基于散斑强度涨落调制的微循环激光散斑成像

正激光散斑成像(Laser speckle imaging,简称LSI)是一种全场成像技术,具有非接触测量、分辨率高、成像速度快、成本低等特征,目前主要应用于活体样品血流成像研究、提出了一种基于散斑强度涨落调制效应的激光散斑成像(LSIIFM)技术。成像参量是新引进的调制深度,定义为动态散斑强度与静态散斑强度的比值,其中动态散斑的产生与血液中血红细胞运动引起散射光涨落有关,静态散斑的产生则与血管壁、骨骼等非运动组织所散射的光有关、通过滤波方法,可以将这两种散斑模式的信号分离。从成像机制上看,该技术所采用的成像参量主要取决于血红细胞的浓度,对血流的定向流速不敏感。LSI-IFM技术的成像机制保证了它在血流成像方面的三个特点;第一,使得具有不同血液流速的粗血管和毛细血管能够被同时成像,从而可以实现血流微循环造影。第二,各类光学成像实验中均努力降低包括动物呼吸及抽搐、系统抖动等因素在内的低频噪声对成像质量所产生影响、而在LSI-IFM技术中,已经通过分离动态散斑和静态散斑这一成像环节有效地滤掉这些低频噪声。这也是传统的激光散斑成像技术和此成像技术两者成像系统相同,但成像效果差别巨大的原因。第三,LSI-IFM技术还可以应用于血流微循环的功能成像,例如:实现血氧浓度和血糖含量的测量以及动静脉血管的辨别、应用LSI-IFM技术,不仅获得了具有高分辨率的老鼠、兔子耳部血流分布图像,还完成了血管损伤与修复的监测实验。     

漫射光强度涨落测量皮肤烧伤深度的模拟实验研究

实验研究了背散射光强度相对涨落与模拟皮肤烧伤深度的关系,结果表明随着模拟烧伤层厚度的增加,背散射光强度的相对涨落逐渐减小。该方法为非接触测量皮肤烧伤深度提供了一种新的参考。     

弱散射产生的远场高斯散斑场的动态特性

本文计算了三种不同表面相关下弱散射体平动时,散斑强度涨落的时-空交叉相关系数;用“非圆型度”和“束比”参数与交叉相关系数的关系,讨论了远场高斯散斑场的动态特性;提出了一种测量弱散射体运动速度的方法。     

双层组织模型模拟皮肤烧伤深度的实验研究

烧伤后的皮肤,可视为烧伤层和健康组织层,本文研究了探测点位于样品表面时背散射光强相对涨落与模拟烧伤层厚度之间的关系,结果表明背散射光强的相对涨落随模拟烧伤厚度的增加而增加,。     

激光散斑法测量皮肤血流

当激光照射到皮肤表面时,来自运动着的红血球的散射光与来自其周围组织的散射光在接收平面相干叠加形成了散斑图样。血液的流动使散斑场也随时间变化。由于激光两次经过皮肤表面(可视为漫散射体),形     

生物散斑的活力及其对微血管中血球运动敏感性的实验研究

本文提出了生物散斑活力的概念及其物理表示，并研究了皮肤散斑的活力对皮下微血管中红血球运动的敏感性。     

光学相干层析成像中散斑噪声减小算法

干涉测量中的散斑噪声极大地限制了光学相干层析(OCT)成像中特征信息的提取,因此,如何减小散斑噪声成为OCT成像领域的一个重要问题.利用最小化Csiszar Ⅰ-散度的测量方法推出一种散斑最小化算法,不仅可以生成与测量数据一致的图像数据,而且可以推出图像的附加信息,展示了采用散斑最小化算法对人手指正常皮肤的OCT图像散斑噪声最小化处理结果,结果表明,此算法不仅可以极大地减小散斑噪声、提高信噪比,而且能保持清晰的边缘效果.     

