蔡佳丽[1]2007年在《散射介质中脉冲超声作用下调制光的产生与传输》文中指出超声调制光学成像术属于声-光相互作用成像术的一个分支，该技术以超声场作用于被研究介质的局部区域，研究通过超声区域的光信号，从而提取该局部区域介质的信息，是一种有前途的无损的生物组织成像技术。一旦该技术走向实用化，将对乳腺疾病检查的普及和乳腺癌的早期诊断、血糖浓度的检测等具有重大的意义。目前，该技术的研究大多只停留在模拟试验，离临床应用还有很长一段路程要走，而且生物组织内的声光作用机制、超声调制信号在散射介质中的传播规律以及超声波作用对光场和对组织光学性质的影响等等都还处在研究阶段。本论文主要致力于基础方面的研究工作：从光在生物组织中的传输理论与玻耳兹曼(Boltzmann)传输方程出发，研究了漫射理论中传输方程最简单的漫射解；介绍了超声波的特点以及脉冲超声波的声场计算方法，并分析了聚焦超声系统的主要应用；总结了目前国内外超声调制光学成像术的研究进展情况及存在的主要问题，并分析了目前用于研究超声调制光学成像术的主要机制、理论基础以及研究方法等。根据已经提出的实验经验公式，通过具体的实验研究散射介质中脉冲超声作用下调制光的产生，分析了影响超声调制信号及调制深度的因素，包括接收调制光的探测器的孔径、脉冲超声波的功率强度、频率以及脉冲重复频率等。结合本实验室小组的理论，在理论上研究了超声调制光在散射介质中的传播规律，得到了由实际测量计算得到的调制深度M’与理论中的真实的调制深度M值之间的关系式；并通过具体实验分析了在不同浓度模拟液的散射介质中脉冲超声作用下调制光的传输情况，特别是由实际测量计算得到的调制深度M’值与调制信号在模拟液中传输距离的关系。
朱莉莉[2]2005年在《散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验》文中研究指明超声调制光学成像术将光学技术和声学技术有效地结合起来,充分利用了二者的优势,即具有超声定位的高空间分辨率和反映生物组织生理结构变化的光学检测的高灵敏度的特点,是一种有前途的无损的生物组织成像技术。 针对超声调制光学成像术目前存在的问题,如:光在聚焦超声场作用下的散射介质中的传播理论尚不完备,还有待完善;再如:成像分辨率不高,还达不到临床要求,本文提出了若干新的观点与方案: 1.利用漫射理论分析了散射光在聚焦超声场作用下的散射介质中的传 播规律,并给出了具体的解析方程。 2.从全新的角度讨论了散射光的超声调制原理,分别提出了均匀透明 介质中超声对光调制的光栅模型和基于光吸收机制的散射光超声调 制原理,使声光作用机制有新的诠释。 3.通过Monte Carlo模拟与实验研究了超声调制的散射光在散射介质 中的传播。模拟和实验结果与理论分析相一致,即经声光作用区出 来的调制散射光在散射介质中的传播满足漫射理论,且其调制深度 只与超声区的声光特性有关,不随调制光的传播而改变。 4.采用反卷积算法对经超声场调制的输出信号进行预处理,再进行图 像重建,理论和仿真结果表明,成像分辨率得到提高,图像质量明 显改善。该方法无须对系统装置做任何改动,只需要适当的信号处 理,就实现成像超分辨,因此具有很强的实用价值。
林洁清[3]2012年在《超声调制光学成像信号与组织光学特性关系》文中研究指明超声调制光学成像技术技术结合光学成像和超声成像的优点,实现对浑浊介质内部隐藏物的光学成像,具有成像对比度高和分辨率高,无损,可活体检测等优点,有望在将来作为组织内部检测的首选。本文详细分析示波器显示的实验探测信号,区分探测信号中的调制信号和背景信号：探究超声调制光信号与组织光学特性的关系、超声焦区内外组织的光学特性对调制信号的影响,发现：超声对光信号的调制深度与超声焦区组织的光学性质成简单的线性关系,调制深度随样品散射系数的增大而增大,也随样品吸收系数的增大而增大。超声区信号调制深度基本不受超声调制区域外复杂组织的光学特性的影响,证明调制深度是图像重构的特征量。这为超声调制光学成像提供必要的图像重构依据；以光电倍增管作为探测器探究模拟样品的一维成像并成功实现。本文的意义是对超声调制光学成像技术进行基础探究,为后续的二维甚至叁维超声调制光学成像提供必要的实验依据。
