清华大学博士学位论文答辩课件.ppt

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1、*243 33 13 5主要内容主要内容*研究背景和意义研究背景和意义光学偏振方法的优势光学偏振方法的优势光学成像方法：光学成像方法：对生物医学非常重要（非侵入，低损伤）对生物医学非常重要（非侵入，低损伤）光子散射：光子散射：优点优点提供新信息；缺点提供新信息；缺点降低成像质量降低成像质量偏振方法：偏振方法：降低散射影响，获得浅表组织信息降低散射影响，获得浅表组织信息癌变检测：癌变检测：85%癌变起源于上皮组织癌变起源于上皮组织*研究背景和意义研究背景和意义现有偏振测癌结果现有偏振测癌结果 Steven L. Jacques et al., JBO, 7（3）, （2002）. 偏振成像检测偏

2、振成像检测基底细胞癌基底细胞癌：n对比度提高，呈现更多癌变区域细节对比度提高，呈现更多癌变区域细节正常图像正常图像偏振图像偏振图像 *研究背景和意义研究背景和意义现有偏振测癌结果现有偏振测癌结果正常图像正常图像 偏振图像偏振图像 偏振成像检测偏振成像检测鳞状细胞癌鳞状细胞癌：n对比度提高，呈现更多癌变区域细节对比度提高，呈现更多癌变区域细节*研究背景和意义研究背景和意义现有偏振测癌结果现有偏振测癌结果Steven L. Jacques et al., Proc. of SPIE Vol. 6842 684201-2, (2008).正常图像正常图像偏振成像界定癌症边界，用于临床偏振成像界定癌症

3、边界，用于临床偏振图像偏振图像术后效果术后效果*偏振成像装置与方法偏振成像装置与方法2. 偏振度偏振度cocrcocrIIDOPII1. 偏振差偏振差cocrDPII研究背景和意义研究背景和意义*旋转线偏振成像装置与方法旋转线偏振成像装置与方法3. 旋转线偏振成像方法旋转线偏振成像方法 (RLPI)参数：参数：A、B、C、G、 3/2/GA B123cos(4)cos 2() cos(2)sissABC 研究背景和意义研究背景和意义*研究背景和意义研究背景和意义9参数的物理意义：3/2 反映的是样品各向异性的取向角；G 反映的是样品各向异性度，在含纤维的散射体系中，是纤维的有序度；Ran Li

4、ao, Nan Zeng, Xiaoyu Jiang, Tianliang Yun, Dongzhi Li, Yonghong He, and Hui Ma, Journal of Biomedical Optics, 15(3), 030614(2010). (SCI) 3/2G普通成像普通成像样品：鸡心样品：鸡心样品：鸡心样品：鸡心3. 旋转线偏振成像方法旋转线偏振成像方法 (RLPI)*球散射体、柱散射体、周围介质参数可调散射体：直径、折射率、散射系数、角度分布等周围介质：吸收、折射率等可用于各向同性组织：肝脏、血液、脂肪等； 各向异性组织：牙本质、皮肤等研究背景和意义研究背景和意义生物

5、组织偏振散射模型：球柱偏振散射模型生物组织偏振散射模型：球柱偏振散射模型*研究背景和意义研究背景和意义偏振方法、生物组织、模型偏振方法、生物组织、模型有现象有现象?*243 33 13 5主要内容主要内容*偏振成像癌变样品制备偏振成像癌变样品制备偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果癌变体系及病株的选择癌变体系及病株的选择内脏内脏肝转移肝转移CNECNE鼻咽癌鼻咽癌内腔内腔HCT116HCT116结肠癌结肠癌皮肤皮肤B16B16黑色素瘤黑色素瘤各向同性各向同性各向异性各向异性*各向同性样本偏振成像检测结果各向同性样本偏振成像检测结果肝转移肝转移CNE鼻

6、咽癌鼻咽癌偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果肝转移鼻咽癌肝转移鼻咽癌CNE的偏振参数图像的偏振参数图像*各向异性样本偏振成像检测结果各向异性样本偏振成像检测结果皮肤：黑色素瘤皮肤：黑色素瘤偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果中症黑色素瘤的光强、中症黑色素瘤的光强、DP和和DOP图像图像DP光强光强A参数参数B参数参数DOPC参数参数3/2G参数参数*243 33 13 5主要内容主要内容*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测实验结果实验结果DOP图像图像DP图像图像

