基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

基于差分光密度差异的组织内异质体的快速定位方法

基于近红外光谱法对组织内的异质体进行无创检测时,光源-探测器(S-D)相对于异质体的位置对检测效果有着重要影响。为实现对组织内异质体的快速定位,该研究基于一源多探的检测结构针对不同水平位置、不同深度和不同直径的异质体进行光密度分布有限元分析,计算各探测器之间的差分光密度差异。仿真实验结果表明,根据多探测器形成的差分光密度差异曲线可快速定位组织内异质体的水平位置。曲线的高斯拟合特征量与异质体的水平位置、深度和直径有着强相关性。基于差分光密度差异曲线可以实现组织内感兴趣区域的快速定位,对采用近红外光谱法的组织肿瘤检测、光学脑功能成像等领域的源-探位置放置提供重要参考,提高其检测精度。     

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、灰质和白质五部分,建立真实的大鼠脑组织三维模型,使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件,使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量,从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响,结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半,并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型,验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.     

频域近红外光学成像法的苹果内部病变检测精度

苹果组织内部的病变会导致其光学参数发生变化。用频域近红外光学成像法（FD-DOT）对苹果组织进行吸收系数和约化散射系数的检测,并结合三维重构技术得到的重构图像可以直观地了解苹果内部的病变情况,从而实现对苹果内部病变的无损检测。选择可最大程度区分苹果正常组织与病变组织所对应的波长为740 nm的光作为激光光源。当FD-DOT的入射光调制频率不同、苹果内部病变的程度不同、病变位置和大小不同时,会导致成像精度的变化,设计了一系列模拟仿真实验研究以上因素对苹果内部病变检测精度的影响：设定不同的激光调制频率,研究调制频率对重构图像精度的影响;在苹果模型中某一位置添加不同大小的球形病变,研究病变区域大小对重构图像精度的影响;在苹果模型中不同位置添加一定大小的异质体,研究病变位置不同对重构图像精度的影响。首先用Abaqus建立苹果有限元网格模型,设计了12个740 nm的近红外激光光源和6个检测器均匀排布在苹果模型表面,根据实验需要,在组织体模型中添加代表病变的球形异质体,用经过高频调制的光源照射进苹果,检测出射光的交流幅度和相位延迟,然后借助开源软件NIRFAST计算并反推出待测苹果内部的吸收系数和约化散射系数分布并进行三维重构,重构结果可以用重构图像的吸收系数对比度噪声比（CNR值）和吸收系数分布图进行评价。实验结果表明,想要检测到尺寸较大苹果的深处病变,需要较高的入射光调制频率;该方法可以检测到大小适宜的苹果中大部分半径大于5 mm的球形病变区域,且随着病变区域在一定范围内扩大,重构图像的精度逐渐增加,但病变区域过大时,图像精度开始降低;病变区域距离检测器越来越近时,重构图像的精度逐渐增加,但当病变区域与检测器距离过小时,重构图像的精度有降低的趋势;病变区域距离检测器平面的垂直距离越近,重构图像的精度越高。以上实验结果将为应用频域近红外光学成像法对苹果进行无损检测奠定良好基础。     

新生儿脑部光学参数的无损检测

生物组织的光学参数与组织中各种生化、生理以及病理过程密切相关。利用频域近红外光谱技术,使用一个140 MHz的射频振荡源对不同波长的半导体激光管进行调制,通过精确测量距离光源一定距离处光子密度波的相位延迟和幅度衰减,并借助于一个光学参数已知的校准模型,实现了对23个新生儿头部组织光学参数的定量测量。并且根据两个波长(788和832 nm)下的吸收系数的测量结果进一步得到了新生儿脑部组织的生理学参数。实验结果表明,这种便携式的频域近红外光谱系统可以有效地获取新生儿头部的光学和生理学参数。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性,如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等,在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义,而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化,精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题.本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型,阐述了时域、频域测量的等效性,从无限空间几何结构出发,逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示,在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法.     

