天津大學(xué)2007-2008學(xué)年第1學(xué)期《生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)》期末考試試卷及答案解析

1、天津大學(xué)試卷專用紙學(xué)院精密儀器與光電子工程專業(yè)光電子技術(shù)科學(xué)班天津大學(xué)2007-2008學(xué)年第1學(xué)期期末考試試卷A（A或B卷共5頁(yè)）天津大學(xué)試卷專用紙年級(jí)_學(xué)號(hào).Ramanscattering發(fā)生過程中，入射光量子和被測(cè)分子之間進(jìn)行能量交換。Raman效應(yīng)與熒光產(chǎn)生機(jī)制不同之處在于前者不吸收激發(fā)光,而熒光是物質(zhì)在吸收了外來激發(fā)光并通過光化學(xué)過程后發(fā)射的波長(zhǎng)長(zhǎng)于激發(fā)光的光。姓名共5頁(yè)第1頁(yè)3.4.對(duì)于生物組織體這樣的混沌介質(zhì)，若以超短激光脈沖入射，則出射的光可以按照其題號(hào)一一二三四五六七八成績(jī)核分人簽字得分-、填空題（共50分，每空1分）1.光與生物組織體相互作用的基本形式多種多樣，其中玉吸收可

2、能使電子向上躍遷到不同電子激發(fā)態(tài)的不同振動(dòng)能級(jí)上，也有可能使分子實(shí)現(xiàn)不同的振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷；描述該現(xiàn)象的光學(xué)參數(shù)及其單位為吸收系數(shù)mm-iorcm-i，它代表在單位程長(zhǎng)上一個(gè)光子被吸收的概率；描述該現(xiàn)象的定律為L(zhǎng)ambert-Beerslaw（或者寫在組織體中傳播的時(shí)間被分為三類，分別為彈道光orballisticlight、蛇行光orsnake-likelight和擴(kuò)散光ordiffusedlight。各自特點(diǎn)分別為:彈道光光子具有相同的且最短的光子飛行時(shí)間，在光的入射方向出射，且保持了入射光的相干性；蛇行光在組織體內(nèi)的飛行時(shí)間略長(zhǎng)于彈道光，其出射方向分布在入射光方向周圍較小的立體角內(nèi)，且

3、基本保持了入射光的相干性;擴(kuò)散光在組織體內(nèi)傳播經(jīng)歷的飛行時(shí)間差異很大，出射方向幾乎是任意的，不具有相干性?；诖?，OCT與DOT做朗伯一比爾定律），其數(shù)學(xué)描述為OD二lgf打II丿=adC-1or5.ln=2.303lgorI=Ioe一歸，其中。為光學(xué)密度Opticaldensity).v0丿A二lnS1）為吸光度（absorbance）,*為摩爾吸光系數(shù)（也叫摩爾消光系數(shù)）,6.兩種成像方式的區(qū)別在于前者應(yīng)用早期到達(dá)光（或彈道光和蛇行光）保持入射光相干性的特點(diǎn)，而后者是通過檢測(cè)經(jīng)過組織體的擴(kuò)散光來實(shí)現(xiàn)的。Photothermaleffects是由于組織體在曝光時(shí)間內(nèi)吸收了激光的能量并使其轉(zhuǎn)化

4、成了熱，最終的結(jié)果是造成了組織的熱損傷。在MonteCarlosimulation算法中，VRMC和AMC的主要區(qū)別是：AMC中光子的行為與真實(shí)物理過程一致，光子依概率或被完全吸收，或被散射;而在VRMC中,7.8.a=5/1n1為比消光系數(shù)（specificextinctioncoefficient），C為物質(zhì)濃度，l為光程長(zhǎng)，p&為吸收系數(shù)（absorptioncoefficient）。（注意：寫出三個(gè)中任何一個(gè)均可，但對(duì)應(yīng)要寫出公式中參數(shù)的含義）2.在其它條件固定的情況下，Rayleighscattering的特點(diǎn)是散射與波長(zhǎng)的四次方成反比,散射截面以及散射光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增加而減小，散射

