Диффузная оптика во временной области

Диффузная оптика во временной области ^[1] или функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия с временным разрешением - это раздел функциональной ближней инфракрасной спектроскопии , который занимается распространением света в диффузионных средах. Существует три основных подхода к диффузной оптике, а именно непрерывные волны. ^[2] (CW), частотная область ^[3] (FD) и временной интервал ^[4] (ТД). Биологические ткани в диапазоне длин волн от красного до ближнего инфракрасного диапазона прозрачны для света и могут использоваться для исследования глубоких слоев ткани, что позволяет проводить различные применения in vivo и клинические испытания.

Физические концепции

При этом подходе в среду вводится узкий импульс света (<100 пикосекунд). Инжектированные фотоны подвергаются многократному рассеянию и поглощению, затем рассеянные фотоны собираются на определенном расстоянии от источника и регистрируются времена прибытия фотонов. Времена прибытия фотонов преобразуются в гистограмму распределения времени пролета (DTOF) фотонов или функцию рассеяния временной точки. Этот DTOF задерживается, ослабляется и расширяется по отношению к введенному импульсу. Двумя основными явлениями, влияющими на миграцию фотонов в диффузионных средах, являются поглощение и рассеяние. Рассеяние вызвано микроскопическими изменениями показателя преломления, обусловленными структурой среды. С другой стороны, поглощение вызвано радиационным или безызлучательным переносом световой энергии при взаимодействии с центрами поглощения, такими как хромофоры. Как поглощение, так и рассеяние описываются коэффициентами $\mu _{a}$ и $\mu _{s}$ соответственно.

События многократного рассеяния расширяют DTOF и ослабляют результат как поглощения, так и рассеяния, поскольку они отклоняют фотоны от направления детектора. Более сильное рассеяние приводит к более задержанному и более широкому DTOF, а более высокое поглощение уменьшает амплитуду и изменяет наклон хвоста DTOF. Поскольку поглощение и рассеяние по-разному влияют на DTOF, их можно извлечь независимо, используя разделение один источник-детектор. Более того, глубина проникновения в TD зависит исключительно от времени прибытия фотонов и не зависит от расстояния между источником и детектором, в отличие от подхода CW .

Введенная функция отклика прибора и реконструированный DTOF

Теория распространения света в диффузионных средах обычно рассматривается в рамках теории переноса излучения в режиме многократного рассеяния. Показано, что уравнение переноса излучения в диффузионном приближении дает достаточно точные решения для практических приложений. ^[5] Например, его можно применить для полубесконечной геометрии или геометрии бесконечной плиты, используя соответствующие граничные условия. Система рассматривается как однородный фон, а включение рассматривается как возмущение поглощения или рассеяния.

Кривая отражения с временным разрешением в точке $\rho$ от источника для полубесконечной геометрии определяется выражением

${\textstyle R(\rho ,t)=kt^{-5/2}\exp \left(-\mu _{a}\nu t\right)\exp \left(-{\frac {\rho ^{2}}{4D\nu t}}\right)S\left(D,s_{0},t\right)}$

где $D={\frac {1}{3\mu _{s}^{\prime }}}$ - коэффициент диффузии, $\mu _{s}^{\prime }=\mu _{s}(1-g)$ – приведенный коэффициент рассеяния и $g$ – коэффициент асимметрии, $\nu$ – скорость фотона в среде, $S(D,s_{0},t)$ учитывает граничные условия и $k$ является константой.

Окончательный DTOF представляет собой свертку функции отклика прибора (IRF) системы с теоретической кривой отражения.

Применительно к биологическим тканям оценка $\mu _{a}$ и $\mu '_{s}$ позволяет нам затем оценить концентрацию различных компонентов ткани, а также предоставляет информацию об оксигенации крови (окси и дезоксигемоглобине), а также о насыщении и общем объеме крови. Затем их можно использовать в качестве биомаркеров для выявления различных патологий.

Инструментарий

Приборы для диффузной оптики во временной области состоят из трех основных компонентов, а именно: импульсного лазерного источника, детектора одиночных фотонов и временной электроники.

