利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究

利用近红外光谱无创检测生物组织血氧饱和状态,是一种极富研究和应用前景的检测技术,在临床检测中被广泛应用.但常规临床检测应用于指端仅反映局部血氧饱和度信息,在使用中具有局限性,信号的可信度也存在质疑.该文提出了一种采用反射式脉搏血氧饱和度检测技术检测生物多层组织氧合状况的新方法,该方法通过调节入射光强以适应解剖学中生物组织多层结构的检测.应用该方法针对手指结构的实验结果表明,随着入射光强的改变,反映血氧饱和状态的光电脉搏波信号有显著变化.结合手指解剖学分析表明,光电脉搏波信号的变化与手指的多层面组织结构相对应,反映不同层面血氧饱和状态.这一特点表明,通过此法可以针对生物组织的多层结构进行测量.     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究（英文）

血氧饱和度(SO_2)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO_2)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO_2]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO_2)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究

血氧饱和度(SO₂)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO₂)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO₂]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO₂)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

人体血氧饱和度检测中消除脉搏波信号高频噪声的方法

基于光电容积脉搏波的方法可以用于人体血氧饱和度的无创检测,基于光电容积脉搏波测量时,由于信号采集过程中随机噪声等干扰,脉搏波信号中存在高频噪声,影响最终的血氧饱和度测量精度。提出采用基于连续均方误差(CMSE)准则的经验模态分解(EMD)法消除脉搏波信号中的高频噪声。利用自行研制的光电容积脉搏波采集装置采集脉搏波信号,应用该方法消除信号中高频噪声,并采用信号的频谱进行效果评价。结果表明：该方法有效消除了高频噪声,这将有利于人体血氧饱和度无创检测精度的提高。     

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。     

一种改进的脉搏血氧饱和度测量方法

针对峰谷值法在低灌注下血氧饱和度测量准确度较低的缺点,采用了一种基于卷积建模测量血氧饱和度的改进方法。该方法基于脉搏波具有周期性和稀疏性的特性,通过对光电容积脉搏信号特征与其卷积信号特征进行分析,使用其卷积信号代替脉搏信号测量血氧饱和度。实验结果表明,提出的改进方法与峰谷值法在正常灌注指数下测量结果相近,且在低灌注指数至0.2%的条件下,峰谷值法平均偏差和准确度分别为5.304和3.296,改进方法的平均偏差和准确度分别为1.224和1.443,改进方法的测量精度更高、稳定性更好,为人体血氧饱和度测量提供了一种有效途径。     

硅的间接跃迁双光子吸收系数谱

利用皮秒Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源,测量出光子能量介于1.36 μm (0.912 eV)—1.80 μm (0.689 eV)之间的硅间接跃迁双光子吸收系数谱.尽管此波段范围内的激光光子能量小于硅间接带隙,但当激光辐照在硅基光电二极管受光面时,在二极管两电极端仍然探测到了显著的脉冲光伏信号.光伏信号峰值强度与入射光强呈二次幂函数关系,表明其是双光子吸收过程.采用pn结等效结电容充放电模型,将光伏响应信号峰值与入射光强相关联,从中提取出硅的间接跃迁双光子吸收系数,改变入射波长得到系数谱.研究表明:     

散射介质中层间杂质检测效率的影响因素及分析

散射介质中层间杂质检测是一个非常重要的研究课题.改进现有的Monte Carlo方法,模拟大量光子在散射介质中的传输,得到入射光强、杂质埋藏深度、介质折射率、介质散射系数和各向异性因子对光学透反射成像法检测层间杂质效率的影响规律.结果表明,入射光强、杂质埋藏深度和介质折射率对透反射成像检测结果均有影响,且影响规律相似.增加入射光强、减小杂质埋藏深度或减小介质折射率均可提高反射光成像的检测效率;增大入射光强、减小介质折射率、减小介质散射系数或增大各向异性因子均可提高透射光成像的检测效率.这些规律对散射介质中层间杂质检测具有一定指导意义.     

部分相干椭球光笼

 从理论上研究部分相干光束经透镜聚焦的三维光强分布。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射部分相干光束的光强分布,而且还依赖于入射光束的空间相干度。基于这一点,提出了一种控制部分相干光束的空间相干度,在几何焦点附近获得了类似椭球光笼形状的光强分布的新方法。通过控制入射部分相干光的空间相干度,来改变聚焦在几何焦点附近的三维光强分布,从而获得希望得到的光强分布。     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

马普-赫斯棱镜对单模高斯光束光强分布影响分析

根据光在马普－赫斯棱镜两空气隙胶合层中的干涉效应,分析了其对单模高斯光束光强分布的影响.结果表明,对于某一高斯光束入射棱镜时,透射光束光强将随入射角的变化而呈现周期性的振荡;对于正入射的光束,当空气隙的厚度一定时,透射光强随棱镜两空气隙结构角的变化作周期性振荡;当结构角一定时,透射光强随空气隙厚度的变化作周期性变化;且透射高斯光束的形状也随棱镜结构的改变发生变化,表明,可以通过选择合适的棱镜结构以减小棱镜对透射光束的影响,对于成品棱镜,则可通过改变入射角使棱镜的性能达到较佳状态.     

