深层组织血流中对相干光波动的高度敏感和并行测量检测方案(激光产品)

Vescent D2系列产品在生命科学领域应用 光漫射方法广泛用于物理学和生物医学领域。研究主题包括生物光子学、光学成像、双光子显微镜、可可植入生物医学设备、MEMS/NEMS 设备，大脑成像和调制以及神经回路等。研究者现阶段关注探测液体介质(例如胶体中的扩散或生物组织中的血流)的动力学，但探测方法通常基于相干光强度的波动原理。由于较弱的漫射光通量以及较低的单模光纤通量会导致较低的光子计数率，进而会使常规的检测器无法高速精准地探测深层组织血流的物理量。 为了解决这个问题，美国加州大学将多模光纤(MMF)干涉技术引入到漫射光学领域。为此，可以将常规的 CMOS 相机转换为灵敏的检测器阵列，即在生物组织深处探测到的微弱光通量。具体来说，他们通过使用 CMOS 相机实现对相干光波动的高度敏感和并行测量，这项工作的开展有望提高性能并降低漫射光学仪器的成本。他们开发了先进的光学成像技术和新颖的集成化设备，并使用这些新设备来研究神经科学和生物医学中的问题。如图1所示，展示了实验中整套多模干涉多斑检测系统的搭建及基本路线。 图1多模干涉多斑检测系统 图中，用于测量相干光漫射动力学的多模干涉多斑检测系统，使用Vescent Photonics D2-100-DBR-852-HP1高功率激光器在 852nm 处发射长相干光形成样品束，与 SMF-28光纤耦合器连接后照射样品和M-Z干涉仪，样品束准直后功率为 50mW。SMF-28输出光纤通过 APC 配合套筒连接到 MMF 耦合器，并带有可变衰减器以避免相机饱和。再用512像素的 CMOS 阵列相机配合 MMF耦合器做输出光束强度分析。 在这个实验中，研究者将样品束通过(左上角的“FMF耦合器”)分成两条路径。其中一束足够靠近患者头部的光束，使隐逝波 (Evanescent Wave) 与患者的皮下组织相互作用，获得回传信号。然后科学家重新组合两个光束(右上角 地“MMF耦合器”)以产生干涉谱图。将干涉仪的探针经由患者的头部，使光的相位随患者头部的血压而变化。反过来，病人的血压是他在心跳周期中所处位置的函数。通过分析数据作为时间的函数，可以无创地监测血流及心跳。 其整套设备的重难点是需要一个稳定的长相干激光来获取干涉图。(相干性长度与线宽的倒数成函数比例)因此，窄线宽激光器最适合本实验。为了产生更准确的数据，应该捕获不同波长的干涉图。稳定性(从几秒到几分钟)对这个实验至关重要。因此， VescenttDD2-100系列可调谐激光器所具备的频率稳定、窄线宽、可调谐等优势非常适合这个实验。D2-100-DBR-852-HP1线宽<1MHz，输出功率为>180 mW， 由额定电流为 500 mA的 D2-105-500激光控制器进行调制驱动，由 D2-005线性电源提供模块供电。其BFI 波动的 FFT 频谱数据如图2所示。 图2基于光纤耦合器构成的 M-Z干涉仪系统 BFI 波动 FFT 频谱数据 图中，显示了实验中受试者的BFI 测量波动的 FFT频谱，其上限为1.2Hz，表示心率为72 bpm，与脉搏血氧计一致，证明了数据的自相关性，也证明了系统的可行性。半分钟内的干扰系数仅为4%-5%。与传统的探测相比，该方法技术新颖，包括对光相位的敏感性、低成本、对环境光有较高的鲁棒性。本研究将光子计数探测器领域与迅速发展的 CMOS 成像领域联系起来，代表着动物组织血流漫反射光学传感领域的进步。 光漫射方法广泛用于物理学和生物医学领域。研究主题包括生物光子学、光学成像、双光子显微镜、可植入生物医学设备、MEMS/NEMS设备，大脑成像和调制以及神经回路等。研究者现阶段关注探测液体介质（例如胶体中的扩散或生物组织中的血流）的动力学，但探测方法通常基于相干光强度的波动原理。由于较弱的漫射光通量以及较低的单模光纤通量会导致较低的光子计数率，进而会使常规的检测器无法高速jing 准地探测深层组织血流的物理量。为了解决这个问题，美国加州大学将多模光纤（MMF）干涉技术引入到漫射光学领域。为此，可以将常规的CMOS相机转换为灵敏的检测器阵列，即在生物组织深处探测到的微弱光通量。具体来说，他们通过使用CMOS相机实现对相干光波动的高度敏感和并行测量，这项工作的开展有望提高性能并降低漫射光学仪器的成本。他们开发了先进的光学成像技术和新颖的集成化设备，并使用这些新设备来研究神经科学和生物医学中的问题。如图1所示，展示了实验中整套多模干涉多斑检测系统的搭建及基本路线。图1 多模干涉多斑检测系统图中，用于测量相干光漫射动力学的多模干涉多斑检测系统，使用Vescent Photonics D2-100-DBR-852-HP1高功率激光器在852nm处发射长相干光形成样品束，与SMF-28光纤耦合器连接后照射样品和M-Z干涉仪，样品束准直后功率为50mW。SMF-28输出光纤通过APC配合套筒连接到MMF耦合器，并带有可变衰减器以避免相机饱和。再用512像素的CMOS阵列相机配合MMF耦合器做输出光束强度分析。在这个实验中，研究者将样品束通过（左上角的“FMF耦合器”）分成两条路径。其中一束足够靠近患者头部的光束，使隐逝波（Evanescent Wave）与患者的皮下组织相互作用，获得回传信号。然后科学家重新组合两个光束（右上角地“MMF耦合器”）以产生干涉谱图。将干涉仪的探针经由患者的头部，使光的相位随患者头部的血压而变化。反过来，病人的血压是他在心跳周期中所处位置的函数。通过分析数据作为时间的函数，可以无创地监测血流及心跳。其整套设备的重难点是需要一个稳定的长相干激光来获取干涉图。（相干性长度与线宽的倒数成函数比例）因此，窄线宽激光器最适合本实验。为了产生更准确的数据，应该捕获不同波长的干涉图。稳定性（从几秒到几分钟）对这个实验至关重要。因此，Vescent D2-100系列可调谐激光器所具备的频率稳定、窄线宽、可调谐等优势非常适合这个实验。D2-100-DBR-852-HP1线宽<1 MHz，输出功率为>180 mW，由额定电流为500 mA的D2-105-500激光控制器进行调制驱动，由D2-005线性电源提供模块供电。其BFI波动的FFT频谱数据如图2所示。图2 基于光纤耦合器构成的M-Z干涉仪系统BFI波动FFT频谱数据图中，显示了实验中受试者的BFI测量波动的FFT频谱，其上限为1.2Hz，表示心率为72 bpm，与脉搏血氧计一致，证明了数据的自相关性，也证明了系统的可行性。半分钟内的干扰系数仅为4%-5%。与传统的探测相比，该方法技术新颖，包括对光相位的敏感性、低成本、对环境光有较高的鲁棒性。本研究将光子计数探测器领域与迅速发展的CMOS成像领域联系起来，代表着动物组织血流漫反射光学传感领域的进步。