Tidsdomän diffus optik

Tidsdomän diffus optik eller tidsupplöst funktionell nära-infraröd spektroskopi är en gren av funktionell nära-infraröd spektroskopi som handlar om ljusutbredning i diffusiva medier. Det finns tre huvudsakliga tillvägagångssätt för diffus optik, nämligen kontinuerlig våg (CW), frekvensdomän (FD) och tidsdomän (TD). Biologisk vävnad i intervallet röda till nära-infraröda våglängder är transparenta för ljus och kan användas för att sondera djupa lager av vävnaden, vilket möjliggör olika in vivo-applikationer och kliniska prövningar.

Fysiska begrepp

I detta tillvägagångssätt injiceras en smal ljuspuls (< 100 pikosekunder) i mediet. De injicerade fotonerna genomgår flera spridnings- och absorptionshändelser och de spridda fotonerna samlas sedan in på ett visst avstånd från källan och fotonernas ankomsttider registreras. Fotonernas ankomsttider omvandlas till histogrammet för fördelningen av flygtid (DTOF) för fotoner eller tidsspridningsfunktion. Denna DTOF är fördröjd, dämpad och breddad med avseende på den injicerade pulsen. De två huvudfenomenen som påverkar fotonmigrering i diffusiva medier är absorption och spridning. Spridning orsakas av mikroskopiska av brytningsindex på grund av mediets struktur. Absorption å andra sidan orsakas av en strålande eller icke-strålande överföring av ljusenergi vid interaktion med absorptionscentra såsom kromoforer. Både absorption och spridning beskrivs av koefficienterna $\mu _{a}$ respektive $\mu _{s}$ .

Flera spridningshändelser breddar DTOF och dämpningen av ett resultat av både absorption och spridning eftersom de avleder fotoner från detektorns riktning. Högre spridning leder till en mer fördröjd och en bredare DTOF och högre absorption minskar amplituden och ändrar lutningen på DTOF:s svans. Eftersom absorption och spridning har olika effekter på DTOF, kan de extraheras oberoende med användning av en enda källa-detektorseparation. Dessutom beror penetrationsdjupet i TD enbart på fotonernas ankomsttider och är oberoende av käll-detektorseparationen till skillnad från i CW-metoden .

Injicerad instrumentsvarsfunktion och den rekonstruerade DTOF

Teorin om ljusutbredning i diffusiva medier behandlas vanligtvis med hjälp av ramverket för strålningsöverföringsteori under multipelspridningsregimen. Det har visats att strålningsöverföringsekvationen under diffusionsapproximationen ger tillräckligt exakta lösningar för praktiska tillämpningar. Till exempel kan den tillämpas för den semi-oändliga geometrin eller den oändliga plattgeometrin, med lämpliga gränsvillkor. Systemet betraktas som en homogen bakgrund och en inkludering betraktas som en absorptions- eller spridningsstörning.

Den tidsupplösta reflektanskurvan i en punkt $\rho$ från källan för en semi-oändlig geometri ges av

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

där $D={\frac {1}{3\mu _{s}^{\prime }}}$ är diffusionskoefficienten, ${\displaystyle \mu _{s}^{\prime }=\mu _{s}(1-g)} är$ den reducerade spridningskoefficienten och $g$ är asymmetrifaktor, $\nu$ är fotonhastigheten i mediet, $S(D,s_{0},t)$ tar hänsyn till randvillkoren och $k$ är en konstant.

Den slutliga DTOF är en faltning av instrumentresponsfunktionen (IRF) för systemet med den teoretiska reflektanskurvan.

När den tillämpas på biologiska vävnader gör uppskattning av $\mu _{a}$ och $\mu '_{s}$ oss att sedan uppskatta koncentrationen av de olika vävnadsbeståndsdelarna samt tillhandahålla information om blodsyresättning (oxi och deoxi-hemoglobin) samt mättnad och total blodvolym. Dessa kan sedan användas som biomarkörer för att upptäcka olika patologier.