5、以前后向?yàn)閷?duì)稱；而Miescattering光強(qiáng)度和波長(zhǎng)關(guān)系為x（0.4-x-0.5），其對(duì)波長(zhǎng)的依賴性更弱，Mie散射具有強(qiáng)烈的前向趨勢(shì)，且隨著顆粒尺寸的增加散射的前向趨勢(shì)也隨之增大。（對(duì)于二散射特點(diǎn)的回答需要分別答出兩點(diǎn)）光子被處理成具有一定初始權(quán)值的光子包，每次與組織體交互作用時(shí)，該光子包按照散射概率和吸收概率被分為吸收和散射兩部分，并對(duì)權(quán)值進(jìn)行修改，因此，VRMC的計(jì)算效率比AMC高得多，一般用106個(gè)光子包即可達(dá)到滿意的近似結(jié)果。（給出答案含義即可）選擇光電探測(cè)器時(shí)需要考慮的性能參數(shù)主要有光譜響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和可探測(cè)的最小輻射功率等。光電探測(cè)器的噪聲主要有1/f噪聲熱噪聲

6、、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、散粒噪聲等。對(duì)于含有噪聲的周期性微弱光信號(hào)的測(cè)量，可以采用鎖相（或phaselock）放大技術(shù)或取樣積分（或廂車平均或boxcar取樣）技術(shù)改善信噪比。學(xué)院專業(yè)班年級(jí)學(xué)號(hào)姓名共5頁(yè)第2頁(yè)用于樣品濃度和光譜之間線性關(guān)系關(guān)聯(lián)的回歸方法中，偏最小二乘PLS相比多元線性回歸MLR和主成分回歸PCR更具有先進(jìn)性，計(jì)算結(jié)果更為可靠，模型在實(shí)際光譜中的可解釋性也更強(qiáng);而拓?fù)鋵W(xué)方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等常用于非線性關(guān)系的關(guān)聯(lián)。DOT成像技術(shù)不能沿用X-CT技術(shù)的圖像重建算法，是因?yàn)閿U(kuò)散光子在組織體內(nèi)傳輸過程中經(jīng)歷多次散射，其行走路線不再是直線；當(dāng)應(yīng)用非線性優(yōu)化方法進(jìn)行DOT圖像重建時(shí)主要難點(diǎn)是微擾

7、6p的計(jì)算和雅可比矩陣的計(jì)算。血氧飽和度是指血液中氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白的百分比，即血液中血氧的濃度。目前，血氧飽和度檢測(cè)的臨床應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：動(dòng)脈血氧飽和度檢測(cè)、腦血氧飽和度檢測(cè)、肌血氧飽和度檢測(cè)、胎兒血氧飽和度檢測(cè)和癌變組織血氧飽和度的檢測(cè)等。時(shí)間分辨DOT測(cè)量系統(tǒng)通常采用基于光電倍增管（PMT）檢測(cè)器的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）技術(shù)測(cè)量時(shí)間擴(kuò)展曲線，對(duì)該時(shí)間擴(kuò)展曲線進(jìn)行積分即可得到出射光的強(qiáng)度。Photodynamictherapy的基本要素是氧、光敏劑和光。二、簡(jiǎn)述組織中光傳播的MonteCarlosimulation的主要步驟，其中重點(diǎn)說明五個(gè)隨機(jī)數(shù)是

8、如何設(shè)置的；并說明組織中光傳播的MCsimulation的基本優(yōu)勢(shì)。（12分）答：組織中光傳播MonteCarlosimulation的主要步驟如下：1）2）3)4)光子初始化photoninitialization:假設(shè)從坐標(biāo)系0XYZ的原點(diǎn)位置（0,0,0）發(fā)射光子步長(zhǎng)的確定，也即光子行走距離的判定設(shè)某一步長(zhǎng)為11，總衰減系數(shù)是單位長(zhǎng)度發(fā)生吸收或散射的幾率，可以證明，光子在組織體內(nèi)自由行走的步長(zhǎng)1大于11的幾率為P-11）=廠也在步長(zhǎng)為11）之間發(fā)生吸收或散射的幾率為T-隨機(jī)抽樣可得：光子與組織體兩次交互作用之間的自由行程11=-（1巴入叩其中R1為b，1域均勻分布的隨機(jī)數(shù)。在交互位置，光

9、子與組織體作用方式的判定在交互位置，根據(jù)其局部光學(xué)參數(shù)值，光子的散射概率為丁叮氣于是可用另一個(gè)b，1域均勻分布的隨機(jī)數(shù)R2Ps，光子被散射而繼續(xù)隨機(jī)行走；否則，上過程。若光子被散射，其后行進(jìn)方向的判定當(dāng)光子不是被吸收而是被散射時(shí)，假設(shè)光的散射沿原傳播方向?yàn)檩S對(duì)稱，用極坐標(biāo)來描述，其散射方向由相對(duì)于原行進(jìn)方向的方位角V和散射角0即0）決定。R3和R4分別為h1域均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)數(shù)，散射角0則由Henyey-Greenstein相位函數(shù)控制，又考慮到散射是關(guān)于原傳播方向軸對(duì)稱的，所以方位角V為0到2兀之間均勻分布。根據(jù)隨機(jī)抽樣，散射之后的方向角可以由下式?jīng)Q定：pGl1)=1-e-也11的隨機(jī)產(chǎn)生

