单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究（英文）

血氧饱和度(SO_2)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO_2)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO_2]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO_2)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

基于紫外吸收光谱技术的混合气体SO2和H2S浓度的实时监测

采用紫外波段吸收光谱检测技术,实现了SO₂和H₂S混合气体各组分浓度的实时监测。在实验中选用氘灯为测试光源,MAYA2000Pro光谱仪用于采集数据。基于光谱的峰谷特性,选择吸收光谱上波长非常接近的两个来推导SO₂气体的浓度公式,该方法可以忽略其他气体散射和吸收的影响。H₂S气体的吸收光谱可以通过减去混合气体中相应的SO₂气体吸收光谱获得。在常温常压下,H₂S气体的浓度可以从H₂S气体的吸收光谱的吸收峰获得。混合气体的测量精度约为1×10^-6(1 ppm)。基于上述方法,实现了混合气体SO₂和H₂S浓度的实时监测。     

传感器几何结构对近红外组织氧合检测仪灵敏度的影响

近红外组织氧合检测仪基于强散射条件下修正的朗伯－比耳吸收定律,通过连续记录多个近红外波长下光密度随生理状态的变化,从而可达到对人体组织中光的吸收体（氧合血红蛋白,还原血红蛋白,细胞色素氧化酶等）浓度变化的定量检测。本文利用蒙特卡罗仿真方法对光在多层生物组织模型中的平均穿透深度、光子平均飞行距离和空间灵敏度分布进行了仿真,结果表明,传感器几何结构,即光源与光检测器之间的距离是影响检测灵敏度的重要因素     

基于光声光谱技术的NO,NO2气体分析仪研究

NO, NO₂是大气污染源中的常见气体, 对环境具有严重的危害性. 为检测污染源中这两种气体的浓度, 构建了成本较低的基于红外热辐射光源的光声光谱气体检测系统. 分析计算得到了NO, NO₂ 在2500–6667 nm波段吸收谱线. 通过建立光声传输线RLC振荡电路模型和仿真得到品质因数、声压大小与谐振腔长、内腔半径以及调制频率的关系, 据此设计了光声池几何结构. 实验表明该系统所测得的光声信号与气体浓度有很好的线性关系, 并且对NO, NO₂气体极限检测灵敏度分别达到4.01 和1.07 μL. 通过调节激光发射波长和选取滤波片, 该系统还可用于其他微量气体的浓度检测. 关键词： 大气污染 光声光谱 气体检测     

简易脑功能近红外光谱系统设计

功能近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)是一种无损的脑成像技术,经过20年的发展,已广泛应用于认知神经科学研究领域。基于神经血管耦合机制,与功能相关的大脑神经活动增强会引起局部脑血流量的升高,进而引发血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度相应的变化,间接反映了大脑中神经激活程度。研制了一套基于多功能采集卡的单通道连续波fNIRS系统。在该系统中,选择激光二极管作为光源具有较好的单色性和较低的发散角,690和830 nm波长的组合有助于降低发色团之间的串扰。频分复用技术用于区分来自不同光源的信号,同时也消除了环境光、工频干扰等特定频率的噪声源。利用LabVIEW软件平台实现了光源的时序控制、自动增益调节、数字正交相干解调,以及数据可视化与存储等功能。屏气和心算实验结果表明,该系统可用于监测大脑局部血红蛋白浓度的实时变化,并可以检测与高级脑功能相关的激活。     

基于NIRS-ICG的脑血流量无创测量

临床上脑血流量(cerebral blood flow, CBF)等脑血管血流动力学参数是脑血氧水平及脑血管储备功能诊断依据,现有检测手段存在技术复杂及相应试剂或设备不适用于所有诊断人群等缺点。为解决以上问题,利用近红外光谱技术(NIRS)结合吲哚青绿(indocyanine green, ICG)脉搏色素浓度法,研究了一种无创、快速、可重复测量的脑血流量床旁检测方法NIRS-ICG。该方法根据静脉注射ICG后脑组织及脑动脉血流中三种主要吸光色团氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO₂)、还原血红蛋白(reduced hemoglobin, HbR)及ICG的浓度变化情况,建立脑组织及脑动脉血流中ICG积累量及引入量模型,以获得脑血氧及CBF等脑血流动力学参数。为验证该方法的可行性,将NIRS-ICG应用于血碳酸正常及高碳酸血症病理模型的实验猪的脑血流情况检测。具体方法是：分别对四组实验猪用按0%,3%,6%,9%比例调制的CO₂和空气混合气体施行机械通气,静脉快速推注ICG后,利用NIRS-ICG方法测量CBF、脑动脉血氧饱和度(cerebral arterial oxygen saturation, SaO₂)及脑血管管床平均循环时间(mean transit time, MTT)。实验结果表明,NIRS-ICG测得的CBF随CO₂比率升高而升高,SaO₂随着CO₂比例的升高而降低,MTT并无显著变化,与生理变化一致。因此,该方法可为脑血氧及脑血管储备功能诊断提供可靠依据。     

