5 组织光学特性参数测量方法与技术.pdf

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1、组织光学特性参数测量原理和方法组织光学特性参数测量原理和方法朱2?生物组织光学特性参数生物组织光学特性参数?测量分类测量分类?光的收集光的收集?典型测量方法典型测量方法主要内容主要内容3组织特性的光学描述组织特性的光学描述?吸收系数 吸收系数 a(mm-1)?散射系数 散射系数 s(mm-1)?各向异性因子各向异性因子 g?约化散射系数约化散射系数s(mm-1)?衰减系数与穿透深度衰减系数与穿透深度?折射率折射率n4吸收系数与散射系数吸收系数与散射系数?吸收系数am-1：光子在无限小距离光子在无限小距离ds 运动时被吸收的几率，其倒数表示光子在介质中被吸收前所走过的平均距离运动时被吸收的几率，

2、其倒数表示光子在介质中被吸收前所走过的平均距离?散射系数sm-1：光子在无限小距离光子在无限小距离ds 运动时，被散射的几率，其倒数表示光子在介质中被散射前所走过的平均距离运动时，被散射的几率，其倒数表示光子在介质中被散射前所走过的平均距离5各向异性因子各向异性因子单次散射模式非对称性的量度反映的是散射光在不同方向的分配情况单次散射模式非对称性的量度反映的是散射光在不同方向的分配情况g(-11)g=0各向同性散射各向同性散射g=1高度的前向散射高度的前向散射g=-1高度的后向散射高度的后向散射6约化散射系数约化散射系数?在远离边界与光源的表况下常用一个参数来描述光子的散射特性在远离边界与光源的

3、表况下常用一个参数来描述光子的散射特性_约化散射系数约化散射系数ssg)1(=7衰减系数与穿透深度衰减系数与穿透深度?总的衰减系数与总的穿透深度总的衰减系数与总的穿透深度?约化衰减系数与约化穿透深度约化衰减系数与约化穿透深度?有效衰减系数与有效穿透深度有效衰减系数与有效穿透深度saaeffg)1(3+=satr+=sat+=tt1=trtr1=effeff1=8组织光学特性参数的物理意义组织光学特性参数的物理意义?生物组织的吸收特性反映的是组织原子能级结构性质生物组织的吸收特性反映的是组织原子能级结构性质?散射系数及各向异性因子则由组织原子能级的电磁性质或折射率及其分布决定散射系数及各向异性因

4、子则由组织原子能级的电磁性质或折射率及其分布决定9组织光学特性参数的测量方法组织光学特性参数的测量方法?从组织所处的状态：从组织所处的状态：?在体测量、离体测量在体测量、离体测量?从测量理论的角度：从测量理论的角度：?直接测量、间接测量直接测量、间接测量?从测量技术的角度：从测量技术的角度：?稳态、时域、频域稳态、时域、频域10从测量理论的角度从测量理论的角度?直接测量直接测量?强度的测量强度的测量?光通量测量光通量测量?间接测量间接测量?非迭代测量非迭代测量?迭代测量迭代测量11直接测量法之一直接测量法之一测量总的衰减系数tIt/I0 dBeerLawSampleOptical proper

5、tyMeasurementsModelCollimate illumination t)exp(dTtc=光测技术12直接测量法之二直接测量法之二(z)(z)absorberDiffusion solutionInverse modelSampleOptical propertyMeasurementsModelCollimated illumination eff eff测量有效衰减系数eff及穿透深度eff)exp()(zzeff光测技术13非迭代的间接测量法非迭代的间接测量法测量Kubelka-Munk吸收与散射系数Akm与SkmSampleMeasurementModelOptical

6、 propertiesDiffuse illuminationAKMSKMRdTddDirect K-M calculation()=ddkmTyxRydS1ln1()kmkmSxA1=dddRTRx2122+=12=xy14非迭代的间接测量法非迭代的间接测量法Diffuse illuminationDirect K-M calculationBeers LawNarrowCollimated beamSampleMeasurementModelOptical propertiesRdTddAKMSKMRdTcd s ag s aKMaA=KMsS=KMsSg)1(=光测技术15迭代的间接测量

7、法迭代的间接测量法Iterative theorySampleMeasurements Model Optical propertiesCollimated illuminationBeer law or phase functionBroad beamNarrow beamRtTtdTcp(s,s)das a sg光测技术从测量技术的角度从测量技术的角度?稳态：连续强度稳态：连续强度?频域：强度调制频域：强度调制?时域：时间分辨时域：时间分辨稳态测量稳态测量?光通量测量光通量测量?透射测量透射测量?反射测量反射测量?透射透射+反射测量反射测量17透射测量透射测量?准直透射测量准直透射测量?薄

