Difúzní optika v časové oblasti - Time-domain diffuse optics - Wikipedia

Difúzní optika v časové oblasti[1] nebo časově rozlišená funkční blízká infračervená spektroskopie je pobočkou funkční blízká infračervená spektroskopie která se zabývá šířením světla v difuzním médiu. Existují tři hlavní přístupy k difúzní optice, jmenovitě spojitá vlna[2] (CW), frekvenční doména[3] (FD) a časová doména[4] (TD). Biologická tkáň v rozsahu červené až blízké infračervené vlnové délky je transparentní pro světlo a lze ji použít ke zkoumání hlubokých vrstev tkáně, což umožňuje různé aplikace in vivo a klinické zkoušky.

Fyzikální pojmy

V tomto přístupu se do média vstřikuje úzký puls světla (<100 pikosekund). Injikované fotony procházejí více rozptylovými a absorpčními událostmi a rozptýlené fotony jsou poté shromažďovány v určité vzdálenosti od zdroje a jsou zaznamenávány doby příchodu fotonu. Doby příchodu fotonů se převádějí na histogram distribuce doby letu (DTOF) fotonů nebo funkce šíření časových bodů. Tento DTOF je zpožděn, zeslaben a rozšířen s ohledem na vstřikovaný puls. Dva hlavní jevy ovlivňující migraci fotonů v difuzním médiu jsou vstřebávání a rozptyl. Rozptyl je způsoben mikroskopicky index lomu změny v důsledku struktury médií. Absorpce je na druhé straně způsobena a zářivý nebo neradiační přenos světelné energie při interakci s absorpčními centry, jako jsou chromofory. Absorpce i rozptyl jsou popsány koeficienty a resp.

Vícenásobné rozptylové události rozšiřují DTOF a útlum výsledku absorpce i rozptylu, protože odvádějí fotony ze směru detektoru. Vyšší rozptyl vede k zpožděním a širší DTOF a vyšší absorpce snižuje amplitudu a mění sklon ocasu DTOF. Vzhledem k tomu, že absorpce a rozptyl mají různé účinky na DTOF, lze je extrahovat samostatně při použití jediné separace zdroje a detektoru. Kromě toho hloubka průniku v TD závisí pouze na dobách příchodu fotonu a je na rozdíl od v nezávislá na separaci zdroje a detektoru CW přístup.

Funkce reakce vstřikovaného nástroje a rekonstruovaný DTOF

Teorii šíření světla v difuzním médiu obvykle řešíme pomocí rámce teorie radiačního přenosu v režimu vícenásobného rozptylu. Bylo prokázáno, že rovnice přenosu záření pod difúzní aproximace přináší dostatečně přesná řešení pro praktické aplikace.[5] Například jej lze použít pro polo nekonečnou geometrii nebo nekonečnou deskovou geometrii pomocí vhodných okrajových podmínek. Systém je považován za homogenní pozadí a inkluze je považována za narušení absorpce nebo rozptylu.

Časově rozlišená křivka odrazivosti v bodě ze zdroje pro semi-nekonečnou geometrii je dán vztahem

kde je difúzní koeficient, je snížený koeficient rozptylu a je faktor asymetrie, je rychlost fotonu v médiu, bere v úvahu okrajové podmínky a je konstanta.

Konečný DTOF je a konvoluce funkce odezvy přístroje (IRF) systému s teoretickou křivkou odrazivosti.

Při aplikaci na biologické tkáně odhad a umožňuje nám odhadnout koncentraci různých složek tkáně a poskytuje informace o okysličení krve (oxy a deoxy-hemoglobin) a také o saturaci a celkovém objemu krve. Ty pak mohou být použity jako biomarkery pro detekci různých patologií.

Instrumentace

Přístrojové vybavení v difuzní optice v časové oblasti se skládá ze tří základních komponent, jmenovitě pulzního laserového zdroje, detektoru jednoho fotonu a časovací elektroniky.

Zdroje

Difúzní optické zdroje v časové oblasti musí mít následující charakteristiky; vlnová délka emise v optickém okně, tj. mezi 650 a 1350 nanometr (nm); Šíp plná šířka na polovinu maxima (FWHM), ideálně a delta funkce; vysoká opakovací frekvence (> 20 MHz) a konečně dostatečný výkon laseru (> 1 mW) k dosažení dobrého odstup signálu od šumu.

V minulosti objemné laditelné Ti: safírové lasery[6] byly použity. Poskytovaly široký rozsah vlnových délek 400 nm, úzký FWHM (<1 ps), vysoký průměrný výkon (až 1 W) a vysokou frekvenci opakování (až 100 MHz). Jsou však objemné, drahé a výměna vlnových délek trvá dlouho.

