第一章绪论
1.1引言
随着激光技术在20世纪60年代出现以来，激光在生物学以及医学等许多领域的应用已经逐步成为人们关注的焦点。伴随着激光技术的飞速发展，高强度的激光光源和高性能的光电器件等被大量的投入到实际应用当中，使得光谱仪的检测精度和检测范围均获得了很大的提高，有力的促进了光谱技术的发展。光谱技术具有非侵入性等特点，可以实现在体无损分析，已经被广泛应用于生物学、医学、高分子化学、考古等诸多领域。
一束光入射到生物组织表面，部分光将会进入组织，并与组织发生吸收或散射作用。由于组织内部不同物质成分对光的吸收和散射特性不同，光与生物组织发生相互作用之后，能够产生携带有组织内部分子结构特征和物质成分信息，包括组织内部一些色基（如蛋白质、卟啉类化合物、血红蛋白和黑色素等）信息的漫反射光谱以及荧光光谱。通过分析生物组织的漫反射光谱以及荧光光谱的谱形、谱峰宽度以及光谱强度等参数上的差异，可以判断由于皮肤病变引起的组织内部各项成分，如蛋白质、水分、黑色素、血液等成分在组织内的含量和分布的改变，为理论分析组织病变产生的原因提供指导。利用漫反射光谱以及焚光光谱分析并预测皮肤病变，不仅具有非侵入、无损伤和高空间分辨率等特点，而且能够获得生物组织成分和结构方面深层次的信息，已经逐渐成为生物医学光子学一个重要的研究方向。
应用光谱诊断技术的前提是建立在了解光与生物组织之间的相互作用的基础上，而生物组织中的光传输特性是其中的核心问题。组织光学是在这一基础上逐渐发展起来的，主要来研宄生物组织的光学性质，包括生物组织中的光能量分布和传输问题，以及生物组织中的光吸收剂量等问题，具有很强的研究价值和广泛的应用前景。组织光学基于光在组织内的传播特征，以及光在组织内的空间分布特征，可以获取有关组织内部结构和物质成分特征的信息，最终确定在激光治疗过程中所需要的光剂量。组织光学研宄的目的是解决实际治疗中的光损伤等问题，并最终实现光谱检测在活体组织上的应用。通过研究光与生物组织之间相互作用的机理，为生物医学领域诊断和治疗组织癌变和人体其它疾病提供了一种新的思路。
1.2生物组织光谱诊断技术研究现状
由于漫反射光谱和焚光光谱具有非侵入、快速无损检测等优点，使得它们在生物组织的研宄中具有不可比拟的优势。过去几十年，国内外幵展的光谱检测范围十分广泛，涉及人体的许多器官，并且包括离体和活体组织检测，都取得了巨大的进展。
1908年安德森和帕里斯首次发现了皮肤组织的自体焚光。20世纪80年代，罗曼等人利用365nm激光激发皮肤组织的自体焚光，通过自体焚光对黑素瘤进行检测。随后，有许多国外学者利用自体焚光光谱及成像技术对皮肤癌进行诊断。年代初，曾海山教授利用自主设计的活体组织自体焚光光谱和漫反射光谱分析系统观察激光诱导下活体皮肤组织自体焚光的变化，并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体焚光光谱。联合设计了一个黑色素皮肤的光学模型，用反射光谱分析白癜风患者病变区域黑色素沉积与黑色素缺失的情况。福建师范大学的陈荣等人，采用光谱技术研究三色白癒风皮肤的光学特性，建立了白癜风皮肤的光学模型，分析白癜风皮肤的反射光谱和焚光光谱，证实白癜风与组织中黑色素的缺失有关。陈荣等以白风皮肤为研宄对象，还分析了皮肤组织中的黑色素含量与分布对皮肤癌变产生的影响。Stamatas等人发展了一种算法，用漫反射光谱研究皮肤红斑和色素沉积。
漫反射光谱和焚光光谱在生物组织病变诊断方面具有独特的优势，受到国内外研宄者的广泛关注。大量的相关实验研究都取得了很好的成果，已经成为生物医学领域最灸手可热的研宄方向之一。
第二章皮肤的结构与病变
2.1引言
皮肤覆盖人体整个表面，是人体一道天然的屏障，它可以防止外部的物理、化学和生物侵略。皮肤是人体表面最大的器官，时刻参与人体各项功能活动，保持机体和外界环境和谐统一。皮肤具有复杂的生理结构，组织中还含有蛋白质、脂肪、肌肉、血液和其它成分，由于皮肤组织结构的不均勾性和化学成分的复杂性，皮肤组织往往被看作是浑池的多层介质。当皮肤受到身体内部和外界环境各种因素的影响后，其组织形态、结构和生理功能等均会发生改变。皮肤受到阳光照射，可以生成对人体有益的维生素等。但是过度的光照，则会损伤组织，降低组织抵抗外部环境侵害的能力，从而诱发一些皮肤病变。阳光中的紫外线会使皮肤组织中的蛋白质、血红蛋白和黑色素等的含量和分布产生变化，导致皮肤的光学特性也发生改变。为了方便之后的讨论，本章简要描述皮肤的解剖学结构和常见的皮肤病变。
2.2皮肤的结构
皮肤组织具有复杂的结构，并且是一种具有不规则边界、非均勾的、多层的混合介质。皮肤的厚度一般为1-4mm。它的主要功能包括抵御外界产生的物理、化学和生物侵害，防止体内水分流失，抑制外界福射和调节体温等。皮肤主要包含最外层的表皮层、真皮层以及皮下组织部分。
表皮层依次可以划分为五个部分：角质层、透明层、颗粒层、棘细胞层和基底层。表皮中没有血管和淋巴组织，但含有游离神经末梢。新生儿时期皮肤的表皮层很薄，随着年龄的增长表皮层会逐渐变厚。表皮层的厚度随着不同的身体部位而具有差异，一般厚度为。角质层是表皮最外面的部分，无生物活性，具有抵抗摩擦和防止体液外渗的功能。透明层一般只在手掌和脚底表皮中才有。颗粒层是向角质层转化的过渡层，由于该层细胞核退化，呈现出明显的颗粒状。表皮中厚度最大的一层是棘细胞层，这层连接真皮淋巴管基底层中含有三类细胞：黑色素细胞、基底细胞和朗格汉细胞。当受到紫外线刺激时，黑色素细胞会生成黑色的颗粒状物质，阻止紫外线进入体内对组织产生伤害。
