Aspects of Optical Broad Band Spectroscopy and Information Extraction - Applications in Medicine and Ecology

Abstract

The present thesis describes a number of aspects of modern electro-optical measurement technology also known as bio-photonics; this includes instrumentation, applications, sample interaction and data interpretation. The methods employed operate over several domains, and light measurements are discretized both in intensity, space, angle, time, polarization and energy. Mainly the spectral domain is investigated over two orders of magnitude from deep ultraviolet to thermal infrared, and mainly broad spectral features in solid and liquid samples are studied. The intensity employed ranges from microwatts to megawatts, time processes are studied between hundred picoseconds to weeks and measurement are carried out from the micrometer scale and up to hundreds of meters. An important aspect of this thesis is the development of realistic instrumentation with the intention that research should benefit the supporting society; this is a key point for the success of academic research in the developing world but also goes hand-in-hand with innovation, commercialization and entrepreneurship in Scandinavia. For this reason the thesis also encompasses a number of patent applications filed during the thesis work. Most of these realistic setups are based on spectroscopy using inexpensive light emitting diodes. Their application for medical diagnosis has been demonstrated with fiber sensors in the context of oncology, and microscopy in relation to parasitology. The thesis also covers optical diagnostics of animal populations of different species on the habitat scale; these studies are pursued by the use of laser radar (lidar) or telescopes. In these areas novel approaches for remotely classifying marked or unmarked flying animals open for the investigation of a new type of questions in field entomology and ornithology. In optical applications for medicine as well as ecology the understanding of the light interaction with complex biological tissue types is essential. Several aspects of such interaction are treated in the thesis. The complex optical interrogation together with the broad and overlapping spectral features in solid samples implies that an empirical approach of data evaluation and computer learning is often more valuable than forward modeling of expected signals. An ongoing theme throughout this thesis is data reduction and chemometrical evaluation. Here discrete light measurements and linear algebra form the basis for advanced statistical evaluation. This applies to the spectral domain where redundancy can be removed, but also topics such as dynamical processes and texture analysis are approached in the temporal and spatial domains, respectively.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Optoelektronik genomgår för närvarande en otrolig utveckling, inte minst på grund av de senaste årtiondenas kommersialisering och utveckling av hemelektronik som kompaktdiskar och digitalkameror. Denna utveckling har drivit en blomstrande global tillväxt för optoelektroniska företag som varje år utvidgar sina erbjudanden av optiska komponenter i hård konkurrens. Utvecklingen innebär också att det finns en stor potential för skräddarsydda specialsystem för inspektion, kvalitetskontroll och övervakning, vilka kan ersätta manuell kvalitetsinspektion, och ge mycket mer konsistenta och kvantitativa resultat. Dessutom erbjuder optisk mätteknik lösningar som ligger utanför den mänskliga synens begränsningar. Till exempel kan man använda mikroskop, teleskop och satellitövervakning för att studera fenomen som är för små, för långt bort eller för stora för det mänskliga ögat. Det finns också fenomen som sker alltför snabbt för att vi ska kunna uppfatta dem; dock kan pulsade lasrar upplösa fenomen, som inträffar på mindre än en miljarddel av en sekund. Andra situationer kräver observationer över lång tid, och här kan outtröttlig datorstyrd övervakning registrera optiska signaler över veckor och år. Den mänskliga synen är också begränsad vad gäller antalet färger hos ljuset som vi kan se skillnad på, och mycket information om vår omgivning ligger utanför det område vi kallar synligt ljus. I motsats till de tre våglängdsband den mänskliga synen kan uppfatta är optoelektronik känslig från djupt ultraviolett ljus till termisk infraröd strålning, och spektrometrar och multispektrala bildsystem med tusentals våglängdsband kan idag köpas eller byggas av amatörer. I modern optisk mätteknik kvantifieras ljusets intensitet, våglängd, ursprung och detektionstidpunkt i siffror på datorer. Detta kan på kort tid generera enorma mängder information. För en väl tillrättalagd optisk analysmetod har ljusets ursprungliga egenskaper påverkats av provets kvalitet eller sammansättning. Detta kan till exempel avspegla den kemiska sammansättningen eller provets mikrostruktur. Informationen som erhålls kan vara mångdimensionell och svåröverskådlig för den mänskliga hjärnan. Det finns dock systematiska tillvägagångssätt för tolkning av sådana stora dataset, till exempel så kallade kemometriska metoder som bygger på linjär algebra, matrisformulering och avancerad statistik. Utvärderingen görs ofta med hjälp av datorprogram som tränas med expertsvar från t.ex. en läkare eller ekolog. Dagens datorkraft innebär att analysen utförs direkt, och tillsammans ger optisk mätteknik och datorutvärdering möjligheten att omedelbart utnjyttja data. Detta är värdefullt, t.ex. inom medicinsk diagnostik. Andra egenskaper som kännetecknar optisk mätteknik är att den är icke-invasiv, d.v.s. att den stör provet minimalt, och att diagnostiken kan upprepas om och om igen över långa tidsperioder.



