1 西北大学光子学与光子技术研究所, 陕西, 西安 710069
2 中国人民解放军空军军医大学西京医院骨科, 陕西 西安 710032
空间偏移拉曼光谱(SORS)能够准确、 快速、 无损检测多层混浊介质样品深层生化构成信息。 该研究通过搭建集成化逆向SORS光谱分析装置, 在实现逆向SORS和背散射式拉曼光谱两种不同的光谱检测模式的基础上, 检测与分析了不同空间偏移量(Δs)条件下双/三层组织模型内的深层拉曼光谱信息, 并根据几何光学理论和投影测量原理, 量化标定了Δs与锥透镜空间位置之间的关系, 这为精确控制光谱检测条件提供了保障。 为了验证该装置的检测能力, 采用由羊肩胛骨/对乙酰氨基酚组成的双层模型和猪皮/硅橡胶/对乙酰氨基酚组成的三层模型, 获得不同Δs条件下包含样品表层和深层信息的混合光谱。 并进一步对该混合光谱进行面积归一化处理, 观察到随着Δs的增大样品表层的拉曼贡献逐渐减小, 而第二层以及第三层的拉曼贡献逐渐增大的现象。 在此基础上, 通过选择模型中每层物质的拉曼特征峰计算其相对拉曼强度, 分析研究了相对拉曼强度、 空间偏移量与样品厚度三者之间关系, 即当Δs增大时相对拉曼强度比值随之增加, 这清晰地表明深层物质的拉曼强度增加。 然而, 在同一Δs条件下, 相对拉曼强度随着表层物质厚度的增大而减小。 以上实验结果表明, 我们搭建的集成化逆向SORS光谱分析装置可从深度达8 mm的生物模型下获取光谱信息, 并证明了该装置在经皮无损探测方面的应用价值。
空间偏移拉曼光谱 逆向空间偏移拉曼光谱 多层组织模型 深层光谱分析 Spatially offset Raman spectroscopy Inverse SORS Multi-layered samples Deep surface spectral analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3456
北京工业大学生命科学与生物工程学院智能化生理测量与临床转化北京市国际科技合作基地, 北京 100124
糖尿病日益严重地威胁人类健康,但无创血糖检测的方法仍未能在临床上应用,为了解决这一重要问题,从源头进行探索,研究光源随葡萄糖质量浓度变化的光谱特性。在600~1300 nm的波长范围内研究不同葡萄糖质量浓度的溶液的吸收光谱特性和不同葡萄糖质量浓度的2% Intralipid组织模拟液的反射光谱特性,利用单调性、线性度和灵敏度对光谱特性进行分析。实验结果表明,吸收光谱在1140~1210 nm和1130~1200 nm的波长范围内的光波和反射光谱在1010~1130 nm和1150~1300 nm的波长范围内的光波,具有单调性、出色的线性度、灵敏度高的特点。因此认为具有这些特征的光波应用于无创血糖的检测,有助于提高准确性和灵敏度,推动光学无创血糖检测的方法进入临床应用。
光谱学 近红外光谱 光谱特性 葡萄糖质量浓度 组织模型 光学窗口 激光与光电子学进展
2020, 57(15): 153006
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
组织模型在组织成像机理及光学疾病诊断技术的研究和改进中发挥着重要作用。然而上皮组织细胞中不仅包含球形散射体, 往往还包含椭球形散射体。目前对包含椭球散射体的上皮组织模型的研究还鲜有报道。建立了上皮组织的球-旋转椭球散射模型, 利用Monte Carlo算法仿真分析了模型参数的变化对前向散射光强分布及穆勒矩阵极分解参量的影响。结果表明, 旋转椭球散射系数、体积和长短轴比的增大均会导致组织模型的去偏作用增强, 其中散射系数对去偏的影响最显著; 各向异性分布的旋转椭球具有相位延迟作用, 且相位延迟随椭球散射系数及长短轴比的增大而增大, 随椭球体积的增大而减小。该研究对早期癌变诊断技术的研究具有一定指导意义。
组织模型 光散射 穆勒矩阵 tissue model light scattering Mueller matrix Monte Carlo Monte Carlo 红外与激光工程
2018, 47(2): 0217004
福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
构建由脂肪乳剂和墨水组成的皮肤组织模型, 定量研究皮肤组织模型的吸收系数μa和散射系数μs对光敏化单线态氧(singlet oxygen, 1O2)发光特性的影响。利用1O2发光检测系统测量含光敏剂四硫磺基酞菁氯化铝的皮肤组织模型分别在中心波长为1 230, 1 270和1 310 nm处的时间分辨发光光谱, 对扣除背景信号后的时间分辨1O2发光光谱进行积分和拟合, 获得1O2发光积分强度以及激发三重态寿命τT和1O2寿命τD。结果表明在皮肤组织模型中, 1O2发光积分强度随着μa和μs的增大而减小, μa对τT和τD没有影响。τT随着μs的增加而增加, τD随μs的增加先骤降而后缓慢上升。当μa>1.5 mm-1和μs>32 cm-1时, 1O2发光积分强度和τT、τD均趋于稳定, 其中τT和τD分别为3.4±0.6 μs和3.3±0.7 μs。
