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從光束到資訊：時間域擴散光學如何實現即時生理監測？
在現代醫學中，對於快速且準確的生理監測的需求越來越高。如何突破傳統方法的侷限，實現即時的監測效果，是科學家們的共同努力方向。時間域擴散光學（TD Diffuse Optics）即是這樣一個能夠在不停變化的生理環境中，精確捕捉身體狀態的技術。本文將探討這一技術的基本原理、儀器組成及其在醫療中的應用。
基本原理
時間域擴散光學主要透過注入一束極窄的光脈衝（少於100皮秒）來觀察生物組織。這些入射的光子在進入組織後會經歷許多次散射和吸收，隨後被在一定距離處的檢測器收集並記錄光子的到達時間。這些光子到達時間轉化為光子飛行時間分佈圖（DTOF），展示了光子在組織中移動的情況。
多次的散射事件不僅使DTOF變得更廣泛，吸收和散射的效應各自影響著光子的行進路徑，從而改變了DTOF的形狀。
這項技術利用吸收和散射的不同特性，能夠獨立提取相關資訊，從而預測生物體內的變化，包括血氧濃度和血容量等指標。這些信息對於疾病的早期檢測至為關鍵。
儀器組成
時間域擴散光學的儀器組成主要包括三個基本部分：脈衝激光源、單光子檢測器和計時電子學。
脈衝激光源
有效的激光源需要具備以下特點：在650到1350納米的波長範圍內發射、窄的半高寬（理想情況下為δ函數）、高重複率（超過20MHz）以及足夠的激光功率（超過1毫瓦）。過去使用的鈦藍寶石激光器雖然能提供廣泛的波長範圍，但其體積龐大且價格昂貴。
如今，基於光纖的脈衝激光器逐漸取代了過去的重型設備，其高功率、高頻率的特性，使其成為時間域擴散光學的優選方案。
單光子檢測器
用於此技術的單光子檢測器需要擁有高光子檢測效率以及大的有效區域和數值孔徑（N.A.），以最大限度提升光收集效率。傳統上，光纖耦合的光電倍增管（PMT）由於其低暗計數和優越的計時解析能力而受到青睞，但其體積較大且價格不菲。現在，單光子雪崩二極管（SPAD）和矽光電倍增管（SiPM）的出現則為檢測提供了另一種低成本且緊湊的選擇。
計時電子學
計時電子學的功能是無損地構建光子飛行時間的分佈直方圖。這通常通過時間相關單光子計數（TCSPC）技術來實現，以標記每個光子的到達時間。計時電子設備的性能直接影響系統的整體性能。
良好的計時解析度和系統整合能力，是促使時間域擴散光學技術廣泛應用的關鍵因素。
應用領域
時間域擴散光學的價值在於其能夠持續且無創地監測組織的光學性質，使其成為診斷工具的強大助力。該技術已成功應用於多項生醫領域，包括腦部監測、光學乳腺攝影和肌肉檢測等。
透過這項技術，我們可以實時獲得重要的生理數據，為臨床醫生提供 invaluable 的支持和參考。
隨著科技的不斷進步，未來時間域擴散光學是否能在更廣泛的醫學領域中發揮新的潛力呢？
