Advanced

Measuring the Optical Properties of Human Muscle Tissue using Time-of-Flight Spectroscopy in the Near Infrared

Strömblad, Staffan LU (2015) In LRAP PHYM01 20142
Department of Physics
Atomic Physics
Abstract
Optical spectroscopy is commonly used in technology and science today.
The presence and concentration of a substance can be determined
by its spectral signature, the typical wavelengths that are absorbed (or
emitted) by the atoms or molecules. Standard absorption spectroscopy
requires that the substance is clear and that the optical path-length is
known to obtain quantitative information. Unfortunately in many materials,
such as human tissue or pharmaceutical tablets, there are also
a strong scattering of light which complicates measurements. The pathlength
of the light is now no longer known and the intensity of the detected
light can in many cases be more affected by high scattering than by the
absorption values.

One method... (More)
Optical spectroscopy is commonly used in technology and science today.
The presence and concentration of a substance can be determined
by its spectral signature, the typical wavelengths that are absorbed (or
emitted) by the atoms or molecules. Standard absorption spectroscopy
requires that the substance is clear and that the optical path-length is
known to obtain quantitative information. Unfortunately in many materials,
such as human tissue or pharmaceutical tablets, there are also
a strong scattering of light which complicates measurements. The pathlength
of the light is now no longer known and the intensity of the detected
light can in many cases be more affected by high scattering than by the
absorption values.

One method to separate these two values are photon Time-of-Flight
Spectroscopy (TOFS). By sending many short light pulses through a sample,
and recording the time for a single photon to arrive at our detector
for each pulse, we can build a histogram that represents the broadening of
the light pulse that is determined by both the scattering and absorption.
By tting computer generated theoretical curves against the recorded histogram,
we can extract the values for absorption and scattering from the
curve with the best fit.

The Biophotonics group at the department of Physics at Lund University
has implemented a system that can deliver continuous absorption/
scattering spectra from 500 nm to 1400 nm. It uses a broadband
laser as source and tunable optical filters to select narrow wavelength
bands for measurements. In this thesis we expanded the set-up with a
new laser source and new filters. We performed tests comparing measurements
using the new filter with results from the old system. We could
show that the new lter gave better results, due to the sharper line width
of the output light pulse.

Study were also conducted on the absorption and scattering spectra of
muscle tissue in the near infrared, between 650 nm and 1350 nm, probing
the lower left arm of a volunteer. This was performed by positioning two
optical fibres against the skin, sending light in with one and measuring
the scattered light arriving at the second. The results are shown to be
comparable to other studies done for wavelengths up to 1000 nm, and give
new data up to 1350 nm that is consistent with the properties of the main
absorbing components in this range, lipids and water. One uncertainty
that appear in the results are due to the compression of the tissue by the
fibres, this is something that should be addressed in repeat measurement
that where not possible to perform in this study. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Att använda hur ljus absorberas för att ta reda på något om ett ämne är
inget konstigt, vi har alla gjort det. När vi blandar ett glas saft tittar vi på färgen och kan säga av erfarenhet hur stark den är. Precis på samma
sätt fungerar absorptionsspektroskopi, genom att titta på hur mycket ljus
som passerar genom ett material kan vi bestämma koncentrationen av
ett ämne vi är intresserade av, om vi mäter hur mycket ljus detta ämne
absorberar och vet hur lång väg genom materialet som ljusstrålen går.
Olika färger på ljuset, olika våglängder, absorberas olika mycket av ämnen,
och detta kan användas för att bestämma vad som finns i det vi tittar
på. På så sätt kan vi enkelt skilja på gul apelsinsaft och röd jordgubbssaft.

För saft är... (More)
Att använda hur ljus absorberas för att ta reda på något om ett ämne är
inget konstigt, vi har alla gjort det. När vi blandar ett glas saft tittar vi på färgen och kan säga av erfarenhet hur stark den är. Precis på samma
sätt fungerar absorptionsspektroskopi, genom att titta på hur mycket ljus
som passerar genom ett material kan vi bestämma koncentrationen av
ett ämne vi är intresserade av, om vi mäter hur mycket ljus detta ämne
absorberar och vet hur lång väg genom materialet som ljusstrålen går.
Olika färger på ljuset, olika våglängder, absorberas olika mycket av ämnen,
och detta kan användas för att bestämma vad som finns i det vi tittar
på. På så sätt kan vi enkelt skilja på gul apelsinsaft och röd jordgubbssaft.

För saft är detta enkelt, men det blir mycket svårare för till exempel
mjölk. Anledningen till att mjölk är vit är nämligen att allt ljus som
kommer in i mjölken sprids, det studsar runt mellan små fettdroppar och
luftbubblor. Detta gör att det är omöjligt att veta hur lång sträcka ljuset
gått igenom mjölken, för vi vet inte hur många gånger det ändrat riktning
på vägen. Nu beror mängden ljus som passerar materialet på både spridningen
och absorptionen, och vi måste ta hänsyn till bägge värden. Det
går inte enkelt att skilja på olika mjölktyper bara genom att titta på dem.

