Gewebeoptik

1
Gewebeoptik
Wechselwirkung von Licht und Materie
– insbesondere mit biologischem Gewebe:
• Absorption
• Streuung
• Fluoreszenz
SoSe 2014
Gewebeoptik
2
Eigenschaften des Lichtes
• Klassische Beschreibung (Wellenoptik)
– Licht ist eine transversale elektromagnetische Welle mit
Wellenlängen zwischen 100nm und 10µm
z.B. E  E0 cos(2 (  t  x /  ))
• Quantenphysikalische Beschreibung (Teilchenoptik)
– Lokalisierte masselose Energiequanten: Photonen
– Energie eines Photons: Ep = h = hc/
h = 6.626 ·10-34 Js (Plancksches Wirkungsquantum)
SoSe 2014
Gewebeoptik
3
Das elektromagnetische Spektrum
1 eV = 1.60219·10-19 J
SoSe 2014
Gewebeoptik
4
Wechselwirkung von Licht und Materie
•
bestimmt durch Energiezustände (Energieniveaus) der Moleküle
– der Grundzustand ist der niedrigste Energiezustand
– angeregte Zustände sind Zustände höherer Energie
•
die Energie setzt sich aus verschiedenen Beiträgen zusammen:
Emol = Esp + Ee-spin + Enuc.spin + Erot + Evib + Eelec
–
sp:
kinetische und potentielle Energie des Schwerpunktes des Moleküls
sehr klein
–
e-/nuc spin:
Kern- und Elektronenspin
Radiofrequenzbereich, ca. 10-7 eV / Molekül
–
rot:
Rotation des Moleküls um den Schwerpunkt
Mikrowellenbereich, ca. 10-3 eV / Molekül
–
vib:
Schwingungen der einzelnen Atome
Infrarotlicht, ca. 0.1 eV / Molekül
–
elec:
räumliche Elektronenkonfiguration innerhalb des Moleküls
ultraviolettes oder sichtbares Licht, ca. 1 - 10 eV / Molekül
SoSe 2014
Gewebeoptik
5
Absorption
Der Ausbreitungseffekt, der die Identifikation
verschiedener Bestandteile des Gewebes erlaubt
SoSe 2014
Gewebeoptik
6
Elektronische und Vibrationszustände
•
•
•
•
•
die elektronischen Energieniveaus hängen von Abstand der Kerne innerhalb
eines Molekülorbitals ab
zu jedem elektronischen Niveau gehört eine
Anzahl von Vibrationsniveaus
die Absorption von UV- oder sichtbarem Licht
bewirkt Übergänge zwischen elektronischen
Energieniveaus
die Absorption von Infrarotlicht bewirkt
Übergänge zwischen Vibrationsniveaus
thermische Anregung verteilt die Moleküle auf
die verfügbaren Energieniveaus gemäß der Boltzmannverteilung
N = Ng exp(-E/kBT) mit kB = 1.8066210-23 J/K
•
•
Absorption findet statt, wenn das Photon eine Frequenz bzw. Wellenlänge
hat, die dem Energieunterschied zwischen den betrachteten Zuständen des
Moleküls entspricht. Dies wird als Resonanz bezeichnet.
Der Zusammenhang zwischen Energie E, Wellenlänge  und Frequenz  ist:
E = h = hc/ mit h = 6.626 ·10-34 Js
SoSe 2014
Gewebeoptik
7
Absorption: Beersches Gesetz
dI    a  dx I
dI
   a  dx
I
I ( x ) dI
x
   a  dx
I0
0
I
ln I ( x)  ln I 0    a x

