中文摘要 激光超聲因其非接觸、頻帶寬、多模態(tài)等特點(diǎn)，在材料無損檢測方面得到了 廣泛研究。本課題旨在探索脈沖激光作用于皮膚產(chǎn)生超生波的機(jī)理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)用于實(shí)時觀察超聲振動。 從激光與生物組織的相互作用原理入手，討論了常見的光聲類型，并分析了 用脈沖激光激發(fā)超生波的理論依據(jù)。由于皮膚組織結(jié)構(gòu)特性非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的解 析法難以精確求解脈沖激光與生物組織的作用過程，本課題采用有限元數(shù)值模擬 的方法，解決了二者的相互作用機(jī)理。 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法的理論和應(yīng)用都得到迅速、持續(xù)不斷 的發(fā)展，已成為工程分析中的有力工具。以各種不同的變分原理為基礎(chǔ)的有限元 法可以應(yīng)用于各種連續(xù)介質(zhì)問題和幾乎所有的場問題。為此，本文在考慮到皮膚 有關(guān)特性的基礎(chǔ)上，用有限元方法數(shù)值模擬了呈高斯分布的激光脈沖與皮膚的相 互作用，建立了熱彈條件下瞬態(tài)溫度場分布及超聲波產(chǎn)生和傳播的雙層各項(xiàng)同性 的有限元模型。在有限元仿真過程中，采取順序耦合的間接方法，先求出因高功 率脈沖激光照射產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場，得到節(jié)點(diǎn)溫度作為結(jié)構(gòu)分析的溫度體載荷， 進(jìn)一步求出瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而得到超聲波的傳播特性變化曲線。本課題 仿真了不同激光脈沖寬度和光束半徑對產(chǎn)生的超聲波的影響，得出了一些有意義 的結(jié)論，為實(shí)驗(yàn)研究提供了定性的理論基礎(chǔ)。 最后，給出了激光超聲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。針對激光超聲靈敏度非常低的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)出了利用線光源的激發(fā)裝置和線偏振外差干涉儀的接收系統(tǒng)。接收到的光電 信號其實(shí)是一種調(diào)相信號，為實(shí)時觀察超聲振動情況，利用了鎖相環(huán)解調(diào)技術(shù)。 關(guān)鍵詞：激光超聲，軟組織，有限元方法，溫度場 a b s t r a c t l a s e r - g e n e r a t e du l t r a s o u n di sn o n - c o n t a c t ，b r o a d b a n d ，a n dm u l t i p l ep r o p a g a t i o n m o d e s ，a n ds oh a sb e e ns t u d i e dw i d e l yi nt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fs t r u c t u r a l m a t e r i a l s t h ea i mo ft h i st h e s i si st os t u d yt h em e c h a n i s mt h a tu l t r a s o u n di s g e n e r a t e db yp u l s e dl a s e ri r r a d i a t i n go nh u m a ns k i n a n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mi s d e s i g n e df o rt h er e a l t i m eo b s e r v a t i o no f u l t r a s o n i cv i b r a t i o n b yt h ef u n d a m e n t a lr e c i p r o c i t ym e c h a n i s mo ft h el a s e ra n ds o f tt i s s u e ，v a r i o u s t y p e so fp h o t o a c o u s t i c ( p a ) m e c h a n i s ma n dt h et h e o r yb a s i so fp u l s e dl a s e ri n d u c i n g u l t r a s o n i ca r ed i s c u s s e d h u m a ns k i ni st o oc o m p l i c a t e dt os t u d yl a s e ru l t r a s o n i cb y m e a n so fa n a l y t i cm e t h o d s f o r t u n a t e l y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 餌e m ) g i v e sw e l la n i n s i g h ti n t ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el a s e ra n dt h ew a v e sg e n e r a t e di nh u m a ns k i n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e b o t ht h et h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o n o f t h ef e mh a v em a d ea r a p i da n dc o n t i n u o u sp r o g r e s s i nt h ef i e l do f e n g i n e e r i n g ，i t s f u n c t i o ni sn o tl i m i t e do na n a l y s i s c o n s i d e r i n gh u m a ns k i np r o p e r t i e s ，af i n i t e e l e m e n