quang phổ và chụp ảnh bằng phát xạ huỳnh quang cận hồng ngoại trong môi trường và mô bất kỳ

Trang 1

QUANG PH VÀ CH P NH B NG Ổ VÀ CHỤP ẢNH BẰNG ỤP ẢNH BẰNG ẢNH BẰNG ẰNG

PHÁT X HUỲNH QUANG C N Ạ HUỲNH QUANG CẬN ẬN

H NG NGO I TRONG MÔI ỒNG NGOẠI TRONG MÔI Ạ HUỲNH QUANG CẬN

TR ƯỜNG VÀ MÔ BẤT KỲ NG VÀ MÔ B T KỲ ẤT KỲ

Nhóm 5 Ngày 26 tháng 05 năm 2011

Trang 2

N I DUNG ỘI DUNG

Trang 3

GI I THI U CHUNG ỚI THIỆU CHUNG ỆU CHUNG

• Phần lớn các phương pháp phổ và hiển thị hình ảnh dựa trên yếu tố quang học phụ thuộc chủ yếu vào các tín hiệu tán xạ đơn hoặc không tán xạ

• Hướng mở rộng hiện nay là tập trung phát triển vào sự tương quan về không gian và thời gian

• Với cách tính gần đúng loại bỏ các tín hiệu tán

xạ thì tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) sẽ đạt giá trị

nhỏ nhất

• Do có hạn chế nên ta chỉ cung cấp một cách

tổng quang về việc làm tăng phát xạ huỳnh

quang của phổ quang học và phương pháp hiển thị hình ảnh: các phương pháp đo lường, các lời giải cho vấn đề hiển thị hình ảnh trước và sau chẩn đoán, sự đóng góp về mặt lâm sàng và

hiểu biết để phát triển phương pháp phát xạ

huỳnh quang

Trang 4

T NG QUAN ỔNG QUAN

 : bước sóng ánh sáng

I0(): cường độ ánh sáng tới

I(): cường độ ánh sáng không bị hấp thụ

µa[cm-1] : hệ số hấp thu

Ci [mM]: mật độ của ánh sáng hấp thụ

Đ NH LU T LAMBERT-BEER: ỊNH LUẬT LAMBERT-BEER: ẬT LAMBERT-BEER:







Trang 5

• n : thành phần chiết suất của các phần tử đối với môi trường

• f(x) : mật độ kích thước của các

x x S x

x n

F x

x

f x

x

f

j i

i

0

3 0

Trang 6

• Phương pháp phổ huỳnh quang sử dụng miền thời gian hay sóng liên tục đều dựa trên sự

hấp thụ của ánh sáng kích thích

• Thời gian sống của phát xạ huỳnh quang 

chịu ảnh hưởng của mối liên hệ giữa tốc độ

phân rã có bức xạ  và không có bức xạ  +

knr :

PH HUỲNH QUANG VÀ TH I GIAN S NG C A ỔNG QUAN ỜI GIAN SỐNG CỦA ỐNG CỦA ỦA

PH HUỲNH QUANG ỔNG QUAN

   knr 



Trang 7

•  : Hiệu suất

lượng tử

• i :hệ số tắt dần của ánh sáng hấp thụ

• Ci: mật độ của ánh sáng hấp thụ

• g(t): đặc trưng cho

sự phụ thuộc của phân rã huỳnh

quang theo thời gian

Cường độ phát xạ huỳnh quang Im nhận được khi chiếu ánh sáng kích thích tới với cường độ không đổi:

Trang 8

Ở mức phân rã đầu

tiên, động năng phân rã

của phát xạ huỳnh

quang có dạng:

Trên thực tế, phát xạ huỳnh quang có động

năng phân rã phức tạp hơn

g(t) tăng theo cấp

số mũ:

g(t) được kéo dài theo hàm số mũ , nó biểu thị cho ta biết sự tắt dần do va chạm giữa các mức phân rã:

a t

g

1

Trang 9

Tuỳ thuộc vào g(t) khác nhau mà ta có công

x i

Trang 10

CÁC PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP C B N ƠNG PHÁP CƠ BẢN ẢN

