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Il viaggio segreto della luce: perché l'ottica diffusa nel dominio del tempo può svelare i profondi misteri dei tessuti biologici?
Nella comunità scientifica, esplorare i misteri della vita è sempre stata una delle sfide più grandi per gli scienziati. Con l'avvento dell'ottica diffusa nel dominio del tempo, la direzione di questo campo è cambiata. Questa tecnologia non solo ci aiuta a comprendere la struttura dei tessuti biologici, ma è anche uno strumento fondamentale per le future diagnosi mediche. Questo articolo esplorerà i principi, gli strumenti e le attrezzature di questa tecnologia e le sue applicazioni in biomedicina.
Principi dell'ottica di diffusione nel dominio del tempo
L'ottica diffusa nel dominio del tempo, nota anche come spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso risolta nel tempo, è una tecnica che si concentra sulla propagazione della luce nei mezzi diffusi. Emettendo impulsi luminosi stretti, questi impulsi luminosi verranno dispersi e assorbiti più volte dopo essere entrati nel tessuto biologico. I tempi di arrivo dei fotoni rilevati possono essere registrati e convertiti in un istogramma della distribuzione del tempo di volo dei fotoni, che rivela il comportamento della luce nel tessuto.
Questa tecnologia separerà le diverse caratteristiche dei tessuti biologici e potrà estrarre in modo indipendente gli effetti dell'assorbimento e della dispersione.
Nei mezzi diffusi, i principali fenomeni che influenzano il moto dei fotoni includono l'assorbimento e la diffusione. L'assorbimento è causato dalla presenza di vari pigmenti nei tessuti biologici, mentre la dispersione è causata da differenze strutturali nel mezzo. Questi due fattori insieme determinano il tempo e l'intensità dei fotoni che arrivano al rilevatore. Pertanto, analizzando la distribuzione del tempo di volo, è possibile ottenere la concentrazione di vari componenti nel tessuto, come lo stato ossigenato e deossigenato dell'emoglobina.
Composizione degli strumenti e delle attrezzature
Gli strumenti ottici a diffusione nel dominio del tempo sono costituiti principalmente da tre parti principali: sorgente laser pulsata, rilevatore di singoli fotoni ed elettronica temporale. Le prestazioni di questi componenti influiscono direttamente sulla precisione e sulla sensibilità del sistema nel suo complesso.
Sorgente laser pulsata
La sorgente laser pulsata utilizzata nell'ottica diffusa nel dominio del tempo richiede determinate caratteristiche. La sua lunghezza d'onda di emissione dovrebbe essere compresa tra 650 e 1350 nanometri e idealmente avere una semi-larghezza stretta. Inoltre, la sorgente laser deve avere un'elevata frequenza di ripetizione e una potenza laser sufficiente per garantire un buon rapporto segnale/rumore. Con il progresso della tecnologia, i precedenti laser al litio-cromo-zaffiro a rilascio regolabile sono stati gradualmente sostituiti dai laser a fibra pulsata.
Rilevatore di fotoni singoli
I rilevatori adatti all'ottica a diffusione nel dominio del tempo richiedono non solo elevata efficienza e ampia area effettiva, ma anche buona risposta temporale e basso rumore di fondo. I tradizionali tubi fotomoltiplicatori non sono più l'unica opzione. L'emergere di diodi a valanga a singolo fotone e fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) ha fornito più opzioni in questo campo.
Elettronica del tempo
L'obiettivo della cronotronica è ricostruire senza perdite l'istogramma dei tempi di volo dei fotoni. Utilizzando il conteggio dei singoli fotoni correlato al tempo, un processo che prevede la marcatura dei tempi di arrivo dei fotoni, i dati vengono raccolti per generare un istogramma. Gli attuali sistemi elettronici si basano principalmente sulla combinazione di un convertitore tempo-digitale (TDC) o di un convertitore tempo-analogico (TAC) e di un convertitore analogico-digitale (ADC).
Valore nelle applicazioni biomediche
L'ottica di diffusione nel dominio del tempo ha grandi potenzialità applicative in campo biomedico. Può monitorare in modo continuo e non invasivo le proprietà ottiche dei tessuti, diventando uno strumento importante per la diagnosi a lungo termine. Questa tecnologia è stata applicata con successo al monitoraggio cerebrale, alla mammografia ottica e al monitoraggio muscolare, dimostrando il suo potenziale come diagnostica clinica.
Man mano che la comunità accademica conduce ricerche approfondite su questa tecnologia, in futuro saremo in grado di svelare altri misteri nascosti nei tessuti biologici.
Il Viaggio Segreto della Luce continua a spostare i confini della medicina attraverso la combinazione di tecnologia e scienza. Guardando al futuro, non possiamo fare a meno di chiederci: in che modo questa tecnologia cambierà la nostra comprensione della vita?