tm o d e lw i t h2 - l a y e re l a s t i ca n di s o t r o p i cb i o m a t e r i a l ，i sd e v e l o p e dt os i m u l a t e g e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h el a s e ru l t r a s o u n d i nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n ，a s e q u e n t i a lc o u p l e d f i e l da n a l y s i sw a sp e r f o r m e dw h e r et h et h e r m a la n de l a s t o d y n a m i c f i e l d sa r eu n c o u p l e da n dt r e a t e di n d e p e n d e n t l y t h ei n i t i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p e r f o r m st h et r a n s i e n tt h e r m a la n a l y s i su s i n gah e a t f l u xw i mg a u s s i a ns p a t i a l v a r i a t i o n st os i m u l a t et h el a s e rp u l s eh e a t i n g t h er e s u l t sf r o mt h et h e r m a la n a l y s i s w e r et h e na p p l i e dt ot h es t r u c t u r a la n a l y s i sw h e r et h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t s h i s t o r i e sa r ea n a l y z e db a s e do nt h es k i nm o d e lw i t hv a r y i n gb e a mr a d i u sa n dr i s i n g t i m e t h er e s u l t sa n dm e t h o d se s t a b l i s haq u a l i t a t i v eb a s i sf o rt h et h e r m o - e l a s t i c m e c h a n i s mi nn o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no f t h eh u m a ns k i np r o p e r t i e s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ms c h e m ei sd i s c u s s e d t os o l v et h ep r o b l e mo f m u t i n gs e n s i t i v i t y , t h es e t so fl a s e ru l t r a s o n i cg e n e r a t i o na n dr e c e p t i o nb a s e do na l i g h t e f f i c i e n ti n t e r f e r o m e t e ra r r a n g e m e n tu s i n gap o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e ra n d b a l a n c e dd e t e c t o r sa r ed e s i g n e d p h o t o e l e c t r i cs i g n a lo b t a i n e di s ，i nf a c t ，ak i n do f p h a s em o d u l a t e do n e ，a n dp h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) i su s e dt od e m o l u a t e di t k e yw o r d s ：l a s e ru l t r a s o n i c ，s o f tt i s s u e ，f e m ，t e m p e r a t u r ef i e l d 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得盤盜盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位敝儲鸛：刎辯醐：枷絳月7 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解鑫洼盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)鑫壅盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：j 巍_ 導(dǎo)師簽名： 簽字隰沙綽2 月礦日 魂島髟 嬋醐：撕舶夕日 第一章緒論 1 1 概述 第一章緒論 超聲技術(shù)在醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測等諸多領(lǐng)域已獲得長足的發(fā)展和比較成 熟的技術(shù)及其成功的應(yīng)用【l 】。然而，在常規(guī)的超聲檢測中，超聲波是由壓電或壓 磁換能器產(chǎn)生的，只能在固體或液體中傳播，檢測時通常必須用耦合劑與被測樣品 耦合，因換能器本身帶寬限制及耦合等因素影響，便無法產(chǎn)生很窄的單個超聲脈 沖1 2 】，這就為高精度高分辨率的檢測帶來諸多困難。而激光超聲技術(shù)很好地彌補(bǔ) 了這些缺陷。 激光超聲利用脈沖激光來激發(fā)出超聲波，通過檢測該超聲波，進(jìn)一步得到材 料特性信息【3 ，”。與傳統(tǒng)的壓電換能器技術(shù)相比，激光超聲最主要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸 檢測，它消除了壓電換能器技術(shù)中的耦合劑的影響，可用于各種較復(fù)雜形貌試樣的 特性檢測。