Could the Cuticle of Beetles Serve Also for Their Radiative Thermoregulation?

Based on the recent observation of the asymmetry of light energy flow through a material system that is similar to an iridescent beetle’s cuticle, we discuss the key roles of chiral molecular organization (responsible for the iridescent color of beetles) and of asymmetric boundary conditions (defined by the position of their cuticle) in the evolution of such photonic biological structures. Question is raised about the possible role of such energy flow asymmetry in the radiative thermoregulation of those beetles.

生物组织光传输的系统模型及应用

以辐射传输方程为基础,讨论了生物组织光传输问题的线性空间平移不变性,同时建立了层状生物组织光传输问题的系统理论及相应的计算模型.与Monte Carlo方法的对比计算表明:该模型在保证结果准确性的前提下,可极大地提高生物组织光传输问题的计算效率.在此基础上,将该模型应用于层状生物组织内会聚光传输问题的理论计算,讨论了光源会聚角对生物组织内光场分布的影响.

生物组织光传播特性的研究

光在组织中传播与组织的光学性质有关。折射率是组织光学性质最基本的参数,用来评价组织改变光线行进方向的参量。本文以菲涅耳公式为理论依据,尝试用空气—组织界面的反射率、生物组织薄膜的反射率和生物组织反射光的偏振分量,推算生物组织的折射率。 本文还探测了组织的前向散射和后向漫射分布。

生物组织的折射和折射率

光在生物组织中的传播与组织的光学性质有关。光通过组织时，光强和光的偏振状态会发生变化。而折射率是组织光学用来评价组织改变光线行进方向的基本参量。本文以菲涅耳公式为理论依据，用空气一组织界面的反射率、生物组织薄膜的反射率和生物组织反射光的倔振分量，推算生物组织的折射率。

有限宽光束在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

基于光在生物组织中的传输理论,研究有限宽光束在生物组织中的传输特性.利用入射光强与格林函数进行卷积计算,推导了有限宽光束在圆柱坐标系下的光传输过程,给出了有限宽光束的光传输方程.以高斯光源和平圆光源为例,进一步给出了两种光源的有限宽光束在生物组织中的光传输方程.介绍了Monte Carlo方法原理及模拟光在多层生物组织中的传输过程.给出了典型三层生物组织的散射系数、吸收系数和折射率等光学参数.利用Monte Carlo方法模拟了有限宽光束在三层生物组织中的传输特性,对比研究了高斯光源和平圆光源有限宽光束在三层生物组织传输时光学参数漫透射率、漫反射率和光能流率的变化规律.这些参数的变化规律可为光在生物组织传输的实际应用提供理论指导.

采用不同的光传输模型比较研究结肠的散射和吸收特性:离体结肠肿瘤的光学诊断(英文)

测定和比较研究了离体的正常的和腺癌的人结肠粘膜/粘膜下层以及正常的和腺癌的人结肠肌层/浆膜组织对630 nm,680 nm,720 nm,780 nm,810 nm,850 nm和890 nm波长的钛宝石激光的散射和吸收系数。采用双积分球测量系统测量组织样品对七个不同波长的激光的准直透射、漫反射和漫透射,从实验所测结果以及分别采用反向倍增法和反演蒙特卡罗技术这两个光学模型计算出组织的散射和吸收系数。研究结果表明,无论是用反向倍增法还是用反演蒙特卡罗法,每一种类型的正常的和腺癌的人结肠组织对同一波长的激光的吸收系数和散射系数有显著性的差异(P<0.01),正常的和腺癌的结肠组织的散射和吸收系数有大的差异,这些结果提示每种类型的正常和腺癌的结肠组织的组份和结构之间有大的差异。四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数较其吸收系数至少要大三个数量级,而四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数有相同的数量级。

肌肉组织的光透射特性与辐射传输理论的修正

为了更确切地认识光在生物组织内的传输规律,通过实验测量研究了鸡肌肉组织和猪脂肪组织切片的光透射特性。结果表明,激光束经过肌肉组织后,能在远场处产生明显的衍射条纹。为了解释这种衍射现象,将衍射效应考虑进辐射传输模型,对辐射传输理论进行了修正。修正后的辐射传输理论不仅能定性地说明肌肉组织衍射现象的成因,而且其数值结果与实验现象吻合较好,说明了修正后辐射传输理论的正确性。

