改进的飞秒激光加工微型光波导方法

分析了垂直式加工中加工区域光强分布不对称的原因,从理论上总结出改进这种不对称的方法。在分析了仅引入单个透镜就能实现这一改进的可行性后,实验验证了这种改进方法。未改进之前加工出的光波导其端口两个方向直径之比为10∶1,甚至更高;而改进后的比例则非常接近1∶1。通过对光强不对称的改进,该方法有光路简单,无能量损失的优势。

飞秒激光多次聚焦在并行加工中的应用

提出了利用飞秒激光的多次聚焦现象进行微光学器件并行加工的方法。通过实验总结了光强和聚焦深度对该方法的影响规律，并实现了用该方法并行加工多个微光波导。对多个微光波导的间距实现了控制，其间距范围为2～5μm。将并行加工出的光波导与单个焦点加工出的光波导做了对比，并行加工出的光波导形貌上比较接近单个焦点加工出的光波导，但其传输性能还有一定的差距。用超强光引起的自聚焦对这种多次聚焦做了理论解释，并且针对光强和聚焦深度对多次聚焦的影响做了进一步的理论分析。结果表明，这种方法相对以往的并行加工，实现简单，对加工结果的控制相对灵活。该方法利用的是超强激光特有的非线性现象，为飞秒激光的高效率加工开拓了方向。

生物医学光声成像技术及其临床应用进展

样品被短脉冲激光照射后会受激产生超声波,这种现象被称为光声效应。随着激光器技术及超声探测技术的进步,基于此效应的光声成像技术已成为生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像作为一种混合型的成像方式,结合了光学成像的高对比度和光谱识别特性,以及超声成像大穿透深度下仍具备较高分辨率的特点。光声成像技术不仅可对包括血红蛋白、脂肪在内的多种组织成分进行高特异性成像,还能灵敏的反映包括血氧含量、氧代谢率等生理特征的变化,与超声技术的形态和结构成像具有很强的互补性,已在临床及生物医学研究领域体现出巨大的应用潜力。光声成像技术的这些特性使其在恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等疾病的成像诊断和治疗引导中具有重要的应用前景。文章小结了本课题组在光声成像技术领域最近取得的一些新进展,包括利用解卷积技术进一步提高光声显微成像分辨率;利用压缩感知技术降低数据采集量,提高光声层析成像的速度;利用自制的纳米探针,实现光声分子成像和光热治疗。光声成像技术的这些进步使其在癌症、心脑血管疾病等方面的诊断和治疗更具有可行性,文章最后回顾了光声成像技术在乳腺癌、前哨淋巴结及血管内成像等方面的临床应用和研究进展。

医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展

光声效应是指样品被短脉冲激光照射后受激产生超声波的一种现象。基于此效应的光声成像技术是一种新型的生物医学成像模式,其在过去的十年中越来越受到临床和产业的关注,目前已成为生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像是一种混合型的成像方式,它结合了光学成像的高对比度和光谱识别特性,以及超声成像大穿透深度下仍具备较高分辨率的特点。光声技术可对微血管、血红蛋白浓度、血氧含量、氧代谢、脂肪等进行高特异性的成像,能够灵敏地反映生理特征变化,与超声技术的形态和结构成像具有很强的互补性。光声成像技术的这些特性使其在临床及生物医学研究领域均具备广泛的应用潜力,尤其适用于恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等重大和常见疾病的成像诊断和治疗引导。本文将介绍光声层析成像技术在乳腺癌、前哨淋巴结及血管内成像等方面的最新研究进展和临床应用情况。

一种利用透射式太赫兹时域光谱技术精确提取样品折射率的方法

运用透射式太赫兹时域光谱技术提取可区分回波样品折射率,主要依靠测得信号的相位差计算得到.具体有两种方法:一是利用参考脉冲和太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号,二是利用太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号和经样品内部反射两次后的第二个透射信号.实际操作中入射光束与样品表面法线存在夹角,该夹角不易测量,计算时通常忽略,这会最终引起折射率的测量误差,且该误差与选用的折射率提取方法有关.在分析两种方法因夹角引起误差的基础上,提出一种全新的折射率修正方法,该方法能从理论上消除夹角引起的误差,同时实验验证了该方法的有效性.

光声显微成像技术的研究进展

光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法,突破了传统光学成像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒,获得了空前快速的发展,其中,光声显微成像技术继承了光声成像技术的优点,采用声学或光学聚焦的成像模式,可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、分子与功能成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此,首先介绍了光声成像技术的原理和分类,然后围绕光声显微成像(Photoacoustic microscopy,PAM)技术这一主题,重点综述了新型PAM技术的发展情况、PAM焦深(Depth of focus,DoF)延拓技术以及PAM的生物医学应用。最后,总结了PAM技术发展存在的挑战,并对未来发展方向进行了展望。

