基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法的模拟研究

温度变化是影响近红外无创血糖测量精度的主要因素之一。为降低温度变化对近红外漫反射光谱的影响,提出了一种基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法,即在漫反射光强对人体组织温度变化不敏感的源-探测器距离处进行光谱测量。利用Monte Carlo方法模拟了温度为30～40 ℃、葡萄糖浓度为0～300 mmol·L-1的皮肤组织在多个源-探测器距离处的漫反射光强。根据模拟结果,分析了人体皮肤组织模型中温度不敏感源-探测器距离的存在性及其受葡萄糖浓度变化的影响;比较了1 000 nm处温度恒定和温度变动时,不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性;进一步地,利用六个波长(1 000,1 050,1 100,1 150,1 350和1 410 nm)下的温度不敏感源-探测器距离及其他距离处的漫反射光强,建立了葡萄糖的偏最小二乘(PLS)模型,并比较了这些模型在温度恒定和温度变动时的预测精度。结果表明,在1 000～1 440 nm范围内,人体存在温度不敏感源-探测器距离,且葡萄糖浓度变化对该距离的影响可以忽略不计;当组织温度变化时,温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性及建模效果均明显优于其他源-探测器距离,基本接近样品温度恒定时的情况。研究表明,基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法能有效降低温度变化对漫反射光强的影响,有望提高近红外漫反射无创血糖测量的精度。     

光回馈Nd:YAG激光器中的多模跳变现象

研究了Nd:YAG激光器中光回馈引起的多模跳变现象.光回馈调制了激光器不同纵模的阈值增益，阈值增益最低的纵模获得振荡.在外腔调谐过程中，当振荡模式的阈值增益高于相邻模式的阈值增益时产生模跳变，光强调制曲线出现相应的波动.各跳变纵模在增益曲线上的位置不同，导致模跳变点位置不同，相应的光强调制曲线也不同.越靠近中心频率的纵模，其光强信号峰值越大，该纵模持续振荡时间也就越长.当两跳变纵模关于中心频率对称时，其光强信号峰值相等，纵模持续振荡时间也相等. 关键词： 自混合干涉 模跳变 光回馈 阈值增益     

基于CCD成像方法的激光束近场光强分布测试技术?

激光束近场光强分布是影响激光束特性的重要参数之一,为了使目前激光束近场光强分布的评价更加合理和科学化,对CCD直接测量法和漫反射屏测量法两种测量方法进行了研究,并分析了材料不同的漫反射屏对测量结果的影响。研究结果表明,漫反射屏材料的不同对测量结果有较大影响,并且漫反射屏测量法存在的散斑对测量结果影响也较大。两种测量方法比较表明CCD直接测量法测得结果更加客观,与真实值更加接近。     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

横截面上光强的精确表述

在考虑了时间平均能流密度的矢量特性的情况下，对光强的概念进行了推广－定义为单位时间单位面积内所流过的能量的时间平均值，从而使其中适用于任何一个连续的曲面，也能与光强子的实际测量值取得一致，这个推广的定义式表明，曲面上任一点处的光强值都不仅与该处理振幅有关，而且还和该处的时间平均能流密度与面元方向的夹角有关，作为一个重要的特例情况，文中还给横截面（垂直于光束传输方向）上的光强公式，这个结果可用来对非     

双光子光折变介质中非相干耦合亮-暗混合屏蔽孤子族

 根据光波耦合方程及亮-暗孤子对解,对稳态情况下多束互不相干的光束在有外加电场的双光子非光伏光折变晶体中的传播进行分析,给出产生亮-暗双光子光折变屏蔽光伏孤子族需满足的条件。证明有外加电场双光子非光伏光折变晶体中存在非相干耦合亮-暗混合屏蔽孤子族,孤子族由偏振态和波长都相同的多束互不相干的光形成。当外加电场方向和晶体光轴方向相同时,双光子光折变晶体可支持亮孤子族总峰值光强稍大于暗孤子族总峰值光强的的非相干耦合亮-暗混合孤子族,当外加电场方向与晶体光轴方向相反时,双光子光折变晶体可支持亮孤子族总峰值光强稍小于暗孤子族总峰值光强的非相干耦合亮-暗混合孤子族。     