• Phương pháp đo sử dụng sóng liên tục (CW) và miền thời gian (TDPM)

• PP đo theo miền tần số (FDPM)

Trang 11

Các đi u ki n c n: ều kiện cần: ện cần: ần:

• Nguồn ánh sáng kích thích (hay nguồn ánh sáng tới) là đẳng hướng

• Hệ số tán xạ của vật mẫu lớn hơn nhiều so với hệ số hấp thụ của vật mẫu:

• a << (1-g)s , với g là cos góc tán xạ của môi trường

• Ánh sáng được sử dụng phải được khuyếch đại tán xạ

Trang 12

Các đi u kiên biên (đi u ki n đ ): ều kiện cần: ều kiện cần: ện cần: ủ):

• Điều kiện biên dòng riêng (the partial-current condition): hạt photon khi ra khỏi vật mẫu thì không bao giờ quay trở lại

• Điều kiện biên ngoại suy (the

extrapolated-boundary condition): xấp xĩ của điều kiện

biên dòng riêng, và cho nghiệm tương tự như nghiệm của phương trình khuyếch tán ánh

sáng

• Điều kiện zero (the zero condition): là phát

xạ huỳnh quang đạt giá trị 0 ở biên

Trang 13

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP ĐO S D NG SÓNG LIÊN T C Ử DỤNG SÓNG LIÊN TỤC ỤNG SÓNG LIÊN TỤC ỤNG SÓNG LIÊN TỤC

(CW) VÀ MI N TH I GIAN (TDPM) ỀN THỜI GIAN (TDPM) ỜI GIAN SỐNG CỦA

ĐỊNH TÍNH:

• Cường độ của ánh sáng đó trên lý thuyết

không thay đổi theo thời gian

• Nguồn ánh sáng là đẳng hướng chiếu vào môi trường bất kỳ, cường độ ánh sáng này phải

giảm theo hàm mũ khi tăng khoảng cách so

Trang 14

• [Ci] mật độ phát xạ huỳnh quang

• x(r) là mật độ hạt photon được kích thích

nhân với tốc độ ánh sáng trong môi trường

• Miền phát xạ huỳnh quang chủ yếu là từ

bề mặt hoặc từ các lớp dưới bề mặt

• Việc hiển thị hình ảnh dựa trên cơ sở đó áp dụng cho tất cả các hình thức hiển thị hình ảnh trong y khoa, nhằm phát hiện sự phát triển của các tác nhân gây bệnh

Trang 15

Hình A, B, C minh họa cho sự phân bố của ánh sáng trong vật mẫu xuất phát từ điểm nguồn (pulsed source) sau các

khoảng thời gian tương ứng

Hình E,D,F: Các dữ liệu thu đựơc tương ứng trong suốt

khoảng thời gian từ các máy dò

Trang 16

• Khi xung phát xạ được phóng đi, thì phát xạ huỳnh quang sẽ lớn nhất tại điểm tia tới, và trong suốt quá trình, vị trí cực đại của phát

xạ huỳng quang sẽ lan truyền vào trong

môi trường, và giảm dần theo quy luật hàm mũ

• Nhược điểm: do sự phân rã chậm của chất

huỳnh quang khi được kích hoạt nên một

phần của xung phát xạ huỳnh quang không được truyền trong môi trường ngẫu nhiên -

> khi hiển thị hình ảnh và những ứng dụng

tạo ảnh bằng kính quang phổ thì chất

huỳnh quang không thể tồn tại được trong

một thời gian dài

Trang 17

Trong thực tế toán học đòi hỏi câu trả lời chính xác của toàn bộ phương trình vi phân cho các ứng dụng quang phổ và hiển thị hình ảnh Phương pháp đo theo miền tần số tránh được các vấn đề trên bằng cách sử dụng một nguồn sáng có thể điều chỉnh góc sin một cách dễ dàng.

