Laser Spectroscopy in Scattering Media for Biological and Medical Applications

Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy can be utilised for gas detection in biological and medical applications. The common approach is to analyse transmitted light according to the Beer-Lambertian law. Normally, the light has a well-defined path length through the gas sample since it can be assumed that it has negligible scattering properties. Samples which, by contrast, have strong scattering properties, meaning that light is extensively scattered, are investigated in this work. In such materials, the light travels an undefined path through the sample. Thus, light propagation in scattering media must be understood. The aim of this work has been to combine knowledge from two fields, namely, tunable diode laser absorption spectroscopy and light propagation in scattering media, in order to extract information of gas contents within porous samples for biological and medical applications.



Porous materials containing free gas are common in our everyday environment. Examples are wood and other construction materials, and fruit and many other food stuffs. The human paranasal sinuses located within the human skull are air-filled cavities surrounded by strongly scattering tissue. Thus, light transport through the cavities becomes complicated. Measurements of molecular oxygen at 760 nm and water vapour at 935 nm were successfully performed within the sinuses on volunteers, using tunable diode laser absorption spectroscopy combined with wavelength modulation techniques. To fully understand the signals recorded, measurements on phantoms, representing human sinuses, and Monte Carlo simulations, were first carried out.



Gas measurements based on the same technique have also been demonstrated in pharmaceutical tablets to investigate the potential for extracting information on the porosity of the tablets. This is of importance since the porosity is directly related to the drug delivery time to the body after administration.



To understand the drying process of wood, the same type of measurements were carried out on samples of wood. The results showed that it is possible to extract additional information on the drying process, not provided by the commercial techniques available.



In horticultural produce different gases have a significant role in the respiration process. Promising gas measurements have been performed on fruit, in particular apples, to study the potential of developing a system based on tunable diode lasers to measure the gas content within the product when different packaging techniques are employed.



From the experience with the setups and the various measurements performed in the laboratory, a mobile system based on two pigtailed diode lasers was developed, making measurements outside the laboratory possible. Based on the previous promising results, a clinical trial at the Lund University Hospital in cooperation with the Ear, Nose and Throat Clinic, the Radiology Clinic, and the Oncology Clinic has been initiated to investigate the human sinuses in healthy and diseased sinuses. Preliminary results are presented in this thesis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Spektroskopi är den vetenskapsgren som används för att studera samspelet mellan strålning/ljus och materia för tillämpningar i både diagnostiska och terapeutiska syften. Då ljus sänds in i ett prov sätts olika fysikaliska processer igång. I denna avhandling studeras företrädesvis en process som kallas för absorption. Vid absorptionsspektroskopi är våglängden av ljuset, som sänds in i provet, noga avstämd för att motsvara en övergång mellan två energinivåer hos atomen eller molekylen som ska studeras. Detta möjliggör en specifik absorption av ljuset, vilket innebär att energin hos ljuset övergår till atomen eller molekylen. I princip kan koncentrationen av en absorbator, t.ex. en gas, bestämmas genom att mäta intensiteten av ljuset efter det att ljuset passerat provet, dvs det så kallade transmitterade ljuset. Denna intensitet jämförs sedan till intensiteten av ljuset innan det passerat provet. Då prov med försumbara spridningsegenskaper undersöks, dvs då det insända ljusets väg i provet är densamma som provets tjocklek, kan mängden ljus som absorberats direkt relateras till koncentrationen av den absorberande gasen.



Det finns många naturliga och syntetiska material som är porösa med gasfyllda kaviteter (hålrum). Dessa material har en kraftig spridning av ljuset. Detta innebär då att ljus som sänds in inte kommer att ta den kortaste sträckan genom provet motsvarande materialets tjocklek, utan spridas inuti provet. Detta resulterar i att den sträcka som ljuset färdats i materialet kan vara många gånger längre än materialets dimensioner. Detta betyder i sin tur att det inte går att direkt relatera mängden absorberat ljus till den absorberande gasens koncentration. Under dessa förutsättningar måste det tas hänsyn till hur ljuset utbreder sig i spridande material.



Målet med denna avhandling har i huvudsak varit att undersöka möjligheten att använda diodlaserspektroskopi för att studera gaskoncentrationer i spridande material för biologiska och medicinska tillämpningar. Metoden har fått namnet GASMAS vilket står för GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy. Som ljuskälla har lågenergetiska diodlasrar använts med noggrant valda våglängder för att överensstämma med energiövergångar i olika gaser av intresse. Eftersom ljuset sprids är det möjligt att studera både bakåtspritt ljus och ljus som transmitterats genom provet. I denna avhandling har båda dessa aspekter utnyttjats. Bakåtspridning är för en del tillämpningar det enda som kan utnyttjas, eftersom baksidan av provet inte är tillgänglig. Metoden våglängdsmoduleringsspektroskopi har tillämpats för att öka känsligheten hos tekniken. Den innebär att svaga absorptioner kan observeras genom att det insända ljuset märks med en modulationsfrekvens. Detektionen av ljuset sker sedan vid samma frekvens. Eftersom endast ljus med den givna frekvensen detekteras, undertrycks allt brus med andra frekvenser och en ökad känslighet erhålls.



