Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy in Large Geometries: Towards Monitoring Oxygen in Adult Lungs

Brandt, Anna LU (2022) PHYM01 20221
Combustion Physics
Department of Physics
Abstract
GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) is a technique to study free gas inside strongly scattering bulk-materials. GASMAS is successful in safely measuring oxygen in lungs of neonates, with low-power tuneable diode-laser spectroscopy at 760 nm. Because a similar need of lung monitoring exists in older patients, this work explores how GASMAS can be scaled up for larger geometries. The major problem in large geometries is heavy light attenuation in tissue, making it necessary to increase the incident laser power. First, the performance of a low-power diode-laser GASMAS system was tested on wild boar lung. Next, an optical tapered amplifier (OTPA) was incorporated into the system with the goal of amplifying the light up to... (More)
GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) is a technique to study free gas inside strongly scattering bulk-materials. GASMAS is successful in safely measuring oxygen in lungs of neonates, with low-power tuneable diode-laser spectroscopy at 760 nm. Because a similar need of lung monitoring exists in older patients, this work explores how GASMAS can be scaled up for larger geometries. The major problem in large geometries is heavy light attenuation in tissue, making it necessary to increase the incident laser power. First, the performance of a low-power diode-laser GASMAS system was tested on wild boar lung. Next, an optical tapered amplifier (OTPA) was incorporated into the system with the goal of amplifying the light up to about 1 W. Finally, a high-power Titanium-Sapphire (TiSa) laser at 760 nm, not viable for practical GASMAS applications due to slow wavelength tuning, was used to study the level of light detection through tissue slabs, for varying slab thickness and laser powers. The results show a good oxygen signal through 3 − 5 cm of lung tissue at 26 mW diode-laser power. The amplification of the diode laser light through the OTPA has not yet been fully successful, but the different parts of the system have been investigated and suggested optimisations were made for the future. With the high-power TiSa-laser, light of higher powers could penetrate through thicker tissue slabs. At 1 W, a good signal was detected through 14 cm of tissue, as compared to 3 − 5 cm with 26 mW. In conclusion, the low-power diode-laser GASMAS system can detect oxygen in small lung geometries. Amplifying the power with an OTPA has good potential to enable oxygen GASMAS in large geometries. Future work should aim to better incorporate the OTPA into the diode-laser system with updated alignment equipment to amplify the power, in order to further investigate the applicability for GASMAS lung monitoring in larger children and adults. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hela livet är våra lungor livsviktiga organ. För nyfödda såväl som för äldre patienter så finns ett kliniskt behov av säker och kontinuerlig lungövervakning. Några av dagens vanliga metoder för att undersöka lungorna, såsom röntgen och datortomografi, ger endast en ögonblicksbild samt medför joniserande strålning. En ny teknik för klinisk lungmonitorering är nu på frammarch: GASMAS. GASMAS står för GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy, är fri från joniserande strålning och har potential att ge en kontinuerlig lungövervakning. Idag kan GASMAS framgångsrikt mäta syrgas i lungorna på neonatalt födda, där avstånden är små. Detta examensarbete tar nästa steg och studerar hur GASMAS kan skalas upp för större patienter.

Med gott... (More)
Hela livet är våra lungor livsviktiga organ. För nyfödda såväl som för äldre patienter så finns ett kliniskt behov av säker och kontinuerlig lungövervakning. Några av dagens vanliga metoder för att undersöka lungorna, såsom röntgen och datortomografi, ger endast en ögonblicksbild samt medför joniserande strålning. En ny teknik för klinisk lungmonitorering är nu på frammarch: GASMAS. GASMAS står för GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy, är fri från joniserande strålning och har potential att ge en kontinuerlig lungövervakning. Idag kan GASMAS framgångsrikt mäta syrgas i lungorna på neonatalt födda, där avstånden är små. Detta examensarbete tar nästa steg och studerar hur GASMAS kan skalas upp för större patienter.

