热作用致良性前列腺增生组织的光学特性变化

研究了热作用下的良性前列腺增生(BPH)组织对808和980 nm的半导体激光的光学特性的变化及其差异。实验采用双积分球测量系统以及反向倍增法获取良性前列腺增生组织的光学特性。结果表明,热作用下的良性前列腺增生组织对808 nm和980 nm的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度都是随着加热温度的变化而变化的,在20~80℃的温度范围内,良性前列腺增生组织对808 nm的吸收系数和约化散射系数都分别明显地较其对980 nm的吸收系数和约化散射系数要大,而其对808 nm的光学穿透深度却明显地较其对980 nm的光学穿透深度要小,吸收系数的最大值都在20℃,分别为0.528 mm-1和0.448 mm-1;最小值分别在50℃和70℃,分别为0.436 mm-1和0.326 mm-1,吸收系数的最大差异在70℃,其值为34.1%;约化散射系数的最大值都在80℃,其值分别为1.45 mm-1和1.43 mm-1,最小值分别在20℃和70℃,分别为1.15 mm-1和0.973 mm-1,最大差异在70℃,其值为24.4%;光学穿透深度的最大值分别在50℃和70℃,其值分别为0.684 mm和0.887 mm,最小值都在80℃,其值分别为0.608 mm和0.696 mm,最大差异在70℃,其值为30.4%。在70℃的热作用下良性前列腺增生组织达到完全热凝固,吸收系数、散射系数和光学穿透深度的差异达到最大值。     

良性前列腺增生组织对钛宝石激光的吸收和散射特性

研究了经尿道等离子体双极电切除术(PKRP)切除和经尿道前列腺电切术(TURP)切除的前列腺增生(BPH)组织对640, 660, 680, 700, 720, 740, 760, 780, 800, 820, 840, 860和880 nm波长的钛宝石激光的光学特性及其差异,实验采用双积分球测量系统以及反向倍增法获取BPH组织的吸收和散射特性参数。结果表明：PKRP和TURP切除的BPH组织对这1３个不同波长的激光的吸收系数和约化散射系数都是随着激光波长增大而明显减小的,PKRP切除的BPH组织对这同一波长的激光的吸收系数和约化散射系数都明显较TURP切除的BPH组织对相应的波长的激光的吸收系数和约化散射系数要小,PKRP和TURP切除的BPH组织的吸收系数以及约化散射系数的最大值都在640 nm,其值分别为(0.885±0.022)和(0.955±0.024)mm-1以及(1.564±0.039)和(1.658±0.042)mm-1,其差异分别为7.91%以及6.01%,其最小值都在880 nm,其值分别为(0.443±0.011)和(0.455±0.011)mm-1以及(1.117±0.028)和(1.197±0.030)mm-1,其差异分别为2.71%以及7.16%。PKRP和TURP切除的BPH组织对660 nm的吸收系数的差异最大,其值为8.95%,其差异最小在860 nm,其值为1.75%,PKRP和TURP切除的BPH组织对800 nm的约化散射系数的差异最大,其值为9.13%,其差异最小在640 nm,其值为6.01%。     

离体正常乳腺组织350～850 nm波段光谱特性

采用带有积分球附件的紫外/可见/近红外分光光度计测量了离体正常乳腺组织在350～850 nm光谱范围的反射率和透射率,运用反向倍加法得到了离体正常乳腺组织在相应光谱范围的光学参数,分析了正常乳腺组织的光学穿透深度随波长的变化情况。实验结果表明：350～850 nm波段正常乳腺组织的约化散射系数μ′_s大于吸收系数μ_a。μ′_s随着波长的增加而减小,即从350 nm波长值为9.731 mm-1～850 nm波长值为1.476 mm-1。μ_a从350 nm波长值为0.798 mm-1～850 nm波长值为0.102 mm-1,410 nm波长处存在一个吸收峰,其值为0.506 mm-1。光学穿透深度随着波长的增加而增大,从350 nm波长值为0.199 mm-1～850 nm波长值为1.439 mm。基于反向倍加法计算获得乳腺组织的光学参数,采用Monte Carlo模拟得到其相应光谱范围的反射率和透射率,并与实际测量值进行比较,二者的一致性较好。实验结果为乳腺组织的光活检及其光学治疗提供重要参考。     