En biologisk tillämpning av metoden, som använts i denna avhandling, är studien av ansiktsskelettets bihålor, vilka finns hos vuxna och äldre barn, bl.a. i överkäkarna och bakom pannan. Bihålorna har förbindelse med näshålan via smala gångar. I icke-infekterade bihålor kan luft, vätska och slem fritt passera. Varje är får ungefär 3\% av Sveriges befolkning diagnosen bihåleinflammation. Oftast är diagnosen endast baserad på patientens sjukdomshistoria och onödig ordinering av antibiotika förekommer. För en mer säker diagnos måste en skikt-röntgen (CT-undersökning) av skallen utföras, vilket är kostsamt och inte heller helt ofarligt för patienten.



I denna avhandling har vi undersökt möjligheten att använda GASMAS-metoden, beskriven ovan, för att på ett icke-invasivt sätt, och utan användning av joniserande strålning, karakterisera bihålorna. Laserljuset appliceras via fibrer på hudytan eller mot gomtaket, beroende på vilken bihåla som undersöks. Ljuset detekteras sedan med känsliga detektorer som placerats externt på hudytan. Våglängden av ljuset som sänds in är noggrant avstämd så att information av syrgas- och vattenångeinnehållet i bihålorna kan erhållas. Tekniken gör det även möjligt att undersöka kommunikationen mellan näshålan och bihålorna genom att kvävgas spolas in i näshålan samtidigt som det kontinuerligt mäts hur gassammansättningen förändras i bihålorna. Hos en frisk patient registreras en minskning av syrekoncentrationen, då bihålan fylls med kvävgas. Hos en sjuk patient, däremot, blockerar svullnaden av slemhinnorna passagen mellan kaviteterna. Lovande resultat har erhållits från studier på frivilliga testpersoner och dessa resultat presenteras i denna avhandling. En klinisk studie har påbörjats tillsammans med Öron- Näs- Halskliniken, Röntgenkliniken samt Onkologiska kliniken i Lund. Under denna studie genomgår patienterna en planerad CT-undersökning av skallen och direkt efter görs lasermätningar. Detta ger en möjlighet att direkt jämföra de båda teknikerna. Preliminära resultat från denna studie diskuteras i avhandlingen.



Läkemedel i form av tabletter används idag i stor utsträckning som medicinering för att bota eller lindra symptom av sjukdomar. Det är viktigt att varje tablett av samma sort ger samma dos till kroppen efter det att den intagits av patienten. Tablettens löslighet är relaterad till dess porositet. GASMAS-metoden diskuterad ovan har använts för att undersöka om syrgaskoncentrationen inuti dessa ljusspridande tabletter kan användas för att studera porositet. Resultaten av dessa undersökningar diskuteras i avhandlingen.



Samma icke-invasiva metod har används för att undersöka gaskoncentrationer i livsmedel. Förpackningsmetoder för livsmedel syftar till att stänga ute syrgas. Frukter är mycket känsliga för gaser. En för hög syrgaskoncentration påskyndar mognadsprocessen och en för låg koncentrationen kan åstadkomma jäsning. Detta innebär att det finns en optimal syrgaskoncentration som ger produkterna optimal hållbarhet. Olika förpackningstekniker har utvecklats för att reglera mängden syre i livsmedel. I dessa sammanhang är det viktigt att, på ett ickeförstörande sätt, kunna uppskatta syrgaskoncentrationen. I denna avhandling har gasmätningar utförts på matprodukter, exempelvis äpplen. Möjligheten att använda sig av diodlaserspektroskopi inom förpackningsindustrin har demonstrerats genom att studera gasutbyte genom olika förpackningsmaterial, exempelvis plast.



Mätningar har även utförts under torkningsprocessen av trä. Den årliga världsproduktionen av virke är ungefär 3 miljarder m3. Ungefär hälften av detta virke används inom byggnadsindustrin där det är mycket viktigt att träet då är torrt för att undvika mögel och fukt i byggnader som uppförs. I denna avhandling har diodlaserspektroskopimetoden använts för att studera möjligheten att följa torkningsprocessen. Förändringen av syrgas och vattenångekoncentrationen har mätts under förloppet och lovande resultat har erhållits gällande metodens användbarhet i detta syfte.

• author: Persson, Linda
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: Professor Tittel, Frank, Electrical and Computer Science Department, Rice University, Houston, USA
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Instrumentation technology, Mät- och instrumenteringsteknik, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, Fysik, Physics, Monte Carlo simulations, Biomedical Optics, Scattering media, Gas measurements, Near infrared spectroscopy, Diode laser spectroscopy, Absorption spectroscopy
• in: Lund Reports in Atomic Physics
• volume: LRAP-385
• pages: 240 pages
• defense location: Room B, Fysicum Sölvegatan 14c Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2007-10-19 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 978-91-628-7274-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 57a1475a-bc39-4cac-8fb7-fb90b759aacf (old id 598909)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:42:14
• date last changed: 2019-05-21 17:58:20