Advanced

Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging of Turbid Media

Xu, Can LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ljusets växelverkan med materia är fascinerande och av oerhörd stor betydelse i naturen. Genom vår optiska synförmåga, kan vi och andra organismer få tillgång till en enorm mängd information om vår omgivning. Informationen inkluderar först och främst den geometriska strukturen på världen och dess föremål, men även informationen i färgerna spelar stor roll. Med hjälp av denna kan vi få en uppfattning om t.ex. mognadsgraden av föda, medicinsk status på en skada, identifiering av art eller partner samt generella avvikande mönster i vår omgivning. För organismer är färgseendet oftast till en stor evolutionell fördel och ger organismerna en förmåga att genomföra grundläggande optisk spektroskopi på... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ljusets växelverkan med materia är fascinerande och av oerhörd stor betydelse i naturen. Genom vår optiska synförmåga, kan vi och andra organismer få tillgång till en enorm mängd information om vår omgivning. Informationen inkluderar först och främst den geometriska strukturen på världen och dess föremål, men även informationen i färgerna spelar stor roll. Med hjälp av denna kan vi få en uppfattning om t.ex. mognadsgraden av föda, medicinsk status på en skada, identifiering av art eller partner samt generella avvikande mönster i vår omgivning. För organismer är färgseendet oftast till en stor evolutionell fördel och ger organismerna en förmåga att genomföra grundläggande optisk spektroskopi på föremål. Mer fundamentalt visar det sig att ljus kan växelverka väldigt specifikt med materia, där ljuset har förmågan att förmedla information om den elektroniska konfigurationen i atomer eller molekyler på ett helt icke-invasivt sätt. Denna information förmedlas genom ljusets färg, vilken är direkt relaterad till dess våglängd, frekvens och energi. Inom fysiken avser läran om optisk spektroskopi till att analysera materia med hjälp av ljus. Genom att studera våglängdsdistributionen (spektrumet) av ljus som har interagerat med materia kan slutsatser dras om relevanta underliggande fysikaliska, kemiska eller biologiska processer.



Denna avhandling handlar om att genom optiska metoder utföra spektroskopi samt avbildning av komplexa och spridande material. Spridande material är av central betydelse i naturen, där många material uppvisar spridningsegenskaper som inte är försumbara. Exempel från naturen inkluderar spridningsfenomen i atmosfären som ger upphov till den blåa himmeln och molnen där den grå-vita färgen uppstår genom att solljuset sprids ett stort antal gånger på vattenpartiklar i molnen. Denna grå-vita nyans är genomgående för komplexa material som sprider ljus starkt såsom mjölk, vitt papper, vit målarfärg, fruktkött, trä och tabletter. Dessutom sprider biologisk vävnad ljus kraftigt på grund av dess inre struktur bestående av celler, organeller, samt fettpartiklar och andra mikrometerstora objekt eller strukturer i en omgivning av vatten.



Avhandlingsarbetet har fokuserat på två forskningsspår, vilka är diffus optisk spektroskopi samt diffus optisk avbildning. Det första spåret, diffus optisk spektroskopi, tillämpas i denna avhandling för att mäta på starkt spridande komplexa material utan eller med minimala bildgivande egenskaper, vilket betyder att mätningarna sker i enbart en punkt eller fåtal punkter. Tekniken är mycket känslig och spektrum kan erhållas med hög noggrannhet. Specifikt har diffus optisk spektroskopi använts för att utveckla tekniker för att diagnostisera ögoncancersjukdomar samt för att mäta porstorlekar i tabletter eller liknande spridande material.