通常，超聲在空氣中傳播時信息能量衰減十分嚴(yán)重，而激光不能透過 特別是非透明材料，二者有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。通過激光在檢測樣品中激發(fā)超聲并用 光學(xué)干涉法進(jìn)行檢測，是十分理想的檢測方法或手段。 通過近2 0 年的發(fā)展，激光超聲在某些領(lǐng)域尤其是金屬檢測領(lǐng)域已取得一定 的成績，但在生物軟組織特性測量方面在國外尤其是在國內(nèi)幾乎還沒有起步。其 中一個很大的問題或困難就在于激光超聲理論尤其是在生物組織領(lǐng)域的理論研 究還很不成熟。激光與生物組織相互作用的效應(yīng)不僅取決于生物組織本身的光 學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等特性參數(shù)，也受激光本身脈寬、波長、強(qiáng)度等參數(shù)的影響【5 1 。 而生物組織特性是復(fù)雜的、多變的，其結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的、多樣的，通常采用的本 征函數(shù)法【6 ，7 】、格林函數(shù)法引、坐標(biāo)變換法 9 , l o j 等解析法很難解決這一復(fù)雜的作用 機(jī)理。而利用有限元法開展激光超聲的傳播研究，是近年來迅速發(fā)展的數(shù)值模擬 技術(shù)。它能夠處理多種因素及其綜合影響，如熱擴(kuò)散過程、光學(xué)穿透及材料屬性 隨溫度變化而變化等情況，同時能靈活處理復(fù)雜的幾何模型，不僅能對復(fù)雜媒質(zhì) 和結(jié)構(gòu)中的聲場分布作模擬，而且也能對結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)上的位移波形給出較精確 描述，得到全場數(shù)值解，并能以圖形的形式形象直觀的反映出來【1 1 1 ?？梢?，有限 元法是處理激光與軟組織相互作用的一個有效手段和方法。這也是本課題提出的 激光作用于生物軟組織產(chǎn)生超聲波理論研究方法的創(chuàng)新之處。 因此，本課題的提出和研究，不僅解決了激光超聲應(yīng)用于生物組織方面的理 第一章緒論 論難題，對激光超聲這一國際特別是國內(nèi)目前還比較前沿的技術(shù)的大力發(fā)展也起 到很好的推動作用，為其在生物軟組織特性檢測方面的探索這一國際上十分新穎 的研究方向奠定了一定的理論基礎(chǔ)。 1 2 技術(shù)現(xiàn)狀 激光超聲因其非接觸、遙測、寬帶等特點(diǎn)，通過幾十年的發(fā)展尤其是近年來 的研究，已取得一定的成果，研究機(jī)理基本探明，并成功應(yīng)用于某些金屬材料特 性檢測，但也存在著很多不足或技術(shù)難題。首先，靈敏度低是個突出的問題。目 前的主要解決途徑有以下兩種：一、采用更高功率的激光器和有更強(qiáng)集光能力的 干涉儀，以提高實(shí)際可利用的激光能量。但這種方法是有限度的，否則可能會損 傷試樣表面；二、采用信號平均技術(shù)，通過對多次信號統(tǒng)計(jì)平均來抑制噪聲，從 而提高信噪比。但這會使完整的激光超聲檢測系統(tǒng)更復(fù)雜、體積更龐大、造價(jià)也 更高，這反過來也影響著靈敏度的提高。其次，一般使用的脈沖激光光源都是高 能的，工作場地需要采取嚴(yán)格的防護(hù)措施。再次，激光超聲的理論研究還沒完全 解決，尤其是在激光與生物組織的相互作用方面，更是有很多難題，比如生物組 織特性參數(shù)的難確定性等。另外，激光超聲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特別復(fù)雜，又十分昂貴， 應(yīng)用領(lǐng)域還十分狹窄。 根據(jù)激光超聲的特點(diǎn)與問題，呈現(xiàn)出這樣的發(fā)展趨勢：一、超快速激發(fā)機(jī)制、 與微觀粒子相互作用及微觀特性等理論的研究；二、工業(yè)上的在線定位檢測；三、 激光能量到超聲能量的轉(zhuǎn)換效率及檢測信號靈敏度進(jìn)一步提高等問題的研究； 四、在生物、醫(yī)學(xué)方面的研究和應(yīng)用。目前來看，激光超聲在無損檢測領(lǐng)域已取 得很大的成就，但距大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走，不過可以相信，隨 著科學(xué)技術(shù)尤其是激光技術(shù)的發(fā)展，激光超聲必將獲得更廣泛的應(yīng)用。 在這里重點(diǎn)說明一下脈沖激光激發(fā)生物軟組織產(chǎn)生超聲波的理論研究問題。 目前，激光技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已取得諸多成功的應(yīng)用，但是二者的相互作用過 程和機(jī)理并沒有完全搞清楚，尤其是激發(fā)超聲波這個問題，還很少見到有關(guān)報(bào)道。 基于軟組織參數(shù)的復(fù)雜性和不確定性，以及所施加激光脈沖參數(shù)的不同，產(chǎn)生的 效應(yīng)一般也不相同，所以，解析法很難解決這一問題。為此，本文創(chuàng)造性地采用 有限元數(shù)值模擬的方法，用離散的單元去代替連續(xù)的曲面，只要合理設(shè)置載荷步 和單元大小，就可以足夠精確地逼近真實(shí)情況，并且能夠以圖形的方式全程觀察 激光與軟組織作用的過程，從而很好地解決了二者的相互作用機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和操作。 第一章緒論 1 3 論文的主要研究內(nèi)容 激光與生物組織相互作用的機(jī)理非常復(fù)雜，產(chǎn)生的效應(yīng)不僅與激光參數(shù)有 關(guān)，又很大程度上取決于生物組織本身光學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)等特性參數(shù)的影響。用 脈沖激光作用于生物組織激發(fā)超聲波的研究涉及到了光學(xué)、熱動力學(xué)、聲學(xué)等多 個學(xué)科的知識內(nèi)容。本課題的重點(diǎn)解決激光超聲應(yīng)用于皮膚這一軟組織方面的理 論機(jī)理問題。具體研究內(nèi)容如下： ( 1 ) 研究脈沖激光作用于生物組織激發(fā)出的超聲波的傳播特性，建立激光 與生物組織相互作用的物理模型。 ( 2 ) 研究脈沖激光作用于生物組織產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場及超聲場的有限元模 型，用有限元數(shù)值模擬的方法處理復(fù)雜的相互作用問題。 ( 3 ) 簡述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 第二章激光超聲用于軟組織的機(jī)理分析 2 1 激光超聲產(chǎn)生機(jī)制 事實(shí)上，所有的能量束，比如由電磁輻射、x 射線、電子、質(zhì)子、等離子及 其它粒子等組成的光束，在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時，都能產(chǎn)生聲波。然而，最受 歡迎也是最讓人感興趣的，是用調(diào)制光的能量去產(chǎn)生聲波。這是因?yàn)椋庥煞请?離輻射組成，一般不會對人體產(chǎn)生損害；而且有大量多樣、便捷、廉價(jià)而有效的 光源及其設(shè)備。 在軟組織中，激光產(chǎn)生聲波主要取決于兩種不同的機(jī)理：一、光學(xué)吸收后由 熱激發(fā)而產(chǎn)生的熱彈性膨脹或沸騰現(xiàn)象，以及由非熱激發(fā)而產(chǎn)生的光化作用和光 致破裂等；二、非光學(xué)吸收的電致伸縮或輻射壓力等現(xiàn)象，也能產(chǎn)生聲波。其中， 熱彈性膨脹這種機(jī)理對材料參數(shù)檢測及醫(yī)療診斷等是最理想的選擇。首先，它不 會損壞或改變實(shí)驗(yàn)樣品的特性；其次，它對很多不同種材料都有很好的線性的或 確定的函數(shù)關(guān)系；再者，那就是它在材料性質(zhì)檢測及醫(yī)療診斷中不會產(chǎn)生破壞性 的影響。 圖2 - 1 總結(jié)了光產(chǎn)生聲波的機(jī)理分布，下面對這些機(jī)理簡單的給與描述。 圖2 - 1 光致聲波機(jī)理框圖 熱彈性膨脹當(dāng)激光照射到組織上時，輻射區(qū)會吸收熱量升溫，在熱傳導(dǎo) 作用下還會向組織周圍及內(nèi)部傳播。如果激光脈沖寬度足夠短，那么熱膨脹就會 變得很劇烈，這種膨脹會引起周期性的伸張或壓縮，進(jìn)而形成聲波并向周圍傳播。 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 聲波的幅值和吸收的能量密度呈線性的比例關(guān)系，但聲波的形狀取決于吸收率的 分布、激光本身參數(shù)、以及組織的邊界條件等多種因素，但能量主要集中在表面 波。 汽化和沸騰如果在組織吸收區(qū)域吸收的激光能量密度達(dá)到某個閾值( 通 常由組織的光學(xué)和熱學(xué)參數(shù)決定) 時，產(chǎn)生的熱量引起溫度的升高。由于組織內(nèi) 部含有大量水分予，當(dāng)組織溫度升高到一定程度時，便會發(fā)生汽化和沸騰現(xiàn)象。 對水來說，其閾值是2 2 4 k j m3 1 1 2 1 。在這個過程中，噴射出的分子等粒子和組織 之間的動量會發(fā)生交換，二者的相互作用會產(chǎn)生沖擊波，其壓強(qiáng)能達(dá)到千帕的量 級i l ”。在一些堅(jiān)硬的組織中，這種沖擊波可用于殺死那些病變的組織部分。這種 機(jī)制下的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到1 l l ”，要比相應(yīng)的熱彈性膨脹高得多，但脈沖激光作 用產(chǎn)生的聲波壓強(qiáng)峰值和激光功率成正比。對于吸收率較低的組織而言，不太可 能產(chǎn)生可觀察到的汽化或沸騰現(xiàn)象，而可能發(fā)生光學(xué)擊穿。 光學(xué)擊穿當(dāng)光束功率密度非常高時，與組織相互作用時，可能發(fā)生光學(xué)擊 穿現(xiàn)象。在某種純凈的組織中，這種激光功率密度閾值高達(dá)1 0 1 0 w c - m2 【1 4 】，光 學(xué)擊穿產(chǎn)生的聲波強(qiáng)度特別大，在水里可超過5 0 兆帕【”1 。在液態(tài)組織中，其轉(zhuǎn) 換效率高達(dá)3 0 【l4 1 ，因此它可以說是光能轉(zhuǎn)化成聲能效率最高的一種作用機(jī)制 了，甚至對那些通常吸收率很小的透明組織，利用光學(xué)擊穿也可能激發(fā)出聲波現(xiàn) 象。 光化作用在光化作用過程中，某些補(bǔ)充機(jī)制也可能產(chǎn)生聲波【1 6 1 ，比如光合 作用、氣體演化或吸收、光化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等。而且應(yīng)當(dāng)指出的是，氣體演化或消耗 補(bǔ)充機(jī)制能產(chǎn)生比熱彈性膨脹更強(qiáng)的聲波，光化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以產(chǎn)生極強(qiáng)而且持久 的聲波發(fā)射現(xiàn)象。 電介質(zhì)擊穿當(dāng)高強(qiáng)度激光輻照絕緣組織時，組織分子電子極性會發(fā)生變 化，形成一種極子濃度梯度，如果激光脈寬足夠小，那么極子濃度梯度的變化將 會產(chǎn)生聲波。但這種機(jī)制一般只限于吸收率比較低能產(chǎn)生很大電場強(qiáng)度的組織介 質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)制產(chǎn)生的聲波幅值和熱彈性膨脹相比，對柱形光源而言在 水這種材料中激發(fā)聲波的幅值比率大約是lo 5 a 【16 】，這里a 是組織的光學(xué)吸收 系數(shù)( 即吸收長度的倒數(shù)，吸收長度指強(qiáng)度降為入射光強(qiáng)的l e 的穿透深度) ， 所用的激光脈沖寬度為1 微秒。因此，在激光超聲應(yīng)用于生物組織時，這種作用 可以忽略。 光壓機(jī)制 當(dāng)光輻射到組織表面，最大的輻射壓強(qiáng)由反射光束動量變化所 致，等于2 i c ，l 代表光強(qiáng)，c 為光速。當(dāng)激光脈寬特別小時，才可能產(chǎn)生光壓 變化并發(fā)射出聲波，通常這種機(jī)制激發(fā)的聲波強(qiáng)度比以上幾種都要小，所以，實(shí) 踐當(dāng)中完全可以忽略。 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 通過以上闡述，可以看出，熱彈性膨脹和光學(xué)擊穿( 或者稱燒蝕機(jī)制) 是光 聲的主要機(jī)制，而后者效率比前者高，但是在生物組織方面，它容易引起組織性 質(zhì)變化甚至對生物組織產(chǎn)生破壞性的影響，另外，激光安全是個很重要的問題， 所以，在實(shí)際的激光超聲檢測生物特性及醫(yī)療診斷當(dāng)中，多用熱彈性膨脹機(jī)制， 或簡稱為熱彈效應(yīng)，對應(yīng)的光強(qiáng)范圍稱熱彈條件。 