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26595字硕士毕业论文皮肤基底细胞癌的光谱特征及理论综述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:26595字
论点:光谱,皮肤,组织
论文概述:

本文是GCT在职硕士论文,本论文依托陕西省教育厅专项基金,科技部中美合作项目和西北大学科学研究基金(自然科学类),以基底细胞癌皮肤为研究对象,在己有的正常皮肤组织的七层光学模

论文正文:

第一章导言

1.1导言

随着20世纪60年代激光技术的出现,激光在生物学和医学等许多领域的应用逐渐成为人们关注的焦点。随着激光技术的快速发展,高强度激光光源和高性能光电器件已经投入实际应用,极大地提高了光谱仪的检测精度和检测范围,有效地促进了光谱技术的发展。光谱技术是非侵入性的,可以实现体内无损分析。它已被广泛应用于生物学、医学、高分子化学、考古学等许多领域。

一束光入射到生物组织的表面,一部分光将进入组织并与组织一起吸收或散射。由于组织中不同物质成分对光的吸收和散射特性不同,光与生物组织相互作用后,可以产生组织中携带分子结构特征和物质成分信息的漫反射光谱荧光光谱,包括组织中的一些发色团信息(如蛋白质、卟啉化合物、血红蛋白和黑色素等)。)。通过分析生物组织漫反射光谱和荧光光谱等参数的差异,如光谱形状、光谱峰宽和光谱强度,可以判断皮肤病变引起的组织中蛋白质、水分、黑色素、血液等多种成分含量和分布的变化,为组织病变原因的理论分析提供指导。漫反射光谱和磨光光谱对皮肤损伤的分析和预测不仅具有无侵袭、无损伤和高空分辨率的特点,而且可以获得生物组织组成和结构的深入信息,逐渐成为生物医学光子学的重要研究方向。

应用光谱诊断技术的前提是了解光与生物组织的相互作用,而生物组织中的光传输特性是核心问题。组织光学是在此基础上逐渐发展起来的。它主要研究生物组织的光学特性,包括光能在生物组织中的分布和传输以及光在生物组织中的吸收剂量。具有很强的研究价值和广阔的应用前景。组织光学(Organization optics)基于光在组织中的传播特性和光在组织中的分布特性空可以获得关于组织内部结构和材料组成特性的信息,最终确定激光治疗过程中所需的光剂量。组织光学研究的目的是解决实际治疗中的光损伤问题,最终实现光谱检测在活体组织中的应用。通过对光与生物组织相互作用机理的研究,为生物医学领域的组织癌变及其他人体疾病的诊断和治疗提供了新思路。

1.2生物组织光谱诊断技术的研究现状

漫反射光谱和磨光光谱具有无创、快速无损检测的优点,在生物组织研究中具有无可比拟的优势。在过去的几十年里,国内外发展起来的光谱检测范围非常广泛,涉及人体的许多器官,包括体外和体内组织检测,都取得了很大的进展。

安德森和巴黎在1908年首次发现皮肤组织自燃。20世纪80年代,罗曼等人使用365纳米激光刺激皮肤组织自燃,并通过自燃检测黑色素瘤。随后,许多外国学者利用自燃烧光谱学和成像技术来诊断皮肤癌。年代初,曾海山教授利用自行设计的活体组织自燃光谱和漫反射光谱分析系统,观察激光诱导活体皮肤组织自燃的变化,建立了正常皮肤组织的多层光学模型。他还通过蒙特卡罗模拟计算重建了皮肤组织的自燃光谱。联合设计黑色素皮肤光学模型,通过反射光谱分析白癜风患者皮损区黑色素沉积和黑色素缺失。福建师范大学的陈蓉等人利用光谱技术研究了三色白色风愈合皮肤的光学特性,建立了白癜风皮肤的光学模型,分析了白癜风皮肤的反射光谱和燃烧光谱,证实白癜风与组织中黑色素的缺乏有关。陈蓉等人以白风皮肤为研究对象,分析了皮肤组织中黑色素含量和分布对皮肤癌变的影响。Stamatas等人开发了一种通过漫反射光谱研究皮肤红斑和色素沉着的算法。