Источники

Диффузные оптические источники во временной области должны иметь следующие характеристики: длина волны излучения в оптическом окне, т.е. между 650 и 1350 нанометрами (нм); узкая полная ширина на половине высоты (FWHM), в идеале дельта-функция ; высокая частота повторения (>20 МГц) и, наконец, достаточная мощность лазера (>1 мВт) для достижения хорошего соотношения сигнал/шум .

В прошлом громоздкие перестраиваемые титан-сапфировые лазеры ^[6] были использованы. Они обеспечили широкий диапазон длин волн 400 нм, узкую полувысоту (< 1 пс), высокую среднюю мощность (до 1 Вт) и высокую частоту повторения (до 100 МГц). Однако они громоздки, дороги и требуют много времени для смены длины волны.

В последние годы появились импульсные волоконные лазеры, основанные на генерации суперконтинуума. ^[7] Они обеспечивают широкий спектральный диапазон (от 400 до 2000 пс), типичную среднюю мощность от 5 до 10 Вт, полувысоту < 10 пс и частоту повторения в десятки МГц. Однако они, как правило, довольно дороги и не обладают стабильностью при генерации суперконтинуума и, следовательно, их использование ограничено.

Наиболее распространенными источниками являются импульсные диодные лазеры. ^[8] Они имеют полувысоту около 100 пс, частоту повторения до 100 МГц и среднюю мощность около нескольких милливатт. Несмотря на отсутствие возможности настройки, их низкая стоимость и компактность позволяют использовать несколько модулей в одной системе.

Детекторы

Детектор одиночных фотонов, используемый в диффузной оптике во временной области, требует не только высокой эффективности обнаружения фотонов в диапазоне длин волн оптического окна, но также большой активной площади, а также большой числовой апертуры (NA), чтобы максимизировать общую эффективность сбора света. Они также требуют узкой временной характеристики и низкого шумового фона.

Традиционно фотоумножители для диффузно-оптических измерений в качестве детектора выбирались с оптоволоконной связью (ФЭУ), главным образом благодаря большой активной площади, малому количеству темновых значений и превосходному временному разрешению. Однако они по своей природе громоздки, подвержены электромагнитным помехам и имеют весьма ограниченную спектральную чувствительность. Более того, они требуют высокого напряжения смещения и довольно дороги. Однофотонные лавинные диоды появились как альтернатива PMTS. Они недороги, компактны и могут быть подключены к контакту, но при этом требуют гораздо меньшего напряжения смещения. Кроме того, они обладают более широкой спектральной чувствительностью и более устойчивы к вспышкам света. Однако они имеют гораздо меньшую активную площадь и, следовательно, меньшую эффективность сбора фотонов и большее количество темноты. Кремниевые фотоумножители (SiPM) представляют собой массивы SPAD с общим анодом и общим катодом и, следовательно, имеют большую активную площадь, сохраняя при этом все преимущества, предлагаемые SPAD. Однако они страдают от большего количества темновых импульсов и более широкого временного отклика. ^[9]

Электронный таймер

Тайминговая электроника необходима для восстановления без потерь гистограммы распределения времени пролета фотонов. Это делается с помощью техники коррелированного по времени подсчета одиночных фотонов. ^[10] (TCSPC), где время прибытия отдельных фотонов отмечено относительно сигнала запуска/остановки, обеспечиваемого периодическим лазерным циклом. Эти временные метки затем можно использовать для построения гистограмм времени прибытия фотонов.

Два основных типа синхронизирующей электроники основаны на комбинации время-аналогового преобразователя (TAC) и аналого-цифрового преобразователя (ADC), а также время-цифрового преобразователя. ^[11] (ВМТ) соответственно. В первом случае разница между сигналом пуска и останова преобразуется в аналоговый сигнал напряжения, который затем обрабатывается АЦП. Во втором методе задержка напрямую преобразуется в цифровой сигнал. Системы на основе АЦП обычно имеют лучшее временное разрешение и линейность, но при этом являются дорогостоящими и допускают интеграцию. С другой стороны, TDC могут быть интегрированы в один кристалл и, следовательно, лучше подходят для многоканальных систем. ^[9] Однако они имеют худшие временные характеристики и могут работать с гораздо более низкой постоянной скоростью счета.

