繆竟鴻，何鑫偉,2，王慧泉,2△，陳洪麗,2，趙喆,2，王金海,2

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387; 2.天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

1 引 言

為對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行快捷、方便、易攜帶的測(cè)量，需制作與組織光學(xué)參數(shù)相近的組織仿體。近紅外光檢測(cè)最常用的光學(xué)仿體包括：脂肪乳等液體仿體、半固態(tài)仿體和固態(tài)仿體[13-14]。脂肪乳溶液為高散射低吸收的物質(zhì)，光學(xué)特性穩(wěn)定，大多用在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，但是不能長(zhǎng)時(shí)間保存。為了能夠長(zhǎng)期保存并在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中反復(fù)使用，選用固態(tài)的硬質(zhì)仿體最為合適。

制作硬質(zhì)仿體的材料分為三部分：散射介質(zhì)、吸收介質(zhì)以及基質(zhì)[15]。散射介質(zhì)影響仿體的散射系數(shù)μs與各向異性因子g，常用的是TiO2與氧化鋁等。吸收介質(zhì)影響仿體的衰減系數(shù)，常用的物質(zhì)是印度墨水與血液等。常用的基質(zhì)是硅膠及樹脂等[16]。

2 基于DPDW的光學(xué)參數(shù)檢測(cè)算法

在生物組織中，DPDW傳輸規(guī)律遵循時(shí)間分辨光子擴(kuò)散方程[17-18]，見式(1)。

(1)

在遵循擴(kuò)散方程的近似條件時(shí)，能夠建立信號(hào)幅值(A)與相位(θ)和待測(cè)物體的μa和μs之間的關(guān)系。最常用的方法是：在單一頻率調(diào)制下，多波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)。本研究采用的是多頻調(diào)制下的單波長(zhǎng)檢測(cè)A與θ，通過建立A與θ在多頻調(diào)制下與μa和μs的關(guān)系，最終得到待測(cè)物體的光學(xué)參數(shù)。通常情況下，經(jīng)過待測(cè)物體后，信號(hào)的頻率不會(huì)發(fā)生改變，但是會(huì)造成A的減小，θ會(huì)有延遲。外界光線對(duì)直流信號(hào)的影響比較大，所以測(cè)量時(shí)只測(cè)量交流信號(hào)的A與θ。

光子的漫射方程可以寫成Helmholtz 方程，見式(2)：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 DPDW采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)搭建

3.1 儀器及材料

DPDW光學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)使用的關(guān)鍵器件包括：安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀(E5070B)、THORLABS激光器(L785P090)、T型偏置器(Mini-Circuits ZFBT-4R2G+)和光電檢測(cè)器(DET025AFC)。光纖采用的是單模光纖，調(diào)制頻率的范圍為300 KHz～1 MHz。系統(tǒng)搭建圖見圖1。其中， E5070B是二端口網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，并能夠獲取在設(shè)置的頻率范圍內(nèi)不同頻率處的幅值和相位。由于E5070B不能直接加直流信號(hào)，因此，需要T型偏置器。ZFBT-4R2G+是一個(gè)三端口器件，可以分別輸入直流信號(hào)DC和交流信號(hào)AC，輸出信號(hào)是DC&AC形式。DET025AFC能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，對(duì)700～800 nm的光信號(hào)響應(yīng)度最高，因此，選用波長(zhǎng)是785 nm的L785P090，功率為90 mW。激光器通過耦合光纖垂直照射到待測(cè)物體的表面，光電檢測(cè)器通過垂直并緊挨待測(cè)物體的光纖探測(cè)到漫射光子。

圖1 DPDW系統(tǒng)框圖

(6)

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

網(wǎng)絡(luò)分析儀的port1發(fā)射出300 KHz～1 MHz的信號(hào)，直流電流源發(fā)出直流信號(hào)，通過T型偏置器的耦合，能夠驅(qū)動(dòng)785 nm的激光器，包含著掃頻信息的激光信號(hào)通過垂直并緊挨待測(cè)物體的光纖傳遞到待測(cè)物體上，經(jīng)過光子與物體內(nèi)的小顆粒的碰撞后，探測(cè)光纖獲得漫射光的信息后傳遞到光電檢測(cè)器，能夠把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳送到網(wǎng)絡(luò)分析儀的port2。實(shí)際搭建的系統(tǒng)見圖2。