7、RLPI B参数图像参数图像光强图像光强图像黄色圆圈处为病灶即癌黄色圆圈处为病灶即癌变区变区参数参数B 在众多参数中对在众多参数中对比度最高，最敏感。比度最高，最敏感。对比度对比度光强光强0.21DP0.17DOP0.03B0.34*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测单组份光学模型单组份光学模型样品正常与病变区组织学图像样品正常与病变区组织学图像单组份模型单组份模型*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测考虑生理结构的模拟结果考虑生理结构的模拟结果各向同性体系偏振参数随浓度比各向同性体系偏振参数随浓度比70cm-1

8、的对比度变化的对比度变化小粒子直径小粒子直径0.7m 大粒子直径大粒子直径7mn单一粒子模型都无法获得与实验对应的结果，应引入双组份模型；单一粒子模型都无法获得与实验对应的结果，应引入双组份模型；n大粒子变化行为对对比度的影响较大，在双组份模型中应以大粒子为主。大粒子变化行为对对比度的影响较大，在双组份模型中应以大粒子为主。双组份光学模型双组份光学模型模拟结果与实验不符，模拟结果与实验不符，单组份模型无法描述单组份模型无法描述实际情况实际情况*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测双组份光学模型双组份光学模型双组份模型双组份模型癌变细胞对比癌变细胞对比正常

9、细胞正常细胞细胞器或细胞细胞器或细胞核尺度的变化核尺度的变化细胞密集程度细胞密集程度的变化的变化散射体粒径散射体粒径的变化的变化散射体散射系数散射体散射系数的变化的变化参照肝脏真实解剖学结构，参照肝脏真实解剖学结构，两种粒子参照线粒体和细两种粒子参照线粒体和细胞核建模，大球直径胞核建模，大球直径7m、小球直径小球直径0. 7m*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测考虑生理结构的模拟结果考虑生理结构的模拟结果双组分体系中各参数对比度随粒子数浓度的变化关系双组分体系中各参数对比度随粒子数浓度的变化关系大小大小粒子浓度比粒子浓度比1:1000大小粒子的散射大小

10、粒子的散射系数比为系数比为3:1模拟得到的各参数对比度排模拟得到的各参数对比度排序与生物实验的结果一致，序与生物实验的结果一致，说明癌变样品的各个偏振参说明癌变样品的各个偏振参数对比度的增加可能是由细数对比度的增加可能是由细胞增生引起的。胞增生引起的。*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测实验和模拟结果分析实验和模拟结果分析固定双组份体系中粒子固定双组份体系中粒子数密度，改变大粒子粒数密度，改变大粒子粒径，四个偏振参数随着径，四个偏振参数随着粒径增加下降，其中粒径增加下降，其中B的的下降速度最快。下降速度最快。n结论：散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果

11、的主要因素结论：散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更清晰，其中清晰，其中RLPI对比度最高。对比度最高。现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特征，建立了双组份模型。征，建立了双组份模型。双组份模型模拟结果表明：双组份模型模拟结果表明：n a. RLPI相比普通成像、相比普通成像、DP、DOP具有最高的对比度；具有最高的对比度； 这同实验结果相符这同实验结果相符n b. 散射体浓度

12、是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素小结小结*243 33 13 5主要内容主要内容*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理样本选择样本选择恶性黑色素瘤样本（恶性黑色素瘤样本（1）DOP图像图像DP图像图像RLPI G参数图像参数图像光强图像光强图像DOP 并不是并不是与吸收完全与吸收完全无关的无关的*不同类型的黑色素瘤不同类型的黑色素瘤深度不一样深度不一样各向同性各向同性+吸收吸收各向异性各向异性各向同性各向同性各向异性各向异性+吸收吸收简化模型建立模型建立模型各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变

13、检测及机理偏振参数深度的研究偏振参数深度的研究实验结果实验结果模拟结果模拟结果*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理各向异性各向异性+吸收吸收模型的建立与简化模型的建立与简化辐射生长期辐射生长期垂直生长期垂直生长期癌变细胞主要在真皮癌变细胞主要在真皮层以上区域扩散，吸层以上区域扩散，吸收增强效应出现在上收增强效应出现在上层层癌变细胞已经侵入真皮癌变细胞已经侵入真皮层，吸收增强效应出现层，吸收增强效应出现在下层真皮组织模拟区。在下层真皮组织模拟区。*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理简化模型对应的样本简化模型对应的样本皮肤上层吸收模型皮肤上层吸收模型-皮肤表面油墨皮肤表面油墨皮

