各向同性点光源的制备及生物组织模拟液中光能流率的测定①

张琳 李慧

(华北科技学院基础部，北京东燕郊 101601)

各向同性点光源的制备及生物组织模拟液中光能流率的测定①

张琳②李慧

(华北科技学院基础部，北京东燕郊 101601)

本文提出了一种制备用于模拟液测量的各向同性小球的新方法，对制备小球的出射光能流率测量的结果表明，其角分布平均误差小于10%;用我们制备的各向同性小球测量了生物组织模拟液Intralipid－10%溶液中的光能流率，实验结果与理论结果吻合很好。

激光测量;各向同性小球;能流率;生物组织模拟液

0 引言

在测量标准生物组织模拟液Intralipid－10%的吸收系数及各向异性因子时常用的方法为插入法［1，2］，即测量时需把一各向同性点光源浸在Intralipid－10%的水溶液中，为使浸在溶液中的光源为符合要求的各向同性点光源，需要在光纤端面加装高散射小球。我们研制了这种高散射小球，实验结果表明，其出射光能流率的角向分布误差小于10%。用我们制备的各向同性小球测量Intralipid－10%溶液中的光能流率，结果与目前广泛使用的漫射理论有令人满意的吻合，说明我们制备的各向同性小球沾在光纤末端可作为各向同性点光源和各向同性探测器进行生物组织光分布测量和研究。

1 实验材料及方法

实验选用具有熔点低、散射特性高的蜡作为各向同性小球的原料。具体制作时选用了一种用在药丸外密封的蜡，该蜡既有一定韧性，又有一定粘性，易成球、易粘附。为使粘附于光纤上的小球出射各向同性光，与小球粘附的光纤端面的出射光前向性不可过大，为此，对光纤端面进行了研磨，使光纤端面成一小圆锥状，并尽量使锥面相对粗糙，以利从光纤出射的光发散开，实际制作中使光纤端面出射光的光斑尽量大。而后将小蜡块烧熔，滴入自制的模具做成直径约2～3mm的半球最后，用光纤被研磨的端面将蜡半球插起，再次加热将蜡半球熔成球状粘附在光纤端面。

我们制作了几个直径约1～2mm的粘附于光纤端面的小球，并对制作的高散射小球沿角向的光分布进行了测量，测量小球角向光分布的实验装置如图1所示。

图1 测量各向同性小球出射光能流率角向分布的实验装置

测量结果如图2所示。表明制备的小球出射光的能流率的平均分布误差小于10%，比Staveren等人［1］的插入法测量实验中用的散射小球的各向同性程度好(Staveren等人所用的作为光源的散射小球的角分布误差为±20%)，说明我们制备的各向同性小球可用于介质散射光的探测。

2各向同性球出射光的能流率的解分布图

用制备的小球做各向同性点光源及各向同性探测器测量Intralipid－10%溶液中的光能流率的实验装置如图3所示。Intralipid－10%是一种目前在生物组织光学中常用的生物组织模拟材料，对Intralipid－10%的光学特性的研究表明，它有强的前向散射特性和低吸收性［1，3］。实验中溶液由1500ml蒸馏水加入50ml Intralipid－10%溶液制成，根据文献［4］在650 nm波长下对Intralipid－10%溶液的研究结果进行计算，溶液的有效散射系数μ's=9.54635mm－1，吸收系数μa=0.00475mm－1。

波长为650nm的半导体激光器作为光源，激光束经光阑、斩波器(1KHz)后，耦合入芯径为300μm的光纤。光纤的末端加装了一个直径1.5mm的高散射介质球，以产生各向同性光输出。光纤末端在竖直方向上被精确定位。为测量光能流率我们用另一芯径为300μm末端加装了一个直径1.2mm的高散射介质球的光纤作为探测器。探测光纤在x、y、z方向定位的准确度大于0.001mm。探测光纤将接收到的光耦合至光电池(SG－03)，光电池输出信号经前置放大器(UA741CN)后，送入与斩波器相连的锁相放大器(Stanford Research Systems生产，型号为SR830)。锁相放大器输出的信号送入控制探测光纤移动的计算机(PC)。光电转换器和放大电路的线性已证实大于99%。探测光纤的水平扫描由计算机控制的步控移动平台完成，步控移动平台沿直线相对光源作线性移动。光源和探测器的竖直调节利用手动调节装置完成。光源和探测器的初始距离利用游标卡尺测得。

图3 测量各向同性点光源在无限大介质中的光能流率的实验装置

2 测量结果及理论计算

测量Intralipid－10%稀释液中光能流率随到各向同性点光源距离r的分布如图4所示。由漫射理论可知，在无限大介质中，一个放置在r=0处各向同性的单位强度的连续点光源在介质中产生的光能流率为［5］：

图4 Intralipid-10%溶液中光能流率随到光源距离分布的实验及理论结果

3 结论

本文提出了用蜡制备用于模拟液测量的各向同性小球的新方法，对制备小球的出射光能流率测量的结果表明，其角分布平均误差小于10%;用我们制备的各向同性小球测量了生物组织模拟液Intralipid－10%溶液中的光能流率，实验结果与普遍采用的漫射理论结果有很好的吻合。上述对各向同性点光源的测试及实验结果表明，我们所研制的各向同性点光源和各向同性光纤探头可用于生物组织光学的实验研究，各向同性小球的制作方法也是可行的。

［1］van Staveren H.J.，Moes C.J.M.，van Marle J.，et al.Light scattering in Intralipid－10%in the wavelength range of 400－1100nm［J］.Appl.Opt.，1991，30(31)：4507－4514

［2］Moes C.J.M.，van Gemert M.J.C.，Star W. M.，et al.Measurements and calculations of the energy fluence rate in a scattering and absorbing phantom at 633nm［J］.Appl.Opt.，1989，28 (12)：2292－2296

［3］Flock S.T.，Wilson B.C.，Patterson M.S. Monte Carlo modeling of light propagation in high ly scattering tissues-II：comparison with measure ments in phantoms［J］.IEEE Trans.Biomed. Eng.，1989，36：1169－1173

［4］Zhang Lin，Zhang Lianshun，Xu Tang，et al.In Vitro and in Vivo Noninvasive Measurements for the Optical Properties of the Biological Tissues［J］.Acta Photonica Sinica，2004，33(11)：1377－1381(in Chinese)

［5］Venugopalan V.，You J.S.，and Tromberg B. J..Renormalized sextic coupling constant for the two-dimensional Ising model from field theory Phys.Rev.B，1998，58：2395–2398

Fabrication of the isotropic light source and measurements of the energy fluence rate in a biological tissue phantom

ZHANG Lin，LI Hui

(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

A new method of making isotropic sphere for measuring Intralipid－10%is proposed.The test for the sphere rejecting the light energy fluence rate shows the angle average error is less than 10%.The measurement results for the energy fluence rate in a biological tissue phantom can correspond to the theoretical result very well.

laser measurement;isotropic sphere;energy fluence rate;biological tissue phantom

Q632

A

1672－7169(2011)03－0082－03

2011－05－21。项目基金：中央高校基本科研业务费资助(2011B021)。

张琳(1975－)，女，山东滕州人，硕士，华北科技学院基础部副教授，研究方向：大学物理教学及光与生物组织相互作用。