Kollimerad transmissionsteori
Den kollimerade transmissionsmetoden är ett direkt sätt att mäta materialens optiska egenskaper. Den är särskilt användbar för att känna av vävnadernas optiska egenskaper för att vägleda utvecklingen av både diagnostiska och terapeutiska tekniker. Dessa optiska egenskaper beskrivs av absorptionskoefficienten μa , spridningskoefficienten μs och anisotropifaktor g.
I den kollimerade transmissionsmetoden riktas en laserstråle vinkelrätt mot materialet och detekteringen av återutsänt ljus ger information om den totala interaktiva effekten av materialets optiska egenskaper. Användningen av flera våglängder kan producera ett spektra med mer detaljerad information om sammansättningen av vävnaden eller materialet (spektroskopi). Även om denna metod är enkel och endast kräver minimal instrumentering, producerar den fel relaterade till multipla spridningshändelser och spegelreflektion. Några användbara ekvationer som styr egenskaperna inkluderar:
μ a = absorptionskoefficient = N a 𝜎 a ; μ s = spridningskoefficient = N s 𝜎 s ; g = spridningsanisotropi = <cos(𝛳)>; μt = extinktionskoefficient = μ a + μ s
Där N a är antalet absorbatorer i ett medium, 𝜎 a är absorptionstvärsnittet, N s är antalet spridare i ett medium, 𝜎 s är spridningstvärsnittet och 𝛳 är spridningsvinkeln.
Historia
Den kollimerade transmissionsmetoden har använts för att mäta de optiska egenskaperna hos biologiska vävnader sedan början av 1980-talet. En kollimerad ljuskälla genererades av en laser eller med en diffus källa och en kollimator. Ospritt ljustransmission genom vävnaden detekterades och Beers lag användes för att uppskatta extinktionskoefficienten μ t . Detta gjordes för vävnader från människor, svin, gnagare, nötkreatur och kycklingar och jämfördes med teoretiska modeller för att förutsäga tillförlitliga optiska egenskaper. Kunskap om dessa egenskaper var avgörande för dosimetristudier.
Dessutom har denna metod använts för att mäta optiska egenskaper hos grumliga medier för att förbättra simuleringen av vävnadsfantomer.
I slutet av 1980-talet testade flera studier också optiska egenskaper hos biologiska vävnader vid olika våglängder för att producera spektra.
Teori
Den allmänna inställningen för kollimerad överföring är som följer:
1) En kollimerad ljuskälla färdas genom provet
2) Genomsläppt ljus filtreras av två nålhål
3) En fotodetektor samlar de sända (främst ballistiska) fotonerna
Ett klart medium, vars brytningsindex nära överensstämmer med det för provet som ska testas, måste mätas för att ge en referenssignal för ballistiskt ljus Io . Detta kalibreringssteg ingår för att ta hänsyn till eventuell ljusintensitet som går förlorad vid kyvettens eller annan provhållares gränssnitt. Intensitetsförlust kan uppstå på grund av reflektion vid antingen gränssnitt och/eller absorption av kyvetten.
När väl en referenssignal har erhållits jämförs den med det utsända ljuset Is för det uppmätta provet. För att beräkna den tillhörande extinktionskoefficienten μ t kan Beers lag tillämpas enligt följande: I s = I o exp(-μ t d), där d är provets tjocklek. Extinktionskoefficienten är därför: μ t = -ln(I s /I o )/d.
Ansökningar
Spektrofotometri : Kvantitativ mätning av transmittans baserat på våglängd. Det är viktigt inom ett antal biomedicinska områden, från mätning av ett löst ämne i ett prov till att bestämma enzymkinetiken för ett givet substrat - enzympar . Spektrofotometri kräver flera våglängder för en mängd olika prover. används en båglampa för att generera flera våglängder för kollimering av speglar och diffraktionsgitter för att generera kollimerat ljus vid smala bandbredder.
Pulsoximetri är en icke-invasiv klinisk teknik som använder kollimerad ljustransmission för att mäta syremättnad . Två våglängder passerar genom ett tunt stycke vävnad ( örsnibb eller fingertopp) och en fotodetektor på andra sidan detekterar transmissionen vid varje våglängd. På grund av den förändrade absorbansen vid varierande våglängder är det möjligt att härleda absorbanserna på grund av arteriellt blod och utesluta absorbanser på grund av venöst blod, hud etc.
Denna teknologi används för specifik bestämning av vissa optiska egenskaper såsom absorptionskoefficienter och spridningskoefficienter. Homogena och inhomogena medier kan analyseras för att lära sig dessa parametrar. Förutom provets renhet kan en mängd olika materialtyper analyseras med denna metod. Agaros , agar , vatten, polystyren , TiO 2 och en mängd andra material kan alla analyseras med denna metod. Bortsett från den experimentella uppställningen krävs begränsad teknik för att samla in och analysera data.