频域近红外光谱法研究生物组织内部光子传输特性

基于光子在生物组织中的辐射传输理论以及Feng模型,应用频域近红外光谱法研究生物组织中异质体位置的变化,对出射光的光强和相位变化的影响及规律。设计了一仿真实验,用牛奶代替强散射性质的生物组织,并在牛奶中放置一个高度可控的具有一定吸收系数和散射系数的小球。移动小球在牛奶中的高度,检测出射光的交流幅度AC、直流光强DC和相位延迟Phase的值,绘制小球位于不同深度时AC,DC和Phase的曲线,并探讨其变化规律。结果表明,随着小球在牛奶中深度的变化,光强AC,DC和相位Phase呈现一定的相关性;随着光源和检测器之间距离的增加,检测到的光强和相位曲线的波谷点均向右偏移;当小球偏离光源和检测器越远,对检测到的光强和相位的影响越小。验证了光子在生物组织中的传输规律,为用频域近红外光谱法进行组织光学参数的检测及组织中异质体位置的定位奠定了基础。     

基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

近红外光谱的阵列扫描式灵敏度法探测颅脑血肿

利用近红外光谱技术对脑组织进行检测实现脑血肿的定位一直以来都是无损光学诊断的研究热点.为了实现开放式全方位的精准探测,基于功能性近红外光谱技术提出一种新的方法—阵列扫描式灵敏度法,即建立全方位阵列探测器,通过单边阵列式扫描检测来获取不同探测位置的光通量,计算每个探测器的探测灵敏度,就能得到全方位的探测信息.首先,建立单...     

仿复眼的动目标位置快速估计算法

昆虫复眼由成百上千个小眼组成,具有大视范围内的快速识别能力.本文仿昆虫复眼的快速定位特性,提出一种基于小眼视场交汇空间分区的动目标位置快速估计法.根据探测器阵列组合与空间视野范围的对应关系建立参量方程,参量为检测到动目标时探测器阵列的组合方式;模拟探测器阵列与运动目标,验证定位算法的快速估计能力;最后通过阈值比较获得检测到目标的探测器组合方式,求解参量方程实现目标定位.对定位计算结果与实际模拟距离进行比较,结果表明该算法能够实现不同大小目标在不同运动轨迹下的位置估计.     

基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器

聚合物光伏探测器是一种极具应用前景的新型光电探测器件.研究了基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器,结果表明,所制备的光伏探测器在可见至近红外光谱范围内具有宽的光谱响应(380—960 nm)、出色的响应度(840 nm时达到380 mA/W)和归一化探测度;同时,器件在暗态反偏条件下的能级示意图揭示了器件内平均电场较低是较厚光敏层器件具有低噪声电流的主要原因.电容-电压与时间周期性响应曲线研究表明聚合物光伏探测器具有快速的响应能力和良好的周期重复性.     

多通道差分吸光度用于颅内血肿快速检测

近红外光密度差异法检测创伤性硬膜血肿具有快速、无创等优点,是近几年组织光学的研究热点,在急救临床上有着重要应用。为了进一步提高对颅脑外伤患者血肿程度的检测精度,采用多通道差分吸光度方法获得头部左右对称吸光度数据,即利用与近红外光源距离不同的5个检测器采集颅脑对称位置的光密度信息,计算对称位置的差分吸光度,利用偏最小二乘法建立脑部光学吸收系数与差分吸光度数据之间的校正模型,实现对颅内硬膜血肿程度的预测。可以检测具有不同头皮颅骨厚度患者是否出现硬膜血肿,也可预测脑血肿程度。模型仿真预测结果显示,所建立预测模型对硬膜血肿部分的光学吸收系数预测平均相对误差为11.16%,对血肿发生深度预测平均相对误差小于1%,基本满足创伤性硬膜血肿程度的无创检测需求。将多通道差分吸光度法引入到脑部血肿近红外光谱无创检测中来,可以明显消除个体差异对检测结果的影响,有效提高脑血肿检测精度,并能实现对患者脑血肿程度的预测,该方法为近红外光谱脑部检测研究提供了新的思路和重要参考。     

基于氧化锌纳米颗粒-石墨烯异质结构的高性能紫外光探测器 (cited: 5)

报道了一种基于水热反应制备无表面活性剂的氧化锌纳米颗粒-还原石墨烯异质结构的新方法. 研究表明异质结构中氧化锌纳米晶体颗粒的平均直径为5 nm,这些颗粒均匀分布在还原石墨烯表面,其密度可以通过反应物的浓度进行有效调节. 并进一步构建了基于这种异质结构的光电探测器. 该探测器对紫外光的响应很快,光电流响应变化可达四个量级. 这些结果表明该异质结构特别适合作为替代材料用于设计和构建高性能的紫外光探测器件.     