14、肤下层吸收模型皮肤下层吸收模型-痣痣光强图光强图DP图图DOP图图*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理模拟结果模拟结果皮肤上层吸收皮肤上层吸收模型模型散射系数为散射系数为450cm-1sag)1 ( n在一个临界条件：小于临界点在一个临界条件：小于临界点DP几乎不变，大于临界点几乎不变，大于临界点DP下降。下降。n利用三个参量的对应变化关系对上层表皮黑色素类病变的诊断提供帮助利用三个参量的对应变化关系对上层表皮黑色素类病变的诊断提供帮助*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理样本选择样本选择恶性黑色素瘤样本（恶性黑色素瘤样本（1）DOP图像图像DP图像图像RLPI G参数图像参

15、数图像光强图像光强图像DOP 增加增加DP 减小减小*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理模拟结果模拟结果皮肤下层吸收皮肤下层吸收模型模型深度对偏振成像的影响深度对偏振成像的影响吸收系数对偏振成像的影响吸收系数对偏振成像的影响n当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像影响较大；当当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像影响较大；当吸收层位于深层（真皮层）时，对偏振成像影响可忽略。吸收层位于深层（真皮层）时，对偏振成像影响可忽略。n当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像的影响随着吸当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像的影响随着吸收系数的增大而增大。收系数的增大而增大。*各向

16、异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理样本选择样本选择恶性黑色素瘤样本（恶性黑色素瘤样本（2）光强图像光强图像RLPI方法方法G参数图像参数图像偏振差图像偏振差图像偏振度图像偏振度图像*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理皮肤三层模型皮肤三层模型建模建模皮肤三层模型示意图皮肤三层模型示意图中间吸收层随吸收系数变化的模拟结果中间吸收层随吸收系数变化的模拟结果*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理皮肤三层模型皮肤三层模型柱球比固定改变吸收系数模拟结果柱球比固定改变吸收系数模拟结果光强光强DPDOP光强光强I变化剧烈，变化剧烈，DP和和DOP在吸收较小时趋于平缓。在吸收较小时趋于平

17、缓。中间层吸收增加时，光强是下降的，中间层吸收增加时，光强是下降的，DP也下降，也下降，DOP升高。升高。*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理皮肤三层模型皮肤三层模型吸收系数固定只改变柱球比的模拟结果吸收系数固定只改变柱球比的模拟结果光强光强DPDOP光强光强I 的相对变化幅度要小于的相对变化幅度要小于DP 和和DOP。各向异性结构发生变化时光强变化不明显，各向异性结构发生变化时光强变化不明显，DP上升，上升，DOP 上升。上升。*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理小结小结针对不同深度的恶性黑色素瘤，提出了两种各向异性吸针对不同深度的恶性黑色素瘤，提出了两种各向异性吸收简化

18、模型。收简化模型。运用这两种简化模型模拟分析各向异性吸收组织偏振成运用这两种简化模型模拟分析各向异性吸收组织偏振成像，得到如下规律像，得到如下规律: n (1)位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层的吸收层对偏振成像影响可忽略。的吸收层对偏振成像影响可忽略。n (2)位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的增大而增大。增大而增大。这些规律可为黑色素类病变分期诊断的提供依据，并有这些规律可为黑色素类病变分期诊断的提供依据，并有可能用于其他色素类疾病诊断。可能用于其他色素类疾病诊断。*工作总结

19、与展望工作总结与展望工作总结工作总结实验研究了各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更清实验研究了各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更清晰，其中晰，其中RLPI对比度最高。对比度最高。鉴于现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特征，建立了鉴于现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特征，建立了双组份模型。并使用双组份模型模拟分析，结果表明：双组份模型。并使用双组份模型模拟分析，结果表明：a. RLPI相比普通成像、相比普通成像、DP、DOP具有最高的对比度；具有最高的对比度； 这同实验结果相符这同实验结果相符b. 散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的

20、主要因素散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素对于各向异性且有吸收的癌变进行了探索性研究，提出了两种简化模型。对于各向异性且有吸收的癌变进行了探索性研究，提出了两种简化模型。运用这两种简化模型模拟分析了各向异性吸收组织偏振成像检测的一些运用这两种简化模型模拟分析了各向异性吸收组织偏振成像检测的一些规律：规律：a. 位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层的吸收层对位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层的吸收层对 偏振偏振成像影响可忽略。成像影响可忽略。b.位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的增大而增大。位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的增大而增大。*