Instrumentation

Instrumentering i tidsdomäns diffus optik består av tre grundläggande komponenter, nämligen en pulsad laserkälla, en singelfotondetektor och en timingelektronik.

Källor

Tidsdomän diffusa optiska källor måste ha följande egenskaper; emissionsvåglängd i det optiska fönstret, dvs. mellan 650 och 1350 nanometer (nm); en smal full bredd vid halva maximum (FWHM), helst en deltafunktion ; hög repetitionshastighet (>20 MHz) och slutligen tillräcklig lasereffekt (>1 mW) för att uppnå bra signal/brusförhållande .

Tidigare användes skrymmande avstämbara Ti:sapphire-lasrar. De gav ett brett våglängdsområde på 400 nm, en smal FWHM (< 1 ps) hög medeleffekt (upp till 1W) och hög repetitionsfrekvens (upp till 100 MHz). De är dock skrymmande, dyra och tar lång tid för våglängdsbyte.

Under de senaste åren har pulsade fiberlasrar baserade på superkontinuumgenerering dykt upp. De ger ett brett spektralområde (400 till 2000 ps), typisk medeleffekt på 5 till 10 W, en FWHM på < 10ps och en repetitionsfrekvens på tiotals MHz. Emellertid är de i allmänhet ganska dyra och saknar stabilitet vid superkontinuumgenerering och har därför varit begränsade i användningen.

De mest spridda källorna är pulsade diodlasrar. De har en FWHM på runt 100 ps och repetitionsfrekvens på upp till 100 MHz och en medeleffekt på cirka några milliwatt. Även om de saknar tunerbarhet, tillåter deras låga kostnad och kompakthet att flera moduler kan användas i ett enda system.

Detektorer

Silikon fotomultiplikator

En fotondetektor som används i diffus optik i tidsdomän kräver inte bara en hög fotondetektionseffektivitet i våglängdsområdet för det optiska fönstret, utan också en stor aktiv area såväl som stor numerisk apertur (NA) för att maximera den totala ljusinsamlingseffektiviteten. De kräver också en smal timingrespons och en bakgrund med lågt brus.

Traditionellt har fiberkopplade fotomultiplikatorrör (PMT) varit den valda detektorn för diffusa optiska mätningar, främst tack vare det stora aktiva området, låga mörkertal och utmärkt timingupplösning. De är dock i sig skrymmande, benägna för elektromagnetiska störningar och de har en ganska begränsad spektral känslighet. Dessutom kräver de en hög förspänning och de är ganska dyra. Enkelfoton lavindioder har dykt upp som ett alternativ till PMTS. De är billiga, kompakta och kan placeras i kontakt, samtidigt som de behöver en mycket lägre förspänning. Dessutom erbjuder de en bredare spektral känslighet och de är mer robusta mot ljusskurar. De har dock en mycket lägre aktiv yta och därmed en lägre effektivitet för fotonuppsamling och ett större mörkertal. Kiselfotomultiplikatorer (SiPM) är en array av SPADs med en global anod och en global katod och har därför en större aktiv yta samtidigt som de bibehåller alla fördelar som SPAD erbjuder. Men de lider av ett större mörkertal och ett bredare timingsvar.

Timing elektronik

Timingelektroniken behövs för att förlustfritt rekonstruera histogrammet för fördelningen av fotonernas flygtid. Detta görs genom att använda tekniken med tidskorrelerad enkelfotonräkning (TCSPC), där de individuella fotonernas ankomsttider är markerade med avseende på en start/stoppsignal som tillhandahålls av den periodiska lasercykeln. Dessa tidsstämplar kan sedan användas för att bygga upp histogram över fotons ankomsttider.

