中北大学半导体与物理学院，山西 太原 030051
以推导的在生物组织中部分相干圆刃型位错光束传输时的交叉谱密度矩阵元，研究了传输中不同光束参数（光束波长λ、位错数目ndis、空间自相关长度σyy）对不同场点之间偏振特性的影响。部分相干圆刃型位错光束波长和位错数目不影响偏振态的初始值，而不同空间自相关长度的光束初始偏振态不同。随着传输距离增加，空间同一点的偏振态经历明显的起伏变化后最终趋于与源处一致，空间不同两点间的偏振态最终趋于一不同于初始值的定值。与远红外光和紫外光相比，可见光和近红外光更适合作为生物医学疾病诊疗的目标光束。位错数目越大，各偏振特征参量极值间距越大。空间自相关长度σyy与σxx的相对大小会影响偏振度的大小及变化趋势。
生物光学 圆刃型位错光束 偏振度 方位角 椭圆率 生物组织
纳米光子学与生物光子学吉林省重点实验室, 跨尺度微纳制造教育部重点实验室, 长春理工大学, 中国 长春, 130022
生物组织光透明技术针对生物组织具有的高散射及浑浊特性, 严重影响生物组织成像的对比度及分辨率等问题, 提供了较好的解决办法。把离体猪皮表面涂抹不同浓度的聚乙二醇、甘油、丙二醇这些光学透明剂(Optical Clearing Agents, OCA), 利用光学相干断层析(Optical Coherence Tomography, OCT)技术对其进行动态监测, 有效地提取测量信号在渗透过程中随测量深度的变化。结果表明, 利用光透明技术均可增加OCT的成像深度, 但对于不同OCA不同深度的作用效果不同。该研究为了解OCA浓度及作用时间对于不同深度最优选择, 提供有价值的数据参考, 进一步理解了OCA的作用机制, 对于OCA在医学方面的应用有一定的指导作用。
光学相干断层析 生物组织检测 生物组织光透明技术 光学透明剂 Optical Coherence Tomography Biological tissue detection Tissue Optical Clearing Optical Clearing Agents
1 华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
3 福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
4 中山大学附属第一医院心胸外科，广东 广州 510080
研究脉冲超声强度为0~0.8 W/cm2时的不同强度超声对在体的人皮肤中甘油溶液的渗透性和光穿透深度的影响。实验采用光学相干断层扫描（OCT）成像技术做定量连续的测量。研究结果表明，脉冲超声强度为0~0.8 W/cm2时，超声具有加速甘油溶液渗透、增强光穿透皮肤的能力，且皮肤的光透明效果随超声强度的增加而增大。以仅施加甘油溶液的样品为对照组，而施加超声作用及甘油溶液的样品为实验组。实验组和对照组的比较结果表明，在分别经超声强度为0.2，0.4，0.6，0.8 W/cm2的超声处理的人体皮肤中，15%甘油的平均渗透系数与仅施加15%甘油处理的人体皮肤相比分别增加了2.6%，9.5%，14.7%，19.8%。脉冲超声处理的30%甘油在人体皮肤中的渗透系数分别高于仅施加30%甘油处理的对照组3.7%，12%，16.7%，22.2%。结论表明，应用强度为0.2~0.8 W/cm2的超声，甘油的平均渗透系数随超声强度的增加而增加。
生物技术 在体皮肤 生物组织光透明 光相干断层成像术 渗透系数 1/e光穿透深度 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1017001
大连理工大学机械工程与材料能源学部机械工程学院，辽宁 大连 116023
相较于传统的非偏振光学探测方法，Stokes-Mueller矩阵成像技术可反映出丰富的生物组织微观结构信息，被广泛应用于组织病变检测。本文探究了生物组织结构的庞加莱球表征方法，采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的3个表征向量——延迟向量(R)、二向色性向量(D)、偏振向量(P)，并将其中的P向量和D向量绘制在庞加莱球上，以样本点聚集中心距为评价指标对比向量差异。以骨骼肌组织和纤维结缔组织的细胞核和纤维结构为研究对象，探究了同一生物组织不同结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律，进一步对比分析了不同生物组织相似结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律。研究发现，对于两种生物组织中相似结构的P向量和D向量的表征差异，纤维结缔组织优于骨骼肌组织8%以上。对于单一生物组织中的两种结构的表征差异，P向量优于D向量19.7%以上。实验结果表明，庞加莱球方法可以用于表征生物组织的不同结构，并作为生物组织表征的潜在技术手段。
