Time-gated system for measuring optical parameters of dispersive media

Abstract

O objetivo deste projeto foi implementar e testar uma ferramenta capaz de mediras propriedades ópticas de meios turvos, baseada na aproximação de difusão. Esta técnica foi testada a partir de dados adquiridos com um sistema time−gated, atravésde uma geometria de transiluminação. A instrumentação implementada é baseada num dı́odo laser pulsado e numa câmera intensificada com gating. Foi desenvolvida uma ferramenta de ajuste de dados para medir as propriedades ópticas de uma amostra. Uma superfı́cie de um meio difuso é iluminada com um laser pulsado. Os perfis temporais dos pulsos, emergentes na superfı́cie oposta, são ajustados pela ferramenta desenvolvida, a um modelo teórico que descreve a propagação de luz para meios homogéneos difusos. Realizámos vários estudos com fantomas lı́quidos e sólidos.Estes fantomas foram criados de forma a reproduzir as propriedades ópticas detecidos biológicos e a satisfazer os requisitos inerentes à instrumentação utilizada.Foi medida a função de resposta do instrumento (IRF) do sistema time − gated,e esta foi tida em conta pela ferramenta de ajuste de dados experimentais. Em suma, o sistema e a técnica implementados foram capazes de medir o coeficiente de absorção e de dispersão reduzido destes fantomas. A partir dos resultados obtidos,podemos concluir que parece existir um posicionamento para o qual os detectores criados no plano da imagem apresentam um melhor desempenho. No entanto, esta afirmação não pode ser validada sem recorrermos a uma técnica de referência. As medições efectuadas mostram linearidade entre a variação do coeficiente de dispersão reduzido e a concentração de Intralipid presente nos fantomas. É detectado um efeito de redução nas medições do coeficiente de dispersão. Conclui-se que este efeito está relacionado com a presença de agar nos fantomas, como já tinha sido relatado em estudos publicados.

The goal of this project was to implement and test a diffusion approximation model-based technique capable of extracting the optical properties of turbid media - absorption and reduced scattering coefficients - using data obtained from a time-gated detection system, using a trans-illumination geometry. We implemented time-gated instrumentation based on a pulsed diode laser and a gated intensified CCD camera and developed a data fitting tool for measuring the optical properties of a slab. The measurement technique is based on the fitting of the temporal profile of the light pulses, acquired at the output of a medium, illuminated on the opposite face with a short laser pulse, with a theoretical light propagation model for homogeneous media. Several studies were performed using liquid and solid phantoms designed to mimic the optical properties of biological tissues and to satisfy the requirements inherent to the instrumentation used. The instrument response function (IRF) of the time-gated system was measured and took into account when fitting experimental data.The implemented system and technique was able to measure the absorption and the reduced scattering coefficient of the tested phantoms. From the results obtained, we can conclude that it seems to exist an optimal positioning of the detectors on the image plane, although this statement cannot be fully confirmed without using a reference technique to validate the accuracy of the technique. The measurements show linearity regarding the variation of the reduced scattering coefficient with the concentration of IL in the phantoms. It also detected an agar-related reduction of the scattering coefficient that was reported in similar published studies.