Теория коллимированной передачи
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Метод коллимированного пропускания — прямой способ измерения оптических свойств материалов. Это особенно полезно для определения оптических свойств тканей, что позволяет разрабатывать как диагностические, так и терапевтические методы. Эти оптические свойства описываются коэффициентом поглощения µ a , коэффициентом рассеяния µ s и коэффициентом анизотропии g.
В методе коллимированного пропускания лазерный луч направляется перпендикулярно материалу, и обнаружение переизлученного света дает информацию об общем интерактивном эффекте оптических свойств материала. [ 1 ] Использование нескольких длин волн может дать спектры с более подробной информацией о составе ткани или материала (спектроскопия). Хотя этот метод прост и требует минимального оборудования, он приводит к ошибкам, связанным с многократным рассеянием и зеркальным отражением. [ 2 ] Некоторые полезные уравнения, определяющие свойства, включают:
μ а = коэффициент поглощения = N а 𝜎 а ; μ s = коэффициент рассеяния = N s 𝜎 s ; g = анизотропия рассеяния = <cos(𝛳)>; µt = коэффициент затухания = µ a + µ s
Где N a — количество поглотителей в среде, 𝜎 a — сечение поглощения, N s — количество рассеивателей в среде, 𝜎 s — сечение рассеяния, 𝛳 — угол рассеяния.
История
[ редактировать ]Метод коллимированного пропускания используется для измерения оптических свойств биологических тканей с начала 1980-х годов. Коллимированный источник света генерировался лазером или диффузным источником и коллиматором. Было обнаружено пропускание нерассеянного света через ткань, и закон Бера был использован для оценки коэффициента экстинкции ц t . Это было сделано для тканей человека, свиньи, грызунов, крупного рогатого скота и курицы и сравнено с теоретическими моделями для прогнозирования надежных оптических свойств. [ 3 ] Знание этих свойств имело решающее значение для дозиметрических исследований.
Кроме того, этот метод был применен для измерения оптических свойств мутных сред для улучшения моделирования тканевых фантомов. [ 5 ]
К концу 1980-х годов в нескольких исследованиях также проверялись оптические свойства биологических тканей на разных длинах волн для получения спектров. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Теория
[ редактировать ]Общая схема коллимированной передачи следующая:
1) Коллимированный источник света проходит через образец.
2) Проходящий свет фильтруется двумя отверстиями.
3) Фотодетектор собирает прошедшие (в основном баллистические) фотоны.
необходимо измерить прозрачную среду, показатель преломления которой точно соответствует показателю преломления испытуемого образца. Чтобы получить эталонный сигнал баллистического света I o , Этот этап калибровки включен для учета любой интенсивности света, которая теряется на границах кюветы или другого держателя образца. Потеря интенсивности может произойти из-за отражения на любой границе раздела и/или поглощения кюветой.
После получения опорного сигнала его сравнивают с прошедшим светом Is измеряемого образца. Для расчета соответствующего коэффициента затухания µ t можно применить закон Бера следующим образом: I s = I o exp(-μ t d), где d — толщина образца. Таким образом, коэффициент экстинкции равен: µ t = -ln(I s /I o )/d.
Приложения
[ редактировать ]Спектрофотометрия : Количественное измерение коэффициента пропускания в зависимости от длины волны. Это важно во многих областях биомедицины, от измерения растворенного вещества в образце до определения кинетики фермента для данной пары субстрат - фермент . Спектрофотометрия требует нескольких длин волн для самых разных образцов. Поэтому дуговая лампа используется для генерации нескольких длин волн для коллимирующих зеркал и дифракционных решеток для генерации коллимированного света в узкой полосе пропускания.
Пульсоксиметрия — это неинвазивный клинический метод, который использует пропускание коллимированного света для измерения насыщения кислородом . Две длины волны проходят через тонкий кусок ткани ( мочку уха или кончик пальца), а фотодетектор на другой стороне обнаруживает передачу на каждой длине волны. Благодаря изменению оптической плотности на различных длинах волн можно определить поглощение артериальной крови и исключить поглощение венозной крови, кожи и т. д.
Эта технология используется для конкретного определения определенных оптических свойств, таких как коэффициенты поглощения и коэффициенты рассеяния. Однородные и неоднородные среды можно анализировать, чтобы узнать эти параметры. Помимо чистоты образца, с помощью этого метода можно анализировать различные типы материалов. С помощью этого метода можно анализировать агарозу , агар , воду, полистирол , TiO 2 и ряд других материалов. Помимо экспериментальной установки, для сбора и анализа данных необходимы ограниченные технологии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ван, Лихун В. и Синь-И. Ву. Измерение оптических свойств и спектроскопия. Биомедицинская оптика: принципы и изображения. Джон Уайли и сыновья, 2012.
- ^ Ван, Лихонг и Стивен Л. Жак. «Оценка погрешности измерения общих коэффициентов взаимодействия мутных сред с использованием коллимированного пропускания света». Физика в медицине и биологии 39.12 (1994): 2349.
- ^ Чеонг, Вай-Фунг, Скотт А. Прал и Эшли Дж. Уэлч. «Обзор оптических свойств биологических тканей». Журнал IEEE по квантовой электронике 26.12 (1990): 2166-2185.
- ^ Коллиматор
- ^ Флок, Стивен Т. и др. «Оптические свойства интралипида: фантомная среда для исследований распространения света». Лазеры в хирургии и медицине 12.5 (1992): 510-519.
- ^ BC Wilson, WP Jeeves и DM Lowe, «In vivo и посмертные измерения спектров затухания света в тканях млекопитающих», Photochem. Фотобиол., вып. 42, стр. 153–162, 1985.
- ^ М. Кейзер, Р. Р. Ричардс-Кортум, С. Л. Жак и М. С. Фельд, «Флуоресцентная спектроскопия мутных сред: автофлуоресценция аорты человека», Appl. Опт., вып. 28, стр. 4286-4292, 1989.
- ^ Ф. Х. Лонг, Н. С. Нишиока и Т. Ф. Деуст, «Измерение оптических и тепловых свойств желчных камней с использованием импульсной фототермической радиометрии», Lasers Surg. Мед., вып. 7, стр. 461–466, 1987.