De två huvudtyperna av tidtagningselektronik är baserade på en kombination av tid-till-analog-omvandlare (TAC) och en analog-till-digital-omvandlare (ADC), respektive tid-till-digital-omvandlare (TDC). I det första fallet omvandlas skillnaden mellan start- och stoppsignalen till en analog spänningssignal, som sedan bearbetas av ADC. I den andra metoden omvandlas fördröjningen direkt till en digital signal. System baserade på ADC:er har generellt en bättre timingupplösning och linjäritet samtidigt som de är dyra och möjligheten att integreras. TDC, å andra sidan, kan integreras i ett enda chip och är därför bättre lämpade i flerkanalssystem. De har dock sämre timingprestanda och kan hantera mycket lägre ihållande räknehastigheter.

Ansökningar

Användbarheten av TD Diffuse optik ligger i dess förmåga att kontinuerligt och icke-invasivt övervaka optiska egenskaper hos vävnad. Gör det till ett kraftfullt diagnostiskt verktyg för långtidsövervakning vid sängkanten hos både spädbarn och vuxna. Det har redan visat sig att TD diffus optik framgångsrikt kan tillämpas på olika biomedicinska applikationer såsom cerebral övervakning, optisk mammografi , muskelövervakning, etc.

Se även

^ Pifferi, Antonio; Contini, Davide; Mora, Alberto Dalla; Farina, Andrea; Spinelli, Lorenzo; Torricelli, Alessandro (2016-06-17). "Nya gränser i tidsdomänens diffusa optik, en recension" . Journal of Biomedical Optics . 21 (9): 091310. Bibcode : 2016JBO....21i1310P . doi : 10.1117/1.jbo.21.9.091310 . ISSN 1083-3668 . PMID 27311627 .
^ Matcher, Stephen J. (2016), "Signal Quantification and Localization in Tissue Near-Infrared Spectroscopy", Handbook of Optical Biomedical Diagnostics, andra upplagan, volym 1: Ljus-vävnadsinteraktion, SPIE PRESS, doi : 10.1117/3.2219603.ch9 , ISBN 9781628419092
^ Durduran, T; Choe, R; Culver, JP; Zubkov, L; Holboke, MJ; Giammarco, J; Chance, B; Yodh, AG (2002-07-23). "Bulkoptiska egenskaper hos frisk kvinnlig bröstvävnad". Fysik i medicin och biologi . 47 (16): 2847–2861. Bibcode : 2002PMB....47.2847D . doi : 10.1088/0031-9155/47/16/302 . ISSN 0031-9155 . PMID 12222850 . S2CID 250873061 .
^ Taroni, Paola; Pifferi, Antonio; Torricelli, Alessandro; Comelli, Daniela; Cubeddu, Rinaldo (2003). "In vivo absorption och spridningsspektroskopi av biologiska vävnader". Fotokemiska och fotobiologiska vetenskaper . 2 (2): 124–9. doi : 10.1039/b209651j . ISSN 1474-905X . PMID 12664972 .
^ Martelli, Fabrizio; Del Bianco, Samuele; Ismaelli, Andrea; Zaccanti, Giovanni (2009). Ljusspridning genom biologisk vävnad och andra diffusiva medier: teori, lösningar och programvara . doi : 10.1117/3.824746 . ISBN 9780819481832 .
^ Andersson-Engels, S. ; Berg, R.; Persson, A.; Svanberg, S. (1993-10-15). "Multispektral vävnadskarakterisering med tidsupplöst detektion av diffust spritt vitt ljus" ( PDF) . Optik bokstäver . 18 (20): 1697–9. Bibcode : 1993OptL...18.1697A . doi : 10.1364/ol.18.001697 . ISSN 0146-9592 . PMID 19823488 . S2CID 29614936 .
^ 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 (red.). "Funktionell hjärnavbildning med ett supercontinuum tidsdomän NIRS-system". Optisk tomografi och spektroskopi av vävnad X. SPIE. 8578 : 857807. Bibcode : 2013SPIE.8578E..07S . doi : 10.1117/12.2005348 . S2CID 122062730 .
^ Diop, Mamadou; Tichauer, Kenneth M.; Elliott, Jonathan T.; Migueis, Mark; Lee, Ting-Yim; St. Lawrence, Keith (2010-02-11). Vo-Dinh, Tuan; Grundfest, Warren S; Mahadevan-Jansen, Anita (red.). "Tidsupplöst nära-infraröd teknik för övervakning av absolut cerebralt blodflöde vid sängkanten". Avancerade biomedicinska och kliniska diagnostiska system VIII . SPIE. 7555 : 75550Z. Bibcode : 2010SPIE.7555E..0ZD . doi : 10.1117/12.842521 . S2CID 95205559 .
^ ^a ^b Ferocino, Edoardo; Martinenghi, Edoardo; Dalla Mora, Alberto; Pifferi, Antonio; Cubeddu, Rinaldo; Taroni, Paola (23 januari 2018). "Hög genomströmningsdetekteringskedja för optisk mammografi i tidsdomän" . Biomedicinsk Optik Express . 9 (2): 755–770. doi : 10.1364/BOE.9.000755 . PMC 5854076 . PMID 29552410 .
^ BECKER, WOLFGANG. (2016). Avancerade tidskorrelerade enfotonräkningsapplikationer . SPRINGER INTERNATIONAL PU. ISBN 978-3319358420 . OCLC 959950907 .
^ Kalisz, Józef (2004). "Översikt över metoder för tidsintervallmätningar med pikosekundupplösning". Metrologia . 41 (1): 17–32. Bibcode : 2004Metro..41...17K . doi : 10.1088/0026-1394/41/1/004 . S2CID 250775541 .
^ Torricelli, Alessandro (2014). "Tidsdomänfunktionell NIRS-avbildning för kartläggning av mänsklig hjärna" . NeuroImage . 85 : 28–50. doi : 10.1016/j.neuroimage.2013.05.106 . PMID 23747285 .
^ Grosenick, D. (2016). "Optisk bröstavbildning och spektroskopi" . J. Biomed. Opt . 21 (9): 091311. doi : 10.1117/1.JBO.21.9.091311 . PMID 27403837 . S2CID 42000848 .
^ Contini, Davide; Zucchelli, Lucia; Spinelli, Lorenzo; Caffini, Matteo; Re, Rebecca; Pifferi, Antonio; Cubeddu, Rinaldo; Torricelli, Alessandro (2012). "Hjärna och muskler nära infraröd spektroskopi/bildteknik" . Journal of Near Infrared Spectroscopy . 20 (1): 15–27. doi : 10.1255/jnirs.977 . ISSN 0967-0335 . S2CID 98108662 .

