大鼠创伤性脑水肿模型中近红外光有效检测深度研究

采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte Carlo模拟光子在生物组织中的传输过程,建立有效检测深度模型,对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法,将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分,建立真实的大鼠脑组织三维模型,使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件,使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量,从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响,结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半,并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型,验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.     

随机介质介电常量的涨落与光波的空间分布

采用随机介质统计模型和时域有限差分方法模拟了二维随机介质中光场的空间分布及其同介电常量涨落的关系。模拟中,散射微粒随机地分布在均匀介质中以增加光子在介质中滞留时间。不同随机强度α,形成不同空间结构的随机介质。通过小心地调节入射光波长,得到了不同随机介质中的场强分布。结果表明,随机介质介电常量的涨落导致在介质的某些区域形成一些特殊结构。这些结构延长了光子在其中的滞留时间,产生了光波的局域态,起到了光腔的作用,使得随机介质在抽运激励下能够产生激光辐射。这样的光腔在介质中是随机分布的,其数量与分布特征与介电常量涨落的强弱有关。     

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

带冠涡轮不同维耦合数值模拟研究

不同维耦合数值模拟对带冠涡轮的设计评估具有重要意义,能够兼顾计算效率和计算精度进而缩短工程设计周期。本文建立了考虑质量、动量、能量等关键特征且能够预测泄漏流的二维分布特征的叶冠流动低维模型,并对进口腔流动进行了针对模化。基于该模型开展了带冠涡轮多维耦合计算研究,对提出的模型和方法进行了校验。结果表明发展的叶冠模型及在其基础上的多维耦合计算方法能够对带冠涡轮流场和性能进行合理的预测。     

ICF黑腔金泡等离子体运动研究取得进展

在神光Ⅲ主机装置,利用16束激光注入黑腔产生二维柱对称、接近点火状态的等离子体环境。利用一台X光分幅相机首次获得金泡等离子体的运动演化过程和不同时刻金、充气等离子体边界的绝对位置。通过精密实验与二维辐射流体程序模拟结果比较,验证了改进模型的合理性和可靠性。     

电压敏感染料di-4-ANEPPS的光谱研究

实验研究了电压敏感染料di-4-ANEPPS在家兔心肌组织中的吸收光谱和荧光光谱特性。结果表明,含染料组织的光吸收普遍大于对照组,在450～550 nm波段吸收谱差异更明显;染料在心室组织中的最大吸收峰为(479.75±0.44) nm。通过测量含染料心脏不同部位的荧光光谱,首次发现心室组织、心房组织和主动脉的最大荧光峰位有一定差异,其相对荧光强度则与染料的分布浓度有关。根据三维和二维荧光光谱分别确定了含染料心房和心室组织的最佳荧光激发波长和荧光测定波长。利用心房和心室组织的静息电位差,在不同波长激发光下测量了染料的荧光光谱移动,确定了光标测量实验的最佳激发光和相应荧光检测波长范围。这些研究结果为心脏光学标测系统的设计提供了理论依据。     

氧碘化学激光器中相位扰动的模拟研究

 建立了含相位扰动的1维流场3维物理光学负载光腔模型。选用折叠非稳腔，模拟计算了斜激波中心距光轴不同距离时以及不同强度的斜激波对腔内光场相位分布和输出功率的影响。研究表明激光输出光束质量与腔内激波的分布位置和激波的强度有密切关系，应该避免激波中心近光轴时的强扰动效应引起的光束质量退变。实验装置的计算结果再现了实验现象。     

蒙特卡罗模拟激光诱导间质热疗中激光能量在肿瘤组织内的传播

激光诱导间质热疗手术方案的制定需要术前对引入激光能量在组织中的分布进行准确的数值模拟。考虑肿瘤大小、光学特性与周围正常组织的差别,建立激光诱导间质热疗时的肿瘤与正常组织两层结构模型,采用蒙特卡罗方法模拟激光在其中的传播,得到激光能量在组织中的分布规律,并采用Pennes生物传热方程计算得出组织的稳态温度分布,这对于激光诱导间质热疗的临床应用具有积极的理论指导意义。     

畴腐蚀掺镁铌酸锂可调阵列光分束器的研究

研究了不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角可调阵列光分束器的分数Talbot效应.对不同Talbot分数β和不同畴腐蚀深度的阵列光分束器Talbot衍射像进行了数值模拟理论研究.模拟结果表明,Talbot分数β可以改变Talbot衍射像的周期及结构分布,而畴腐蚀深度可有效调制衍射像的光强分布.在理论研究的基础上,设计并制备了具有不同畴腐蚀深度的掺镁铌酸锂二维六角阵列光分束器,对其在不同Talbot分数β条件下的分数Talbot效应进行了通光实验研究,实现了畴腐蚀阵列光分束器对近场Talbot衍射光强分布的调制,实验结果与理论研究结果一致.     

