光漫射方法廣泛用于物理學和生物醫(yī)學領域。研究主題包括生物光子學、光學成像、雙光子顯微鏡、可植入生物醫(yī)學設備、MEMS/NEMS設備，大腦成像和調(diào)制以及神經(jīng)回路等。研究者現(xiàn)階段關注探測液體介質(zhì)（例如膠體中的擴散或生物組織中的血流）的動力學，但探測方法通常基于相干光強度的波動原理。由于較弱的漫射光通量以及較低的單模光纖通量會導致較低的光子計數(shù)率，進而會使常規(guī)的檢測器無法高速地探測深層組織血流的物理量。
為了解決這個問題，美國加州大學將多模光纖（MMF）干涉技術引入到漫射光學領域。為此，可以將常規(guī)的CMOS相機轉換為靈敏的檢測器陣列，即在生物組織深處探測到的微弱光通量。具體來說，他們通過使用CMOS相機實現(xiàn)對相干光波動的高度敏感和并行測量，這項工作的開展有望提高性能并降低漫射光學儀器的成本。他們開發(fā)了*的光學成像技術和新穎的集成化設備，并使用這些新設備來研究神經(jīng)科學和生物醫(yī)學中的問題。如圖1所示，展示了實驗中整套多模干涉多斑檢測系統(tǒng)的搭建及基本路線。
圖1 多模干涉多斑檢測系統(tǒng)
圖中，用于測量相干光漫射動力學的多模干涉多斑檢測系統(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，樣品束準直后功率為50mW。SMF-28輸出光纖通過APC配合套筒連接到MMF耦合器，并帶有可變衰減器以避免相機飽和。再用512像素的CMOS陣列相機配合MMF耦合器做輸出光束強度分析。
在這個實驗中，研究者將樣品束通過（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。然后科學家重新組合兩個光束（右上角地“MMF耦合器”）以產(chǎn)生干涉譜圖。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。反過來，病人的血壓是他在心跳周期中所處位置的函數(shù)。通過分析數(shù)據(jù)作為時間的函數(shù)，可以無創(chuàng)地監(jiān)測血流及心跳。
其整套設備的重難點是需要一個穩(wěn)定的長相干激光來獲取干涉圖。（相干性長度與線寬的倒數(shù)成函數(shù)比例）因此，窄線寬激光器適合本實驗。為了產(chǎn)生更準確的數(shù)據(jù)，應該捕獲不同波長的干涉圖。穩(wěn)定性（從幾秒到幾分鐘）對這個實驗至關重要。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)勢非常適合這個實驗。D2-100-DBR-852-HP1線寬<1 MHz，輸出功率為>180 mW，由額定電流為500 mA的D2-105-500激光控制器進行調(diào)制驅動，由D2-005線性電源提供模塊供電。其BFI波動的FFT頻譜數(shù)據(jù)如圖2所示。
圖2 基于光纖耦合器構成的M-Z干涉儀系統(tǒng)BFI波動FFT頻譜數(shù)據(jù)
圖中，顯示了實驗中受試者的BFI測量波動的FFT頻譜，其上限為1.2Hz，表示心率為72 bpm，與脈搏血氧計一致，證明了數(shù)據(jù)的自相關性，也證明了系統(tǒng)的可行性。半分鐘內(nèi)的干擾系數(shù)僅為4%-5%。與傳統(tǒng)的探測相比，該方法技術新穎，包括對光相位的敏感性、低成本、對環(huán)境光有較高的魯棒性。本研究將光子計數(shù)探測器領域與迅速發(fā)展的CMOS成像領域聯(lián)系起來，代表著動物組織血流漫反射光學傳感領域的進步。
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