蒙特卡罗模拟多束光辐照下生物组织中的光吸收分布

用蒙特卡罗方法模拟了均匀分布光和高斯分布光在生物组织内的传播。通过比较单束以及多束均匀分布光和高斯分布光照射下组织内的光子能量分布规律,分析了不同光源和光斑大小对光吸收分布的影响。结果表明:与均匀光束比较,高斯光束辐照时,激光能量较为集中,但侧向传播范围较窄。在总功率相同的情况下,使用单束大功率宽光源与多束功率较小的小光斑光源均能明显地增大光的侧向传播距离,但使用多束功率较小的小光斑光辐照时生物组织中的最大光吸收率增大。多束组合光源光束间距对光吸收分布影响很大。     

深层组织双光子荧光成像激发特征的仿真分析

双光子荧光探针被广泛研究应用于生物医学成像和治疗,深入了解这类探针在生物组织中激发分布特征及其相对于单光子探针的成像优势和劣势对探针的合理选择和应用具有指导意义。然而,由于实际测量难以避开众多干扰因素的影响,因此不能准确反映其固有特征。本文选取典型生物和荧光激发参数,利用生物仿真定量分析,并通过双光子和单光子的激发成像对比,获取了双光子荧光的基本激发特征。结果发现,在相同平圆光束激发下,双光子激发由于激发效率低且需要双光子吸收,再加上较高的激发阈值,虽然激发光在组织穿透深度方面存在优势,但在组织内衰减速率快、有效穿透深度比高量子效率的单光子荧光激发浅。同时,深度方向的快速衰减会导致横向激发光能的非均匀性分布,这种非均匀性对双光子荧光影响更大。仿真分析进一步表明:在生物组织耐受的前提下提高双光子激发的功率更有利于荧光成像;增加光照半径可以减弱横向激发的不均匀性,从而改善双光子荧光成像的效果。本研究结果为双光子荧光激发、成像的应用提供了基础数据参考,本仿真方法也为快速研究光与生物组织的相互作用提供了借鉴。     

基于光谱编码的血管内光声组分成像

光声成像突破了传统的光学成像和超声成像在生物组织成像领域的困境,该技术基于光声(Photoacoustic,PA)效应,脉冲激光激励下的生物组织产生超声信号,超声信号被接收后,通过反投影算法将其携带的时间信息和强度信息转化为能够反映生物组织吸收结构和分布的可视化图像。基于不同生物组织的光吸收差异,当激发光强度均匀且稳定时,光声成像反映的就是该物质对于该波长光的吸收特性。本文中,我们基于导管式的血管内光声断层扫描平台结合多波长激发的光声成像算法开发了基于光谱编码的血管内光声组分成像系统,实现了在离体血管斑块中脂质组分的定量成像,高分辨获得了脂质核心的大小形态和边界信息,表征了斑块内的脂质相对含量。     

光动力治疗中光的有效吸收光剂量及其确定

光动力治疗中真正有效的光剂量是达到病变组织并且被组织中的光敏剂所吸收的那部分剂量,即有效吸收光剂量。明确组织中的有效吸收光剂量可以指导临床治疗,从而避免治疗剂量不足(治疗不彻底)或剂量过量(造成正常组织的热损伤)。而确定PDT中光的有效吸收剂量时,需测定组织中考察点的光辐射能流率。在目前计算和模拟组织中光辐射能流率的方法中,都需要首先确定所研究组织的光学特性参数。本文概述了常用的测定组织中光辐射能流率及组织光学特性参数的测量方法。     

光声成像及其在生物医学中的应用

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法,它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点,以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测,从原理上避开了光学散射的影响,可以提供高对比度和高分辨率的组织影像,为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段,在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景.对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展.     

