ทัศนศาสตร์แบบกระจายในโดเมนเวลา^{[ 1 ]}หรือสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้แบบฟังก์ชันที่แก้ไขเวลาเป็นสาขาหนึ่งของสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้แบบฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางแบบกระจาย มีวิธีการหลักสามวิธีสำหรับทัศนศาสตร์แบบกระจาย ได้แก่ แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) ^{[ 2 ]}แบบโดเมนความถี่ (FD) ^{[ 3 ]}และแบบโดเมนเวลา (TD) ^{[ 4 ]}เนื้อเยื่อทางชีวภาพโปร่งใสต่อแสงในช่วงความยาวคลื่นสีแดงถึงอินฟราเรดใกล้ ดังนั้นสีเหล่านี้จึงสามารถใช้ในการตรวจสอบชั้นลึกของเนื้อเยื่อ ทำให้สามารถใช้ งาน ในร่างกายและการทดลองทางคลินิก ต่างๆ ได้

ในวิธีการนี้ จะมีการฉีดพัลส์แสงแคบๆ (< 100 พิโควินาที) เข้าไปในตัวกลาง โฟตอนที่ฉีดเข้าไปจะเกิดการกระเจิงและการดูดกลืนหลายครั้ง จากนั้นโฟตอนที่กระเจิงจะถูกเก็บรวบรวมที่ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด และบันทึกเวลาที่โฟตอนมาถึง เวลาที่โฟตอนมาถึงจะถูกแปลงเป็นฮิสโตแกรมของการกระจายเวลาในการเดินทาง (DTOF) ของโฟตอน หรือฟังก์ชันการกระจายจุด ตามเวลา DTOF นี้จะล่าช้า ลดทอน และกว้างขึ้นเมื่อเทียบกับพัลส์ที่ฉีดเข้าไป ปรากฏการณ์หลักสองอย่างที่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของโฟตอนในตัวกลางแบบแพร่กระจายคือการดูดกลืนและการกระเจิง การกระเจิงเกิดจาก การเปลี่ยนแปลง ดัชนีหักเห ระดับจุลภาค เนื่องจากโครงสร้างของตัวกลาง ในทางกลับกัน การดูดกลืนเกิดจาก การถ่ายโอนพลังงานแสง แบบแผ่รังสีหรือไม่แผ่รังสีเมื่อปฏิสัมพันธ์กับศูนย์กลางการดูดกลืน เช่น โครโมฟอร์ การดูดกลืนและการกระเจิงอธิบายได้ด้วยสัมประสิทธิ์และตามลำดับ ${\displaystyle \mu _{a}}$${\displaystyle \mu _{s}}$

เหตุการณ์การกระเจิงหลายครั้งทำให้ DTOF กว้างขึ้น และการลดทอนเป็นผลมาจากการดูดซับและการกระเจิง เนื่องจากเหตุการณ์เหล่านี้เบี่ยงเบนโฟตอนออกจากทิศทางของตัวตรวจจับ การกระเจิงที่สูงขึ้นทำให้ DTOF กว้างขึ้นและล่าช้ามากขึ้น และการดูดซับที่สูงขึ้นจะลดแอมพลิจูดและเปลี่ยนความชันของส่วนท้ายของ DTOF เนื่องจาก1การดูดซับและการกระเจิงมีผลกระทบที่แตกต่างกันต่อ DTOF จึงสามารถแยกออกมาได้อย่างอิสระในขณะที่ใช้ระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวตรวจจับเพียงจุดเดียว ยิ่งไปกว่านั้นความลึกของการทะลุทะลวงใน TD ขึ้นอยู่กับเวลาการมาถึงของโฟตอนเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวตรวจจับ ซึ่งแตกต่างจากวิธีการ CW

ทฤษฎีการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางแบบกระจายมักจะได้รับการจัดการโดยใช้กรอบของทฤษฎีการถ่ายโอนรังสีภายใต้ระบอบการกระเจิงหลายครั้ง ได้มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าสมการการถ่ายโอนรังสีภายใต้การประมาณแบบกระจายให้คำตอบที่แม่นยำเพียงพอสำหรับการใช้งานจริง^{[ 5 ]}ตัวอย่างเช่น สามารถนำไปใช้กับรูปทรงเรขาคณิตกึ่งอนันต์หรือรูปทรงเรขาคณิตแผ่นอนันต์ได้ โดยใช้เงื่อนไขขอบเขตที่เหมาะสม ระบบถือเป็นพื้นหลังที่เป็นเนื้อเดียวกัน และการรวมถือเป็นการรบกวนการดูดซับหรือการกระเจิง

เส้นโค้งการสะท้อนแสงแบบเวลาตามตำแหน่ง ณ จุดหนึ่งจากแหล่งกำเนิดแสง สำหรับรูปทรงเรขาคณิตกึ่งอนันต์ กำหนดโดย ${\displaystyle \rho }$

${\textstyle R(\rho ,t)=kt^{-5/2}\exp \left(-\mu _{a}\nu t\right)\exp \left(-{\frac {\rho ^{2}}{4D\nu t}}\right)S\left(D,s_{0},t\right),}$