多重散射团簇方法对吸附系统SO2/Ag(110)的理论分析

利用多重散射团簇方法(MSC)对吸附系统SO₂/Ag(110)的S原子K边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)作了理论分析.研究表明,覆盖度为0.5时,吸附的SO₂的S—O键长比气体状态时增长了(0.014±0.006)nm,OSO键角减小了15°±5°;SO₂分子的S原子处于芯位,但两个O原子处于不对称的位置;分子平面与(110)的夹角约为52°,同时分子平面相对衬底表面法线有一小角度的倾斜.MSC计算证实了该吸附系统存在一介于π^{关键词： X射线吸收精细结构 2/Ag(110)')" href="#">吸附系统SO₂/Ag(110) 多重散射团簇方法}     

SO2/Ni(111)吸附系统局域结构的多重散射团簇理论研究

用多重散射团族方法对SO₂/Ni(111)吸附系统的S原子ls近边X射线吸收精细结构进行了详细的计算和分析,求得吸附系统的局域结构。研究结果证实了SO₂分子在Ni(111)表面是平铺吸附的,其最佳吸附位为fcc三度芯位。吸附分子的S—O键长比气体状态时增长了(0.007±0.002)nm,分子键角∠OSO减小了10°,SO₂距衬底的吸附高度为(0.20±0.02)nm。理论计算与两组实验结果进行了直接比较。 关键词： 局域吸附结构 X射线吸收精细结构 2/Ni(111)')" href="#">吸附系统SO₂/Ni(111) 多重散射团簇方法     

基于离散三维荧光光谱的糖尿病识别方法研究

基于皮肤荧光光谱技术的糖基化终产物（AGE）检测方法被广泛用于糖尿病及其并发症的检测评估,然而生物组织体内特异性的吸收、散射特性以及多种荧光成分对于检测会产生干扰。本研究通过分析人体皮肤组织常见荧光成分的三维荧光光谱,确定皮肤组织荧光光谱测量的最佳激发波长组合,搭建集成组织漫反射光谱测量模块的离散三维荧光光谱测量系统,研究基于扩散理论的组织生理参数提取方法以及基于高斯多峰拟合的离散三维荧光光谱分离方法。在此基础上,开展临床社区队列研究,结果表明糖尿病组的黑色素、脱氧血红蛋白相对浓度均值低于正常对照组,而500 nm处约化散射系数高于正常对照组,差异有统计学意义,氧合血红蛋白相对浓度无明显差异。基于高斯多峰拟合,每位受试者共计得到78个荧光特征,剔除差异不明显的特征（p>0.1）,最终得到50个荧光特征。汇总有差异的组织生理参数和荧光特征,采用Logistic回归分析建立糖尿病筛查模型,受试者工作特征（ROC）曲线分析结果显示,该方法用于糖尿病识别时,预测训练集ROC曲线下面积为0.793,预测测试集的面积为0.799,而单波长皮肤荧光(Sf₃₆₅)的面积为0...     

污染气体浓度二维空间分布的紫外成像方法

介绍了一种新型的、针对污染源中特定污染气体在紫外波段的成像方法,该方法基于朗伯比尔吸收定律,结合紫外带通滤光片分光,能以较高的时间分辨率和空间分辨率直观再现污染气体浓度在空间的二维分布。以SO₂气体作为研究对象,在实验室内搭建了测量系统;阐述了该成像技术的测量方法,分析了该方法的线性响应,实验结果表明该方法的线性响应良好,响应系数R2高达0.985;探讨了该成像方法在不同成像区域内的灵敏度变化,其差异在1%～3%;讨论了成像方法获取柱浓度的准确性,实验室分析结果显示误差约为1%, 准确性较高;最后分析了该成像方法的检测限并且根据线性最小二乘拟合方法解析出目标气体SO₂在样品池横截面上的二维空间分布。     