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP ĐO THEO MI N T N S ỀN THỜI GIAN (TDPM) ẦN SỐ ỐNG CỦA

Trang 18

• Nguồn sáng điểm kích thích có cường độ chuẩn hóa được phát ra trong môi trường tán xạ Sóng truyền đi với biên độ tắt dần

và trễ pha hơn so với truyền trong môi

trường bất kỳ

• Phát xạ huỳnh quang gồm thành phần

xoaychiều và thành phần 1 chiều, với 2

thành phần trên ta có được sự mô tả chính xác về sự trễ pha và cường độ tại vị trí r:

Trang 19

Đồ thị về sự chuyển dời photon bằng pp đo trong miền tần số (FDPM) dùng tia hồng ngoại gần và

chụp cắt lớp Hình trên minh họa sự phân bố ánh sáng trong mẫu vật

Hình dưới minh họa cho tín hiệu nhận được khi nguồn phát ở miền tần

số xác định ->sóng thu được có biên

độ tắt dần và lệch pha so với nguồn

Trang 20

• Trong phương pháp này về mặt định lượng có ng pháp này v m t đ nh lề mặt định lượng có ặt định lượng có ịnh lượng có ượng có ng có

đi u ki n và cách gi i tề mặt định lượng có ện và cách giải tương tự như phương pháp ải tương tự như phương pháp ương pháp này về mặt định lượng có ng t nh phự như phương pháp ư ương pháp này về mặt định lượng có ng pháp theo mi n th i gian.ề mặt định lượng có ời gian

• Fdpm ngượng có c đượng có c đ nh nghĩa là s thay đ i pha và ịnh lượng có ự như phương pháp ổi pha và

cười gian.ng đ ngu n sáng kích thích t i nh ng v trí ộ nguồn sáng kích thích tại những vị trí ồn sáng kích thích tại những vị trí ại những vị trí ững vị trí ịnh lượng có

khác nhau ph thu c vào v trí ngu n kích thích và ụ thuộc vào vị trí nguồn kích thích và ộ nguồn sáng kích thích tại những vị trí ịnh lượng có ồn sáng kích thích tại những vị trí máy phát kích thích

• Nhượng có c đi m phát x lân quang có th i gian s ng ểm phát xạ lân quang có thời gian sống ại những vị trí ời gian ống lâu h n huỳnh quangơng pháp này về mặt định lượng có

• Đ th i gian s ng tăng c a phát x huỳnh quang ểm phát xạ lân quang có thời gian sống ời gian ống ủa phát xạ huỳnh quang ại những vị trí

ta dùng tác nhân ph n huỳnh quang ải tương tự như phương pháp

(Ru(bpy)2/3+ )

Trang 21

CH NH S A NH PH H NG ỈNH SỬA ẢNH PHỔ HỒNG Ử DỤNG SÓNG LIÊN TỤC ẢN ỔNG QUAN ỒNG

• PHƯƠNG PHÁP DÙNG MẪU CHUẨN XEN KẼ

Trang 22

S CHUY N M C PHOTON Ự CHUYỂN MỨC PHOTON ỂN MỨC PHOTON ỨC PHOTON TRONG MI N T N S (FDPM) ỀN THỜI GIAN (TDPM) ẦN SỐ ỐNG CỦA

• Hai phương pháp được dùng trong quang phổ và xử lý ảnh của tín hiệu ngẫu nhiên:

• Điểm hấp thụ: kỹ thuật này sử dụng tín

hiệu trộn với bộ tách sóng quang theo

điểm hấp thụ để rút ra pha và sự điều

biến biên độ của tín hiệu ở một điểm duy nhất ->hạn chế việc xử lý hình ảnh FDPM

và quang phổ với những dãy dữ liệu thưa thớt

• Mặt hấp thụ và mặt phát quang :