SoSe 2014

I ( x)  I 0 e
a x
Gewebeoptik
8
Absorptionskoeffizienten
•
Chemiker beschreiben die Transmission T häufig als
I
T   10 cl  10 
I0
–
 : molarer Extinktionskoeffizient [l/mol·cm]
– c : Konzentration der Chromophore [mol/l]
– l : optische Weglänge [cm]
–
•
 : optische Dichte (OD) oder Extinktion
Physiker beschreiben die Transmission T gewöhnlich als
I
T   exp(  a N a l )  exp(  a l )
I0
•
–
a : Absorptionsquerschnitt [cm2] ("effektive" absorbierende Fläche eines Teilchens)
–
–
Na : Dichte der absorbierenden Teilchen [1/cm3]
l : optische Weglänge [cm]
–
a : Absorptionskoeffizient [1/cm] (häufig auch )
1/a kann als "mittlere freie Weglänge" eines Photons betrachtet werden
–
bzw. "Absorptionstiefe", "Eindringtiefe" etc.
SoSe 2014
Gewebeoptik
9
Lichtstreuung
Der zweite wichtige Effekt der Lichtausbreitung in Gewebe
Begründet in der Struktur des Gewebes
SoSe 2014
Gewebeoptik
10
Mechanismen der Lichtstreuung
•
Lichtstreuung entsteht durch die Anwesenheit von Heterogenitäten
innerhalb eines Mediums
– Eingeschlossene Objekte
– Fluktuationen der Dielektrizitätskonstante durch die thermische
Bewegung bzw. ungleichmäßige Verteilung der Moleküle --> nicht
gleichförmige zeitliche und/oder räumliche Verteilung des
Brechungsindexes
•
•
•
Der Durchgang einer elektromagnetischen Welle durch ein Medium
versetzt die elektrischen Ladungen in Oszillationen und kann auch
Schwingungsmoden anregen
Gestreutes Licht ist die Strahlung, die durch die Beschleunigung
dieser Ladungen oder durch die Dämpfung der Vibrationsübergänge
entsteht
Wichtige Parameter für die Streuung sind
– die Wellenlänge
– der relative Brechungsindex
– Größe, Form und Orientierung der streuenden Teilchen
SoSe 2014
Gewebeoptik
11
Messgrößen für die Lichtstreuung
I ( x )  I 0e
•
•
•
 s x
Analog zur Absorption
–
s : Streuquerschnitt [cm2] ("effektive" streuende Fläche eines Teilchens)
–
–
Ns : Dichte der streuenden Teilchen [1/cm3]
l : optische Weglänge [cm]
–
s : Streukoeffizient [1/cm]
zusätzlich
–
As: tatsächliche (projizierte) Fläche eines Teilchens [cm2]
–
Qs: Streueffizienz
–
Zusammenhang: s=As·Qs
und auch hier wieder
–
1/s kann als "mittlere freie Weglänge" eines Photons betrachtet werden
(bevor es gestreut wird)
•
Unterschied zur Absorption
–
das gestreute Licht wird abgelenkt, es geht nicht verloren wie bei der Absorption
SoSe 2014
Gewebeoptik
12
Rayleigh-Streuung
•
Streuung an Teilchen, die klein gegen die Wellenlänge sind
– Winkelverteilung ist symmetrisch und variiert nur langsam
– Streueffizienz nimmt monoton mit der Wellenlänge ab (Himmelsblau!)
128 4a 4 ns2  n 2
Qs 
34
ns2  2n 2
SoSe 2014
Gewebeoptik
13
Mie-Streuung
Beispiel:
Wassertropfen
a = 10µm
 = 650nm
•
Streuung an Teilchen, die größer als die Wellenlänge sind
–
reduzierter Streuquerschnitt angenähert (!) durch
 2na 
Qs '  3.28