[1] Pifferi, Antonio; Contini, Davide; Mora, Alberto Dalla; Farina, Andrea; Spinelli, Lorenzo; Torricelli, Alessandro (2016-06-17). "Nya gränser i tidsdomänens diffusa optik, en recension" . Journal of Biomedical Optics . 21 (9): 091310. Bibcode : 2016JBO....21i1310P . doi : 10.1117/1.jbo.21.9.091310 . ISSN 1083-3668 . PMID 27311627 .

[2] Matcher, Stephen J. (2016), "Signal Quantification and Localization in Tissue Near-Infrared Spectroscopy", Handbook of Optical Biomedical Diagnostics, andra upplagan, volym 1: Ljus-vävnadsinteraktion, SPIE PRESS, doi : 10.1117/3.2219603.ch9 , ISBN 9781628419092

[3] Durduran, T; Choe, R; Culver, JP; Zubkov, L; Holboke, MJ; Giammarco, J; Chance, B; Yodh, AG (2002-07-23). "Bulkoptiska egenskaper hos frisk kvinnlig bröstvävnad". Fysik i medicin och biologi . 47 (16): 2847–2861. Bibcode : 2002PMB....47.2847D . doi : 10.1088/0031-9155/47/16/302 . ISSN 0031-9155 . PMID 12222850 . S2CID 250873061 .

