Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging of Turbid Media

Abstract: 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.