Praktikumsversuch. Gewebeoptik

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1 Praktikumsversuch Gewebeoptik

2 Einleitung Die Optimierung photomedizinischer Behandlungen, wie z.b. der Laserchirurgie, der Laserthermokeratoplastie (LTK) oder der photodynamischen Therapie (PDT), erfordern die Kenntnisse der Lichtverteilung im bestrahlten Gewebe, da nur ein Teil der Strahlung im Gewebe absorbiert und damit therapiewirksam wird. Sie ist abhängig von den gewebespezifischen, optischen Basisparametern, dem Absorptionskoeffizient µ a, dem Streukoeffizient µ s, dem Anisotropiefaktor g und dem Brechungsindex n p. Optisches Verhalten einer Gewebeschicht bei Bestrahlung mit Laserlicht: Oberflächen - Gewebe Absorber reflexion Streuer Laser Remission Absorption Transmission: - Balistische Photonen - Snake Photonen 1. Grundlagen Der Brechungsindex n( ) ist wellenlängenabhängig und beträgt z.b. n(633nm)=1,34 für Wasser. Durchläuft Licht eine Probe, welche die Dicke d und den Brechungsindex n hat, so benötigt das Licht die optische Weglänge d opt =n*d Der Absorptionskoeffizient µ a bezeichnet die Absorptionsprozesse N abs pro optischer Weglänge d opt in der Probe: µ a =N abs /d opt Biologische Gewebe weisen typische Absorbtionskoeffizienten im Bereich von 0,01 cm -1 < µ a < 100 cm -1 auf. Der Streukoeffitient µ s bezeichnet die Streuprozesse N str pro optischer Weglänge d opt in der Probe: µ s =N str /d opt Biologische Gewebe weisen typische Streukoeffizienten im Bereich von 10 cm -1 < µ s < 1000 cm -1 auf. Der Dämpfungskoeffizient µ t (oder auch Extinktion genannt) beschreibt die Summe µ a +µ s der Absorptions- und Streuprozesse pro optischer Weglänge d opt, die die Strahlstärke dämpfen. Die mittlere freie Weglänge ist die mittlere Entfernung, die ein Photon zurücklegt, bis es entweder absorbiert oder gestreut wird. Sie ist gegeben durch: x=1/µ t.

3 Der Anisotropiefaktor g = <cos > stellt den Intensitäts-gewichteten Mittelwert des Cosinus des Streuwinkels dar. Er beträgt in den meisten biologischen Geweben typischerweise Werte zwischen 0,6 und 0,99. Mangels Zeit soll der g-fakor in diesem Praktikum nicht weiter behandelt werden. Definition des Anisotropenfaktors: Rückwärts-Streuung: Isotrope Streuung: Vorwärts-Streuung: -1 < g < 0 g = 0 0 < g < 1 Photon Streuzentrum Der effektive Streukoeffizient µ s '=µ s (1-g) Der effektive Dämpfungskoeffizient beträgt µ eff =(3µ a (µ a +µ s ')) -1/2. Die effektive mittlere freie Weglänge: x eff =1/(µ a +µ s ') Die effektive Eindringtiefe: d eff =1/µ eff

4 2. Aufgabenstellung: 2.1. Die Dämpfung µ t (d) verschiedener Proben soll gemessen werden: Die Proben sollen für verschiedene Probendicken vermessen werden. Die Ergebnisse sollen graphisch und mit Fehlerrechnung in einer Tabelle dargestellt werden. Die Ergebnisse sollen diskutiert werden, wobei im einzelnen auf die Unterschiede von µ a und µ s der verschiedenen Proben eingegangen werden soll. Um qualitativ eine Aussage treffen zu können, ob die Absorption groß oder klein ist, soll die lokale diffuse Reflexion gemessen werden Es soll die lokale diffuse Reflexion R(r) verschiedener Proben gemessen und die effektive Dämpfung µ eff berechnet werden: Die Ergebnisse sollen graphisch und mit Fehlerrechnung in einer Tabelle dargestellt werden. Die Ergebnisse sollen diskutiert werden, wobei im einzelnen auf die Unterschiede von µ a und µ s ' der verschiedenen Proben eingegangen werden soll. 3. Versuchsdurchführung 3.1 Messung des Dämpfungskoeffizienten Die Bestimmung des Dämpfungskoeffizienten basiert auf der Anwendung des Lambert-Beer- Gesetzes. Es beschreibt die Dämfung einer Lichtintensität in definierter Richtung durch Absorption. Spiegel Shopperrad Login- Verstärker Solarzelle Probe Blende Glasfaser Faserhalter He-Ne Laser Schematische Darstellung der Meßanordnung zur Bestimmung der Dämpfung µa. Dazu müssen die Photonen detektiert werden, die bei der Transmission der Probe keine Streu- oder