Приложения

Полезность оптики TD Diffuse заключается в ее способности непрерывно и неинвазивно контролировать оптические свойства тканей. Это делает его мощным диагностическим инструментом для долгосрочного прикроватного мониторинга как у младенцев, так и у взрослых. Уже было продемонстрировано, что диффузная оптика TD может успешно применяться в различных биомедицинских приложениях, таких как церебральный мониторинг, ^[12] оптическая маммография , ^[13] мониторинг мышц, ^[14] и т. д.

См. также

Ссылки

^ Пиффери, Антонио; Контини, Давиде; Мора, Альберто Далла; Фарина, Андреа; Спинелли, Лоренцо; Торричелли, Алессандро (17 июня 2016 г.). «Новые рубежи диффузной оптики во временной области, обзор» . Журнал биомедицинской оптики . 21 (9): 091310. Бибкод : 2016JBO....21i1310P . дои : 10.1117/1.jbo.21.9.091310 . hdl : 11311/1000388 . ISSN 1083-3668 . ПМИД 27311627 .
^ Мэтчер, Стивен Дж. (2016), «Количественная оценка и локализация сигнала в тканевой ближней инфракрасной спектроскопии», Справочник по оптической биомедицинской диагностике, второе издание, том 1: Взаимодействие света и ткани , SPIE PRESS, doi : 10.1117/3.2219603.ch9 , ISBN 9781628419092
^ Дурдуран, Т; Чоу, Р; Калвер, JP; Зубков Л; Холбоке, MJ; Джаммарко, Дж; Шанс, Б; Йод, АГ (23 июля 2002 г.). «Объемные оптические свойства здоровой ткани женской молочной железы». Физика в медицине и биологии . 47 (16): 2847–2861. Бибкод : 2002PMB....47.2847D . дои : 10.1088/0031-9155/47/16/302 . ISSN 0031-9155 . ПМИД 12222850 . S2CID 250873061 .
^ Тарони, Паола; Пиффери, Антонио; Торричелли, Алессандро; Комелли, Даниэла; Кубедду, Ринальдо (2003). «Спектроскопия поглощения и рассеяния in vivo биологических тканей» . Фотохимические и фотобиологические науки . 2 (2): 124–9. дои : 10.1039/b209651j . ISSN 1474-905X . ПМИД 12664972 . S2CID 45269760 .
^ Мартелли, Фабрицио; Дель Бьянко, Самуэле; Исмаэлли, Андреа; Закканти, Джованни (2009). Распространение света через биологические ткани и другие диффузионные среды: теория, решения и программное обеспечение . дои : 10.1117/3.824746 . ISBN 9780819481832 .
^ Андерссон-Энгельс, С .; Берг, Р.; Перссон, А.; Сванберг, С. (15 октября 1993 г.). «Мультиспектральная характеристика тканей с обнаружением диффузно рассеянного белого света с временным разрешением» (PDF) . Оптические письма . 18 (20): 1697–9. Бибкод : 1993OptL...18.1697A . дои : 10.1364/ол.18.001697 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 19823488 . S2CID 29614936 .
^ Селб, Джульетта; Циммерманн, Бернхард Б.; Мартино, Марк; Огден, Тайлер; Боас, Дэвид А. (25 марта 2013 г.). Тромберг, Брюс Дж; Йод, Арджун Дж; Севик-Мурака, Ева М. (ред.). «Функциональная визуализация мозга с помощью суперконтинуальной системы NIRS во временной области». Оптическая томография и спектроскопия ткани X . 8578 . SPIE: 857807. Бибкод : 2013SPIE.8578E..07S . дои : 10.1117/12.2005348 . S2CID 122062730 .
^ Диоп, Мамаду; Тихауэр, Кеннет М.; Эллиотт, Джонатан Т.; Мигеис, Марк; Ли, Тинг-Йим; Святой Лаврентий, Кейт (11 февраля 2010 г.). «Техника ближнего инфракрасного диапазона с временным разрешением для прикроватного мониторинга абсолютного мозгового кровотока». В Во-Динь, Туан; Грундфест, Уоррен С; Махадеван-Янсен, Анита (ред.). Передовые биомедицинские и клинические диагностические системы VIII . Том. 7555. ШПИОН. стр. 75550З. Бибкод : 2010SPIE.7555E..0ZD . дои : 10.1117/12.842521 . S2CID 95205559 .
^ Jump up to: ^а ^б Феросино, Эдоардо; Мартиненги, Эдоардо; Далла Мора, Альберто; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Тарони, Паола (23 января 2018 г.). «Высокопроизводительная цепь обнаружения для оптической маммографии во временной области» . Биомедицинская оптика Экспресс . 9 (2): 755–770. дои : 10.1364/BOE.9.000755 . ПМЦ 5854076 . ПМИД 29552410 .
^ БЕККЕР, ВОЛЬФГАНГ. (2016). Усовершенствованные приложения для подсчета одиночных фотонов с корреляцией по времени . СПРИНГЕР ИНТЕРНЕШНЛ ПУ. ISBN 978-3319358420 . OCLC 959950907 .
^ Калиш, Юзеф (2004). «Обзор методов измерения временных интервалов с пикосекундным разрешением». Метрология . 41 (1): 17–32. Бибкод : 2004Метро..41...17К . дои : 10.1088/0026-1394/41/1/004 . S2CID 250775541 .
^ Торричелли, Алессандро (2014). «Функциональная NIRS-визуализация во временной области для картирования мозга человека» . НейроИмидж . 85 : 28–50. doi : 10.1016/j.neuroimage.2013.05.106 . hdl : 11311/759006 . ПМИД 23747285 .
^ Гросеник, Д. (2016). «Оптическая визуализация молочной железы и спектроскопия» . Журнал биомедицинской оптики . 21 (9): 091311. doi : 10.1117/1.JBO.21.9.091311 . hdl : 11311/1013563 . ПМИД 27403837 . S2CID 42000848 .
^ Контини, Давиде; Зуккелли, Люсия; Спинелли, Лоренцо; Каффини, Маттео; Король, Ребекка; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Торричелли, Алессандро (2012). «Мозг и мышцы в ближнем инфракрасном диапазоне/методы визуализации» (PDF) . Журнал ближней инфракрасной спектроскопии . 20 (1): 15–27. дои : 10.1255/jnirs.977 . ISSN 0967-0335 . S2CID 98108662 .

