大鼠创伤性脑水肿模型中近红外光有效检测深度研究

采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte carlo模拟光子在生物组织中的传输过程,建立有效检测深度模型,对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法,将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白...     

深度分辨漫反射测量光纤探头设计及特性

漫反射光谱人体成分检测研究中,光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大,而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要,提出了采用一定入射-接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上,结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序,计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度,有效光子比例,有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明,设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收,检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小,可有效提高人体成分无创检测灵敏度。     

近红外光纤探头

提出了近红外光纤探头"视距"模型.通过Monte Carlo模拟和两种不同光学性质的双层模型实验,得到了100 μm探头"视距"的经验公式.提出了三层模型的"视距"定义,给出了"层分辨率"的概念,并通过大鼠大脑的试验得到验证.利用近红外光纤探头"视距",可以区分不同的脑组织,在深脑探测手术中进行导航.探头"视距"提出了一个近红外探头视距研究的普遍方法,对光纤探头的设计有重要意义.     

基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究

对舰船尾流激光散射机理及探测过程的数值模拟是研究舰船尾流激光探测与制导的重要基础.首先分析了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达数值模拟领域研究的可行性.结合自行研制的尾流激光雷达实际参数,建立了尾流激光探测的Monte Carlo数值仿真模型.通过对仿真结果进行统计,深入剖析了仿真结果方差大及光子利用率低等问题的成因.为解决该问题,基于有偏采样理论和分裂-轮盘赌基本原理提出了接收光学视场内光子强行碰撞方法和以光子自由程总长度为准则的光子分裂方法,并进行了两方法的融合.仿真与实验结果的对比分析表明,提出的模型仿真结果与实验数据符合较好,验证了模型的正确性;提出的接收光学视场内光子强行碰撞方法和光子分裂方法能有效减小方差并提高光子利用率;解决了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达模拟过程中的适用性问题.     

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。     

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。     

近红外光在皮肤组织中的传播和光纤探测结构设计

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播,建立了人体皮肤组织模型,包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质,采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900nm范围内,光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明:光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大,而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45mm,当入射波长为1 550nm时,光子运动路径长度为1.806mm,穿透深度为0.467mm,漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果,分析和设计了一种光纤探测结构,这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成,每根光纤间距均为0.45mm并且刚好紧凑相邻.最后,仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W,则探测器接收的漫反射光功率为0.598mW,这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.     

Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

颅脑创伤近红外实时监测技术研究

采用一套专门设计的由微创光纤探头组成的光纤光谱仪生物组织光学参数测试系统,对颅脑创伤的大鼠创伤侧和对照侧进行近红外光谱检测及脑水含量(brain water content:BWC)测定.通过采用Feeney's自由落体撞击法建立大鼠急性局灶性脑挫裂伤模型,以近红外光谱技术和干湿比重法监测伤后脑水肿的变化.实验发现:伤后1 h,伤侧脑组织已发生水肿,伤后24～72 h,伤侧脑水肿达高峰,随后逐渐下降;用脱水剂后,脑水肿情况逐渐好转,随着药物失效,水肿又一次发生.生物组织优化散射系数(Reduced Scat-tering Coefficient:μ's)与Bwc的变化规律一致,有很好的线性相关性,能够较好的反映脑组织水肿程度以及药物脱水效果.证实近红外光谱技术用于颅脑创伤实时监测的可行性,为颅脑创伤的研究提出了一种新技术.     

利用非相干光源基于多模光纤获得空心光束

提出利用非相干单色发光二极管(LED)光源和多模光纤产生空心光束。证实了将LED光源以一定角度倾斜耦合进大芯径多模光纤可获得光斑均匀的空心光束。分析了光束在多模光纤中的传输路径和产生空心光束的机理,并用Zemax软件建立仿真模型进行模拟。搭建利用LED和多模光纤产生空心光束的实验系统并且与激光作为光源产生的空心光束进行分析比较,结果表明利用LED光源获得的空心光束均匀性更好。     

基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法

提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法,对大鼠脑水肿的程度进行无创监测.阐述了监测设备的测量原理和系统组成,并对大鼠实验数据结果进行了分析.监测系统光源选用760 nm和程序850 nm的双波长发光二极管,通过恒流源电路驱动进行驱动.选用OPT101作为检测器,用锁相放大电路和滤波电路对所测信号进行处理.在LabVIEW环境下通过数据采集卡进行数据采集,并进行后期处理,该系统能够实时测量大鼠脑组织的血氧变化.利用该系统测量脑水肿模型的大鼠,分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系.研究结果表明近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测.     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.     

