超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性,如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等,在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义,而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化,精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题.本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型,阐述了时域、频域测量的等效性,从无限空间几何结构出发,逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示,在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法.     

光学CT二维正向问题有限元法数值模拟的研究

简述了光学ＣＴ正模型的有限元解理论，给出了二维圆形组织体光学ＣＴ正问题的有限元法解的数值模拟结果，该结果对于生物组织体内光子传输行为以及光ＣＴ逆问题的理论和实验研究具有重要的指导意义。     

求解光学CT图象重建问题的广义脉冲谱技术研究

间接法是目前实现医学诊断用近红外光三维成象(光CT)的最有潜力的手段之一.该方法基于以下假设,即给定分别对应于不同点激励源作用下成象组织体表面各点的传输光测量.在组织体内存在着与上述检测量相对应的、唯一的光学参数三维分布.由此,图象重建变成了特定光子传输模型的逆问题.本文提出采用广义脉冲谱技术(Generalized Pulse Spectrum Technique,GPST)进行光学CT图象重建逆问题的求解.给出了GPST在扩散方程光子传输模型逆问题求解中的具体实现,数值实验结果表明,通过选择合适的复频率点,采用GPST算法的图象重建结果优于其它现有算法,且响应时间合理.最后,本文还初步讨论了吸收和散射系数重建中复频率点选择的一些基本原则。     

光在多层匹配生物组织中的时域传输模型

建立了匹配介质的n层半无限厚频域方程的解，并对频域进行傅里叶变换，计算出时域方程的时间分辨漫反射（Time-resolved Reflectance）.为检验漫射模型的准确性,将时间分辨漫反射与蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟结果进行了比较,结果表明两者符合得很好.研究表明：该时域漫射模型可以判断生物组织和病变的光学特性.     

基于微激励光学相干弹性成像的角膜固频在体测量

非侵入式角膜在体弹性测量具有重要临床意义却尚无金标准。提出了基于光学相干层析(OCT)的光学相干弹性成像方法(OCE),实现了微气体(压强为10～40 Pa)脉冲激励下软组织的亚纳米-微米级振幅力学响应的高分辨观测。结合时域恢复曲线拟合模型(R-Model)和频域单自由度振动模型(SDOF-Model),测量了浓度(质量分数)为1.0%～2.0%的琼脂仿体和两名志愿者角膜的固有频率。测量结果表明：固有频率值不受激励压强大小的影响，且与杨氏模量的平方根正相关(皮尔逊相关系数为r≥0.98);SDOF-Model具有更好的可重复性，其平均离散系数(CV)为0.9%(琼脂仿体)和1.7%(人眼角膜),而R-Model的平均CV则高达8.4%(琼脂仿体)和42.6%(人眼角膜),即基于SDOF-Model的微激励OCE方法更适合人眼角膜固有频率的在体测量。     

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。     

新生儿脑部光学参数的无损检测

生物组织的光学参数与组织中各种生化、生理以及病理过程密切相关。利用频域近红外光谱技术,使用一个140 MHz的射频振荡源对不同波长的半导体激光管进行调制,通过精确测量距离光源一定距离处光子密度波的相位延迟和幅度衰减,并借助于一个光学参数已知的校准模型,实现了对23个新生儿头部组织光学参数的定量测量。并且根据两个波长(788和832 nm)下的吸收系数的测量结果进一步得到了新生儿脑部组织的生理学参数。实验结果表明,这种便携式的频域近红外光谱系统可以有效地获取新生儿头部的光学和生理学参数。     

组织光学概要

组织光学是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科．文章综述了组织光学的产生背景、发展状况、基本概念、主要理论方法和研究内容，并说明了它的应用前景．     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学 ＣＴ技术因其对生物组织体的无损性，在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究，已提出许多方案，意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍．本文简述了基于扩散方程近似的光学ＣＴ正向问题有限元解法，提出采用直接搜索优化算法一Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ坐标轮换法求解时间分辨光学 ＣＴ中的图象重建问题，给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果，证实了该方法的可行性．     

有限宽光束在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

基于光在生物组织中的传输理论,研究有限宽光束在生物组织中的传输特性.利用入射光强与格林函数进行卷积计算,推导了有限宽光束在圆柱坐标系下的光传输过程,给出了有限宽光束的光传输方程.以高斯光源和平圆光源为例,进一步给出了两种光源的有限宽光束在生物组织中的光传输方程.介绍了Monte Carlo方法原理及模拟光在多层生物组织中的传输过程.给出了典型三层生物组织的散射系数、吸收系数和折射率等光学参数.利用Monte Carlo方法模拟了有限宽光束在三层生物组织中的传输特性,对比研究了高斯光源和平圆光源有限宽光束在三层生物组织传输时光学参数漫透射率、漫反射率和光能流率的变化规律.这些参数的变化规律可为光在生物组织传输的实际应用提供理论指导.     