透明介质厚度的散斑法测量

本文提出了用激光散斑技术测量透明介质厚度的方法,导出了试件厚度与散斑位移的关系式,并进行了比较实验和误差分析。     

基于液晶光阀调制的赝热光源制备技术研究

高质量赝热光源的制备是强度关联成像技术中一个非常重要的内容。采用赝热光作为光源是因为一般的热光源相干时间极短,常用的探测器无法响应,且亮度低。利用激光照射旋转的毛玻璃形成的动态散斑作为赝热光源可以解决上述问题,是目前常用的一种方法。提出一种采用液晶光阀(LC-SLM)对激光束进行控制来获得赝热光场的方法。利用该装置产生的赝热光场不仅可以极大程度地模拟真实热光场的热涨落,且光场涨落服从真实热光场所具有的高斯统计分布,更重要的是该系统没有机械转动,光场的时间和空间相干性可以完全分开对待,产生的散斑场结果可以重复,并研究了应用该方法产生的动态散斑场的各种特性。     

植物种子的激光检测

种子生理研究主要包括两个方面:微观系统研究(如种子休眠与萌发的控制机理的研究)和群体与环境的关系(如种子生态学).本文用激光散斑的方法从宏观上观察外界对植物种子的影响. 实验中我们以豆类种子作研究对象,1) 观测了被萌发生长过程中的种子散射激光产生的时变散斑强度信号;2) 种子不同部位的散斑信号;3) 温浸、冷浸对种子的影响;4) 温度刺激对散斑信号的影响;5) 机械损伤对散斑信号的影响. 研究表明,大豆吸水后内部各种活动被激活,外源凝集素的释放又加速了大豆内部各种物质的代谢,因此其内部发生了明显的物理变化,引起散射光强度的起伏,接收的强度信号也就有很大不同.影响种子吸水速度和吸水量的因素有很多,如种子自身的化学组成、吸水时的温度等,经温浸(18°C～30°C)和冷浸(5°C～10°C)相同时间的种子,二者所形成的散斑强度信号的涨落程度有很大区别.当种子受到温度刺激时,其正常的生理活动必定会受到干扰,引起散斑图上接收信号的变化.生物体在进行正常的生命活动过程中,在某一部位受到损伤,在较短的时间内,由于种子自身对该损伤修复作用,使种子内部的代谢活动加强.(OF3)     

基于光学相干层析散斑的流速测量方法

发展了一种基于光学相干层析(OCT)散斑的流速测量方法。与传统激光散斑信号相似,样品中某一点处OCT信号随时间的波动与该处散射颗粒的平均速度有一定的依赖关系。通过对OCT信号的滤波和解调,得到OCT散斑波动信号,再对该信号进行傅里叶变换,得到散斑信号的频谱分布,然后依据频谱分布中高低频分量比值(HLR)与流速间的定量关系,就能确定样品中的流速分布。基于OCT散斑强度信号而非相位信息的流速测量方法,实验研究了HLR与流速间的关系,并给出了毛细玻璃管模型的流速分布图像。     

A novel method for angle independent ultrasonic imaging of bloodflow and tissue motion

Tracking the speckle patterns produced by moving targets has been shown effective for angle independent imaging of blood flow and tissue motion. While speckle tracking overcomes major limitations of Doppler-based flow imaging, the computational complexity of commonly used cross correlation algorithms currently limits it to off-line studies. A much simpler algorithm for angle independent motion imaging is described in this paper. This method requires only one absolute difference operation per pixel, compared to eight operations for normalized cross correlation. Quantitative studies using speckle-generating targets translated by fixed amounts both axially and laterally indicate that the technique tracks moving speckle as accurately as correlation. Color flow images generated from clinical blood and liver data highlight the success of the technique for tracking both large and small motions in two dimensions. The algorithm's suitability for implementation in digital hardware makes possible the development of clinical instruments for angle independent ultrasonic imaging of blood flow and tissue motion in real time.     