一种新的预报单光子源诱骗态量子密钥分发方案

提出一种新的预报单光子源诱骗态量子密钥分发方案.在发端采用参量下变换产生纠缠光子对,其中之一用来进行预报探测,根据探测结果将另一路光脉冲分成两个集合,其中预报探测有响应的脉冲集合用作信号态,无响应的脉冲集合作为诱骗态.由于探测效率的问题,这两个集合都是有光子的,通过这两个集合的通过率和错误率估计出单光子的通过率和错误率.此方法不需要改变光强,简单可行.仿真结果表明：该方法可以达到完美单光子源的安全通信距离;与预报单光子源的量子密钥分发相比,密钥产生率有了很大的提高;和三强度预报单光子源诱骗态量子密钥分发的 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 诱骗态 预报单光子源     

弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析

测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.     

Sub‐microsecond‐resolved multi‐speckle X‐ray photon correlation spectroscopy with a pixel array detector

Small‐angle X‐ray photon correlation spectroscopy (XPCS) measurements spanning delay times from 826 ns to 52.8 s were performed using a photon‐counting pixel array detector with a dynamic range of 0–3 (2 bits). Fine resolution and a wide dynamic range of time scales was achieved by combining two modes of operation of the detector: (i) continuous mode, where data acquisition and data readout are performed in parallel with a frame acquisition time of 19.36 µs, and (ii) burst mode, where 12 frames are acquired with frame integration times of either 2.56 µs frame^?1 or 826 ns frame^?1 followed by 3.49 ms or 1.16 ms, respectively, for readout. The applicability of the detector for performing multi‐speckle XPCS was demonstrated by measuring the Brownian dynamics of 10 nm‐radius gold and 57 nm‐radius silica colloids in water at room temperature. In addition, the capability of the detector to faithfully record one‐ and two‐photon counts was examined by comparing the statistical distribution of photon counts with expected probabilities from the negative binomial distribution. It was found that in burst mode the ratio of 2 s to 1 s is markedly smaller than predicted and that this is attributable to pixel‐response dead‐time.     

Impact of picosecond laser pulse waveform on detection efficiency of gated-mode avalanche photodiodes for quantum key distribution

Detection efficiency is one of the key parameters that affect the performance of gated-mode avalanche photodiodes in quantum key distribution. In this paper, the impact of the waveform of faint picosecond laser pulses on detection efficiency is investigated both experimentally and analytically. Two kinds of laser pulses are attenuated to the single photon level to measure and plot single photon detection efficiency versus synchronous delay between the detector and the laser source. The results show that the narrower laser pulse with single peak can be detected with about 9% higher detection efficiency and lead to a lower QBER than the pulse with subpeak and a broadened pedestal.     

A long-distance quantum key distribution scheme based on pre-detection of optical pulse with auxiliary state

We construct a circuit based on PBS and CNOT gates, which can be used to determine whether the input pulse is empty or not according to the detection result of the auxiliary state, while the input state will not be changed. The circuit can be treated as a pre-detection device. Equipping the pre-detection device in the front of the receiver of the quantum key distribution(QKD) can reduce the influence of the dark count of the detector, hence increasing the secure communication distance significantly. Simulation results show that the secure communication distance can reach 516 km and 479 km for QKD with perfect single photon source and decoy-state QKD with weak coherent photon source, respectively.     

空间相干与入射光子能量对临床类同轴X射线相衬成像影响

在临床实际应用中,X射线源是一个具有有限尺寸的多色光源.基于Fresnel-Kirchhoff衍射理论,考虑空间相干的影响,新的类同轴X射线相衬成像公式被导出.分别代表吸收效应与相位效应的吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数从新公式得到.吸收衬度传递函数和相位衬度传递函数的曲线由Matlab给出,不同源半径的最佳成像位置也被计算.理论分析结果如下:1）当光源半径足够大时空间相干效应须被考虑,减小源半径可以增强相位效应|2）源半径与最佳成像位置间有确定关系,并在本文中给出|3）源尺寸效应对相位效应影响不是无限的|4）减小入射X射线光子能量将会显著增强相位效应,但不会对最佳成像位置有影响,因此,上述结论可以被拓展到多色光情况.为了验证理论结果,本文给出了对一个表面破损的光学玻璃微聚焦相衬成像的实验结果.其中一些实验结果与理论分析符合很好,但也有一些实验未达到预期,相关的解释文中也已给出.     

非相干光对共聚焦显微镜层析能力的影响

在共聚焦显微镜中,通过系统的归一化轴向光强半高宽与探测器有效半径和非相干光源有效半径的关系曲线,获得非相干光源照明下系统光学层析能力的变化规律.发现当探测器和光源的有效半径都小于3时,系统具有较好的光学层析能力;其他情况下,系统光学层析能力下降且会受入射光场分布的影响.     

近红外光谱的阵列扫描式灵敏度法探测颅脑血肿

利用近红外光谱技术对脑组织进行检测实现脑血肿的定位一直以来都是无损光学诊断的研究热点.为了实现开放式全方位的精准探测,基于功能性近红外光谱技术提出一种新的方法—阵列扫描式灵敏度法,即建立全方位阵列探测器,通过单边阵列式扫描检测来获取不同探测位置的光通量,计算每个探测器的探测灵敏度,就能得到全方位的探测信息.首先,建立单...