  
0.37
 ns


1


n

2.09
für 5  2  n  a  50 und n  ns  1.1n
–
–
bei der Winkelverteilung dominiert die Vorwärtsrichtung
die von verschiedenen Punkten des Teilchens abgestrahlten Wellen können
interferieren, daher zeigt die Winkelverteilung eine komplizierte Struktur
SoSe 2014
Gewebeoptik
14
Rayleigh-Streuung
Mie-Streuung
Beispiel:
Wassertropfen
a = 10µm
 = 650nm
•
Streuung an Teilchen, die klein
gegen die Wellenlänge sind
– Winkelverteilung ist symmetrisch und
variiert nur langsam
– Streueffizienz nimmt monoton mit der
Wellenlänge ab (Himmelsblau!)
128 4 a 4 ns2  n 2
Qs 
34
ns2  2n 2
SoSe 2014
•
Streuung an Teilchen, die größer
als die Wellenlänge sind
– bei der Winkelverteilung dominiert
die Vorwärtsrichtung
– die von verschiedenen Punkten des
Teilchens abgestrahlten Wellen
können interferieren, daher zeigt die
Winkelverteilung eine komplizierte
Struktur
Gewebeoptik
15
Chromophore
Was sind die wesentlichen Gewebebestandteile?
Wo und warum absorbieren sie Licht ?
SoSe 2014
Gewebeoptik
16
Wasser im UV und im Sichtbaren
•
•
•
•
häufigster Bestandteil des menschlichen Körpers (65-70%)
wichtigstes Lösungsmittel, in dem biochemische Reaktionen
stattfinden
starke Absorption für  < 180nm
Absorptionstiefe reicht
– von weniger als 100nm im fernen UV
– zu mehr als 10m im Sichtbaren
SoSe 2014
Gewebeoptik
17
Wasser im infraroten Spektralbereich
•
•
Absorptionsmaxima bei 0.96, 1.44, 1.95, 2.94 und 6.1 µm
Absorptionstiefe
–
–
fällt von ca. 500 mm bei  = 800 nm zu weniger als 1 µm bei  = 2.94 µm
und beträgt weniger als ca. 20 µm im ganzen weiteren IR bis  > 6 µm
SoSe 2014
Gewebeoptik
18
Proteine: physiologische Bedeutung
•
•
•
"Eiweiß", dominanter "nicht-Wasser"-Bestandteil, ca. 30% aller weichen
Gewebe
wesentliche strukturelle Komponente von Haut, Knochen, Muskeln etc.
zusammengesetzt aus Aminosäuren (evtl. mehr als 100)
–
•
•
Glycin, Alanin, Leucin, Cystin, Glutaminsäure, Lysin, Serin, Phenylalanin, Tryptophan ...
verbunden durch Peptidbindungen (zwischen Carboxylgruppe COOH und
Aminogruppe NH2)
Absorptionseigenschaften bestimmt durch Peptidbindung und die beteiligten
Aminosäuren selbst
SoSe 2014
Gewebeoptik
19
Proteine: Ultraviolett
•
UV-Absorption im Bereich um  = 190 nm
–
–
•
verursacht durch Anregung der Peptidbindung
Absorptionstiefe (Eindringtiefe) in Gewebe bei  = 193 nm beträgt ca. 300 nm
UV Absorption im Bereich um  = 215 nm und  = 270 nm
–
verursacht durch Übergänge zwischen  und *-Orbitalen in Ringstrukturen der
Aminosäuren
SoSe 2014
Gewebeoptik
20
Proteine: Infrarot
•
•
IR-Absorption verursacht durch Schwingungsanregungen
Absorptionstiefe < 10 µm im Bereich von  = 6 - 7 µm
SoSe 2014
Gewebeoptik
21
Lipide (Fette)
•
•
•
Wichtiger Energiespeicher im Körper
Ester aus 1 Molekül Glycerol und 3 Fettsäuremolekülen (Triglyceride)
Absorptionseigenschaften werden genutzt
–
–
•
bei Messung der Zusammensetzung des Gewebes an verschiedenen Körperteilen
bei Verfolgung physiologischer Änderungen im Gewebe der weiblichen Brust
Spektren, insbesondere im Sichtbaren und nahem IR nicht besonders gut
bekannt
SoSe 2014
Gewebeoptik
22
DNA
I = Desoxyribose
(+ Nucleinbase: Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin)
II = Orthophosphorsäurediester-Brücke
(-O-[PO2]-O-)
•
•
•
•
De(s) oxy ribo nuklein säure (DNS, "A" für "acid)
Hauptbestandteil des Genoms, enthält die "Bauanleitung" für die
Synthese von Proteinen und die Regelung der Zellfunktion
Beschädigung durch Lichteinwirkung führt zu Zytotoxizität (Zelltod
durch Auflösung von Zellen) oder zur Auslösung von
Zellmutationen, letzteres kann zur Entstehung von Tumoren
führen
DNA absorbiert Strahlung für  < 320 nm
SoSe 2014
Gewebeoptik
23
Hämoglobin
•
•
•
•
•
Roter Blutfarbstoff, aus 4 Häm-Gruppen und Globin-Ketten (Eiweiß)
Verantwortlich für den Sauerstofftransport (Versorgung der Gewebe)
Jedes Hämoglobinmolekül (Hb) kann 4 Sauerstoffmoleküle
transportieren
Wenn ein Hämoglobinmolekül diese 4 Sauerstoffmoleküle trägt, wird