Diagnos av ögoncancersjukdomar sker vanligtvis genom att insidan på ögat avbildas. Detta kan exempelvis åstadkommas genom att använda ultraljud, magnetkamera eller att fotografera insidan av ögat genom pupillen. Dessa metoder kan identifiera områden i ögat där vävnadsförändringar har uppstått genom att presentera kvalitativa bilder. Dock saknar dessa metoder oftast specificitet eller kemisk information. Därför tas alltid ett vävnadsprov (biopsiprov) för mikroskopisk analys av misstänkta områden med onormala vävnadsförändringa. Ett biopsiprov är mycket specifikt och exakt, dock medför en biopsi alltid uppenbara risker för infektioner, efterföljande komplikationer och är dessutom väldigt kostsam för vården. Genom den utvecklade tekniken som är baserad på diffus optisk spektroskopi kan misstänkta regioner helt icke-invasivt belysas med ljus. Det diffust spridda ljuset kan sedan detekteras för att erhålla en fördelning av olika kemiska substanser som kan användas för att besluta om biopsi skall utföras eller ej.



Den andra tillämpningen av diffus optisk spektroskopi baseras på absorptionsspektroskopi av gas, vilken kan användas för att få en uppfattning om porstorlekar i t.ex. tabletter. Porösa material är av stort intresse inom samhället och används för katalysatorer, isolering, gaslagring, solceller, lagring av aktiva substanser i medicinska preparat samt medicinska tabletter där porositeten har stor inverkan på upptagningshastigheten i kroppen. En av dagens viktigaste standardtekniker för att bestämma porstorlekar i porösa material är att använda kvicksilverporisimetri. Tekniken baseras på att kvicksilver trycks in i porösa material under högt tryck, där trycket kan översättas till olika porstorlekar. Denna standardteknik är så pass viktig för samhället att EUs förbud av användning av kvicksilver till och med ger kvicksilverporisimetri ett undantag. Tekniken har dessutom ett antal nackdelar som gör det svårt att fullt ut lita på resultaten beroende på materialstrukturen. I denna avhandling har en teknik för att mäta porstorlekar baserad på diffus optisk spektroskopi demonstrerats. Principen baseras på att gasmolekylernas absorptionsspektrum ändrar utseende beroende på dess omgivning. Orsaker till förändringarna kan vara vilka andra gasmolekyler som finns i närheten, temperaturen och trycket, men dessutom ändras absorptionsspektrumens form beroende på hur ofta gasmolekylerna kolliderar med andra ytor. Det sistnämnda utnyttjas för att kunna uppskatta porstorlekar inuti keramiska tabletter, vilka för övrigt har flera likheter med medicinska tabletter. Utöver tillämpningen att uppskatta porstorlekar visas det att de starkt spridande egenskaperna i keramiska tabletter kan utnyttjas för att utveckla kompakta gassensorer eftersom ljusets väglängd igenom gasen i tabletterna kan förlängas hundratals gånger. Jämfört med nuvarande tekniker för att erhålla långa väglängder för absorptionsspektroskopi av gas som typiskt kräver hög noggrannhet avseende linjering av ljuset, är denna metod robust och kostnadseffektiv då den är mycket mindre känslig för den exakta experimentella mätegeometrin.



Det andra spåret, vilket är diffus optisk avbildning, behandlar hur innanmätet i spridande material, så som vävnad, kan avbildas tre-dimensionellt (3D). Tekniken har uppenbara medicinska tillämpningar och ämnar till att vara ett komplement till dagens medicinska 3D-avbildningstekniker, vilka t.ex. är magnetkamera, röntgenavbildning, ultraljud och positron-emissionstomografi. Specifikt har avhandlingsarbetet behandlat utveckling av metoder och nya optiska kontrastmedel för att på ett optimalt sätt extrahera intern strukturell information i vävnad. Sådana kontrastmedel kan bindas med antikroppar eller andra relevanta molekyler för att kunna söka sig specifikt till sjukdomsvävnad, t.ex. cancervävnad. Kontrastmedlet som har utforskats är nanokristaller innehållande sällsynta jordartsmetaller som ger dem uppkonverterande egenskaper. Detta betyder att partiklarna kan emittera ljus (fluorescera) med högre energi än det ljus som används för att aktivera dem genom en stegvis excitationsprocess. Jämfört med nuvarande optiska kontrastmedel har dessa nanopartiklar flera attraktiva och unika egenskaper som inklu-derar: i) väldigt specifik signal eftersom inga andra substanser i vävnad uppför sig likadant från en optisk synvinkel. ii) kemisk och strukturell robusthet som betyder att nanopartiklarna ej bleks eller förstörs av kroppen/immunförsvaret. iii) den specifika uppkonverterande processen ger upphov till bilder av högre upplösning genom att fundamentalt bryta nuvarande upplösningsgränser från användandet av konventionella fluorescerande kontrastmedel. iv) möjlighet att erhålla många fler optiska projektioner jämfört med konventionella kontrastmedel och kan vara av stor betydelse för avbildning av smådjur med begränsade ytor.