非球面系统中高斯光束传输的数值计算

高斯光束的理论公式从整体上描述了光束的传输特性,但并没有描述光束内每一光子的传播行为。基于高斯光束的单叶双曲面特性,建立了一个新的高斯光束光子传输模型。该模型将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,光子传播方向是在过该光子初始发射点的双曲面的两条直母线中等概率选择。基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值计算效率高。     

激光应用 激光医学

R318．51 2005042578 生物组织光学参数的离体和在体无损测量=In vitro and in vivo noninvasive measurements for the optical properties of the biological tissues[刊,中]／张琳(南开大学物理科学学院,光子学中心,天津(300071)),张连顺…／／光子学报,-2004,33(11),-1377-1381 利用漫反射无损测量装置对实际生物组织的光学性质进行了测量。同时对人体前臂进行了在体测量,利用漫射近似所得到的两个解析表达式,对实验数据进行非线性拟合得到了两组光学特性参数,与其它文献中的结果相比     

接触压力作用下皮肤形变对于漫反射光谱测量影响研究

人体成分无创光谱检测过程中,测量条件特别是探头压力造成的组织形变在一定程度上影响光谱测量结果。利用物理模型与仿真方法,定量分析了探头接触压力作用下皮肤组织应变,及光学参数与漫反射光谱变化。首先,在多层皮肤组织物理复合模型基础上,结合生物组织固液两相组成特性,定量分析了压力作用下各层皮肤组织形变大小以及成分变化。该模型将皮肤力学模型简化为固态弹性结构及包含于其中的牛顿流体,利用有限元方法,分别模拟不同压力作用下多层皮肤组织应变大小及时间特性,并根据各层组织体积及水含量变化,定量计算其散射系数及吸收系数改变。然后,利用Monte Carlo方法模拟压力作用前后光在组织中传输过程,定量分析了探头压力对漫反射光谱中所包含人体成分检测有效信息的影响。实验结果表明,在光纤探头接触压力作用下,人体皮肤组织中真皮层厚度变小,自由水体积减小,引起散射特性及光子传输路径改变,使得漫反射光谱中所包含的有效光谱信息下降。该研究结果为优化人体漫反射光谱测量策略,提高测量准确性以及重复性提供了参考。     

线光束照射下局部病变组织背散射场角分布研究

将内含异质层的半无限生物组织作为研究线光束照射下局部病变组织背散射场的近似模型，在此基础上，引入倍加算法对线光束照射下局部病变组织背散射场角分布进行数值计算。根据数值计算结果，分析了不同组织层几何参量和光学参量对背散射场角分布的影响，结果表明：“病变组织层对背散射场中小角度光的影响明显大于对大角度光的影响；背散射场的角分布对病变组织的几何参量(埋藏深度和光学厚度)较为敏感，而对病变组织光学参量亦即病变组织性质的差异敏感度较低。”同时还对含肿瘤的乳房组织的背散射场角分布进行了计算和分析，为将背散射场角分布应用于组织内隐藏异物的无创伤诊断提供了理论参考。     

双折射光子晶体光纤传输特性分析

采用时域有限差分法对光子晶体光纤导模的传输特性进行数值分析,通过该法可得到任意横向结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性。为提高精度,在计算中应用了各向异性完全匹配层作为吸收边界条件。光子晶体光纤的传输特性完全由其横向结构决定。用时域有限差分法对一类对称结构和两类非对称结构光子晶体光纤进行了数值分析,计算结果表明经合理设计的非对称结构光子晶体光纤中可存在较高的双折射(其双折射可达0．07)。表明时域有限差分法可有效应用于分析和设计具有特定色散和偏振特性的光子晶体光纤。     

基于图像处理的频域有限差分法用于实际光子晶体光纤的研究

提出了一种基于图像处理算法和频域有限差分法相结合研究实际光子晶体光纤的数值分析方法.该方法针对实际光子晶体光纤由于结构不规则难以进行数值分析的缺点.采取首先对光子品体光纤的电镜扫描图像使用阈值分割和维纳滤波等图像处理算法获得光纤截面的几何网像.然后使用图像插值及构造均值移动窗口滤波等方法实现了网格划分和介电系数平均等步骤,最后结合频域有限差分法对光纤特性进行分析计算.结果表明,该方法能够精确分析实际光子晶体光纤的色散特性.模拟得到的实际光子晶体光纤的模场分布与实验结果吻合很好.     

玉米油光学参数的太赫兹波精确测定研究

利用太赫兹电磁波时域光谱（THz-TDS）技术对玉米油进行了测量.考虑容器对参数测量的影响,使用传输函数逼近方法来计算分析玉米油的折射率、吸收系数等重要的光学参数.与传统的太赫兹电磁波数值计算方法比较,传输函数逼近方法在分析玉米油的光学参数方面具有很高精度.结果表明,该测量分析方法对植物油品质检测具有重要指导意义. 关键词： 太赫兹时域谱 玉米油 光学参数 吸收系数     

时域光学相干层析系统噪音分析和实验研究

本文从理论和实验上分析了存在拍频噪音时时域光学相干层析系统的噪音特性,给出了拍频噪音的具体估算方法.建立了描述一般时域光学相干层析系统实际噪音的简化模型,并给出了测量和寻找平衡探测光学相干层析系统最佳工作状态的方法.理论计算表明,平衡探测光学相干层析系统的信噪比受限于拍频噪音,理想情况下,最大信噪比可达100 dB左右|同时实验表明,如果实际的系统不能完全消除冗余噪音,其信噪比可能要比理论值小10~20 dB.本文的主要结果将可直接用于时域光学相干层析系统工作状态的测试和诊断当中,对频域光学相干层析系统噪音性能的分析和优化也将有所裨益.     

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。     

DMSO与噻酮对离体猪皮组织光学特性参量改变的定量分析

从定量的角度评价高渗制剂与组织光学特性参量改变的关系.利用FT-IR红外光谱仪与双积分球系统,对离体猪皮组织在促渗剂二甲基亚砜与噻酮作用下的光谱进行测量,并运用逆倍增方法计算得到组织的光学参量.结果表明:离体猪皮组织的光学特性参量(吸收系数和散射系数)随着高渗制剂作用时间的增加明显减小,光在组织中的穿透深度增加.由此可知猪皮组织的光学特性参量在两种促渗剂作用下随时间发生了动态改变,且噻酮具有比二甲基亚砜更好的清透效果.