Biomedical and atmospheric applications of optical spectroscopy in scattering media

Abstract

Spectroscopic analysis of scattering media is difficult because the effective path length of the light is non-trivial to predict when photons are scattered many times. The main area of research for such conditions is biological tissues, which scatter light because of variations of the refractive index on the cellular level. In order to analyze tissues to diagnose diseases, or predict doses during, for example, laser treatment, it is necessary to be able to model light propagation in the tissue, as well as quantify the scattering and absorption properties. Problems of this type occur in many other areas as well, for example in material science, and atmospheric and ocean-water optics.



This thesis deals with light propagation models in scattering media, primarily based on radiative transport theory. Special attention has been directed to the Monte Carlo model to solve the Boltzmann radiative transport equation, and to develop faster and more efficient computer methods. A Monte Carlo model was applied to solve a spectroscopic problem in monitoring the emission of gases in smoke plumes. An important theme in the thesis deals with measurement of the optical properties, with emphasis on biomedical applications. Several different measurement techniques based on a wide range of instruments have been developed or improved upon, and the strengths and weaknesses of these methods have been evaluated.



The measurement techniques have been applied to analyze the scattering and absorption properties of some biological tissues. Much devotion has been directed to optical characterization of blood, which is an important tissue from a health-care perspective. At present, the complex scattering properties of blood prevents detailed optical analysis of whole blood. The work presented here is also aimed at acquiring a better understanding of the fundamental scattering processes at a cellular level.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den här doktorsavhandlingen handlar om vad som händer när ljus lyser genom spridande material. Det viktigaste användningsområdet är inom medicin, men även tillämpningar inom atmosfärsmätningar berörs. Metoderna som är beskrivs är dessutom så generella att de kan användas för alla typer av spridande material, till exempel olika livsmedel, papper, plast, färg och rök. I ett spridande material finns mikroskopiska variationer i brytningsindex som leder till att en ljusstråle studsar, eller sprids, i andra riktningar är den ursprungliga. Ett vardagligt exempel är mjölk, som består av vatten med små fettdroppar i. Eftersom fettdropparna har ett annat brytningsindex än vattnet sprider de ljuset. Det spridda ljuset är skälet till att mjölken ser vit ut och inte genomskinlig. I själva verket är ljusspridning anledningen till färgen hos alla föremål som upplevs som vita, till exempel papper, väggfärg, vissa plastsorter, eller moln.



Förutom spridning kan det finnas absorption i ett material. Absorption innebär att ljus tas upp och omvandlas till annan energi i materialet, oftast värme. Ett exempel på ett material som absorberar ljus, men inte sprider det, är rött vin. I vinet finns färgämnen som aborberar det blå och det gröna ljuset, men låter det röda passera. I vävnader, som till exempel hud, fett, muskler, hjärna, eller ben, förekommer både spridning och absorption. Som en jämförelse kan man tänka sig att man blandar mjölk och rödvin. Inom vävnadsoptiken är det viktigt att dels bestämma hur mycket en viss vävnadstyp sprider och absorberar ljuset, och dels att kunna förutsäga hur ljuset kommer att utbreda sig i en viss vävnadstyp.



Synligt ljus är en del av det elektromagnetiska spektret med våglängder mellan ungefär 400 nm (blåviolett ljus) och 700 nm (rött ljus). I den här avhandlingen har vi använt ljus både från traditionella ljuskällor, som glödtrådslampor, xenonlampor och solljus, och från lasrar. För resultaten som presenteras spelar det ingen roll från vilken typ av ljuskälla som har använts. De unika egenskaperna hos laserljuset har inte någon betydelse för dessa mätningar. Anledningen till att laserljus ändå har använts i vissa fall är för att lasrar har vissa praktiska fördelar. De viktigaste är att laserljuset kan vara mycket intensivt, att det bara har en våglängd, samt att det går att få ljuspulser som är mycket korta med en laser.



I vävnader bestäms absorptionen huvudsakligen av blodets röda färgämne, hemoglobinet. Absorptionen hos hemoglobin minskar kraftigt för rött och infrarött ljus, i våglängdsområdet ca 600 - 1000 nm. Spridningen i vävnader är också mindre i detta område än för blått och grönt ljus. Därför talar man om ett optiskt fönster i detta våglängdsområde, där ljus relativt lätt kan tränga genom vävnaden.



En av de viktigaste anledningarna till forskning inom vävnadsoptik är att diagnosticera sjukdomstillstånd med hjälp av ljus, som cancertumörer. En cancertumör skiljer sig optiskt från normal vävnad både genom att dess absorption och dess spridning är annorlunda. Dessutom beror skillnaderna på vilka våglängder man undersöker. Att mäta så att ljuset delas upp i sina olika våglängder kallas spektroskopi, och är en mycket viktig analysmetod inom många olika vetenskapliga områden. Olika ämnen har olika absorptionsspektra, vilket kan användas som fingeravtryck för att identifiera ämnet. Genom att studera absorptionsspektra och spridningsspektra hos vävnader kan man undersöka eventuella skillnader.



Förutom att mäta absorptions- och spridningsspektra i de olika vävnaderna vill man även skapa bilder av hur vävnaden ser ut inuti olika kroppsdelar. Detta skulle kunna användas som ett alternativ till röntgenbilder. Problemet med att skapa sådana bilder är spridningen. Röntgenstrålar sprids endast marginellt av vävnad, och det är därför lätt att ta röntgenbilder. För synligt och infrarött ljus innebär spridningen att bilderna blir så suddiga att de är oanvändbara om man försöker göra samma sak. Det är som att försöka se genom ett glas mjölk. För att komma runt detta problem krävs avancerad teknik, som exempelvis lasrar med extremt korta ljuspulser, och nya matematiska modeller för att räkna fram bilderna. Dessa beräkningar kräver mycket datorkraft och tar lång tid, i vissa fall flera dagar, även för snabba datorer.



