平稳状态下匹配介质三层漫射方程的空间分辨漫反射

如果应用漫射方程分析和确定生物表面组织的光学特性,就能够确定生物活体是否发生病变,实现生物活体的无损探测。目前,光在生物体内传播常用的基本模型是半无限厚模型和两层介质模型。而实际上,人体组织为多层介质。根据漫射方程理论,在平稳状态条件下,使用外推边界条件,精确给出了匹配介质中平稳状态下三层体系光的漫射方程格林函数的解。通过此解,可以算出空间分辨漫反射。使用蒙特卡罗方法来验证三层体系的漫射方程,发现我们给出的理论解,不仅可以包括与Kienle的结论一致的两层体系模型的空间分辨漫反射的解,而且三层体系漫射方程的空间分辨漫反射解和蒙特卡罗方法基本一致。     

基于P3近似的空间分辨漫反射研究

光源附近组织的空间分辨漫反射是近年来生物医学光子学领域的一个研究热点,其目的是发展一种能够测定活体生物组织光学参量的新技术。漫射近似理论研究光源附近组织的空间分辨漫反射具有很大局限性。P3近似理论考虑了相函数的三阶矩,能较准确地描述光源附近组织的光辐射分布。研究了基于P3近似的空间分辨漫反射,从输运理论的PN方程组出发,导出了P3近似方程组和P3近似的格林函数解;阐述了漫射近似与P1近似的关系,给出了外推边界条件下,准直光束近似后的P3近似漫反射率的完整表示,讨论了相函数二阶参量对P3近似漫反射的影响,并与漫射近似和蒙特卡罗模拟结果进行了比较,指出了P3近似的应用范围。     

基于混合漫射近似的空间分辨漫反射光学参量灵敏度的研究

根据空间分辨漫反射的双点源混合漫射近似模型, 推导了空间分辨漫反射率对生物组织吸收系数μ_a和有效散射系数μ'_s灵敏度的解析表示, 系统研究了在强吸收条件近光源区域吸收系数μ_a和有效散射系数μ'_s对漫反射光子分布的影响. 研究表明: 吸收系数的灵敏度随光源与探测器间距ρ的增加呈线性增长, 其斜率正比于(μ'_s/μ_a)^1/4, 比例系数约为1.4, 同时获得一个优化的探测距离ρ_opt, 距离光源约3.4个输运平均自由程, 在这个距离处有效散射系数的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义.     

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。     

有耗介质完全匹配层在时域多分辨分析中的应用

 对无耗和有耗介质中的完全匹配问题进行了研究,将广义完全匹配吸收层(GPML)应用到时域多分辨分析（MRTD）中。GPML是在扩展坐标系下由Maxwell方程得到的,在MRTD中实现对GPML的求解,并在频域对GPML进行了有效性分析,得出了GPML在不同空间步长和不同吸收层厚度情况下入射波由真空入射到吸收层的反射系数在频域的分布,并给出了有耗介质中GPML吸收效果的例子。结果表明,GPML的反射系数在一定频率范围内小于-40 dB,且随着计算空间步长的减小和吸收层厚度的增加而减小。GPML既可以用来截断无耗介质也可以用来截断有耗介质,为时域多分辨分析方法提供了一种较为通用的吸收边界。     

有耗介质完全匹配层在时域多分辨分析中的应用

对无耗和有耗介质中的完全匹配问题进行了研究,将广义完全匹配吸收层(GPML)应用到时域多分辨分析（MRTD）中。GPML是在扩展坐标系下由Maxwell方程得到的,在MRTD中实现对GPML的求解,并在频域对GPML进行了有效性分析,得出了GPML在不同空间步长和不同吸收层厚度情况下入射波由真空入射到吸收层的反射系数在频域的分布,并给出了有耗介质中GPML吸收效果的例子。结果表明,GPML的反射系数在一定频率范围内小于-40 dB,且随着计算空间步长的减小和吸收层厚度的增加而减小。GPML既可以用来截断无耗介质也可以用来截断有耗介质,为时域多分辨分析方法提供了一种较为通用的吸收边界。     

时间分辨技术测量高散射介质光学参量

采用曲线拟合反演算法来恢复时间分辨系统中的真实光脉冲信号,从中可提取出介质光学参量.在模拟人体组织光学参量的模型介质试验中,利用时间相关的单光子计数系统测量光子的逸出曲线,拟合的结果验证了算法的可行性.     