鼻咽癌离体组织拉曼光谱的测量

拉曼光谱分析技术在探测与组织病理学相关的分子变化方面具有特别的潜力和优势,并且使无损、实时、快速的光学诊断成为可能.采用785 nm半导体激光器,透射式的全息光栅,背向感光、深度耗尽的CCD探测器及特殊设计的光纤拉曼探头构建了一台快速拉曼光谱测试装置.所设计的光纤拉曼探头可在减少荧光信号和瑞利散射影响的同时,最大限度地收集生物组织的拉曼信号,同时解决了平面光栅衍射光束的谱线弯曲问题,提高了仪器的信噪比,使装置具有较高的灵敏度并可快速测量获得人体组织的近红外拉曼信号.通过新鲜猪肉的脂肪和肌肉组织的拉曼光谱信号的检测,验证了测试装置的良好性能; 在此基础上,研究了鼻咽癌组织样品存放时间对拉曼光谱的影响,并在1～5 s时间内快速测量获得了人离体鼻咽癌组织的近红外拉曼光谱.     

基于蒙特卡罗方法的全身计数器设计研究

全身计数器用于对人体内照射污染的监测,对最小探测活度(MDA)有较高的要求。为使全身计数器具备较好的灵敏度,需要降低本底辐射和提高射线探测效率。基于MCNP5模拟了全身计数器中NaI探测器在不同几何位置时的能量响应,对探测器位置及准直器角度进行研究,同时对不同厚度的屏蔽结构进行了仿真计算分析。研究表明,当屏蔽钢板厚度为14.9 cm时,能够较大程度地降低本底辐射。在源探结构上探测腔准直器角度在26以上,探测器与体模的距离为20 cm时,能够得到理想的能谱响应和探测效率。     

VIP分析简化近红外光硬膜血肿检测的研究

多通道近红外光光密度差异检测硬膜血肿的方法具有快速、无创等优点,光源周围检测器数量与位置对降低硬膜血肿程度预测模型的病态性,提高血肿检测精度至关重要。提出了基于变量投影重要性(VIP)分析的检测器位置筛选方法。通过对距离光源位置2.0～5.0 cm范围内的30个检测器获得的光密度差异数据进行VIP分析,分析比较确定VIP阈值后从中筛选出4个检测器。以偏最小二乘法(PLS)建立基于4个检测位置获得的吸光度差预测血肿发生部位吸收系数的预测模型,检测器VIP优化后血肿位置吸收系数预测结果平均相对误差由4.08%降低到2.06%。可见利用VIP分析对检测器筛选后所建立预测模型仍可较好的对硬膜位置血肿程度进行判断。该研究为近红外光硬膜血肿检测中检测器位置的选择提供了新的思路和重要参考。     

Three-dimensional position measurement of a levitated nanoparticle in a vacuum by a Dove prism

Forward-scattering-light interferometry has become the most commonly used position detection scheme in optical levitation systems. Usually, three-set detectors are required to obtain the three-dimensional motion information. Here, we simplify the three-set detectors to one set by inserting a Dove prism. We investigate the role of a Dove prism in the position measurement process with an optical levitation system in vacuum. The relationship between the power spectral density and the rotation angle of a Dove prism is experimentally demonstrated and analyzed. This work shows that the Dove prism can greatly reduce the complexity of the experimental setup, which can be applied to compact optical levitation systems for studies in metrology, quantum physics,and biology.     