近红外光谱范围人肝癌变和热凝固导致组织吸收和散射特性的变化

研究了人肝的癌变及热凝固导致其对710,730,750,770,790,810,830,850,870和890 nm的钛宝石激光的吸收和散射特性的变化,实验采用双积分球测量系统以及反向倍增法获取肝组织的吸收和散射特性参数.结果表明:人肝的癌变导致其吸收系数发生了显著的减小,其变化的最大值在850 nm,其值为86.12%,而变化的最小值在750 nm,其值为82.65%.正常人肝组织热凝固导致其吸收系数明显变化,其吸收系数的变化的最大值在710 nm,其值为79.55%,而变化的最小值在790 nm,其值为0.72%.人肝癌组织热凝固导致其吸收系数显著地增大,其变化的最大值在810 nm,其值为78.69%,而变化的最小值在710nm,其值为38.16%.人肝的癌变导致了肝组织的散射系数发生了显著的增大,其变化的最大值在710 nm,其值为158.37%,而变化的最小值在890 nm,其值为136.03%.正常人肝组织热凝固导致其散射系数显著地增大,其变化的最大值在890 nm,其值为632.92%,而变化的最小值在710 nm,其值为587.40%.人肝癌组织热凝固导致其散射系数显著地增大,其变化的最大值在810 nm,其值为384.25%,而变化的最小值在710 nm,其值为330.86%.肝组织的吸收和散射特性的变化也随着激光波长的变化而变化.     

脑组织漫反射光谱与约化散射系数的斜率估算法

约化散射系数是生物组织光学研究中的一个重要的组织光学参数。利用微光纤探头与光纤光谱仪组成漫反射光谱采集系统对脑组织约化散射系数的实时在位测量进行研究。通过悬乳液与模拟胶模型实验推导了700～850nm波段约化散射系数与漫反射光谱斜率绝对值的关系式,用模型对公式的计算精度进行验证,利用该系统实时在位测量了20只大鼠脑组织在700nm、750nm和800nm处的约化散射系数。经统计分析,大鼠脑白质约化散射系数在上述波长处分别为30±5cm-1、28±5cm-1和25±6cm-1,脑灰质约化散射系数则分别为14±3cm-1、13±3cm-1和12±3cm-1。脑组织约化散射系数实时在位测量对脑外科微创手术中的组织识别具有重要的参考意义。     

椎弓根钉植入针道上骨组织光谱特性研究

运用光谱技术研究了椎骨组织不同位置的特征识别因子.光谱采集系统由双光纤手钻一体式探头(光纤芯径200 μm,中心距离0.5 mm)、卤素光源(波长360~2 000 nm)、光纤光谱仪(检测波长为200~1 100 nm)和计算机组成,可以同时获得生物组织的漫反射光谱和约化散射系数.以猪椎骨为实验对象,测量椎弓根螺钉植入针道上不同骨组织的漫反射光谱和约化散射系数,并对光谱进行特定波长的峰值、面积、斜率分析,获得特性识别因子.研究发现,椎弓根钉植入针道上不同骨组织的光谱表现出不同的变化特性.其中峰值的变化比约化散射系数的变化高1.88倍,面积的变化比约化散射系数的变化高2.05倍.在495~505 nm处,骨密质和骨疏质的光谱斜率都为正值;在520~535 nm处,骨密质光谱的斜率为正值,而骨疏质光谱的斜率为负值.结果表明,通过光谱特性分析获得的峰值、面积和斜率因子能够有效地区分针道上骨密质与骨疏质的差异.     

椎弓根钉植入针道上骨组织光谱特性研究

运用光谱技术研究了椎骨组织不同位置的特征识别因子.光谱采集系统由双光纤手钻一体式探头(光纤芯径200μm,中心距离0.5mm)、卤素光源(波长360～2 000nm)、光纤光谱仪(检测波长为200～1 100nm)和计算机组成,可以同时获得生物组织的漫反射光谱和约化散射系数.以猪椎骨为实验对象,测量椎弓根螺钉植入针道上不同骨组织的漫反射光谱和约化散射系数,并对光谱进行特定波长的峰值、面积、斜率分析,获得特性识别因子.研究发现,椎弓根钉植入针道上不同骨组织的光谱表现出不同的变化特性.其中峰值的变化比约化散射系数的变化高1.88倍,面积的变化比约化散射系数的变化高2.05倍.在495～505nm处,骨密质和骨疏质的光谱斜率都为正值;在520～535nm处,骨密质光谱的斜率为正值,而骨疏质光谱的斜率为负值.结果表明,通过光谱特性分析获得的峰值、面积和斜率因子能够有效地区分针道上骨密质与骨疏质的差异.     

基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究

大气气溶胶吸收太阳辐射,直接影响地气系统辐射平衡,降低能见度,改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势,是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关,为了探究不同标定方案的差异,选择NO₂气体(532 nm)和单分散苯胺黑气溶胶(532、 1 064 nm)分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中,单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论,结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明：NO₂气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间,与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、 1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近,在其他粒径处存在一定差异。尽管NO₂气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征,对于同一标定系统,标定气体和气溶胶性质、状态不...     