8、样品探测器薄样品探测器?厚样品远距离积分球；厚样品远距离积分球；?漫透射测量漫透射测量?漫透射：近距离用积分球；漫透射：近距离用积分球；?距离探测距离探测18反射测量反射测量?漫反射测量漫反射测量?反射点扩散测量反射点扩散测量R（r）（光纤阵列）（光纤阵列）?距离探测：距离探测：added absorber?斜角点扩散函数斜角点扩散函数?积分球积分球?反射模式的激光共焦扫描方法反射模式的激光共焦扫描方法19漫反射与漫透射测量漫反射与漫透射测量?双积分球双积分球?一次测量：同时获得反射与透射一次测量：同时获得反射与透射?单积分球单积分球?分次测量：反射与透射分次测量：反射与透射2021Colle

9、ction of light?Apertures?Simple aperture to collect collimated laser beam?Simple aperture to collect restricted solid angle of light?Aperture of an integrating sphere?Optical fiber?Isotropic collector22Collection by an aperture?An aperture to collect collimated light.P=1 W,a=0.5 mm and wo=0.5 mm.Pco

10、llected=P(1-exp(-2a2/wo)=P(1-1/e2)=0.632 P=0.632 W.23An aperture to collect a limited solid angle of light 24Collection by an optical fiberacceptance angle:25Aperture of integrating sphere26A broad beam of uniform irradiance Pcollected=EA=(1 W/cm2)(0.785 cm2)=0.785 W.Pcollected=(1 W/cm2)(0.785 cm2)(

11、cos(50)=0.505 W.cosEAPcollected=27Solid angle of collection 28Collection by an isotropic collector29Calibration30薄样品的透射测量薄样品的透射测量ctTdln1=()0ln1mNNdaa=?吸收样品吸收样品31薄样品的透射测量薄样品的透射测量()0ln1mNNdss=?高散射样品高散射样品)(cosp32侵入式的光通量测量侵入式的光通量测量?有限数值孔径的光纤有限数值孔径的光纤?准直探测总的衰减系数准直探测总的衰减系数ln()fbtPPz=33侵入式的光通量测量侵入式的光通量测量?光

12、纤上带各向同性的探头光纤上带各向同性的探头?结合光通量绝对测量吸收系数与约化散射系数结合光通量绝对测量吸收系数与约化散射系数()(3saaeff+=()exp(142rrPreffaeff=34总的漫反射测量总的漫反射测量()()+=aaRa133211211ididrr+=11)exp()+=bsreffszrerrReff211141211()211rerarReffeffsapp+=()()+=0021loglog3.2,lograrrrRreffseffapp38局部漫反射测量系统局部漫反射测量系统(a)(c)(b)Pre-Amp&signal processingPCSampleFi

13、ber probe1.25mmLEDControldetectorsource0.125mmDetectors39时间分辨的漫反射测量时间分辨的漫反射测量Sourcedetector223/25/200(,)(,0,)(4)exp()4azRtJtDcz tctDct+=?limln(,)atdRtcdt=aascttc+=)104(31max2max22225ln(,)24adRtcdttDct=+频域漫反射测量频域漫反射测量?对光源进行高频调制，进入组织中的光形成有确定幅度和相位的扩散光子密度波。通过测量组织中扩散光子密度波的相位及幅度，即可提出组织中的有用信息。对光源进行高频调制，进入组

14、织中的光形成有确定幅度和相位的扩散光子密度波。通过测量组织中扩散光子密度波的相位及幅度，即可提出组织中的有用信息。?均匀组织光学特性参数的测量均匀组织光学特性参数的测量?非均匀组织中异质子的探测和定位非均匀组织中异质子的探测和定位40均匀组织光学特性参数的测量均匀组织光学特性参数的测量?方法一：不同光源方法一：不同光源-探测器间距探测器间距?相位相位?幅度幅度?方法二方法二?幅度和相位与调制频率间的关系幅度和相位与调制频率间的关系+=+=DSAMAAC4ln2cosln2sin0rrr4122222+=DAa42异质子的探测和定位异质子的探测和定位detectorYXsource0S1S2D180SD1D2?单通道定位系统单通道定位系统?幅度相消系统幅度相消系统