Диффузная оптика во временной области - Time-domain diffuse optics

Диффузная оптика во временной области^[1] или же функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия с временным разрешением это филиал функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия в котором рассматривается распространение света в диффузных средах. Существует три основных подхода к диффузной оптике, а именно: непрерывная волна.^[2] (CW), частотная область^[3] (FD) и во временной области^[4] (TD). Биологические ткани в диапазоне длин волн от красного до ближнего инфракрасного света прозрачны для света и могут использоваться для исследования глубоких слоев ткани, что позволяет проводить различные приложения in vivo и клинические испытания.

Физические концепции

При таком подходе в среду вводится узкий импульс света (<100 пикосекунд). Инжектированные фотоны подвергаются многократным событиям рассеяния и поглощения, а затем рассеянные фотоны собираются на определенном расстоянии от источника и регистрируются времена прихода фотонов. Время прибытия фотонов преобразуется в гистограмму распределения времени пролета (DTOF) фотонов или функцию временного рассеяния точки. Этот DTOF задерживается, ослабляется и расширяется по сравнению с введенным импульсом. Два основных явления, влияющих на миграцию фотонов в диффузионных средах: поглощение и рассеяние. Рассеяние вызвано микроскопическими показатель преломления изменения из-за структуры СМИ. С другой стороны, абсорбция вызывается радиационный или безызлучательный перенос световой энергии при взаимодействии с центрами поглощения, такими как хромофоры. Как поглощение, так и рассеяние описываются коэффициентами ${\displaystyle \mu _{a}}$и ${\displaystyle \mu _{s}}$ соответственно.

События многократного рассеяния расширяют DTOF и ослабляют результат как поглощения, так и рассеяния, поскольку они отклоняют фотоны от направления детектора. Более высокое рассеяние приводит к более запаздывающему и более широкому DTOF, а более высокое поглощение снижает амплитуду и изменяет наклон хвоста DTOF. Поскольку поглощение и рассеяние по-разному влияют на DTOF, они могут быть извлечены независимо при использовании единого разделения источник-детектор. Более того, глубина проникновения в TD зависит исключительно от времен прихода фотонов и не зависит от расстояния источник-детектор, в отличие от CW подход.

Введенная функция отклика прибора и восстановленный DTOF

Теория распространения света в диффузных средах обычно рассматривается в рамках теория переноса излучения в режиме многократного рассеяния. Было показано, что уравнение переноса излучения при диффузионное приближение дает достаточно точные решения для практических приложений.^[5] Например, его можно применять для полубесконечной геометрии или геометрии бесконечной плиты с использованием соответствующих граничных условий. Система рассматривается как однородный фон, а включение рассматривается как возмущение поглощения или рассеяния.

Кривая отражения с временным разрешением в точке ${\displaystyle \rho }$ от источника для полубесконечной геометрии дается выражением

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

куда ${\displaystyle D={\frac {1}{3\mu _{s}^{\prime }}}}$ - коэффициент диффузии, ${\displaystyle \mu _{s}^{\prime }=\mu _{s}(1-g)}$ - приведенный коэффициент рассеяния, а ${\displaystyle g}$ фактор асимметрии, ${\displaystyle \nu }$ - скорость фотона в среде, ${\displaystyle S(D,s_{0},t)}$ учитывает граничные условия и ${\displaystyle k}$ является константой.

Последний DTOF - это свертка функции отклика прибора (IRF) системы с теоретической кривой отражения.

Применительно к биологическим тканям оценка ${\displaystyle \mu _{a}}$ и ${\displaystyle \mu '_{s}}$ позволяет нам затем оценить концентрацию различных компонентов ткани, а также предоставляет информацию об оксигенации крови (оксигемоглобин и дезоксигемоглобин), а также сатурации и общем объеме крови. Затем их можно использовать в качестве биомаркеров для обнаружения различных патологий.

Приборы

Аппаратура диффузной оптики во временной области состоит из трех основных компонентов, а именно: импульсного лазерного источника, детектора одиночных фотонов и синхронизирующей электроники.

Источники

Диффузные оптические источники во временной области должны иметь следующие характеристики: длина волны излучения в оптическом окне, т.е. между 650 и 1350 нанометр (нм); Стрелка полная ширина на половине максимальной (FWHM), в идеале дельта-функция; высокая частота повторения (> 20 МГц) и, наконец, достаточная мощность лазера (> 1 мВт) для достижения хорошего соотношение сигнал шум.

В прошлом громоздкие перестраиваемые Ti: сапфировые лазеры^[6] были использованы. Они обеспечивали широкий диапазон длин волн 400 нм, узкую FWHM (<1 пс), высокую среднюю мощность (до 1 Вт) и высокую частоту повторения (до 100 МГц). Однако они громоздкие, дорогие и требуют много времени для смены длины волны.

