張琳 李慧

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部，北京東燕郊 101601)

各向同性點(diǎn)光源的制備及生物組織模擬液中光能流率的測(cè)定①

張琳②李慧

(華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部，北京東燕郊 101601)

本文提出了一種制備用于模擬液測(cè)量的各向同性小球的新方法，對(duì)制備小球的出射光能流率測(cè)量的結(jié)果表明，其角分布平均誤差小于10%;用我們制備的各向同性小球測(cè)量了生物組織模擬液Intralipid－10%溶液中的光能流率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合很好。

激光測(cè)量;各向同性小球;能流率;生物組織模擬液

0 引言

在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)生物組織模擬液Intralipid－10%的吸收系數(shù)及各向異性因子時(shí)常用的方法為插入法［1，2］，即測(cè)量時(shí)需把一各向同性點(diǎn)光源浸在Intralipid－10%的水溶液中，為使浸在溶液中的光源為符合要求的各向同性點(diǎn)光源，需要在光纖端面加裝高散射小球。我們研制了這種高散射小球，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其出射光能流率的角向分布誤差小于10%。用我們制備的各向同性小球測(cè)量Intralipid－10%溶液中的光能流率，結(jié)果與目前廣泛使用的漫射理論有令人滿意的吻合，說明我們制備的各向同性小球沾在光纖末端可作為各向同性點(diǎn)光源和各向同性探測(cè)器進(jìn)行生物組織光分布測(cè)量和研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)選用具有熔點(diǎn)低、散射特性高的蠟作為各向同性小球的原料。具體制作時(shí)選用了一種用在藥丸外密封的蠟，該蠟既有一定韌性，又有一定粘性，易成球、易粘附。為使粘附于光纖上的小球出射各向同性光，與小球粘附的光纖端面的出射光前向性不可過大，為此，對(duì)光纖端面進(jìn)行了研磨，使光纖端面成一小圓錐狀，并盡量使錐面相對(duì)粗糙，以利從光纖出射的光發(fā)散開，實(shí)際制作中使光纖端面出射光的光斑盡量大。而后將小蠟塊燒熔，滴入自制的模具做成直徑約2～3mm的半球最后，用光纖被研磨的端面將蠟半球插起，再次加熱將蠟半球熔成球狀粘附在光纖端面。

我們制作了幾個(gè)直徑約1～2mm的粘附于光纖端面的小球，并對(duì)制作的高散射小球沿角向的光分布進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量小球角向光分布的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 測(cè)量各向同性小球出射光能流率角向分布的實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量結(jié)果如圖2所示。表明制備的小球出射光的能流率的平均分布誤差小于10%，比Staveren等人［1］的插入法測(cè)量實(shí)驗(yàn)中用的散射小球的各向同性程度好(Staveren等人所用的作為光源的散射小球的角分布誤差為±20%)，說明我們制備的各向同性小球可用于介質(zhì)散射光的探測(cè)。

2各向同性球出射光的能流率的解分布圖

用制備的小球做各向同性點(diǎn)光源及各向同性探測(cè)器測(cè)量Intralipid－10%溶液中的光能流率的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。Intralipid－10%是一種目前在生物組織光學(xué)中常用的生物組織模擬材料，對(duì)Intralipid－10%的光學(xué)特性的研究表明，它有強(qiáng)的前向散射特性和低吸收性［1，3］。實(shí)驗(yàn)中溶液由1500ml蒸餾水加入50ml Intralipid－10%溶液制成，根據(jù)文獻(xiàn)［4］在650 nm波長(zhǎng)下對(duì)Intralipid－10%溶液的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，溶液的有效散射系數(shù)μ's=9.54635mm－1，吸收系數(shù)μa=0.00475mm－1。

波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光器作為光源，激光束經(jīng)光闌、斬波器(1KHz)后，耦合入芯徑為300μm的光纖。光纖的末端加裝了一個(gè)直徑1.5mm的高散射介質(zhì)球，以產(chǎn)生各向同性光輸出。光纖末端在豎直方向上被精確定位。為測(cè)量光能流率我們用另一芯徑為300μm末端加裝了一個(gè)直徑1.2mm的高散射介質(zhì)球的光纖作為探測(cè)器。探測(cè)光纖在x、y、z方向定位的準(zhǔn)確度大于0.001mm。探測(cè)光纖將接收到的光耦合至光電池(SG－03)，光電池輸出信號(hào)經(jīng)前置放大器(UA741CN)后，送入與斬波器相連的鎖相放大器(Stanford Research Systems生產(chǎn)，型號(hào)為SR830)。鎖相放大器輸出的信號(hào)送入控制探測(cè)光纖移動(dòng)的計(jì)算機(jī)(PC)。光電轉(zhuǎn)換器和放大電路的線性已證實(shí)大于99%。探測(cè)光纖的水平掃描由計(jì)算機(jī)控制的步控移動(dòng)平臺(tái)完成，步控移動(dòng)平臺(tái)沿直線相對(duì)光源作線性移動(dòng)。光源和探測(cè)器的豎直調(diào)節(jié)利用手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置完成。光源和探測(cè)器的初始距離利用游標(biāo)卡尺測(cè)得。

圖3 測(cè)量各向同性點(diǎn)光源在無限大介質(zhì)中的光能流率的實(shí)驗(yàn)裝置

2 測(cè)量結(jié)果及理論計(jì)算

測(cè)量Intralipid－10%稀釋液中光能流率隨到各向同性點(diǎn)光源距離r的分布如圖4所示。由漫射理論可知，在無限大介質(zhì)中，一個(gè)放置在r=0處各向同性的單位強(qiáng)度的連續(xù)點(diǎn)光源在介質(zhì)中產(chǎn)生的光能流率為［5］：

圖4 Intralipid-10%溶液中光能流率隨到光源距離分布的實(shí)驗(yàn)及理論結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了用蠟制備用于模擬液測(cè)量的各向同性小球的新方法，對(duì)制備小球的出射光能流率測(cè)量的結(jié)果表明，其角分布平均誤差小于10%;用我們制備的各向同性小球測(cè)量了生物組織模擬液Intralipid－10%溶液中的光能流率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與普遍采用的漫射理論結(jié)果有很好的吻合。上述對(duì)各向同性點(diǎn)光源的測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們所研制的各向同性點(diǎn)光源和各向同性光纖探頭可用于生物組織光學(xué)的實(shí)驗(yàn)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。項(xiàng)目基金：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(2011B021)。

張琳(1975－)，女，山東滕州人，碩士，華北科技學(xué)院基礎(chǔ)部副教授，研究方向：大學(xué)物理教學(xué)及光與生物組織相互作用。