不同理论模型下猪肌肉组织的光学特性参数

利用单积分球技术测定了在He Ne激光漫照射和准直照射下猪肌肉组织的反射率和透射率 ,并分别利用Kubelka Munk理论和InverseAdding doubling方法获得了离体猪肌肉组织的光学特性参数。计算表明 ,两组实验结果与应用漫射理论和MonteCarlo方法的部分结论所获得块状猪肌肉组织的光学特性参数基本一致。这种测量技术也适用于人体组织的光学特性参数测量 ,从而可以为确定激光临床应用中的光剂量提供理论依据。

时间分辨反射确定生物组织光学性质的方法研究

通过考虑吸收系数对漫射常数的影响 ,改进了时间分辨反射中两点测量生物组织光学性质的方法。对约化散射系数与吸收系数之比较小的生物组织进行了模拟测量 ,结果表明此种改进不仅减小了测量的系统误差 ,而且扩展了两点测量法的应用范围。同时也较为详细地讨论了有效时间的选择和光源与探测点间的距离对测量结果的影响。

基于漫反射模型的生物组织光学特性参量迭代反演

提出一种基于迭代反演的输运平均自由程估计及光源-检测器最小距离确定方法.该方法利用迭代估计思想,自适应地改变光源-检测器最小距离,提高光学特性参量的反演准确度.对29组仿真数据的研究结果表明：迭代反演对输运平均自由程初始值不敏感,具有较高的鲁棒性,可在一定程度上提高吸收系数和有效散射系数的反演准确度.在无噪声的条件下,吸收系数反演的平均相对误差为7.17%,有效散射系数反演的平均相对误差为5.73%,与传统方法给定的光源-检测器最小距离下反演的最佳结果相比,分别降低了1.73%和1.14%.在加入信噪比为40～80dB噪声的情况下,该方法仍然能获得较高的光学特性参量反演准确度,吸收系数误差的变动范围为8.46%～10.05%;有效散射系数误差的变动范围为6.79%～8.76%.

生物组织中光传播的蒙特卡罗模拟

通过对光与生物组织相互作用特性的分析,模拟了一种求解光子在生物组织中迁移规律的蒙特卡罗计算方法,通过对大量光子进行计算从而获得光在生物组织中传播的理论依据。

两点法测量组织光学特性中有效时间的选择

在改进两点法的基础上 ,对不同约化散射系数与吸收系数之比 ( (μ's/μa)的生物组织进行了模拟测量。结果表明有效时间决定于生物组织的光学特性和探测位置 ,μ's/μa值一定时 ,有效时间随光源和探测点间的距离增大而增大 ;光源和探测点的距离一定是 ,有效时间随 μ's/μa值的减小而增大 。

基于f可调δ-P1近似的生物组织光学特性参数的解析

呈现一种基于可调f参数的δ-P1近似理论,结合自适应遗传算法和非线性曲线拟合,获得生物组织光学特性参数(吸收系数、散射系数和各向异性因子)的多步非线性优化算法;其中关键步骤是第一步采用自适应遗传算法精确地确定自由程,而优化用到数据来源于蒙德卡洛模拟(MC).结果表明,结合可调f参数的δ-P1近似理论,采用以自适应遗传为主的算法可以大大减少生物组织光学特性参数的估计误差.

