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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-13098
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1309/


Walther, Ralf

Reflexionsspektroskopie zur Charakterisierung optisch trüber Medien : Modellierung, Simulation und statistische Datenanalyse

Characterization of turbid media by reflectance spectroscopy : modeling, simulation and data analysis

Dokument1.pdf (4.228 KB) (md5sum: 078fea8778f34e41ca973a5e3f6ded3f)

Kurzfassung in Deutsch

Die Bestimmung der optischen Eigenschaften eines Mediums ist in vielen
Bereichen der Wissenschaft, wie beispielsweise der Materialcharakterisierung und der nicht-invasiven medizinischen Diagnostik, von großem Interesse. Dies liegt darin begründet, dass die optischen Eigenschaften eines Mediums stark mit der mikroskopischen Struktur und somit mit den physikalischen, chemischen und gegebenenfalls physiologischen Eigenschaften dieses Mediums
korrelieren. Die Kenntnis der optischen Eigenschaften lässt somit
Rückschlüsse auf andere gesuchte Eigenschaften zu und stellt einen
wichtigen Beitrag zur Untersuchung von Struktur--Eigenschafts- bzw.
Struktur--Wirkungs--Beziehungen dar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit der
Reflexionsspektroskopie zur Bestimmung der optischen Eigenschaften
sowie der Charakterisierung optisch trüber Medien untersucht. In
diesem Zusammenhang wurden eine auf Monte Carlo Simulationen basierende Methode zur Analyse von Reflexionsspektren optisch trüber Medien erstellt und drei Fragestellungen aus den Fachbereichen der Materialcharakterisierung (Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen), der Rechtsmedizin (Differentialdiagnose bei pinkfarbenen Totenflecken) sowie der Dermatologie (Diagnose des malignen Melanoms) untersucht.


Kurzfassung in Englisch

Subject of my research is the estimation of the optical properties of turbid absorbing media from steady-state diffuse reflectance spectroscopy data. In this context I have investigated the boltzmann-transport equation, the eigenvalue equation of the boltzmann-transport equation as well as the diffusion approximation. I have studied analytical models based on diffusion approximation for the description of the spatial resolved reflectance, including the EBC and EBCF model proposed by Kienle et al., boundary conditions and approaches for diffusion coefficients as well as for source modelling. It has turned out, that the error in the description of the diffuse reflectance measured from an collection area with a certain radius - which is due to the break down of the diffusion approximation near strong sources and a large amount of absorption - increases rapidly with increasing amount of absorption. But also for a small amount of absorption this error is about 10-20 %. In order to overcome this problem, I have employed a Monte-Carlo based model for the description of the measured diffuse reflection spectrum.
Furthermore, I have investigated the inverse problem, which means the estimation of the desired parameters from measured data for a given model. In this context I was mainly faced with two data analytical problems: In the case of a single type of scatterer strong correlations in the parameter space complicated the non-linear minimization problem. In the case of estimating a particle size distribution, one has to solve a so-called ill-posed inverse problem.
I have applied our Monte-Carlo based model on reflectance spectra of three different fields of research: At first, I investigated human skin and the question whether steady-state reflectance spectroscopy data can be used for the non-invasive diagnostic of malignant melanoma. Furthermore, I used our Monte-Carlo based model in the field of forensic medicine for a differential diagnosis in presence of pink hypostasis. These hypostasis can be due to a carbon monoxide poisoning or an exposition to cold, which comes along with a resaturation of the haemoglobin in the hypostasis. Thus, the differential diagnosis can be done by estimation of the carbon monoxide saturation. Finally, I investigated the potential of our method for the application in materials characterization. As a pilot project we estimated the particle size distribution of a system of glass spheres in polidimethylsiloxane (PDMS).


SWD-Schlagwörter: Reflexionsspektroskopie , Hautkrebs , Melanom , Monte Carlo , Diffusionsgleichung
Freie Schlagwörter (deutsch): Boltzmann-Transportgleichung , optisch trübe Medien
Freie Schlagwörter (englisch): steady-state reflectance spectroscopy , malignant melanoma , turbid media , diffusion equation , boltzmann-equation , monte carlo
PACS Klassifikation 87.64.Ni , 87.68.+z , 02.70.Uu , 05.10. Gg
Institut: Freiburger Materialforschungszentrum
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Honerkamp, J. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.04.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 25.06.2004
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