es als Oxyhämoglobin (HbO2) bezeichnet
Die Sauerstoffsättigung ist ein Maß für die Zulieferung und Nutzung
des Sauerstoffs und für die Stoffwechselaktivität
[HbO 2 ]
Hb sat 
SoSe 2014
[HbO 2 ]  [Hb]
Gewebeoptik
24
Hämoglobin: sichtbar und NIR
•
•
•
•
•
Roter Blutfarbstoff
Verantwortlich für den Sauerstofftransport (Versorgung der Gewebe)
Jedes Hämoglobinmolekül (Hb) kann 4 Sauerstoffmoleküle
transportieren
Wenn ein Hämoglobinmolekül diese 4 Sauerstoffmoleküle trägt, wird
es als Oxyhämoglobin (HbO2) bezeichnet
Die Sauerstoffsättigung ist ein Maß für die Zulieferung und Nutzung
des Sauerstoffs und für die Stoffwechselaktivität
[HbO ]
Hb sat 
SoSe 2014
2
[HbO 2 ]  [Hb]
Gewebeoptik
25
Pulsoximetrie: Messung der Sauerstoffsättigung
•
Absorptionsmessung mit zwei
abwechselnd geschalteten LEDs
und einem Photodetektor
•
Zusammensetzung des Signals
–
–
–
–
Änderung das arteriellen Blutvolumens
mit dem Pulsschlag
Absorptionsänderung unterschiedlich
stark bei λ1 und λ2
λ1 :großer Unterschied zwischen Hb und
HbO2-Absorption (z.B. 660nm)
λ2 :ähnliche Absorption (z.B. 960nm)
µa ,660   HbO2 ,660 [ HbO 2 ]   Hb,660 [ Hb]
µa ,960   HbO2 ,960 [ HbO 2 ]   Hb,960 [ Hb]
•
SoSe 2014
aus den unterschiedlichen
pulsierenden Anteilen kann das
Verhältnis von
[HbO2] und [Hb] berechnet werden.
Gewebeoptik
26
Wellenlängenbereiche
„therapeutisches Fenster“
•
•
•
Die Absorption ist wellenlängenabhängig
Die Absorption ist groß im UV, fast dem gesamten sichtbaren Bereich und im
IR
Die Absorption ist relativ gering im Roten und im nahen Infraroten (NIR)
(650nm <  < 1300nm).
Dies ist der diagnostisch oder therapeutisch nutzbare Bereich!
SoSe 2014
Gewebeoptik
27
Streuung in Gewebe
Verschieden große Streupartikel
Anisotrope Streuung
SoSe 2014
Gewebeoptik
28
Streuung in Gewebe
• Gewebe setzt sich aus einer Mischung von Rayleighund Mie-Streuern zusammen
SoSe 2014
Gewebeoptik
29
Anisotrope Streuung in Gewebe
•
Streueigenschaften des Gewebes werden (unvollständig)
charakterisiert durch
– reduzierten Streukoeffizienten (Transportstreukoeffizient) s' = s(1-g)
– Anisotropie g  cos   0.8 ... 0.95 (cos 37° ... cos 18°)
•
Streuung geschieht hauptsächlich in Vorwärtsrichtung
– das gestreute Licht geht nicht vollständig verloren, sondern kommt auch
wieder zurück
SoSe 2014
Gewebeoptik
30
Absorption und Streuung
•
•
•
•
Streuung und Absorption geschehen simultan und sind wellenlängenabhängig
die Streuung nimmt monoton mit der Wellenlänge ab
(typ. s' ~ -0.5...-2)
die Absorption ist groß im UV, fast dem gesamten sichtbaren Bereich und im IR
die Absorption ist gering im Roten und im nahen Infraroten (NIR)
(650nm <  < 1300nm)
"therapeutisches Fenster"
SoSe 2014
Gewebeoptik
31
Diffusiver
Strahlungstransport
Beschreibung der Lichtausbreitung durch „dichtes“ Gewebe durch
den Transport einzelner Photonen
SoSe 2014
Gewebeoptik
32
Optische Gewebeeigenschaften quantitativ
• Im therapeutischen Fenster:
– Absorptionskoeffizienten
µa  0.01 ... 1 mm-1
– Streukoeffizienten
µs  10 ... 100 mm-1 es dominiert also die Vielfachstreuung !
– totaler Dämpfungskoeffizient (für die „ballistischen Photonen”)
µ t = µa + µs
– Albedo (Anteil der Streuung an der Dämpfung)
a = µs / µt  0.99 ... 0.999
– mittlere freie Weglänge (bis zur nächsten Absorption oder
Streuung)
1/µs  10 ... 100 µm
• wieso kommt dann überhaupt Licht hindurch ?
– die meisten Wechselwirkungen sind Streuvorgänge
– die Streuung ist nicht isotrop: (s.o.  reduzierter
Streukoeffizient)
SoSe 2014
Gewebeoptik
33
Wenn die Streuung dominiert...
• Die geeignete Theorie hängt vom Verhältnis zwischen
Absorption und Streuung ab:
– µa >> µs': Lambert-Beer'sches Gesetz ( < 300nm,  > 2000nm)
– µa << µs': Diffusionsnäherung (650nm <  < 1150nm)
– µa  µs': Strahlungstransportgleichung, Monte-Carlo-Simulationen
(300nm<  <650nm, 1150nm <  < 2000nm)
SoSe 2014
Gewebeoptik
34
Exakte Beschreibung: Strahlungstransportgleichung
 