一种高重复频率激发电路下的高速超声内窥成像系统

光学相干层析?血管内超声联合(Optical coherence tomography intravascular ultrasound,OCT?IVUS)成像技术能同时弥补光学相干涉成像的低成像深度与超声成像的低分辨率,能够较为全面地进行血管内的易损斑块识别,但受血管内超声(Intravascular ultrasound,IVUS)技术超声激发重复频率限制,OCT?IVUS成像难以在高帧率成像的同时获得高成像线数,从而影响显示分辨率。为提升IVUS成像速度,同时不降低图像显示的分辨率,尝试应用高重频超声激发技术的方法解决这一难题。本文设计了一种50 kHz的高重频超声激发电路,并在此设计基础上研制了一种50 f/s的高速超声内窥成像系统;进而对系统性能进行测试。激发电路高压脉冲测试以及信噪比(Signal noise ratio,SNR)测试结果表明:激发电路可用于25 MHz超声换能器的激发,具有较高的SNR;应用此激发电路所研制的超声内窥成像系统能够在不降低显示分辨率的前提下提高成像速度,该系统技术能有效检出易损斑块,促进OCT?IVUS的临床应用,对心血管疾病的早期发现、诊断和预防具有一定价值。

透射共轴式光声消化内窥成像系统

光声成像作为一种既能提供光学高对比度又能实现声学大成像深度的新兴医学影像技术,可通过对肿瘤滋养血管的三维成像,为癌症的早期诊断提供一种全新的高灵敏检测方法。本文针对消化道肿瘤的临床成像需求,提出了一种内部光激发、外部声探测的透射共轴式光声消化道内窥成像系统,并通过仿体与离体生物组织的成像实验,与现有的反射非共轴式光声内窥成像系统的成像性能进行了对比。实验结果表明,在仿体样品中,透射共轴式光声内窥成像系统的信噪比相对反射非共轴式系统最高提高了43.3 dB,成像深度增大了28.4%;而离体生物组织中,在10.7 mm深处,其信噪比也提高了9.7 dB。实验验证了本设计有效提高了光声信号的探测灵敏度,使该系统相较现有反射式系统具备更优的成像信噪比和成像深度,为光声消化道内窥技术推向临床提供了一种具有重要应用潜力的实施方法。

基于FPGA的分数倍抽取滤波器的改进设计与应用

为了滤除医学超声成像系统中数据采集的噪声,提高图像的完整度,保证图像实时显示帧率及减少FPGA硬件资源的占用,在传统的FIR分数倍抽取滤波器的基础上,提出了一种改进结构。此结构仅利用一个乘法器,解决了传统结构中资源占用多,插值、抽取操作效率低等问题,提高了系统的工作效率和稳定性。通过Matlab、Vivado、Questasim仿真测试及系统成像对比,验证了此结构的可行性,与其他结构滤波器相比,减少了对Dsp、Bram等硬件资源的占用,以满足系统的实际需求。

消化道光声内窥成像技术研究进展

我国消化道肿瘤发病率、病死率持续增高,早发现、早治疗是提高患者生存率的关键,内镜是实现消化道肿瘤早诊早治的有效方法,探索新的内镜诊疗技术是消化道肿瘤防治的重大需求。光声成像是近年来蓬勃发展的一种基于瞬时热弹性效应的非入侵式和非电离式的多模态生物医学成像方法,可提供毫米乃至纳米的空间分辨能力,提供解剖、功能、代谢、分子、基因等多尺度的生物组织光吸收对比度信息,该技术与消化内镜结合为实现消化道肿瘤高灵敏早期诊断探索了新的成像模式,展现出巨大应用潜力。本文就光声内窥技术的研究进展作一综述,旨在为内镜创新成像和内窥分子影像研究提供新思路。

用于血管内成像的60 MHz高频超声换能器设计及其成像实验

在血管内超声成像系统中,超声换能器是重要的部件之一,对成像性能起决定性作用。提高超声换能器的成像分辨率可以获得更多图像细节,有助于临床获取动脉粥样硬化斑块的细节信息。此外,超声换能器还需要具有足够的穿透深度,能够对斑块和血管进行完整评估。而成像分辨率和成像深度都与超声换能器的频率密切相关,且二者相互制约。该文综合考虑了冠脉成像对成像分辨率与成像深度的要求,优化设计并制备了一种60 MHz的微型高频换能器。仿体实验表明,基于该换能器的超声成像分辨率可显著提高,且成像深度满足冠脉成像的需求。大动物活体实验结果表明,与商业40MHz换能器相比,该文所设计的换能器能更清楚地看到血管中膜内层边界和支架结构,可以为临床提供更精细的指导优化。

一种高速光声成像系统及其数据采集方法的改进

光声成像技术由于其独特的优势,正受到生物医学研究领域越来越多的关注。由于光声信号的高频特性,同时考虑实时成像的需求,在实际应用中要求系统能实现高频数据的高速采集并实时显示。这种大通量数据流为系统的高速采集及实时处理和显示带来了很大的挑战。通过结合生产者/消费者架构和多线程技术,大幅提升了系统的数据采集、处理和显示的速度。结果表明,优化改进后的系统能实现10kA-lines/s的高重频数据采集模式并实时图像显示,为光声技术走向实际应用奠定了重要的基础。