用于频域光学相干层析成像的深度分辨色散补偿方法

提出一种深度分辨的色散补偿方法,用于增强频域光学相干层析成像的纵向分辨率。将频域光学相干层析成像采集的干涉谱信号傅里叶变换到空域,获取对应不同深度的干涉谱条纹相位,通过对其进行调整实现对被测样品不同深度处的色散的精确补偿。避免传统方法中采用统一色散系数进行色散补偿所带来的过补偿与欠补偿误差,可以有效消除色散引起的频域光学相干层析成像系统点扩展函数的展宽和扭曲。模拟和实验结果表明,基于深度分辨的色散补偿方法在样品的全深度探测范围内可以达到较佳的补偿效果,可有效提高光学相干层析成像系统的纵向分辨率。     

散射介质中光传输行为时间特性的蒙特卡洛模拟研究

蒙特卡罗方法模拟了超短脉冲在皮肤的四层模型中的传输的时间特性,给出不同时间的表面漫射强度随径向距离和角度的变化,用傅里叶变换给出了表面漫射强度时间响应的频域结果;结果表明漫射强度随时间的变化会有数量级的不同,漫射强度的时间分辨为ps量级,这要求选择大动态范围ps时间分辨率的探测设备,频域分析的结果表明在达到很高的频率下,幅度和相位才有变化,实际上硬件难以实现。     

普朗克论"不均匀介质中几何光学与量子力学定态薛定谔方程的关系"

介绍普朗克通过对不均匀介质中几何光学方程与经典静态守恒力场中自由质点运动方程的对比从而引入量子力学定态薛定谔方程的理论.     

The Steady-State Spatially Resolved Reflectance of a Three-Layered Mismatched Medium

Near-IR radiation is often utilized to detect the properties in tissues, up to now, a semi-infinite medium photon migration model and a two-layered turbid medium model are applied widely. In this paper, we set up the steady-state photon diffusion model of three-layered mismatched medium. We utilize the diffuse equation to solve a three-layered mismatched medium and obtain the accurate solution of a three-layered mismatched medium of the steady state in tissue. We find that the solution of a three-layered mismatched medium diffusion equation not only accord with the Monte-Carlo simulation, but can still solve the problems of a two-layered turbid medium model.     

The Study of the Diffuse Equation About a Three-Layered Matched Medium

Near-IR radiation is often utilized to detect the properties in tissues, up to now, a semi-infinite medium photon migration model and a two-layered turbid medium model are applied widely. But the solution is approximate. In this paper, According to the diffusion equation, employing the extrapolated boundary condition, we analyze the diffusion of photons of a three-layered matched medium, set up the accurate solution of the diffuse equation. In order to validate our solution, we apply the Monte-Carlo simulation of the time domain and the steady-state, we find that the solution of a three-layered matched medium diffusion equation not only accord with the Monte-Carlo simulation. The solution can still solve the problems of a two-layered turbid medium model and a semi-infinite medium photon migration model     

混浊介质中后向单次漫散射米勒矩阵特征

采用斯托克斯(Stokes)矢量形式,推导出当无限窄的连续光束垂直入射到混浊介质表面时,后向单次漫散射米勒(Mueller)矩阵的解析表达式。基于米氏(Mie)散射模式,详细分析了单次散射米勒矩阵元素的分布模式,以及与介质粒子数密度,粒子尺寸参量之间的关系。研究表明:单次散射米勒矩阵的方位变化随粒子数密度的增加,逐渐消失,而矩阵元素m22,m33,m23,m32随粒子数密度的变化,具有更显著的方位变化特征。矩阵元素m22,m33在方位角=45°时的值随尺寸参量的变化有一定的规律性,当尺寸参量小于某一特征参量时,其值呈下降趋势,反之则呈波动上升趋势。当介质粒子数密度以及粒子尺寸参量改变时,米勒矩阵元素强度的径向分布模式不变,即在任何方位,强度随径向距离都近似成指数规律衰减,方位变化呈周期性。     

Determination of Optical Properties of Turbid Media from Spatially Resolved Diffuse Reflectance by Neural Network

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ[1] ａｒｅｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｆｒｏｍｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｕｒｂｉｄｍｅｄｉａｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌｉｇｈｔ.Ｔｈｅｒｅａｒｅｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｔ…     

人膀胱粘膜/粘膜下层组织病变致组织漫反射光谱的变化

研究了人正常膀胱和浅表性膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织在300～900nm光谱范围的漫反射光谱特性及其差异,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱.结果表明,在300～900 nm,正常膀胱的粘膜/粘膜下层对任一个波长的漫反射率都明显地较癌变的粘膜/粘膜下层对相应波长的要大.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在370 nm、520 nm、550 nm和660nm,其峰值分别为52.4%、60.7%、56.1%和75.5%.而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱的峰分别在320 nm、520 nm、550 nm和660 nm,其峰值分别为43.7%、33.4%、30.6%和70.2%.正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处有一个峰,而癌变的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在370 nm处没有峰,320 nm处有一个峰.而正常膀胱的粘膜/粘膜下层的漫反射光谱在320 nm处没有峰.膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的漫反射光谱在520 nm、550 nm和660 nm处的峰的峰值分别减小了45.0%、45.5%和7.02%.说明膀胱的粘膜/粘膜下层病变导致组织的组分和结构尤其足组织中的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量发生了明显的改变.