โดยที่คือสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายคือสัมประสิทธิ์การกระเจิงที่ลดลงคือปัจจัยความไม่สมมาตรคือความเร็วของโฟตอนในตัวกลางคำนึงถึงเงื่อนไขขอบเขต และคือค่าคงที่ ${\displaystyle D={\frac {1}{3\mu _{s}^{\prime }}}}$${\displaystyle \mu _{s}^{\prime }=\mu _{s}(1-g)}$${\displaystyle g}$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle S(D,s_{0},t)}$${\displaystyle k}$

ค่า DTOF สุดท้ายคือค่าคอนโวลูชันของฟังก์ชันการตอบสนองของเครื่องมือ (IRF) ของระบบกับเส้นโค้งการสะท้อนแสงตามทฤษฎี

เมื่อนำไปใช้กับเนื้อเยื่อทางชีวภาพ การประมาณค่าต่างๆจะช่วยให้สามารถประมาณความเข้มข้นของส่วนประกอบต่างๆ ในเนื้อเยื่อได้ รวมถึงให้ข้อมูลเกี่ยวกับการออกซิเจนในเลือด (ออกซีฮีโมโกลบินและดีออกซีฮีโมโกลบิน) ความอิ่มตัว และปริมาตรเลือด ทั้งหมด ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นตัวบ่งชี้ทางชีวภาพเพื่อตรวจหาความผิดปกติทางพยาธิสภาพต่างๆ ได้ ${\displaystyle \mu _{a}}$${\displaystyle \mu '_{s}}$

อุปกรณ์วัดในทฤษฎีแสงกระจายในโดเมนเวลาประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐานสามส่วน ได้แก่ แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์ตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับกำหนดเวลา

แหล่งกำเนิดแสงแบบกระจายในโดเมนเวลาต้องมีลักษณะดังต่อไปนี้: ความยาวคลื่นการปล่อยแสงอยู่ในช่วงคลื่นแสง (ความยาวคลื่น 650–1350 นาโนเมตร ; ความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งค่าสูงสุด (FWHM) แคบ โดยในอุดมคติควรเป็นฟังก์ชันเดลต้า ; อัตราการทำซ้ำสูง (>20 เมกะเฮิร์ตซ์); และกำลังเลเซอร์ที่เพียงพอ (>1 มิลลิวัตต์) เพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ที่ ดี

ในอดีต มีการใช้ เลเซอร์ Ti:sapphire ที่ปรับได้ขนาดใหญ่ ^{[ 6 ]}ซึ่งให้ช่วงความยาวคลื่นกว้างถึง 400 นาโนเมตร ความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูงสูงสุด (FWHM) แคบ (< 1 พิโควินาที) กำลังเฉลี่ยสูง (สูงสุด 1 วัตต์) และอัตราการทำซ้ำสูง (สูงสุด 100 เมกะเฮิร์ตซ์) อย่างไรก็ตาม เลเซอร์เหล่านี้มีขนาดใหญ่และราคาแพง และต้องใช้เวลานานในการสลับความยาวคลื่น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเลเซอร์ไฟเบอร์ แบบพัลส์ ที่ใช้ การสร้าง ซูเปอร์คอนทินิวอัมได้ปรากฏขึ้น^{[ 7 ]}เลเซอร์เหล่านี้มีช่วงสเปกตรัมกว้าง (400 ถึง 2000 ps) กำลังเฉลี่ยโดยทั่วไปอยู่ที่ 5 ถึง 10 W ค่า FWHM น้อยกว่า 10 ps และความถี่การทำซ้ำอยู่ที่หลายสิบ MHz อย่างไรก็ตาม เลเซอร์เหล่านี้โดยทั่วไปมีราคาค่อนข้างสูงและขาดความเสถียรในการสร้างซูเปอร์คอนทินิวอัม ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดในการใช้งาน

แหล่งกำเนิดที่แพร่หลายที่สุดคือเลเซอร์ไดโอด แบบพัล ส์^{[ 8 ]} เลเซอร์ เหล่านี้มี FWHM ประมาณ 100 ps ความถี่การทำซ้ำสูงสุด 100 MHz และกำลังเฉลี่ยประมาณไม่กี่มิลลิวัตต์ แม้ว่าจะขาดความสามารถในการปรับจูน แต่ต้นทุนที่ต่ำและความกะทัดรัดทำให้สามารถใช้โมดูลหลายตัวในระบบเดียวได้

เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้ในระบบแสงกระจายในโดเมนเวลา ไม่เพียงแต่ต้องการประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนสูงในช่วงความยาวคลื่นแสงเท่านั้น แต่ยังต้องการพื้นที่ใช้งานขนาดใหญ่และค่ารูรับแสงเชิงตัวเลข (NA) สูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรวบรวมแสงโดยรวมให้สูงสุด นอกจากนี้ยังต้องการการตอบสนองด้านเวลาที่แคบและพื้นหลังสัญญาณรบกวนต่ำด้วย