真皮层分布于表皮层和皮下脂肪之间，主要是由结缔组织组成的。真皮层含有胶原纤维、弹力纤维、血管、淋巴管、基质和神经等成分。真皮分为两层，分别为薄薄的表面乳突状真皮和较厚的深层网状真皮层。乳突状真皮包含许多毛细血管、淋巴管和神经，比网状真皮层更具细胞状。真皮层的主要部分是网状真皮层，其中含有大量的纤维和大血管，细胞数量不多，基本物质也很少正常皮肤组织的真皮层一般没有黑色素。真皮内有两个血管丛：上层血管丛以及深层血管丛。上层血管丛，位于网状真皮的表面，经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主要的散射体。
第三章皮肤组织的光谱性质与理论研究方法.........20
3.1引言.........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引言.......35
4.2基底细胞癌皮肤组织的显微荧光图像.........36
4.3基底细胞癌皮肤的光学模型.........36
4.4小结........37
第五章基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱模拟..........56
5.1引言........56
5.2基底细胞癌皮肤的漫反射光谱模拟.......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性的影响
6.1引言
我们己经对基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱特性进行了分析，考虑到血液含量对光谱吸收特性的影响，对现有光学模型进行修改，在模型中加入不同的血液成分，建立新的皮肤模型。利用蒙特卡罗方法进行模拟，重构基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和焚光光谱，分析不同血液含量对基底细胞癌皮肤光谱特性的影响。
第七章总结与展望
7.1总结
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宄基金（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型基础上，结合显微荧光测量结果，建立了基底细胞癌皮肤的光学模型，通过蒙特卡罗方法理论重构了基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱，对皮肤的光谱特性进行了较为详细的分析与阐述，对利用光谱技术预测皮肤病变的方法有了初步的了解，具体工作以及得到的结论如下：
（1）在第三章中，对漫反射光谱技术和荧光光谱技术进行了简单描述，阐述这两种光谱技术在生物组织无损检测、组织病理分析中的优势所在。同时，对解决光与组织相互作用问题的几种理论方法进行了比较，分析解析理论和传输理论的局限性，介绍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）在第四章中，通过显微荧光光谱系统测量基底细胞癌皮肤的显微荧光图像，从图像中看出，病变区域呈暗斑结构，被周围正常组织包裹，病变区域与周围正常组织之间有明显的界限。根据显微荧光图像的结果，结合已有的正常皮肤七层光学模型，建立了符合本研宄需要的可见光波段基底细胞癌皮肤的八层光学模型。
（3）在第五章中，利用蒙特卡罗程序计算基底细胞癌皮肤的漫反射率、激发光在组织内的分布几率和逃逸函数，重构基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和焚光光谱。将模拟得到的结果与在体测量结果进行对比，分析皮肤组织的光谱特性，探讨癌变对光谱特性产生的影响。模拟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的漫反射光谱强度变小，但它对荧光光谱的影响较小。
（4）在第六章中，调整光学模型中参数，在新建立的光学模型中加入不同的血液含量进行模拟研究，通过蒙特卡罗模拟计算，得到理论重构的基底细胞癌皮肤漫反射光谱和荧光光谱。将模拟结果与实验结果以及未加入血液成分的模拟结果进行对比，发现血液吸收作用会对漫反射光谱曲线的形状和强度产生的影响，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，为理论研究非黑色素细胞癌皮肤组织提供了数据和理论基础。
本论文联合漫反射光谱和荧光光谱，结合蒙特卡罗方法从理论上研宄基底细胞癌皮肤的光谱特性，通过模拟得到的结果与实验结果基本一致。研究结果表明，光谱技术可以用来研宄皮肤组织的光学性质，还可以对组织病变进行分析预测。本文的创新之处主要体现在：
（1）结合显微荧光光谱测量得到的基底细胞癌皮肤的荧光图像，确定基底细胞癌在皮肤中的病变位置以及厚度，提出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，重构基底细胞癌皮肤的漫反射光谱和荧光光谱，讨论激发光在组织内的分布、荧光激发与溢出过程，从理论上解释分析病变导致的光谱特性改变的原因。
（3）修改模型中的血液含量，采用蒙特卡罗模拟，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（略）