I denna avhandling belyses främst aspekter hos fasta eller flytande prov, som kännetecknas av att ha bredbandig spektral information. Exempel på användning finns inom medicinen där förslag på förbättrad cancerdiagnostik av vävnader ges. Detta åstadkoms typiskt med utveckling av fiberoptiska metoder i kontakt med provet. Det ges även föreslag till hur infärgningsfri malariadetektion i blodprov kan erhållas med enkla medel och ombyggnad av traditionella mikoskop. På större skala ges exempel på tillämpningar för analys av luftvolymer med avseende på insekter och fåglar. Elektrooptiska tillvägagångssätt med teleskop möjliggör kvantitativ icke-invasiv analys av insekters beteende på habitatnivå. Genom att märka individer med fluorescerande pulver kan till exempel spridning och levnadslängd uppskattas. Laser-radar eller lidar kan till skillnad från traditionell radar ge färginformation. I denna avhandling visas hur detta kan användas för klassifikation av nattmigrerande fåglar som flyger på hög höjd. Detta har stora implikationer för biologernas möjligheter att studera migrationsmönster hos enskilda arter, något som är av centralt intresse för migrationsforskning. Fåglar och insekter kan flyga långa sträckor och kan transportera parasiter, virus, frön eller pollen mellan olika kontinener. Förbättrade övervakningsmöjligheter kan föröka förståelsen av sjukdomspridning för människor och boskap. Gemensamt för optisk mätteknik inom medicin och ekologi är att det grundläggande samspelet mellan ljus och biologisk vävnad är detsamma eller liknande. En central punkt i denna avhandling är därför att beskriva olika aspekter av denna interaktion, som i sin tur ger upphov till olikheter i de optiska signalerna. En annan central aspekt i avhandlingen är realistisk instrumentering. Detta innebär att man med små medel och klokt utformad design kan åstadkomma tekniker som kan användas i verkligheten och gynna lokalsamhället genom t.ex. tillämpninger av teknikerna inom hälsa eller lantbruk. Detta är väsentligt både inom innovation och entreprenörskap, men även för att motivera vetenskaplig aktivitet och få uppbackning och stöd från befolkningen, inte minst i utvecklingsländer. Ljusdioder och teleskop för amatörastronomi är två exempel på utrustning som uttnyttas för realistik intrumentering i denna avhandling.

• author: Brydegaard, Mikkel
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: professor Wöste, Ludger, Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin, Germany
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Fluorescence Spectroscopy, Optical diagnostics, Electro-optics, Applied spectroscopy, Multispectral imaging, Optical spectroscopy, LIDAR, Remote sensing, Environmental monitoring, Chemometrics, Fysicumarkivet A:2012:Brydegaard Sörensen
• in: Lund Report on Atomic Physics
• volume: LRAP-462
• pages: 364 pages
• defense location: Lecture hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-10-05 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-353-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4341da7f-6692-404c-bde0-6e103fab07ee (old id 3050595)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:13:21
• date last changed: 2019-05-21 17:47:56