传递函数在生物组织光传输问题中的应用

本文将传递函数的概念引入生物组织光传输问题,并将传递函数理论用于面光源照射下生物组织内特定深度层面上光场强度分布的理论计算。结合Monte Carlo模拟获取脉冲相应函数,我们分析了不同面光源照射下层状组织样品透射面上的光场强度分布。理论计算结果与实验测试结果的一致性较好,这充分说明了本文建立的基于Monte Carlo模拟的传递函数方法是一种处理面光源照射下生物组织内光场空间的直接而有效的手段。     

反卷积在生物组织光传输特性研究中的应用

生物组织中的光传输特性可以以点扩散函数表征,即在线状光束入射条件下,生物组织中某一深度层面上的光强度场分布。为获得点扩散函数的具体形式,已发展了多种理论分析方法,其中以Monte Carlo模拟方法最具代表性。但现有理论计算方法都要以生物组织的光学参数已知为前提,而光学参数的准确度直接影响着计算的精度。从线性平移不变系统理论出发,生物组织内一定深度层面上的光强分布被看成是光源强度分布与点扩散函数的卷积,从而提出通过测量在轴对称的准直扩展光源照射条件下,组织中特定层面上的光强度分布,利用反卷积重建生物组织的点扩散函数的方法,并将这种方法应用于典型生物组织透射面上点扩散函数的重建,得到了相应的点扩散函数。实验结果与Monte Carlo模拟的结果吻合较好,表明该方法从实验上获得生物组织点扩散函数的正确性和有效性。     

热作用对肾组织光传输特性的影响

研究了热作用下的肾组织对532 nm和1064 nm波长的光学特性的影响。实验利用带积分球附件的分光光度计和采用反向倍增法获取组织的光学特性,结果表明热作用下的肾组织对532 nm和1 064 nm的吸收系数和约化散射系数都是随着加热温度的变化而变化的。在25℃到80℃的温度范围内,肾组织对532 nm的吸收系数和约化散射系数都分别显著地较其对1064 nm的吸收系数和约化散射系数要大。其对532 nm和1 064 nm的吸收系数的最大值都在80℃,其值分别为1.121 mm-1和0.269 mm-1,最小值都在25℃,其值分别为0.131 mm-1和0.019 mm-1。其对532 nm和1 064 nm的约化散射系数的最大值分别在80℃和70℃,其值分别为2.905 mm-1和0.705 mm-1,最小值都在25℃,其值分别为0.391 mm-1和0.184 mm-1。研究结果提示,热作用的温度是影响肾组织的吸收和散射特性的重要因素。     

生物组织光学特性的时间分辨透射测量

基于时域漫射理论,提出一种用透射光来确定生物组织光学特性的方法。通过对生物组织的模拟测量,结果表明：此方法具有算法简单,速度快,精度高等优点,并比较了透射和反射两种测量法的精度。     

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。     

基于点加权最小二乘无网格法的光学成像光传输模型求解

漫射方程是目前光学成像中应用最广泛的光传输模型,通常采用有限元方法进行求解。但是,有限元方法依赖于对整个求解域的网格剖分,而对于类似生物组织的非规则形状求解域的网格剖分是非常困难的,甚至昂贵的商业软件也难以很好地处理。本文将点加权最小二乘无网格法应用于漫射方程的求解。这种方法只需要在求解域内布置一系列规则分布的配点即可进行数值求解,从而可以完全避免有限元方法中困难的剖分工作。此外,这种方法通过最小化控制方程和边界条件在每个配点上产生的残量加权平方和,建立光源功率和光流率密度之间的关系,不需要进行任何数值积分运算,非常适合应用于非规则求解域的求解。基于数字鼠模型的数值仿真实验验证了该方法的准确性和有效性。     

生物组织的折射和折射率

光在生物组织中的传播与组织的光学性质有关。光通过组织时,光强和光的偏振状态会发生变化。而折射率是组织光学用来评价组织改变光线行进方向的基本参量。本文以菲涅耳公式为理论依据,用空气一组织界面的反射率、生物组织薄膜的反射率和生物组织反射光的倔振分量,推算生物组织的折射率。     

生物组织光学特性检测中的探头设计

在组织光谱检测中,探头的设计至关重要。本文首先对近红外测量探头进行了分类,并探讨了它们各自的特点,然后详细介绍并比较了几种典型的探头设计,最后总结了探头设计的优化方法及其发展趋势。     

用于Monte Carlo模拟的复杂生物组织模型

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。     

采用不同的光传输模型比较研究结肠的散射和吸收特性:离体结肠肿瘤的光学诊断

测定和比较研究了离体的正常的和腺癌的人结肠粘膜/粘膜下层以及正常的和腺癌的人结肠肌层/浆膜组织对630 nm,680 nm,720 nm,780 nm,810 nm,850 nm和890 nm波长的钛宝石激光的散射和吸收系数。采用双积分球测量系统测量组织样品对七个不同波长的激光的准直透射、漫反射和漫透射,从实验所测结果以及分别采用反向倍增法和反演蒙特卡罗技术这两个光学模型计算出组织的散射和吸收系数。研究结果表明,无论是用反向倍增法还是用反演蒙特卡罗法,每一种类型的正常的和腺癌的人结肠组织对同一波长的激光的吸收系数和散射系数有显著性的差异(P<0.01),正常的和腺癌的结肠组织的散射和吸收系数有大的差异,这些结果提示每种类型的正常和腺癌的结肠组织的组份和结构之间有大的差异。四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数较其吸收系数至少要大三个数量级,而四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数有相同的数量级。     