[1] Пиффери, Антонио; Контини, Давиде; Мора, Альберто Далла; Фарина, Андреа; Спинелли, Лоренцо; Торричелли, Алессандро (17 июня 2016 г.). «Новые рубежи диффузной оптики во временной области, обзор» . Журнал биомедицинской оптики . 21 (9): 091310. Бибкод : 2016JBO....21i1310P . дои : 10.1117/1.jbo.21.9.091310 . hdl : 11311/1000388 . ISSN 1083-3668 . ПМИД 27311627 .

[2] Мэтчер, Стивен Дж. (2016), «Количественная оценка и локализация сигнала в тканевой ближней инфракрасной спектроскопии», Справочник по оптической биомедицинской диагностике, второе издание, том 1: Взаимодействие света и ткани , SPIE PRESS, doi : 10.1117/3.2219603.ch9 , ISBN 9781628419092

[3] Дурдуран, Т; Чоу, Р; Калвер, JP; Зубков Л; Холбоке, MJ; Джаммарко, Дж; Шанс, Б; Йод, АГ (23 июля 2002 г.). «Объемные оптические свойства здоровой ткани женской молочной железы». Физика в медицине и биологии . 47 (16): 2847–2861. Бибкод : 2002PMB....47.2847D . дои : 10.1088/0031-9155/47/16/302 . ISSN 0031-9155 . ПМИД 12222850 . S2CID 250873061 .

[4] Тарони, Паола; Пиффери, Антонио; Торричелли, Алессандро; Комелли, Даниэла; Кубедду, Ринальдо (2003). «Спектроскопия поглощения и рассеяния in vivo биологических тканей» . Фотохимические и фотобиологические науки . 2 (2): 124–9. дои : 10.1039/b209651j . ISSN 1474-905X . ПМИД 12664972 . S2CID 45269760 .

