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Incredibile magia ottica: come usare la diffusione e l'assorbimento della luce per esplorare il corpo umano?
Nella moderna ricerca medica, l'ottica a diffusione nel dominio del tempo (TD Diffuse Optics) sta gradualmente mostrando il suo straordinario potenziale applicativo. Questa tecnologia sfrutta i principi di diffusione e assorbimento della luce per penetrare in profondità negli strati dei tessuti umani e fornire preziose informazioni biomediche. Con lo sviluppo di questa tecnologia, i metodi di misurazione non invasivi rivoluzioneranno il modo in cui monitoriamo la nostra salute.
L'ottica di diffusione nel dominio del tempo consente un monitoraggio continuo e non invasivo delle proprietà ottiche dei tessuti, rendendola un potente strumento diagnostico.
Il principio fondamentale di questa tecnologia si basa sulla cattura precisa dello stato della luce in un mezzo diffuso. Con questa tecnologia, impulsi di luce estremamente brevi (meno di 100 picosecondi) vengono iniettati nel tessuto biologico utilizzando una sorgente laser pulsata ad alte prestazioni. Successivamente, il fotone subisce molteplici dispersioni e assorbimenti e alla fine viene raccolto a una certa distanza, registrando così il tempo di arrivo del fotone. Questi tempi di arrivo vengono poi convertiti in un istogramma del tempo di volo della distribuzione (DTOF), che fornisce informazioni dettagliate sulla dinamica e sulla struttura del tessuto.
L'assorbimento e la diffusione sono i principali fenomeni che influenzano la migrazione dei fotoni nei mezzi diffusi.
La luce è trasparente nella gamma di lunghezze d'onda che vanno dal rosso al vicino infrarosso dei tessuti biologici, quindi può penetrare in profondità nei tessuti, il che è di grande importanza in varie applicazioni in vivo e sperimentazioni cliniche. Nello specifico, i processi di diffusione e assorbimento hanno effetti diversi e possono essere estratti indipendentemente, senza la necessità di separazioni sorgente-rivelatore multiple. Questa proprietà unica conferisce al metodo TD un chiaro vantaggio rispetto al metodo ad onda continua (CW), poiché la sua profondità di penetrazione dipende completamente dal tempo di arrivo dei fotoni.
Lo screening del cancro, il monitoraggio del flusso sanguigno e la valutazione delle funzioni cerebrali sono tutti campi di applicazione dell'ottica di diffusione TD. In combinazione con componenti strumentali ottimizzati (sorgente laser pulsata, rilevatore di singoli fotoni ed elettronica di temporizzazione), questa tecnologia è in grado di raccogliere e analizzare efficacemente i segnali ottici provenienti dai tessuti profondi.
Stimando i coefficienti di assorbimento e di dispersione, gli scienziati possono ottenere la concentrazione dei diversi componenti nel tessuto e le relative informazioni sull'ossigeno nel sangue.
Lo sviluppo dell'ottica moderna a diffusione nel dominio del tempo si basa su una profonda comprensione della propagazione della luce nei mezzi diffusi. Lavorando in questo settore si utilizza spesso la teoria del trasferimento radiativo per analizzare molteplici processi di diffusione. In alcuni casi, questa teoria può fornire soluzioni accurate, altamente coerenti con le applicazioni pratiche. L'applicazione di queste teorie ci consente di esplorare gli organismi più a fondo e risulta particolarmente utile per individuare varie patologie.
Per quanto riguarda i componenti specifici dello strumento, il nucleo dell'ottica di diffusione nel dominio del tempo comprende una sorgente laser pulsata e un efficiente rilevatore di singoli fotoni. In particolare, in passato venivano spesso utilizzati per la ricerca laser Ti:zaffiro ingombranti e sintonizzabili. Sebbene offrano un'ampia gamma di lunghezze d'onda, vengono gradualmente sostituiti da sorgenti luminose più piccole e sicure a causa delle loro dimensioni e del loro prezzo elevato.
Combinando sorgenti di luce pulsata con diversi tipi di rilevatori di singoli fotoni, come i diodi contatori di fotoni (SPAD) e i contatori di fotoni al silicio (SiPM), la tecnologia moderna consente il funzionamento all'interno di finestre ottiche più ampie e migliora l'efficienza e la precisione delle misurazioni. Grazie all'applicazione di questi metodi innovativi, i ricercatori possono ottenere rapidamente segnali ottici di Parry dall'interno del corpo umano e poi condurre analisi dettagliate.
Nell'elettronica del tempo, tecniche innovative consentono la "ricostruzione senza perdite" della distribuzione del tempo di volo dei fotoni, un processo che consente un'analisi dettagliata dei segnali provenienti da migliaia di fotoni, arricchendo così la nostra comprensione dei tessuti biologici. Lo sviluppo di queste tecnologie non ha solo migliorato la precisione della tecnologia dell'ottica diffusa, ma l'ha anche resa più popolare.
La scatterometria nel dominio del tempo ha un'ampia gamma di applicazioni, dal monitoraggio neonatale ai test clinici, e ha il potenziale per fornire informazioni sulla salute umana.
Con il continuo progresso della tecnologia, l'ottica a diffusione nel dominio del tempo svolgerà senza dubbio un ruolo sempre più importante nella biomedicina e in molti altri campi scientifici. Lo sviluppo di questa tecnologia ci consentirà di comprendere meglio i cambiamenti fisiologici nel corpo umano e di fornire nuove soluzioni per futuri interventi medici e monitoraggio della salute. Immaginate se i trattamenti medici del futuro potessero fare maggior affidamento su queste sofisticate tecnologie ottiche per preservare la nostra salute?