Trang 25

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP DÙNG NGU N ĐI U BI N ỒNG ỀN THỜI GIAN (TDPM) ẾN

Điểm chiếu sáng được tạo phách và phép

đo lường điểm dò được chia làm 3 phần:

• Nguồn điều biến

• Đầu dò: có thể hoạt động như bộ trộn

• Thiết bị điện dùng để trộn

Trang 26

• Nguồn điều biến có thể cũng là một nguồn sáng liên tục được điều biến bên ngoài thông qua

một thiết bị điều biến quang điện: Laser diode, giao thoa kế Các tần số điều biến đặc trưng

trong khoảng từ 30 -500MHz

• Một đầu dò nhanh: được dùng để thu biên độ và

độ trễ pha của sóng ánh sáng thu nhận được

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP DÙNG B T O ỘI DUNG ẠI PHÁCH

Trang 29

VI C TR N HOMODYNE CHO S CHUY N ỆU CHUNG ỘI DUNG Ự CHUYỂN MỨC PHOTON ỂN MỨC PHOTON

M C C A PHOTON TRONG MI N T N S ỨC PHOTON ỦA ỀN THỜI GIAN (TDPM) ẦN SỐ ỐNG CỦA

Phương pháp Homodyne xấp xỉ thì tương

tự như bộ tạo phách, ngoại trừ tín hiệu L với tần số được trộn lại với tín hiệu DC qua việc trộn với tín hiệu khác có tần số lý tưởng ( tiêu chuẩn)

Trang 30

Hình bên: Sơ đồ của ICCD homodyne

FDPM system trong phòng thí nghiệm xác định sự nhảy mức của photon (PML)

Trang 31

ICCD homodyne FDPM system bao gồm 3 thành

• Giao thoa kế mà điều biến nguồn sáng

laser-diode và khuyết đại ảnh của cathode quang

• Trong phương pháp này có sự chuyển đổi những photon NIR thành những electron mỗi kênh nhận electron trước khi chúng được tập trung vào màn ảnh phosphor (Hình3.9)

VI C TR N HOMODYNE CHO S CHUY N M C ỆU CHUNG ỘI DUNG Ự CHUYỂN MỨC PHOTON ỂN MỨC PHOTON ỨC PHOTON

C A PHOTON TRONG MI N T N S ỦA ỀN THỜI GIAN (TDPM) ẦN SỐ ỐNG CỦA

Trang 32

Sự thu nhận dữ liệu nhanh nhiều điểm FDPM xử lý như sau:

• Pha của cathode phát quang điều biến được

“nhảy”, hoặc được làm trễ khoảng từ 00 đến

3600 so với pha của laser diode điều biến Ở

mỗi pha trễ, camera CCD nhận được một ảnh

pha sáng trong thời gian chiếu sáng trong

khoảng miliseconds

• Sau đó máy tính sắp xếp những ảnh pha sáng theo trật tự và thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) để tính toán biên độ điều biến, IAC ,

và pha , ở mỗi ảnh CCD (i,j) :

Trang 33

Hình bên: Sơ đồ của

Trang 34

• Diện tích chiếu sáng được hình thành

đơn giản bằng cách cho nguồn sáng

laser-diode đã được điều biến chiếu lên

bề mặt của mẫu vật hoặc mô để tạo

ảnh

• Phương pháp dùng nguồ điều biến có

tác dụng lớn trong việc đánh giá sự

phân bố của thuốc chữa bệnh và chuẩn đoán lâm sàng

Trang 35

thông qua phép biến

đổi Fourier nhanh

(FFT)

Trang 36

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP TRI T TIÊU TÍN HI U AC ỆU CHUNG ỆU CHUNG

Không phụ thuộc vào sự trễ pha, sử dụng

kí hiệu G để dùng cho I và Q Kỹ thuật này dựa trên sự đồng nhất tín hiệu L với 2 tín hiệu G1 ,G2 có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 90o.