Single-wavelength functional photoacoustic microscopy in biological tissue

Recently, we developed a reflection-mode relaxation photoacoustic microscope, based on saturation intensity, to measure picosecond relaxation times using a nanosecond laser. Here, using the different relaxation times of oxygenated and deoxygenated hemoglobin molecules, both possessing extremely low fluorescence quantum yields, the oxygen saturation was quantified in vivo with single-wavelength photoacoustic microscopy. All previous functional photoacoustic microscopy measurements required imaging with multiple-laser-wavelength measurements to quantify oxygen saturation. Eliminating the need for multiwavelength measurements removes the influence of spectral properties on oxygenation calculations and improves the portability and cost-effectiveness of functional or molecular photoacoustic microscopy.     

In vivo integrated photoacoustic and confocal microscopy of hemoglobin oxygen saturation and oxygen partial pressure

We developed dual-modality microscope integrating photoacoustic microscopy (PAM) and fluorescence confocal microscopy (FCM) to noninvasively image hemoglobin oxygen saturation (sO?) and oxygen partial pressure (pO?) in vivo in single blood vessels with high spatial resolution. While PAM measures sO? by imaging hemoglobin optical absorption at two wavelengths, FCM quantifies pO? using phosphorescence quenching. The variations of sO? and pO? values in multiple orders of vessel branches under hyperoxic (100% oxygen) and normoxic (21% oxygen) conditions correlate well with the oxygen-hemoglobin dissociation curve. In addition, the total concentration of hemoglobin is imaged by PAM at an isosbestic wavelength.     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

Toward assessment of blood oxygen saturation by spectroscopic optical coherence tomography

The use of spectroscopic optical coherence tomography to assess hemoglobin oxygen saturation of whole blood is investigated. We propose to use the differential attenuation coefficient to determine the degree of saturation. Our data show qualitative agreement between the measured differential attenuation coefficients as a function of saturation and predictions based on the oxygen-saturation-dependent absorption and scattering properties of blood.     

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。     

Co-registration method for photoacoustic imaging and laser speckle imaging

Combining photoacoustic (PA) imaging with laser speckle (LS) imaging (LSI) can simultaneously determine total hemoglobin concentration (HbT), hemoglobin oxygen saturation (SO2), and blood flow rates. Thus,the co-registration of PA and LS images is important in physiological studies and pathological diagnosis.This letter presents a co-registration algorithm combining mutual information with the maximum betweenclass variance segmentation method (Otsu method). The mutual information and Otsu method are used to provide the registration measure criterion and image feature recognition, respectively. The evaluation results show that the registration function possesses a single maximum peak and high smoothness across the global co-registration district, indicating a robust behavior. Moreover, this method has good registration accuracy, and the fusion result simultaneously visualizes the separate functional information of two kindsof images.     

光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景, 信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势。     

Single-fiber diffuse optical time-of-flight spectroscopy

We demonstrate interstitial diffuse optical time-of-fight spectroscopy based on a single fiber for both light delivery and detection. Detector saturation due to the massive short-time reflection is avoided by ultrafast gating of a single photon avalanche diode. We show that the effects of scattering and absorption are separable and that absorption can be assessed independently of scattering. Measurements on calibrated liquid phantoms and subsequent Monte Carlo-based evaluation illustrate that absorption coefficients can be accurately assessed over a wide range of medically relevant optical properties. Our findings pave the way to simplified and less invasive interstitial in vivo spectroscopy.     

基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器

可调谐激光器在光纤传感和光纤通信中有着广泛的应用，引起了人们的广泛重视。设计并搭建了基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器系统。通过FPGA设计的基于DDS (direct digital frequency synthesis)函数信号发生器与模拟放大电路结合产生的驱动电压，调节FFP-TF2腔长的变化，进而改变激光器的输出波长。该系统可以实现对FFP-TF2单点电压和扫描电压的驱动，从而激光器可以输出单波长激光和多波长扫描激光，在激光器输出波长1 532 nm~1 568 nm范围内，可以调节单波长输出，也可以调节多波长扫描范围，且两种模式可以切换使用。实验结果表明，激光器输出3 dB线宽基本保持在0.01 nm左右，激光器输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.934%，灵敏度为3.915 nm/V，而FFP-TF2输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.986%，灵敏度为4.021 nm/V，激光器输出中心波长相对FFP-TF2的误差为2.6%，说明该激光器系统输出波长具有线宽窄、稳定性好、灵活性高等优点。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).