V posledních letech se objevily pulzní vláknové lasery založené na generování super kontinua.[7] Poskytují široký spektrální rozsah (400 až 2 000 ps), typický průměrný výkon 5 až 10 W, FWHM <10ps a opakovací frekvenci desítek MHz. Obecně jsou však poměrně drahé a postrádají stabilitu při generování super kontinua, a proto jsou při jejich použití omezené.

Nejrozšířenějšími zdroji jsou pulzní diodové lasery.[8] Mají FWHM kolem 100 ps a opakovací frekvenci až 100 MHz a průměrný výkon asi několik milliwattů. I když jim chybí laditelnost, jejich nízké náklady a kompaktnost umožňují použití více modulů v jednom systému.

Detektory

Křemíkový fotonásobič

Detektor jednoho fotonu používaný v difuzní optice v časové oblasti vyžaduje nejen vysokou účinnost detekce fotonů v rozsahu vlnových délek optického okna, ale také velkou aktivní plochu i velkou numerická clona (N.A.) pro maximalizaci celkové účinnosti sběru světla. Vyžadují také úzkou časovou odezvu a nízké šumové pozadí.

Tradičně vlákno spojené fotonásobiče (PMT) jsou detektorem volby pro difúzní optická měření, a to hlavně díky velké aktivní ploše, nízkému počtu tmavých a vynikajícímu časovému rozlišení. Jsou však skutečně objemné, náchylné k elektromagnetickému rušení a mají poměrně omezenou spektrální citlivost. Navíc vyžadují vysoké předpěťové napětí a jsou poměrně drahé. Jednofotonové lavinové diody se ukázaly jako alternativa k PMTS. Jsou levné, kompaktní a lze je umístit do kontaktu, přičemž potřebují mnohem nižší předpěťové napětí. Nabízejí také širší spektrální citlivost a jsou odolnější vůči nárazům světla. Mají však mnohem nižší aktivní oblast, a proto nižší účinnost sběru fotonů a větší počet temných. Křemíkové fotonásobiče (SiPM) jsou pole SPAD s globální anodou a globální katodou, a proto mají větší aktivní oblast při zachování všech výhod nabízených SPADy. Trpí však větším počtem temnot a širší časovou odezvou.[9]

Časovací elektronika

Časovací elektronika je nutná k bezztrátové rekonstrukci histogramu distribuce času letu fotonů. To se provádí pomocí techniky časově korelované počítání jednotlivých fotonů[10] (TCSPC), kde jsou časy příchodu jednotlivých fotonů označeny vzhledem k signálu start / stop poskytovanému periodickým laserovým cyklem. Tyto časové značky lze poté použít k vytvoření histogramů časů příchodu fotonů.

Dva hlavní typy časovací elektroniky jsou založeny na kombinaci časově analogového převodníku (TAC) a analogového převodníku analogově-digitální převodník (ADC) a převodník času na digitální[11] (TDC). V prvním případě je rozdíl mezi počátečním a zastavovacím signálem převeden na analogový napěťový signál, který je poté zpracován ADC. Ve druhé metodě je zpoždění přímo převedeno na digitální signál. Systémy založené na ADC mají obecně lepší načasovací rozlišení a linearitu, přičemž jsou nákladné a mají schopnost integrace. TDC lze na druhou stranu integrovat do jednoho čipu, a proto se lépe hodí pro vícekanálové systémy.[9] Mají však horší načasovací výkon a dokážou zvládnout mnohem nižší trvalé počty.

Aplikace

Užitečnost optiky TD Diffuse spočívá v její schopnosti nepřetržitě a neinvazivně sledovat optické vlastnosti tkáně. Díky tomu je výkonným diagnostickým nástrojem pro dlouhodobé sledování lůžka u kojenců i dospělých. Již bylo prokázáno, že difuzní optiku TD lze úspěšně aplikovat na různé biomedicínské aplikace, jako je monitorování mozku,[12] optická mamografie,[13] monitorování svalů,[14] atd.

