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Transmissão de feixes laser de intensidade modulada em tecidos biológicos e a sua optimização
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This work focuses on the study of the transmission of intensity-modulated laser beams in biological tissues, with an emphasis on skeletal muscle tissue, and on how the application of optical clearing treatments can improve such transmission. This work arises in the context of the growing interest in non-invasive optical techniques in the medical field, with safer and more effective alternatives to methods that use ionizing radiation, such as computed tomography. Biophotonics, a research field that combines principles of physics, optics, and engineering to develop innovative medical applications, has enabled significant advances in diagnostic and therapeutic techniques based on light. In the case of lasers, they offer clear advantages such as emission at specific wavelengths, collimated beams, high coherence, and the possibility of intensity modulation or pulsed mode emission. These attributes make lasers powerful tools for both diagnostic and treatment procedures, such as photocoagulation and tumor ablation in tissues. However, due to the absorption and scattering properties that are characteristic of tissues, laser light loses intensity and beam collimation with increasing light-probing depth in the tissues. In the vast majority of biological tissues, scattering is always greater than absorption, and this difference is even greater at shorter wavelengths. Such strong scattering is largely due to the heterogeneous composition of tissues and the localized refractive index mismatch. The optical clearing technique emerges as a solution to minimize light scattering and increase tissue transparency, through the partial or total replacement of interstitial and cellular water with one or more clearing agents, which promotes refractive index matching, making the tissue optically more homogeneous and, consequently, more transparent. In this study, four optical clearing agents were used: sucrose, glycerol, electronic cigarette fluid, and tartrazine. Each of these agents was tested for its ability to create temporary transparency in samples of rabbit skeletal muscle, with the aim of evaluating the improvement in the transmission of intensity-modulated laser beams, with wavelengths between 400 and 900 nm. The experimental methodology used in this study consisted of two experimental setups
for measuring transmittance. The first of these setups was used to measure spectra between 200 and 1000 nm, which allowed the calculation of the main spectral optical properties of muscle tissue, as well as the absorption spectra of the solutions of optical clearing agents used. The spectral optical properties obtained were the absorption coefficient and the anomalous dispersion of the muscle and the solutions of optical clearing agents , as well as the scattering coefficient of the muscle. The second experimental setup was used to measure the transmittance of intensity-modulated laser beams in muscle tissue, before and after clearing, in order to quantify that transparency at each laser wavelength used. The lasers used with this experimental setup had wavelengths between 400 and 900 nm, and the intensity modulation was performed with an optical chopper, being the transmitted beam detected using an oscilloscope. By measuring the spectra of the tissue and the optical clearing agents solutions, it was possible to calculate their spectral optical properties, which were then used to explain the
transparencies observed in muscle after each treatment. The results obtained revealed that all the clearing agents used produced visible transparency effects, but with different efficiencies. The maximum increase in muscle transparency was created by tartrazine, with an intermediate increase observed for treatments with the electronic cigarette fluid and glycerol, and a lower transparency increase obtained for the treatment with sucrose. In the treatment with tartrazine, no transparency was observed for lasers emitting at 405 and 532 nm. This observation is due to the strong absorption that tartrazine presents in this spectral range. From an experimental point of view, it was possible to quantify the optical clearing efficiency created by each agent, allowing a comparative analysis between the different transparency agents and the identification of relevant spectral
transparency windows for clinical applications. Changes in anomalous dispersion profiles were also observed, as a result of the structural reorganization of the tissues and interactions with the clearing agents. This study provides important information for the development of innovative and less invasive clinical methodologies, through the use of intensity-modulated laser beams when combined with optical clearing treatments, which will allow the optimization of diagnostic and treatment procedures. In short, this work highlights the fundamental role of the transparency effects in biological tissues to allow higher transmission of intensity-modulated laser beams to
bigger tissue depths, paving the way for safer, faster, and more effective applications in modern clinical practice.