蓝宝石生长炉热场的全局/局部耦合算法研究

本文对工业用泡生法制备蓝宝石单晶炉热场建立了二维稳态全局及局部数值模型.基于全局模拟结果,比较分析了不同热内边界条件的选取对局部核心区域热场及流场分布的影响.结果表明,基于全局/局部耦合算法的计算方案是可行的,当辐射-对流边界选取第二类边界、辐射-导热边界选取第一类边界、导热-导热边界选取第一类或第二类边界时,局部模拟结果的准确性最高,且局部网格划分与全局相应区域网格划分不一致时,对模拟结果几乎无影响.     

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,建立单层有限元模型,设置光学参数、光源、探测位置及边界条件,将仿真结果与蒙特卡洛的运行结果进行对比,验证有限元模型条件设置的准确性。其次,根据人脑组织结构建立脑部模型,在模型中插入血肿,选择波长为850 nm的近红外光作为光源,设置该波长下各层生物组织的光学参数,模拟光子在正常脑组织与含血肿脑组织中的传播,在距光源不同位置的探测器处检测到多组光通量数据,处理数据后发现有限元仿真软件在图像、数据方面反映了血肿对光的传播有极大影响。为研究探测到的光通量信息与血肿位置之间的关系,基于近红外光谱技术采用阵列扫描式灵敏度法分别改变组织内血肿的方位、横向位置与纵向深度,在距光源不同的探测位置处检测到多组光通量数据,处理数据后建立血肿位置与对应探测灵敏度之间的关系图进行分析。结果显示采用阵列扫描式灵敏度法,近红外光谱技术能准确探测血肿的方位信息与横向信息,且血肿位于源-探测距离中间时,探测效果最佳,而纵向深度只影响光子穿过较深层组织的概率,位置越深,光子的穿过率越小,探测灵敏度越小。由此得出,基于阵列扫描式灵敏度法可以实现颅脑组织内一定深度处血肿的快速准确定位,为近红外光谱技术的光学成像、检测组织内部肿瘤等提供了新思路和有效参考。     

A finite element model using multi-layered shell element in laser forming

Due to its enormously high flexibility laser forming has been gaining importance in recent years. This rapidness and flexibility demand very precise controlling strategies especially when simulating the process of large plates and challenging the limited computation power of the current workstation. A simple, robust and accurate modeling method of laser forming has been demonstrated to solve this problem. The simplified model is meshed by multi-layered shell element, simulated with a more real scanning method and fewer parameters. The intelligent meshing strategies have reduced the number of elements dramatically. Thus the simulation efficiency has been improved significantly. By comparing the simulation results under the simplified model with the results under the traditional model for laser forming, the applicability of proposed method has been proven. The method of these simplified models is also suitable to simulate complex finite element models, which take much time to simulate. It would throw some light on the thermal mechanically coupled-field simulation of large sheet.     

Time-Resolved Reflectance of an Optical Pulse in Adult Heads Based on the Finite Difference Time Domain (FDTD) Analysis

Time-resolved reflectance of an optical pulse in adult head models including non-scattering cerebrospinal fluid (CSF) has been analyzed by the finite difference time domain (FDTD) analysis formulated by the authors. Averaged light intensity and mean time of flight dependences on the source-detector separations calculated by the FDTD analysis are in good agreement with previous experiments, hybrid finite element method (FEM) and Monte Carlo calculations, which justify the FDTD analysis. Based on the analysis, time-resolved reflectance sensitivities to detect optical property changes in brain have been analyzed. As a result, it has been become clear that the sensitivities to detect absorption changes of brain are enhanced in time-resolved reflectance compared to the sensitivities in averaged light intensity, whereas the sensitivities to detect scattering property changes of brain are almost the same in time-resolved reflectance and in averaged light intensity. © 2005 The Optical Society of Japan     

