Einführung in die Biomedizinische Optik

Verständnisfragen zur Klausurvorbereitung SS 2016

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E. S.

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E. S.

Über diese Lernkartei

Diese Karteikarten bieten eine umfassende Einführung in die biomedizinische Optik auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie Licht, Wellenlängen, Gewebe und Ablation ab, mit einem Fokus auf Mikroskopie, Laseranwendungen und optische Prinzipien. Besonders nützlich für Studierende und Forscher, die sich mit den physikalischen Grundlagen und praktischen Anwendungen der biomedizinischen Optik beschäftigen.

Karten

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Lernende

Sprache

Deutsch

Kategorie

Medizin

Stufe

Universität

Erstellt / Aktualisiert

13.04.2016 / 24.08.2018

Ähnliche Karteien

Erläutern Sie, warum Ablation unter Druckeinschlussbedingungen zu verringerten thermischen Nebenwirkungen führt.

Siehe Vertiefung 2, Folie 26

Zugspannung erhöht Ablationseffizienz --> Reduzierung thermischer Nebeneffekte

Warum kommt es bei Ablation in Flüssigkeitsumgebung leichter zu mechanischen Zerreißungen als bei Ablation in Gasumgebung?

Ablation in Luft -> Ablationswolke
Ablation in Flüssigkeit -> Blasen und (für kurze Pulse) Stoßwellen
Flüssigkeits- oder Gewebeeinschluss erhöht die mechanischen Nebeneffekte über Stoßwellen und Blasenbildung
Konversion in mechanische Energie steigt mit sinkender Pulsdauer.
- Viel höher für ns Pulse als für us Pulse (danach nahezu konstant)

Wie kann man mechanische Zerreißungen bei Ablation in Flüssigkeitsumgebung unter Beibehaltung der Ablationseffizienz verringern?

Vorpuls erzeugt leere Kavität, die dann mit der Ablationswolke des Hauptpulses gefüllt wird, ohne weitere Kavitation zu erzeugen
Nicht-Kondensierbares Gas der Ablationsprodukte dämpft den Blasenkollaps
Blase des Vorpulses erhöht Transmission zum Gewebe

Wodurch entstehen zeitliche Fluktuationen (Spikes) auf einem regulären Nanosekundenpuls?

Langer Q-switch Resonator - viele Longitudinalmoden
statistische Phasenbeziehung der Moden
Statistische Interferenz - Spikes auf der Einhüllenden

Wie lautet die Abbildungsgleichung einer Linse ("Linsengleichung") und wie ist die Vergrößerung definiert?

Linsengleichung:

\(\frac {1} {g} + \frac {1} {b} = \frac {1} {f}\)

Vergrößerung:

\(V= \frac {B} {G} = \frac {b} {g}\)

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 39

Was sind sphärische Aberrationen eines optischen Abbildungssystems?

Öffnungsfehler durch kugelförmige Linsenoberflächen

Paraxiale Fokusebene
Longitudinale sphärische Aberration

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 40

Was sind chromatische Aberrationen eines optischen Abbildunssystems?

Der Brechungsindex ist wellenlängenabhängig ("Dispersion").

Er nimmt normalerweise für kurze Wellenlängen zu.

Siehe Vertiefung 2, Folie 40

Zeichnen Sie auf, wie man eine Plankonvexlinse orientieren muss, um einen parallelen Strahl mit minimalen sphärischen Aberrationen zu fokussieren.

Mit der Runden Seite zu den Parallelstrahlen, die Plane seite zum Fokus.

Dabei die Brechung auf beide Flächen verteilen.

Siehe Vertiefung 2, Folie 41

Mit welcher Kombination von einfachen Linsen lassen sich sphärische und chromatische Aberrationen korrigieren?

Achromatisches Dublett.

Konvex-und Konkavlinsen haben sphärische Aberrationen mit entgegengesetztem Vorzeichen. Durch Kombination von Konvex- und Konkavlinsen in einem Dublett mit n₂>n₁ kann man sphärische und chromatische Aberrationen korrigieren.

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 42

Definieren Sie die numerische Apertur (NA) eines Abbildungssystems und drücken Sie mit Hilfe der NA den Punktbilddurchmesser d und das laterale Auflösungsvermögen A aus.

Die Auflösung ist nicht durch die Vergrößerung gegeben, sondern durch den Öffnungswinkel (numerische Apertur) der abbildenden Optik.

Numerische Apertur: \(NA=n*sin(\alpha)\)
Fokusdurchmesser: \(d=1,22* \frac {\lambda} {NA}\)
Auflösung: \(A= \frac {NA} {0,61*\lambda}\)

Skizzieren Sie Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang eines Mikroskops für ein Objektiv mit unendlich Strahlengang und passender Tubuslinse.