2 2 常用光聲技術(shù) 根據(jù)產(chǎn)生聲波位置的不同，常用光聲技術(shù)可分為直接法和間接法兩種。直接 法多用于材料的光學(xué)吸收系數(shù)不太高的情況，一部分入射光將能進(jìn)入樣品內(nèi)部并 且產(chǎn)生聲波。通過研究這種情況下產(chǎn)生的聲波，便可以獲得材料的內(nèi)部成分和結(jié) 構(gòu)等信息。利用這種方法，樣品材料不必封閉在一個容積里，事實(shí)上，這對很多 實(shí)際應(yīng)用都是很有必要考慮的重要方面，比如工業(yè)在線檢測、活體生物組織特性 檢測及其成像等。最常用的直接法產(chǎn)生光聲的應(yīng)用是壓電光聲技術(shù)，它對吸收系 數(shù)的測量有很高的靈敏度( 同種條件下可達(dá)1 0 7 c m l ) 。因此，現(xiàn)代光聲技術(shù)大多 是利用的直接法。這將在后面的章節(jié)中給與重點(diǎn)闡述。 所謂的間接法光聲技術(shù)，就是在用光產(chǎn)生聲波時，需要在樣品上用耦合劑。 典型的耦合劑有氣體，也有液體，特別是用氣體耦合劑的時候，通常需要一個封 閉的光生裝置。典型的應(yīng)用如光聲技術(shù)光譜儀。但這種方法受很多限制，比如帶 寬比較小，光熱從樣品到耦合劑的轉(zhuǎn)化相對復(fù)雜，而且在壓力較小時又不能正常 工作。盡管有這些限制以及靈敏度小的劣勢，間接光聲技術(shù)對那些非透明材料檢 測還有因吸收系數(shù)高而不能讓光穿透內(nèi)部的那些材料的檢測還是很有價(jià)值的。有 關(guān)這方面的系統(tǒng)理論可參考文獻(xiàn)i l “。 光聲技術(shù)也可分為連續(xù)光波調(diào)制模式和脈沖光波模式。在連續(xù)波模式中，光 束能量調(diào)制的占空比約為5 0 ，這會產(chǎn)生一些不良效應(yīng)，如樣品受熱、對流電流 等，因此，光聲單元的邊界條件對光聲的產(chǎn)生就會有很大影響。光聲單元與聲波 的諧振可以使光聲響應(yīng)程度達(dá)到最大，信號分析通常要在其頻帶的范圍內(nèi)進(jìn)行。 由于對邊界條件的依賴性，連續(xù)光波模式一般不適于在線或活體檢測；此外，它 還會受到熱擴(kuò)散的影響，因此，降低了光聲的效率和靈敏度。事實(shí)上，連續(xù)光波 模式不能用于生物組織的光聲成像及其診斷，因此，幾乎所有的現(xiàn)代光聲技術(shù)都 用脈沖激光的激發(fā)模式。 所謂的脈沖激發(fā)模式就是用高功率、低占空比的激光光源去激發(fā)聲波。由 于光的能量可在極短的時間內(nèi)( 一般在5 n s 到1 峭之間) 傳遞到樣品中，熱擴(kuò)散 便可以忽略，因此可以大大提高光聲效率。加上脈沖激光的平均功率比較小，這 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 也可消除通常在連續(xù)波模式中常見的樣品受熱及對流電流的影響。再與鎖模技術(shù) 相結(jié)合，由脈沖激光激發(fā)的聲波可很大程度上避免因散射等產(chǎn)生的噪聲干擾。因 此，光生信號的靈敏度得以很大的提高。在一個激光脈沖作用下，由其產(chǎn)生的聲 波在水中能傳播的距離大約為1 5 m m ，這相比于樣品尺寸來說還是很小的。因此， 光聲裝置及樣品的邊界條件的影響并不大，而且應(yīng)當(dāng)指出的是，這種光聲也有很 高的時間分辨率。 2 3 脈沖激光作用下超聲波的產(chǎn)生 正如前面所描述過的，多種機(jī)制都能產(chǎn)生光聲效應(yīng)。但對軟組織尤其液態(tài)組 織而言，熱彈性膨脹是最適當(dāng)?shù)?，與光壓和電介質(zhì)擊穿相比，它能產(chǎn)生更強(qiáng)的光 聲信號；而且它也不會像光學(xué)擊穿、汽化、光化作用一樣，可能破壞或改變組織 特性。更為關(guān)鍵的是，熱彈效應(yīng)下產(chǎn)生的光聲信號幅值和組織的光學(xué)參數(shù)、熱學(xué) 物理參數(shù)( 如熱膨脹系數(shù)，聲速，比熱容等) 有簡單的比例關(guān)系，這對信號分析 處理能帶來很多方便。由于其靈敏度高，使用方法便捷，實(shí)踐中有很多的應(yīng)用。 利用脈沖激光在熱彈條件下產(chǎn)生超聲的方法或技術(shù)顯然是最重要也是最受青睞 的一種激光超聲技術(shù)。這也正是本課題重點(diǎn)研究的內(nèi)容之所在。研究脈沖激光作 用于生物組織產(chǎn)生超聲波進(jìn)行組織特性定征不僅是對激光超聲技術(shù)本身的發(fā)展， 也是對生物組織特性檢測提供了又一先進(jìn)的重要手段或方法，具有重要的理論意 義和實(shí)踐價(jià)值。 2 3 1 定性分析1 1 7 】 利用簡化熱彈原理，我們可以得出光聲幅值和組織及光源參數(shù)之間的定性關(guān) 系。盡管這種推導(dǎo)是定性的，但其結(jié)果和已有的嚴(yán)格的理論推導(dǎo)符合得很好。下 面就從激光超聲的常規(guī)模型入手進(jìn)行研究，事實(shí)上，實(shí)際的聲源或者可以與其相 似，或者是他們的有機(jī)結(jié)合。 平面聲源如果組織的吸收系數(shù)非常大以至其光學(xué)穿透深度6 比光束本身 半徑還小得多，那么產(chǎn)生的超聲源的形狀便可近似認(rèn)為是平面波，如圖2 - 2 所示。 假設(shè)所有吸收的能量都轉(zhuǎn)化為熱能，引起的溫度變化為t ，根據(jù)熱彈定律，可 得 肌專 協(xié)- ， 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 式中：歷表示為吸收的脈沖能量，礦表示吸收光部位的體積，o 表示組織比熱 容，p 代表組織密度。 根據(jù)激光脈寬亂大于或小于光的穿透深度6 和聲速v 的比值，可分為兩種具 體情況，分別如圖2 2 的( a ) 和( b ) 所示，下面對其分別討論。 圖2 - 2短脈沖和長脈沖激光作用下產(chǎn)生的平面聲源 ( 1 ) 短脈沖激光作用( v 亂“d ) 根據(jù)圖2 - 2 ( a ) 所示，在短脈沖激光作用下， 受熱體沒有足夠的時間去產(chǎn)生熱擴(kuò)散，這就會在激光輻射表面產(chǎn)生應(yīng)力的迅速增 加。