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Vescent D2系列產(chǎn)品在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用
更新時(shí)間:2019-11-22   點(diǎn)擊次數(shù):1562次

光漫射方法廣泛用于物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。研究主題包括生物光子學(xué)、光學(xué)成像、雙光子顯微鏡、可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、MEMS/NEMS設(shè)備,大腦成像和調(diào)制以及神經(jīng)回路。研究者現(xiàn)階段關(guān)注探測(cè)液體介質(zhì)例如膠體中的擴(kuò)散或生物組織中的血流的動(dòng)力學(xué),但探測(cè)方法通常于相干光強(qiáng)度的波動(dòng)原理。由于較弱的漫射光通量以及低的單模光纖量會(huì)導(dǎo)致低的光子計(jì)數(shù)率,進(jìn)而會(huì)使常規(guī)的檢測(cè)器無(wú)法高速地探測(cè)深層組織血流的物理量

為了解決這個(gè)問(wèn)題,美國(guó)加州大學(xué)將多模光纖(MMF)干涉術(shù)引入漫射光學(xué)領(lǐng)域。為此,可以常規(guī)的CMOS相機(jī)轉(zhuǎn)換為靈敏的檢測(cè)器陣列,在生物組織深處探測(cè)到的微弱光通量。具體來(lái)說(shuō),他們通過(guò)使用CMOS相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)相干光波動(dòng)的高度敏感和并行測(cè)量,這項(xiàng)工作的開(kāi)展有望提高性能并降低漫射光學(xué)儀器的成本。他們開(kāi)發(fā)了*的光學(xué)成像技術(shù)和新穎的集成化設(shè)備,并使用這些新設(shè)備來(lái)研究神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的問(wèn)題。如圖1所示,展示了實(shí)驗(yàn)中整套多模干涉多斑檢測(cè)系統(tǒng)的搭建及基本路線。

 

圖1 多模干涉多斑檢測(cè)系統(tǒng)

圖中,用于測(cè)量相干光漫射動(dòng)力學(xué)多模干涉多斑檢測(cè)系統(tǒng),使用Vescent Photonics D2-100-DBR-852-HP1高功率激光器在852nm處發(fā)射長(zhǎng)相干光形成樣品束,與SMF-28光纖耦合器連接后照射樣品和M-Z干涉儀樣品束準(zhǔn)直后功率為50mW。SMF-28輸出光纖通過(guò)APC配合套筒連接到MMF耦合器,并帶有可變衰減器以避免機(jī)飽和。再用512像素的CMOS陣列相機(jī)配合MMF耦合器輸出光束強(qiáng)分析。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,研究者將樣品束通過(guò)(左上角的“FMF耦合器”)分成兩條路徑。其中一束足夠靠近患者頭部的光束,使隱逝波(Evanescent Wave與患者的皮下組織相互作用,獲得回傳信號(hào)。然后科學(xué)家重新組合兩個(gè)光束(右上角地“MMF耦合器”)以產(chǎn)生干涉圖。將干涉儀的探針經(jīng)由患者的頭部,使光的相位隨患者頭部的血壓而變化。反過(guò)來(lái),病人的血壓是他在心跳周期中所處位置的函數(shù)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)作為時(shí)間的函數(shù),可以無(wú)創(chuàng)地監(jiān)測(cè)血流心跳。

其整套設(shè)備的重難點(diǎn)是需要一個(gè)穩(wěn)定的長(zhǎng)相干激光來(lái)獲取干涉圖。(相干性長(zhǎng)度與線寬的倒數(shù)函數(shù)比例)因此,窄線寬激光器適合本實(shí)驗(yàn)。為了產(chǎn)生更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),應(yīng)該捕獲不同波長(zhǎng)的干涉圖。穩(wěn)定性(從幾秒到幾分鐘)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。因此,Vescent D2-100系列可調(diào)諧激光器所具備的頻率穩(wěn)定、窄線寬、可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)非常適合這個(gè)實(shí)驗(yàn)。D2-100-DBR-852-HP1線寬<1 MHz,輸出功率為>180 mW,由額定電流為500 mAD2-105-500激光控制器進(jìn)行調(diào)制驅(qū)動(dòng),D2-005線性電源提供模塊供電。BFI波動(dòng)的FFT頻譜數(shù)據(jù)如圖2所示

 

圖2 基于光纖耦合器構(gòu)成的M-Z干涉儀系統(tǒng)BFI波動(dòng)FFT頻譜數(shù)據(jù)

圖中,顯示了實(shí)驗(yàn)中受試者的BFI測(cè)量波動(dòng)的FFT頻譜,其上限為1.2Hz,表示心率為72 bpm,與脈搏血氧計(jì)一致,證明數(shù)據(jù)的自相關(guān)也證明了系統(tǒng)的可行性。半分鐘內(nèi)的干擾系數(shù)為4%-5%。與傳統(tǒng)的探測(cè)相比,方法技術(shù)新穎,包括對(duì)光相位的敏感性、低成本、對(duì)環(huán)境光有較高的魯棒性。本研究將光子計(jì)數(shù)探測(cè)器領(lǐng)域與迅速發(fā)展的CMOS像領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái),代表著動(dòng)物組織血流漫反射光學(xué)傳感領(lǐng)域的進(jìn)步。

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