Optical spectroscopy of turbid media: time-domain measurements and accelerated Monte Carlo modelling

Abstract

Optical spectroscopy is a versatile and powerful tool to probe translucent materials. In this work, the focus is on characterization of strongly scattering (turbid) materials by means of time-of-flight spectroscopy (TOFS). Instrumentation and modelling aspects of TOFS were investigated and improved, enabling significantly more accurate spectroscopic measurements.



It was shown that the commonly used diffusion theory fails to accurately describe time-domain light propagation in e.g. tissue. A fully scalable Monte Carlo (MC) scheme (WMC) was developed,

enabling MC to replace diffusion models in TOFS data evaluation. Consequently, the accuracy and capabilities of TOFS were significantly improved. Graphics processing units (GPUs) were introduced for acceleration of MC simulations in general, resulting in three orders of magnitude speedup. It was shown that proper utilization of the capabilities of modern GPUs allow similar performance, even for more complex problems.



TOFS in combination with WMC was used in in vivo interstitial spectroscopy of the human prostate, demonstrating the need for better modelling in many clinical applications. To aid future

interstitial in vivo measurements, a single-fibre TOFS system was developed and demonstrated in phantom experiments.



Turning to investigations of pharmaceutical samples, a time-of-flight spectrometer, covering the 650-1400 nm spectral range, was developed, enabling TOFS for vibrational spectroscopy of solids.

In spatially resolved TOFS measurements, compaction induced anisotropic light diffusion was observed. This is of great importance for the application of model-based optical spectroscopic tech-

niques and may, in addition, provide important information about the sample microstructure. Furthermore, TOFS was used together with laser-based gas sensing to probe porous solids. Although a

need for better models was revealed, excellent correlation between optical and actual porosity was demonstrated.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om optisk spektroskopi, d.v.s. att med hjälp av ljus best ̈mma fysiska och kemiska egenskaper hos ett prov.



När ljus interagerar med atomer och molekyler absorberas endast ljus av vissa våglängder (färger). Exakt vilka färger som absorberas är unikt för varje sorts atom eller molekyl och utgör alltså ett sorts ”fingeravtryck”. Genom att noggrant studera spektrat, d.v.s. hur absorptionen av ljus varierar med våglängden, kan man bestämma vilka ämnen som finns i ett prov. Om man dessutom vet hur långt ljuset passerade igenom provet kan man räkna ut exakt vilken koncentration av ämnent som finns i provet. Detta är en standardmetod för att mäta koncentrationer av ämnen i genomskinliga prover och används idag i oräkneliga tillämpningar världen över.



Gå man över till grumliga prov, som till exempel mjölk blir situationen lite svårare. Mjölk, liksom papper, snö, moln, vit färg m.m. få sin vita färg av att ljuset hela tiden sprids, d.v.s. byter riktning, när det färdas i materialet. Mängden ljus och vilka f ̈rger som tar sig igenom ett grumligt prov beror alltså både på hur provet sprider och absorberar ljuset och man kan inte längre enkelt bestämma provets kemiska komposition.



I denna avhandling används en metod vid namn tidsupplöst spektroskopi för att optiskt undersöka grumliga material. Metoden bygger på att man skickar in extremt korta ljuspulser (miljondelars miljondels sekund långa) i materialet och studerar hur dessa pulser breddas i tiden när de breder ut sig i det spridande provet. Genom att jämföra hur pulsena breddas med matematiska modeller av ljusutbredning kan effekterna av spridning och absorption separeras. Den kemiska kompositionen kan nu bestämmas, samtidigt som spridningseffekterna ger information om den mikroskopiska strukturen hos materialet; i fallet mjölk kan t.ex. koncentrationen och storleken på mjölkens fettpartiklar bestämmas.



I männsklig vävnad, som optiskt beter sig likt mjölk, är kemisk komposition och mikrostruktur av stort medicinskt intresse. Optiska metoder har visat sig lovande t.ex. när det kommer till att upptäcka och behandla cancer. Detta är extra intressant eftersom ljuset som används är ofarligt för kroppen, till skillnad mot t.ex. Röntgenstrålning. Ytterligare tillämpningar finns t.ex. i farmaceutisk industri där frågor som: ”Hur mycket läkemedel finns det i en tablett?” och ”Var i mag-tarmkanalen kommer läkemedlet att frigöras?” kan besvaras genom analys av kemisk sammansättning respektive materialstruktur. Båda dessa egenskaper kan potentiellt sett mätas med hjälp av ljus, utan att man ens behöver röra tabetten.



I avhandlingsarbetet har stort fokus lagts på att förbättra tidsupplöst spektroskopi. Detta har gjorts genom att utveckla nya mätinstrument och mätmetoder men framför allt genom att utveckla och snabba upp de matematiska modellerna som används för att utvärdera experimentell data. Detta har lett till att bättre modeller av ljusutbredningen kan användas, då det visade sig att konventionella modeller inte var tillräckligt exakta. Sammanfattningsvis ledde detta till mer noggranna resultat och ökade möjligheter för metoden.



Ytterligare har tidsupplöst spektroskopi använts för att karakterisera olika material, t.ex. mänsklig prostatavävnad och tabletter innehållande läkemedel.

• author: Alerstam, Erik
• supervisor: Stefan Andersson-Engels
• opponent: Professor Kienle, Alwin, Ulm University, Germany
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Engineering and Technology; Atom and Molecular Physics and Optics
• pages: 203 pages
• defense location: Lecture hall B, Fysicum, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-12-16 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-203-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 10aafb4b-f4b6-42e0-8361-ea09b4e5e340 (old id 2206243)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:38:33
• date last changed: 2018-11-21 20:54:33