复杂混合溶液成分高光谱分析的可行性

采用高光谱技术对复杂混合溶液进行检测分析,同时利用被测物质的吸光度和散射特性信息以提高光谱的信噪比。实验设计了高光谱采集装置,采集生物组织模拟液(Intralipid-10%)的漫反射高光谱图像,并用Monte Carlo方法和漫射近似理论对其进行了正向和反向推导,获得了632nm波长下,Intralipid-10%吸收系数为0.002 0cm-1,与标准参数相对误差为11.1%;约化散射系数为63.35cm-1,与标准参数相对误差为6.49%,基本符合标准参数的误差范围,验证了该高光谱检测系统的准确性。还利用该高光谱系统对不同厂家出品的牛奶、果汁等样本进行了高光谱采集,得到不同样本间差异较传统二维光谱更为明显的结果,充分证明了高光谱方法在复杂混合溶液成分分析中具有很强的可行性。     

基于稳态空间分辨光谱技术的猪肉嫩度测量方法研究

猪肉嫩度是肉的主要感官和食用品质之一,常规嫩度测试方法费时繁琐,难以达到大批量快速无损检测。基于组织光学原理和稳态空间分辨光谱技术,首先采用多通道可见近红外光谱仪检测猪背最长肌样品,获得样品的约化散射系数;之后每个样品一分为二,其中一块鲜肉用C-LM4型嫩度仪测试,另一块按常规测试方法测试。研究结果表明700 nm波长点处样品约化散射系数与鲜肉剪切力值线性回归R2=0.834 9,鲜肉剪切力值与按常规测试方法剪切力值线性回归R2=0.771 6。因此,可以用鲜肉约化散射系数来得到猪肉嫩度,获得和常规嫩度测试方法同等效果;采用基于组织光学的稳态空间分辨光谱技术直接预测猪肉嫩度,可以实现快速无损检测的目的。     

热凝固致人肝组织光衰减和光穿透深度的变化

采用双积分球和反向倍增法(IAD),研究了热凝固致人肝肿瘤及正常人肝组织对680, 720,780,810, 850, 890 nm波长的钛宝石激光的光穿透深度和光衰减特性的变化。结果表明：6个波长的激光的热凝固前后的肝肿瘤和正常肝对光穿透深度都随着激光波长的增大而明显增大,热凝固后的激光穿透深度都分别显著地较热凝固前的穿透深度小(P＜0.05),6个波长的激光对热凝固前后的肝肿瘤的光穿透深度都分别显著地较热凝固前后的正常肝穿透深度大(P＜0.05)。热凝固前后的人肝肿瘤和正常肝对6个波长的激光的衰减都是随着激光波长的增大而明显减小,热凝固后的人肝肿瘤和正常肝的光衰减都分别显著地较热凝固前的衰减大(P＜0.05),热凝固前后的肝肿瘤对光的衰减也都分别显著地较热凝固前后的正常肝衰减大(P＜0.05)。     

采用DNA和蛋白质吸收带的Kubelka-Munk光谱函数检测人结肠腺癌

采用DNA和蛋白质吸收带的Kubelka-Munk光谱函数对人结肠腺癌进行了鉴别诊断,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱。结果表明：在250～650 nm,结肠上皮组织的癌变导致其上皮组织在DNA吸收带的Kubelka-Munk光谱函数f(r_∞)及其对数log[f(r_∞)]的平均值在260 nm处都有非常显著性的差异,其差异分别为218%(p＜0.05)和68.5%(p＜0.05)。结肠上皮组织的癌变导致其上皮组织在蛋白质吸收带的Kubelka-Munk光谱函数f(r_∞) 及其对数log[f(r_∞)]的平均值在280 nm处也都有非常显著性的差异,其差异分别为208%(p＜0.05)和59.0%(p＜0.05)。结肠上皮组织的癌变导致其上皮组织在β-胡罗卜素吸收带(480 nm处)的Kubelka-Munk光谱函数f(r_∞) 及其对数log[f(r_∞)]的平均值在480 nm处也都有非常显著性的差异,其差异分别为41.7%(p＜0.05)和32.9%(p＜0.05)。可见,结肠上皮组织的癌变导致其上皮组织中的DNA、蛋白质和β-胡罗卜素的含量都发生了非常显著的变化。这结论为快速、低成本、非入侵的结肠腺癌的光活检提供一些有益的参考。     

