光声技术测量液体吸收系数的数据仿真及实验验证
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第３ ４卷 第 ２ 期 ２ ０ １ ３年
玉林师范学院学报 （ 自然科学 ）
Ｖ ｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２
Ｊ ＯＵＲＮＡ Ｌ ＯＦ Ｙ ＵＬ Ｉ Ｎ ＮＯＲ ＭＡ Ｌ ＵＮＩ Ｖ Ｅ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
本文 提 出了一 种 利用 光 声技 术 测 定样 品吸 收系 数 的方 法 ，建 立起 了仿 真模 型 ，并最 后 测定 了墨 水样 品 的吸收 系数 ． 该方 法在 组织 成分 检测 ，尤 其是 血糖 、血 氧检 测 中具有潜 在 的应用 价值 。
１ 光 声 谱 技 术 测 量 样 品 吸收 系数 的理 论 分 析
射 特性 制 约 了近 红外 技术 的应 用 ，影 响 了其 测量 精度和 应 用范 围．
基 于 光 声效 应 的光 声 谱技 术 将光 学技 术和 声 学 技术 有机 地 结 合起 来 ，更 有 效地 克 服 了光 在 组 织 中传
输 时 由强 散射 效应 造 成 的影 响． 光 声谱 技 术 比近红 外 技术对 生物组 织 有更 好 的穿透 性 ， 同时还 具有 分 辨率 高 、无 副作 用 等特 点 ，在 人 体 组分 检 测和 组 织层 析 成 像方 面 都 比近 红外 技 术 具有 更 多 的优势 ， 目前 正成 为生物 组 织无损 检 测技术 的研 究热 点 ．
ｈ ’ 引 ：
＝ 一
￣ ｒ － ｒ Ｘ
㈩
［ 收稿 日期】２ ０ １ ３ ０ ３ １ ２ ［ 基金项 目］广西教育厅一般资助项 目 （ ２ ０ １ ２ ０ ３ Ｙ Ｂ １ ５ ４ ）。 ［ 作者简 介］ 郑金存 （ １ ９ ７ ９ ￣ ），男，玉林师范学 院电子 与通信工程 学院讲 师，硕士。主要研 究方 向：光信息处理 ，医
学电子技术。
４ ２
郑金存
光声技术测量液体吸收系数的数据仿真及实验验证
其 中 （ ｒ ， ， ｔ ） 表 示超 声 产生 的 声压 波 ，卢 等压 膨胀 系 数 、Ｃ 表示 声速 、 是 比热． Ｈ（ ｒ ， ｔ ） 是 热量 函数 ，表 示ｔ 时刻 位 于放 物体 在单 位 时 间单位 体积 内所 吸收辐 射 能量 的大 小． 热 量 函数 可 以用如 下 的公式 表示 ：
当一 束 激 光照 射 到物 体 时 ，激 光 照射 处 的快速 热 扩散 使 物体 的周 围产 生 超声 波 ，称 为 光 声信 号 ，也
称 作 光声 波 ． 当激 光 脉 冲 的 宽度 远 远 小 于物 体 的热 散射 时 问时 ， 由波 动 方 程 的表 达 式 可 以将 光 声 压 表 示
霸■■簟曩■
光声技术测量液体吸收系数 的 数据 仿真及实验验证
口郑 金存
（ 玉 林 师 范 学 院 电 子 与 通信 工程 学 院 ，广 西 玉 林 ５ ３ ７ ０ ０ ０ ）
［ 摘
要］提出了 用脉冲光声技术测量样品吸收系数的方法． 首先假设光在某些样品中传播其
强度是沿一指数曲线衰减．则探测器探测到的光声信号可看作是指数衰减 曲线与探测器脉冲响应卷 积的结果，通过衰减系数的值反映出光吸收系数的大小． 用数据仿真及实验验证的方法对文中 提出 的理论做 了 论证，所获得的结果与用其他方法所获得的测量结果有一定的吻合性，这ｈ光声技术 的无损检测提供 了一种参考方法． ［ 关 键 词］ 光声检测；光吸收系数；数值仿真
在 光 波 波 长 为６ ０ ０ ｌ ３ ０ ０ ｎ ｍ 之 间 的近 红 外 “ 光学 窗 ”范 围 内 ，生物 组 织 的透光 性 能 好 ，对 光 的吸 收 小． 近 几 年 利用 近 红外 光 谱技 术 在 线检 测 人 体血 糖 与血 氧含 量 方 面取 得 了很 大 的进 展 ． 然 而 ，组 织 的 强散
） ＝