血液灌注率动态变化的光学监测

研究了利用激光散斑测速原理结合CCD成像技术对大鼠肠系膜上血液灌注变化进行监测的技术。设计了用于监测大鼠肠系膜上微血管血流速度的激光散斑测量系统,通过模型实验对该测量系统的技术参数、测试精度进行分析,在此基础上,对热作用下大鼠肠系膜上微血管血流速度的变化进行动态监测,结合CCD成像技术,监测血管直径的变化,从而获得不同温度下血液灌注率的变化。     

透明介质的厚度与折射率的测量

用激光散斑照相的方法测量了因光在透明介质中折射而引起的散斑位移,并求出介质的厚度与折射率。测量范围较大,最小厚度为微米。     

A laser speckle imaging technique for measuring tissue perfusion

Laser Doppler imaging (LDI) has become a standard method for optical measurement of tissue perfusion, but is limited by low resolution and long measurement times. We have developed an analysis technique based on a laser speckle imaging method that generates rapid, high-resolution perfusion images. We have called it laser speckle perfusion imaging (LSPI). This paper investigates LSPI output and compares it to LDI using blood flow models designed to simulate human skin at various levels of pigmentation. Results show that LSPI parameters can be chosen such that the instrumentation exhibits a similar response to changes in red blood cell concentration (0.1%-5%, 200 microL/min) and velocity (0-800 microL/min, 1% concentration) and, given its higher resolution and quicker response time, could provide a significant advantage over LDI for some applications. Differences were observed in the LDI and LSPI response to tissue optical properties. LDI perfusion values increased with increasing tissue absorption, while LSPI perfusion values showed a slight decrease. This dependence is predictable, owing to the perfusion algorithms specific to each instrument, and, if properly compensated for, should not influence each instrument's ability to measure relative changes in tissue perfusion.     

计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

用激光散斑法测量位相物体厚度

论述了激光散斑技术在计量方面的应用.首先介绍了应用二次曝光散斑图测量物体表面的面内位移的原理和方法;在此基础上论述了激光散斑技术针对透明固体的厚度及其非均匀性的测量.其次做了一些实验和理论探索,并根据实验结果进行了详细的计算,实验结果与理论符合较好.由实验检测结果可知这种技术的精度非常高,可广泛应用于表面粗糙度研究、缺陷检测、微振动分析等无损检测领域.     

基于散斑图像的远程振动频率提取方法研究

为了得到远程物体的微米级振动的频率信息,采用基于散斑图像的远程振动频率提取方法,以波长为532nm连续激光器作为光源照射50m远处被测物体表面,通过高速摄像机记录物体表面反射空间内的散斑图样提取物体的微振动频率。采用激光散斑图像的数据处理方法,进行了研究分析和实验验证,利用长焦镜头对远程散斑图像进行适当散焦处理,然后提取视频散斑图像间互相关系数峰值点与原点之间的矢量大小来获取散斑的变化信息,同时对一定宽频率范围内的振动频率进行提取。结果表明,用该方法得到的激光散斑远程微振动频率的提取准确度达99.22%。该数据结果为激光散斑应用于远程频率振动检测提供了一定的论证依据。     

Numerical design of experiment for sensitivity analysis--application to skin burn injury prediction.

Temperature evolution and skin burn process resulting from a laser radiation exposure are investigated in this paper. Transient temperature in skin is numerically estimated using a 1-D multilayered model based on Penne's equation. The degree of burn injury is numerically evaluated by using an Arrhenius-type function. Unfortunately, most of the mathematical model parameters are not well defined in literature. Thus, a sensitivity analysis has been performed in order to evaluate the effect of each parameters inaccuracy on temperature estimation and on burn injuries prediction (according to several authors' characterization). Investigated parameters uncertainties that crucially invalidate the thermal model are as follows: epidermis and dermis volumetric heat, extinction coefficient, and skin thickness of the affected area. Considering the damage prediction, the activation energy is a key parameter for the validation of an efficient predictive tool.     

Numerical Design of Experiment for Sensitivity Analysis—Application to Skin Burn Injury Prediction

Temperature evolution and skin burn process resulting from a laser radiation exposure are investigated in this paper. Transient temperature in skin is numerically estimated using a 1-D multilayered model based on Penne's equation. The degree of burn injury is numerically evaluated by using an Arrhenius-type function. Unfortunately, most of the mathematical model parameters are not well defined in literature. Thus, a sensitivity analysis has been performed in order to evaluate the effect of each parameters inaccuracy on temperature estimation and on burn injuries prediction (according to several authors' characterization). Investigated parameters uncertainties that crucially invalidate the thermal model are as follows: epidermis and dermis volumetric heat, extinction coefficient, and skin thickness of the affected area. Considering the damage prediction, the activation energy is a key parameter for the validation of an efficient predictive tool.