Sie Vertiefung 2, Folie 44

Wie setzt sich die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops aus Objektiv- und Okularvergrößerung zusammen?

M_Gesamt = M_Objektiv * M_Okular

Welhe Verfahren gibt es, um optische Schnitte (optival sectioning) im Gewebe zu erzeugen?

Konfokale Mikroskopie
Multiphotonenmikroskope

Skizieren und erläutern Sie das konfokale Prinziep, um Streulicht aus Ebenen vor oder hinter der Schärfenebene des Mikroskops zu unterdrücken.

Siehe Vertiefung 2, Folie 48

Worauf beruht die Bildgebung bei einem Zwei-Photonenmikroskop und wieso erreicht man damit sowohl einen optischen Schnitt sowie eine hohe Eindringtiefe?

Anregung mit Pulszug (80MHz) eines Femtosekundenoszillators im IR Bereich. Anregung nur im Fokus (dort so hohe Intensitäten, dass 2-Photonenanregung möglich). Hohe Eindringtiefe mit IR, vergleiche Absorptionskoeffizientendiagramm in Wellenlängenabhängigkeit.

Warum sind konfokale Mikroskope und Multiphotonenmikroskope immer Scanning-Mikroskope?

Pinhole (Konfokal) bzw. Anregung nur um Fokusvolumen bedingt punktförmige Abtastung des Bildes --> Scanning

Wie kann man aus gescannten Bildern 3-D-Bilder erzeugen?

Zusammenfügen einer Reihe von Scannings mit Verschiedenen Eindringtiefen zu einem 3-D-Scan bild (Selbes Prinzip wie bei allen 3-D-Bildern)

Warum sind für die 2-Photonenanregung von Fluoreszenz viel höhere Bestrahlungsstärken erforderlich als für die Konfokalmikroskopie?

Nichtlineare Anregung (2 Photonen) erfordert sehr hohe Intensität (viel mehr als im linearen Fall)

Was sind die Hauptvorteile der 2-Photonenmikroskopie gegenüber der Konfokalmikroskopie?

Ausbleichen und Photoschäden können nur innerhalb des Fokusvolumens entstehen
IR Wellenlänge besitzen größere Eindringtiefe ins Gewebe
Zusätzlihe Informationen über Fluoreszenzlebenszeit
Keine konfokale Blende notwendig -> einfacherer Aufbau (abgesehen vim fs Laser) und leichteres Justieren
Aufbau kann zusätzlich zur Manipulation oder Zellchirurgie genutzt werden

Was sind die Nachteile der 2-Photonenmikroskopie gegenüber der Konfokalmikroskopie?

Deutlich höhere Bestrahlungsstärken können zu Hyperfluoreszenz und Ausbleichen führen

Geben sie die Einheit der Strahlungsfeldgröße Bestrahlung (radiant exposure) an.

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

[(W / m² )*s]

Formelzeichen: H

H=E*t

Geben sie die Einheit der Strahlungsfeldgröße Energie (energy) an.

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

[J] Joule

Formelzeichen: Q

Geben sie die Einheit der Strahlungsfeldgröße Leistung (power) an.

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

[W] Watt

Formelzeichen P

Geben sie die Einheit der Strahlungsfeldgröße Bestrahlungsstärke (irradiance) an.

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

[\(W / m^2\)]

Formelzeichen E

Wie rechnet man radiometrische in photometrische Größen um?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Photometrische Einheit [lumen] = Radiometrische Einheit x V(\(\lambda\))x685 lm/W

Was sind die wesentlichen Wechselwirkung von Licht mit Gewebe?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Absorption
Streuung
Transmission
Remission
Reflexion

Was sind die Haupt-Lichtabsorber im Gewebe?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Hämoglobin
Melanin
Wasser (\(\approx\) 70% des Gewebes)
Proteine
Nukleinsäuren DNA und RNA (geringer Massenanteil)
Collagen

In welchen Wellenlängenbereichen absorbiert Hämoglobin?

<0,2 & >0,9 um

0,23-1 um

0,2-0,25 um

240-300 nm

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

<0,2 & >0,9 um

0,23-1 um

0,2-0,25 um

240-300 nm

In welchen Wellenlängenbereichen absorbiert Melanin?

0,4-0,8 um

0,2-0,25 um

0,23-1 um

0,1-1,1 um

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

0,4-0,8 um

0,2-0,25 um

0,23-1 um

0,1-1,1 um

In welchen Wellenlängenbereichen absorbiert Wasser?