Sammanfattningsvis är avhandlingsarbetet starkt präglat av teoretisk modellering av experimentella och praktiska fysikaliska problem. Centralt i avhandlingen är modellering av ljusutbredning i spridande material vilken appliceras för ett stort antal tillämpningar. (Less)
Abstract
This thesis deals with optical spectroscopy and imaging of complex and strongly scattering turbid media. Focus is mainly placed on three topics, being i) diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, ii) gas spectroscopy in scattering materials using the GASMAS (gas in scattering media absorption spectroscopy) technique, and iii) luminescence diffuse optical imaging and tomography of tissues.



The first topic, which is diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, aims to develop a system which can be used for tissue diagnostics and to quantify relevant chromophores in an in-vivo setting through a transscleral measurement geometry. The present primary non-invasive diagnostic techniques are ophthalmoscopy,... (More)
This thesis deals with optical spectroscopy and imaging of complex and strongly scattering turbid media. Focus is mainly placed on three topics, being i) diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, ii) gas spectroscopy in scattering materials using the GASMAS (gas in scattering media absorption spectroscopy) technique, and iii) luminescence diffuse optical imaging and tomography of tissues.



The first topic, which is diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, aims to develop a system which can be used for tissue diagnostics and to quantify relevant chromophores in an in-vivo setting through a transscleral measurement geometry. The present primary non-invasive diagnostic techniques are ophthalmoscopy, ultrasonography, and magnetic resonance imaging (MRI). These techniques are excellent for mapping inhomogeneities in the choroid, however, they cannot in general provide any detailed chemical information on the tissue of interest to identify a tumor. Instead, intraocular biopsies are employed for chemical analysis which are always associated with risks. Thus, there is a strong need for non-invasive techniques which are able to extract chemical information from the choroid.



In the second topic of this thesis, where gas spectroscopy in scattering materials is studied, the GASMAS technique is employed to interrogate gas embedded inside of strongly scattering and highly porous ceramic tablets. Porous materials are of high importance in many applications and are, for example, used in catalysts, isolation, storage of gases, solar cells, and pharmaceutical tablets. One of the most important characterization techniques for porous materials is mercury intrusion porosimetry. In this technique, the sample is submerged in mercury and high pressure is used to force the mercury into the pores of the sample. Mercury intrusion porosimetry is destructive, hazardous and in addition inappropriate for certain material structures due to the employed models.



This thesis explores a fast, inexpensive and non-invasive optical technique for characterization of porous materials. The principle of the technique is based on the fact that the lineshape of gas absorption profiles is highly sensitive to its surroundings. Thus, the absorption lineshape of the gas molecules will be influenced by the pore sizes due to wall collisions. Under standard conditions, pressure broadening is the dominating perturbation factor and the contribution from wall collisions is often negligible for most porous materials with micron-sized pores. However, by reducing the pressure, the contribution from wall collisions will be more prominent and even materials with large pores exhibit clear absorption lineshape deviations which can be used to assess the pore sizes within porous materials. In addition, initial steps toward a theoretical model have been taken. Such development will be of fundamental importance to be able to accurately quantify pore geometries within porous materials. Finally, the strongly scattering ceramic tablets are shown to also be promising for developing compact, robust and inexpensive gas sensors owing to the relaxed alignment requirements and the large path length enhancements of the injected photons.