漫反射光谱和磨光光谱在生物组织损伤诊断中具有独特的优势,已引起国内外研究者的广泛关注。大量相关实验研究取得了良好的结果,成为生物医学领域最热门的研究方向之一。

第二章皮肤结构和病变

2.1导言

皮肤覆盖了人体的整个表面,是人体的天然屏障。它可以防止外部的物理、化学和生物攻击。皮肤是人体表面最大的器官。它总是参与人体的各种功能活动,保持身体与外部环境的和谐统一。皮肤具有复杂的生理结构,组织中还含有蛋白质、脂肪、肌肉、血液等成分。由于皮肤组织的不均匀结构和化学成分的复杂性,皮肤组织通常被认为是一个多层介质的泥池。当皮肤受到身体内外环境中各种因素的影响时,其组织形态、结构和生理功能都会发生变化。暴露在阳光下的皮肤可以产生对人体有益的维生素。然而,过度光照会损伤组织并降低组织抵抗外部环境的能力,从而导致一些皮肤损伤。阳光中的紫外线会改变蛋白质、血红蛋白、黑色素等的含量和分布。在皮肤组织中,导致皮肤光学特性的变化。为了便于下面的讨论,本章简要描述了皮肤的解剖结构和常见的皮肤病变。

2.2皮肤结构

皮肤组织结构复杂,是一种边界不规则、钩形不均匀、多层的混合介质。皮肤厚度一般为1-4毫米,其主要功能包括抵抗物理、化学和生物入侵,防止体内水分流失,抑制外部辐射和调节体温。皮肤主要包括最外面的表皮、真皮和皮下组织。

表皮层可依次分为五部分:角质层、透明层、颗粒层、棘细胞层和基底层。表皮没有血管和淋巴组织,但有自由神经末梢。新生期皮肤表皮层非常薄,随着年龄的增长逐渐增厚。表皮层的厚度因身体不同部位而异,一般厚度为。角质层是表皮的最外层,没有生物活性。它具有抗摩擦和防止体液外渗的功能。透明层通常只存在于手掌和脚底的表皮。颗粒层是转化为角质层的过渡层,角质层由于核变性而明显呈颗粒状。表皮厚度最大的层是棘细胞层,棘细胞层连接真皮淋巴管基底层,包含三种类型的细胞:黑素细胞、基底细胞和朗格汉斯细胞。当受到紫外线刺激时,黑素细胞会产生黑色颗粒物质,防止紫外线进入人体并对组织造成损伤。

真皮层分布在表皮层和皮下脂肪之间,主要由结缔组织组成。真皮层包含胶原纤维、弹性纤维、血管、淋巴管、基质、神经和其他成分。真皮分为两层,即薄的表面乳头状真皮和厚的深网状真皮。乳突真皮包含许多毛细血管、淋巴管和神经,比网状真皮更具细胞性。真皮层的主要部分是网状真皮层,它含有大量纤维和大血管,细胞数量少,基本物质少。正常皮肤组织的真皮层通常不含黑色素。真皮内有两个血管丛:上血管丛和深血管丛。上血管丛位于网状真皮的表面,并通过毛细血管延伸至表皮。深层血管丛,也称为皮下血管丛,位于真皮和皮下脂肪层的交界处,其中胶原纤维和弹性纤维是真皮组织中的主要散射体。

