La óptica difusa en el dominio del tiempo [1] o la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano con resolución temporal es una rama de la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano que se ocupa de la propagación de la luz en medios difusivos. Hay tres enfoques principales para la óptica difusa, a saber, onda continua [2] (CW), dominio de frecuencia [3] (FD) y dominio de tiempo [4] (TD). El tejido biológico en el rango de longitudes de onda del rojo al infrarrojo cercano es transparente a la luz y puede usarse para sondear capas profundas del tejido, lo que permite diversas aplicaciones in vivo y ensayos clínicos.
Conceptos físicos
En este enfoque, se inyecta un pulso estrecho de luz (<100 picosegundos) en el medio. Los fotones inyectados sufren múltiples eventos de dispersión y absorción y los fotones dispersos se recogen a una cierta distancia de la fuente y se registran los tiempos de llegada de los fotones. Los tiempos de llegada de los fotones se convierten en el histograma de la distribución del tiempo de vuelo (DTOF) de los fotones o en la función de dispersión de puntos temporales. Este DTOF se retrasa, atenúa y amplía con respecto al pulso inyectado. Los dos fenómenos principales que afectan la migración de fotones en medios difusores son la absorción y la dispersión. La dispersión es causada por cambios microscópicos del índice de refracción debido a la estructura del medio. La absorción, por otro lado, es causada por una transferencia radiativa o no radiativa de energía luminosa en interacción con centros de absorción como los cromóforos. Tanto la absorción como la dispersión se describen mediante coeficientesy respectivamente.
Múltiples eventos de dispersión amplían el DTOF y la atenuación de un resultado tanto de la absorción como de la dispersión, ya que desvían los fotones de la dirección del detector. Una mayor dispersión conduce a un DTOF más retrasado y más amplio y una mayor absorción reduce la amplitud y cambia la pendiente de la cola del DTOF. Dado que la absorción y la dispersión tienen efectos diferentes en el DTOF, se pueden extraer de forma independiente utilizando una única separación de fuente-detector. Además, la profundidad de penetración en TD depende únicamente de los tiempos de llegada de los fotones y es independiente de la separación fuente-detector a diferencia del enfoque de CW .
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La teoría de la propagación de la luz en medios difusivos generalmente se aborda utilizando el marco de la teoría de la transferencia radiativa bajo el régimen de dispersión múltiple. Se ha demostrado que la ecuación de transferencia radiativa bajo la aproximación de difusión produce soluciones suficientemente precisas para aplicaciones prácticas. [5] Por ejemplo, se puede aplicar para la geometría semi-infinita o la geometría de losa infinita, usando condiciones de contorno adecuadas. El sistema se considera un fondo homogéneo y una inclusión se considera una perturbación de absorción o dispersión.
La curva de reflectancia resuelta en el tiempo en un punto de la fuente para una geometría semi-infinita está dada por
dónde es el coeficiente de difusión, es el coeficiente de dispersión reducido y es el factor de asimetría, es la velocidad del fotón en el medio, tiene en cuenta las condiciones de contorno y es una constante.
El DTOF final es una convolución de la función de respuesta del instrumento (IRF) del sistema con la curva de reflectancia teórica.
Cuando se aplica a la estimación de tejidos biológicos de y nos permite estimar la concentración de los distintos componentes del tejido y proporciona información sobre la oxigenación de la sangre (oxi y desoxihemoglobina), así como la saturación y el volumen sanguíneo total. Luego, estos pueden usarse como biomarcadores para detectar diversas patologías.
Instrumentación
La instrumentación en óptica difusa en el dominio del tiempo consta de tres componentes fundamentales, a saber, una fuente de láser pulsado, un detector de fotón único y una electrónica de sincronización.
Fuentes
Las fuentes ópticas difusas en el dominio del tiempo deben tener las siguientes características; longitud de onda de emisión en la ventana óptica, es decir, entre 650 y 1350 nanómetros (nm); un ancho completo estrecho a la mitad del máximo (FWHM), idealmente una función delta ; alta tasa de repetición (> 20 MHz) y, finalmente, suficiente potencia láser (> 1 mW) para lograr una buena relación señal / ruido .
En el pasado, se utilizaban láseres voluminosos sintonizables Ti: zafiro [6] . Proporcionaron un amplio rango de longitud de onda de 400 nm, un FWHM estrecho (<1 ps) de potencia media alta (hasta 1 W) y una frecuencia de alta repetición (hasta 100 MHz). Sin embargo, son voluminosos, costosos y el cambio de longitud de onda lleva mucho tiempo.