 

 
f (r , , t )
 q (r , , t )  cm µs (r ) p ('  ) f (r , , t )d'
t
4
  
 cm f (r , , t )

 

 
 cm µs (r ) f (r , , t )  cm µa (r ) f (r , , t )

Die Änderung der Anzahl von Photonen pro Zeitintervall

mit der Bewegungsrichtung
die sich zur Zeit t +dt im Phasenraumvolumen dV befinden
muß gleich sein
der Anzahl von Photonen, die durch eine Lichtquelle eingekoppelt werden

+ dem Gewinn an Photonen durch Streuung aus den Richtungen  in die



Richtung
- dem Verlust an Photonen, die das Medium an den Grenzflächen
verlassen haben 


- den Photonenverlusten durch Streuung aus der Richtung in andere
Richtungen
- den Photonenverlusten durch Absorption im Volumenelement dV
SoSe 2014
Gewebeoptik
35
Diffusionsnäherung
• Im therapeutischen Fenster: Diffusionsnäherung
– Absorptionskoeffizienten
µa  0.01 ... 1 mm-1
– reduzierte Streukoeffizienten
µs'  1 ... 10 mm-1 es dominiert also immer noch die Streuung !
– Beschreibung der Propagation der Photonendichte
näherungsweise als Diffusion mit einer Diffusionskonstanten
1
3( µa  µs ' )
– effektiver Dämpfungskoeffizient
D
µeff  3µa ( µa  µs ' )
– „Eindringtiefe“
1


µeff
SoSe 2014
1
3µ a ( µ a  µ s ' )
 1 5mm
Gewebeoptik
36
Gegenüberstellung der Modelle I
• Die Gleichung
I ( d )  I 0 e  ( µa  µ s ) d
– beschreibt, welcher Anteil der Intensität ungestört die Strecke d
propagiert.
– exp(-(µa+µs)d) ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon die Strecke
d zurücklegt, ohne gestreut oder absorbiert zu werden.
– In dieser Darstellung wird nicht betrachtet, was mit dem gestreuten
Licht geschieht
 
• Die Transportgleichung
f (r , , t )

t
– beschreibt exakt die Propagation einer Photonendichte (Photonenzahl pro Volumenelement, abhängig von Ort, Zeit, und Richtung)
– es werden neben den Absorptions- und Streukoeffizienten auch die
verschiedenen Richtungsänderungen bei der Streuung betrachtet
– es wird sowohl aus dem betrachteten Element herausgestreutes wie
auch von anderen Richtungen hineingestreutes Licht betrachtet
SoSe 2014
Gewebeoptik
37
Gegenüberstellung der Modelle II
• Die Gleichung I ( d )  I 0e  3µa ( µa  µs ')d  I 0e  µeff d
– beschreibt näherungsweise, welcher Anteil der Leistung bzw.
Photonendichte nach über eine Strecke d transportiert wird
– Das Licht kann dabei ungestört propagiert sein oder es kann durch
Vielfachstreuung in das Austrittsflächenelement gelangt sein
– geschieht die Streuung vornehmlich in Vorwärtsrichtung, so ist der
Transportstreukoeffizient µs' deutlich kleiner als µs
– die einzelnen in der Austrittsfläche ankommenden Photonen
können Weglängen zurückgelegt haben, die ein Vielfaches länger
sind als d
• Die Diffusionsnäherung





