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  • Frequency-Domain Spektroskopie und dynamische Streulicht-Spektroskopie

    an biologischen Geweben

    I n a u g u r a l - D i s s e r t a t i o n zur

    Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät

    der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

    vorgelegt von Dipl.-Phys. Jens Osterholz

    aus Bad Bentheim

    Düsseldorf 2002

  • Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

    Referent: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. P. Hering Korreferenten: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. K. Schierbaum Univ.-Prof. Dr. rer. nat. D. Schmid Tag der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2002

  • Inhalt i

    Inhalt 1. Einleitung ............................................................................................................................1 2. Grundlagen ..........................................................................................................................4

    2.1 Wechselwirkung von Licht mit Materie..................................................................... 4 2.1.1 Brechungsindex ..................................................................................................4 2.1.2 Brechung und Reflexion.....................................................................................5 2.1.3 Absorption und Streuung....................................................................................6

    2.2 Bestimmung von optischen Eigenschaften in trüben Medien .................................. 10 2.2.1 Ulbrichtkugel-Spektroskopie............................................................................10 2.2.2 Zeitaufgelöste Streulichtspektroskopie ............................................................11

    2.3 Eigenschaften von humanem Blut............................................................................ 14 2.4 Anatomie und Optik menschlicher Haut .................................................................. 17 2.5 Sauerstoffmonitoring................................................................................................ 21

    2.5.1 Pulsoxymetrie ...................................................................................................22 2.5.2 NIR-Spektroskopie ...........................................................................................22 2.5.3 Frequency-Domain Oxymetrie .........................................................................23 2.5.4 Zwei-Linien Absorptionsspektroskopie ...........................................................23

    2.6 Dynamische Streulicht-Spektroskopie: Einführung ................................................. 25 2.7 Digitale Korrelatoren................................................................................................ 28

    3. Theorie...............................................................................................................................30 3.1 Lichtausbreitung in trüben Medien .......................................................................... 30

    3.1.1 Mie-Theorie ......................................................................................................30 3.1.2 Strahlungstransporttheorie................................................................................34 3.1.3 Diffusionsapproximation..................................................................................35 3.1.4 Mikroskopisches Beer-Lambert Gesetz (MBL) ...............................................38 3.1.5 Monte Carlo Simulationen ...............................................................................41

    3.2 Dynamische Streulicht-Spektroskopie: Theorie....................................................... 45 3.2.1 Autokorrelationsfunktionen elektromagnetischer Felder .................................46 3.2.2 Zusammenhang zwischen Intensitäts- und Feld-Korrelationsfunktion............48 3.2.3 Korrelations-Transport-Theorie .......................................................................51 3.2.4 Näherungslösungen für die Korrelationstransportgleichung............................53 3.2.5 Einfluss der Bewegungsform der Streuer auf die Korrelationsfunktionen.......54 3.2.6 Randbedingungen .............................................................................................56 3.2.7 Infinites Medium ..............................................................................................57 3.2.8 Semiinfinites Medium ......................................................................................58 3.2.9 Medien mit optischen und dynamischen Inhomogenitäten ..............................60

    3.3 Zusammenfassung: Theorie...................................................................................... 64 4. Methoden und Materialien ................................................................................................66

    4.1 Ulbrichtkugel-Spektrometer ..................................................................................... 66 4.2 Kombination von Frequency-Domain- und dynamischer Streulicht-

    Spektroskopie (FD-DS Spektroskopie).................................................................... 69 4.2.1 Frequency-Domain Oxymetrie .........................................................................71

  • Inhalt ii

    4.2.2 Dynamische Streulicht-Spektroskopie .............................................................71 4.2.3 Applikator zur Messung von Gewebeparametern ............................................72 4.2.4 Messsequenz zur Bestimmung von Gewebeparametern ..................................75

    4.3 Phantome .................................................................................................................. 78 4.3.1 Modellsystem für kapilläre Gefäße ..................................................................79 4.3.2 Modellsystem für Arterie oder Vene................................................................81

    4.4 Zusammenfassung: Methoden und Materialien ....................................................... 87 5. Ergebnisse .........................................................................................................................89

    5.1 Monte Carlo Simulationen ....................................................................................... 89 5.2 Dynamische Streulicht-Spektroskopie an Phantomen.............................................. 94

    5.2.1 Dynamische Streulicht-Spektroskopie an diffundierenden Partikeln...............95 5.2.2 Dynamische Streulicht-Spektroskopie an laminarer Strömung......................100

    5.3 In vivo Messungen ................................................................................................. 106 5.3.1 Berechnung von Gewebeparametern..............................................................106 5.3.2 Messung der Gewebeparameter bei Ischämie ................................................114 5.3.3 Messungenauigkeit der FD-DS Spektroskopie ..............................................117 5.3.4 Vergleich mit anderen Messverfahren............................................................117

    5.4 Zusammenfassung: Ergebnisse .............................................................................. 121 6. Diskussion .......................................................................................................................122

    6.1 Motivation .............................................................................................................. 122 6.2 Verwendete Laser ................................................................................................... 123 6.3 Modelle zur Datenauswertung................................................................................ 124 6.4 Monte Carlo Simulationen ..................................................................................... 125 6.5 Phantome ................................................................................................................ 126 6.6 Messung der Gewebeparameter bei Ischämie ........................................................ 128 6.7 Vergleich mit anderen Messverfahren.................................................................... 129 6.8 Grenzen der Methodik............................................................................................ 129 6.9 Ausblick.................................................................................................................. 131

    7. Zusammenfassung ...........................................................................................................132 Literatur ..................................................................................................................................135 Anhang ...................................................................................................................................146

    Eigene Publikationen.......................................................................................................... 146 Danksagung ........................................................................................................................ 147

  • Symbole iii

    Liste häufig verwendeter Symbole

    Symbol Beschreibung Einheit

    µa Absorptionskoeffizient mm-1

    µs Streukoeffizient mm-1

    p(ϑ,ϕ) Phasenfunktion sr-1

    g = < cosϑ> Anisotropiefaktor, mittlerer Kosinus des Streuwinkels dimensionslos

    µs´ = (1-g) µs reduzierter Streukoeffizient mm-1

    µtr = µs´+µa Transportkoef