<0,22 & >0,94 um

< 0,1 & >0,5 um

<0,24 & > 1,23 um

0,4-0,8 um

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

<0,22 & >0,94 um

< 0,1 & >0,5 um

<0,24 & > 1,23 um

0,4-0,8 um

In welchen Wellenlängenbereichen absorbieren Proteine?

0,2-0,25 um

0,1-0,15 um

0,4-0,8 um

1 - 1,2 um

0,2-0,25 um

0,1-0,15 um

0,4-0,8 um

1 - 1,2 um

In welchen Wellenlängenbereichen absorbiert DNA und RNA?

240-300 nm

140-300 nm

0,4-0,8 um

100-150 nm

240-300 nm

140-300 nm

0,4-0,8 um

100-150 nm

Wie lautet das Bougert-Lambeert-Beersche Gesetz?

\(I(x)=I{0}*exp(-\mu{a}*x)\)

I0 soll I tiefgestellt 0 sein

\(\mu a\) soll \(\mu\)tiefgestellt a sein

Wie ist die optische Eindringtiefe definiert und auf welchen Bruchteil fällt die eingestrahlte Intensität I_o im Bereich der optischen Eindringtiefe ab?

\(d=\frac {1} {\mu0}\) --> \(I(d)= I(0)* \frac {1} {d}\)

Wie hängen optische Eindringtiefe und Absorptionskoeffizient zusammen?

\(d= \frac {1} {\mu a}\)

Was versteht man unter dem "optischen Fenster", und welcher Wellenlängenbereich ist ungefähr damit gemeint?

Der (Wellenlängen-)Bereich im Gewebe mit geringem Absorptionskoeffizienten. Ca. 600-1300nm

Geben sie die wesentlichen Charakteristika von Rayleigh-Streuung an.

Moleküle und kleine Partikel

Polarisationsabhängig..
..aber dennoch annähernd isotrop
Starke Wellenlängenabhängigkeit
Kleiner Streuquerschnitt ( R⁶ )
R<0,2*\(\lambda\)

Geben sie die wesentlichen Charakteristika von Mie-Streuung an.

Mittelgroße und Große Partikel

Bei Großen Partikeln --> "klassische" Streuung

Vorwärtsstreuung
Annähernd Polarisationsunabhängig
Schwache Wellenlängenabhängigkeit mit Modulation
Streuquerschnitt ( R²)
R \(\approx \lambda\)

Wie hängen Rayleigh- und Mie-Streuung von der Wellenlänge ab?

Rayleigh: Stark

Mie:Schwach

Warum ist der Himmel blau, der Sonnenuntergang rot und die Wolken weiß?

Der Himmel ist blau, weil das Licht an den Luftmolekülen gestreut wird.

Der Sonnenuntergang ist rot, da das Licht roter Wellenlänge langsamer gestreut wird als das Licht blauer Wellenlänge. Beim Sonnenuntergang muss das Licht einen weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen.

Die Wolken sind weiß, weil das Licht an den Wassertropfen gestreut wird, in diesem Fall Mie-Streuung (bei den beiden anderen fällen handelt es sich um Rayleigh Streuung).

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Cartes-fiches

Warum sind konfokale Mikroskope und Multiphotonenmikroskope immer Scanning-Mikroskope?

Pinhole (Konfokal) bzw. Anregung nur um Fokusvolumen bedingt punktförmige Abtastung des Bildes --> Scanning

Wie kann man aus gescannten Bildern 3-D-Bilder erzeugen?

Zusammenfügen einer Reihe von Scannings mit Verschiedenen Eindringtiefen zu einem 3-D-Scan bild (Selbes Prinzip wie bei allen 3-D-Bildern)

Warum sind für die 2-Photonenanregung von Fluoreszenz viel höhere Bestrahlungsstärken erforderlich als für die Konfokalmikroskopie?

Nichtlineare Anregung (2 Photonen) erfordert sehr hohe Intensität (viel mehr als im linearen Fall)

Was sind die Hauptvorteile der 2-Photonenmikroskopie gegenüber der Konfokalmikroskopie?

Ausbleichen und Photoschäden können nur innerhalb des Fokusvolumens entstehen
IR Wellenlänge besitzen größere Eindringtiefe ins Gewebe
Zusätzlihe Informationen über Fluoreszenzlebenszeit
Keine konfokale Blende notwendig -> einfacherer Aufbau (abgesehen vim fs Laser) und leichteres Justieren
Aufbau kann zusätzlich zur Manipulation oder Zellchirurgie genutzt werden