En los últimos años han surgido láseres de fibra pulsada basados en la generación supercontinua. [7] Proporcionan un amplio rango espectral (400 a 2000 ps), una potencia promedio típica de 5 a 10 W, un FWHM de <10 ps y una frecuencia de repetición de decenas de MHz. Sin embargo, generalmente son bastante caros y carecen de estabilidad en la generación de supercontinuo y, por lo tanto, su uso se ha limitado.
Las fuentes más difundidas son los láseres de diodo pulsado. [8] Tienen un FWHM de alrededor de 100 ps y una frecuencia de repetición de hasta 100 MHz y una potencia promedio de unos pocos milivatios. A pesar de que carecen de capacidad de sintonización, su bajo costo y su tamaño compacto permite que se utilicen varios módulos en un solo sistema.
Detectores
El detector de fotón único utilizado en óptica difusa en el dominio del tiempo requiere no solo una alta eficiencia de detección de fotones en el rango de longitud de onda de la ventana óptica, sino también un área activa grande, así como una gran apertura numérica (NA) para maximizar la eficiencia general de recolección de luz. También requieren una respuesta de tiempo estrecha y un fondo de bajo ruido.
Tradicionalmente, los tubos fotomultiplicadores acoplados a fibra (PMT) han sido el detector elegido para mediciones ópticas difusas, gracias principalmente a la gran área activa, el bajo recuento de oscuridad y la excelente resolución de sincronización. Sin embargo, son intrínsecamente voluminosos, propensos a las perturbaciones electromagnéticas y tienen una sensibilidad espectral bastante limitada. Además, requieren un alto voltaje de polarización y son bastante costosos. Los diodos de avalancha de fotones únicos han surgido como una alternativa al PMTS. Son de bajo costo, compactos y se pueden colocar en contacto, mientras que necesitan un voltaje de polarización mucho menor. Además, ofrecen una sensibilidad espectral más amplia y son más resistentes a las ráfagas de luz. Sin embargo, tienen un área activa mucho más baja y, por lo tanto, una eficiencia de recolección de fotones más baja y un recuento de oscuridad más grande. Los fotomultiplicadores de silicio (SiPM) son una matriz de SPAD con un ánodo global y un cátodo global y, por lo tanto, tienen un área activa más grande al tiempo que mantienen todas las ventajas que ofrecen los SPAD. Sin embargo, sufren de un recuento oscuro más grande y una respuesta de tiempo más amplia. [9]
Electrónica de sincronización
La electrónica de sincronización es necesaria para reconstruir sin pérdidas el histograma de la distribución del tiempo de vuelo de los fotones. Esto se hace utilizando la técnica de recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo [10] (TCSPC), donde los tiempos de llegada de fotones individuales se marcan con respecto a una señal de inicio / parada proporcionada por el ciclo láser periódico. Estas marcas de tiempo se pueden usar para construir histogramas de tiempos de llegada de fotones.
Los dos tipos principales de electrónica de temporización se basan en una combinación de convertidor de tiempo a analógico (TAC) y un convertidor de analógico a digital (ADC), y convertidor de tiempo a digital [11] (TDC), respectivamente. En el primer caso, la diferencia entre la señal de inicio y parada se convierte en una señal de voltaje analógica, que luego es procesada por el ADC. En el segundo método, el retardo se convierte directamente en una señal digital. Los sistemas basados en ADC generalmente tienen una mejor resolución de sincronización y linealidad, a la vez que son costosos y tienen la capacidad de integrarse. Los TDC, por otro lado, se pueden integrar en un solo chip y, por lo tanto, se adaptan mejor a los sistemas multicanal. [9] Sin embargo, tienen un peor desempeño de temporización y pueden manejar tasas de conteo sostenidas mucho más bajas.
Aplicaciones
La utilidad de la óptica TD Diffuse radica en su capacidad para monitorear de manera continua y no invasiva las propiedades ópticas del tejido. Lo que lo convierte en una poderosa herramienta de diagnóstico para la monitorización de cabecera a largo plazo en bebés y adultos por igual. Ya se ha demostrado que la óptica difusa TD se puede aplicar con éxito a diversas aplicaciones biomédicas como la monitorización cerebral, [12] la mamografía óptica , [13] la monitorización muscular, [14] etc.
Ver también
Referencias
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