宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.     

OCT图像法测量折射率

基于光程匹配原理提出了一种用光学相干断层成像(OCT)系统获得的图像测量样品折射率的方法。通过分析光程匹配原理,给出用OCT图像法测量样品折射率的原理及过程。以玻璃载波片和黄瓜组织为样品进行实验。实验结果表明,用OCT图像法获得的载玻片和黄瓜组织的折射率测量值分别为1.499和1.353,与发表或已知的折射率结果相吻合,测试结果的随机误差可小于0.01。另外,使用OCT图像法通过短时间所采集的两幅图像可对横向扫描任意位置的折射率同时进行测量。该方法进一步简化了基于光程匹配原理的折射率测量法的过程,缩短了测量时间,是一种快速测量样品折射率的实用方法。     

提高全场光学相干层析系统成像质量的方法

报道了一套具有活体光学断层成像能力的全场相干层析系统(FF-OCT)。该系统基于Linnik白光干涉显微结构,使用非相干光卤钨灯照明,参考臂与样品臂采用完全相同数值孔径的显微物镜成像,实验测得的轴向分辨率为1.3μm,横向分辨率为0.89μm,640 pixel×480 pixel的CCD采集干涉信号得到的成像深度为80μm。描述了基于单片机控制的相位调制方式,采用该方法可提高成像速度(从60 s/frame提高到1 s/frame断层图)和图像信噪比(SNR),并用所获得的洋葱表皮细胞的断层图(SNR从18.36 d B提高到23.30 d B)和三维图像验证其有效性。探究了由于大数值孔径显微物镜和折射率不匹配产生球差的原因并给出补偿方法,实验结果表明,补偿后的断层图像呈现了更多的细节(SNR从25.41 d B提高到29.54 d B)。利用该系统还实现了人体手指皮肤在体细胞水平的细微结构断层成像。对人体肝组织进行成像表明,所研制的FF-OCT系统有分辨正常组织与肝癌组织的能力,从而证明了研制的全场光学相干层析系统在癌症诊断领域的价值。该系统的研制为取代冰冻切片检测的快速辅助诊断手段奠定基础。     

氢化物发生-原子荧光光谱法同时测定生物体中的Hg和As

建立氢化物发生-原子荧光光谱法同时测定生物体中Hg和As的方法,在最佳的实验条件下,经过平板加热和微波消解样品多次实验比较,常压消解法和微波消解法对标准样品分析的结果均符合要求;其中常压消解法Hg、As的相对标准偏差分别为6.2％和4.0％;微波消解法Hg、As的相对标准偏差分别为4.6％和3.4％.两种方法都能满足海洋生物体中Hg和As含量的测定要求,具有分析速度快、操作简便、检验效率高等特点.     

一种金属腔体中微波断层成像的最优分层非均一背景

针对基于金属腔体的微波断层成像系统,提出了一种最优分层非均一背景的设计方法.该方法使用一种新的微波断层成像积分算子评价方法和模拟退火法等最优化方法.首先,介绍了一种基于有限元法的微波断层成像积分算子计算方法.然后,提出一种新的微波断层成像积分算子度量,该度量可以综合评价整个积分算子奇异值谱,并通过一组仿真研究证明该度量与反演结果的误差具有相关性;该度量用一个数值综合评价一个积分算子,可以方便地应用于最优化算法中;利用模拟退火法选择圆形金属腔体中分层非均一背景的每一层介质的相对介电常数,从而获得一个最优分层非均一背景.最后,对尺寸小于半波长的圆柱目标和"凹"字形复杂目标进行仿真研究,仿真结果证明该最优分层非均一背景可以提高微波断层成像算法的收敛速度,提高反演结果的准确性.     

利用变偏振光谱技术实现显微成像深度选择

在正交偏振光谱(OPS)微循环成像系统的基础上,提出了通过改变信号光的偏振态来实现成像深度的选择。传统的OPS系统利用的是正交线偏振光,只能获得图像在某一断层的二维信息,但作者通过控制系统起、检偏单元椭圆偏振光的椭圆度,可以在不进行机械扫描的情况下将成像光束聚焦在不同的断层,从而获得不同深度处的组织信息。构建的变偏振光谱成像系统将光源发射光谱与红血球吸收光谱相匹配,可以实现微血管的探测,且具有较高的信噪比。对一块含标记物的猪肉脂肪进行实验,并通过图像处理得到了对比度与信号光偏振态间的定量关系。实验结果表明：椭圆度由0°～45°增大,即从线偏振光向圆偏振光转变的过程中,对比度逐渐增大,可探测到的最大深度增大。最后利用该系统,对裸鼠耳廓微血管进行了变偏振光谱测量实验,实验证明了控制偏振态可以实现对血管不同深度的探测,为微血管断层光谱成像提供了一种新的研究手段。     

