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year 2017
author(s) Arthur Schönhals
title Kohärenz und Streuung in der biomedizinischen Laser-Mikrospektroskopie im mittleren Infrarot
KIP-Nummer HD-KIP 17-131
KIP-Gruppe(n) F23
document type Dissertation
Abstract (de)

Die Mikrospektroskopie mit Quantenkaskadenlasern im mittleren Infrarot (MIR) ermöglicht eine schnelle und markerfreie Analyse biologischer Proben. Einer klinischen Anwendung im Sinne der quantitativen Absorptionsspektroskopie stellen sich jedoch zwei entscheidende Herausforderungen: die hohe Kohärenz des Lasers und Streuung an den häufig heterogenen Proben. Die vorliegende Arbeit untersucht daher den Einfluss der Kohärenz auf die mikrospektroskopische Bildgebung und das Streuverhalten biologischer Proben im MIR. In Vergleichsmessungen kann qualitativ und quantitativ gezeigt werden, dass eine dem bisherigen Standard (Fourier-Transformation-Infrarot-Mikrospektroskopie) ebenbürtige Bildgebung und Spektroskopie nur durch eine Reduktion der räumlichen Kohärenz erzielt werden kann. Ebenso werden Kontrast, räumliche und spektrale Auflösung der Bildgebung bei stark kohärenter Lasermikroskopie und bei reduzierter räumlicher Kohärenz verglichen. Um das Streuverhalten biologischer Proben im MIR zu analysieren, wird ein goniophotometrischer Aufbau realisiert, mit dem die optischen Eigenschaften bestimmt werden können. Exemplarisch für biologisches Gewebe wird Dermis, ein wesentlicher Bestandteil der Haut, untersucht. Es zeigt sich eine dominante Absorption (μa ≈ 600 cm-1) und nur eine geringe Streuung (μs ≈ 100 cm-1), die überwiegend vorwärts gerichtet (g = 0.967) ist. Abschließend wird der Einfluss der reduzierten räumlichen Kohärenz zusammen mit der Bedeutung von Einfach- und Mehrfachstreuung am Beispiel von Gewebedünnschnitten diskutiert.

Abstract (en)

Microspectroscopy with quantum cascade lasers in the mid-infrared (MIR) enables a fast and marker-free analysis of biological samples. A clinical application in terms of quantitative absorption spectroscopy, however, faces two significant challenges: the high coherence of the laser and scattering of the mostly heterogeneous samples. This thesis, therefore, investigates the influence of coherence on microspectroscopic imaging and the scattering behaviour of biological samples in the MIR. In comparative measurements, it can be qualitatively and quantitatively shown that an imaging and spectroscopy equivalent to the previous standard (Fourier transform infrared spectroscopy) can only be achieved by a reduction of the spatial coherence. Likewise, contrast, spatial and spectral resolution of the imaging are compared in case of strongly coherent laser microscopy and in case of a reduced spatial coherence. In order to analyze the scattering behavior of biological samples in the MIR, a goniophotometric setup is implemented, with which the optical properties can be determined. Dermis, an essential component of the skin, is examined as an example for biological tissue. A dominant absorption (μa  ≈ 600 cm-1) and only a small fraction of the scattering (μs ≈ 100 cm-1), which is predominantly forward-oriented (g = 0.967), can be observed. Finally, the influence of the reduced spatial coherence is discussed along with the role of single and multiple scattering with the example of tissue sections.

bibtex
@phdthesis{Schoenhals2017,
  author   = {Arthur Sch\"onhals},
  title    = {Koh\"arenz und Streuung in der biomedizinischen Laser-Mikrospektroskopie im mittleren Infrarot},
  school   = {Universit\"at Heidelberg},
  year     = {2017}
}
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