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Durch Licht und Schatten: Wie verändert die zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie die medizinische Bildgebungstechnologie?
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der medizinischen Bildgebungstechnologie wird die zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie (TD-NIRS) aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften allmählich zu einem wichtigen Instrument zur Diagnose und Überwachung des Zustands biologischer Gewebe. Diese Technologie nutzt die Ausbreitungseigenschaften von Licht in Streumedien, um die optischen Eigenschaften biologischer Gewebe zu verstehen, indem sie die Ankunftszeit des reflektierten Lichts analysiert und so tiefere pathophysiologische Informationen liefert.
Physikalische Konzepte
Die zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie injiziert bei ihrer Messung einen Lichtimpuls weniger als 100 Pikosekunden und zeichnet die Ankunftszeit der vom Gewebe zurückgestreuten Photonen auf. Diese Photonen werden mehrfach gestreut und absorbiert, und das resultierende Histogramm der Photonenankunftszeitverteilung liefert wichtige Informationen über Absorption und Streuung.
„Da biologische Gewebe eine gute Transparenz für Licht im Infrarotbereich haben, können wir die Tiefenstruktur des Gewebes tiefgreifend untersuchen.“
Der Kern von TD-NIRS liegt in seiner einzigartigen Zeitauflösungsfähigkeit, die die Schätzung der Konzentrationen verschiedener Komponenten in biologischen Geweben optimieren und relevante Informationen über den Sauerstoffstatus des Blutes liefern kann. Diese Daten sind nicht nur für die klinische Diagnose von entscheidender Bedeutung, sie können auch die Grundlage für frühe Krankheitsvorhersagemodelle bilden.
Instrumentenzusammensetzung
In der Zeitbereichsstreuoptik besteht das Instrument hauptsächlich aus drei Grundkomponenten: einer gepulsten Laserquelle, einem Einzelphotonendetektor und einer Zeitmesselektronik.
Laserquelle
Lichtquellen für die Nahinfrarotspektroskopie im Zeitbereich müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, darunter eine Emissionswellenlänge im Bereich von 650 bis 1350 Nanometern, eine Hochfrequenzwiederholungsrate (größer als 20 MHz) und eine ausreichende Laserleistung ( mehr als 1 mW). In jüngster Zeit erfreuen sich gepulste Faserlaser, die auf der Technologie der Superkontinuumserzeugung basieren, zunehmender Beliebtheit, auch wenn ihre Stabilität noch weiterer Verbesserung bedarf.
„Die in der Vergangenheit verwendeten abstimmbaren Ti:Saphir-Laser bieten ein breites Spektrum an Wellenlängen, sind jedoch sperrig und teuer.“
Detektor
Einzelphotonendetektoren müssen eine hohe Photonendetektionseffizienz, eine große aktive Fläche und eine kurze Reaktionszeit aufweisen. Fasergekoppelte Photomultiplierröhren (PMTs) waren einst die Detektoren der Wahl in diesem Bereich, wurden jedoch aufgrund ihrer großen Größe und Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen nach und nach durch andere Detektionstechnologien ersetzt.
Chronoelektronik
Die Aufgabe der Chronoelektronik besteht darin, das Zeitverteilungshistogramm von Photonen ohne Schaden zu rekonstruieren. Dies beruht typischerweise auf der zeitkorrelierten Einzelphotonenzähltechnologie (TCSPC) und wird mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) oder eines Timing-Digital-Wandlers (TDC) erreicht.
Anwendungsfelder
Zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie hat großes Potenzial für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen gezeigt, darunter Gehirnüberwachung, optische Mammographie und Muskelüberwachung. Diese nicht-invasiven Erkennungstechnologien können nicht nur den Zustand des menschlichen Körpers über einen langen Zeitraum überwachen, sondern auch wichtige physiologische Informationen zeitnah liefern.
„Ob es für die Überwachung am Krankenbett von Säuglingen oder Erwachsenen verwendet wird, TD-NIRS hat seine leistungsstarken diagnostischen Fähigkeiten unter Beweis gestellt.“
Zukunftsaussichten
Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird erwartet, dass die zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie weiterhin ihre einzigartigen Vorteile in der medizinischen Bildgebungstechnologie ausspielen wird. Zukünftige Forschung wird sich auf die Verbesserung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Messungen sowie auf die Ausweitung ihrer Anwendungen auf weitere medizinische Bereiche konzentrieren.
Können wir mit der Weiterentwicklung der optischen Technologie dafür sorgen, dass diese neuen Technologien der menschlichen Gesundheit im weiteren Sinne zugute kommen?