基于新型光谱相似度量核的高光谱异常检测算法

提出一种新型光谱相似度量核函数,并应用于高光谱异常检测.由于高斯径向基核函数是基于光谱向量间欧式距离的度量,其对于光谱向量间距离变化的适应性较强,而对于因光照强度变化,阴影和遮挡等引起的同种地物光谱变化的适应性较弱,使得基于高斯径向基核的高光谱异常检测算法性能下降.为解决该问题,从光谱曲线形状描述出发,基于光谱相似度量提出了光谱相似度量核函数.通过理论分析和真实高光谱数据异常检测实验检验,实验结果说明相对于高斯径向基核函数,光谱相似度量核函数具有一定的优越性,能改善基于核方法的高光谱异常检测算法的性能.     

基于新型光谱相似度量核的高光谱异常检测算法

提出一种新型光谱相似度量核函数,并应用于高光谱异常检测.由于高斯径向基核函数是基于光谱向量间欧式距离的度量,其对于光谱向量间距离变化的适应性较强,而对于因光照强度变化,阴影和遮挡等引起的同种地物光谱变化的适应性较弱,使得基于高斯径向基核的高光谱异常检测算法性能下降.为解决该问题,从光谱曲线形状描述出发,基于光谱相似度量提出了光谱相似度量核函数.通过理论分析和真实高光谱数据异常检测实验检验,实验结果说明相对于高斯径向基核函数,光谱相似度量核函数具有一定的优越性,能改善基于核方法的高光谱异常检测算法的性能.     

荧光关联谱的数据处理改进方法

荧光关联谱方法凭借其独特的对溶质浓度及扩散系数的测量能力,在对复杂系统的分子物理化学性质测量方面,不断扩大和深化其应用领域。但是从经典上,传统的荧光关联谱数据处理方法容易在拟合自相关曲线的参数时引入一定的误差,而且图表上的直观信息不多。针对以上问题,在文章中作者尝试用带有微分的数据处理办法,来更直观地估测参数并判断荧光多组分问题。经典自相关曲线处理后的微分曲线,有特异的波谷位置、深度和半深宽度,由此可判断特征扩散时间和多荧光成分的组分数目。此改进方法为利用荧光涨落谱方法测量生物组织体内的复杂环境提供帮助。     

Variation of photon density distribution with system component within Intralipid emulsion

In order to recover distributions of optical parameters of underlining tissues utilizing backreflection optic tomography or diffuse reflectance spectroscopy for diagnostic proposes, trajectories of photons should be correctly estimated within tissue. Therefore, we have simulated the soft tissues with 1% Intralipid emulsion and have determined photon density distribution as a function of depth inside the Intralipid emulsions using laser light of wavelength 808 nm and two different detectors for different source-to-detector (S-D) separations. In this study we have shown difference in path distribution of the detected photons with two different detectors with different sensitivity for the same S-D separations in the Intralipid emulsions. This study has also shown that, the maximum penetration depth (MPD) of the detected photons is not an increasing function of the S-D separations. After reaching a maximum depth, the penetration depth decreases as S-D separation increases.     

Real-time positioning technology of train based on optical fiber coherent Rayleigh backscattering北大核心CSCD

With the rapid growth of railway mileage in China, the degree of heavy load of railway wagons continues to increase. An interference technology based on Rayleigh backscattering signal in optical fiber was proposed by using existing communication optical cables along railway lines. When the fiber vibrated slightly, the phase and refractive index of the fiber at disturbed position changed, which resulting in the Rayleigh backscattering light. By performing differential calculation on the Rayleigh signal curves before and after the operation, the location of the interference light intensity signal corresponded to the location of the disturbances was obtained. Based on this method, the recognition and positioning of railway vehicles were realized. By collecting and analyzing the time-domain and frequency-domain signal, the signal strength, train length, the number of carriages and other characteristics were extracted, and the model of railway vehicles were accurately recognized. Compared with traditional positioning technologies, this technology could realize long-distance monitoring, and the sensing fiber was buried underground on both sides of the railway, which was conducive to the concealment and protection of optical fiber. Experimental results show that the positioning error of the system is within ±10 m, and the detection of railway speed and position within 25 km can be realized. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

Photocounts and laser detection of weak optical signals

Spatial localization of a photon, admissible within the framework of quantum electrodynamics, cannot explain the photocounts observed. Photocounts are shown to result from Coulomb instability of a weak electron flow in a photodetector. It is also shown that the use of bound electrons, i.e., electrons bound in atoms, ions, molecules, and so on, in detectors makes laser detection of weak optical signals without photocounts possible, in other words, with suppressed shot noise.