皮肤组织模型 单线态氧 发光 吸收系数 散射系数 寿命 skin phantoms singlet oxygen luminescence absorption coefficient scattering coefficient lifetime
1 西安交通大学 a.电气工程学院
2 西安交通大学 b.生命科学与技术学院
3 西安交通大学 c.电子与信息工程学院, 陕西 西安710049
Monte Carlo (MC)模拟被广泛应用于光子在生物组织中的传输研究。通常模拟时将生物组织近似为均匀的平板分层介质,当层状生物组织中含有异常物质(如肿瘤细胞等)或正常生物组织为非平板的复杂结构时, 其模拟中的组织模型将会有相应的改变。通过探讨这几类生物组织的MC模拟模型, 总结并分析模型建立的关键问题, 对基于MC模拟的各种生物组织光学检测研究提供了指导。
Monte Carlo模拟 组织模型 组织光学特性 Monte Carlo (MC) simulation tissue models tissue optical properties
1 北京石油化工学院数理系, 北京102617
2 南开大学物理科学学院, 天津300071
测量了人体乳腺管正常上皮组织及浸润性导管癌组织的阵列(Mapping)拉曼谱； 利用作者前期建立的人体乳腺组织拉曼光谱模型, 拟合了这些阵列谱, 并将得到的归一化的拟合系数映射为灰度值, 构建了乳腺组织的阵列拉曼谱模型成像。 结果表明, 这种模型成像具有较为明确的意义, 尤其是细胞质、 DNA、 细胞间质基谱的拟合系数成像, 较为清晰地呈现肌动蛋白、 DNA及胶原的空间分布特征以及组织形态结构。 与相关系数成像比较, 模型成像给出了相似的结果。 但模型成像对生化物质含量更敏感, 成像分辨率更高。 模型成像还显示癌变组织中细胞核明显增大、 与细胞质相对比例明显增高, 并为发展乳腺肿瘤拉曼诊断方法提供实验依据。
乳腺组织 拉曼光谱 组织模型 基谱 拟合系数 模型成像 分布 Breast tissue Raman spectrum Mapping Mapping Morphological model Basis spectrum Fit coefficients Raman imaging Distribution 光谱学与光谱分析
2010, 30(8): 2167
1 长春理工大学,长春,130022
2 清华大学,北京,100084
3 中海石油研究中心,北京,100027
本介绍了一种基于拉曼光谱分析与漫反射光谱光度测试相结合的本征拉曼光谱光度测试验血分析技术,这是一种快速的,经皮肤的非入侵式验血技术,在血糖监测等重症护理,现场快速验血等领域有着广阔的应用前景.
本征拉曼光谱 多变量校正 生物组织模型
华中科技大学生命科学与技术学院, 武汉 430074
建立了一套用于测量生物组织模型偏振后向散射差分光谱的实验系统。在系统中,线偏振光入射到样品表面,检偏器和光谱仪配合记录后向散射光中的平行和垂直分量,随后计算出差分光谱。采用了平均直径分别为5.0 μm、9.0 μm的两种聚乙烯小球悬浮液进行实验,结果与蒙特卡罗模拟进行对照,验证了实验系统的正确性。初步研究了粒子尺寸分布变化对差分光谱的影响,结果表明,偏振散射差分光谱能敏感地反映粒子尺寸分布的变化,在大小粒子的混合液中,大粒子浓度一定程度的增加,光谱仍保留小粒子的振荡趋势,但差分光强减小。该方法对于早期癌症检测具有潜在应用意义。
医用光学与生物技术 偏振散射光谱 偏振门 组织模型
1 天津大学 精仪学院,天津 300072
2 辽宁工程技术大学,辽宁 阜新 123000
选择耳垂作为测量部位,建立了多层耳垂组织仿真模型,利用Monte-Carlo方法研究了不同光源特性(光束半径,入射能量大小及分布等)及模型参数下耳垂组织模型的光透射能量及分布规律,由透射光能量分布、光电二极管光敏面积和探测灵敏度推出特定测量信噪比要求的入射光能量。研究结果表明,耳垂组织的实际入射光能量能够满足动态光谱检测的要求,获得了更高的动态光谱测量精度,可满足动态光谱法的血液成分检测的要求。
动态光谱法 组织模型 耳垂 Monte-Carlo法 dynamic spectroscopy tissue model earlap Monte-Carlo method
华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室,武汉光电国家实验室, 武汉 430074
基于生物组织的粒状模型以及光谱对米氏(Mie)散射体形态的灵敏性,构建了类上皮组织模型的偏振后向散射光谱反演模型。针对反演模型的多参量、多极值、非线性,涉及到非常复杂的三角函数计算,模型空间极小的特点,采用每代保留最优个体的浮点遗传算法对类上皮组织模型的偏振后向散射光谱反演。对编码策略、适值调整策略及选择策略进行了讨论。研究结果表明：经过70代反演迭代,每个参量的相对误差趋于稳定,最小的达到0.02%左右,最大的不超过3%。采用基于实数编码的遗传算法能从偏振散射光谱中同时反演获得表层粒子的形态参量,具有全局收敛性和良好的反演精度与抗噪声能力。
医用光学与生物技术 偏振光散射光谱 遗传算法 类上皮组织模型