频域近红外光谱法研究生物组织内部光子传输特性

基于光子在生物组织中的辐射传输理论以及Feng模型,应用频域近红外光谱法研究生物组织中异质体位置的变化,对出射光的光强和相位变化的影响及规律。设计了一仿真实验,用牛奶代替强散射性质的生物组织,并在牛奶中放置一个高度可控的具有一定吸收系数和散射系数的小球。移动小球在牛奶中的高度,检测出射光的交流幅度AC、直流光强DC和相位延迟Phase的值,绘制小球位于不同深度时AC,DC和Phase的曲线,并探讨其变化规律。结果表明,随着小球在牛奶中深度的变化,光强AC,DC和相位Phase呈现一定的相关性;随着光源和检测器之间距离的增加,检测到的光强和相位曲线的波谷点均向右偏移;当小球偏离光源和检测器越远,对检测到的光强和相位的影响越小。验证了光子在生物组织中的传输规律,为用频域近红外光谱法进行组织光学参数的检测及组织中异质体位置的定位奠定了基础。

近红外光在皮肤组织中的传播和光纤探测结构设计

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播,建立了人体皮肤组织模型,包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质,采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900nm范围内,光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明:光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大,而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45mm,当入射波长为1 550nm时,光子运动路径长度为1.806mm,穿透深度为0.467mm,漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果,分析和设计了一种光纤探测结构,这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成,每根光纤间距均为0.45mm并且刚好紧凑相邻.最后,仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W,则探测器接收的漫反射光功率为0.598mW,这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.

时间相关单光子计数法测量生物组织光学参数

探讨了目前普遍应用于测量生物组织光学参数的时间相关单光子计数检测技术,详细阐述了该技术的基本原理、系统组成以及利用该技术测量生物组织体光学参数的常用方法。

生物组织光学特性的时间分辨透射测量

基于时域漫射理论 ,提出一种用透射光来确定生物组织光学特性的方法。通过对生物组织的模拟测量 ,结果表明 :此方法具有算法简单、速度快、精度高等优点 ,并比较了透射和反射两种测量法的精度。

基于矩变换的生物组织光学特性参量反演

针对漫射模型在近光源区具有较大模型误差,导致光学特性参量反演准确度较低的问题,提出了一种利用矩变换,改变原始数据形态,提高反演准确度的方法.比较了不同阶次条件下的光学特性参量反演准确度和拟合残差的统计分布状况,分析了不同信噪比下重构系数的相对误差.对25组数据的研究结果表明:3阶矩变换可显著提高两个光学参量(μa、μ′s)的估计准确度.在无噪音条件下,吸收系数μa重构的平均相对误差为7.04%;有效散射系数μ′s重构的平均相对误差为5.55%,相比于自然对数变换,μa降低了8.57%;μ′s降低了32.73%.在信号噪音满足一定条件情况下(大于50dB),3阶矩变换仍然能获得较高的光学参量反演准确度.矩变换方法能有效地提高光学特性参量反演估计准确度.

温度对生物组织模拟液光学特性影响的研究

采用牛奶作为生物组织的模拟液,研究温度变化对生物组织光学特性的影响。应用双积分球技术对牛奶在光波波长为1100-1700 nm、温度25-40℃范围内的光学参量进行了测量,分析光学参量随温度的变化规律。结果表明,温度对散射作用的影响比吸收作用更大,随温度的升高,约化散射系数具有明显减小的趋势。与25℃相比,40℃下的约化散射系数下降了约10%;而吸收率的变化趋势不明显且规律复杂。以上研究结果与公开发表的人体离体皮肤组织光学参量随温度变化的研究结果基本一致,从而为深入研究温度对生物组织光学测量的影响提供了理论和实践上的指导。

一种模拟生物组织内光传播的三维几何蒙特卡洛方法

提出一种几何蒙特卡洛方法(GMC),利用光子位置与物质界面间的几何关系在整个计算区域而非单个网格内计算光子传输。计算区域无网格离散,光在物质界面处的传播严格依据其实际过程进行,消除了网格蒙特卡洛方法(VMC)中的光传播误差并大幅提高了计算速度。对于包含单根血管的情况,采用10μm网格,GMC的计算速度约为VMC的25倍。利用GMC方法计算了激光在多根同轴血管簇皮肤组织模型中的能量沉积,发现血液体积分数不变时,血液能量吸收特性对血管分布的依赖性随着血管数量的增加而降低。当血管数量为20根时,不同血管分布下血液能量吸收最大变动率不超过4%。这表明可以通过假设的血管分布开展研究而无需考虑真实的复杂血管结构,具有重要的实际应用意义。