 (r , t )  Dcm  (r , t )   a cm  (r , t )  q0 (r , t )
t
– beschreibt diese Propagation der Photonendichte näherungsweise
1
als Diffusion mit einer Diffusionskonstanten
D
3( µa  µs ' )
SoSe 2014
Gewebeoptik
38
Wie misst man so etwas?
• Messung des remittierten Lichts
– diffus reflektiert
– oder diffus transmittiert
SoSe 2014


Rückstrahlungsvermögen
Durchlässigkeitsgrad
Gewebeoptik
39
Wie misst man so etwas?
•
Zeitunabhängig, totale Transmission bzw. Reflektion:
–
•
Zeitunabhängig, lokale Transmission bzw. Reflektion
–
•
Messung der transmittierten bzw. reflektierten Intensität an verschiedenen
Orten bzw. in verschiedenen Abständen von der Einstrahlposition
Zeitaufgelöst, total
–
–
–
•
Messung der Anteile der eingestrahlten Lichtleistung, die transmittiert bzw.
reflektiert werden
Messung der transmittierten bzw. reflektierten Leistung als Funktion der Zeit
nach der Einstrahlung eines kurzen Lichtpulses
(Messung der Laufzeitverteilung, LZV).
Zweck der Zeitauflösung: Unterscheidung von Absorption und Streuung
Das Produkt aus der Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit im Medium ist die
von einem Photon (mit allen Streuprozessen) zurückgelegte Wegstrecke:
"spätere" Photonen wurden also öfter gestreut (und dabei nicht absorbiert)
Zeit- und ortsaufgelöst
–
Messung von Laufzeitverteilungen an verschiedenen Abständen von der
Einstrahlposition
SoSe 2014
Gewebeoptik
40
Beispiel: Reflexionsmessung am Kopf
• Parameter des Lasers
– mittlere Leistung 1mW, Repetitionsrate 20MHz, Pulsdauer 200ps
 1 Puls: Energie 50pJ
– Wellenlänge 600nm, Lichtfrequenz 500THz
 1 Photon: Energie 3,313·10-19 J (2eV)
 1 Puls  1,5·10+8 Photonen
• detektierte Photonen
– die an einem bestimmten Ort detektierten Photonen müssen
▪ zufälligerweise genau an diesem Ort das Gewebe verlassen
▪ nicht unterwegs absorbiert werden
– etwa alle 20 bis 50 Pulse wird überhaupt ein Photon detektiert !
– Laufzeiten bis zu 10ns
• der mühsame Weg der Photonen
– zurückgelegter Weg L=ct/n in 10ns (n  1,5) ca. 2m
– Streukoeffizient s  100 cm-1, freie Weglänge  0,1mm
 ca. 20000 Streuprozesse
– Absorptionskoeffizient a  0.05 cm-1  Dämpfung ca. 1/22000
SoSe 2014
Gewebeoptik
41
Was braucht man für so eine Messung ?
• Für eine zeit- und ortsaufgelöste Messung braucht man:
– Lichtquelle, die kurze Pulse erzeugt
▪ modengekoppelter Laser
▪ Picosekunden - Halbleiterlaser
– Lichtleiter zur Einstrahlung und zum Empfang des Lichtes in sehr
kleinen räumlichen Bereichen
▪ Stufenindex - Glasfasern
▪ Glasfaserbündel mit hoher numerischer Apertur
– Einrichtungen zum Abtasten verschiedener Orte
– Detektoren für einzelne Photonen
▪ Lawinendioden (Avalanche-Dioden)
▪ Photomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher)
– Verarbeitung der detektierten Photonen mit genauer
Zeitmessung
▪ zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC)
SoSe 2014
Gewebeoptik
42
Diffuse optische Bildgebung
• Orts- und ggf. zeitaufgelöste Messung optischer
Eigenschaften des Körperinneren
• Erwartungen
– Keine Strahlenbelastung, keine kumulative Wirkung
▪ ein Patient kann häufig untersucht werden (Therapiekontrolle)
▪ Vorsorgeuntersuchungen sind risikolos
– Weniger aufwendige Verfahren
▪ Untersuchungen sind billiger
▪ einfache und ungefährliche Apparaturen (EMV!) können auch am