激光捕捉和悬浮生物微粒的原理

利用不均匀分布光束的横向梯度,对微粒产生光学梯度力,建立光学势阱,可用来捕捉和悬浮细胞一类的生物微粒,起到光镊作用。     

基于非线性热扩散效应的亚衍射极限光声二次谐波显微成像技术

本文提出了一种基于非线性热扩散效应的光声二次谐波显微SH-PAM成像技术,用于实现亚衍射极限光声成像。生物组织受到强度调制的高斯激光束辐射时,组织吸收光子形成高斯分布的温度场,由于热扩散系数非线性热效应引起的非线性光声PA效应,从而产生光声二次谐波信号。模拟和试验结果均表明,重建后的光声二次谐波成像的横向分辨率超过了传统光学成像分辨率。本文通过仿体样品验证了该方法的可行性,并且对人表层皮肤细胞进行了成像,以证明其对生物样品的成像能力。该方法扩展了传统光声成像的范围,为超分辨成像开辟了新的可能性,为生物医学成像和材料检测提供了新的方法。     

一种用于微藻培养的新型板式光生物反应器

微藻的闪光效应可以大幅提高微藻的光效率,提高微藻产量。通过在传统的板式光生物反应器中加入斜挡板以增强微藻的闪光效应。以小球藻为模型藻种,考察了新型板式光生物反应器内不同光强和不同进口流速对小球藻生长速率和光效率的影响。结果表明,当进口流速为0.16 m/s时,随着光强的提高,小球藻的细胞浓度逐渐增加,光效率逐渐降低;在500μmol/(m2·s)的光强条件下,小球藻细胞浓度和光效率均随着进口流速的提高而增加。新型板式光生物反应器内小球藻的细胞浓度比传统板式光生物反应器提高了39.23%,表明在传统板式光生物反应器内加入斜挡板可有效增强微藻的闪光效应。     

光声结构与功能成像技术研究进展

光声成像技术利用短脉冲激光激发产生光声信号,可重建出组织的光吸收分布图像,它结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高分辨率特性.光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构,还能够精确实现无损功能成像,为研究生物组织的形态结构,生理、病理特征,代谢功能等提供了全新手段.本文简要分析了光声信号产生的机理,总结报道了目前实验室几套典型的成像系统及其最新应用进展,指出光声成像作为一种新型的生物医学成像方法,可望引发生物医学影像领域的一次革新.     

全光学光声/OCT双模态成像系统及其应用

本文提出了一种新型的全光学光声/OCT双模态成像系统。该系统利用同一个低相干迈克尔逊干涉仪即可实现非接触式光声成像和OCT于一体,系统装置结构简单,可同时获取生物组织的吸收与散射结构信息。通过模拟实验证明了该双模态成像系统的可行性及成像能力,并对活体小鼠耳朵同时进行光声/OCT成像测试,实验结果表明非接触式光声/OCT双模态成像系统可以实现生物组织内的微血管及散射结构的高分辨率成像。进一步地,我们将光声/OCT双模态成像系统应用于基底细胞癌的检测中,获得了初步的研究结果,表明了该系统在皮肤肿瘤诊断中的具有潜在的应用价值。     

不同波长的面光源在生物组织中光能分布的对比

用M onte-Carlo模拟了波长为515 nm的激光光源在空气-肺-空气层样品结构中的传播,详细地讨论了面光源分别为高斯光束和圆平面光束在不同光束半径情况时的光能流率和漫反射强度的分布情况,并与波长635 nm激光光源的结果相比较。结果表明:不同波长光源在相同模型中传播,其光能流率分布和漫反射强度的分布走向相同,激光光斑形状和光束半径大小的选择对激光在组织中传播有重要的影响作用,但比较模拟结果之后,发现在生物组织中近红外光波相对其他光波的穿透性比较强,更便于生物医学以及其他领域的研究。     

时间分辨反射确定生物组织光学性质的方法研究

通过考虑吸收系数对漫射常数的影响,改进了时间分辨反射中两点测量生物组织光学性质的方法,对约化散射系数与吸收系数之比较小的生物组织进行了模型测量,结果表明此种不仅减小了测量的系统误差,而且扩展了两点测量法的应用范围。同时也较为详细地讨论了有效时间的选择和光源与探测点间的距离对测量结果的影响。     

Propagation of focused and multibeam laser energy in biological tissue

The results of a Monte Carlo simulation of laser beam propagation in turbid media are presented. The study was performed to determine whether using a focused beam or multiple beams instead of a single collimated beam could improve subsurface laser energy delivery in biological tissue. A parametric study was carried out to determine both the laser fluence at a target depth and the ratio of fluence at the target over surface fluence as a function of tissue properties and the mode of energy delivery. It was found that the reduced scattering coefficient was the primary determinant as to whether multibeam or focused beam delivery could be effective. A focused beam was found to be extremely effective in increasing fluence at the target if the dimensionless reduced scattering coefficient was less than 2. The delivered fluence, however, was found to be extremely sensitive to tissue properties. A five-beam laser system was found to be less effective at increasing fluence at the target than a focused beam; but the fluence delivered by a five-beam system was far less sensitive to tissue properties, thereby making accurate dosimetry more feasible.     

