THz-Imaging

THz-Imaging

Diplomarbeit
von
Kay Schmalstieg

Institut für Hochfrequenztechnik
Technische Universität Braunschweig
Beginn: 1. September 2000
Abgabe: 27. Februar 2001
Betreuer der Arbeit: Dipl.-Ing. Pascal Knobloch
Prof. Dr. Martin Koch

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe eines Aufbaus zur Erzeugung von THz-Impulsen an verschiedenen Proben zweidimensionale Transmissionsmessungen durchgeführt. Die dabei entstandenen Bilder im Frequenzbereich zwischen 0,1-2 THz werden auf Charakteristika untersucht und die zukünftigen Möglichkeiten des THz-Imaging diskutiert.
Um die verwendeten Proben zu untersuchen, ist zunächst ein System nötig, um die THz-Impulse zu erzeugen. Die physikalischen Einzelheiten werden in dieser Arbeit nicht vertieft, sondern es wird lediglich der Versuchsaufbau kurz erläutert. Die beim THz-Imaging verwendete Hardware wird dabei genauer beschrieben .
Das defnierte Verschieben der Probe im THz-Strahlengang, sowie die Aufnahme und Auswertung der aufgenommenen Messwerte wird mit einer speziell für das THz-Imaging in LabView programmierten Software gesteuert. In dieser Arbeit sollen die Bedienung des Programms, sowie deren verschiedene Möglichkeiten der Messung erläutert werden. 
Es werden des weiteren Messungen an verschiedensten Proben durchgeführt. Diese beginnen bei Experimenten mit einem F aus Kupferfolie, aufgeklebt auf Papier, um die Software zu testen und die Auflösung zweier Messmethoden miteinander zu vergleichen. Eine weitere Messung wird an einem Messergrif aus Kunststoff durchgeführt, um die Möglichkeiten in der qualitativen Untersuchung von Kunststoen aufzuzeigen. Es werden unter anderen auch Untersuchungen an tierischen, sowie an pflanzlichen Proben durchgeführt, immer mit dem Hintergrund einer späteren, professionellen Verwendung des THz-Imaging.
Im einem weiteren Teil dieser Arbeit werden die meisten bildgebenden Verfahren in der Medizintechik kurz erläutert und jeweils deren Verwendung, Auflösung und Pro und Kontras aufgezählt. Dabei werden auch die möglichen Anwendungen für das THz-Imaging in diesem Bereich diskutiert und mit einigen Beispielen verdeutlicht.
Daran schließt sich eine Diskussion über die mögliche Anwendung des THz-Imaging in der Biologie an. Dabei ist es mit der vorgestellten Art der Messung möglich, zerstörungsfrei und ortsaufgelöst den Wassertransport einer Pflanze zu dokumentieren. Außerdem gibt es eine Anwendung zur Bestimmung der Dichte von Holz, im speziellen von Jahresringen. Zuletzt sollen die industriellen Möglichkeiten des THz-Imaging zur Qualitätskontrolle jeglicher Art von Plastikteilen und zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts z.B. von Lebensmitteln erläutert werden.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Versuchsaufbau 3

2.1 Lasersystem. . . . . . . 3
2.2 THz-Aufbau. . . . . . . 3
2.3 Das Braunschweiger THz-Signal . . . . . 7

3 Datenerfassung und Auswertung 9

3.1 Hardware. . . . . . . . 9
    3.1.1 Datenerfassungkarte . . . . . . . 9
    3.1.2 Verschiebetisch (ODL) . . . . . . 9
    3.1.3 x/y-Verschiebeeinheit . . . . . . . 9
3.2 Software: Dauermessung . . . . . . . . . 10
3.3 Software: Fast Scan. . . 11
    3.3.1 Intensitätsmessung im Zeitbereich 17
    3.3.2 Multi-FFT-Integration . . . . . . 18
    3.3.3 Intensitätsmessung im Frequenzbereich. . . . . . . . 19
    3.3.4 time-shift-Messung . . . . . . . . 19
    3.3.5 Flankenmessung. 20
    3.3.6 Linescan-Messung . . . . . . . . . 21

4 Messergebnisse 23

4.1 Experimente zum THz-Fokus . . . . . . 23
4.2 Erstes Image: Kupfernes F auf Papier . . 24
4.3 Vergleich der Auflösungen . . . . . . . . 25
4.4 Image eines Messergriffs . . . . . . . . . 27
4.5 Image eines Kunststeins . . . . . . . . . 28
4.6 Image eines dielektrischen THz-Spiegels mit einem Defekt. . 30
4.7 Images von Gelantinekapseln . . . . . . . 33
4.8 Messungen an tierischen Gewebeproben . 37
    4.8.1 Image eines Schweinekehlkopfs . . 37
    4.8.2 Image einer adulten Maus . . . . 39
4.9 Messungen an Pflanzen. 41
4.9.1 Wassertransport von Wein . . . . 41
4.9.2 Schockreaktion einer Mimose . . 44