对全息照相实验的研究与改进

采用有良好散射性能的荧光塑料玩具为被拍摄对象,去掉了物光光路中的扩束镜,大大地提高了物光的光强;去掉了参考光中的扩束镜,利用平面镜毛面的漫反射,减弱参考光的光强,使调节物光和参考光光强比在1／2-1／5之间更加方便快捷。实践证明,这种改进提高了全息照相的质量,保证了全息照相实验的顺利进行,使得学生实验成功率大大提高,取得非常好的实验教学效果。     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

风对光束控制系统内热效应的抑制作用

 用光强沿x轴方向呈线性变化的方形环状光束模拟高功率激光，利用自编四维仿真程序对高功率激光在光束控制系统中的传输作了详细的数值计算研究。结果表明：热效应使远场光束的峰值光强和可聚焦能力下降。入射光强的非均匀分布进一步降低峰值光强和可聚焦能力，导致远场光束重心和峰值光强位置移动，并产生像散。光束的非均匀程度越高，远场光束质量越差。横向风和轴向风对热效应均有抑制作用。然而，轴向风不会引起远场光束重心偏移和像散，但是轴向风比横向风建立稳态所用时间更长。     

漫反射接触测量中压力不敏感径向检测位置存在性研究

近红外无创漫反射检测中光纤探头与被测组织之间接触压力变化会导致测量准确性和稳定性较差。以压力不敏感径向检测位置采集漫反射光信号,以此削弱接触压力带来的测量误差,并在Monte Carlo模拟与在体实验中验证了压力不敏感位置的存在性。首先,结合人体皮肤结构模型和力学特性,建立了接触压力与皮肤组织参数之间的定量关系,并利用Monte Carlo模拟仿真分析了不同接触压力下1 000～1 320 nm波段内,不同径向检测距离处漫反射光强的变化;其次,搭建了基于超辐射发光二极管光源的多环光纤束检测系统,在体测量了三位志愿者在不同压力下的漫反射光信号。最后,评价了人体压力不敏感径向检测位置与其他位置处接收的光信号稳定性。模拟结果表明,在距入射径向距离1.3～1.5 mm范围内,接收到的漫反射光强近似不受压力变化影响,即存在压力不敏感径向检测位置。在体实验表明,在1 050,1 219和1 314 nm波长下均存在压力不敏感径向检测位置,位于距入射点0.78～1.0 mm范围内,初步验证了压力不敏感径向检测位置在人体的存在性,与其他径向位置相比,在压力不敏感径向检测位置处测得光强信号信噪比更高。因此,基于压力不敏感径向检测位置的测量方法可以有效降低接触压力变化对接收光谱的影响,有望提高近红外无创漫反射检测的精度。     

Determination of the Asymmetry Parameter and Scattering Coefficient of Turbid Media from Spatially Resolved Reflectance Measurements

We present a technique for determining the asymmetry parameter and scattering coefficient of turbid media from spatially resolved reflectance measurements. This technique will contribute to the development of medical applications in which it is necessary to predict the distribution and propagation of light in tissue. Based on Monte Carlo simulations, we derived correlations which relate the reduced scattering coefficient and the asymmetry parameter to the relative reflectance curve. Initial estimates of the optical properties are obtained from these correlations. Final values are obtained by adjusting the optical parameters and repeating the Monte Carlo simulations until the simulated reflectance pattern matches the measured reflectance pattern. Preliminary experimental results indicate that this technique can be used to determine the asymmetry parameter to within 10% and the reduced scattering coefficient to within 5%.     

边界条件对生物组织漫射光时域模拟计算的影响

采用蒙特卡洛方法与漫射近似相结合的杂合算法,在不同的边界条件下(零边界条件、外延边界条件、部分流边界条件),对板状生物组织模型的漫射光的时域分布进行了计算,计算结果表明:采用外延边界条件,在保证计算精度的基础上,和单纯的蒙特卡洛方法相比,较大地提高了运算速度.     

Estimating optical properties in layered tissues by use of the Born approximation of the radiative transport equation

We use the Born approximation of the radiative transport equation to recover simultaneously the absorption and scattering coefficients in a single layer of a two-layer tissue sample from reflectance data. This method reduces the estimation of both optical properties to a single linear, least-squares problem. It is valid over length scales smaller than a transport mean free path and hence is useful for epithelial tissue layers. We demonstrate the accuracy of this method by using spatially resolved reflectance data computed with Monte Carlo simulations.     