Este trabalho foca-se no estudo da transmissão de feixes laser com intensidade modulada em tecidos biológicos, com ênfase no tecido muscular esquelético, e na forma como a aplicação de tratamentos de transparência pode melhorar essa transmissão. O trabalho surge no contexto do crescente interesse por técnicas óticas não invasivas na área da medicina, substituindo métodos baseados em radiação ionizante, como a tomografia computorizada, por alternativas mais seguras e eficazes. A Ótica Médica, disciplina que combina princípios de física, ótica e engenharia para aplicações médicas, tem permitido um avanço significativo em técnicas de diagnóstico e terapia baseadas na luz. No caso dos lasers, estes oferecem vantagens claras como emissão em comprimentos de onda específicos, feixes colimados, alta coerência e a possibilidade de modulação de intensidade ou emissão em modo pulsado. Estes atributos fazem com que os lasers sejam ferramentas poderosas tanto para procedimentos de diagnóstico como de tratamento, de que são exemplo a fotocoagulação e a ablação de tumores em tecidos. No entanto, devido às propriedades de absorção e de espalhamento que são características dos tecidos, a luz laser perde intensidade e colimação de feixe com o aumento da profundidade nos tecidos. Na grande maioria dos tecidos biológicos, o espalhamento é sempre superior à absorção, sendo esta diferença tanto maior quanto menor for o comprimento de onda. Tal forte espalhamento deve-se em grande parte à constituição heterogénea dos tecidos e ao desfasamento localizado de índices de refração. A técnica de transparência ótica surge como solução para minimizar o espalhamento da luz e aumentar a transparência dos tecidos, através da substituição parcial ou integral da água intersticial e celular por um ou mais agentes de transparência, o que promove uma adaptação de índices de refração, tornando o tecido mais homogéneo oticamente e, por conseguinte, mais transparente. Neste estudo, foram utilizados quatro agentes de transparência ótica: a sacarose, a glicerina, o líquido de cigarros eletrónicos e a tartrazina. Cada um destes agentes foi testado quanto à sua capacidade de criar transparência temporária em amostras de músculo esquelético de coelho, com o objetivo de avaliar a melhoria da transmissão de feixes laser com intensidade modulada, com comprimentos de onda entre os 400 e os 900 nm. A metodologia experimental utilizada consistiu na utilização de duas montagens experimentais de medição da transmitância. A primeira dessas montagens foi usada para medir espectros entre 200 e 1000 nm, que permitiram calcular as principais propriedades óticas espectrais do tecido muscular, assim como das soluções dos agentes de transparência utilizados. As propriedades óticas espectrais obtidas foram o coeficiente de absorção e a dispersão anómala do músculo e das soluções, tendo-se obtido adicionalmente e apenas para o músculo o coeficiente de espalhamento. A segunda montagem experimental foi usada para medir a transmitância de feixes laser com intensidade modulada em tecido muscular, antes e após a criação de transparência, para quantificar essa transparência a cada comprimento de onda dos lasers usados. Os lasers utilizados nesta montagem experimental apresentam comprimentos de onda entre os 400 e 900 nm, e a modulação de intensidade foi realizada com um chopper ótico, sendo a deteção do feixe transmitido feita com um osciloscópio. Com a medição dos espectros das soluções dos agentes de transparência usados e do tecido muscular, foi possível calcular as propriedades óticas espectrais correspondentes, dados que permitirão justificar as transparências criadas no músculo em cada tratamento. Os resultados obtidos revelaram que todos os agentes de transparência usados produziram efeitos visíveis, mas com eficiências diferentes. O maior aumento de transparência no músculo foi criado pela tartrazina, tendo-se observado um aumento intermédio para os tratamentos com o líquido de cigarros eletrónicos e com a glicerina e um menor resultado para o tratamento com sacarose. No caso do tratamento com tartrazina, não foi observada a criação de transparência para os lasers com emissão a 405 e a 532 nm. Isto porque a esses comprimentos de onda, a tartrazina apresenta uma forte absorção. Do ponto de vista experimental, foi possível quantificar a eficiência de transparência criada por cada agente, permitindo realizar uma análise comparativa entre os diferentes agentes de transparência e identificar janelas de transparência espectral relevantes para aplicações clínicas. Este estudo fornece informação importante para o desenvolvimento de novas metodologias clínicas menos invasivas, através da utilização de feixes laser com intensidade modulada combinados com a criação de transparência, que permitirão otimizar procedimentos de diagnóstico e tratamento. Em suma, este trabalho destaca o papel fundamental dos efeitos de transparência em tecidos biológicos para aumentar a transmissão de feixes laser com intensidade modulada a maiores profundidades dentro dos tecidos, abrindo caminho para aplicações mais seguras, rápidas e eficazes na prática clínica moderna.