基于Grüneisen弛豫非线性光声效应的单波长浓度解析方法

光声分子影像技术在生物医学中具有广泛的应用。实现分子探针浓度的准确解析,对于相关疾病的研究具有重要意义。然而,活体探测时,来源于生物组织的信号与探针的信号混叠,增加了准确解析的难度。当前改善的方法:或需要使用多波长进行探测,导致解析速度慢而且过程复杂;或使用单波长的方法,但需要依托于一类特殊探针的开关功能,导致普适性不足。鉴于此,提出了一种基于Grüneisen弛豫非线性光声效应的单波长浓度解析方法,并分别对色素染料与罗丹明6G探针两类样品开展了解析实验。结果表明,本文提出的方法获得的解析结果比线性单波长方法的解析结果误差更小,并且具有较好的普适性,为光声分子影像的浓度解析方法提供了新的思路。

快速扫描太赫兹时域光谱系统的研究进展

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种新兴的光谱测量技术,是太赫兹(THz)领域的研究热点。传统THz-TDS系统利用步进的时间延迟线进行扫描,并通过锁相放大器获得THz信号。这种方法检测THz信号的速度有限,无法应用于某些要求快速测量的场合。而快速扫描THz-TDS系统可以实现THz信号的快速检测,易于进一步扩大其应用范围。总结介绍了快速扫描THz-TDS系统在国内外的代表性研究进展,对几种实现快速扫描的方案进行了分析比较,并提出了一定的改进方法。

可弯曲的低损耗太赫兹波导研究进展

近年来,随着太赫兹(THz)时域光谱系统的发展,THz波导作为用于THz波传输的器件一直都是研究的重点,而寻找低损耗的材料和可弯曲的结构一直是研究人员的目标。介绍了THz时域光谱系统的现状,并总结了传统波导技术应用于THz领域时的一些不足之处。重点介绍了基于三种不同工作原理的新型THz波导,并对比了各自的优缺点,这三种原理分别是金属面反射、介质界面全反射以及反共振反射。最后简要介绍了可弯曲低损耗THz波导的应用现状及后续工作方向。

基于全介质薄膜法布里一珀罗滤光片的1550nm可调谐外腔半导体激光器

提出并实现了一台基于单腔全介质薄膜法布里一珀罗滤光片的1550nm可调谐外腔半导体激光器。介绍了其内部的光学元件及其工作原理，随后对该半导体激光器的纵模输出特性进行了理论分析，搭建了该可调谐外腔半导体激光器。在不同的实验条件下，对该可调谐外腔半导体激光器在调谐过程中的输出波长、线宽及功率进行了实时同步测量。由所测数据总结出最佳实验条件，并得到了此条件下可调谐外腔半导体激光器的各相关参数。该可调谐外腔半导体激光器有一个线性的无跳模波长调谐区域（1547．203～1552．426）nm，一个稳定的输出光功率范围（40～50）μw，以及一个稳定的输出单纵模分布、线宽范围（100t150）MHz。该可调谐外腔半导体激光器可用于环境监测、原子与分子激光频谱研究、精确测量等领域。

针对活体光声内窥成像的三维血管增强算法

消化道肿瘤是最常见的肿瘤疾病之一。新兴的光声成像技术可以敏锐地捕捉肿瘤周围滋养血管的信息,有助于临床进行更精准的诊断。匹配的血管增强算法可以有效突出图像中的血管网络,但光声活体内窥成像的探测角度有限,易造成明显的血管形态异常,现有方法很难实现有效的血管增强。采用自研的光声内窥系统对大鼠直肠进行活体成像,针对活体成像结果提出了一种融合结构和强度两个层面信息的三维血管增强算法,并采用该算法对结直肠血管图像进行了增强。结果表明:所提算法可以有效提升增强效果,抑制机械抖动带来的边缘毛刺,在活体状态下获取了高质量的结直肠三维血管图像,说明其在基础医学研究和临床应用中具有一定的潜在价值。

高精度光声光谱定量成像系统的设计与应用

冠状动脉内斑块的破损是引起急性心血管事件的主要原因。而对于斑块易损性的诊断,不仅需要掌握其形态特性,斑块的组成成分(尤其是脂质)、及其浓度的空间分布也是非常关键的信息。针对该需求,研发一套高精度的光声光谱成像系统,可以用于斑块成分的识别、分离、浓度定量分析,并在空间成像。与以往的研究相比,该系统通过透射式光声共焦的设计,大幅提高了系统信噪比,保证了光声光谱数据的精度;并且通过先光谱扫描,再移动样品的成像方式,保证了光声光谱与其空间来源对应关系的一致性;而结合多元曲线分辨的光谱解析算法,实现了样本中各成分的光谱分离和定量解析。对仿体和动物模型的试验,验证了本系统可以对脂质浓度的空间分布进行高效和高精度的成像。该系统的研发和试验,展示了光声成像技术应用于临床的极大潜力。