朱莉莉[4]2013年在《超声调制光学成像中声光作用机制及在血糖检测的应用》文中提出具有超声定位的高空间分辨率和光学检测的高灵敏度的超声调制光学成像术是一种有前途的无损的生物组织成像技术。本文针对超声调制光学成像技术目前存在的问题,分别从理论研究、技术路线和临床应用叁方面提出若干新的观点和方案。主要研究成果如下：1.通过Monte Carlo模拟研究了经超声场调制的漫散射光在多层生物组织中的传播规律,并通过实验验证。模拟结果与实验结果相吻合,即调制深度只与超声焦区介质的声光属性有关,它是最终进行图像重组和处理的较佳物理量。2.利用漫射理论推导出散射介质中散射光强受超声场调制的解析方程,并通过实验首次获得了散射介质中非相干光的超声调制现象,为现有的超声调制散射光的机制研究提供了重要的补充。3.对原有的超声调制光学成像系统进行较全面、细致的研究和评估,包括成像系统中小孔的作用和影响及超声探头参数的选择等问题,从而提出提高系统信噪比和灵敏度的较佳方案。4.利用快速FFT变换获得超声调制信号的的频谱图像。在频谱图像中寻找有用的特征信息,与通常采用的时域信号的峰峰值和调制深度相比较。结果表明频谱信号并没有比时域信号更具优势。5.利用超声调制的光学检测方法探索血糖的无创检测。结果表明,在浑浊介质中调制深度与葡萄糖浓度的关系呈线性递增关系,且具有较好的测量灵敏度,初步证明了该方法在血糖检测的可行性。
傅洪波[5]2004年在《超声调制的光学成像技术研究》文中研究表明光学相干层析技术，作为一种新型的无损医学成像检测方法，其探测精度高，而且有可能实现功能成像，对于癌变组织的早期发现和诊断具有重要的意义，但受目前技术的局限性，还不能完全满足临床应用的要求。 聚焦超声调制的光学层析方法被认为是很有应用前景的一个光层析成像领域，即用聚焦超声标记散射光子，并从这些光子中提取该处介质的信息。它结合了光学方法(检测灵敏度高、可功能成像等)和声学方法(在组织中穿透能力强、散射少)的优点，可对较深处组织、以较高分辨率成像。超声调制主要是使散射介质内的散射粒子的分布以及光学特性发生变化，比如说使介质的折射率发生改变而导致光学相位变化，结合散射和自相关理论可以解释一些超声调制多重散射光的现象。在实际测量上利用模拟组织和生物组织在光学性质，特别是光吸收系数的差别所引起对应超声调制频率的谱强度不同来进行图像重建成像。该技术有望实现对现存的光学层析技术的改造，促进其实际应用。 该工作在本实验室的前期研究的基础上，对超声调制的光学层析成像的实验技术做了详细的阐述，并综合各研究小组的技术特点做了新的改进，包括整个实验方案和技术。 1、用实时快速Fourier变换(FFT)和聚焦超声调制的光学层析术以增加探测灵敏度和信噪比，用FFT实时地将调制光光信号滤出，用其谱强度重建图像。而聚焦超声以其良好聚焦效果和调制效率可以提高信噪比和分辨率。 2、结合自动控制技术，可以灵活、方便、全自动完成聚焦超声定位和数据采集。并且在综合国内外各小组的实验技术的优点的基础上，创造性地提出声光同轴反射式方案，即超声和入射光同轴，并和探测器在同一方向上。一方面在对垂直调制方法中轴向分辨率差的问题可以加以弥补；另一方面这种实验方案比其它方案更实用，更方便。在该方案基础上设计了相应的实验系统，并成功实现了光学成像。该系统可以进一步改造，将激光入射光纤、超声和光纤接收器集成为一个复合探头，便于临床应用。
林洁清, 朱莉莉, 李晖[6]2012年在《超声调制光信号的调制深度与组织光学特性关系》文中提出超声调制光学成像技术融合了光学成像和超声成像的优点,已实现对浑浊介质内隐藏异体的成像,是一种很有前景的医学成像技术。通过实验探究超声调制光信号与组织光学特性的关系、超声焦区内外组织的光学特性对调制信号的影响,发现超声对光信号的调制深度与超声焦区组织的光学性质呈简单的线性关系,调制深度随样品散射系数的增大而减小,随样品吸收系数的增大而增大。超声区信号调制深度基本不受超声调制区域外复杂组织的光学特性的影响。这为超声调制光学成像提供必要的图像重构依据。