[Martelli-2009-5] Мартелли, Фабрицио; Дель Бьянко, Самуэле; Исмаэлли, Андреа; Закканти, Джованни (2009). Распространение света через биологические ткани и другие диффузионные среды: теория, решения и программное обеспечение . дои : 10.1117/3.824746 . ISBN 9780819481832 .

[6] Андерссон-Энгельс, С .; Берг, Р.; Перссон, А.; Сванберг, С. (15 октября 1993 г.). «Мультиспектральная характеристика тканей с обнаружением диффузно рассеянного белого света с временным разрешением» (PDF) . Оптические письма . 18 (20): 1697–9. Бибкод : 1993OptL...18.1697A . дои : 10.1364/ол.18.001697 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 19823488 . S2CID 29614936 .

[7] Селб, Джульетта; Циммерманн, Бернхард Б.; Мартино, Марк; Огден, Тайлер; Боас, Дэвид А. (25 марта 2013 г.). Тромберг, Брюс Дж; Йод, Арджун Дж; Севик-Мурака, Ева М. (ред.). «Функциональная визуализация мозга с помощью суперконтинуальной системы NIRS во временной области». Оптическая томография и спектроскопия ткани X . 8578 . SPIE: 857807. Бибкод : 2013SPIE.8578E..07S . дои : 10.1117/12.2005348 . S2CID 122062730 .

[8] Диоп, Мамаду; Тихауэр, Кеннет М.; Эллиотт, Джонатан Т.; Мигеис, Марк; Ли, Тинг-Йим; Святой Лаврентий, Кейт (11 февраля 2010 г.). «Техника ближнего инфракрасного диапазона с временным разрешением для прикроватного мониторинга абсолютного мозгового кровотока». В Во-Динь, Туан; Грундфест, Уоррен С; Махадеван-Янсен, Анита (ред.). Передовые биомедицинские и клинические диагностические системы VIII . Том. 7555. ШПИОН. стр. 75550З. Бибкод : 2010SPIE.7555E..0ZD . дои : 10.1117/12.842521 . S2CID 95205559 .

[Ferocino-2018-9] Jump up to: ^а ^б Феросино, Эдоардо; Мартиненги, Эдоардо; Далла Мора, Альберто; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Тарони, Паола (23 января 2018 г.). «Высокопроизводительная цепь обнаружения для оптической маммографии во временной области» . Биомедицинская оптика Экспресс . 9 (2): 755–770. дои : 10.1364/BOE.9.000755 . ПМЦ 5854076 . ПМИД 29552410 .

[10] БЕККЕР, ВОЛЬФГАНГ. (2016). Усовершенствованные приложения для подсчета одиночных фотонов с корреляцией по времени . СПРИНГЕР ИНТЕРНЕШНЛ ПУ. ISBN 978-3319358420 . OCLC 959950907 .

[11] Калиш, Юзеф (2004). «Обзор методов измерения временных интервалов с пикосекундным разрешением». Метрология . 41 (1): 17–32. Бибкод : 2004Метро..41...17К . дои : 10.1088/0026-1394/41/1/004 . S2CID 250775541 .

[12] Торричелли, Алессандро (2014). «Функциональная NIRS-визуализация во временной области для картирования мозга человека» . НейроИмидж . 85 : 28–50. doi : 10.1016/j.neuroimage.2013.05.106 . hdl : 11311/759006 . ПМИД 23747285 .

[13] Гросеник, Д. (2016). «Оптическая визуализация молочной железы и спектроскопия» . Журнал биомедицинской оптики . 21 (9): 091311. doi : 10.1117/1.JBO.21.9.091311 . hdl : 11311/1013563 . ПМИД 27403837 . S2CID 42000848 .

[14] Контини, Давиде; Зуккелли, Люсия; Спинелли, Лоренцо; Каффини, Маттео; Король, Ребекка; Пиффери, Антонио; Кубедду, Ринальдо; Торричелли, Алессандро (2012). «Мозг и мышцы в ближнем инфракрасном диапазоне/методы визуализации» (PDF) . Журнал ближней инфракрасной спектроскопии . 20 (1): 15–27. дои : 10.1255/jnirs.977 . ISSN 0967-0335 . S2CID 98108662 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]