В последние годы появились импульсные волоконные лазеры, основанные на генерации суперконтинуума.^[7] Они обеспечивают широкий спектральный диапазон (от 400 до 2000 пс), типичную среднюю мощность от 5 до 10 Вт, полуширину <10 пс и частоту повторения десятков МГц. Однако они, как правило, довольно дороги и им не хватает стабильности в генерации суперконтинуума, и, следовательно, их использование ограничено.

Наиболее распространенными источниками являются импульсные диодные лазеры.^[8] Они имеют полуширину около 100 пс, частоту повторения до 100 МГц и среднюю мощность около нескольких милливатт. Несмотря на отсутствие возможности настройки, их низкая стоимость и компактность позволяют использовать несколько модулей в одной системе.

Детекторы

Кремниевый фотоумножитель

Детектор одиночных фотонов, используемый в диффузной оптике во временной области, требует не только высокой эффективности регистрации фотонов в диапазоне длин волн оптического окна, но и большой активной области, а также большой числовая апертура (N.A.), чтобы максимизировать общую эффективность сбора света. Они также требуют узкой временной характеристики и низкого фонового шума.

Традиционно волоконно-оптические фотоумножители (ФЭУ) был предпочтительным детектором для диффузных оптических измерений, в основном благодаря большой активной области, малому количеству темноты и отличному разрешению по времени. Однако они по своей сути громоздки, подвержены электромагнитным помехам и обладают весьма ограниченной спектральной чувствительностью. Кроме того, они требуют высокого напряжения смещения и довольно дороги. Однофотонные лавинные диоды появились как альтернатива PMTS. Они дешевы, компактны и могут быть включены в контакт, при этом для них требуется гораздо более низкое напряжение смещения. Кроме того, они обладают более широкой спектральной чувствительностью и более устойчивы к вспышкам света. Однако они имеют гораздо меньшую активную площадь и, следовательно, более низкую эффективность сбора фотонов и большее количество темноты. Кремниевые фотоумножители (SiPM) представляют собой массив SPAD с глобальным анодом и глобальным катодом и, следовательно, имеют большую активную площадь, сохраняя при этом все преимущества, предлагаемые SPAD. Однако они страдают от большего количества темных сигналов и более широкой временной реакции.^[9]

Электроника времени

Электроника времени необходима для восстановления без потерь гистограммы распределения времени пролета фотонов. Это делается с помощью техники коррелированный по времени счет одиночных фотонов^[10] (TCSPC), где время прихода отдельных фотонов помечено относительно сигнала пуска / остановки, обеспечиваемого периодическим лазерным циклом. Эти временные метки затем можно использовать для построения гистограмм времени прихода фотонов.

Два основных типа синхронизирующей электроники основаны на комбинации аналогово-аналогового преобразователя времени (TAC) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и время-цифровой преобразователь^[11] (ВМТ) соответственно. В первом случае разница между сигналом пуска и останова преобразуется в аналоговый сигнал напряжения, который затем обрабатывается АЦП. Во втором методе задержка напрямую преобразуется в цифровой сигнал. Системы, основанные на АЦП, обычно имеют лучшее временное разрешение и линейность, но при этом являются дорогими и могут быть интегрированы. С другой стороны, TDC могут быть интегрированы в один кристалл и, следовательно, лучше подходят для многоканальных систем.^[9] Однако они имеют худшие временные характеристики и могут работать с гораздо более низкими постоянными скоростями счета.

Приложения

Полезность диффузной оптики TD заключается в ее способности непрерывно и неинвазивно контролировать оптические свойства тканей. Что делает его мощным диагностическим инструментом для длительного прикроватного наблюдения как у младенцев, так и у взрослых. Уже было продемонстрировано, что диффузная оптика TD может успешно применяться в различных биомедицинских приложениях, таких как церебральный мониторинг,^[12] оптическая маммография,^[13] мониторинг мышц,^[14] и Т. Д.