长柱状气溶胶粒子的光散射特性

以中纬度卷云中常见的长柱状冰晶为例,利用长柱状粒子光散射理论,探讨了入射光为线偏振时,电矢量平行和垂直于入射面情况下,单个长柱状粒子的散射光强度分布和偏振特性随入射角、尺度参数与偏振态的转化关系:随着入射角的增大,散射强度、偏振总体趋于对称且数值振荡频率降低,散射强度总体减小,偏振的改变程度总体增大;随着尺度参数的增大,散射强度、偏振的数值振荡频率增大,散射强度数值振荡峰的幅度整体减小,电矢量平行于粒子长轴时主偏振的数量、强度和位置皆有变迁,电矢量垂直于粒子长轴时前后主偏振位置相对固定;随着偏振度的减小,散射强度、偏振趋向于一致,两者的数值改变程度减小,当偏振度减小到0时,散射强度、偏振变得完全相同。选取火山尘埃和烟灰与冰晶对比,阐述了粒子散射光的强度分布和偏振特性随折射率的变化规律:折射率虚部不改变散射强度的整体趋势,但使散射强度和偏振的振荡峰幅度增大,当其数值较大时,使得偏振的数值振荡峰覆盖范围拓宽。     

透射式扫描近场光学显微镜探针光场分布及其受激荧光分子光场分布研究

通过利用经Grober发展的Bethe模型,计算了透射式近场光学显微镜探针针尖附近及进入样 品后的光场分布,研究了它的横向分辨率、透射深度、透射系数等问题.模拟在光学近场激 发下生物荧光分子成像的过程,研究了荧光分子的极化方向和入射光偏振方向对信号收集的影响,发现荧光图像是偏振极性和荧光分子极性共同作用的结果. 关键词： 近场光学 光场分布 荧光分子成像     

Highly sensitive optical sensor system for blood leakage detection

A highly sensitive method for the detection of blood leakage has been developed, and a practical sensor system for blood concentration measurement has been constructed. The present method is based on the attenuation of laser light by blood cells. The effects of the fluctuations of the incident laser light power are eliminated by normalizing the attenuated light intensity by the incident light intensity. A part of the incident laser light is reflected by a beam splitter mounted at the entrance of the test cell, of which the power is measured to provide base data for normalization. The optical path is extended to enhance sensitivity by using a pair of side mirrors. This multi-reflection method is very effective to increase sensitivity; the maximum sensitivity obtained for blood concentration is about 4 X 10^-6 by volume, which is significantly higher than that of the conventional sensors.     

夫琅禾费衍射的光谱特性

基于MATLAB语言,以夫琅禾费衍射为研究对象,数值模拟了夫琅禾费圆孔衍射和单缝衍射光谱特性,通过改变狭缝宽度和入射波的波长,数值模拟得到夫琅禾费单缝衍射的光强变化图和光谱特性图。结果表明,圆孔衍射的光强比单缝衍射的光强曲线在次级明纹的强度更加低,夫琅禾费衍射的结论与实际理论和试验吻合的较好。研究结果为夫琅禾费衍射的研究提供参考。     

Polarization and amplitude optical multistability in a nonlinear ring cavity

The stimulation of a ring cavity filled with an isotropic medium with third order nonlinearity by plane monochromatic arbitrary polarized light is studied. An evolution of the stationary transmission with the change of the polarization of the incident light from circular to linear is discussed. For the linear polarized incident light additional branches of high transmission corresponding to elliptically polarized transmitted light and degenerating with respect to the rotation of the polarization vector are found. The stability of the stationary solutions is discussed. The possibility of the transmitted light polarization and intensity control by changing the polarization ellipticity degree of the incident light is shown.     

基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统的设计

偏振双向反射分布函数（BRDF）不仅可以表示物体散射光辐强度的空间分布情况,还包含了丰富的偏振信息。与标量BRDF相比,偏振BRDF可以更加精确地、全面地表示物体表面的光散射情况。设计了基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统,通过同步旋转波片调制入射光和散射光的偏振态,得到一系列变化的光强值,再由光强的Fourier分解系数计算获得样品的偏振BRDF值。系统内设计了一对正交反射镜,用以减小系统中器件后向散射光的影响。通过铝板偏振BRDF的测量,说明了该系统具有较高的准确性。     

细菌视紫红质的自衍射效率与最佳入射角研究

研究了弱光强下细菌视紫红质膜(bR膜)的自衍射特性.给出了弱光强下相干光在bR膜中产生的振幅光栅光强分布模型,并用ysinαx近似表示透射光强分布,结果与实验吻合.给出了不同透射光强y与指数α的对应关系.结果表明,在bR膜及入射光波波长给定的情况下,入射光强越小,对应的α值越大,当入射光强为0.072/T(mW/cm2)时,α等于1.计算出不同入射光强和入射角下的自衍射效率.结果发现,对应于最大衍射效率的最佳入射角为2°.