基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

An experimental investigation on two-dimensional shape-based diffuse optical tomography

A two-dimensional （2D） shape-based approach of image reconstruction using a boundary element method is developed for diffuse optical tomography （DOT）. The experimental validation uses a four-channel time- correlated single photon counting （TCSPC） system for detection and an intensity data-type for image reconstruction. The optical and geometric parameters are simultaneously recovered using a difference imaging scheme. Results demonstrate that the proposed DOT modality is a promising methodology of in vivo reconstruction of the optical structures of tissues.     

基于多通道时间分辨光学层析成像系统的差分图像重建

报道了基于32通道时间分辨光学层析成像系统的差分图像重建结果,实验采用两个光参数与生物组织体大致相同的圆柱型模拟体,分别用于模拟新生儿头部和成人手臂,重建结果表明;采用差分测量的方法很好地重建出异质体的位置．尺寸及吸收系数相对于背景的变化;模拟和实验重建验证了所发展的二维,半三维重建算法的可行性;使用平均飞行时间作为数据类型,32个探测通道测量,比用强度作为数据类型或16通道测量更为准确地分出了两个相距20mm的异质体。结果表明目前的系统可以定性地重建出异质体的位置,尺寸,吸收系数的变化,展示该光学层析成像技术将在监测诸如血液含氧量变化,组织体涉氧新陈代谢等生理过程中具有良好应用前景,也对该种成像方法存在的问题及进一步改进的措施进行了讨论。     

被动锁模钛宝石激光器时序紊乱度的测量及控制

在实验研究的基础上提出了一套完整地用于测量被动锁模钛宝石激光时序紊乱度的方案,即：对于具有较小的时序紊乱度的激光器系统,频域法是主要的测量方法;对时序紊乱度较大的激光器系统的测量,频域法不再适合,而使用同步扫描相机的时域法具有更加精确的优点,采用腔长调变的方法对被动锁模钛宝石激光器的时序紊乱度进行了控制,使时序紊乱度由6．60ps降低到0．47ps。     

用于宫颈癌筛查的光电联合检测系统

为了提高宫颈癌的早期筛查效率以合理分配医疗资源,研制了基于光电联合检测的宫颈癌早期筛查系统.系统顶端放置的光电极手持探头采用电脉冲、红光、绿光及近红外光交替分时刺激宫颈组织,通过光电激励和测量,计算得到组织的光电学特征参数——电压衰减常数和相对反射率,用组织分类算法实现了宫颈癌变的判别.将313例临床检验数据与组织病理检验金标准比对,建立了光电激励下组织响应临床数据库.组织分类结果表明,光电联合检测方法比单独光或电的检测在灵敏度、特异性和总符合率上有较大的提高,与组织病理检验结果的对比表明本文所研发系统总符合率达85.1%,对早期宫颈癌的筛查尤其是落后地区宫颈癌的筛查具有重要意义.     

光电开关锁定机理的理论分析

光电开关锁定(lock-on)现象自1990年报道以来已受到广泛关注,许多学者研究其机理并已开展研究将其应用到高压脉冲发生系统中,但目前所有的研究尚处于起步阶段.本文就光电开关锁定机理作了较全面的理论分析,认为光电开关的锁定是光与电联合作用的结果,耿氏效应引起场强动态增强,光脉冲产生的光电子引起本征碰撞电离,从而比较完整地解释了光电开关处于锁定状态时的增益现象.     

亚纳秒光脉冲下GaAs光电开关行为的理论分析

本文对GaAs光电开关在亚纳秒光脉冲(650ps左右)触发下的性能作了理论分析。用计算机数值分析方法计算了光电开关的电导随光脉冲的变化过程,分析了光脉冲的能量、半宽度的涨落引起的光电开关的触发跳动、响应时间及幅度的变化规律。在合理选用参数时,用SPICE设计得到了上升沿为5kV/ns,触发跳动小于5ps的斜坡电压,从而证实了光电开关在亚纳秒光脉冲作用下的可行性。     

基于双积分球和锁相放大测量的近红外多波长光学参量测量系统的研究

介绍了一种基于近红外LD光源及锁相检测技术的双积分球组织光学参量测量系统,波长范围为1 300 ~1 600 nm,正弦电调制光信号,光开关切换不同波长.提出了积分球系统改进措施,测量了散射/吸收混合溶液在1 310 nm下的光学参量,结果显示,约化散射系数和吸收系数的测量相对偏差分别<5%和10%.