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穿越光影：時間分辨的近紅外光譜如何重塑醫學影像技術？
隨著醫學影像技術的持續進步，時間分辨的近紅外光譜（TD-NIRS）正以其獨特的特性，逐漸成為診斷和監測生物組織狀態的重要工具。這種技術利用光在散射介質中的傳播特性，通過分析反射光的到達時間，來了解生物組織的光學性質，進而提供更深層次的病理生理信息。
物理概念
時間分辨的近紅外光譜在其測量中，注入一束小於100皮秒的脈衝光，並記錄從組織中散射回來的光子的到達時間。這些光子經過多次散射和吸收，最終形成的光子到達時間分布直方圖提供了關於吸收和散射的關鍵信息。
“由於生物組織在紅外光範圍內對光具有良好的透明度，這使得我們能夠深入探測組織的深層結構。”
TD-NIRS的核心在於其獨特的時間解析能力，能夠優化對生物組織中各種組分濃度的估計，並提供血液氧合狀態的相關信息。這些數據不僅對臨床診斷至關重要，還能成為疾病早期預測模型的基礎。
儀器組成
在時間域散射光學中，儀器主要包括三個基本組件：脈衝激光源、單光子檢測器及計時電子學。
激光源
時間域近紅外光譜的光源需具備特定特徵，包括在650到1350納米範圍內的發射波長、高頻重複率（大於20 MHz）及足夠的激光功率（超過1 mW）。最近，基於超連續生成技術的脈衝光纖激光器開始受到重視，儘管它們的穩定性仍需進一步改進。
“過去使用的可調Ti:sapphire激光器雖然提供了廣泛的波長範圍，但其體積庞大且成本高昂。”
檢測器
單光子檢測器需要具備高光子檢測效率、大活躍面積和小的時間響應。光纖耦合光電倍增管（PMT）曾是這一領域的首選檢測器，然而，由於其體積大和對電磁干擾敏感，逐漸被其他檢測技術取代。
計時電子學
計時電子學的作用是無損壞地重建光子的時間分布直方圖。這通常依賴時間相關單光子計數技術（TCSPC），並使用類比-數位轉換器（ADC）或數位計時轉換器（TDC）來完成。
應用領域
時間分辨的近紅外光譜在各種生物醫學應用中已顯示出強大的潛力，包括腦部監測、光學乳腺攝影和肌肉監測等。這些非侵入性檢測技術不僅能夠長期監測人體狀態，還能及時提供關鍵的生理信息。
“無論是在嬰兒還是成人的床邊監測中，TD-NIRS都展現了它的強大診斷功能。”
未來展望
隨著技術的進一步發展，時間分辨的近紅外光譜有望在醫學影像技術中持續發揮其獨特優勢。未來的研究將重點放在提高測量的準確性和可重複性，以及擴展其在更多醫學領域的應用。
隨著光學技術的進步，我們是否能讓這些新技術更廣泛地造福人類健康？