5 Diskussion und Ausblick 47

5.1 Bildgebende Verfahren der Medizintechnik und die Aussichten für das THz-Imaging. . . . . . . . . 47
    5.1.1 Röntgenuntersuchung . . . . . . . 47
    5.1.2 Ultraschalluntersuchung (Sonographie). . . . . . . . 52
    5.1.3 Computertomographie (CT) . . . 57
    5.1.4 Magnetresonanz-Tomographie (MRT). . . . . . . . . 60
    5.1.5 Positronen-Emissions-Tomographie (PET). . . . . . 68
    5.1.6 Ortsaufgelöste Fourier-Transformierte-Infrarot-Spektroskopie . . . . . 75
    5.1.7 Aussichten für das THz-Imaging in der Medizintechnik . . . . . . . . 83
5.2 THz-Imaging in der Biologie . . . . . . . 86
5.3 THz-Imaging zur Qualitätskontrolle . . . 87

Literaturverzeichnis 89

1 Einleitung

Die Eigenschaften der Röntgenstrahlung wurden vor langer Zeit entdeckt und sich beson- ders in der Medizin zunutze gemacht. Ihre Besonderheiten der Transmission, Reflektion und Absorption in diesem speziellen Frequenzbereich ermöglichen dem menschlichen Auge normalerweise unsichtbare Darstellungen von Objekten. Knochen, Zähne und Metalle, die unter Muskel oder Fettgewebe verborgen liegen, können so sichtbar dargestellt werden. Der Frequenzbereich der Röntgenstrahlung liegt zwischen 1016 Hz und 1019 Hz, was denWellenlängen zwischen 30 nm und 30 pm entspricht. Ähnliches verspricht man sich auch von bildgebenden Verfahren mit THz-Strahlung. Hierbei werden Bilder im Frequenzbereich von 0,2-2 THz, das entspricht dem Wellenlängenbereich zwischen 1,5 mm und 150 nm, dargestellt. Die gewonnenen Informationen über Transmission, Absorption und Reflektion sind in diesem Frequenzbereich natürlich völlig andere. Auch die zu untersuchenden Materialien können gänzlich andere als beim Röntgen sein. Im Bereich der Wellenlänge von 0,2-2 THz wird die THz-Strahlung vonWasser sehr stark absorbiert. Das hat bei der derzeitig zu erreichenden THz-Leistung den Nachteil, dass zu scannende Proben mit einem hohen Wassergehalt nur eine Dicke von einigen 100 nm haben dürfen, aber dafür auch den Vorteil, dass es mit dem THz-Imaging z.B. möglich wird, den Wassertransport in Pflanzen zu untersuchen. Ein für Biologen wichtiges und noch nicht restlos aufgeklärtes Thema. Ebenso eröffnen sich auch für andere Bereiche neue Möglichkeiten wie z.B. in der Pharmazie und der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie. Auch beim Herstellungsprozess von Lebensmitteln oder Medikamenten spielt der Feuchtigkeitsgehalt, der mit dem THz-Imaging berührungslos überwacht werden könnte, eine wichtige Rolle. Da THz-Strahlung die meisten Kunststoffe mühelos durchdringt, können auch eventuelle Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts nach der Abpackung sichtbar gemacht werden. In wieweit das THz-Imaging in der Medizin als Alternative zu anderen bildgebenden Verfahren wie Ultraschall oder Röntgen genutzt werden kann, ist noch nicht restlos geklärt.

Wie funktioniert nun das THz-Imaging? Eine Methode ist, eine zu untersuchende Probe relativ zum Fokus des THz-Signals in zwei Dimensionen zu verschieben. Dazu wird zum einen eine Versuchsanordnung benötigt, die dieses THz-Signal erzeugt und zum anderen eine Steuerungs- und Messeinheit, die das defnierte Verschieben der Probe ermöglicht und welche für den jeweiligen Pixel die zugehörigen Informationen z.B. der Transmission des THz-Signals misst und auswertet. Ziel dieser Arbeit soll es sein, die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und Vor- und Nach- teile des THz-Imaging aufzuzeigen und erste Anstöße für eine industrielle Verwendung zu geben.

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