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.     

论无创血糖监测的红外光谱方法(特邀)

介绍了无创血糖监测的几种光学方法以及红外光谱法用于无创血糖监测的优势。分析了无创血糖监测红外光谱法的主要问题,包括光在人体组织中的复杂传播;葡萄糖吸收信号微弱,且与人体中其它生化成分吸收光谱重叠;人体组织背景吸收干扰严重等。总结了无创血糖监测红外光谱法的最新进展,给出抑制人体组织背景吸收干扰的方法,并认为组织液可代替血液用于血糖水平的测量。展望了该领域未来研究趋势,主要涉及精确描述光子在组织中的传输、测量皮肤表皮内或表皮与真皮浅层光谱信息,以及提高光谱仪器信噪比,建立葡萄糖吸收带定标模型。     

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。     

光学相干层析信号的模拟分析与计算

对传统的模拟介质散射响应函数的蒙特卡罗算法的计算过程进行了改进，提出光子不可分割的假设，这样可以避免人为选定光子被吸收阈值的不确定性；同时采用双曲线法模拟入射高斯光束，解决了对表面为非平面介质的传输信号进行模拟的问题.通过对盖玻片（平面）与眼角膜（曲面）的光学相干层析探测信号及层析图的数值模拟，并与相应实验结果进行比较，证实了该方法与假设的可行性. 关键词： 光学相干层析 蒙特卡罗法模拟 散射     

浅表组织后向散射检测中偏振门的蒙特卡罗研究

已有实验表明偏振门和斜入射技术能有效地抑止深层散射光子,实现浅表组织光学特性的检测。采用蒙特卡罗方法,分析了斜入射、偏振门的特性,研究了组织光学参量和入射角等参量对平均探测深度的影响。结果表明,组织的各向异性因子和入射角对平均探测深度影响较大。当各向异性因子较小(小于0.8)或者入射角较大(大于1.4 rad)时,组织的平均探测深度能满足小于2倍平均自由程的要求。偏振门和斜入射技术均可使探测光子经历的散射次数和探测深度有明显减小,因此,结合偏振门和斜入射技术能够更有效地分辨来自浅层的信号光,抑止来自深层的背景光。     

传感器几何结构对近红外组织氧合检测仪灵敏度的影响

近红外组织氧合检测仪基于强散射条件下修正的朗伯－比耳吸收定律,通过连续记录多个近红外波长下光密度随生理状态的变化,从而可达到对人体组织中光的吸收体（氧合血红蛋白,还原血红蛋白,细胞色素氧化酶等）浓度变化的定量检测。本文利用蒙特卡罗仿真方法对光在多层生物组织模型中的平均穿透深度、光子平均飞行距离和空间灵敏度分布进行了仿真,结果表明,传感器几何结构,即光源与光检测器之间的距离是影响检测灵敏度的重要因素     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。     

X射线偏振探测器中的极化光电过程模拟

采用蒙特卡罗程序Geant4模拟2～10 keV线偏振X射线光子在几种常用工作气体中的极化光电过程,明确了光电子出射位置、方位角分布与入射光子偏振方向、能量之间的响应关系。光电子的出射方向在入射光子偏振方向上的分布概率最高,且出射光电子的方位角分布可近似为余弦平方函数。光子能量增大时,各角度光电子计数不同程度地减少,但都呈现出在方位角为0或π（-π）时有极大值的统计规律。此外,揭示并量化了气体厚度、气体组成、气体体积分数之比和光子能量对探测效率的影响规律。气体厚度越大、平均原子序数越大,则探测效率越高。光子能量增大会导致探测效率降低,而对于由Xe或Ar组成的工作气体,当光子能量大于某壳层电子结合能时,由于相应壳层电子开始被弹射出,探测效率会有一定程度的提高。这些结果可为X射线偏振探测器的结构设计提供理论依据和数据支持。     

具有三种颜色的白癜风皮肤的荧光光谱

将荧光光谱方法应用于具有三种颜色的白癜风皮肤特性的研究,在对荧光测量以及皮肤组织病理检查的基础上,建立了三色白癜风皮肤的光学模型,分析了皮肤黑色素的含量与分布,并进行了蒙特卡罗计算,其结果与实测结果基本一致。研究表明:具有三种颜色的白癜风皮肤可作为一个较好的皮肤黑色素含量与分布的模型;荧光光谱法可以探测到皮肤较深层(真皮层)的黑色素分布或其他组织光学特性;所建立的白癜风皮肤的光学模型及建模方法,所采用的光谱比率法等可以在皮肤光学的其他研究中应用。     

X射线增感屏的图象信息传输特性分析

本文采用Monte Carlo方法详细模拟了不同能量光子与增感屏的作用过程,对于一种稀土(Gd₂O₂S:Tb)增感屏,计算了出射可见光子数的概率分布、平均出射光子数、统计因子、X射线检测效率以及DQE等.增感屏出射可见光子数的概率分布曲线均有三个峰,随着入射X射线能量的增加,各峰之间距离增大,相对强弱对比增大;其余各曲线在Gd原子K壳层结合能(50.24keV)附近,均有突变.这些结果提供了增感屏图象信息传输性能的基本参数,为深入研究增感屏及成象系统的量子噪音传输特性提供指导.     