生物医学 偏振成像探测 Mueller矩阵参数 庞加莱球 生物组织表征
1 中北大学 理学院，太原03005
2 洛阳师范学院 河南省电磁变换与探测重点实验室，河南洛阳471934
以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础，利用推导的部分相干圆刃型位错光束在小鼠真皮组织传输中的交叉谱密度函数解析表达式，研究了光束初始参量（光束波长λ和圆刃型位错数目n）和传输距离z对光束归一化光强分布、相位演化和传输轨迹的影响。结果表明，位错数为n的部分相干圆刃型位错光束，源平面内中心光强最大，两侧对称分布着2n个次峰。随传输距离增加，光强分布由多峰状逐渐演化为单峰状，波长越长，n值越小，光强分布演化越快。位错数目越多，光束稳定性越好。源平面内n个圆刃型位错最内侧的环半径随位错数目增加而减小。受到生物组织湍流诱导和衍射效应的综合作用，自传输开始，圆刃型位错分裂为n对拓扑荷分别为“+1”和“-1”的相干涡旋。随传输距离增加，又新生n对拓扑荷为“+1”和“-1”的相干涡旋。波长越长，n值越大，光束相位演化越快，相干涡旋的位置分布由分散趋于集中，最终全部湮灭。相干涡旋对间距越小，湮灭越早。波长越长，位错数目越多，起始相干涡旋对越早开始湮灭，全部湮灭的传输距离越长；波长越短，位错数目越多，新生相干涡旋对越早开始湮灭，全部湮灭经历的传输距离越长。
相位演化 生物组织 光强分布 传输轨迹 圆刃型位错光束 Phase evolution Biological tissue Intensity distribution Propagation trajectory Circle edge distortion beam
中国人民武装警察部队工程大学装备管理与保障学院, 陕西 西安, 710086
光热、光化及光机械等多种激光-生物组织相互作用研究的基础都是对激光辐照下生物组织内部光分布的准确描述,而准确描述组织内部光分布的有效手段是采用各类数学模型及模拟方法。主要概述了目前国内外描述组织内部光分布的主要理论、研究模型及定量分析方法,对各方法模型的适用范围、优势及局限等进行了横向对比分析,同时对大多数仿真及实验的理论基础进行了纵向回顾,并将重点聚焦于总结国内外学者在理论上的最新突破及对实际问题的解决,以方便读者快速、全面地追踪前沿。最后总结了目前该领域研究中所面临的几个主要问题,并对今后的发展方向进行了展望。
生物光学 生物组织 光分布 一阶散射 蒙特卡罗 漫射近似 激光与光电子学进展
2021, 58(6): 0600003
红外与激光工程
2020, 49(8): 20190541
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 210046
考虑到肿瘤的形状特征以及激光间质热疗时激光的传输方式为内置光源,首先建立了内插光纤的双层球体生物组织模型,然后假设光子从球体中心发射,建立了光子在组织内、球体边界及内插光纤表面的传输方式,最后采用Visual Studio软件编程,基于蒙特卡罗法对光在该组织模型中的传输进行仿真。仿真结果表明:光纤主要对光子出射端面附近的光子的运动产生影响;位于光子出射面下方的组织对光子能量的吸收大于出射面上方组织对光子能量的吸收;内层球体的半径越小,内边界的吸收值越大。与传统的蒙特卡罗方法相比,所建模型更接近于激光间质热疗的实际情况,对后续准确预估激光间质热疗的热毁损范围具有重要的实际意义。
医用光学 生物组织 蒙特卡罗法 球体模型 激光间质热疗
1 南方科技大学生物医学工程系, 广东 深圳 518000
2 哈尔滨工业大学生命科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150000
二次谐波成像是近年来发展的一种新的光学成像技术,作为生物结构检测和耐久追踪标记的新工具已经受到广泛的关注。二次谐波成像技术避免了经典荧光探针会遇到的许多固有缺点,是一种理想的活体成像方法,具有很好的生物医学应用前景。本文系统介绍了二次谐波原理及其成像装置,二次谐波介质分类及特点,二次谐波在生物医学成像中的应用,最后对二次谐波成像未来的机遇和将要面对的挑战进行了展望。
非线性光学 二次谐波 生物医学成像 生物组织结构 二次谐波探针