[4] Taroni, Paola; Pifferi, Antonio; Torricelli, Alessandro; Comelli, Daniela; Cubeddu, Rinaldo (2003). "In vivo absorption och spridningsspektroskopi av biologiska vävnader". Fotokemiska och fotobiologiska vetenskaper . 2 (2): 124–9. doi : 10.1039/b209651j . ISSN 1474-905X . PMID 12664972 .

[Martelli-2009-5] Martelli, Fabrizio; Del Bianco, Samuele; Ismaelli, Andrea; Zaccanti, Giovanni (2009). Ljusspridning genom biologisk vävnad och andra diffusiva medier: teori, lösningar och programvara . doi : 10.1117/3.824746 . ISBN 9780819481832 .

[6] Andersson-Engels, S. ; Berg, R.; Persson, A.; Svanberg, S. (1993-10-15). "Multispektral vävnadskarakterisering med tidsupplöst detektion av diffust spritt vitt ljus" ( PDF) . Optik bokstäver . 18 (20): 1697–9. Bibcode : 1993OptL...18.1697A . doi : 10.1364/ol.18.001697 . ISSN 0146-9592 . PMID 19823488 . S2CID 29614936 .

[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 (red.). "Funktionell hjärnavbildning med ett supercontinuum tidsdomän NIRS-system". Optisk tomografi och spektroskopi av vävnad X. SPIE. 8578 : 857807. Bibcode : 2013SPIE.8578E..07S . doi : 10.1117/12.2005348 . S2CID 122062730 .

[8] Diop, Mamadou; Tichauer, Kenneth M.; Elliott, Jonathan T.; Migueis, Mark; Lee, Ting-Yim; St. Lawrence, Keith (2010-02-11). Vo-Dinh, Tuan; Grundfest, Warren S; Mahadevan-Jansen, Anita (red.). "Tidsupplöst nära-infraröd teknik för övervakning av absolut cerebralt blodflöde vid sängkanten". Avancerade biomedicinska och kliniska diagnostiska system VIII . SPIE. 7555 : 75550Z. Bibcode : 2010SPIE.7555E..0ZD . doi : 10.1117/12.842521 . S2CID 95205559 .

[Ferocino-2018-9] Ferocino, Edoardo; Martinenghi, Edoardo; Dalla Mora, Alberto; Pifferi, Antonio; Cubeddu, Rinaldo; Taroni, Paola (23 januari 2018). "Hög genomströmningsdetekteringskedja för optisk mammografi i tidsdomän" . Biomedicinsk Optik Express . 9 (2): 755–770. doi : 10.1364/BOE.9.000755 . PMC 5854076 . PMID 29552410 .

[10] BECKER, WOLFGANG. (2016). Avancerade tidskorrelerade enfotonräkningsapplikationer . SPRINGER INTERNATIONAL PU. ISBN 978-3319358420 . OCLC 959950907 .

[11] Kalisz, Józef (2004). "Översikt över metoder för tidsintervallmätningar med pikosekundupplösning". Metrologia . 41 (1): 17–32. Bibcode : 2004Metro..41...17K . doi : 10.1088/0026-1394/41/1/004 . S2CID 250775541 .

[12] Torricelli, Alessandro (2014). "Tidsdomänfunktionell NIRS-avbildning för kartläggning av mänsklig hjärna" . NeuroImage . 85 : 28–50. doi : 10.1016/j.neuroimage.2013.05.106 . PMID 23747285 .

[13] Grosenick, D. (2016). "Optisk bröstavbildning och spektroskopi" . 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). "Hjärna och muskler nära infraröd spektroskopi/bildteknik" . Journal of Near Infrared Spectroscopy . 20 (1): 15–27. doi : 10.1255/jnirs.977 . ISSN 0967-0335 . S2CID 98108662 .