Med gott resultat sattes ett GASMAS-system för syrgasmätning i lungor ihop. Systemet bestod av en diodlaser med kontinuerligt ljus vid 760 nm, för att matcha syrgasabsorption. Med låga lasereffekter om 26 mW genom en vildsvinslunga, kunde bra syresignaler uppmätas genom ca fyra cm lungvävnad. Om än förväntat så var detta goda resultat lovande inför att skala upp systemet för större geometrier! I större geometrier är den största utmaningen att det finns mer vävnad. Vävnad dämpar ljus kraftigt via både spridning och absorption. För att motverka detta så måste lasereffekten skruvas upp. Därför var nästa steg att förstärka laserljuset, samtidigt som det befintliga och framgångsrika GASMAS-systemet behölls intakt. För detta ändamål inkorporerades en optisk halvledarförstärkare. Förstärkaren hade en tre mikrometer stor ingångsyta mot vilken laserstrålen riktades. Lyckligtvis nog förstärktes det laserljus som träffade ingångsytan, men tyvärr var det blott en mycket liten del av det totala laserljuset. Utmaningen var att tre mikrometer är en sannerligen pytteliten öppning (ett hårstrå är ca 50 mikrometer tjockt). För att få ett GASMAS-system med bättre förstärkning, bör framtida studier fortsätta arbetet med att inkorporera förstärkaren. Att nå högre lasereffekter är kritiskt för målet om säker
GASMAS-monitorering av större lungor. För att verifiera att högre lasereffekter verkligen tillåter ljuspenetration i tjockare vävnad, användes ett högeffektsystem med kontinuerligt ljus vid 760 nm. Detta system kunde inte användas till GASMAS, men det var passande för att studera ljuspenetration genom vävnad av olika tjocklek. Som vävnadsmodell användes lättskivade kasslerbitar. Resultaten visar att det mycket riktigt lönar sig att öka lasereffekten; med två Watt
kunde ljuset penetrera hela 14 cm vävnad!

Det här examensarbetet har baserat på befintlig forskning konstruerat ett GAMAS-system med låg effekt för att undersöka syrgashalten i lungor över korta avstånd. För att använda systemet i större geometrier så behöver effekten skruvas upp. Nästa viktiga utmaning är därför att förstärka effekten genom att bättre inkorporera en optisk förstärkare. På så sätt så är detta arbete ett steg mot säker monitorering av lungor för fler patientgrupper. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Brandt, Anna LU
supervisor
organization
course
PHYM01 20221
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
9095274
date added to LUP
2022-07-06 14:02:46
date last changed
2022-07-06 14:02:46
@misc{9095274,
  abstract     = {{GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) is a technique to study free gas inside strongly scattering bulk-materials. GASMAS is successful in safely measuring oxygen in lungs of neonates, with low-power tuneable diode-laser spectroscopy at 760 nm. Because a similar need of lung monitoring exists in older patients, this work explores how GASMAS can be scaled up for larger geometries. The major problem in large geometries is heavy light attenuation in tissue, making it necessary to increase the incident laser power. First, the performance of a low-power diode-laser GASMAS system was tested on wild boar lung. Next, an optical tapered amplifier (OTPA) was incorporated into the system with the goal of amplifying the light up to about 1 W. Finally, a high-power Titanium-Sapphire (TiSa) laser at 760 nm, not viable for practical GASMAS applications due to slow wavelength tuning, was used to study the level of light detection through tissue slabs, for varying slab thickness and laser powers. The results show a good oxygen signal through 3 − 5 cm of lung tissue at 26 mW diode-laser power. The amplification of the diode laser light through the OTPA has not yet been fully successful, but the different parts of the system have been investigated and suggested optimisations were made for the future. With the high-power TiSa-laser, light of higher powers could penetrate through thicker tissue slabs. At 1 W, a good signal was detected through 14 cm of tissue, as compared to 3 − 5 cm with 26 mW. In conclusion, the low-power diode-laser GASMAS system can detect oxygen in small lung geometries. Amplifying the power with an OTPA has good potential to enable oxygen GASMAS in large geometries. Future work should aim to better incorporate the OTPA into the diode-laser system with updated alignment equipment to amplify the power, in order to further investigate the applicability for GASMAS lung monitoring in larger children and adults.}},
  author       = {{Brandt, Anna}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy in Large Geometries: Towards Monitoring Oxygen in Adult Lungs}},
  year         = {{2022}},
}