21、工作总结与展望工作总结与展望论文创新点论文创新点n针对两类不同微观结构特征的癌变分别建立了癌组织光学模型：双组份针对两类不同微观结构特征的癌变分别建立了癌组织光学模型：双组份球模型球模型 、 吸收分层模型。吸收分层模型。n解释了偏振成像参数表征癌变的机理。解释了偏振成像参数表征癌变的机理。各向同性结构特性的癌变组织各向同性结构特性的癌变组织各向异性结构特性的癌变组织各向异性结构特性的癌变组织*工作总结与展望工作总结与展望展望展望完善皮肤三层模完善皮肤三层模型型n为了对病变对比为了对病变对比度机制和表征关系度机制和表征关系进行清晰准确的解进行清晰准确的解释，有必要进一步释，有必要进一步建立完善三

22、层各向建立完善三层各向异性含吸收效应的异性含吸收效应的组织模型。组织模型。建立系统的癌变建立系统的癌变模型信息库模型信息库n采集足够的典型部采集足够的典型部位癌变信息数据量，位癌变信息数据量，建立多个特异性光建立多个特异性光学参数模型，才能学参数模型，才能有效解释偏振成像有效解释偏振成像结果，并运用模拟结果，并运用模拟系统结合实验为病系统结合实验为病理诊断提供依据。理诊断提供依据。采用球体系仿体采用球体系仿体研究研究n对模型的各项结对模型的各项结构和光学特性参数构和光学特性参数进行调控并测量，进行调控并测量，有助于我们了解在有助于我们了解在相对复杂体系下癌相对复杂体系下癌变模型的各因素分变模型

23、的各因素分别对本方法参数的别对本方法参数的影响趋势。影响趋势。*谢谢大家*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测单组份模型模拟结果单组份模型模拟结果不同偏振测量参数在浓度变化时的模拟结果不同偏振测量参数在浓度变化时的模拟结果小粒子直径小粒子直径0.2m大粒子直径大粒子直径2m参数各自测量值随浓度的增加均呈单调变化趋势，其中参数各自测量值随浓度的增加均呈单调变化趋势，其中I、B 和和DP 模拟结模拟结果随浓度增加而增加，果随浓度增加而增加，DOP 随浓度增加而减少，趋势大体上与肝癌组织随浓度增加而减少，趋势大体上与肝癌组织实验测量结果相符。实验测量结果相符。

24、*各向异性癌变检测及机理各向异性癌变检测及机理本章基本思路：本章基本思路：不含吸收的各向异性黑色素瘤偏振成像样例不含吸收的各向异性黑色素瘤偏振成像样例含吸收的各向异性皮肤恶性黑色素瘤病理模型建立含吸收的各向异性皮肤恶性黑色素瘤病理模型建立分析探索吸收层在中间的黑色素瘤早期癌变模型分析探索吸收层在中间的黑色素瘤早期癌变模型研究参数随深度的变研究参数随深度的变化关系、解释实验现化关系、解释实验现像像利用拆分模型及蒙特利用拆分模型及蒙特卡洛模拟解释该体系卡洛模拟解释该体系偏振测量的变化偏振测量的变化在吸收层的吸收系数在吸收层的吸收系数和柱球比变化时，测和柱球比变化时，测量量的变化规律量量的变化规律*

25、样本旋转线偏振成像检测结果样本旋转线偏振成像检测结果HCT116结肠癌结肠癌偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果HCT116结肠癌的光强、结肠癌的光强、DP和和DOP图像图像DP图像图像光强图像光强图像DOP图像图像*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测单组份模型模拟结果单组份模型模拟结果粒径大小变化对对比度的影响（粒径大小变化对对比度的影响（us=70cm-1）按最大值归一化曲线按最大值归一化曲线模拟结果与实验不符，模拟结果与实验不符，单组份模型无法描述单组份模型无法描述实际情况实际情况双组份光学模型双组份光

26、学模型模拟结果与实验不符，模拟结果与实验不符，单组份模型无法描述单组份模型无法描述实际情况实际情况双组份光学模型双组份光学模型模拟结果与实验不符，模拟结果与实验不符，单组份模型无法描述单组份模型无法描述实际情况实际情况*各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测及机理各向同性癌变检测各向同性癌变检测单组份模型模拟结果单组份模型模拟结果各向同性体系参数随浓度对比各向同性体系参数随浓度对比70cm-1的对比度变化的对比度变化NoImage小粒子直径小粒子直径0.2m大粒子直径大粒子直径2mn从从RLPI 参数同参数同Mueller 矩阵元的关系可知矩阵元的关系可知B对偏振差异敏感。对偏振差异敏感。n在各向同性体系中，在各向同性体系中，B 可能是比可能是比DP 和和DOP 更好的反应退偏能力的指更好的反应退偏能力的指标。标。*