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。     

两点法测量组织光学特性中有效时间的选择

在改进两点法的基础上,对不同约化散射系数与吸收系数之比（μｓ’／μａ）的生物组织进行了模拟测量。结果表明有效时间决定于生物组织的光学特性和探测位置,μｓ’／μａ值一定时,有效时间随光源和探测点间的距离增大而增大;光源和探测点的距离一定是,有效时间随μｓ’／μａ值的减小而增大,反之亦然。     

生物组织中有限束宽光吸收的蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗法模拟了有限束宽均匀分布和高斯分布光在生物组织中的传播,分析了生物组织的光学参数及光源特性对光吸收分子的影响,结果表明：只要有效光吸收系数增加,最大光吸收率就会增加,光的侧向传输能力主要依赖于光的有效散射,光束宽度增加,辐照范围加宽,高斯光束的吸收分布的梯度更大。     

A Comparative Study of Internal Light Environment in Bifacial Leaves of Different Plants

Parameters of light propagation in plant leaves — absorption and scattering coefficients, asymmetry of scattering — have been estimated on the basis of measured transmission and emission as well as internal fluxes. This estimation has been carried through by solving the inverse problem of the 4-flux radiative transfer — a theory considering forward and backward diffuse as well as directed components of the overall radiation in a multiple scattering sample. Using the gained parameters, light flux gradients in a two-layered model leaf have been calculated at different wavelengths. Monte Carlo simulation of absorption spectra performed with the parameters obtained with this treatment is in a good agreement with experimental spectra, thus substantiating the theory. Parallel calculations with the two-flux (Kubelka-Munk) theory provide an estimation of the accuracy and applicability of this more simple treatment. Calculations have been performed for three different plants: Catalpa bignonioides, Tilia americana and Vitis riparia.     

Light Harvesting Unsymmetrical Conjugated Dendrimders as Photosynthetic Mimics

We review the synthesis and photophysical properties of light harvesting phenylacetylene dendrimers with unsymmetrical branching. We describe the steady state and time dependent experiments that are used to characterize energy transfer properties in the conjugated dendrimers. Finally, we describe investigations of the unsymmetrical phenylacetylene dendrimers as potential materials for applications in fluorescence-based sensors, and for non-linear optics.     

光声结合用于生物组织成像的研究进展

光声结合为生物组织层析成像提供了一种新的有效的手段。这种新方式克服了传统成像技术的一些不足,能获得更多的信息。本文总结了该领域三个主要研究方向的工作,同时分析了目前存在的问题。     

生物组织折射率的概念与测量方法评述

折射率作为描述介质光学特性的一个重要物理参量,它在组织光学理论中起着非常重要的作用.随着组织光学研究的深入,生物组织折射率的概念也在不断地完善和发展.本文将主要介绍生物组织折射率的基本概念和测量手段的研究进展情况,明确了生物组织折射率的概念,评述了现有测量方法的优缺点,希望为生物组织折射率问题的进一步研究提供有益参考.     

Structural acclimation and radiation regime of silver fir (Abies alba Mill.) shoots along a light gradient

Shoot architecture has been investigated using the ratio of mean shoot silhouette area to total needle area ( ) as a structural index of needle clumping in shoot space, and as the effective extinction coefficient of needle area. Although can be used effectively for the prediction of canopy gap fraction, it does not provide information about the within‐shoot radiative regime. For this purpose, the estimation of three architectural properties of the shoots is required: needle area density, angular distribution and spatial aggregation. To estimate these features, we developed a method based on the inversion of a Markov three‐dimensional interception model. This approach is based on the turbid medium approximation for needle area in the shoot volume, and assumes an ellipsoidal angular distribution of the normals to the needle area. Observed shoot dimensions and silhouette areas for different vertical and azimuth angles (A_S) are used as model inputs. The shape coefficient of the ellipsoidal distribution (c) and the Markov clumping index (λ₀) are estimated by a least square procedure, in order to minimize the differences between model prediction and measurements of A_S. This methodology was applied to silver fir (Abies alba Mill.) shoots collected in a mixed fir–beech–spruce forest in the Italian Alps. The model worked effectively over the entire range of shoot morphologies: c ranged from 1 to 8 and λ₀ from 0·3 to 1 moving from the top to the base of the canopy. Finally, the shoot model was applied to reconstruct the within‐shoot light regime, and the potential of this technique in upscaling photosynthesis to the canopy level is discussed.     

Blue Light Inhibits Mitosis in Tissue Culture Cells

Irradiation of the mitotic (prophase and prometaphase) tissue culture PK (pig kidney embryo) cells using mercury arc lamp and band-pass filters postponed or inhibited anaphase onset. The biological responses observed after irradiation were: (i) normal cell division, (ii) delay in metaphase and then normal anaphase and incomplete cytokinesis, (iii) exit into interphase without separation of chromosomes, (iv) complete mitotic blockage. Cell sensitivity to the light at wavelengths from 423 and 488 nm was nearly the same; to the near UV light (wavelength 360 nm) it was 5–10 times more; to the green light (wavelength >500 nm) it was at least 10 times less. To elucidate the possible mechanism of the action of blue light we measured cell adsorption and examined cell autofluorescence. Autofluorescence of cytoplasmic granules was exited at wavelengths of 450–490 nm, but not at >500 nm. In mitotic cells fluorescent granules accumulated around the spindle. We suppose blue light irradiation induces formation of the free radicals and/or peroxide, and thus perturb the checkpoint system responsible for anaphase onset.