Optyka rozproszona w dziedzinie czasu

Optyka dyfuzyjna w dziedzinie czasu lub funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni z rozdzielczością czasową to gałąź funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni , która zajmuje się propagacją światła w ośrodkach dyfuzyjnych. Istnieją trzy główne podejścia do optyki rozproszonej, a mianowicie fala ciągła (CW), dziedzina częstotliwości (FD) i dziedzina czasu (TD). Tkanka biologiczna w zakresie długości fal od czerwieni do bliskiej podczerwieni jest przezroczysta dla światła i może być używana do badania głębokich warstw tkanki, umożliwiając w ten sposób różne zastosowania in vivo i badania kliniczne.

Pojęcia fizyczne

W tym podejściu do ośrodka wstrzykuje się wąski impuls światła (< 100 pikosekund). Wstrzyknięte fotony przechodzą wiele zdarzeń rozpraszania i absorpcji, a następnie rozproszone fotony są zbierane w pewnej odległości od źródła i rejestrowane są czasy nadejścia fotonów. Czasy nadejścia fotonów są przeliczane na histogram rozkładu czasu przelotu (DTOF) fotonów lub funkcję rozproszenia punktu czasowego. Ten DTOF jest opóźniony, osłabiony i poszerzony w stosunku do wstrzykniętego impulsu. Dwa główne zjawiska wpływające na migrację fotonów w ośrodkach dyfuzyjnych to absorpcja i rozpraszanie. Rozpraszanie jest spowodowane mikroskopijnymi współczynnika załamania spowodowane strukturą ośrodka. Z drugiej strony absorpcja jest spowodowana radiacyjnym lub niepromienistym transferem energii świetlnej podczas interakcji z centrami absorpcji, takimi jak chromofory. Zarówno absorpcja, jak i rozpraszanie są opisane odpowiednio współczynnikami $_ {a}}$$mu$ \ .

Wielokrotne zdarzenia rozpraszania poszerzają DTOF i tłumienie wyniku zarówno absorpcji, jak i rozpraszania, ponieważ odwracają fotony z kierunku detektora. Wyższe rozpraszanie prowadzi do bardziej opóźnionego i szerszego DTOF, a wyższa absorpcja zmniejsza amplitudę i zmienia nachylenie ogona DTOF. Ponieważ absorpcja i rozpraszanie mają różny wpływ na DTOF, można je wyodrębnić niezależnie, stosując separację pojedynczego źródła i detektora. Co więcej, głębokość penetracji w TD zależy wyłącznie od czasu nadejścia fotonu i jest niezależna od separacji źródło-detektor, w przeciwieństwie do podejścia CW .

Funkcja odpowiedzi wstrzykniętego instrumentu i zrekonstruowany DTOF

Teoria propagacji światła w ośrodkach dyfuzyjnych jest zwykle rozpatrywana przy użyciu ram teorii transferu promieniowania w reżimie wielokrotnego rozpraszania. Wykazano, że równanie przenoszenia promieniowania w przybliżeniu dyfuzyjnym daje wystarczająco dokładne rozwiązania do zastosowań praktycznych. Na przykład można go zastosować do geometrii półskończonej lub geometrii płyty nieskończonej, stosując odpowiednie warunki brzegowe. Układ jest uważany za jednorodne tło, a inkluzja jest uważana za zaburzenie absorpcyjne lub rozpraszające.

Rozwiązana w czasie krzywa odbicia w punkcie od źródła dla pół-nieskończonej geometrii jest dana przez ${\ displaystyle \ rho}$

${\ textstyle R (\ rho, t )=kt^{-5/2}\exp \left(-\mu _{a}\nu t\right)\exp \left(-{\frac {\rho ^{2}}{4D\nu t }}\right)S\left(D,s_{0},t\right)}$

gdzie $_$ dyfuzji ${\ Displaystyle \ mu _ {s} ^ {\ liczba pierwsza} = \ mu _ {s} (1-g)} to zmniejszony$ współczynnik rozpraszania i ${\ Displaystyle g}$ to współczynnik asymetrii, ${\ Displaystyle \ nu }$ to prędkość fotonu w ośrodku, ${\ Displaystyle S (D, s_ {0}, t)}$ uwzględnia warunki brzegowe i $stałą$ .

Końcowy DTOF jest splotem funkcji odpowiedzi instrumentu (IRF) systemu z teoretyczną krzywą odbicia.

Po zastosowaniu do tkanek biologicznych oszacowanie i $oszacować$$,$ stężenie różnych składników tkanki a także informacje o utlenowaniu krwi (hemoglobina tlenowa i dezoksy) oraz wysyceniu i całkowitej objętości krwi. Można je następnie wykorzystać jako biomarkery do wykrywania różnych patologii.

Oprzyrządowanie

Oprzyrządowanie w optyce dyfuzyjnej w dziedzinie czasu składa się z trzech podstawowych elementów, a mianowicie źródła lasera impulsowego, detektora pojedynczego fotonu i elektroniki synchronizującej.

Źródła

Rozproszone źródła optyczne w dziedzinie czasu muszą mieć następujące właściwości; długość fali emisji w oknie optycznym, tj. między 650 a 1350 nanometrów (nm); wąska pełna szerokość w połowie maksimum (FWHM), najlepiej funkcja delta ; wysoka częstotliwość powtarzania (>20 MHz) i wreszcie wystarczająca moc lasera (>1 mW) do uzyskania dobrego stosunku sygnału do szumu .