10、公式為:,吸收概率為Pa=a，；氣，R2用于光子與組織交互作用的確定，即若光子被徹底吸收，重新發(fā)射一個(gè)光子，重復(fù)以1-gl-g+2gfi3散射后位置的決定邊界的處理光子通過如上（5）過程有可能到達(dá)邊界。如果根據(jù)坐標(biāo)值的判斷光子已經(jīng)到達(dá)邊界，則必須考慮當(dāng)光子傳輸跨越不同組織體邊界時(shí)將發(fā)生的內(nèi)反射，發(fā)生內(nèi)發(fā)射的概率由Fresnel反射系數(shù)R（0i）決定。在mc模擬中，光子在邊界的內(nèi)反射的發(fā)生由一個(gè)b，1域均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)數(shù)R5決定。若R5R（0i），光子被內(nèi)反射；否則，光子溢出而對(duì)邊界測(cè)量點(diǎn)作出貢獻(xiàn)。當(dāng)發(fā)生內(nèi)反射時(shí)，反射光子的新行進(jìn)方向由反射定律決定。組織中光傳播的MCsimulation的基本

11、優(yōu)勢(shì)：1）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，模擬準(zhǔn)確，其運(yùn)行過程只需組織體的幾個(gè)局部光學(xué)參數(shù)；2）可模擬任意幾何形狀、邊界條件和光學(xué)參數(shù)分布下的光傳播行為；3）能夠在輸出中自然地引入本征的泊松噪聲性能，從而有效地建立實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。5)6)學(xué)院專業(yè)班年級(jí)學(xué)號(hào)姓名共5頁(yè)第3頁(yè)三、（1）畫出雙積分球技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖，并說明其與單積分球相比的優(yōu)缺點(diǎn)；（2）四、畫圖說明photomultipliertube（PMT）內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并說明其工作原理及PMT的簡(jiǎn)要描述應(yīng)用雙積分球測(cè)量得到生物組織光學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量過程。（8分）優(yōu)缺點(diǎn)。（10分）答：（1）雙積分球測(cè)量系統(tǒng)示意圖如下:光電倍增器利用的是外光電效應(yīng)，是把微弱的輸入光轉(zhuǎn)換為

12、電子并使電子獲得倍增的電真空器件,photomultipliertube（PMT）內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：D3左面接收擴(kuò)散反射光的積分球被稱之為反射球，而右面接收擴(kuò)散透射光的積分球被稱之為透射球，樣品位于二球之間，需要三個(gè)探測(cè)器DI、D2和D3，分別探測(cè)擴(kuò)散反射光、擴(kuò)散透射光和準(zhǔn)直透射光。與單積分球相比，雙積分球系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：可以同時(shí)測(cè)量組織的漫反射、漫透射和準(zhǔn)直透射光強(qiáng);和單積分球相比優(yōu)點(diǎn)顯而易見；缺點(diǎn)如下：1）對(duì)兩個(gè)積分球和三個(gè)探測(cè)器的一致性要求較高；2）兩個(gè)球之間可能會(huì)有“串音”（Crosstalk）問題出現(xiàn)：即進(jìn)入到第二個(gè)球的透射光又反射回組織并再次透射入第一個(gè)球內(nèi)，并被作為漫反射光測(cè)量到。

13、（2）將待測(cè)樣品放置于反射球和透射球之間，通過D1檢測(cè)器得到擴(kuò)散反射光強(qiáng)，通過D2檢測(cè)器得到擴(kuò)散透射光強(qiáng)，通過D3檢測(cè)器得到準(zhǔn)直透射光強(qiáng)。在已知樣品厚度和折射率的情況下，利用逆蒙特卡羅或逆倍增法（IAD,inverseAdding-Doubling，或加倍法）對(duì)由上述擴(kuò)散反射、擴(kuò)散透射和準(zhǔn)直透射光強(qiáng)這些測(cè)量量去反算組織的光學(xué)參數(shù)：吸收系數(shù)、散射系數(shù)、簡(jiǎn)化散射系數(shù)和各項(xiàng)異性因子。進(jìn)電倍増営內(nèi)部覽構(gòu)光電倍增管主要由：1）密封在真空內(nèi)的光電陰極（photocathode）：把光轉(zhuǎn)換稱電子（光電子）;2）打拿極（dynode）：實(shí)現(xiàn)電子倍增；3）陽(yáng)極（anode）：輸出電流。PMT工作原理為：1）2）