基于DSP的长波红外偏振图像伪彩色系统研究

针对现有的红外偏振图像伪彩色技术只能对采集到的偏振图像进行标量的、非动态的显示,研究了基于P、S偏振态图像的红外伪彩色信号处理。将P、S偏振态图像信息经过处理后映射到RGB颜色空间,设计了以TMS320DM642芯片作为核心处理器的伪彩色处理系统硬件电路,完成了伪彩色信号处理系统的软件设计与调试分析。该红外偏振图像处理系统通过采集被测物体表面反射的红外偏振特性,获得更多有用信息的同时保证了对红外偏振图像的处理速度,对于红外目标识别及检测有参考意义。     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与信息量

在研制用于对厚的生物样品进行光学断层成像的共焦扫描荧光显微镜时，由于成像信号十分微弱及存在很强的多次散射作用，因此杂散光的抑制非常重要，而信噪比、信号背景比就成为决定能否获得高对比度、高分率图像的关键。运用光学信息量的概念，在已有的光学成像系统信息量计算、共焦扫描荧光显微镜信噪比及传递函数计算的基础上，详细分析了共焦扫描荧光显微镜信息量与信噪比等之间的定量关系。该关系表明，为了充分利用共焦扫描荧光显微镜的成像性能，必须选择适当的探测小孔。所得的结果对于共焦扫描荧光显微成像系统的研制有重要的实用价值。     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

快速估计荧光分子断层成像中单个荧光物的深度

荧光分子断层成像支持在体无创研究长时间跨度的分子事件,满足21世纪系统化地观测生命过程的要求。在其复杂且耗时的重建中,先验信息有助于加快重建速度,提高重建图像的质量。文章将求解荧光物的深度作为待优化问题,由单幅荧光图像直接快速地估计深度信息。首先根据生物组织内的扩散模型和外推边界条件,推导出生物体边界上两点处荧光强度的比值R_f。然后用粒子群优化算法,在吸收系数和散射系数的估计区间内,由最小化生物体边界上两点处模型值RM_f与测量值RT_f之间的差,估计出荧光物的深度。不同尺寸荧光物的两个仿体实验的结果表明,所提出的方法不需要网格剖分和重建,能快速简单地估计出单个类似于球体的荧光物的深度。     

L波段三维ESR成像系统的研制(Ⅳ)--系统组成与各部分性能指标

报道了自行研制的L波段三维电子自旋共振成像（3D-ESRI）系统的整机结构及各部分性能指标. 该系统主要由L波段ESR谱仪、三维梯度磁场装置、数据处理及图像重建软件组成. 系统的微波频率为1.05 GHz;最大微波功率500 mW. 采用3-环2-缝再进入式谐振腔,无载Q值>1 000;最大测量体积为φ 20 mm, 高30 mm柱状水溶液样品. 接收系统采用100 kHz锁相放大电路,最大增益可达1×10⁶;时间常数0.02 ms～1 s;磁场调制幅度>0.5 mT. 最大梯度磁场2 mT/cm;三维梯度线性度均优于5 ％;稳定度可达10^-5;主磁场可在1.6～96 mT范围内任意点选择扫场起始点;在0.2～16 mT范围选择磁场扫描宽度. 数据系统为12位A/D实现数据采集,三路8位D/A控制梯度磁场. 采用滤波反投影法实现图像重建, 成像功能包括：二维、三维自旋浓度成像;等浓度线2D图像显示;3D立体和断层图像显示等. 对水溶液和固体模型样品进行ESR成像的结果表明：本系统可以开展较大体积生物样品的ESRI研究.     

基于PC机的一种多功能声显微镜及可视化技术的研究

近来研制成功了一种基于ＰＣ机、我们称为“ＴＨＳＡＭＭ”型的多功能声显微镜。在ＰＣ机内插入采样率１ＧＳＰＳ的超高速Ａ／Ｄ卡和信号产生和接收卡,利用软件完成信号检测、处理、显示功能。仪器工作频率为１－１００ＭＨｚ;在检测样品时,同时多层显示Ａ、Ｂ、Ｃ扫描结果。根据声学理论、Ｍａｒｃｈｉｎｇ Ｃｕｂｅ等值面抽取方法和ＯｐｅｎＧＬ技术完成了三维数据的可视化处理,显示样品的内部三维结构。该系统已成功应用于多     

ESR谱仪磁场过零扫描

通过附加反向直流磁场,使通用的ESR谱仪的磁场实现过零扫描,这样就能记录下某些材料的样品在零场附近微波信号的变化.本文介绍两种附加反向直流磁场的实验方法,即外加补偿的亥姆霍兹线圈,或直接借用ESR谱仪本身的快扫描线圈,来实现过零扫描.     