张瑞[7]2017年在《基于声光和液晶调制的高精度高光谱全偏振成像系统研究》文中研究说明高光谱全偏振成像技术是将一维高光谱、一维全偏振和二维图像探测技术集一体的新型四维信号获取技术,在太空探测、地物遥感、医疗卫生、环境科学、化学分析等领域有很好的应用潜力。论文采用声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)为分光元件、液晶相位可变延迟器(Liquid crystal variable retarder,LCVR)为偏振调制元件的高光谱全偏振成像测量技术。研究影响系统测量精度的各类因素及其修正方法,尤其是AOTF衍射展宽导致衍射方向成像模糊、入射角不同导致光谱分布不一致及偏振测量不准、光谱温漂和光学系统色差导致的失焦等问题的解决方法,是现阶段追求高精度高光谱全偏振测量必需解决的重要科学问题,也是高精度测量的关键所在。论文基于声光和液晶调制的新型高光谱全偏振成像原理,对影响整个系统测量精度的因素进行理论分析,并提出修正策略,设计完成了可见和近红外两套高精度高光谱全偏振成像系统。首先,研究了基于AOTF和双LCVRs的高光谱全偏振成像原理。详细推导高光谱全偏振成像原理,实现Stokes参量S=[I,Q,U,V]T中全部4个参数的测量,并针对液晶相位延迟偏差对最终的偏振测量误差进行理论和仿真研究;搭建了光谱全偏振探测原理验证实验,验证了该方法的可行性。其次,研究了影响系统高光谱全偏振成像测量精度的因素,并针对其影响原因提出解决策略。研究了AOTF光谱成像中普遍存在的衍射方向较非衍射方向成像模糊的原因,理论推导获得由于超声衍射矢量方向的展宽导致AOTF衍射展宽及旁瓣的根本原因,提出采用邻域估计-递归校正算法抑制AOTF衍射展宽及旁瓣对成像的影响,并进行了实验验证,经校正后的成像中衍射方向与非衍射方向清晰度相当;研究了入射角对光谱偏振成像系统中同一幅图光谱分布不一致的影响,并通过理论分析及实验获得入射角与面阵探测器像元处波长对应关系,通过非线性拟合对其进行光谱修正,修正后的相对误差比修正前降低一个数量级;分析了入射角对液晶相位延迟的影响及对应关系,进而获得入射角对偏振测量的影响及偏振修正方法;研究了AOTF光谱温漂问题,通过不同温度的大量实验,结合非线性拟合算法获得AOTF衍射波长与超声频率及环境温度的对应关系,进而根据该关系修正温漂光谱,采用频率修正方法修正超声驱动频率与温度的系数平均为9.5kHz/℃。再次,设计适用于系统的宽光谱消色差光学系统。为解决同一幅图光谱分布不一致及修正LCVR入射角不同导致的相位延迟不同,设计了改进型的一次成像光学系统,前置压缩视场光学系统将被测目标视场压缩到AOTF允许的±3o视场内,面阵探测器放置在后置成像镜头的焦点处,通过Zemax仿真优化设计整体光学系统,使其实现宽波段消色差的目的,达到无需调焦就可实现不同波长下清晰成像,并通过实验验验证其消色差和成像质量。最后,设计加工完成基于AOTF和双LCVRs的可见和近红外两套高光谱全偏振成像系统。针对可见波段和近红外波段各元件的特点,设计各自的原理样机,样机可实现可见波段110个光谱通道和近红外波段70个光谱通道数的高光谱全偏振成像探测。并通过偏振片加波片的方式进行光谱全偏振成像验证实验;结合天空偏振特性,采用样机进行外场测试,验证样机的实用可行性。
龚雷[8]2016年在《用于动物活体内深度细胞操控的复杂光场调控和光声显微成像技术研究》文中认为直接对动物活体内的细胞进行操控和成像对于研究活体环境下细胞的结构和功能、细胞与组织之间的相互作用、研究血栓形成机制和肿瘤细胞转移等生物医学问题具有重要意义。20世纪80年代光镊技术的问世为细胞的无损伤操控和研究提供了极好的工具。光镊技术发展至今已能够操控动物活体内的血细胞,但由于光子在生物组织中的强散射问题和传统高斯光场光镊的局限性,高斯光镊目前还无法实现深层活体组织内的细胞操控,成为光镊技术用于活体研究继而推向实际生物医学应用的壁垒。