Este trabalho foca-se no estudo da transmissão de feixes laser com intensidade modulada em tecidos biológicos, com ênfase no tecido muscular esquelético, e na forma como a aplicação de tratamentos de transparência pode melhorar essa transmissão. O trabalho surge no contexto do crescente interesse por técnicas óticas não invasivas na área da medicina, substituindo métodos baseados em radiação ionizante, como a tomografia computorizada, por alternativas mais seguras e eficazes. A Ótica Médica, disciplina que combina princípios de física, ótica e engenharia para aplicações médicas, tem permitido um avanço significativo em técnicas de diagnóstico e terapia baseadas na luz. No caso dos lasers, estes oferecem vantagens claras como emissão em comprimentos de onda específicos, feixes colimados, alta coerência e a possibilidade de modulação de intensidade ou emissão em modo pulsado. Estes atributos fazem com que os lasers sejam ferramentas poderosas tanto para procedimentos de diagnóstico como de tratamento, de que são exemplo a fotocoagulação e a ablação de tumores em tecidos. No entanto, devido às propriedades de absorção e de espalhamento que são características dos tecidos, a luz laser perde intensidade e colimação de feixe com o aumento da profundidade nos tecidos. Na grande maioria dos tecidos biológicos, o espalhamento é sempre superior à absorção, sendo esta diferença tanto maior quanto menor for o comprimento de onda. Tal forte espalhamento deve-se em grande parte à constituição heterogénea dos tecidos e ao desfasamento localizado de índices de refração. A técnica de transparência ótica surge como solução para minimizar o espalhamento da luz e aumentar a transparência dos tecidos, através da substituição parcial ou integral da água intersticial e celular por um ou mais agentes de transparência, o que promove uma adaptação de índices de refração, tornando o tecido mais homogéneo oticamente e, por conseguinte, mais transparente. Neste estudo, foram utilizados quatro agentes de transparência ótica: a sacarose, a glicerina, o líquido de cigarros eletrónicos e a tartrazina. Cada um destes agentes foi testado quanto à sua capacidade de criar transparência temporária em amostras de músculo esquelético de coelho, com o objetivo de avaliar a melhoria da transmissão de feixes laser com intensidade modulada, com comprimentos de onda entre os 400 e os 900 nm. A metodologia experimental utilizada consistiu na utilização de duas montagens experimentais de medição da transmitância. A primeira dessas montagens foi usada para medir espectros entre 200 e 1000 nm, que permitiram calcular as principais propriedades óticas espectrais do tecido muscular, assim como das soluções dos agentes de transparência utilizados. As propriedades óticas espectrais obtidas foram o coeficiente de absorção e a dispersão anómala do músculo e das soluções, tendo-se obtido adicionalmente e apenas para o músculo o coeficiente de espalhamento. A segunda montagem experimental foi usada para medir a transmitância de feixes laser com intensidade modulada em tecido muscular, antes e após a criação de transparência, para quantificar essa transparência a cada comprimento de onda dos lasers usados. Os lasers utilizados nesta montagem experimental apresentam comprimentos de onda entre os 400 e 900 nm, e a modulação de intensidade foi realizada com um chopper ótico, sendo a deteção do feixe transmitido feita com um osciloscópio. Com a medição dos espectros das soluções dos agentes de transparência usados e do tecido muscular, foi possível calcular as propriedades óticas espectrais correspondentes, dados que permitirão justificar as transparências criadas no músculo em cada tratamento. Os resultados obtidos revelaram que todos os agentes de transparência usados produziram efeitos visíveis, mas com eficiências diferentes. O maior aumento de transparência no músculo foi criado pela tartrazina, tendo-se observado um aumento intermédio para os tratamentos com o líquido de cigarros eletrónicos e com a glicerina e um menor resultado para o tratamento com sacarose. No caso do tratamento com tartrazina, não foi observada a criação de transparência para os lasers com emissão a 405 e a 532 nm. Isto porque a esses comprimentos de onda, a tartrazina apresenta uma forte absorção. Do ponto de vista experimental, foi possível quantificar a eficiência de transparência criada por cada agente, permitindo realizar uma análise comparativa entre os diferentes agentes de transparência e identificar janelas de transparência espectral relevantes para aplicações clínicas. Este estudo fornece informação importante para o desenvolvimento de novas metodologias clínicas menos invasivas, através da utilização de feixes laser com intensidade modulada combinados com a criação de transparência, que permitirão otimizar procedimentos de diagnóstico e tratamento. Em suma, este trabalho destaca o papel fundamental dos efeitos de transparência em tecidos biológicos para aumentar a transmissão de feixes laser com intensidade modulada a maiores profundidades dentro dos tecidos, abrindo caminho para aplicações mais seguras, rápidas e eficazes na prática clínica moderna.
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Keywords
Biological tissues Modulated intensity of laser Absorption Scattering Optical clearing treatments Control of tissue optical properties Tecidos biológicos Laser com intensidade modulada Absorção Espalhamento Tratamentos de transparência Controlo das propriedades óticas dos tecidos