Monte Carlo Simulation of Near Infrared Reflectance Spectroscopy in the Wavelength Range from 1000 nm to 1900 nm

We have calculated the characteristics of reflected near infrared light, which is incident on the skin surface, scattered in the skin tissue and detected, in the wavelength range from 1000 nm to 1900 nm. We have used a Monte Carlo method to calculate the propagation path, the average photon visit depth, the average photon path length, etc. for the cases of short source-detector distances, to which the isotropic scattering approximation cannot be applied. An experiment to validate the simulation results was also conducted using a liquid phantom.     

光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的能谱角度谱研究

光子与相对论麦克斯韦分布电子散射的描述及能谱角度谱计算非常复杂且费时.本文提出了一种光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射的蒙特卡罗(MC)模拟方法,该方法能够细致模拟高温等离子体中任意能量光子与任意温度电子的Compton和逆Compton散射问题.对于散射后光子的能谱和角度谱参数,可以根据电子温度抽样若干不同状态的电子,分别模拟其与光子发生散射,可以得到各次散射后的光子能量和偏转角度,取统计平均后的结果即可获得该光子与该温度电子散射的能谱和角度谱分布.根据该方法编写了光子与相对论电子散射MC模拟程序,开展了高温全电离等离子体中光子与相对论电子散射的能谱角度谱计算和分析,分析结果显示:热运动电子将展宽出射光子能谱,且低能光子与高温电子散射后的蓝移现象明显;出射光子的角度谱很复杂,其决定于入射光子能量、出射光子能量及电子温度.基于该方法计算并以数表形式给出的光子-相对论电子散射能谱角度谱数据,可以供辐射输运数值模拟程序使用.     

Study on photon migration path of ultrashort light pulse in turbid media by Monte Carlo method

The photon density and the photon weight density are obtained by a Monte Carlo method. Based on these two concepts the Gaussian peak value photon paths and the weight mean photon paths of ultrashort light pulse in turbid media are defined and studied. The width of the Gaussian peak value photon path is also given. The influence of the exit angle and time on the photon path and its width are discussed. The relative probability of the photon path is given by the sum of the photon weight densities along the photon path, which could be used to calculate the normalized diffusive intensity approximately. The diffusive reflective intensities will arrive at the maximum at some instant at the place where the photon path reaches on the entrance surface at the same instant. The absorption coefficient has small effect on the photon path and its width in the case of the photon weight density.     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

Optical characteristics of a multilayer photovoltaic cell for oblique incidence of light

Taking into account the contributions of interference and incoherent multiple reflections of light in the substrate, we have determined the distribution of the absorbed energy density Q in layers of a multilayer photovoltaic cell in the general case of oblique incidence of light on the cell. The relations obtained are expressed in terms of the Fresnel reflection and transmission coefficients for interfaces between media, which for oblique incidence are different for s and p polarization of the incident light. The energy absorbed by an active layer of the cell varies very slightly with the angle of incidence if the maximum in the Q distribution is located at a heterojunction. We carried out a numerical analysis for a five-layer cell based on a copper phthalocyanine-fullerene heterojunction. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 74, No. 6, pp. 795–800, November–December, 2007.     

单光子计数型CCD的蒙特卡罗模拟

建立了适用于研究PI-LCX:1300型单光子计数型CCD量子效率及多像素事件的蒙特卡罗模拟模型,采用蒙特卡罗程序Geant4对0.5~30.0 keV能量区间的X射线在CCD芯片中的输运进行了模拟研究。研究了X射线在CCD芯片中的能量沉积谱,给出了CCD探测X射线的效率曲线,其结果与厂家提供的效率曲线一致。研究了Si片厚度对探测效率的影响,结果表明在有效探测范围内,Si片越厚探测效率越高,而对较高能量的X射线,此趋势不明显。研究了能量沉积分布在多个像素中的问题,结果表明周围像素中的能量沉积主要由中心像素的特征X射线及瑞利散射X射线所贡献,在5~30 keV之间X射线能量越高,能量沉积效率越低,多像素污染效果越弱。     

Numerical simulation of coherent effects under conditions of multiple scattering

The time correlation function and the interference component of the coherent backscattering from a multiple-scattering medium are calculated in the framework of the Monte Carlo technique. By comparing the stochastic Monte Carlo technique with the iteration procedure of solving the Bethe-Salpeter equation, it is shown that the simulation of the optical path of photon packets that have experienced n scattering events is exactly equivalent to calculating the nth-order ladder diagram. Using this equivalence, the Monte Carlo technique is generalized for simulation of the time correlation functions and coherent backscattering.     

Light extraction enhancement of GaN-based LEDs through passive/active photon recycling

In this paper, we present a study of light extraction of GaN-based LEDs through active/passive photon recycling, including sapphire-based and Thin-GaN based on Monte Carlo ray tracing. The mechanisms in enhancing light extraction incorporated with implanting micro pyramid (lens) array and lens encapsulation of both cavity photon recycling and quantum photon recycling are discussed. For an absorption coefficient of 200 cm^− 1 in the active layer, both approaches perform more than 90% of light extraction efficiency through cavity photon recycling. For a heavy absorbed active layer, the quantum photon recycling could play an important role in light extraction.