壓力j p 和應(yīng)變腳丁有如下函數(shù)關(guān)系： p = p v 2 , o a t ( 2 2 ) 式中，聲為熱膨脹系數(shù)，p 為組織密度，p 口2 為組織彈性模量。 公式( 2 1 ) 中聲源的體積為： v = ，r 群占 ( 2 3 ) 如為激光束半徑或受熱區(qū)聲源半徑，代入公式( 2 2 ) 可得應(yīng)力幅值變?yōu)椋?產(chǎn)：魚型： f 2 - 4 ) 。 q 、一 式中玩為脈沖激光的能量密度，等于e 7 r r b 2 ，e 是脈沖激光能量，在吸收 能力特別強(qiáng)的組織中可近似認(rèn)為e a ，光束穿透深度6 等于吸收系數(shù)的倒數(shù)a 。 從公式( 2 - 4 ) 中不難看出，在組織參數(shù)一定的情況下，一定脈沖激光作用 產(chǎn)生的應(yīng)力和聲速的平方成簡單的正比關(guān)系。反過來，如果能測出應(yīng)力和聲速， 進(jìn)而可以反推出組織的吸收系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等組織特性參數(shù)。 ( 2 ) 長脈沖激光作用( 1 ，r 戶 占)根據(jù)圖2 - 2 ( b ) 所示，激光照射后，受熱 區(qū)或聲源厚度很快就不再是j ，而是由于聲的傳播變?yōu)榈亍＜僭O(shè)熱膨脹引起的 初始位移為赫，那么可得： 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 萬霹( r r l + 占廳) 一7 r ，吒= 肛礙v r l a t ( 2 - 5 ) 此時，聲源體積為： v = 萬眉v , - l ( 2 6 ) 聯(lián)立公式( 2 1 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 可得： 6 h ：盟 o c p ( 2 7 ) 光聲的應(yīng)力峰值和熱膨脹位移有近似關(guān)系式： 只“v , o 艿h ，氣 ( 2 - 8 ) 把公式( 2 7 ) 代入公式( 2 8 ) 可得： p 。業(yè) ( 2 - 9 ) s c ，l 因此，根據(jù)公式( 2 9 ) ，我們可以看出，這也是需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，那就是， 在脈寬較長的激光作用下，產(chǎn)生的平面聲源應(yīng)力和光的吸收系數(shù)沒有關(guān)系。公式 ( 2 4 ) 和公式( 2 9 ) 相比較可得： 墨：旦：上( ( 1 ( 2 - 1 0 ) p lv l a v f l 這就告訴我們，在條件相同的情況下，由短脈沖激光產(chǎn)生的應(yīng)力幅值要遠(yuǎn)大 于長脈沖激光作用的情況，這也是本課題研究的利用短脈沖激光激發(fā)組織產(chǎn)生超 聲波的理論依據(jù)所在。 柱面聲源當(dāng)組織的吸收系數(shù)很小以至激光的穿透深度遠(yuǎn)比光束本身直徑 大很多時，聲源輪廓可被視作圓柱形。p a t e l 和t a m 曾對這種情形做過詳細(xì)的描 述 1 8 1 。其中t a m 通過對聲源實(shí)際尺寸形狀的考慮，修正了一些特征參數(shù)。據(jù) 此，光聲應(yīng)力可表述為： 當(dāng)激光脈寬很大時( 驢 ) l e , i = 云e 。，a 。r l v ：( 等) 。2 2 - 1 1 當(dāng)激光脈寬較小時( f 群b ) l e , i - - 器 。2 在上述兩個方程中，忽略了比例常量，表示聲源到觀測點(diǎn)的距離。r 。表示 聲源半徑，表示聲脈沖沿激光輻射方向穿過聲源的時間。 必須指出的是，聲源半徑隨著光束半徑風(fēng)的變化而變化，如果上 ，聲 源半徑等于v 屯，而不是風(fēng)。在這種情況下，激光光束半徑對光聲幅值的影響很 小，幾乎可以忽略。然而，光聲幅值很大程度上取決于激光脈寬的影響，正如公 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 式( 2 - 1 1 ) 所述，只有當(dāng)亂，f 口，聲源半徑才可近似認(rèn)為風(fēng)。在這種情況下，激 光作用的持續(xù)時間對聲波幅值影響不大，如公式( 2 1 2 ) 所表述的一樣。 球面聲源當(dāng)激光脈沖照射到水滴狀透明組織時，假設(shè)吸收的能量均勻分 布，那么其作用產(chǎn)生的聲源可近似認(rèn)為球形；或者當(dāng)組織表面被激光束照射后其 穿透深度近似為光束半徑，聲源形狀可視作半球形。用第一節(jié)講到的同樣的方法， 可得聲源應(yīng)力為： 當(dāng)激光脈寬很小即亂 時 _ p ：互生 ( 2 一1 4 ) 3 c 。， 此時可近似認(rèn)為一個點(diǎn)源。其中e 正比于激光脈沖能量e 和組織的吸收系數(shù)， 尼表示聲源的半徑。 綜合公式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可得： 生：f 生 2 。l 。5 只l ”工j 由此同樣可以得出結(jié)論：在條件相同的情況下，當(dāng)激光脈寬較大時，產(chǎn)生的 聲信號相對十分微弱。 2 3 2 定量分析1 7 】 如果已知波的形狀和頻譜，那么我們就不難設(shè)計(jì)出聲檢測器對其進(jìn)行有效的 接收。在上一節(jié)討論的模型中，由于過于簡化，不能得出激光超聲的實(shí)際波形， 本節(jié)用解析法對其進(jìn)行嚴(yán)格的理論推導(dǎo)。 當(dāng)吸收組織中的熱傳導(dǎo)時間大于聲脈沖在聲源區(qū)傳播的時間時，而且通常所 說的粘彈性能忽略時，激光超聲的波動方程可由熱波方程給出： ( v 2 _ ；1 ：硎a 2 嚴(yán)芒籌 ( 2 - 1 6 ) 式中，日表示組織的晗( 一種熱學(xué)物理量，等于單位體積單位時間內(nèi)存熱的多少) ， 由于日和光源參數(shù)及組織特性密切相關(guān)，對一般復(fù)雜形狀的光脈沖和組織，不 可能得出其精確的解析值，僅僅能對如下幾個簡化的模型求出解析解來。 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 平面聲源如圖2 3 所示，當(dāng)脈沖激光照射吸收系數(shù)特別大的組織時，產(chǎn)生 的超聲源可近似為平面聲源。在其頻域內(nèi)，吸收組織的熱函數(shù)可表述為 h ( z ，f ) = a 印一塒g 一 ( 2 1 7 ) 式中為光的調(diào)制頻率，l o 為入射表面激光的功率密度。 