与此同时,活体光镊技术还涉及到生物组织的深度光学成像问题,它同样受限于生物组织的光散射特性。研究过程中人们发现,光场的空间调控能够帮助突破传统光镊技术的局限性,抑制生物组织强的光散射特性。通过结合光镊技术和光学成像技术,光场的空间调控为解决活体操控和成像所面临的挑战提供了一个有效的途径。为了实现动物活体内深度细胞操控,本论文实验研究了复杂光场的空间调控和活体光声成像技术,具体研究内容和取得的进展包括:1.复杂光场空间调控技术。活体生物组织的光学性质具有复杂和动态变化等特性,为了通过光场调控来克服组织的光散射问题,需要开发动态的复杂光场调控技术。本论文研究了高速空间光调制器件——数字微镜器件(DMD)的复杂波前调制技术,实现了振幅、位相、偏振态、空间相干性等光场性质的灵活调控和光场多个自由度的同时调控,并成功将其应用于各种复杂结构光场的实验研究。2.复杂结构光场在新型光学操控中的应用。为突破传统光镊技术的局限性,本文将复杂结构光场与光镊技术相结合,开发了多种新型光学操控方式和功能,实现了吸热磁性微粒的操控和多通道微粒光学输运等新型捕获形式,并进一步探索用于癌细胞杀伤和活体细胞操控等实验研究。3.新型活体光声成像技术。为解决生物组织的深度光学成像问题,本文提出了一种基于复杂光场调控的叁维活体光声成像技术——合成光针光声显微成像技术(SLN-PAM)。SLN-PAM通过探测入射光子在组织中激发的超声波,极大地克服了光子在生物组织的强散射性,显着增加了生物组织内的成像深度。这种光声成像技术实现了空间不变的亚衍射极限的分辨率,同时拥有超长的成像焦深。作为验证,我们构建了基于DMD的系统原型,并利用这种新型光声成像技术实现了活体斑马鱼的高分辨体成像。本文的研究进展和成果为突破目前活体光镊技术的瓶颈,进而实现动物活体环境下深层组织内的细胞操控和成像奠定了基础。论文中提出的一些新的技术和理念也可能在光学、生物医学以及临床医学等相关领域具有一定的潜在应用价值。
杨强[9]2014年在《基于光学位相共轭和声光调制的散射介质内部光学聚焦技术》文中研究表明由于光在生物组织里被强散射,在组织体内超过一个平均自由程的深度(人皮肤下约1毫米)处,直接使用透镜组来进行光学聚焦是行不通的。为了克服散射的影响,时间反演超声编码(Time-Reversed Ultrasonically Encoded,TRUE)光学聚焦技术最近被发展起来。它结合了光学位相共轭和超声调制技术,可以实现在散射组织内部的光学聚焦。TRUE光学聚焦技术采用聚焦型超声换能器发出的超声来调制组织里的散射光子。和那些未被超声调制的光子相比,被调制的光子会产生频移现象。被超声调制(编码)的光子被透镜汇集,并作为物光和同频参考光相干涉,在全息记录介质(如光折变晶体)内记录下全息图。该记录介质的作用就像一面位相共轭镜,在全息图被共轭的参考光读出时,会产生位相共轭的物光。全息图被读出后产生的衍射光,与被超声调制光的波前具有位相共轭(时间反演)关系,将沿原物光波的方向反演(“时间反演”一词由此得来),进而汇聚到散射组织内的声光调制区,产生光学聚焦。已有报道的TRUE光学聚焦系统采用光折变晶体或者纯位相型空间光调制器(SLM)作为位相共轭镜,来生成时间反演的物光。对于采用光折变晶体的方案,由于连续发射模式下的超声束在其声轴方向上形成狭长的声光调制区,导致沿声轴方向的光学聚焦的分辨率不高。对于采用纯位相型SLM的方案,SLM只对位相进行再现,丢掉了振幅信息,这就使得再现波前在时间反演时保真度不够高,影响时间反演光学聚焦的质量。为了解决TRUE光学聚焦系统中存在的上述问题,本论文(对应以第一作者身份发表的文章)开展了以下的工作：(1)采用两个超声换能器,发射两束有微小频差的交迭的超声,在交迭区的超声拍频场调制散射光。实验发现,被拍频场调制的散射光子形成的波前,经全息记录和读出后,可以形成时间反演的波前,并汇聚到超声拍频区域。和单个超声换能器形成的聚焦区域相比,该拍频区域在尺寸上大大减小。实验表明,两个换能器的实验方案,可以沿声轴方向获得1.1毫米的光学聚焦分辨率,该分辨率为采用单个超声换能器的系统的2.4倍。