W przeszłości używano nieporęcznych, przestrajalnych laserów Ti: szafir. Zapewniały szeroki zakres długości fali 400 nm, wąski FWHM (< 1 ps), wysoką moc średnią (do 1 W) i wysoką częstotliwość powtarzania (do 100 MHz). Są jednak nieporęczne, drogie i wymagają długiego czasu na zamianę długości fal.

W ostatnich latach pojawiły się impulsowe lasery światłowodowe oparte na generacji super continuum. Zapewniają szeroki zakres widmowy (400 do 2000 ps), typową średnią moc od 5 do 10 W, FWHM < 10 ps i częstotliwość powtarzania dziesiątek MHz. Jednak są one na ogół dość drogie i nie mają stabilności w generowaniu super kontinuum, a zatem ich zastosowanie jest ograniczone.

Najbardziej rozpowszechnionymi źródłami są impulsowe lasery diodowe. Mają FWHM około 100 ps i częstotliwość powtarzania do 100 MHz i średnią moc około kilku miliwatów. Mimo że brakuje im możliwości strojenia, ich niski koszt i kompaktowość pozwalają na użycie wielu modułów w jednym systemie.

Detektory

Fotopowielacz krzemowy

Detektor pojedynczego fotonu stosowany w optyce dyfuzyjnej w dziedzinie czasu wymaga nie tylko wysokiej skuteczności detekcji fotonów w zakresie długości fali okna optycznego, ale także dużego obszaru aktywnego oraz dużej apertury numerycznej (NA), aby zmaksymalizować ogólną wydajność zbierania światła . Wymagają również wąskiej odpowiedzi czasowej i tła o niskim poziomie szumów.

Tradycyjnie fotopowielacze światłowodowe (PMT) były wybieranym detektorem do dyfuzyjnych pomiarów optycznych, głównie dzięki dużemu obszarowi aktywnemu, małej liczbie ciemnych elementów i doskonałej rozdzielczości czasowej. Jednak są one z natury nieporęczne, podatne na zakłócenia elektromagnetyczne i mają dość ograniczoną czułość widmową. Ponadto wymagają wysokiego napięcia polaryzacji i są dość drogie. Diody lawinowe z pojedynczym fotonem pojawiły się jako alternatywa dla PMTS. Są tanie, kompaktowe i mogą być umieszczane w kontakcie, a jednocześnie wymagają znacznie niższego napięcia polaryzacji. Ponadto oferują szerszą czułość widmową i są bardziej odporne na rozbłyski światła. Mają jednak znacznie mniejszą powierzchnię aktywną, a co za tym idzie niższą wydajność zbierania fotonów i większą liczbę ciemnych cząstek. Fotopowielacze krzemowe (SiPM) to macierze SPAD-ów z globalną anodą i globalną katodą, dzięki czemu mają większy obszar aktywny przy zachowaniu wszystkich zalet oferowanych przez SPAD-y. Jednak cierpią z powodu większej ciemnej liczby i szerszej odpowiedzi czasowej.

Elektronika rozrządu

Elektronika czasowa jest potrzebna do bezstratnego odtworzenia histogramu rozkładu czasu przelotu fotonów. Odbywa się to za pomocą techniki skorelowanego w czasie zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC), w której czasy nadejścia poszczególnych fotonów są oznaczane w odniesieniu do sygnału start/stop dostarczanego przez okresowy cykl lasera. Te znaczniki czasu można następnie wykorzystać do zbudowania histogramów czasów nadejścia fotonów.

Dwa główne typy elektroniki rozrządu opierają się odpowiednio na połączeniu przetwornika czasowo-analogowego (TAC) i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) oraz przetwornika czasowo-cyfrowego (TDC). W pierwszym przypadku różnica między sygnałem startu i stopu jest przetwarzana na analogowy sygnał napięciowy, który jest następnie przetwarzany przez ADC. W drugiej metodzie opóźnienie jest bezpośrednio konwertowane na sygnał cyfrowy. Systemy oparte na ADC mają na ogół lepszą rozdzielczość czasową i liniowość, a jednocześnie są drogie i mają możliwość integracji. Z drugiej strony TDC można zintegrować w jednym układzie scalonym, dzięki czemu lepiej nadają się do systemów wielokanałowych. Mają jednak gorszą wydajność czasową i mogą obsługiwać znacznie niższe stałe współczynniki zliczania.

Aplikacje

Przydatność optyki TD Diffuse polega na możliwości ciągłego i nieinwazyjnego monitorowania właściwości optycznych tkanki. Dzięki temu jest potężnym narzędziem diagnostycznym do długoterminowego monitorowania przyłóżkowego niemowląt i dorosłych. Wykazano już, że optyka dyfuzyjna TD może być z powodzeniem stosowana w różnych zastosowaniach biomedycznych, takich jak monitorowanie mózgu, mammografia optyczna , monitorowanie mięśni itp.

Zobacz też

• Spektroskopia w bliskiej podczerwieni
• Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni
• Rozproszone obrazowanie optyczne
• Neuroobrazowanie
• Funkcjonalne neuroobrazowanie