Avhandlingen handlar i huvudsak om teorin för ljusspridning i material som vävnad, med inriktning mot praktiska användningar. Den mest använda teorin kallas transportteori, och har sitt ursprung i 1800-talets fysik. I transportteorin betraktas ljuset som ett energiflöde som styrs i huvudsak av två faktorer i materialet: spridnings- och absorptionskoefficienten. I teorin finns en grundläggande ekvation, transportekvationen (se ekvation 3.7), som dock är mycket komplicerad att lösa direkt. En stor del av avhandlingen handlar om en särskild teknik för att lösa transportekvationen med hjälp av datorer, den så kallade Monte Carlo-metoden. Metoden bygger på att man låter datorn simulera "transporten" av ljuset i materialet i form av ljuspartiklar, så kallade fotonpaket. Monte Carlo-metoden kan användas för i princip alla tänkbara situationer, men ofta tar beräkningen för lång tid för att vara praktiskt genomförbar. Då kan man i stället använda olika approximativa metoder, som visserligen inte alltid ger exakt rätt resultat, men som i gengäld går mycket snabbare att beräkna.



Förutom beräkningsmetoderna handlar en väsentlig del i avhandlingen om hur man mäter spridnings- och absorptionskoefficienten. Sådana mätningar är omöjliga att utföra direkt. I stället måste man belysa provet, t ex vävnaden, och mäta det ljus som reflekteras tillbaka. Med hjälp av exempelvis Monte Carlo-metoden kan man sedan baklänges räkna ut vilka koefficienterna i provet är.



Några tillämpningar av dessa beräknings- och mätmetoder finns också med i avhandlingen. I Paper IV mättes spridnings- och absorptionskoefficienterna i hjärtmuskel före och efter så kallad ablationsterapi, som innebär att felaktiga nervbanor i hjärtat bränns bort. Kunskapen kan leda till bättre möjligheter för hjärtkirurgen att kontrollera behandlingen. I Paper III gjordes mätningar på bröstvävnad för att ge bakgrundskunskaper för utveckling av en ny, laserbaserad, metod att upptäcka bröstcancer. I Paper V och VI undersöktes de optiska egenskaperna hos blod, vilket kan leda till nya möjligheter att analysera blod direkt utan att behöva ta blodprover. I Paper VII tillämpades Monte Carlo-metoden på mätningar av svaveldioxidutsläpp i rökplymen från vulkanen Etna på Sicilien. Detta ledde till att man nu kan förklara de systematiska fel i uppskattningen av utsläppen som tidigare observerats.

• author: Swartling, Johannes
• supervisor: Stefan Andersson-Engels
• opponent: Dr Farrell, Thomas J., Hamilton Regional Cancer Centre, Hamilton, Ontario, Canada
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Turbid media, Tissue optics, Tissue optical properties, Multiple scattering, Radiative transfer, Diffusion equation, Monte Carlo method, Time-resolved spectroscopy, Atomic and molecular physics, Integrating spheres, Atom- och molekylärfysik, Fysicumarkivet A:2002:Swartling
• in: Lund Reports in Atomic Physics
• volume: LRAP-290
• pages: 230 pages
• defense location: Department of Physics, Hall B
• defense date: 2002-12-13 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTFD2(TFAF-1050)/1-113(2002)
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 91-628-5486-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Paper I. J. Swartling, A. Pifferi, A. M. K. Enejder, and S. Andersson-Engels, "Accelerated Monte Carlo model to simulate fluorescence spectra from layered tissues," Journal of the Optical Society of America A, in press (2002).; Paper II. J. Swartling, J. S. Dam, and S. Andersson-Engels, "Comparison of spatially and temporally resolved diffuse reflectance measurement systems for determination of biomedical optical properties," submitted to Applied Optics (2002).; Paper III. J. Swartling, A. Pifferi, E. Giambattistelli, E. Chikoidze, A. Torri-celli, P. Taroni, M. Andersson, A. Nilsson, and S. Andersson-Engels, "Measurements of absorption and scattering properties using time-resolved diffuse spectroscopy - Instrument characterization and impact of heterogeneity in breast tissue," manuscript (2002).; Paper IV. J. Swartling, S. Pålsson, P. Platonov, S. B. Olsson, and S. Anders-son-Engels, "Changes in tissue optical properties due to radio-frequency ablation of myocardium," submitted to Medical & Biological Engineering & Computing (2002).; Paper V. A. M. K. Enejder, J. Swartling, P. Aruna, and S. Andersson-Engels, "Influence of cell shape and aggregate formation on the optical properties of flowing whole blood," Applied Optics, returned after minor revisions (2002).; Paper VI. J. Swartling, A. M. K. Enejder, P. Aruna, and S. Andersson-Engels, "Polarization-dependent scattering properties of flowing whole blood," manuscript for Applied Optics (2002).; Paper VII. P. Weibring, J. Swartling, H. Edner, S. Svanberg, T. Caltabiano, D. Condarelli, G. Cecchi, and L. Pantani, "Optical monitoring of volanic sulphur dioxide emissions - Comparison between four different remote-sensing spectroscopic techniques," Optics and Lasers in Engineering 37, 267-284 (2002).
• id: c265cb4e-139a-4348-b3d0-733c9759b2fc (old id 465288)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:50:00
• date last changed: 2019-05-21 17:53:37