Language
Country/Area
No result found
Phép thuật quang học đáng kinh ngạc: Làm thế nào để sử dụng sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng để khám phá cơ thể con người?
Trong nghiên cứu y học hiện đại, quang học tán xạ miền thời gian (TD Diffuse Optics) đang dần cho thấy tiềm năng ứng dụng vượt trội của nó. Công nghệ này sử dụng các nguyên lý tán xạ và hấp thụ ánh sáng để thâm nhập sâu vào các lớp mô của con người và cung cấp thông tin y sinh có giá trị. Khi công nghệ này phát triển, các phương pháp đo lường không xâm lấn sẽ cách mạng hóa cách chúng ta theo dõi sức khỏe.
Quang học tán xạ miền thời gian cho phép theo dõi liên tục và không xâm lấn các đặc tính quang học của mô, khiến nó trở thành một công cụ chẩn đoán mạnh mẽ.
Nguyên lý cốt lõi của công nghệ này dựa trên việc nắm bắt chính xác trạng thái ánh sáng trong môi trường khuếch tán. Trong công nghệ này, các xung ánh sáng cực ngắn (dưới 100 pico giây) được tiêm vào mô sinh học bằng nguồn laser xung hiệu suất cao. Sau đó, photon gặp phải nhiều sự tán xạ và hấp thụ và cuối cùng được thu thập ở một khoảng cách nhất định, qua đó ghi lại thời gian tới của photon. Những thời điểm đến này sau đó được chuyển đổi thành biểu đồ phân bố thời gian bay (DTOF), cung cấp thông tin chi tiết về động lực và cấu trúc của mô.
Sự hấp thụ và tán xạ là những hiện tượng chính ảnh hưởng đến sự di chuyển của các photon trong môi trường khuếch tán.
Ánh sáng trong suốt trong phạm vi bước sóng từ đỏ đến gần hồng ngoại của mô sinh học, do đó nó có thể thăm dò sâu vào mô, điều này có ý nghĩa rất lớn trong nhiều ứng dụng in vivo và thử nghiệm lâm sàng. Cụ thể, các quá trình tán xạ và hấp thụ có những tác động khác nhau và có thể được trích xuất độc lập mà không cần phải tách nhiều nguồn-máy dò. Tính chất độc đáo này mang lại cho phương pháp TD một lợi thế rõ ràng so với phương pháp sóng liên tục (CW), vì độ sâu thâm nhập của nó hoàn toàn phụ thuộc vào thời gian tới của các photon.
Tầm soát ung thư, theo dõi lưu lượng máu và đánh giá chức năng não đều là các lĩnh vực ứng dụng của quang học tán xạ TD. Kết hợp với các thành phần thiết bị được tối ưu hóa - nguồn laser xung, máy dò photon đơn và thiết bị điện tử đo thời gian, công nghệ này có thể thu thập và phân tích hiệu quả các tín hiệu quang từ các mô sâu.
Bằng cách ước tính hệ số hấp thụ và tán xạ, các nhà khoa học có thể thu được nồng độ các thành phần khác nhau trong mô và thông tin liên quan đến oxy trong máu.
Sự phát triển của quang học tán xạ miền thời gian hiện đại dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về sự truyền ánh sáng trong môi trường khuếch tán. Làm việc trong lĩnh vực này thường sử dụng lý thuyết truyền bức xạ để phân tích nhiều quá trình tán xạ. Trong một số trường hợp, lý thuyết này có thể cung cấp các giải pháp chính xác, có tính phù hợp cao với các ứng dụng thực tế. Việc áp dụng các lý thuyết này cho phép chúng ta khám phá sinh vật sâu hơn và đặc biệt có giá trị trong việc phát hiện nhiều bệnh lý khác nhau.
Khi nói đến các thành phần cụ thể của thiết bị, cốt lõi của quang học tán xạ miền thời gian bao gồm một nguồn laser xung và một bộ dò photon đơn hiệu quả. Đặc biệt, laser Ti:sapphire cồng kềnh có thể điều chỉnh thường được sử dụng cho nghiên cứu trong quá khứ. Mặc dù chúng cung cấp phạm vi bước sóng rộng, nhưng chúng đang dần được thay thế bằng các nguồn sáng nhỏ hơn và an toàn hơn do kích thước và giá thành cao.
Kết hợp các nguồn sáng xung với các loại máy dò photon đơn khác nhau, chẳng hạn như điốt đếm photon (SPAD) và bộ đếm photon silicon (SiPM), công nghệ hiện đại cho phép hoạt động trong các cửa sổ quang học lớn hơn và cải thiện hiệu quả cũng như độ chính xác của phép đo. Với việc áp dụng các phương pháp cải tiến này, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng thu được tín hiệu quang học của Parry từ bên trong cơ thể con người và sau đó tiến hành phân tích chi tiết.
Trong điện tử thời gian, các kỹ thuật tiên tiến cho phép "tái tạo không mất mát" sự phân bố thời gian bay của các photon, một quá trình cho phép phân tích chi tiết các tín hiệu từ hàng nghìn photon, do đó làm phong phú thêm sự hiểu biết của chúng ta về các mô sinh học. Sự phát triển của các công nghệ này không chỉ cải thiện độ chính xác của công nghệ quang học tán xạ mà còn khiến nó trở nên phổ biến hơn.
Phép phân tán theo miền thời gian có nhiều ứng dụng, từ theo dõi trẻ sơ sinh đến thử nghiệm lâm sàng và có tiềm năng cung cấp thông tin chi tiết về sức khỏe con người.
Khi công nghệ tiếp tục phát triển, quang học tán xạ miền thời gian chắc chắn sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong y sinh học và thậm chí nhiều lĩnh vực khoa học khác. Sự phát triển của công nghệ này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những thay đổi sinh lý bên trong cơ thể con người và cung cấp các giải pháp mới cho việc can thiệp y tế và theo dõi sức khỏe trong tương lai. Hãy tưởng tượng nếu các phương pháp điều trị y tế trong tương lai có thể dựa nhiều hơn vào các công nghệ quang học tiên tiến này để duy trì sức khỏe của chúng ta thì sao?