Ett sätt att mäta både absorption och spridning som används i denna
avhandling kallas photon Time-of-Flight Spectroscopy, pTOFS, där man
mäter den tid det tar för enstaka ljuspartiklar, fotoner, att passera igenom
materialet. Genom att göra många mätningar kan man bygga upp en graf
som representerar den statistiska fördelningen av tiden det tar för fotonerna
att passera, och formen på denna graf innehåller information om
hur mycket absorption och spridning som ljuset utsatts för på sin väg.
Genom att göra datorberäkningar där vi varierar spridning och absorption
kan vi ta fram teoretiska grafer med kända värden. Sedan jämför
vi datorgraferna med de uppmätta, och när vi hittar en som ser exakt
likadan ut så kan vi läsa av värdena för absorption och spridning.

En typ av kraftigt spridande material är biologisk vävnad. Det finns
redan många metoder att få fram information om vävnad, t.ex. röntgen,
magnetkamera eller vävnadsprov. Fördelen med att använda ljus framför
andra metoder är att det inte orsakar någon skada på vävnaden och det är
relativt snabbt och billigt. Den stora nackdelen är att ljuset inte förmår
tränga in så långt i vävnaden, typiskt nån millimeter till några centimeter
beroende på vävnadstyp och ljusets våglängd.

Denna avhandling har som mål att mäta värden för absorption och
spridning i mänsklig muskelvävnad för infrarött ljus. Detta har utförts
med en pTOFS-uppställning på avdelningen för atomfysik vid Lunds Universitet.
Först installeras nya delar för att få bättre ljusstyrka och vi
utvärderar dessa, för att sedan mäta upp absorption och spridningsvärden
för en muskel på en frivillig persons underarm. Resultaten visar att
det är möjligt att använda metoden en bit in i det infraröda området, men
sedan ökar absorptionen från vatten i vävnaden kraftigt och omöjliggör
vidare mätning. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Strömblad, Staffan LU
supervisor
organization
course
PHYM01 20142
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
photon, Time-of-Flight, muscle tissue, optical, spectra, Infrared
publication/series
LRAP
report number
498
language
English
id
4936673
date added to LUP
2015-04-28 19:44:25
date last changed
2015-06-02 09:28:40
@misc{4936673,
  abstract     = {Optical spectroscopy is commonly used in technology and science today.
The presence and concentration of a substance can be determined
by its spectral signature, the typical wavelengths that are absorbed (or
emitted) by the atoms or molecules. Standard absorption spectroscopy
requires that the substance is clear and that the optical path-length is
known to obtain quantitative information. Unfortunately in many materials,
such as human tissue or pharmaceutical tablets, there are also
a strong scattering of light which complicates measurements. The pathlength
of the light is now no longer known and the intensity of the detected
light can in many cases be more affected by high scattering than by the
absorption values.

One method to separate these two values are photon Time-of-Flight
Spectroscopy (TOFS). By sending many short light pulses through a sample,
and recording the time for a single photon to arrive at our detector
for each pulse, we can build a histogram that represents the broadening of
the light pulse that is determined by both the scattering and absorption.
By tting computer generated theoretical curves against the recorded histogram,
we can extract the values for absorption and scattering from the
curve with the best fit.

The Biophotonics group at the department of Physics at Lund University
has implemented a system that can deliver continuous absorption/
scattering spectra from 500 nm to 1400 nm. It uses a broadband
laser as source and tunable optical filters to select narrow wavelength
bands for measurements. In this thesis we expanded the set-up with a
new laser source and new filters. We performed tests comparing measurements
using the new filter with results from the old system. We could
show that the new lter gave better results, due to the sharper line width
of the output light pulse.

Study were also conducted on the absorption and scattering spectra of
muscle tissue in the near infrared, between 650 nm and 1350 nm, probing
the lower left arm of a volunteer. This was performed by positioning two
optical fibres against the skin, sending light in with one and measuring
the scattered light arriving at the second. The results are shown to be
comparable to other studies done for wavelengths up to 1000 nm, and give
new data up to 1350 nm that is consistent with the properties of the main
absorbing components in this range, lipids and water. One uncertainty
that appear in the results are due to the compression of the tissue by the
fibres, this is something that should be addressed in repeat measurement
that where not possible to perform in this study.},
  author       = {Strömblad, Staffan},
  keyword      = {photon,Time-of-Flight,muscle tissue,optical,spectra,Infrared},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {LRAP},
  title        = {Measuring the Optical Properties of Human Muscle Tissue using Time-of-Flight Spectroscopy in the Near Infrared},
  year         = {2015},
}