］ ｌ
ｒ ｌ Ａ （ 一 １ ｒ ￣ ｃ ） ｄ ｒ
（ ３ ）
其 中 ， （ ｆ ） ＝ （ ｆ ） ／ ｄ ｔ ， 假 设 。 ｒ ／ ｃ ＝ ｆ ； 上 式 可 用 球 坐 标 表 示 为 ：
（ ｆ ） ＝ ｌ ｏ ｔ ｆ ｆ ［ ￣ ｆ ｆ Ａ （ ｒ ） （ ｃ ｉ ｎ ９ ｄ Ｏ ｄ ￣ ｏ Ｉ Ｉ （ ｔ － ｔ ＇ ） １ ＋［ １ ／ ／ ｒ 撕 ） ∽
组 织 的载色 体浓 度 的测 量 中都经 常 使用 ．
［ 中 图分 类 号］０４ ３ ３ ． ４［ 文献标 识码 ］Ａ ［ 文章 编号 ］１ ０ ０ ４ — ４ ６ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ ０ ４ ２ — ０ ６ Nhomakorabea咽
着 科 学 技术 的进 步 ， 生物 组 织 的无 损 检 测技 术 正 蓬 勃 发展 ． 在 医学 中的人 体 组 分 （ 血 糖 、血氧 ） 检 测 、病 变细 胞 检测 、 以及 组 织切 片 检测 等 ，正 由传统 的基 于症 状 的有 创检 测 模式 向 以信息 为 依据 的无损 检测模 式转 变 ．
＝
其中 木 表示卷积，／ ／ Ａ （ ｒ ） ｄ ｓ 表示在传感器的位置、半径为 ＝ ｃ ｔ 处的能量吸收的球面积分． 由 于激光脉
冲 的持 续 时 间非常 短 ，可 以将 （ ｆ ） 看作 是单 位 冲激 函数 ． 则 由卷 积 的定理 ，可 以将 （ ４ ）式 写为 ：
） ＝ ｌ ｏ ｔ ｆ ａ ｌ ｌ ／ ｆ ， ＋ ， ＝ Ａ （ ｒ ） ］
Ｈ（ ｒ ， ｔ ） ＝ Ｉ ｏ Ａ（ ｒ ） Ｉ （ ｔ ） （ ２ ）
其￣ Ｐ Ａ（ ， ． ） 为样 品 的光 吸收 空 问分 布 ， （ ） 为 入射 激 光 时域 分布 ． ， ｏ 是一 个 正 比于入 射激 光 的 比例 因子． 如果 选 择 传感 器 的位 置作 为零 点坐 标 ，则 方程 （ １ ）可 以简化 为
玉林师范学院学报 （ 自然科学 ）
Ｖ ｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２
Ｊ ＯＵＲＮＡ Ｌ ＯＦ Ｙ ＵＬ Ｉ Ｎ ＮＯＲ ＭＡ Ｌ ＵＮＩ Ｖ Ｅ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
本文 提 出了一 种 利用 光 声技 术 测 定样 品吸 收系 数 的方 法 ，建 立起 了仿 真模 型 ，并最 后 测定 了墨 水样 品 的吸收 系数 ． 该方 法在 组织 成分 检测 ，尤 其是 血糖 、血 氧检 测 中具有潜 在 的应用 价值 。
１ 光 声 谱 技 术 测 量 样 品 吸收 系数 的理 论 分 析
射 特性 制 约 了近 红外 技术 的应 用 ，影 响 了其 测量 精度和 应 用范 围．
基 于 光 声效 应 的光 声 谱技 术 将光 学技 术和 声 学 技术 有机 地 结 合起 来 ，更 有 效地 克 服 了光 在 组 织 中传
输 时 由强 散射 效应 造 成 的影 响． 光 声谱 技 术 比近红 外 技术对 生物组 织 有更 好 的穿透 性 ， 同时还 具有 分 辨率 高 、无 副作 用 等特 点 ，在 人 体 组分 检 测和 组 织层 析 成 像方 面 都 比近 红外 技 术 具有 更 多 的优势 ， 目前 正成 为生物 组 织无损 检 测技术 的研 究热 点 ．
ｈ ’ 引 ：
＝ 一
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［ 收稿 日期】２ ０ １ ３ ０ ３ １ ２ ［ 基金项 目］广西教育厅一般资助项 目 （ ２ ０ １ ２ ０ ３ Ｙ Ｂ １ ５ ４ ）。 ［ 作者简 介］ 郑金存 （ １ ９ ７ ９ ￣ ），男，玉林师范学 院电子 与通信工程 学院讲 师，硕士。主要研 究方 向：光信息处理 ，医
学电子技术。
４ ２
郑金存
