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 denierte 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 Auösung zweier Messmethoden miteinander zu vergleichen. Eine weitere Messung wird an einem Messergri aus Kunststo durchgeführt, um die Möglichkeiten in der qualitativen Untersuchung von Kunststoen aufzuzeigen. Es werden unter anderen auch Untersuchungen an tierischen, sowie an panzlichen 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, Auösung 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 schlieÿt 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 Panze zu dokumentieren. Auÿerdem 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
2 Versuchsaufbau
2.1 Lasersystem
2.2 THz-Aufbau
2.3 Das Braunschweiger THz-Signal
3 Datenerfassung und Auswertung
3.1 Hardware
3.1.1 Datenerfassungskarte
3.1.2 Verschiebetisch (ODL)
3.1.3 x/y-Verschiebeeinheit
3.2 Software: Dauermessung
3.3 Software: Fast Scan
3.3.1 Intensitätsmessung im Zeitbereich
3.3.2 Multi-FFT-Integration
3.3.3 Intensitätsmessung im Frequenzbereich
3.3.4 time-shift-Messung
3.3.5 Flankenmessung
3.3.6 Linescan-Messung
4 Messergebnisse
4.1 Experimente zum THz-Fokus
4.2 Erstes Image: Kupfernes F auf Papier
4.3 Vergleich der Auflösungen
4.4 Image eines Messergriffs
4.5 Image eines Kunststeins
4.6 Image eines dielektrischen THz-Spiegels mit einem Defekt
4.7 Images von Gelantinekapseln
4.8 Messungen an tierischen Gewebeproben
4.8.1 Image eines Schweinekehlkopfs
4.8.2 Image einer adulten Maus
4.9 Messungen an Pflanzen
4.9.1 Wassertransport von Wein
4.9.2 Schockreaktion einer Mimose
5 Diskussion und Ausblick
5.1 Bildgebende Verfahren der Medizintechnik und die Aussichten für das THz-Imaging
5.1.1 Röntgenuntersuchung
5.1.2 Ultraschalluntersuchung (Sonographie)
5.1.3 Computertomographie (CT)
5.1.4 Magnetresonanz-Tomographie (MRT)
5.1.5 Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
5.1.6 Ortsaufgelöste Fourier-Transformierte-Infrarot-Spektroskopie
5.1.7 Aussichten für das THz-Imaging in der Medizintechnik
5.2 THz-Imaging in der Biologie
5.3 THz-Imaging zur Qualitätskontrolle
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendungsmöglichkeiten der THz-Technologie als bildgebendes Verfahren zu untersuchen, ihre Vor- und Nachteile gegenüber etablierten Methoden zu evaluieren und Potenziale für industrielle sowie biologische Einsatzbereiche aufzuzeigen.
- Grundlagen und Aufbau von THz-Messsystemen
- Methoden der Datenerfassung und Bildauswertung
- Vergleichende Analyse von THz-Bildgebungsverfahren
- Anwendung bei biologischen Proben und Wassertransportprozessen
- Untersuchung industrieller Qualitätskontrollmöglichkeiten
- Vergleich mit bildgebenden Verfahren der Medizintechnik
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Die Eigenschaften der Röntgenstrahlung wurden vor langer Zeit entdeckt und sich besonders 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 10^16 Hz und 10^19 Hz, was den Wellenlängen 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 µm, 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 bei Röntgen sein. Im Bereich der Wellenlänge von 0,2-2 THz wird die THz-Strahlung von Wasser 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 µm haben dürfen, aber dafür auch den Vorteil, daß es mit dem THz-Imaging z.B. möglich wird, den Wassertransport in Pflanzen zu untersuchen.
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 definierte 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 Nachteile des THz-Imaging aufzuzeigen und erste Anstöße für eine industrielle Verwendung zu geben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Thematik der bildgebenden Verfahren unter Verwendung von THz-Strahlung im Vergleich zu konventionellen Methoden.
2 Versuchsaufbau: Detaillierte Beschreibung des verwendeten Lasersystems, des optischen Aufbaus und der Signaleigenschaften.
3 Datenerfassung und Auswertung: Erläuterung der Hardwarekomponenten sowie der verschiedenen Messmethoden und Steuerungssoftware.
4 Messergebnisse: Darstellung und Analyse der erzielten Bilder für verschiedene Materialien, biologische Gewebeproben und Pflanzen.
5 Diskussion und Ausblick: Kritische Gegenüberstellung des THz-Imaging mit medizinischen Bildgebungsverfahren und Bewertung zukünftiger Einsatzfelder.
Schlüsselwörter
THz-Imaging, Bildgebung, Transmission, Absorption, Terahertz-Strahlung, Datenerfassung, Versuchsaufbau, Biologische Gewebeproben, Medizintechnik, Qualitätskontrolle, Frequenzbereich, Fourier-Transformation, Wassertransport, Nicht-ionisierende Strahlung, Sensorik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Erprobung von THz-Imaging (Terahertz-Bildgebung) als bildgebendes Verfahren für verschiedene Materialien und biologische Proben.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Schwerpunkte liegen auf dem technischen Versuchsaufbau zur Erzeugung von THz-Impulsen, der Entwicklung von Methoden zur Datenerfassung und Bildauswertung sowie der Erforschung von Anwendungsmöglichkeiten in der Biologie und Industrie.
Was ist das primäre Ziel oder die zentrale Forschungsfrage?
Ziel ist es, die Potenziale sowie die Vor- und Nachteile der THz-Bildgebung aufzuzeigen und sie als ergänzendes oder alternatives Verfahren in verschiedenen Fachgebieten zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es werden verschiedene Methoden der Transmission und Signalmessung im Zeit- und Frequenzbereich genutzt, unter anderem die Multi-FFT-Integration und die Linescan-Analyse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die experimentellen Messergebnisse, darunter die Charakterisierung von Fokusgrößen, Untersuchungen an Kunststoff- und Metallobjekten sowie Studien an biologischen Gewebeproben und Pflanzen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit am besten?
THz-Imaging, Bildgebung, Transmission, Absorption, Terahertz-Strahlung, Medizintechnik, Qualitätskontrolle, biologische Proben, Datenerfassung.
Wie unterscheidet sich die Absorption im THz-Bereich von der Röntgenstrahlung?
Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, die sehr durchdringend ist, wird THz-Strahlung durch Wasser stark absorbiert, was sie besonders für die Analyse von Feuchtigkeitsgehalten oder biologischen Prozessen in Pflanzen geeignet macht.
Warum wird das THz-Imaging als sicherere Alternative diskutiert?
Da es sich um nicht-ionisierende Strahlung handelt, stellt sie im Vergleich zu Röntgenstrahlen eine deutlich geringere gesundheitliche Belastung dar und ermöglicht zerstörungsfreie Untersuchungen.
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- Kay Schmalstieg (Author), 2001, Funiktionsweise des THz-Imaging und dessen Einsatzmöglichkeit in der Medizin, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4594