Смотрите также

• Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне
• Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия
• Диффузная оптическая визуализация
• Нейровизуализация
• Функциональная нейровизуализация

Рекомендации

1. Пиффери, Антонио; Контини, Давиде; Мора, Альберто Далла; Фарина, Андреа; Спинелли, Лоренцо; Торричелли, Алессандро (17.06.2016). "Новые рубежи в рассеянной оптике во временной области, обзор". Журнал биомедицинской оптики. 21 (9): 091310. Дои:10.1117 / 1.jbo.21.9.091310. ISSN  1083-3668. PMID  27311627.
2. Матчер, Стивен Дж. (2016), "Количественная оценка и локализация сигнала в тканевой ближней инфракрасной спектроскопии", Справочник по оптической биомедицинской диагностике, второе издание, том 1: Взаимодействие света и ткани, SPIE PRESS, Дои:10.1117 / 3.2219603.ch9, ISBN  9781628419092
3. Дурдуран, Т; Choe, R; Калвер, Дж. П.; Зубков, Л; Холбоке, М. Дж .; Джаммарко, Дж; Шанс, B; Йод, А Дж (2002-07-23). «Объемные оптические свойства здоровой ткани женской груди». Физика в медицине и биологии. 47 (16): 2847–2861. Дои:10.1088/0031-9155/47/16/302. ISSN  0031-9155. PMID  12222850.
4. Тарони, Паола; Пиффери, Антонио; Торричелли, Алессандро; Комелли, Даниэла; Кубедду, Ринальдо (2003). «Спектроскопия поглощения и рассеяния биологических тканей in vivo». Фотохимические и фотобиологические науки. 2 (2): 124–9. Дои:10.1039 / b209651j. ISSN  1474-905X. PMID  12664972.
5. Мартелли, Фабрицио; Дель Бьянко, Самуэле; Исмаэлли, Андреа; Дзакканти, Джованни (2009). Распространение света через биологические ткани и другие диффузионные среды: теория, решения и программное обеспечение. Дои:10.1117/3.824746. ISBN  9780819481832.
6. Andersson-Engels, S .; Berg, R .; Persson, A .; Сванберг, С. (1993-10-15). «Мультиспектральная характеристика ткани с детектированием диффузно рассеянного белого света с временным разрешением» (PDF). Письма об оптике. 18 (20): 1697–9. Дои:10.1364 / ol.18.001697. ISSN  0146-9592. PMID  19823488.
7. Селб, Джульетта; Zimmermann, Bernhard B .; Мартино, Марк; Огден, Тайлер; Боас, Дэвид А. (25 марта 2013 г.). Тромберг, Брюс Дж; Йодх, Арджун Г; Севик-Мурака, Ева М. (ред.). "Функциональная визуализация мозга с помощью системы NIRS во временной области суперконтинуума". Оптическая томография и спектроскопия ткани X. ШПИОН. 8578: 857807. Дои:10.1117/12.2005348. S2CID  122062730.
8. Диоп, Мамаду; Tichauer, Kenneth M .; Эллиотт, Джонатан Т .; Мигейс, Марк; Ли, Тинг-Йим; Сент-Лоуренс, Кит (11 февраля 2010 г.). Во-Динь, Туан; Grundfest, Warren S; Махадеван-Янсен, Анита (ред.). «Методика в ближней инфракрасной области с временным разрешением для прикроватного мониторинга абсолютного церебрального кровотока». Продвинутые биомедицинские и клинические диагностические системы VIII. ШПИОН. 7555: 75550Z. Дои:10.1117/12.842521. S2CID  95205559.
9. Ферочино, Эдоардо; Мартиненги, Эдоардо; Далла Мора, Альберто; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Тарони, Паола (23 января 2018 г.). «Высокопроизводительная цепочка обнаружения для оптической маммографии во временной области». Биомедицинская оптика Экспресс. 9 (2): 755–770. Дои:10.1364 / BOE.9.000755. ЧВК  5854076. PMID  29552410.
10. БЕККЕР, ВОЛЬФГАНГ. (2016). Расширенные приложения для подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией. SPRINGER INTERNATIONAL PU. ISBN  978-3319358420. OCLC  959950907.
11. Калиш, Юзеф (2004). «Обзор методов измерения временных интервалов с пикосекундным разрешением». Метрология. 41: 17–32. Дои:10.1088/0026-1394/41/1/004.
12. Торричелли, Алессандро (2014). «Функциональная визуализация NIRS во временной области для картирования мозга человека». NeuroImage. 85: 28–50. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2013.05.106. PMID  23747285.
13. Гросеник, Д. (2016). «Оптическая визуализация груди и спектроскопия». J. Biomed. Opt. 21 (9): 091311. Дои:10.1117 / 1.JBO.21.9.091311. PMID  27403837. S2CID  42000848.
14. Контини, Давиде; Зуккелли, Лючия; Спинелли, Лоренцо; Каффини, Маттео; Ре, Ребекка; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Торричелли, Алессандро (2012). «Мозг и мышцы, близкие к инфракрасной спектроскопии / методы визуализации». Журнал ближней инфракрасной спектроскопии. 20 (1): 15–27. Дои:10.1255 / jnirs.977. ISSN  0967-0335. S2CID  98108662.