Krankenbett (Intensivstation) eingesetzt werden
– Bildgebung mit einem anderen physikalischen Mechanismus zeigt
andere Gewebeeigenschaften
▪ evtl. Darstellung biochemischer Funktionen durch geeignete
Kontrastmittel („functional Imaging“, „molecular Imaging“)
▪ Einsatz in Kombination mit etablierten Verfahren
(„multimodale Bildgebung“)
SoSe 2014
Gewebeoptik
43
Diffuse optische Bildgebung: Beispiele
• optische Mammografie
– Bestimmung der Streu- und Absorptionseigenschaften von
Brustgewebe und Tumoren
– Gewinnung physiologischer Information:
▪ Hämoglobin-Konzentration
▪ Sauerstoffsättigung des Blutes
▪ relativer Wasser- und Lipidgehalt des Gewebes
– Unterscheidung von gesundem Brustgewebe und Tumoren?
– ggf. Vermeidung unnötiger Biopsien
• optische Durchblutungsmessung am Kopf
– Therapiekontrolle am Krankenbett Schlaganfallpatienten
– Messung der Sauerstoffsättigung als funktionelle Bildgebung zur
Korrelation mit Messungen neuronaler Aktivität
SoSe 2014
Gewebeoptik
44
Fluoreszenz
Emission von Licht anderer Wellenlänge
SoSe 2014
Gewebeoptik
45
Temperaturstrahlung - Lumineszenz
• Temperaturstrahlung (thermische Strahlung)
– breitbandige Strahlung gemäß der Planck'schen Strahlungsformel
– z.B. Sonne, Glühfaden einer Glühbirne
• Lumineszenz („kaltes Leuchten“)
– Aussendung von Licht bei Übergang von einem Elektronenzustand
höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie
– z.B. Spektrallinien, z.B. in Gasentladungen
– Bezeichnung je nach Anregungsmechanismus, z.B.
▪ Elektrolumineszenz: elektrisch, z.B. in Lumineszenzdioden
▪ Chemolumineszenz und Biolumineszenz: durch chemische Reaktionen
▪ Photolumineszenz: durch Lichtabsorption
(Fluoreszenz oder Phosphoreszenz)
SoSe 2014
Gewebeoptik
46
Lumineszenz - Fluoreszenz - Phosphoreszenz
• Photolumineszenz = Fluoreszenz oder Phosphoreszenz
• Fluoreszenz
– nach Anregung Abgabe eines Teils der Energie durch Stöße
– nach relativ kurzer Zeit (ns) Abgabe der restlichen Energie durch
Elektronenübergang, dabei Aussendung von Licht geringerer
Energie(größerer Wellenlänge) als der Anregungsenergie
• Phosphoreszenz
– nach Anregung Abgabe eines Teils der Energie durch Stöße,
dabei Übergang in Zustand aus dem ein Elektronenübergang sehr
unwahrscheinlich ist („verbotener Übergang“)
– erst nach sehr langer Zeit (ms bis hin zu Tagen oder Jahren)
Abgabe der restlichen Energie durch Elektronenübergang, dabei
ebenfalls Aussendung von Licht geringerer Energie als der
Anregungsenergie
SoSe 2014
Gewebeoptik
47
Der Fluoreszenz-Prozess (einfach)
•
1. Anregung
– ein Photon der Energie hex wird durch eine externe Quelle erzeugt und
vom Fluorophor (dem fluoreszenzfähigen Molekül) absorbiert
– das Molekül befindet sich im angeregten Singulett-Zustand S1'
•
2. Lebensdauer des angeregten Zustands
– in dieser Zeit finden weiterhin Wechselwirkungen innerhalb des Moleküls
und mit der Umgebung statt: Dissipation von Energie, bis zum niedrigsten
Schwingungszustand, "strahlungslose Relaxation" nach S1
– das Molekül bleibt eine Zeit R (typ. 1-10 ns) im angeregten Zustand S1
•
3. Fluoreszenz-Emission
– ein Photon mit geringerer
Energie hem wird emittiert,
das Fluorophor kehrt
in den Grundzustand S0 zurück.
– Energiedifferenz hex- hem
„Stokes-Verschiebung“
wichtig für Empfindlichkeit !
SoSe 2014
Gewebeoptik