光声技术测量液体吸收系数的数据仿真及实验验证
其 中 （ ｒ ， ， ｔ ） 表 示超 声 产生 的 声压 波 ，卢 等压 膨胀 系 数 、Ｃ 表示 声速 、 是 比热． Ｈ（ ｒ ， ｔ ） 是 热量 函数 ，表 示ｔ 时刻 位 于放 物体 在单 位 时 间单位 体积 内所 吸收辐 射 能量 的大 小． 热 量 函数 可 以用如 下 的公式 表示 ：
当一 束 激 光照 射 到物 体 时 ，激 光 照射 处 的快速 热 扩散 使 物体 的周 围产 生 超声 波 ，称 为 光 声信 号 ，也
称 作 光声 波 ． 当激 光 脉 冲 的 宽度 远 远 小 于物 体 的热 散射 时 问时 ， 由波 动 方 程 的表 达 式 可 以将 光 声 压 表 示
霸■■簟曩■
光声技术测量液体吸收系数 的 数据 仿真及实验验证
口郑 金存
（ 玉 林 师 范 学 院 电 子 与 通信 工程 学 院 ，广 西 玉 林 ５ ３ ７ ０ ０ ０ ）
［ 摘
要］提出了 用脉冲光声技术测量样品吸收系数的方法． 首先假设光在某些样品中传播其
强度是沿一指数曲线衰减．则探测器探测到的光声信号可看作是指数衰减 曲线与探测器脉冲响应卷 积的结果，通过衰减系数的值反映出光吸收系数的大小． 用数据仿真及实验验证的方法对文中 提出 的理论做 了 论证，所获得的结果与用其他方法所获得的测量结果有一定的吻合性，这ｈ光声技术 的无损检测提供 了一种参考方法． ［ 关 键 词］ 光声检测；光吸收系数；数值仿真
在 光 波 波 长 为６ ０ ０ ｌ ３ ０ ０ ｎ ｍ 之 间 的近 红 外 “ 光学 窗 ”范 围 内 ，生物 组 织 的透光 性 能 好 ，对 光 的吸 收 小． 近 几 年 利用 近 红外 光 谱技 术 在 线检 测 人 体血 糖 与血 氧含 量 方 面取 得 了很 大 的进 展 ． 然 而 ，组 织 的 强散
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］ ｌ
ｒ ｌ Ａ （ 一 １ ｒ ￣ ｃ ） ｄ ｒ
（ ３ ）
其 中 ， （ ｆ ） ＝ （ ｆ ） ／ ｄ ｔ ， 假 设 。 ｒ ／ ｃ ＝ ｆ ； 上 式 可 用 球 坐 标 表 示 为 ：
（ ｆ ） ＝ ｌ ｏ ｔ ｆ ｆ ［ ￣ ｆ ｆ Ａ （ ｒ ） （ ｃ ｉ ｎ ９ ｄ Ｏ ｄ ￣ ｏ Ｉ Ｉ （ ｔ － ｔ ＇ ） １ ＋［ １ ／ ／ ｒ 撕 ） ∽
组 织 的载色 体浓 度 的测 量 中都经 常 使用 ．
［ 中 图分 类 号］０４ ３ ３ ． ４［ 文献标 识码 ］Ａ ［ 文章 编号 ］１ ０ ０ ４ — ４ ６ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ ０ ４ ２ — ０ ６ Nhomakorabea咽
着 科 学 技术 的进 步 ， 生物 组 织 的无 损 检 测技 术 正 蓬 勃 发展 ． 在 医学 中的人 体 组 分 （ 血 糖 、血氧 ） 检 测 、病 变细 胞 检测 、 以及 组 织切 片 检测 等 ，正 由传统 的基 于症 状 的有 创检 测 模式 向 以信息 为 依据 的无损 检测模 式转 变 ．
＝
其中 木 表示卷积，／ ／ Ａ （ ｒ ） ｄ ｓ 表示在传感器的位置、半径为 ＝ ｃ ｔ 处的能量吸收的球面积分． 由 于激光脉
冲 的持 续 时 间非常 短 ，可 以将 （ ｆ ） 看作 是单 位 冲激 函数 ． 则 由卷 积 的定理 ，可 以将 （ ４ ）式 写为 ：
） ＝ ｌ ｏ ｔ ｆ ａ ｌ ｌ ／ ｆ ， ＋ ， ＝ Ａ （ ｒ ） ］
Ｈ（ ｒ ， ｔ ） ＝ Ｉ ｏ Ａ（ ｒ ） Ｉ （ ｔ ） （ ２ ）
其￣ Ｐ Ａ（ ， ． ） 为样 品 的光 吸收 空 问分 布 ， （ ） 为 入射 激 光 时域 分布 ． ， ｏ 是一 个 正 比于入 射激 光 的 比例 因子． 如果 选 择 传感 器 的位 置作 为零 点坐 标 ，则 方程 （ １ ）可 以简化 为