圖2 DPDW測(cè)量系統(tǒng)圖

圖2(a)是系統(tǒng)的整體圖，其中，1是網(wǎng)絡(luò)分析儀，是交流信號(hào)的發(fā)射和接收設(shè)備，2是直流電流源，3是激光器驅(qū)動(dòng)器，4是光電探測(cè)器，5是T型偏置器，6是待測(cè)仿體，7是檢測(cè)手柄，目的是固定出射光纖與入射光纖的擺放位置，8是光纖耦合部分。圖2(b)是檢測(cè)手柄與待測(cè)仿體的安裝位置的側(cè)視示意圖以及模擬內(nèi)部光路的傳輸示意圖。

3.3 檢測(cè)過程及數(shù)據(jù)處理

打開網(wǎng)絡(luò)分析儀，直流電流源和激光器控制器底座開關(guān)，固定仿體與檢測(cè)手柄的位置，保證光纖垂直并緊挨仿體的表面；在經(jīng)過15 min的預(yù)熱后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出的信號(hào)的掃描頻率范圍是300 KHz～1 MHz。將直流電流源設(shè)置為2.1 V，此時(shí)，激光器正常發(fā)光。在一個(gè)掃頻周期內(nèi)，保存測(cè)量到的幅值和相位延遲的信息。其中，系統(tǒng)在每次測(cè)量時(shí)均能夠得到101個(gè)頻率點(diǎn)處幅值和相位信息。為了消除系統(tǒng)中的器件本身的損耗，首先需對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。網(wǎng)絡(luò)分析儀port1發(fā)出的信號(hào)作為系統(tǒng)的參考信號(hào)，port2接收到的信號(hào)作為系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)，兩者幅值的比值為標(biāo)準(zhǔn)化后信號(hào)的幅值，兩者相位的差值為標(biāo)準(zhǔn)化后信號(hào)的相位，從此得到了消除系統(tǒng)誤差后的測(cè)量信號(hào)。由測(cè)量信號(hào)的

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

按照上述原理及步驟對(duì)3個(gè)仿體分別進(jìn)行了測(cè)量，得到了在單波長(zhǎng)光源多頻率調(diào)制下幅度和相位的數(shù)據(jù)。通過擬合算法的處理，得到的擬合波形見圖3。其中，圖3(a)為仿體1的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖，圖3(b)為仿體2的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖，圖3(c)為仿體3的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖。圖中的散點(diǎn)分別代表了測(cè)量的幅值和相位數(shù)據(jù)，擬合曲線參數(shù)可直接計(jì)算仿體的吸收和散射系數(shù)。

圖3幅值和相位的采集散點(diǎn)圖和擬合曲線

Fig3Amplitudeandphaseacquisitionscatterplotandfittingcurve

表1μa測(cè)量值與真實(shí)值的關(guān)系

Table1Therelationshipbetweenthemeasuredvalueandthetruevalueofμa

仿體序號(hào)μa真實(shí)值(cm-1)μa測(cè)量值(cm-1)μa絕對(duì)誤差(cm-1)μa相對(duì)誤差(%)仿體10.12600.14520.019215.2仿體20.27000.31110.041115.2仿體30.97501.25680.281828.9

仿體序號(hào)μ's真實(shí)值(cm-1)μ's測(cè)量值(cm-1)μ's絕對(duì)誤差(cm-1)μ's相對(duì)誤差(%)仿體10.01000.01290.002929.0仿體20.01000.01210.002121.0仿體30.01000.01210.002121.0

通過將3個(gè)仿體的真實(shí)吸收系數(shù)與擬合吸收系數(shù)做線性分析，見圖4。得到兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.999。

圖4 真實(shí)μa與擬合μa的線性關(guān)系圖

5 小結(jié)