu)的判定及提取54-56
• 3.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法的實驗驗證56-58
• 3.5.1 表皮層厚度提取算法的驗證56-57
• 3.5.2 擴張血管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取的實驗驗證57-58
• 3.6 PWS組織結(jié)構(gòu)的臨床檢測與數(shù)據(jù)分析58-65
• 3.6.1 PWS組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集及分析方法58-61
• 3.6.2 結(jié)果與討論61-65
• 3.7 本章小結(jié)65-66
• 第四章 OCT用于提取PWS組織散射特性參數(shù)的研究66-86
• 4.1 OCT干涉信號模型分析66-70
• 4.1.1 單次散射模型66-67
• 4.1.2 多次散射模型67-70
• 4.2 基于OCT的PWS組織散射系數(shù)提取方法70-73
• 4.2.1 PWS組織散射系數(shù)提取算法71
• 4.2.2 PWS各層組織擬合數(shù)據(jù)的選取71-72
• 4.2.3 干涉信號的曲線擬合算法72-73
• 4.3 脂肪乳溶液的散射系數(shù)測量73-75
• 4.3.1 脂肪乳溶液的配制73
• 4.3.2 測量結(jié)果73-75
• 4.4 PWS組織散射系數(shù)的提取與數(shù)據(jù)分析75-85
• 4.4.1 PWS組織散射系數(shù)的數(shù)據(jù)采集及分析方法76-78
• 4.4.2 結(jié)果與討論78-85
• 4.5 本章小結(jié)85-86
• 第五章 V-PDT過程中單線態(tài)氧產(chǎn)量的數(shù)學仿真分析86-106
• 5.1 V-PDT原理86-88
• 5.2 V-PDT中氧和光敏劑的分布模型88-92
• 5.2.1 V-PDT中氧的分布模型88-89
• 5.2.2 V-PDT中光敏劑的分布模型89-92
• 5.3 單線態(tài)氧產(chǎn)量數(shù)學模型的建立92-98
• 5.3.1 單線態(tài)氧產(chǎn)率公式92-93
• 5.3.2 組織中的光分布93
• 5.3.3 有限差分法求解組織中氧和光敏劑濃度方程93-96
• 5.3.4 單線態(tài)氧產(chǎn)量仿真程序的參數(shù)設定及編寫96-98
• 5.4 PWS組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對療效影響的數(shù)學仿真研究98-105
• 5.4.1 V-PDT治療PWS的數(shù)學仿真過程98-100
• 5.4.2 結(jié)果與討論100-105
• 5.5 本章小結(jié)105-106
• 第六章 結(jié)論與展望106-109
• 6.1 總結(jié)106-107
• 6.2 創(chuàng)新點107
• 6.3 展望107-109
• 參考文獻109-119
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及研究成果清單119-120
• 致謝120

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 王穎;廖小華;顧瑛;陳榮;曾晶;;漫反射光譜用于光動力治療中鮮紅斑痣皮膚氧含量監(jiān)測的初步研究[J];光譜學與光譜分析;2010年12期

2 周國瑜,張志愿,李江;52例鮮紅斑痣顏色類別的病理圖像計算機分析[J];口腔頜面外科雜志;1999年02期

3 朱菁;毛維翰;陳美娟;朱耀珍;張慧國;馬繼壯;鄭忠華;;氬激光治療鮮紅斑痣及單純血管瘤的臨床報導(附動物實驗)[J];應用激光;1981年06期

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本文編號：1060270