The final topic of this thesis, luminescence diffuse optical imaging and tomography of tissues, deals with the development of a system to image a new class of contrast agents known as upconverting nanoparticles (UCNPs) and of models to improve diffuse imaging and tomography. Optical bioimaging techniques have become highly interesting during the past few decades. Compared to the conventional imaging techniques such as MRI, CT, and positron emission tomography, optical imaging techniques can be significantly more cost and time effective. In particular, it has been shown that fluorescence and luminescence imaging are very attractive imaging modalities for small animal imaging in, for example, the development and evaluation of new drugs. The conventional fluorescent and luminescent contrast agents often have high quantum efficiencies, however, all of them suffer from the ambiguous tissue background autofluorescence.



The use of UCNPs for bioimaging is initially motivated in the present thesis by their intrinsic emission properties yielding a completely autofluorescence-free environment. The reason is that the luminescence emission from UCNPs is anti-Stokes shifted in contrast to the Stokes-shifted emission from endogenous luminescent compounds found in biological tissues. The upconversion process, as expected, has a nonlinear power dependence on the excitation intensity. This nonlinearity is exploited to demonstrate that the present spatial resolution limits can be breached both for planar luminescence diffuse optical imaging and luminescence diffuse optical tomography. In addition, other applications of the nonlinearity are explored which include, for example, the topic of multi-beam excitation schemes. These schemes can through the nonlinearity of UCNPs enable the possibility to extract an unprecedented amount of information to be used in optical tomographic reconstructions. Finally, the thesis work also involves optical characterization of UCNPs. In particular, the importance of proper optical characterization is highlighted which involves the fundamental quantum yield of UCNPs as well as the lifetimes of the relevant energy states. Based on the characterization work, an initial model is developed to describe the quantum yield of UCNPs as a function of the excitation intensity and it is shown that knowledge of the optical properties of UCNPs is of paramount importance to realize optimal imaging systems. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Pogue, Brian, Thayer School of Engineering at Dartmouth, Hanover, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
upconverting nanoparticles, luminescence, fluorescence, inverse problem, diffuse reflection spectroscopy, biomedical optics, photon migration, biomedical imaging, gas spectroscopy, medical diagnostics, tomography, Fysicumarkivet A:2013:Xu
pages
327 pages
defense location
Lecture hall Rydbergssalen, Department of Physics, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2013-12-20 10:15
ISSN
0281-2762
ISBN
978-91-7473-783-7
language
English
LU publication?
yes
id
b43099d9-de44-42df-a5e8-0d5a8076ce6e (old id 4175025)
date added to LUP
2013-11-26 11:16:45
date last changed
2016-09-19 08:45:01
@misc{b43099d9-de44-42df-a5e8-0d5a8076ce6e,
  abstract     = {This thesis deals with optical spectroscopy and imaging of complex and strongly scattering turbid media. Focus is mainly placed on three topics, being i) diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, ii) gas spectroscopy in scattering materials using the GASMAS (gas in scattering media absorption spectroscopy) technique, and iii) luminescence diffuse optical imaging and tomography of tissues.<br/><br>
<br/><br>
The first topic, which is diffuse optical spectroscopy of choroidal tumors, aims to develop a system which can be used for tissue diagnostics and to quantify relevant chromophores in an in-vivo setting through a transscleral measurement geometry. The present primary non-invasive diagnostic techniques are ophthalmoscopy, ultrasonography, and magnetic resonance imaging (MRI). These techniques are excellent for mapping inhomogeneities in the choroid, however, they cannot in general provide any detailed chemical information on the tissue of interest to identify a tumor. Instead, intraocular biopsies are employed for chemical analysis which are always associated with risks. Thus, there is a strong need for non-invasive techniques which are able to extract chemical information from the choroid.<br/><br>
<br/><br>