Trang 38

• Thông qua bộ lọc tần số thấp tần số cao

và 2 có thể bị lọai bỏ, cho ta 2 tín hiệu DC:

• Khi 2 tín hiệu được kết hợp, giá trị có

thể được xác định cùng với việc chuẩn hóa AC và độ lệch pha kết hợp với kí

hiệu L và sự lan truyền ánh sáng bên

trong vật trung gian ngẫu nhiên cũng

được xác định

Trang 39

Trang 40

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP LO I B ÁNH SÁNG ẠI Ỏ ÁNH SÁNG

KÍCH THÍCH

• Một trong những điều quan trọng nhất của

quang phổ huỳnh quang và hình ảnh trong

chất trung gian ngẫu nhiên là việc lọai bỏ

ánh sáng kích thích, độ nhạy của bước

sóng dài ở bản cực âm không phân biệt được ánh sáng kích thích và ánh sáng phát xạ vì

vậy đòi hỏi cần có kĩ thuật loại bỏ ánh sáng kích thích và ánh sáng tán xạ cho ta hình ảnh phổ chính xác

• Khi ánh sáng lân quang được tập trung cao

độ lúc này sự tập trung lân quang tăng đến hàng nano phân tử và femto phân tử Khi đó

nó được trữ trong những tác nhân phản

huỳnh quang để dùng nhận biết những tế

bào ung thư di căng nhỏ

Trang 41

PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP DÙNG M U CHU N XEN KẼ ẪU CHUẨN XEN KẼ ẨN XEN KẼ

Phương pháp mẫu chuẩn xen kẻ

được đưa ra bởi Mayer, mà sự hiệu chỉnh và độ lệch pha được đo ở 2 vị trí r1, r2 bởi hai đầu dò không tương đồng, phương pháp này có thể có thể tính chính xác mà không cần dùng mẫu nhuộm chuẩn

Trang 42

Hình bên:

lược đồ thể

hiện 2 nguồn sáng chiếu

tới và vị trí dò trong môi

trường trung gian ngẫu

nhiên Hai tia tới có cùng

quang lộ

Trang 43

Hình trên: hệ thống dồn 2 tần số

Trang 44

TH I GIAN S NG Đ ỜI GIAN SỐNG CỦA ỐNG CỦA ƯỢC BIỂU DIỄN BẰNG C BI U DI N B NG ỂN MỨC PHOTON ỄN BẰNG ẰNG

HÀM MULTI-EXPONENTIAL

• Trong mô hình xấp xỉ những mẫu nhuộm có

động năng suy giảm theo hàm

single-exponeNtial Sự thất bại trong việc làm tăng

độ khuếch đại của ánh sáng kích thích và phát

xạ trong môi trường trung gian ngẫu nhiên có thể dẫn đến động năng suy giảm sai, để giải quyết vấn đề này, chúng ta cho rằng sự giảm động năng theo tích các hàm e mũ

• Khi dự đóan độ lệch pha và tỉ lệ hiệu chỉnh dữ lệu tần số khác nhau được lấy từ sự hiệu chỉnh tần số bên dưới 150 MHz

Trang 45

Hình bên:

hình vẽ biểu diễn cho sự lệch pha ở trên và tỉ lệ hiệu chỉnh ở bên dưới với chức năng như sự hiệu chỉnh tần số trong bộ

trộn

ICG_DTTCI

Trang 46

CÁC PH ƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NG PHÁP M R NG Ở RỘNG ỘI DUNG

DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHÁT XẠ HUỲNH

QUANG FTDM CHO PHƯƠNG PHÁP CHỤP X-QUANG

• Giải pháp về vấn đề tạo ảnh ngược, được

hiểu như phương pháp chụp cắt lớp quang học, đã được phát triển trong cả thập niên qua bởi phương pháp dùng tia X để phát

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	1,37 MB