第三章皮肤组织的光谱特性和理论研究方法.........20

3.1导言.........21

3.2漫反射光谱和荧光光谱......21

3.2.1漫反射光谱.........22

3.2.2荧光光谱........22

第四章基底细胞癌皮肤的荧光检测和光学模型.......35

4.1导言.......35

4.2基底细胞癌皮肤组织的微荧光图像.........36

4.3基底细胞癌皮肤的光学模型.........36

4.4总结........37

第五章基底细胞癌皮肤模拟的漫反射光谱和荧光光谱……56

5.1导言........56

5.2基底细胞癌皮肤漫反射光谱模拟.......56

5.3基底细胞癌皮肤的荧光光谱模拟........58

第六章血液含量对基底细胞癌皮肤光谱特征的影响

6.1导言

我们分析了基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱特征。考虑到血液含量对光谱吸收特性的影响,我们对现有的光学模型进行了改进,在模型中加入了不同的血液成分,建立了新的皮肤模型。采用蒙特卡罗方法模拟、重建基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和烧伤光谱,分析不同血液含量对基底细胞癌皮肤光谱特征的影响。

第七章总结与展望

7.1总结

本文以陕西省教育厅专项基金、西北大学(自然科学)科技部中美合作项目基础上,以基底细胞癌皮肤为研究对象,在现有正常皮肤组织七层光学模型的基础上,结合显微荧光测量结果,建立基底细胞癌皮肤的光学模型。 运用蒙特卡罗方法理论重建基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱,更详细地分析和阐述了皮肤的光谱特征,初步了解了利用光谱技术预测皮肤病变的方法。 具体工作和结论如下:

(1)第三章简要介绍了漫反射光谱和荧光光谱,阐述了这两种光谱在生物组织无损检测和组织病理学分析中的优势。同时,比较了几种解决光与组织相互作用的理论方法,分析了分析理论和透射理论的局限性,介绍了蒙特卡罗方法的特点和基本思想,详细描述了组织光学模型的建立及其参数的确定方法。

(2)第四章用显微荧光光谱系统测量基底细胞癌皮肤的显微荧光图像。从图像中可以看出,病变区域为暗斑结构,并被周围正常组织包裹。病变区域和周围正常组织之间有清晰的边界。根据显微荧光图像的结果,结合现有的正常皮肤七层光学模型,建立了可见光波段基底细胞癌皮肤八层光学模型,满足本研究的要求。

(3)第五章利用蒙特卡罗程序计算基底细胞癌皮肤的漫反射率、激发光在组织中的分布概率和逃逸函数,重建基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和烧伤光谱。将模拟结果与体内测量结果进行比较,分析皮肤组织的光谱特征,探讨癌变对光谱特征的影响。仿真结果与实验结果基本一致。基底细胞癌病变会导致皮肤组织漫反射光谱强度降低,但对荧光光谱影响不大。

(4)第六章调整光学模型中的参数,并在新建立的光学模型中加入不同的血液成分进行仿真研究。通过蒙特卡罗模拟计算,得到基底细胞癌皮肤的理论重建漫反射光谱和荧光光谱。将模拟结果与实验结果和不添加血液成分的模拟结果进行比较,发现血液吸收效应会影响漫反射光谱曲线的形状和强度,初步给出了基底细胞癌皮肤光学模型中血液含量的参考值,为非黑色素瘤皮肤组织的理论研究提供了数据和理论依据。

本文将漫反射光谱和荧光光谱与蒙特卡罗方法相结合,从理论上研究基底细胞癌皮肤的光谱特征。仿真结果与实验结果基本一致。结果表明,光谱技术可用于研究皮肤组织的光学特性,也可用于分析和预测组织损伤。本文的创新主要体现在:

(1)结合显微荧光光谱测量的基底细胞癌皮肤荧光图像,确定了基底细胞癌在皮肤中的病变部位和厚度,提出了一种可见光波段基底细胞癌皮肤组织的八层光学模型。

(2)采用蒙特卡罗模拟方法重建基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱,讨论激发光在组织中的分布、荧光激发和溢出过程,从理论上解释和分析病理变化引起光谱特征变化的原因。

(3)为了修正模型中的血液含量,采用蒙特卡罗模拟方法研究了血液含量对基底细胞癌皮肤漫反射光谱和荧光光谱的影响,初步给出了基底细胞癌皮肤光学模型中血液含量的参考值。

参考文献(省略)