聲波 熱函數(shù)盹f ) = 磁廣6 透明介質(zhì)o 吸收介質(zhì) 2 圖2 - 3 脈沖激光作用下平面聲波產(chǎn)生和傳播的理論模型 應(yīng)力p 在兩種介質(zhì)界面上是連續(xù)的，它對介質(zhì)濃度的微分或梯度也是連續(xù) 的，根據(jù)傅立葉變換可得短脈沖激光激發(fā)的超聲波應(yīng)力為： 只( f ) 一e o ，筇，1 2 。( 一f ) p 哪+ 怒o ( f ) 礦w ) ( 2 - 1 8 ) 只( t ) ：簪丁 ( t ) 礦a q ( 2 1 9 ) 其中，從79 r一p,v,-pnvo t 塹蔓 p t - i - p ，】p t 七p ，。 f = t - z nf f = t + z q 2( 2 0 ) 酬訂是海維賽德單位函數(shù)，p 、v 分別為介質(zhì)濃度和聲速。腳碼口、t 分別表 示吸收和透明介質(zhì)的參數(shù)。 在公式( 2 1 ，8 ) 中，前一部分代表在吸收組織中傳播的前向聲波，后一部分 代表在入射面反射回來的后向聲波。當(dāng)激光脈沖剛剛發(fā)射即t z a ，r o 時，第一項(xiàng)可逐漸減小至零，而第二項(xiàng)開始起作用。這也就意味著，一旦前向聲 波過了某個時刻便會消失，而后向聲波起主導(dǎo)作用。公式( 2 1 9 ) 描述了從吸收 組織反射到透明介質(zhì)中的聲波函數(shù)關(guān)系。所有的波形都是呈指數(shù)分布，恰好象熱 函數(shù)或在吸收組織中吸收的熱的分布一樣。 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 在吸收組織中具體的聲波波形由它的反射系數(shù)r 。決定，實(shí)際應(yīng)用主要包含 三種情形。在嚴(yán)格的邊界條件下，激光通過玻璃試管入射到組織樣品上，這時 風(fēng)近似等于1 ；在自由邊界條件下，激光直接照射樣品，此時盛約為一1 ；如果在 非邊界條件的情況下，如果兩種介質(zhì)聲學(xué)特性相同，那么置。約為0 。這些結(jié)論已 被p a r k 等人所證明1 1 9 1 。 長脈寬激光產(chǎn)生的聲波應(yīng)力可通過對熱晗函數(shù)的迭代積分得到，假設(shè)入射激 光光束呈高斯分布，則 厶= ( 善i ) 7 矗) ( 2 - 2 0 ) 叫e r r l 在非邊界條件下，其聲應(yīng)力為： p ( f ) 2 三瓦e o f l v 一畦 ( 2 2 1 ) 和公式( 2 9 ) 相似，聲應(yīng)力大小和光的吸收系數(shù)沒有關(guān)系，其波形和入射 光脈沖的波形相似。s i g r i s t 曾給出長脈沖激光作用時的試驗(yàn)驗(yàn)證1 1 4 1 。 柱面聲源當(dāng)組織吸收能力比較小時，光束穿透組織內(nèi)部比較深的距離，并 產(chǎn)生柱面聲源。這種由激光產(chǎn)生的柱面聲源曾在被稱為里程碑式的兩篇論文里詳 細(xì)討論過1 8 瑚1 ，文中也預(yù)言了激光超聲的大小和波形變化曲線。如果組織的吸收 系數(shù)足夠低，哪怕高于1 0 5 c m 1 ( 事實(shí)上，這對生物組織來說是很典型的值) ，電 介質(zhì)擊穿產(chǎn)生光聲的效應(yīng)也是特別小以至可以忽略的。l a i 和y o n g f 2 川推導(dǎo)出其光 聲應(yīng)力方程為 聃，= 芍黲一“塑磬協(xié)：2 ， 式中， t = ( r ；+ ) ，善= ( t r v o ) r o ，l = r v 月是聲源的測量尺寸，是激光脈沖持續(xù)作用時間，d o o d 掌是聲波的形函數(shù)。 波形由一種相對較強(qiáng)的短小縮密脈沖和一種相對較弱但很寬廣稀薄的脈沖組成。 最縮密和最稀薄的脈沖的時間差 研- 2 3 5 中( t + 學(xué)) ( 2 2 3 ) 因此，對脈寬較長( t z ) 的激光脈沖作用，公式( 2 2 2 ) 等同于公式( 2 1 1 ) ； 并且當(dāng)( 亂 b ) 時，和公式( 2 1 2 ) 相似。公式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 表明，為產(chǎn) 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 生效率較高的光聲信號，激光脈沖的脈寬要短，光束半徑要小，此時光束的輻射 分布對產(chǎn)生的光聲效應(yīng)影響也較小。 球面聲源一些學(xué)者 1 2 , 1 4 2 1 1 就光聲效應(yīng)下球面聲波曾進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其 中，h u l l2 j 提出的模型適于長脈寬激光作用或小聲源的情形，而s i g r i s t 和 k n e u b u h l 1 4 1 通過用“三維熱洞”代替熱函數(shù)推導(dǎo)出了聲應(yīng)力方程，這符合短脈沖 激光作用或大熱源的情形。 此外，h u t c h i n s 1 5 l 和h o e l e n l 2 ”建議用一個有效的時間尺度，這類似于柱 形聲源的情況。對高斯分布的脈沖激光，聲應(yīng)力可表述為【2 l 】： 竹力= 蒜( 半 唧 一( 半 2 ( 2 2 4 ) 應(yīng)力波形包含幅值大小相等符號相反的兩個峰值，其時間差可由公式( 2 2 4 ) 推出為： 6 t = 厄 ( 2 2 5 ) 2 4 散射效應(yīng) 上一節(jié)談到的基本模型( 平面，柱面，球面) 都是建立在純凈吸收組織上的， 即組織內(nèi)部各部分都是同性同質(zhì)材料，然而，很多工程材料或生物組織都是不純 的、混濁的介質(zhì)，對光有很大的散射作用，本節(jié)著重討論散射機(jī)制及其對激光超 聲的影響。 2 4 1 散射機(jī)制 當(dāng)把彈性約束的帶電粒子置于電磁波中，粒子就處于由電場引起的運(yùn)動中。 若波的頻率與粒子的自由振動時的固有頻率相等，就會發(fā)生諧振并伴有相當(dāng)大的 吸收。波的頻率與粒子的固有頻率不相等時才會發(fā)生散射。所產(chǎn)生的振蕩由受迫 振動決定。通常，這個振動的頻率和方向與入射波中的電場力相同。它的振幅要 遠(yuǎn)小于諧振振幅。受迫振動的相位和入射波不同，這使光子在進(jìn)入較致密的介質(zhì) 時速度減慢。因此，散射可以看作是色散現(xiàn)象的根本起源。 一類特殊的散射叫瑞利散射，它屬于彈性散射，即入射光子和散射光子的能 量相同。瑞利散射唯一的限制條件就是造成散射的粒子的大小小于輻射光的入射 波長。