CdTe量子点的光谱特性及其应用

研究了水相CdTe量子点的共振散射光谱、荧光光谱和吸收光谱特性。结果表明,随着量子点粒径(d)的增大,CdTe量子点的荧光峰(λ_F)发生红移,吸收峰也发生红移,且吸收峰(λ_A)的峰形变宽、吸光度(A)降低,λ与ln(d)均存在较好的线性关系。其函数关系为λ_A =126.74 ln(d)+395.92和λ_F=155.01 ln(d) +415.5。共振散射光谱研究表明, 共振散射波长λ_R与CdTe量子点粒径（3.8～8.6 nm）的对数存在较好的线性关系,线性回归方程为λ_R=148.37 ln(d)+418.08, 相关系数为0.995 2,而且同一粒径的CdTe量子点,共振散射强度与CdTe量子点的浓度也存在良好的线性关系,粒径为3.8 nm的CdTe量子点在波长597 nm处的线性范围,回归方程,相关系数分别为：22.5～180.0 μmol·L-1;I_{597 nm}=0.572 1c+5.884,0.997 5。共振散射光谱法作为检测CdTe量子点粒径的一种新方法,具有简便快速及较好的应用价值。     

兔红细胞的共振散射光谱研究

研究了液相兔血红细胞的共振散射光谱 (RSS)及非线性分频散射和倍频散射。兔红细胞浓度在0 0 15～ 31 1× 10 6个·(mL) -1范围与共振散射光强度成线性关系。对非线性散射机理进行了探讨。     

人膀胱粘膜/粘膜下层组织病变致组织漫反射光谱的变化

研究了人正常膀胱和浅表性膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织在300～900nm光谱范围的漫反射光谱特性及其差异,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱.结果表明,在300～900 nm,正常膀胱的粘膜/粘膜下层对任一个波长的漫反射率都明显地较癌变的粘膜/粘膜下层对相应波长的要大.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在370 nm、520 nm、550 nm和660nm,其峰值分别为52.4%、60.7%、56.1%和75.5%.而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在320 nm、520 nm、550 nm和660 nm,其峰值分别为43.7%、33.4%、30.6%和70.2%.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处有一个峰,而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处没有峰,320 nm处有一个峰.而正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在320 nm处没有峰.膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的漫反射光谱在520 nm、550 nm和660 nm处的峰的峰值分别减小了45.0%、45.5%和7.02%.说明膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的组分和结构尤其足组织中的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量发生了明显的改变.     

水体细菌微生物多波长透射光谱特征分析研究

多波长透射光谱能够反映出样品细胞大小、形状、内部结构和化学组分等丰富而独特的信息,是微生物快速、实时、在线检测与识别的有利工具。将多波长透射光谱技术应用于水体致病性细菌微生物的快速有效检测对控制水体细菌微生物污染及保护饮用水源水质安全具有重要的现实意义。为了建立及发展基于多波长透射光谱技术的水体致病性细菌微生物快速有效的检测方法,采用紫外-可见分光光度计获取了多种水体致病性细菌微生物(如： 肺炎克雷伯氏菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)在200～900 nm波段的多波长透射光谱,对比分析了不同细菌及同种细菌在不同浓度时的多波长透射光谱特征。结果表明： 对于同种细菌,当细菌浓度发生变化时,400～900 nm波段透射光谱形状较为一致,并且在400,450,500和550 nm波长处的光密度值与浓度具有很好的线性关系,该波段由细菌体的散射起主要作用;但在200～400 nm波段范围内,细菌透射光谱的形状随细菌浓度的变化而变化,在200,258,300和350 nm波长处的光密度值与细菌浓度分别具有很好的二次多项式关系。根据微粒的Mie散射理论,采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘方法对测得的四种细菌透射光谱进行了散射光谱和吸收光谱拟合,并对比分析了不同细菌散射光谱特征和吸收光谱特征,结果表明： 四种细菌散射光谱的特征峰均在245 nm波长处,但该波长处的光密度值具有明显差异性,这与不同细菌外部结构及内部结构细胞器的大小、形状等不同有关;而四种细菌吸收光谱特征峰均在260 nm波长处,且不同细菌在240～400 nm波段内吸收光谱也具有明显差异性,这与不同细菌细胞内的核酸、蛋白质等化学组分含量不同有关。该研究表明对于不同种细菌及具有不同浓度的同种细菌,测得的多波长透射光谱及计算出的散射光谱和吸收光谱特征都具有明显的不同,通过多波长透射光谱解析可以获得细菌多种特征参数,多波长透射光谱可以被用于快速有效检测水体中的致病性细菌微生物。该研究为发展水体细菌微生物快速在线监测仪提供了重要依据。     

Spectroscopic and morphological study of laser ablated Titanium

The optical characteristics of biological tissues sampled from the anterior abdominal wall of laboratory rats are for the first time experimentally studied in a wide wavelength range (350-2500 nm). The experiments have been performed in vitro using a LAMBDA 950 (PerkinElmer, United States) spectrophotometer. Inverse Monte Carlo simulation is used to restore the spectral dependences for scattering and absorption coefficients, as well as the scattering anisotropy factor for biological tissue based on the recorded spectra of diffuse reflection and total and collimated transmissions.