复谱频域OCT成像的研究

采用频域技术的OCT系统，深度扫描信息由背向散射光谱的傅立叶反变换获得，简化了轴向扫描过程，从而使快速OCT成像成为可能．为了实现复杂生物组织的OCT快速成像，消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构，本文引入了相移干涉技术，构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统，并为系统设计了特殊的分束镜和移相器，为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件．     

L波段三维ESR成像系统的研制（Ⅱ）——L波段三维ESR成像系统

叙述了一个L波段（1.05 GHz）用于ESR和ESR成像的装置，用这套自制装置实现了3D ESR成像. 该装置由L波段ESR谱仪、三组梯度场线圈及控制单元和PC机数据采集系统组成. 样品腔是一个3-环2-缝再进入式谐振腔，可放入直径为20 mm、 长30 mm的H₂O样品，空谐振腔的频率是1.05 GHz. 微波振荡频率用自动频率控制（AFC）的方法自动锁在有载腔的频率上. 梯度场线圈沿X-，Y-和Z-轴产生线性梯度场，在中心40 mm球形范围内梯度场强度为2 mT/cm. 依照Lauterbur's方法进行3D ESR 图像重建. 用该系统检测了样品中TEMPO氮氧自由基的3D空间分布. 得到了TEMPO的2D、3D ESR图像、用像素灰度表示的自旋密度分布图及3D ESR-CT图像.     

Development of X-Band TE111 Mode ESR Cavity for In Vivo Tooth Dosimetry

Electron spin resonance (ESR) tooth spectroscopy offers the possibility of in vivo dosimetry for radiation accident emergency. We developed an X-band ESR cavity for in vivo measurement of tooth enamel, which is a cylindrical cavity working at TE₁₁₁ mode. A narrow rectangular aperture to fix incisors was opened on the cavity wall, where there were strong microwave magnetic field component H₁ and weak microwave electronic field component E₁ inside the cavity. The external modulated magnetic field was applied to the incisors from both sides of the aperture. Theoretical calculations and simulations were discussed to optimize the characteristics and predict the cavity working conditions and performances. The characteristics were evaluated by measuring DPPH and whole incisor samples. Remarkable radiation induced signal of 2Gy irradiated tooth could be obtained by one 5-min ESR spectroscopy. This result indicated that the cavity was sensitive enough to detect the radiation-induced signal in human teeth. This paper describes the operation principle, configuration, and characteristics, and reports the DPPH and tooth experiments to verify the cavity.     

采用光纤技术实现拉曼光谱和扫描隧道显微镜实时联用测试

设计并制作了与扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）探头和拉曼光谱仪相适配的光纤探测装置，该装置采用配有不很短焦距的自聚焦透镜以获得较大的相对孔径，并使用多束光纤以充分利用扫描隧道显微镜探针周围有限空间，提高了拉曼散射光的收集效率，获得具有较高信噪比的拉曼谱图，在该装置的基础上进一步建立拉曼－扫描隧道显微镜联用系统，初步实验表明该联用系统用于实时研究固／气和固／液界面体系是可行的，即利用扫描隧道显微镜可获得固体     

基于帧频信号的图像存储时序控制方法

针对长时间服役光学设备图像存储系统性能退化和可靠性降低的问题,设计了新的图像存储系统结构。提出了一种基于帧频信号的时序控制方法,以帧频信号为基准驱动系统软硬件工作,结合秒信号、帧频信号与串口时间生成绝对时间,实现了四路独立数据流的同步采集,通过两级缓存机制保证数据采集-打包-存储之间的速率冗余匹配,对图像转移时间误差进行了修正。检测结果表明,系统时序得到了有效控制,长时间采集存储数据稳定可靠不丢帧,时间同步精度优于1ms。     

S波段微波热致超声成像系统研究

微波热致超声成像技术通过向物体发射微波脉冲, 导致物体吸收电磁波温度迅速升高, 产生瞬时压力波, 从而激发产生超声波信号, 通过传感器对产生的超声波信号进行采集并成像, 最终还原了反映物体吸收电磁波能量特性的图像, 由于此方法兼具了微波成像的高对比性和超声成像的高分辨率特点, 理论上验证了热声成像技术对早期乳腺肿瘤检测的可行性. 本实验兼顾系统成像深度和分辨率, 采用S波段的微波脉冲信号源对物体进行辐射, 利用圆形扫描方式对待测物体进行检测, 同时为了更好的验证成像性能, 本实验同时使用了肿瘤仿体及实际生物组织进行成像实验. 通过实验分析, 验证了该系统对肿瘤仿体和生物组织检测的有效性, 以及系统的高分辨率和高对比度特性, 为早期乳房肿瘤检测提供了进一步的理论支撑.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率