Method for noninvasive determination of hemoglobin content in biological tissues

We have developed a simple and efficient method for determining the hemoglobin concentration in biological tissues, based on spatially resolved measurements of the diffuse reflectance of the tissue at λ = 524, 578, and 662 nm (or 773 nm) using multiple regressions between the measured parameters and the hemoglobin concentrations. The method takes into account the presence in the blood of the major hemoglobin derivatives (oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin, and methemoglobin) and eliminates the effect of the parameters of the top layer of the biological tissue (for example, the epidermis of the skin) and the bulk scattering coefficient of the tissue on the measurement results. Based on numerical Monte Carlo experiments, we have estimated the uncertainties in determining the hemoglobin concentration in skin tissues when its structural and biochemical parameters are all variable.     

Simulation of spectral reflectances in human skin tissue using ray tracing and GPU-based Monte Carlo method

We study a simulation of spectral reflectance in human skin tissue using ray-tracing software and the Monte Carlo method on the basis of a graphics processing unit (GPU). An analysis of light propagation using ray-tracing software has several advantages in that it can readily reproduce the complex structure of skin tissue, such as grooves of the skin surface or the boundaries of skin tissue layers, and perform optical simulation with optical elements close to those in a real experiment using only the ray-tracing software. Meanwhile, it has a serious disadvantage in that the simulation time is extremely long because the algorithm is CPU-based. To overcome this disadvantage, we propose a simulation method using the ray-tracing software and a GPU-based Monte Carlo simulation (MCS). The results of the simulation are shown and discussed.     

用CCD测量生物组织的漫反射率和透射率

介绍CCD实验装置和用C语言开发的CCD图像分析系统 ,测量和分析了新鲜猪脂肪和猪肌肉空间分辨的漫反射率和透射率 ,将测量结果与MonteCarlo模拟结果以及基于漫射理论的两个模型的结果相比较 ,结果表明在距离光束中心 12mm的范围内理论结果与实验结果符合得较好。结论是用CCD测量装置以及作者所开发的图像分析系统可以用于测定生物组织的漫反射率和透射率 ,这项测量为生物组织光学参数的无损和快速测量提供了实验依据。     

大空间生物组织透射的Monte Carlo模拟方法的加速

乳腺等类型生物组织的透射Monte Carlo模拟(简称MC模拟)耗时很长,这主要是由于被模拟的组织较厚和Monte Carlo模拟自身统计特性引起的所需光子数量多造成的。针对光源与接收面在同一直线上,采用光纤接收透射光的模型进行分析,通过考虑生物组织自身的光学特性,进行了边界约束和有效后向散射次数的限制来缩短仿真时间,经过多次实验验证,以两次散射所到位置为分界,并充分利用组织光学参数计算约束边界,计算相对比较简单,同时考虑到入射与出射的实际情况进行微扩,从而得到的约束边界。对光学参数相同但厚度不同的组织进行仿真,分析进入同一位置光纤的光子数所发生后向散射次数,发现后向散射次数随着组织厚度与散射系数的增大而增大,随着吸收系数与各向异性因子的增大而减小,通过限定后向散射次数来节省时间。仿真结果表明,在传统计算机上,该方法能够显著缩短MC模拟的运算时间50%左右,尤其适用于较厚且边界较为复杂的高散射物质的MC模拟。该提速方法主要应用于光源与接收面处于同一直线,且生物组织较厚,散射系数较大的情况,能够有效节约仿真所需时间,有利于分析组织透射成像。     

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。     

Monte Carlo simulation of spectral reflectance using a multilayered skin tissue model

A nine-layered skin tissue model is newly developed for the Monte Carlo simulation of spectral reflectance. The derivation of the necessary parameters for each of the nine layers in the simulation is presented, in which the parameters used in the conventional three-layered model are modified on the basis of some histological findings on skin and reported examples. Using appropriate optical and geometrical parameters, simulated spectra can be produced that agree well with measured spectra. This approach provides a flexible means of spectral fitting to measured results and of estimating changes in the parameters of skin tissue.     

Anisotropy of light propagation in biological tissue

We investigated the propagation of light in biological tissues that have aligned cylindrical microstructures (e.g., muscle, skin, bone, tooth). Because of pronounced anisotropic light scattering by cylindrical structures (e.g., myofibrils and collagen fibers) the spatially resolved reflectance exhibits a directional dependence that is different close to and far from the incident source. We applied Monte Carlo simulations, using the phase function of an infinitely long cylinder, to explain quantitatively the experimental results. These observations have consequences for noninvasive determination of the optical properties of tissue as well as for the diagnosis of early tissue alterations.