Bestimmung der optischen Eigenschaften biologischen Gewebes

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ulm
university Universität
'°OMaoO
Bestimmung der optischen Eigenschaften
biologischen Gewebes unter
Berücksichtigung der Gewebestruktur
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr.
der Fakultät für Naturwissenschaften
der Universität Ulm
vorgelegt von
Marie-Theres Heine
aus
Ostrach-Spöck
2012
rer. nat
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
2
Theoretische
Grundlagen
3
2.1
Wechselwirkung von Licht mit Materie
3
2.2
Maxwellgleichungen
6
2.2.1
Die
7
2.2.2
Polarisation
2.3
2.4
2.5
3
1
Wellengleichung des Lichts
8
Optische Materialeigenschaften
Brechungsindex
10
2.3.2
Extinktion und
12
2.3.3
Streukoeffizient und reduzierter Streukoeffizient
Streuung
an
Absorptionskoeffizient
einzelnen Partikeln
3.2
13
14
2.4.1
Rayleigh-Streuung
14
2.4.2
Mie-Streuung
15
2.4.3
Phasenfunktion und Anisotropiefaktor
17
2.4.4
Numerische Lösungen der Maxwellgleichungen: das FDTD-Verfahren
19
20
Mehrfachstreuung
2.5.1
Transporftheorie
20
2.5.2
Lösung der Transporttheorie: Monte-Carlo-Simulation
22
2.5.3
Diffusionstheorie
22
2.5.4
Abhängige Streuung
23
2.5.5
Inverses Problem
24
Material und Methoden
3.1
9
2.3.1
27
Kollimierte Transmission und
Zweistrahlspektrometer
27
3.1.1
Aufbau und Funktionsweise
28
3.1.2
Probenpräparation
28
3.1.3
Meßverfahren
28
3.1.4
Zweistrahlspektrometer
29
Goniometer
29
3.2.1
Aufbau und Funktionsweise
29
3.2.2
Meßverfahren
30
3.2.3
Probenhalter und
3.2.4
Extrapolation
Präparation
32
33
I
Inhaltsverzeichnis
3.3
3.4
3.5
4
4.2
3.3.1
Aufbau und Funktionsweise
33
3.3.2
Meßmethoden
39
3.3.3
Integration in den Meßplatz
45
3.3.4
Probenhalter und Präparation
46
3.3.5
Meßverfahren
48
49
Monte-Carlo-Simulation
49
3.4.1
Simulationsvolumen
3.4.2
Simulationsvolumen Flüssigphantom
51
3.4.3
Variation der
51
Gewebeprobe
optischen Parameter
Auswerteverfahren
54
3.5.1
Delaunay-Triangulation und Voronoi-Regionen
54
3.5.2
Die Lösungsfläche
57
3.5.3
Rekonstruktion
58
63
Validierung des Auswerteverfahrens
63
4.1.1
Prinzip der Quervalidierung
63
4.1.2
Optische Koeffizienten
65
4.1.3
Rekonstruktion der
4.1.4
Einfluß des
4.1.5
Einfluß des Brechungsindex auf die Rekonstruktionsgenauigkeit
76
4.1.6
Einfluß der Schichtdicke auf die Rekonstruktionsgenauigkeit
77
von
biologischen Geweben
optischen
65
Koeffizienten
Anisotropiefaktors
auf die Rekonstruktionsgenauigkeit
73
Gewebephantome
82
4.2.1
Feste Gewebephantome
82
4.2.2
Flüssige Gewebephantome
83
4.2.3
Herstellung eines flüssigen Gewebephantoms
4.3
Verifikation durch Messung an flüssigen
4.4
Verifikation durch Blindtest
Gewebephantomen
87
87
90
Gewebemessungen
93
5.1
Gewebeproben
53
5.1.1
Probenpräparation
94
5.1.2
Absorbierende Komponenten
5.1.3
Berücksichtigung der Gewebestruktur
5.2
5.3
II
33
Validierung und Verifikation
4.1
5
Ulbrichtkugel
Bildaufnahmen der
biologischen
Gewebeproben
Gewebes
94
95
97
5.2.1
Parafflnschnitt
97
5.2.2
HE-Färbung
97
Biologische Gewebe mit isotroper Lichtausbreitung
97
5.3.1
Aufbau des
97
5.3.2
Gehirn
Kopfes
98
Inhaltsverzeichnis
5.4
6
5.3.3
Liquor
103
5.3.4
Duramater
107
5.3.5
Schädelknochen
109
5.3.6
Haut
113
und
Fettgewebe
Biologische Gewebe mit anisotroper Lichtausbreitung
115
5.4.1
Sehne
122
Zusammenfassung
129
in