โดยทั่วไปแล้ว หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์แบบต่อใย แก้วนำ แสง (PMT) เป็นตัวตรวจจับที่นิยมใช้สำหรับการวัดแสงแบบกระจาย เนื่องจากมีพื้นที่ใช้งานขนาดใหญ่ มีสัญญาณรบกวนต่ำ และมีความละเอียดด้านเวลาที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม PMT มีขนาดใหญ่เทอะทะ ไวต่อการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และมีความไวต่อสเปกตรัม ค่อนข้างจำกัด นอกจากนี้ยังต้องการแรงดันไบแอสสูงและมีราคาค่อนข้างแพงไดโอดอะวาแลนซ์แบบโฟตอนเดี่ยว (SPAD)ได้เกิดขึ้นมาเป็นทางเลือกแทน PMT มีราคาถูก ขนาดกะทัดรัด สามารถวางสัมผัสกันได้ และต้องการแรงดันไบแอสที่ต่ำกว่ามาก อีกทั้งยังมีความไวต่อสเปกตรัมที่กว้างกว่าและทนทานต่อแสงที่ส่องเข้ามาอย่างฉับพลันได้ดีกว่า อย่างไรก็ตาม มีพื้นที่ใช้งานน้อยกว่ามาก จึงมีประสิทธิภาพในการเก็บรวบรวมโฟตอนต่ำกว่าและมีสัญญาณรบกวนสูงกว่าโฟโตมัลติพลายเออร์ซิลิคอน (SiPM) เป็นอาร์เรย์ของ SPAD ที่มีแอโนดและแคโทดแบบรวม จึงมีพื้นที่ใช้งานขนาดใหญ่กว่า ในขณะที่ยังคงรักษาข้อดีทั้งหมดของ SPAD ไว้ได้ อย่างไรก็ตาม พวกเขาต้องทนทุกข์ทรมานจากจำนวนความมืดที่มากขึ้นและการตอบสนองต่อเวลาที่กว้างขึ้น^{[ 9 ]}

จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จับเวลาเพื่อสร้างฮิสโตแกรมของการกระจายเวลาบินของโฟตอนขึ้นใหม่โดยไม่สูญเสียข้อมูล โดยทำโดยใช้เทคนิคการนับโฟตอนเดี่ยวที่สัมพันธ์กับเวลา (TCSPC) ^{[ 10 ]}ซึ่งเวลาการมาถึงของโฟตอนแต่ละตัวจะถูกทำเครื่องหมายโดยสัมพันธ์กับสัญญาณเริ่มต้น/หยุดที่กำหนดโดยรอบเลเซอร์เป็นระยะ จากนั้นสามารถใช้การประทับเวลาเหล่านี้เพื่อสร้างฮิสโตแกรมของเวลาการมาถึงของโฟตอนได้

อิเล็กทรอนิกส์จับเวลาหลักสองประเภทนั้นขึ้นอยู่กับการรวมกันของตัวแปลงเวลาเป็นอนาล็อก (TAC) และตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) และตัวแปลงเวลาเป็นดิจิทัล (TDC) ^{[ 11 ]}ตามลำดับ ในกรณีแรก ความแตกต่างระหว่างสัญญาณเริ่มต้นและสัญญาณหยุดจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันอนาล็อก จากนั้นจึงประมวลผลโดย ADC ในวิธีที่สอง ความล่าช้าจะถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัลโดยตรง ระบบที่ใช้ ADC โดยทั่วไปมีความละเอียดในการจับเวลา ความเป็นเส้นตรง และความสามารถในการรวมเข้าด้วยกันที่ดีกว่า แต่มีราคาแพง ในทางกลับกัน TDC สามารถรวมเข้ากับชิปเดียวได้ จึงเหมาะสมกว่าในระบบหลายช่องสัญญาณ^{[ 9 ]}อย่างไรก็ตาม มีประสิทธิภาพในการจับเวลาที่แย่กว่าและสามารถจัดการอัตราการนับต่อเนื่องที่ต่ำกว่ามาก

ประโยชน์ของออปติกแบบกระจายในโดเมนเวลาอยู่ที่ความสามารถในการตรวจสอบคุณสมบัติทางแสงของเนื้อเยื่ออย่างต่อเนื่องและไม่รุกราน ทำให้เป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจสอบข้างเตียงในระยะยาวทั้งในทารกและผู้ใหญ่ มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าออปติกแบบกระจาย TD สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างประสบความสำเร็จในแอปพลิเคชันทางชีวการแพทย์ต่างๆ เช่น การตรวจสอบสมอง^{[ 12 ]}การถ่ายภาพเต้านมด้วยแสง [ ^{13 ] การ}ตรวจสอบกล้ามเนื้อ^{[ 14 ]}เป็นต้น

• สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้
• สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้เชิงฟังก์ชัน
• การถ่ายภาพเชิงแสงแบบกระจาย
• การถ่ายภาพระบบประสาท
• การถ่ายภาพประสาทเชิงฟังก์ชัน