实验探索非靶组织光学参数对超声调制光的影响

生物组织是一种复杂的多层高散射介质,探索光在超声作用下的生物组织中的传播规律是超声调制光学成像术必须解决的一个基本问题,关系到最终进行图像处理与重建。通过实验探索超声调制光信号在双层和三层组织中的传播规律。实验结果表明非靶组织的光学属性（吸收系数和散射系数）和组织结构（单层或多层）都不影响超声调制光信号的调制深度。调制深度只与超声焦区介质（即靶组织）的声光属性有关,具有较佳的抗干扰性,适合用于图像重构。     

不同微生物的单光束激光陷阱操纵

本文报导了分别采用Ｈｅ－Ｎｅ和Ａｒ＾＋激光器与光不显微镜构成的单光束激光陷阱操纵酵母菌、青霉等不同微生物的实验观察结果,讨论了操纵条件。研究表明：用单光束高会聚激光产生的梯度力操纵微生物体,其有效作用力的大小不仅与激光功率、波长、束腰半径和光束会聚角有关,还与微生物的大小、吸收系数、菌龄及培养方法等因素有关。     

Theoretical analysis of thermal damage in biological tissues caused by laser irradiation

A bioheat transfer approach is proposed to study thermal damage in biological tissues caused by laser radiation. The laser light propagation in the tissue is first solved by using a robust seven-flux model in cylindrical coordinate system. The resulting spatial distribution of the absorbed laser energy is incorporated into the bioheat transfer equation for solving temperature response. Thermal damage to the tissue is assessed by the extent of denatured protein using a rate process equation. It is found that for the tissue studied, a significant protein denaturation process would take place when temperature exceeds about 53 degrees C. The effects of laser power, exposure time and beam size as well as the tissue absorption and scattering coefficients on the thermal damage process are examined and discussed. The laser conditions that cause irreversible damage to the tissue are also identified.     

两探测器法中的位置选择

通过两探测器法,对半无限生物组织在外延边界条件下（EBF）,用时间分辨反射的Monte Carlo法计算的数据作为模拟实验数据,讨论了不同测量点对测量吸收系数的影响,结果表明吸收系数的测量与两探测器的距离基本无关。     

Nonlinear optical absorption of photosynthetic pigment molecules in leaves

A mathematical formulation of the relationship between optical absorption coefficient of photosynthetic pigment molecules and light intensity was developed. It showed that physical parameters of photosynthetic pigment molecule (i.e., light absorption cross-section of photosynthetic pigment molecule, its average lifetime in the excited state, total photosynthetic pigment molecules, the statistical weight, or degeneracy of energy level of photosynthetic pigment molecules in the ground state and in the excited state) influenced on both the light absorption coefficient and effective light absorption cross-section of photosynthetic pigment molecules. Moreover, it also showed that both the light absorption coefficient and effective light absorption cross-section of photosynthetic pigment molecules were not constant, they decreased nonlinearly with light intensity increasing. The occupation numbers of photosynthetic pigment molecules in the excited states increased nonlinearly with light intensity increasing.     

Temperature regime of biological tissue under photodynamic therapy

An analytical model is proposed to calculate heating of human skin cover under laser light action of photodynamic therapy. A photosensitizer of «Fotolon» is taken as an example. Temperatures of skin surface and of deep dermis regions are studied as a function of time under pulsed and stationary irradiation of skin surface at the wavelength of 665 nm corresponding to the maximum of the photosensitizer absorption band. It is shown that, under the action of a short light pulse, the photosensitizer can lead to an essential temperature rise of dermis due to a considerable increase in its absorption coefficient. However, this rise does not destruct tissue cells because of the short action. Under stationary irradiation, the photosensitizer concentration has a low effect on the temperature regime of tissue. This is related with the specific features in heating of the medium by red light, where the main thermal process in skin is heat transfer over tissue volume from epidermis having a substantially larger absorption coefficient than that of dermis in the said spectral range. The role of blood perfusion in dermis and its effect on the temperature regime of tissue are evaluated.