基于漫射光子密度波的硬质仿体光学参数的测量*

2018-10-18缪竟鸿何鑫伟王慧泉陈洪丽赵喆王金海

生物医学工程研究 2018年3期

缪竟鸿，何鑫伟,2，王慧泉,2△，陈洪丽,2，赵喆,2，王金海,2

(1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387; 2.天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387)

1 引言

为对待测物体进行快捷、方便、易携带的测量，需制作与组织光学参数相近的组织仿体。近红外光检测最常用的光学仿体包括：脂肪乳等液体仿体、半固态仿体和固态仿体[13-14]。脂肪乳溶液为高散射低吸收的物质，光学特性稳定，大多用在校准实验中，但是不能长时间保存。为了能够长期保存并在后续的实验中反复使用，选用固态的硬质仿体最为合适。

制作硬质仿体的材料分为三部分：散射介质、吸收介质以及基质[15]。散射介质影响仿体的散射系数μs与各向异性因子g，常用的是TiO2与氧化铝等。吸收介质影响仿体的衰减系数，常用的物质是印度墨水与血液等。常用的基质是硅胶及树脂等[16]。

2 基于DPDW的光学参数检测算法

在生物组织中，DPDW传输规律遵循时间分辨光子扩散方程[17-18]，见式(1)。

(1)

在遵循扩散方程的近似条件时，能够建立信号幅值(A)与相位(θ)和待测物体的μa和μs之间的关系。最常用的方法是：在单一频率调制下，多波长进行检测。本研究采用的是多频调制下的单波长检测A与θ，通过建立A与θ在多频调制下与μa和μs的关系，最终得到待测物体的光学参数。通常情况下，经过待测物体后，信号的频率不会发生改变，但是会造成A的减小，θ会有延迟。外界光线对直流信号的影响比较大，所以测量时只测量交流信号的A与θ。

光子的漫射方程可以写成Helmholtz 方程，见式(2)：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 DPDW采集系统及实验搭建

3.1 仪器及材料

DPDW光学参数检测系统使用的关键器件包括：安捷伦网络分析仪(E5070B)、THORLABS激光器(L785P090)、T型偏置器(Mini-Circuits ZFBT-4R2G+)和光电检测器(DET025AFC)。光纤采用的是单模光纤，调制频率的范围为300 KHz～1 MHz。系统搭建图见图1。其中， E5070B是二端口网络，可以同时发射和接收信号，并能够获取在设置的频率范围内不同频率处的幅值和相位。由于E5070B不能直接加直流信号，因此，需要T型偏置器。ZFBT-4R2G+是一个三端口器件，可以分别输入直流信号DC和交流信号AC，输出信号是DC&AC形式。DET025AFC能够将光信号转变成电信号，对700～800 nm的光信号响应度最高，因此，选用波长是785 nm的L785P090，功率为90 mW。激光器通过耦合光纤垂直照射到待测物体的表面，光电检测器通过垂直并紧挨待测物体的光纤探测到漫射光子。

图1 DPDW系统框图

(6)

3.2 实验系统搭建

网络分析仪的port1发射出300 KHz～1 MHz的信号，直流电流源发出直流信号，通过T型偏置器的耦合，能够驱动785 nm的激光器，包含着扫频信息的激光信号通过垂直并紧挨待测物体的光纤传递到待测物体上，经过光子与物体内的小颗粒的碰撞后，探测光纤获得漫射光的信息后传递到光电检测器，能够把光信号转变成电信号，传送到网络分析仪的port2。实际搭建的系统见图2。

图2 DPDW测量系统图

图2(a)是系统的整体图，其中，1是网络分析仪，是交流信号的发射和接收设备，2是直流电流源，3是激光器驱动器，4是光电探测器，5是T型偏置器，6是待测仿体，7是检测手柄，目的是固定出射光纤与入射光纤的摆放位置，8是光纤耦合部分。图2(b)是检测手柄与待测仿体的安装位置的侧视示意图以及模拟内部光路的传输示意图。

3.3 检测过程及数据处理

打开网络分析仪，直流电流源和激光器控制器底座开关，固定仿体与检测手柄的位置，保证光纤垂直并紧挨仿体的表面；在经过15 min的预热后，设置网络分析仪发出的信号的扫描频率范围是300 KHz～1 MHz。将直流电流源设置为2.1 V，此时，激光器正常发光。在一个扫频周期内，保存测量到的幅值和相位延迟的信息。其中，系统在每次测量时均能够得到101个频率点处幅值和相位信息。为了消除系统中的器件本身的损耗，首先需对得到的数据进行标准化处理。网络分析仪port1发出的信号作为系统的参考信号，port2接收到的信号作为系统的测量信号，两者幅值的比值为标准化后信号的幅值，两者相位的差值为标准化后信号的相位，从此得到了消除系统误差后的测量信号。由测量信号的

4 实验结果与讨论

按照上述原理及步骤对3个仿体分别进行了测量，得到了在单波长光源多频率调制下幅度和相位的数据。通过拟合算法的处理，得到的拟合波形见图3。其中，图3(a)为仿体1的采样数据点及拟合曲线图，图3(b)为仿体2的采样数据点及拟合曲线图，图3(c)为仿体3的采样数据点及拟合曲线图。图中的散点分别代表了测量的幅值和相位数据，拟合曲线参数可直接计算仿体的吸收和散射系数。