(2)模拟了单个换能器发射的超声场强度,以及两个超声换能器在声场交迭区域的超声场强度,使其作为系统的点扩散函数参与到对输出信号的模拟中。借鉴光学凸透镜后的高斯光场分布,我们采用了相同的数学模型,分析了聚焦型超声换能器所产生的超声强度分布。该超声场的声强分布(也即系统的点扩散函数),和系统的目标函数相卷积后,得到系统的输出信号。该信号和实验测得的数据(见(1))相吻合(3)优化了TRUE系统的性能,将光路里全息记录和读取时的光能最大化,提高了全息记录和再现的效率。实现的方法是,使用一个电光调制器(EOM),周期性调节入射激光束的偏振方向,使其在水平和竖直方向切换。一个偏振分束器(PBS)放在EOM后,根据入射光的偏振方向,将光束选择性地反射或者透射到全息记录和再现的光路中。为了滤掉杂散光,在记录和再现光路中放置了两组数字式电控快门。一个数字延时信号发生器被用来同步EOM和快门,使得快门打开时,经EOM调制的具有相应偏振态的光能同步通过。(4)提出了一个重建散射光场位相和振幅的新方法。该方法使用一个纯相位型空间光调制器(SLM)来重建物光波波前,以此形成时间反演波来克服散射介质的散射,使得光在通过介质后(或在介质内)形成光学聚焦。为了得到散射光场,首先数值模拟了相干光照明下散射片背后的光场,得到了光场的位相和振幅信息。之后,振幅被代入G-S算法参与迭代运算,提取出对应傅立叶平面的纯位相分布。模拟结果显示,这个经6803次迭代获取的纯位相分布,,在相干的平面光波照射下,可以在原振幅信息的采集平面恢复出振幅分布信息,恢复误差是2%。据我们目前所知,这是首次对散射光场的波前进行光学方法的模拟重建(含位相和振幅)。基于此结果,我们提出了基于一个纯位相型SLM的时间反演光学聚焦的实验方案。此方案由于能同时对散射光场的位相和振幅进行波前重建(不丢掉前信息),因此可以提高时间反演光学聚焦系统反演光波再现时的保真度,进而可提高时间反演的光学聚焦的质量。
朱莉莉, 李晖, 谢树森[10]2008年在《用去卷积法提高超声调制光学成像的空间分辨率》文中进行了进一步梳理超声调制光学成像的空间分辨率取决于光在组织中的散射程度和扫描超声束的聚焦大小。由于组织是强散射介质,实际应用中的超声束都有一定的聚焦宽度(通常是毫米数量级),所以该技术成像空间分辨率一直无法提高。针对这个问题,首次将去卷积图像处理法运用在超声调制光学成像技术中,有效地解决了扫描超声束带来的信号展开,分辨率下降的影响。理论和防真结果表明,处理后的成像分辨率大大提高,图像质量明显改善。该方法无须对系统装置做任何改动,只利用适当的数据处理,就实现了成像超分辨,具有应用价值。
参考文献：
[1]. 散射介质中脉冲超声作用下调制光的产生与传输[D]. 蔡佳丽. 福建师范大学. 2007
[2]. 散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验[D]. 朱莉莉. 福建师范大学. 2005
[3]. 超声调制光学成像信号与组织光学特性关系[D]. 林洁清. 福建师范大学. 2012
[4]. 超声调制光学成像中声光作用机制及在血糖检测的应用[D]. 朱莉莉. 福建师范大学. 2013
[5]. 超声调制的光学成像技术研究[D]. 傅洪波. 华南师范大学. 2004
[6]. 超声调制光信号的调制深度与组织光学特性关系[J]. 林洁清, 朱莉莉, 李晖. 激光与光电子学进展. 2012
[7]. 基于声光和液晶调制的高精度高光谱全偏振成像系统研究[D]. 张瑞. 中北大学. 2017
[8]. 用于动物活体内深度细胞操控的复杂光场调控和光声显微成像技术研究[D]. 龚雷. 中国科学技术大学. 2016
[9]. 基于光学位相共轭和声光调制的散射介质内部光学聚焦技术[D]. 杨强. 北京邮电大学. 2014
[10]. 用去卷积法提高超声调制光学成像的空间分辨率[J]. 朱莉莉, 李晖, 谢树森. 激光生物学报. 2008
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