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Die geheime Reise des Lichts: Warum kann die zeitbereichsbasierte diffuse Optik die tiefen Geheimnisse biologischer Gewebe enthüllen?
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft war die Erforschung der Geheimnisse des Lebens schon immer eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler. Mit dem Aufkommen der diffusen Optik im Zeitbereich hat sich die Richtung dieses Feldes geändert. Diese Technologie hilft uns nicht nur, die Struktur biologischen Gewebes zu verstehen, sondern ist auch ein wichtiges Instrument für die medizinische Diagnose der Zukunft. In diesem Artikel werden die Prinzipien, Instrumente und Geräte dieser Technologie sowie ihre Anwendungen in der Biomedizin untersucht.
Grundsätze der Zeitbereichsdiffusionsoptik
Die zeitbereichsbasierte diffuse Optik, auch bekannt als zeitaufgelöste funktionelle Nahinfrarotspektroskopie, ist eine Technik, die sich auf die Ausbreitung von Licht in diffusen Medien konzentriert. Durch die Aussendung schmaler Lichtimpulse werden diese Lichtimpulse nach dem Eindringen in das biologische Gewebe mehrfach gestreut und absorbiert. Die Ankunftszeiten der detektierten Photonen können aufgezeichnet und in ein Histogramm der Photonenflugzeitverteilung umgewandelt werden, welches Aufschluss über das Verhalten des Lichts im Gewebe gibt.
Diese Technologie trennt unterschiedliche biologische Gewebemerkmale und kann die Auswirkungen von Absorption und Streuung unabhängig voneinander extrahieren.
Zu den wichtigsten Phänomenen, die die Bewegung von Photonen in diffusen Medien beeinflussen, gehören Absorption und Streuung. Die Absorption wird durch das Vorhandensein verschiedener Pigmente im biologischen Gewebe verursacht, während die Streuung durch strukturelle Unterschiede im Medium verursacht wird. Diese beiden Faktoren bestimmen gemeinsam die Zeit und Intensität der Photonen, die den Detektor erreichen. Daher kann durch die Analyse der Flugzeitverteilung die Konzentration verschiedener Komponenten im Gewebe ermittelt werden, beispielsweise der sauerstoffreiche und sauerstoffarme Zustand von Hämoglobin.
Zusammensetzung der Instrumente und Ausrüstung
Optische Instrumente zur Zeitbereichsdiffusion bestehen hauptsächlich aus drei Hauptteilen: gepulster Laserquelle, Einzelphotonendetektor und Zeitelektronik. Die Leistung dieser Komponenten wirkt sich direkt auf die Genauigkeit und Empfindlichkeit des Gesamtsystems aus.
Gepulste Laserquelle
Die in der zeitbereichsbasierten diffusen Optik verwendete gepulste Laserquelle erfordert bestimmte Eigenschaften. Seine Emissionswellenlänge sollte zwischen 650 und 1350 Nanometern liegen und idealerweise eine schmale Halbwertsbreite aufweisen. Darüber hinaus muss die Laserquelle über eine hohe Wiederholungsrate und ausreichende Laserleistung verfügen, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Mit dem Fortschritt der Technologie wurden die früheren Lithium-Chrom-Saphir-Laser mit einstellbarer Freigabe nach und nach durch gepulste Faserlaser ersetzt.
Einzelphotonendetektor
Für die Zeitbereichsdiffusionsoptik geeignete Detektoren erfordern nicht nur eine hohe Effizienz und eine große effektive Fläche, sondern auch eine gute zeitliche Reaktion und ein geringes Hintergrundrauschen. Herkömmliche Photomultiplier-Röhren sind nicht mehr die einzige Option. Das Aufkommen von Single-Photon-Avalanche-Dioden und Silizium-Photomultipliern (SiPMs) hat auf diesem Gebiet weitere Optionen geschaffen.
Zeitelektronik
Das Ziel der Chronotronik besteht darin, das Histogramm der Photonenflugzeiten verlustfrei zu rekonstruieren. Mithilfe der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung, einem Verfahren, bei dem die Ankunftszeiten von Photonen markiert werden, werden Daten gesammelt, um ein Histogramm zu erstellen. Aktuelle elektronische Systeme basieren hauptsächlich auf einer Kombination aus einem Zeit-Digital-Umsetzer (TDC) oder einem Zeit-Analog-Umsetzer (TAC) und einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC).
Wert in biomedizinischen Anwendungen
Die Zeitbereichsdiffusionsoptik hat ein großes Anwendungspotenzial in der Biomedizin. Es ermöglicht die kontinuierliche und nicht-invasive Überwachung der optischen Eigenschaften von Gewebe und wird so zu einem wichtigen Instrument für die Langzeitdiagnose. Diese Technologie wurde erfolgreich zur Gehirnüberwachung, optischen Mammographie und Muskelüberwachung eingesetzt und hat ihr Potenzial in der klinischen Diagnostik gezeigt.
Da die wissenschaftliche Gemeinschaft diese Technologie eingehend erforscht, werden wir in Zukunft noch mehr der tiefen Geheimnisse biologischer Gewebe lüften können.
Die geheime Reise des Lichts erweitert durch die Kombination von Technologie und Wissenschaft weiterhin die Grenzen der Medizin. Wenn wir in die Zukunft blicken, können wir nicht umhin, uns zu fragen: Wie wird diese Technologie unser Verständnis vom Leben verändern?