5 Absorptionsprozesse erfahren haben ( Balistische Photonen ). Photonen, die sich nach Mehrfachstreuung wieder in Achsennähe und in Ausbreitungsrichtung bewegen, führen daher zu einer Verfälschung des Meßergebnisses. Um dies zu verhindern, sollte die Dicke der Probe möglichst klein sein, so daß möglichst wenig Mehrfachstreuprozesse stattfinden. Weiterhin sollte der Akzeptanzwinkel des Detektors ebenfalls sehr klein sein, so daß durch Streuung verursachte geringe Abweichungen von der ursprünglichen Richtung nicht miterfaßt werden. Dazu wird ein Versuchsaufbau verwendet wie in Abbildung1 dargestellt ist. Der kollimierte HeNe-Laserstrahl wird durch die erste Blende auf einen Durchmesser begrenzt, der einerseits so groß ist, daß Mikrolöcher in der Probe nicht zu signifikanten Verfälschungen der Messungen führen, aber andererseits so klein ist, daß der Probendurchmesser noch deutlich größer ist. Die Blenden hinter der Probe sollen in erster Näherung nur ungestreute Strahlung zum Detektor durchlassen. Die Probenhalterung in Abbildung 1 besteht aus zwei ineinandergestellte Quarzglasküvetten. In der größeren Küvette befindet sich die Probenlösung. Durch Verschieben der kleineren Küvette wird die Probendicke d verändert. Aus dem Verhältnis der Intensität I 0 ( Probenlösung = destilliertes Wasser) und der Intensität mit einer Probe I P wird die Dämpfung für die Probe mit der Dicke d gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz bestimmt. t = 1 d lni P I 0 Wobei der Dämpfungskoeffzient ist. t = a + s Für die Messung des Absorptionskoeffizienten µ a gibt es für lichtstreuende Proben kein direktes Meßverfahren.

6 3.2 Messung der lokalen diffusen Reflexion In Abbildung 2 wird die Oberfläche einer Probe mit einem auf einen Durchmesser von 0,4mm kollimierten Laserstrahl beleuchtet. Eine Lichleitfaser mit hohe numerischer Apertur (NA=0,45, Ø=600µm) ist in x-y-z-richtung justierbar, so daß das offene Faserende direkt auf die Probenoberfäche aufgesetzt wird und das zurückgestreute Licht radial abgescannt werden kann. Spiegel Login- Verstärker Shopperrad Z Y X Faser Probe He-Ne Laser Schematische Darstellung der Meßanordnung zur Bestimmung der lokalen diffusen Reflexion R(r). wobei R( r)=k 0 e eff r r 2 eff =(3 a ( a + ' s )) Zur Verbesserung der Messdynamik wird das Laserlicht mit einem Shopperrad mit einer festen Frequenz moduliert. Der Login Verstärker wird auf diese Pulsfrequenz gelockt`, sodaß nur Licht mit diese Frequenz zur Detektion beiträgt. Literatur: 1. Berlien HP, Müller G, Angewandte Lasermedizin Lehr- und Handbuch für Praxis und Klinik. Hrsg. vom Laser-Medizin-Zentrum Berlin ecomed Verlagsgesellschaft. 2. Pan Y, Engelhardt R, Rosperich J, Hüttmann G, Birngruber R (1994) Measurement of Optical- Transport-Coefficients of Intralipid in Visible and NIR Range. SPIE Vol. 2134A; Praktikumsversuch zur Gewebeoptik Versuchsdurchführung und Auswertung

7 1. Anmischen des Gewebemodels mit bekanntem µ s (30cm -1 ) Berechnen Sie für die Anisotropiefaktoren von g=0,8 (543nm) und 0,733 (633nm) jeweils eine Mischung (10ml gesamt) aus Intralipid und bidestilliertem Wasser, die beide ein µs von 30cm -1 haben. Siehe Anleitung zur Berechnung! Lösung I für 543nm grüner HeNe Lösung II für 633nm roter HeNe Benutzen Sie zum Anmischen der beiden Lösungen die Pipetten. Grüner HeNe Laser! 2. Aufbau mit Küvette: Messen Sie die ballistischen Photonen in Transmission in Abhängigkeit von der Schichtdicke für Lösung I grüner HeNe. Schichtdicke 0,1 bis Minimum 0,7 mm in Schritten von 0,1 mm Wiederholen Sie die erste Messung noch zweimal. So können Sie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse überprüfen und Fehler für die folgenden Messungen vermeiden. In der Auswertung lässt sich die Fehlergröße abschätzen. 3. Aufbau Faser: Messen Sie nun die diffuse Reflexion an der Oberfläche für Radien von 1 mm bis min. 4 mm. 4.und 5. Führen Sie Messung 2 und 3 durch nachdem Sie 200 µl grüne (oder rote) Tinte zur Absorptionserhöhung zu der Lösung getan haben. Roter HeNe Laser! Führen Sie die Versuche 2-5 mit der Lösung II und dem roten HeNe Laser durch. Protokollieren Sie Störeinflüsse (Untergrundrauschen) am Messaufbau für die Fehlerbetrachtung. Achtung: Die Laser entsprechen der Laserklasse 3b (P>5mW). Der direkte Blick in den Laserstrahl kann zu irreversiblen Schäden auf der Netzhaut führen. Beim Umbauen daher Blende des Lasers schließen. Wenn Sie im Umgang mit Lasern nicht vertraut sind, weisen Sie gegebenenfalls darauf hin, dass Sie unterwiesen werden möchten!