In the second topic of this thesis, where gas spectroscopy in scattering materials is studied, the GASMAS technique is employed to interrogate gas embedded inside of strongly scattering and highly porous ceramic tablets. Porous materials are of high importance in many applications and are, for example, used in catalysts, isolation, storage of gases, solar cells, and pharmaceutical tablets. One of the most important characterization techniques for porous materials is mercury intrusion porosimetry. In this technique, the sample is submerged in mercury and high pressure is used to force the mercury into the pores of the sample. Mercury intrusion porosimetry is destructive, hazardous and in addition inappropriate for certain material structures due to the employed models.<br/><br>
<br/><br>
This thesis explores a fast, inexpensive and non-invasive optical technique for characterization of porous materials. The principle of the technique is based on the fact that the lineshape of gas absorption profiles is highly sensitive to its surroundings. Thus, the absorption lineshape of the gas molecules will be influenced by the pore sizes due to wall collisions. Under standard conditions, pressure broadening is the dominating perturbation factor and the contribution from wall collisions is often negligible for most porous materials with micron-sized pores. However, by reducing the pressure, the contribution from wall collisions will be more prominent and even materials with large pores exhibit clear absorption lineshape deviations which can be used to assess the pore sizes within porous materials. In addition, initial steps toward a theoretical model have been taken. Such development will be of fundamental importance to be able to accurately quantify pore geometries within porous materials. Finally, the strongly scattering ceramic tablets are shown to also be promising for developing compact, robust and inexpensive gas sensors owing to the relaxed alignment requirements and the large path length enhancements of the injected photons.<br/><br>
<br/><br>
The final topic of this thesis, luminescence diffuse optical imaging and tomography of tissues, deals with the development of a system to image a new class of contrast agents known as upconverting nanoparticles (UCNPs) and of models to improve diffuse imaging and tomography. Optical bioimaging techniques have become highly interesting during the past few decades. Compared to the conventional imaging techniques such as MRI, CT, and positron emission tomography, optical imaging techniques can be significantly more cost and time effective. In particular, it has been shown that fluorescence and luminescence imaging are very attractive imaging modalities for small animal imaging in, for example, the development and evaluation of new drugs. The conventional fluorescent and luminescent contrast agents often have high quantum efficiencies, however, all of them suffer from the ambiguous tissue background autofluorescence.<br/><br>
<br/><br>
The use of UCNPs for bioimaging is initially motivated in the present thesis by their intrinsic emission properties yielding a completely autofluorescence-free environment. The reason is that the luminescence emission from UCNPs is anti-Stokes shifted in contrast to the Stokes-shifted emission from endogenous luminescent compounds found in biological tissues. The upconversion process, as expected, has a nonlinear power dependence on the excitation intensity. This nonlinearity is exploited to demonstrate that the present spatial resolution limits can be breached both for planar luminescence diffuse optical imaging and luminescence diffuse optical tomography. In addition, other applications of the nonlinearity are explored which include, for example, the topic of multi-beam excitation schemes. These schemes can through the nonlinearity of UCNPs enable the possibility to extract an unprecedented amount of information to be used in optical tomographic reconstructions. Finally, the thesis work also involves optical characterization of UCNPs. In particular, the importance of proper optical characterization is highlighted which involves the fundamental quantum yield of UCNPs as well as the lifetimes of the relevant energy states. Based on the characterization work, an initial model is developed to describe the quantum yield of UCNPs as a function of the excitation intensity and it is shown that knowledge of the optical properties of UCNPs is of paramount importance to realize optimal imaging systems.},
  author       = {Xu, Can},
  isbn         = {978-91-7473-783-7},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {upconverting nanoparticles,luminescence,fluorescence,inverse problem,diffuse reflection spectroscopy,biomedical optics,photon migration,biomedical imaging,gas spectroscopy,medical diagnostics,tomography,Fysicumarkivet A:2013:Xu},
  language     = {eng},
  pages        = {327},
  title        = {Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging of Turbid Media},
  year         = {2013},
}