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Unglaubliche optische Magie: Wie kann man die Streuung und Absorption von Licht nutzen, um den menschlichen Körper zu erforschen?
In der modernen medizinischen Forschung zeigt die Zeitbereichsstreuoptik (TD Diffuse Optics) zunehmend ihr herausragendes Anwendungspotenzial. Diese Technologie nutzt die Prinzipien der Lichtstreuung und -absorption, um tief in menschliche Gewebeschichten einzudringen und wertvolle biomedizinische Informationen zu liefern. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie werden nicht-invasive Messmethoden die Art und Weise, wie wir unsere Gesundheit überwachen, revolutionieren.
Die Zeitbereichsstreuoptik ermöglicht eine kontinuierliche und nichtinvasive Überwachung der optischen Eigenschaften von Gewebe und ist somit ein leistungsstarkes Diagnoseinstrument.
Das Kernprinzip dieser Technologie basiert auf der präzisen Erfassung des Lichtzustands in einem diffusen Medium. Bei dieser Technologie werden mit Hilfe einer Hochleistungs-Pulslaserquelle extrem kurze Lichtimpulse (weniger als 100 Pikosekunden) in biologisches Gewebe injiziert. Anschließend wird das Photon mehrfach gestreut und absorbiert und schließlich in einer bestimmten Entfernung gesammelt, wodurch die Ankunftszeit des Photons aufgezeichnet wird. Diese Ankunftszeiten werden dann in ein verteiltes Flugzeithistogramm (DTOF) umgewandelt, das detaillierte Informationen über die Dynamik und Struktur des Gewebes liefert.
Absorption und Streuung sind die Hauptphänomene, die die Migration von Photonen in diffusen Medien beeinflussen.
Licht ist im Wellenlängenbereich vom Rot bis zum Nahinfrarot für biologisches Gewebe transparent und kann daher tief in das Gewebe eindringen, was für verschiedene In-vivo-Anwendungen und klinische Studien von großer Bedeutung ist. Insbesondere Streu- und Absorptionsprozesse haben unterschiedliche Auswirkungen und können unabhängig voneinander extrahiert werden, ohne dass mehrere Trennungen zwischen Quelle und Detektor erforderlich sind. Diese einzigartige Eigenschaft verschafft der TD-Methode einen klaren Vorteil gegenüber der Continuous-Wave-Methode (CW), da ihre Eindringtiefe vollständig von der Ankunftszeit der Photonen abhängt.
Krebsvorsorge, Blutflussüberwachung und Beurteilung der Gehirnfunktion sind alles Anwendungsbereiche für die TD-Streuoptik. In Kombination mit optimierten Instrumentenkomponenten – gepulste Laserquelle, Einzelphotonendetektor und Zeitelektronik – kann diese Technologie optische Signale aus tiefen Geweben effektiv erfassen und analysieren.
Durch die Schätzung der Absorptions- und Streukoeffizienten können Wissenschaftler die Konzentration verschiedener Komponenten im Gewebe und die damit verbundenen Informationen zum Blutsauerstoff ermitteln.
Die Entwicklung moderner Zeitbereichsstreuoptik basiert auf einem tiefen Verständnis der Lichtausbreitung in diffusen Medien. Bei der Arbeit in diesem Bereich wird häufig die Strahlungstransporttheorie zur Analyse mehrerer Streuprozesse eingesetzt. In einigen Fällen kann diese Theorie genaue Lösungen liefern, die in hohem Maße mit praktischen Anwendungen übereinstimmen. Die Anwendung dieser Theorien ermöglicht uns eine eingehendere Erforschung von Organismen und ist besonders wertvoll bei der Erkennung verschiedener Pathologien.
Was die spezifischen Instrumentenkomponenten betrifft, umfasst der Kern der Zeitbereichsstreuoptik eine gepulste Laserquelle und einen effizienten Einzelphotonendetektor. Insbesondere sperrige, abstimmbare Titan-Saphir-Laser wurden in der Vergangenheit häufig für die Forschung eingesetzt. Obwohl sie einen breiten Wellenlängenbereich bieten, werden sie aufgrund ihrer Größe und ihres hohen Preises nach und nach durch kleinere und sicherere Lichtquellen ersetzt.
Durch die Kombination gepulster Lichtquellen mit verschiedenen Arten von Einzelphotonendetektoren, wie etwa Photonenzähldioden (SPADs) und Silizium-Photonenzählern (SiPMs), ermöglicht die moderne Technologie den Betrieb innerhalb größerer optischer Fenster und verbessert die Effizienz und Genauigkeit der Messungen. Sex. Durch die Anwendung dieser innovativen Methoden können Forscher schnell die optischen Signale von Parry aus dem Inneren des menschlichen Körpers erfassen und anschließend eine detaillierte Analyse durchführen.
In der Zeitelektronik ermöglichen innovative Techniken die „verlustlose Rekonstruktion“ der Flugzeitverteilung von Photonen, ein Prozess, der eine detaillierte Analyse von Signalen aus Tausenden von Photonen zulässt und so unser Verständnis biologischer Gewebe bereichert. Die Entwicklung dieser Technologien hat nicht nur die Genauigkeit der Streuoptik-Technologie verbessert, sondern auch zu ihrer Popularität beigetragen.
Die Zeitbereichs-Scatterometrie hat ein breites Anwendungsspektrum, von der Neugeborenenüberwachung bis hin zu klinischen Tests, und hat das Potenzial, Erkenntnisse über die menschliche Gesundheit zu liefern.
Mit dem fortschreitenden technologischen Fortschritt wird die Zeitbereichsstreuoptik zweifellos in der Biomedizin und auch in vielen anderen wissenschaftlichen Bereichen eine immer wichtigere Rolle spielen. Die Entwicklung dieser Technologie wird es uns ermöglichen, die physiologischen Veränderungen im menschlichen Körper besser zu verstehen und neue Lösungen für zukünftige medizinische Eingriffe und Gesundheitsüberwachung bereitzustellen. Stellen Sie sich vor, die medizinische Behandlung könnte sich zur Erhaltung unserer Gesundheit künftig stärker auf diese hochentwickelten optischen Technologien stützen?