在多层结构的生物组织中近红外光子迁移的研究

在无损近红外光学诊断领域中,研究光子在多层生物组织中的迁移十分重要。本文以猪的脂肪和肌肉组成的两层结构作为研究的样品。将近红外光源和检测器置于脂肪的表面,由光源发出被两层组织反射的光子的一部分由检测器所接收。本文给出了光电流与光源到检测器的距离的关系以及光电流与脂肪厚度的关系。为了分析实验结果,用蒙特卡罗仿真计算光子在均匀介质中迁移轨迹,用菲涅耳定律来决定光子包在脂肪和肌肉边界处的折射分量和反射分量。结果表明,仿真数据与实验符合得很好。结论是：本文中所提供的实验和仿真方法对于分析光子在生物组织中的迁移以及优化传感器设计十分有用。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．     

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     

用聚苯乙烯小球模拟生物组织中的光强分布

用水中周期排列的直径为3μm的单层聚苯乙烯小球以及单个聚苯乙烯小球模拟对光敏感的生物组织，如绿色植物叶肉细胞、动物皮肤的表皮细胞、苍蝇蜜蜂等的复眼以及一种海蛇尾背部的光敏器官的光强分布.通过观测聚苯乙烯小球在不同深度的光强分布，发现随着深度的改变其光强分布是截然不同的.在小球的横截面上，光强分布不很均匀而且呈有规律的花纹图案.在小球的外面，光强分布表现为独立的透镜成像分布.周期排列的小球与单个小球在其横截面上的光强分布也完全不同，前者的光强分布表现出球与球之间很大的相关性. 关键词： 生物组织 周期排列 光强分布     

基于赝热光照明的单发光学散斑成像

散射介质对光的散射是当前限制光学成像深度或距离的一个严重的问题.本文首先数值模拟比较了光透过随机散射介质成像研究中常用的基于光学记忆效应(memory effect, ME)和自相关(autocorrelation, AC)方法的HIOER算法和乒乓(Ping-Pang, PP)算法的优缺点.通过对HIOER算法和PP算法的恢复效果和迭代次数进行比较,发现PP算法在保持较高恢复效果的前提下拥有更快的运行速度.实验中,利用连续HeNe激光器和旋转毛玻璃产生赝热光源,通过物镜对随机散射介质后数毫米距离内的不同形状物体进行了单帧成像,并采用PP算法成功地恢复出微米量级物体的实际图像.这一研究结果将进一步促进ME和AC方法在深层生物组织医学成像研究上的应用.最后,实验研究了不同的物镜和散射介质的间距对成像恢复的放大率、分辨率和图像强度的影响特性,并进行了详细研究.     

Effects of light quenching on the emission spectra and intensity decays of fluorophore mixtures

We examined a series of fluorophore mixtures to determine the wavelength selectivity of light quenching and the effects of light quenching on the emission spectra and intensity decays. Light quenching can be accomplished using a single excitation pulse train and quenching wavelength (one-beam) or with longer-wavelength quenching pulses time-delayed relative to the excitation pulses (two-beam). Both one-beam and two-beam light quenching were found to alter the intensity decays of the mixtures. The frequency-domain intensity decay data were analyzed to reveal the fractional intensity of each fluorophore in the mixture and the effects of light quenching on the fractional contribution of each fluorophore to the total intensity. Fluorophores were selected to provide a range of decay times and emission wavelengths. The extent of quenching in the mixtures was dependent on which fluorophore had the higher radiative decay rate and emission intensity at the quenching wavelength. A general theory is presented which describes the intensity decays in terms of the extent of quenching of each fluorophore and the time delay between excitation and quenching pulses. The effects of light quenching on the fractional intensities of each fluorophore in the mixture, recovered from the intensity decay analysis, were found to be in quantitative agreement with that predicted from steady-state measurements of light quenching and from the spectral properties of the fluorophores. The data on light quenching of mixtures demonstrate that light quenching may be used for selective quenching of fluorophores and thus of potential value for studies of multichromophoric systems.     

微晶硅薄膜沉积过程中的等离子体光学与电学特性研究

采用空间分辨光发射谱和傅里叶变换功率阻抗分析仪研究了衬底偏压和辉光功率对微晶硅薄膜沉积过程中的等离子体光学与电学特性的影响.研究表明：在交流偏压(AC)、悬浮(floating)、负直流加交流(-DC＋AC)偏压下,Hα发射强度空间分布规律相似,平均鞘层长度相等;正直流加交流(＋DC＋AC)偏压和接地(grounded)时Hα发射强度显著增强,并存在双峰(double layers)现象.增大功率,Hα发射强度也随着增大,并在17W与22W之间产生跳变.电学测试发现功率增大,等离子体电阻降低,电抗降低,电 关键词： 等离子体 光发射谱 衬底偏压 辉光功率     