Viz také

Reference

  1. ^ Pifferi, Antonio; Contini, Davide; Mora, Alberto Dalla; Farina, Andrea; Spinelli, Lorenzo; Torricelli, Alessandro (2016-06-17). „Nové hranice v difuzní optice v časové oblasti, recenze“. Journal of Biomedical Optics. 21 (9): 091310. doi:10.1117 / 1.jbo.21.9.091310. ISSN  1083-3668. PMID  27311627.
  2. ^ Matcher, Stephen J. (2016), „Kvantifikace a lokalizace signálu v tkáňové blízké infračervené spektroskopii“, Příručka optické biomedicínské diagnostiky, druhé vydání, svazek 1: Interakce světlo-tkáň, SPIE PRESS, doi:10.1117 / 3.2219603.ch9, ISBN  9781628419092
  3. ^ Durduran, T; Choe, R; Culver, JP; Zubkov, L; Holboke, M J; Giammarco, J; Šance, B; Yodh, A G (2002-07-23). "Hromadné optické vlastnosti zdravé ženské prsní tkáně". Fyzika v medicíně a biologii. 47 (16): 2847–2861. doi:10.1088/0031-9155/47/16/302. ISSN  0031-9155. PMID  12222850.
  4. ^ Taroni, Paola; Pifferi, Antonio; Torricelli, Alessandro; Comelli, Daniela; Cubeddu, Rinaldo (2003). "In vivo absorpce a rozptylová spektroskopie biologických tkání". Fotochemické a fotobiologické vědy. 2 (2): 124–9. doi:10.1039 / b209651j. ISSN  1474-905X. PMID  12664972.
  5. ^ Martelli, Fabrizio; Del Bianco, Samuele; Ismaelli, Andrea; Zaccanti, Giovanni (2009). Šíření světla prostřednictvím biologických tkání a jiných difúzních médií: teorie, řešení a software. doi:10.1117/3.824746. ISBN  9780819481832.
  6. ^ Andersson-Engels, S .; Berg, R .; Persson, A .; Svanberg, S. (1993-10-15). „Multispektrální charakterizace tkáně s časově rozlišenou detekcí rozptýleně rozptýleného bílého světla“ (PDF). Optická písmena. 18 (20): 1697–9. doi:10,1364 / ol.18.001697. ISSN  0146-9592. PMID  19823488.
  7. ^ Selb, Juliette; Zimmermann, Bernhard B .; Martino, Mark; Ogden, Tyler; Boas, David A. (2013-03-25). Tromberg, Bruce J; Yodh, Arjun G; Sevick-Muraca, Eva M. (eds.). "Funkční zobrazování mozku se superkontinuálním systémem NIRS v časové doméně". Optická tomografie a spektroskopie tkáně X. SPIE. 8578: 857807. doi:10.1117/12.2005348. S2CID  122062730.
  8. ^ Diop, Mamadou; Tichauer, Kenneth M .; Elliott, Jonathan T .; Migueis, Mark; Lee, Ting-Yim; Sv. Vavřinec, Keith (11.02.2010). Vo-Dinh, Tuan; Grundfest, Warren S; Mahadevan-Jansen, Anita (eds.). „Časově rozlišená blízká infračervená technika pro monitorování absolutního průtoku krve mozkem u lůžka“. Pokročilé biomedicínské a klinické diagnostické systémy VIII. SPIE. 7555: 75550Z. doi:10.1117/12.842521. S2CID  95205559.
  9. ^ A b Ferocino, Edoardo; Martinenghi, Edoardo; Dalla Mora, Alberto; Pifferi, Antonio; Cubeddu, Rinaldo; Taroni, Paola (23. ledna 2018). "Řetězec detekce vysoké propustnosti pro optickou mamografii v časové doméně". Biomedicínská optika Express. 9 (2): 755–770. doi:10,1364 / BOE.9.000755. PMC  5854076. PMID  29552410.
  10. ^ BECKER, WOLFGANG. (2016). Pokročilé časově korelované aplikace pro počítání jednotlivých fotonů. SPRINGER MEZINÁRODNÍ PU. ISBN  978-3319358420. OCLC  959950907.
  11. ^ Kalisz, Józef (2004). "Přehled metod pro měření časových intervalů s pikosekundovým rozlišením". Metrologia. 41: 17–32. doi:10.1088/0026-1394/41/1/004.
  12. ^ Torricelli, Alessandro (2014). „Zobrazování NIRS s funkční časovou doménou pro mapování lidského mozku“. NeuroImage. 85: 28–50. doi:10.1016 / j.neuroimage.2013.05.106. PMID  23747285.
  13. ^ Grosenick, D. (2016). „Optické zobrazování prsou a spektroskopie“. J. Biomed. Opt. 21 (9): 091311. doi:10.1117 / 1.JBO.21.9.091311. PMID  27403837. S2CID  42000848.
  14. ^ Contini, Davide; Zucchelli, Lucia; Spinelli, Lorenzo; Caffini, Matteo; Re, Rebecca; Pifferi, Antonio; Cubeddu, Rinaldo; Torricelli, Alessandro (2012). „Mozek a sval poblíž infračervené spektroskopie / zobrazovací techniky“. Journal of Near Infrared Spectroscopy. 20 (1): 15–27. doi:10,1255 / jnirs.977. ISSN  0967-0335. S2CID  98108662.