8 Auswertung: Wichtig: Normieren Sie alle Messreihen auf 1. Transmissionsmessung: Tragen Sie die gemessenen Intensitäten I(d) logarithmisch gegen die Schichtdicke d auf, um als Steigung µ t zu erhalten. Reflexionsmessung: Tragen Sie die R(r) logarithmisch gegen den Abstand r auf, um als Steigung µ s zu erhalten. Messwerte die unlogisch erscheinen, stark abweichen oder zu kleine Werte, die in die Rauschzone gehen, nicht mit einbeziehen! Bitte zusammengehörende Messungen in ein Diagramm eintragen: 1. grün Transmision ohne und mit Tinte 2. grün Reflexion mit und ohne Tinte 3. und 4. rot Transm. und Refl. Benutzen Sie für die Ermittlungen der Steigungen eine lineare Regression. Vergleichen und diskutieren Sie die gefundenen Werte für µ t und µ s. Wie hoch ist der Absorptionskoeffizient µ a der einzelnen Lösungen? Schätzen Sie den effektiven Dämpfungskoeffizienten mit der Formel µ eff = (3µ a (µ a + µ s)) 1/2 ab. Welchen Einfluß hat die Wellenlänge auf Absorption und Streuung? Die Versuche an Intralipidmischungen dienten als Modell z.b. eines steuenden Gewebes. Führen Sie eine Fehlerbetrachtung durch (Standardabweichung). Kennen Sie medizinische Anwendungen aus Therapie und/oder Diagnostik, bei denen hohe oder niedrige Absorption oder Streuung des Gewebes ausgenutzt werden oder benötigt werden?

9 Messung Milch Laser : rot ( 633 nm ) d I(d) r R(r) 0,1 1 0,2 1,5 0,3 2 0,4 2,5 0,5 3 0,6 3,5 0,7 4 4,5 5 5,5 Messung Milch µl Tinte d I(d) r R(r) 0,1 1 0,2 1,5 0,3 2 0,4 2,5 0,5 3 0,6 3,5 0,7 4 4,5 5 5,5

10 Messung Milch Laser : grün ( 543 nm ) d I(d) r R(r) 0,1 1 0,2 1,5 0,3 2 0,4 2,5 0,5 3 0,6 3,5 0,7 4 4,5 5 5,5 Messung Milch µl Tinte d I(d) r R(r) 0,1 1 0,2 1,5 0,3 2 0,4 2,5 0,5 3 0,6 3,5 0,7 4 4,5 5 5,5

11 Anhang: Berechnung des Streukoeffizienten für verschiedene Intralipidkonzentrationen bei verschiedenen Wellenlängen: Für eine 10%-Intralipidlösung erhält man (aus Light scattering in Intralipid-10% in the wavelength range of 400nm-1100nm, Hugo J. van Staveren et al, Applied Optics, Vol.30, No.31, 1991, pp.4507) µ s ( )=0,016* -2,4 wobei in µm eingesetzt wird, so daß µ s in µm -1 errechnet wird. In dem Paper wird ebenfalls eine Formel zur Berechnung des Anisotropiefaktors angegeben. Diese ist allerdings nur bei der 10%-igen Intralipidlösung gültig. g( )=1,1-0,58. Für eine 10%-ige Intralipidlösung (Originalabfüllung) erhält man z.b.: µ s (633nm)=479cm -1. Umrechnung auf einen neuen Streukoeffizienten µ s neu : Bei einem Gesamtvolumen V ges und einem errechneten Streukoeffizienten der 10%-igen Intralipdlösung µ s 10% benötigt man ein Volumen der 10%-igen Intralipidlösung V intr : V intr =V ges *µ s neu /µ s 10% Für 633nm: Um ein µ s von 100cm -1 bei einem Gesamtvolumen von 1Liter zu bekommen, benötigt man 0,209Liter der 10%-igen Intralipidlösung. Um ein µ s von 10cm -1 bei einem Gesamtvolumen von 1Liter zu bekommen, benötigt man entsprechend 0,0209Liter der 10%-igen Intralipidlösung. Den Absorptionskoeffizienten µ a müßt ihr selber messen. Vorschlag: Man nehme eine beliebige Verdünnung von schwarzer Tinte. Der Aufbau für die Transmissionsmessung steht ja. Erste Messung nur Wasser, zweite Messung Tintenlösung. µ t =µ a. Das µ a sollte sich linear mit der Vedünnung der Tintenlösung ändern.