激光散斑和激光多普勒测量4.docVIP

激光散斑和激光多普勒测量 从图 1.3 可知，激光散斑主要应用于微循环的血流监测，这是因为激光散斑测量 法相对于放射性微球技术 [25] 、荧光示踪检测法 [26] 和氢离子稀释 [27] 等方法，具有非接触、 无创伤、能对血流分布快速成像等优点。具有相同优点的另外一种光学检测技术—— 激光多普勒速度测量技术，是利用粒子散射光的强度波动引起的多普勒频移来测量散 射子的速度，它可用于监控血流以及人体其它组织或器官的运动。激光多普勒技术用 于测量血流速度的研究始于 20 世纪 70 年代，至今已经发展为成熟的医疗诊断工具。 与激光多普勒技术不同的是，激光散斑是受激光照射物体产生的随机干涉效应的颗粒 状图案。如果物体由单个移动散射体（如血细胞）组成，散射图案会有波动。这些波 动包含了散射体运动变化的信息。尽管激光散斑技术看起来和激光多普勒技术大相径 庭，一个是多普勒现象，一个是干涉现象，但是通过数学分析，这两种方法在最终的 数学表达上是可以统一的 (1.1 a)描述的是频率变化引起的强度变化，(1.1 b)是相位变化引起的强度变化。可以 看出激光散斑和激光多普勒是观察同一现象的两种不同途径，却各有自身的发展。 相干光照射的运动散射粒子会引起光强的随机波动，其物理基础可以通过两种方 式来表示：随机相干图案的波动（时间积分和微分的时变散斑或动态散斑）和不同频 率之间产生的拍频和混频（多普勒频移）。图 1.4 展示了运动散射粒子引起的随机光强 波动的测量方法。 .2 激光散斑测量与统计特性 5 固体或流体的散射粒子运动时，会产生多普勒频移。对同向运动的散射体，其所 有的或大部分的散射光具有相同的频移，这时需要加入参考光源来产生频率差。不移 动的参考光源与运动散射粒子频移的频率差与散射粒子的运动速度相关，这就是典型 的激光多普勒测速仪的外差测量法。当散射粒子运动产生的多普勒频移具有一定的范 围，即产生了多普勒频移谱，这时频移之间会发生相互的自拍频，在零频附近展开， 此为频率的零差，可以使用光子相干光谱测量 [14,15] 。 图 1.4 随机强度波动的时变散斑和激光多普勒测量方法分类 Fig. 1.4 Classification of intensity random fluctuation: time-varying speckle and Doppler shift 在一些经典应用中，通过测量光强波动的自相关函数（或自协方差）可以反映光 强的随机波动情况，比如光子相关光谱。当时间间隔增加的时候，相邻时间的光强相 关性就会下降，当光强的改变越快（或者波动的频率越高），相关性也会下降的越快。 自相关函数和功率谱之间是傅立叶变换的关系，因此光子相关光谱和激光多普勒的基 本原理没有什么差别，光子相关光谱用于零差自拍的情况（相关函数测量），而激光 多普勒是用于外差参考光的情况（频谱测量）。定义自相关函数下降到预设下限所用 的时间为相关时间，它与散射粒子的运动相关。当光强变化越快，相关时间越短。光 强波动的频移（多普勒频移）和散射粒子的平均速度成正比，比例系数与波长相关， 这意味着相关时间和散射粒子平均速度有直接联系。这个关系和散射粒子的速度分布 模型有关，并反映到自相关函数的曲线变化。通常，散射粒子平均速度和相关时间成 反比。 散射体的运动时产生的散斑为时变散斑（Time-varying Speckle）。当散射体运动 时，散斑图案会产生变化。对微小位移，散斑随散射体而移动，散射体在运动时与散 斑波动保持相关；而相对大的位移，两者之间就会变得不相关，散斑图案完全改变。 因此，时变散斑的测量对微循环这种低速的血液流动比较适合。 在时变散斑的测量中，一般假设光强是连续测量的，但在现实中是无法完全实现， 因为一般探测器都有有限的积分时间。如果积分时间大于散斑波动的相干时间，也就 是探测器不能分辨光强的最快波动，那么散斑的波动将会被平均，得到一个强度值不 变的散斑。如果积分时间小于相干时间，调制深度（散斑衬比）将与积分时间和散射 粒子的速度有关。这时积分时间作为另一个自由度，与散射粒子的速度一起表现为“时 间积分散斑（Time-integrated Speckle）”调制深度的函数。时间积分散斑的一阶时间统 计特性，如标准偏差与平均光强的比值，与探测器积分时间和散射颗粒的速度相关， 可用于测量散射粒子的速度 [29] 。 时间微分散斑的统计特性同样包含了散射粒子的速度信息。Ruth 证明了散射粒子 速度与散斑波动的平均频率成正比，而平均频率与时间微分散斑强度的均方根成正比 [17,30] ；Fercher 使用散斑波动的标准方差和平均强度一阶统计参数来说明时间微分散斑 性质 [31] ；Fujii 也使用同样的参数来说明单个散斑强度差异，而不是测量散