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Attraverso luce e ombra: in che modo la spettroscopia del vicino infrarosso risolta nel tempo rimodella la tecnologia dell'imaging medico?
Con il continuo progresso della tecnologia di imaging medicale, la spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo (TD-NIRS) sta gradualmente diventando uno strumento importante per la diagnosi e il monitoraggio dello stato dei tessuti biologici grazie alle sue caratteristiche uniche. Questa tecnologia utilizza le caratteristiche di propagazione della luce nei mezzi di diffusione per comprendere le proprietà ottiche dei tessuti biologici analizzando il tempo di arrivo della luce riflessa, fornendo così informazioni fisiopatologiche più profonde.
Concetti fisici
Nella sua misurazione, la spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo inietta un impulso di luce meno di 100 picosecondi e registra il tempo di arrivo dei fotoni dispersi dal tessuto. Questi fotoni vengono dispersi e assorbiti più volte e l'istogramma risultante della distribuzione del tempo di arrivo dei fotoni fornisce informazioni chiave sull'assorbimento e sulla diffusione.
"Poiché i tessuti biologici hanno una buona trasparenza alla luce nella gamma degli infrarossi, ciò ci consente di sondare in profondità la struttura profonda del tessuto."
Il nucleo di TD-NIRS risiede nella sua capacità unica di risoluzione temporale, che può ottimizzare la stima delle concentrazioni di vari componenti nei tessuti biologici e fornire informazioni rilevanti sullo stato di ossigenazione del sangue. Questi dati non solo sono fondamentali per la diagnosi clinica, ma possono anche costituire la base per modelli di previsione precoce della malattia.
Composizione dello strumento
Nell'ottica di diffusione nel dominio del tempo, lo strumento è costituito principalmente da tre componenti di base: sorgente laser pulsata, rilevatore di fotone singolo ed elettronica di temporizzazione.
Sorgente laser
Le sorgenti luminose per la spettroscopia del vicino infrarosso nel dominio del tempo devono avere caratteristiche specifiche, tra cui una lunghezza d'onda di emissione compresa tra 650 e 1350 nanometri, una velocità di ripetizione ad alta frequenza (maggiore di 20 MHz) e una potenza laser sufficiente ( più di 1 mW). Recentemente, i laser a fibra pulsata basati sulla tecnologia di generazione del supercontinuo hanno iniziato a ricevere attenzione, sebbene la loro stabilità necessiti ancora di ulteriori miglioramenti.
"I laser Ti:zaffiro regolabili utilizzati in passato offrono un'ampia gamma di lunghezze d'onda, ma sono ingombranti e costosi."
Rilevatore
I rilevatori di fotoni singoli devono avere un'elevata efficienza di rilevamento di fotoni, un'ampia area attiva e un tempo di risposta ridotto. Un tempo i tubi fotomoltiplicatori accoppiati a fibra (PMT) erano il rilevatore preferito in questo campo, tuttavia, a causa delle loro grandi dimensioni e della sensibilità alle interferenze elettromagnetiche, sono stati gradualmente sostituiti da altre tecnologie di rilevamento.
Cronoelettronica
Il ruolo della cronoelettronica è ricostruire l'istogramma della distribuzione temporale dei fotoni senza danni. Questo in genere si basa sulla tecnologia di conteggio di fotone singolo correlato al tempo (TCSPC) e viene realizzato utilizzando un convertitore analogico-digitale (ADC) o un convertitore timing-to-digital (TDC).
Campi di applicazione
La spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo ha mostrato un forte potenziale in una varietà di applicazioni biomediche, tra cui il monitoraggio del cervello, la mammografia ottica e il monitoraggio dei muscoli. Queste tecnologie di rilevamento non invasive possono non solo monitorare lo stato del corpo umano per un lungo periodo, ma anche fornire informazioni fisiologiche chiave in modo tempestivo.
"Che venga utilizzato per il monitoraggio al capezzale di neonati o adulti, TD-NIRS ha dimostrato le sue potenti capacità diagnostiche."
Prospettive future
Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia, si prevede che la spettroscopia del vicino infrarosso risolta nel tempo continuerà a esercitare i suoi vantaggi unici nella tecnologia di imaging medico. La ricerca futura si concentrerà sul miglioramento dell’accuratezza e della riproducibilità delle misurazioni, nonché sull’espansione delle sue applicazioni in più campi medici.
Con il progresso della tecnologia ottica, possiamo consentire a queste nuove tecnologie di apportare benefici alla salute umana in modo più ampio?
