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)回路等。研究者現(xiàn)階段關(guān)注探測液體介質(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)，但探測方法通常基于相干光強(qiáng)度的波動(dòng)原理。由于較弱的漫射光通量以及較低的單模光纖通量會(huì)導(dǎo)致較低的光子計(jì)數(shù)率，進(jìn)而會(huì)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(gè)問題，美國加州大學(xué)將多模光纖（MMF）干涉技術(shù)引入到漫射光學(xué)領(lǐng)域。為此，可以將常規(guī)的CMOS相機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)相干光波動(dòng)的高度敏感和并行測量，這項(xiàng)工作的開展有望提高性能并降低漫射光學(xué)儀器的成本。他們開發(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)備來研究神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的問題。如圖1所示，展示了實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)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(zhǔn)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(jī)飽和。再用512像素的CMOS陣列相機(jī)配合MMF耦合器做輸出光束強(qiáng)度分析。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(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(shí)間的函數(shù)，可以無創(chuàng)地監(jiān)測血流及心跳。

其整套設(shè)備的重難點(diǎn)是需要一個(gè)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(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 mA的D2-105-500激光控制器進(jìn)行調(diào)制驅(qū)動(dòng)，由D2-005線性電源提供模塊供電。其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，證明了數(shù)據(jù)的自相關(guān)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(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)探測器領(lǐng)域與迅速發(fā)展的CMOS成像領(lǐng)域聯(lián)系起來，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。