Determination of carrier density dependent lifetime and quantum efficiency in semiconductors with a photoluminescence method (application to InGaAsP/InP heterostructures)

The light beam of a laser is focussed near the surface of a semiconductor sample. Thereby the excitation rate can be controlled precisely assuming a Gaussian intensity distribution of the beam. Measuring the recombination light intensity yields the quantum efficiency of the sample. By sinusoidal modulation of the excitation light and measurement of the resulting phase shift of the recombination light, the carrier density dependent lifetime is obtained. By evaluation of measured internal quantum efficiency and phase shift, Auger and radiative recombination coefficients are determined. The analysis takes into account the carrier density dependence of the radiative coefficient and shows that for most experimental conditions carrier diffusion can be neglected. In this case the analysis can be performed without numerical integration. Application of the method to quaternary InGaAsP material yielded values for Auger coefficient and radiative coefficients in accordance with published results.     

非球形生物气溶胶对偏振光的多次散射特性研究

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型,采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性,计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论,研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性,基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程,并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明,生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感,因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时,利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。     

Characteristics of novel plastic crystal gel polymer electrolytes based on PVdC-<Emphasis Type="Italic">co</Emphasis>-AN

A new gel polymer electrolytes composed of poly(vinylidene chloride-co-acrylonitrile) (PVdC-co-AN) co-polymer and plastic crystal succinonitrile (SN) were prepared to form plastic crystal gel polymer electrolytes (PGPEs) with the variation of magnesium triflate (MgTf₂) salt from 5 to 30 wt.%. The room temperature and temperature dependence studies of the PGPE films were determined by using AC impedance spectroscopy. The conductivity versus reciprocal temperature plot has shown a nonlinear behavior. The ionic and cationic transport numbers were evaluated by DC polarization method and the combination of DC polarization and AC impedance methods, respectively to determine the charge carrier species in the PGPE films. To study the interactions among the constituents in the PGPEs as well as to confirm the complexation between them, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was carried out. The analysis of FTIR spectra was further investigated by deconvolution of the FTIR spectra to prove the dependability of ionic conductivity and transport number with the presence of free ions, ion pairs, and ion aggregates in the PGPEs.     

Flux vector formulation for photon propagation in the biological tissue

We present a generalized delta-Eddington phase function to simplify the radiative transfer equation to an integral equation with respect to the photon flux vector. The solution of the integral equation is highly accurate to model the photon propagation in the biological tissue over a broad range of optical parameters, especially in the visible light spectrum where the diffusion approximation breaks down. The methodology is validated in the Monte Carlo simulation and can be applied in various optical imaging applications.     

Decay Pion Spectroscopy of Electro-Produced Hypernuclei

The investigation of light hypernuclei is quite important for understanding the basic YN interaction and the mechanism of hypernuclear structure. We started the commissioning of the decay pion spectroscopy of light hypernuclei at MAMI-C in 2011. In order to realize the K⁺ tagging efficiently, some detectors on KAOS spectrometer were upgraded or newly installed. The existing and well-studied spectrometers, SpekA, SpekC were used as pion spectrometers. The analysis is ongoing to estimate the detectors performance and develop the spectrometers for future experiments with higher beam intensity. The preliminary results of the particle identification are presented in this article.     

Euroball: Present status and outlook

Euroball is a European project to build a highly efficient and powerful gamma-ray spectrometer for nuclear structure spectroscopy. The project is an amalgamation of recent technical advances in detectors, electronics and data acquisition. In the first phase the spectrometer consists of 30 large single crystal Ge detectors, 26 Clover Ge detectors and 15 Cluster Ge detectors each with an associated suppression shield. The 239 individual Ge detector elements will have a total photopeak efficiency ∈ _p of ≈ 10% and will enable the properties of the atomic nucleus to be studied with a sensitivity up to or better than 10^?5 of the production cross-section. The elements of the spectrometer, including the detectors, the electronics and the data acquisition system, some of the planned ancillary detectors and the first results will be presented. Several developments are under investigation for the upgrade of Euroball for its second phase. These include an inner BGO ball for multiplicity and summed energy determination and inner particle detectors for charged particle identification. These developments will also be discussed.