14、3）首先光電陰極吸收光子并產(chǎn)生外光電效應(yīng)而發(fā)射光電子；光電子在外電場(chǎng)的作用下被加速并撞擊到打拿極后產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子又在電場(chǎng)的作用下被加速碰到下一級(jí)打拿極而產(chǎn)生更多的二次電子，隨著打拿極數(shù)目的增加，二次電子的數(shù)目也得到倍增；最后由光電陽(yáng)極接收并產(chǎn)生電流輸出信號(hào)。PMT優(yōu)點(diǎn)為：PMT具有從紫外到近紅外區(qū)域的很高的光譜響應(yīng)靈敏度，相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍（約為60dB）和高的響應(yīng)頻率（幾百兆赫茲）；另外，PMT還具有大光敏面積，因此適合于較大面積的探測(cè)。PMT缺點(diǎn)為：體積龐大、量子效率較低、需要高壓電源（上千伏），另外為了降低熱噪聲，有些PMT要加有制冷甚至磁屏蔽.學(xué)院專業(yè)班年級(jí)學(xué)號(hào)姓名共5頁(yè)第4

15、頁(yè)五、（1）根據(jù)葡萄糖吸收光譜在NR區(qū)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要說明近紅外光譜測(cè)量血糖濃度時(shí)測(cè)量波段的選擇原因。（2）并請(qǐng)簡(jiǎn)述近紅外光譜定量測(cè)量血糖濃度的流程及步驟。（10分）答：（1）葡萄糖是己醛糖，分子式為C6H1206。葡萄糖分子結(jié)構(gòu)中包含有多個(gè)羥基（O-H）和甲基（CH）,均為能在近紅外光譜區(qū)產(chǎn)生吸收的主要含氫官能團(tuán)。根據(jù)葡萄糖分子（血糖）吸收光譜曲IR區(qū)的特點(diǎn)，為利用近紅外光譜測(cè)定血糖濃度提供了理論依據(jù)：1）葡萄糖吸收比水弱很多；2）在此波段內(nèi)（10001500nm）內(nèi)相對(duì)比較平坦；3）在2000nm之后有吸收峰（是由基頻振動(dòng)引起的）；4）在11001300nm處存在二階倍頻吸收；5）在15001

16、800nm處存在著一階倍頻吸收。結(jié)論：選擇測(cè)量波段大于1200nm，小于2500nm左右用于血糖測(cè)量比較好（因?yàn)樾∮?000nm時(shí)血紅蛋白影響大；大于2000nm時(shí)水影響大，喻成駝峰上的小鳥）（2）近紅外光譜定量測(cè)量血糖濃度的流程及步驟為：校正過程預(yù)測(cè)過程定量分析流程數(shù)據(jù)的校正過程：主要是獲得校正模型的回歸系數(shù)、均值、方差、主成分?jǐn)?shù)等參數(shù)。數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)過程：是對(duì)于未知濃度的樣品，測(cè)量其光譜數(shù)據(jù)，通過校正模型的相關(guān)參數(shù)計(jì)算該樣品的濃度值。具體步驟包括：設(shè)計(jì)有代表性的校正集，及被測(cè)對(duì)象人群，并分別測(cè)量其光譜；采用標(biāo)準(zhǔn)方法（有創(chuàng)方法）測(cè)定被測(cè)對(duì)象的血糖濃度，將其作為參考值；根據(jù)校正集樣品的測(cè)量近紅外光譜和被測(cè)量的血糖濃度參考值，通過化學(xué)計(jì)量學(xué)方法（如PLS方法）建立校正模型；測(cè)量待測(cè)對(duì)象的近紅外光譜，將其代入所建立的校正模型，計(jì)算得到待測(cè)對(duì)象的血糖濃度。六、結(jié)合給出的示意圖，敘述OCT系統(tǒng)的成像原理，給出縱向分辨率和橫向分辨率的計(jì)算方法，并說明選用低相干光源的原因。（10分）OCT系統(tǒng)原理示意圖答:OCT的原理如圖所示：光源發(fā)出的低相干光經(jīng)2x2的光纖耦合器后被分為兩部分，分別進(jìn)入放有反射鏡的參考端和放有被測(cè)樣品的信號(hào)端；反射鏡反射回來的光（參