事實(shí)上，這時散射粒子的半徑4 要遠(yuǎn)比入射光的波長九小( 一般口 ，婦0 ) ， 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 因此，我們可以假定在粒子分布的范圍內(nèi)的瞬態(tài)電場是一樣的。由散射所引起的 強(qiáng)度損失可用類似吸收的公式描述，即 ，( z ) = 厶e x p ( - a , 力 ( 2 2 6 ) 其中a 。是散射系數(shù)，z 表示傳播距離。而且可以證明【2 2 1 ，散射強(qiáng)度與入射波 長的4 次方成反比，即 l ( 口) 萬1 ( 2 2 7 ) l 如果考慮到散射角0 ，可更為詳細(xì)的表達(dá)為： 1c o s 2 ( 口) ( 2 2 8 ) l t t 7 ) r 這就是通常所說的瑞利散射定律。瑞利散射是一種彈性散射，一種最重要的 非彈性散射稱為布里淵散射( b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 。它是由于聲波通過介質(zhì)時所 引起的折射率不均勻而產(chǎn)生的。因?yàn)樯⑸淞Ｗ涌偸窍蛑蛘弑畴x光源的方向運(yùn) 動，所以光的布里淵散射將導(dǎo)致頻率的升高或降低。因此，它也可以看作是一種 光頻率的多普勒效應(yīng)( d o p p l e re f f e c o ，在此期間光子的頻率被升高或降低。在激 光與生物組織相互作用中，布里淵散射只有沖擊波產(chǎn)生時才明顯。 瑞利散射定律忽略了吸收的影響，只有在波長遠(yuǎn)離吸收帶時才有效。同時也 沒有考慮散射粒子的空間尺寸的影響，如果這個尺寸和輻射光入射波長相當(dāng)，那 么瑞利散射定律將不再適用，這將會被一種稱為m i e 散射的散射取代。m i e 散射 的理論相當(dāng)復(fù)雜，本文不給出討論。但需要強(qiáng)調(diào)的是，瑞利散射和m i e 散射最重 要的區(qū)別在于兩個方面：首先，同瑞利散射( 五( 功l ) 相比，m i e 散射 ( i 一2 - x ，0 4 x 0 5 ) 表現(xiàn)出對波長更弱的依賴性；第二，m i e 散射更可能發(fā)生在 前向上，而根據(jù)公式( 2 2 8 ) ，瑞利散射的前向和后向散射強(qiáng)度相同。 w i l s o n 和a d 鋤【2 3 1 ，j a c q u e s 等口4 1 和p a r s a 等圓發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)生物組織中， 光子更可能發(fā)生前向散射。這種現(xiàn)象不能用瑞利散射來解釋。另一方面，所觀察 到的波長依賴性要比m i e 散射預(yù)計(jì)的強(qiáng)。所以m i e 散射和瑞利散射都不能很好 的描述生物組織的散射特性。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義一個光子關(guān)于角度0 的散 射的概率函數(shù)( p r o b a b i l i t yf u n e t i o n ) p ( o ) 將是非常方便的。如果p ( o ) 不依賴于0 ， 稱為各向同性( i s o t r o p i c ) 散射，否則稱為各項(xiàng)異性( a n i s o t r o p i c ) 散射。散射的 各項(xiàng)異性的度量由各項(xiàng)異性系數(shù)g 給出，當(dāng)g = l 時表示完全前向散射，g = 1 時 表示完全后向散射，當(dāng)g = 0 時表示各項(xiàng)同性散射。在極坐標(biāo)系中g(shù) 定義為 g =( 2 2 9 ) 其中，p ( 0 ) 表示概率函數(shù)，d c o = s i n o d o d 巾是單位立體角。根據(jù)定義，各項(xiàng)異 彩一 竺如 一國一以 以一l ，k 第二章激光超聲用于軟組織方面的理論研究 性系數(shù)g 實(shí)際上代表散射角0 的余弦的平均值?？梢越普J(rèn)為在大多數(shù)生物組織 中，g 的值介于0 7 和0 9 9 之間。因此，相應(yīng)的散射角大多數(shù)在8 。到4 5 。之間。 在公式( 2 2 9 ) 中最重要0 0 - - 項(xiàng)是概率函數(shù)，也稱為相位函數(shù)，經(jīng)常被歸一化為 擊p = 。 2 4 2 散射效應(yīng)對激光超聲波的影響 從能量角度而言，光聲信號對散射效應(yīng)并不敏感，這是因?yàn)楣饴曅盘柺怯山M 織吸收光能后轉(zhuǎn)化成熱能的那部分入射光決定的。然而，當(dāng)發(fā)生散射現(xiàn)象時，會 發(fā)生光子濃度分布的變化，這就會改變受熱區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)而改變聲源的形狀。 到目前為止，并沒有多少人研究過光學(xué)散射對其產(chǎn)生的聲波的影響。 h e l a n d e r 和l u n d s t r o m 考慮過一個半無限大( 對光學(xué)和熱學(xué)厚度而言) 、各項(xiàng)同性 同質(zhì)的散射樣品【2 6 ，2 ”，y a s a 利用光聲頻譜儀對任意厚度和散射特征的樣品給出 了一個散射影響聲波的統(tǒng)一的解析【2 礬。結(jié)果表明，散射的確在某種程度上影響光 聲信號的狀態(tài)，當(dāng)散射系數(shù)改變4 、5 個量級時，計(jì)算得出的光聲幅值大小改變 最多也就一個數(shù)量級。因此，相對光學(xué)檢測方法而言，光聲技術(shù)很大程度上可免 受散射效應(yīng)的影響。盡管這些結(jié)果是依據(jù)連續(xù)波激發(fā)聲波而得出的，但其中不少 對脈沖激光激發(fā)聲波的情形同樣適用。 由于散射效應(yīng)取決于粒子的尺寸、形狀、濃度、吸收系數(shù)等多種因素，詳 細(xì)描述散射對光聲信號的影響顯然是非常復(fù)雜的。對吸收能力比較弱的組織而 言，散射現(xiàn)象會增加光子路徑的平均值，因而可以增加吸收光子的數(shù)量。另一方 面，散射也可以加寬柱形聲源的半徑大小。這兩種因素對產(chǎn)生光聲信號是有積極 作用的，而且是很穩(wěn)定的，這也已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)1 2 9 。當(dāng)散射增加到一定程度，一 些光子可能會脫離組織而不是被其吸收，因此這會減小光聲信號的大小。如果散 射繼續(xù)增加到足夠強(qiáng)，散射出來的光子可