各向同性點光源的制備及生物組織模擬液中光能流率的測定①

張琳 李慧

(華北科技學院基礎部，北京東燕郊 101601)

各向同性點光源的制備及生物組織模擬液中光能流率的測定①

張琳②李慧

(華北科技學院基礎部，北京東燕郊 101601)

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

激光測量;各向同性小球;能流率;生物組織模擬液

0 引言

在測量標準生物組織模擬液Intralipid－10%的吸收系數及各向異性因子時常用的方法為插入法［1，2］，即測量時需把一各向同性點光源浸在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，實驗結果表明，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量Intralipid－10%溶液中的光能流率，結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光源和各向同性探測器進行生物組織光分布測量和研究。

1 實驗材料及方法

實驗選用具有熔點低、散射特性高的蠟作為各向同性小球的原料。具體制作時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，對光纖端面進行了研磨，使光纖端面成一小圓錐狀，并盡量使錐面相對粗糙，以利從光纖出射的光發散開，實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。

我們制作了幾個直徑約1～2mm的粘附于光纖端面的小球，并對制作的高散射小球沿角向的光分布進行了測量，測量小球角向光分布的實驗裝置如圖1所示。

圖1 測量各向同性小球出射光能流率角向分布的實驗裝置

測量結果如圖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］的插入法測量實驗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散射光的探測。

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光源及各向同性探測器測量Intralipid－10%溶液中的光能流率的實驗裝置如圖3所示。Intralipid－10%是一種目前在生物組織光學中常用的生物組織模擬材料，對Intralipid－10%的光學特性的研究表明，它有強的前向散射特性和低吸收性［1，3］。實驗中溶液由1500ml蒸餾水加入50ml Intralipid－10%溶液制成，根據文獻［4］在650 nm波長下對Intralipid－10%溶液的研究結果進行計算，溶液的有效散射系數μ's=9.54635mm－1，吸收系數μa=0.00475mm－1。

波長為650nm的半導體激光器作為光源，激光束經光闌、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直徑1.5mm的高散射介質球，以產生各向同性光輸出。光纖末端在豎直方向上被精確定位。為測量光能流率我們用另一芯徑為300μm末端加裝了一個直徑1.2mm的高散射介質球的光纖作為探測器。探測光纖在x、y、z方向定位的準確度大于0.001mm。探測光纖將接收到的光耦合至光電池(SG－03)，光電池輸出信號經前置放大器(UA741CN)后，送入與斬波器相連的鎖相放大器(Stanford Research Systems生產，型號為SR830)。鎖相放大器輸出的信號送入控制探測光纖移動的計算機(PC)。光電轉換器和放大電路的線性已證實大于99%。探測光纖的水平掃描由計算機控制的步控移動平臺完成，步控移動平臺沿直線相對光源作線性移動。光源和探測器的豎直調節利用手動調節裝置完成。光源和探測器的初始距離利用游標卡尺測得。

圖3 測量各向同性點光源在無限大介質中的光能流率的實驗裝置

2 測量結果及理論計算

測量Intralipid－10%稀釋液中光能流率隨到各向同性點光源距離r的分布如圖4所示。由漫射理論可知，在無限大介質中，一個放置在r=0處各向同性的單位強度的連續點光源在介質中產生的光能流率為［5］：

圖4 Intralipid-10%溶液中光能流率隨到光源距離分布的實驗及理論結果

3 結論

本文提出了用蠟制備用于模擬液測量的各向同性小球的新方法，對制備小球的出射光能流率測量的結果表明，其角分布平均誤差小于10%;用我們制備的各向同性小球測量了生物組織模擬液Intralipid－10%溶液中的光能流率，實驗結果與普遍采用的漫射理論結果有很好的吻合。上述對各向同性點光源的測試及實驗結果表明，我們所研制的各向同性點光源和各向同性光纖探頭可用于生物組織光學的實驗研究，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。項目基金：中央高校基本科研業務費資助(2011B021)。

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