XRFA聚脂薄膜-滤纸试样制备方法的改进

介绍了用于X射线荧光光谱分析（XRFA）的聚脂薄膜-滤纸试样制备改进方法及其效果实验。改进方法制备的试样具有基体效应小、样品用量少、元素分布均匀、试样反复使用不变形和便于保存等优点，特别适用于轻元素测量的试样制备。     

辐射传输方程的三阶球谐展开(P3)近似的有限元法求解

从辐射传输方程出发,应用球谐函数方法对辐射率进行多项式展开,并利用球谐函数的正交性和递推性,在二维笛卡儿坐标下,导出了三阶展开的球谐函数微分方程组（P3近似）,改进了以往成像文献中忽略各项异性因子的P3近似,并用有限元方法对二维圆域均匀和非均匀两种情况做了数值模拟.与漫射近似模型相比较,P3近似能更准确地描述光源附近及吸收较强情况下边界的光辐射分布情况.     

视细胞浓度分布对散射光偏振性的影响

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点,引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论,并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置,散射光束的偏振性呈现波动性变化,视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性,散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。     

Transducer profile effect on the second harmonic level

The measurement of nonlinear parameter of the propagating medium using finite amplitude techniques is based on the detection of the second harmonic generated nonlinearly in the investigated medium. This method requires an analytical expression for the second harmonic. Analytical expressions have been derived for the Gaussian source. For other shapes than Gaussian, a set of Gaussian beams can be used to approximate the pressure distribution at the source. Gaussian coefficients, in the literature, are provided for a uniform source. However, the sources used in many applications radiate non-uniformly because of the manner the piezoelectric element is fixed and because of Lamb waves generated in transducer’s active element. This is of a great importance to derive an analytical expression for the second harmonic for different profile “excitation” of the transducer. Our model is based on the quasilinear theory and a set of Gaussian beams. We used the K-Prony method in order to compute the Gaussian coefficients for each of the uniform, exponential, elliptic and Bessel sources. Using the obtained Gaussian coefficients we showed that the second harmonic magnitude is varying respectively to the used source’s profile. For the measurement of the nonlinear parameter one needs to compute the appropriate values of the Gaussian parameters according to the profile of the used source. One can also use the Gaussian parameters for the uniform source with a correction.     

A finite element approach to a coupled structural-acoustic radiation system with application to loudspeaker characteristic calculation

The finite element method is applied to an elastic shell which is vibrating to generate acoustic radiation. A vibrating shell of revolution backed by an enclosure in its rear side is to radiate sound waves into a semi-infinite space in front. As a numerical example, some characteristics of a direct radiator type loudspeaker model are calculated and discussed. The driving point impedance and the far field sound pressure frequency characteristics are shown, together with the effects of the radiation and the enclosure.     

多孔介质两相流的局部守恒有限元分析

用局部守恒有限元法研究多孔介质两相渗流问题.详细阐述局部守恒有限元法的基本原理,推导两相渗流问题的局部守恒有限元计算格式并编制相应的计算程序.通过一维Buckley-Leverett两相渗流算例验证该方法的正确性.应用局部守恒有限元法和混合有限元法分别对2个模型进行分析对比.计算结果表明局部守恒有限元法具有良好的鲁棒性及适用性,相较于混合有限元法,处理过程简单,计算时间缩短,为标准有限元法应用于复杂渗流问题提供了一种途径.     

六孔物镜转换器的结构设计

为保证物镜转换器的对中精度在0．01mm以下,给物镜各放大倍率的互换带来更大的活动空间,设计了应用于高级显微镜上的六孔物镜转换器结构。转动板转轴结构借助了半运动学式圆柱形轴系理论,采用有限单元法对转动板和固定板的连接螺纹牙进行应力和应变分析,保证了转轴的回转角误差单边小于1′;通过减小物镜螺纹孔轴与转动板转轴之间的夹角及物镜在转换器上安装位置的分布圆半径,提高了对中精度。设计的六孔物镜转换器结构,为六孔物镜转换器的制造奠定了基础,对七孔物镜转换器的研发具有参考作用。