A determinação da distribuição da luz em tecidos biológicos é importante para aplicações tais como a terapia fotodinâmica e o fotodiagnóstico. grande parte das aplicações se baseiam na luz que atinge a superfície do tecido e se propaga ao longo da profundidade. A combinação da absorção e do espalhamento leva aos perfis de intensidade que determinam a ação terapêutica. Os métodos existentes para a prever a distribuição da luz nos tecidos biológicos necessitam da determinação dos coeficientes ópticos do tecido, e demandam longo tempo computacional de modo que a aplicação em tempo real conjugada às fototerapias torna-se impossível. Considerando a terapia fotodinâmica, o contorno da necrose é determinado pela dose limiar. Portanto é importante assegurar uma intensidade de luz acima deste limiar na região onde deseja-se induzir necrose. Esta determinação envolve o conhecimento da distribuição da luz. Nesta tese são apresentados experimentos realizados em meios que simulem o comportamento óptico dos tecidos biológicos para estabelecer uma metodologia empírica para determinar a distribuição da luz. Este método baseia-se em medidas da intensidade de luz como função da posição espacial no interior do meio. Os dados são então armazenados em forma de uma matriz tridimensional. Usando esta matriz, operações matemáticas como soma, translação e rotação são utilizadas para compor diferentes campos de luz, ou seja, diferentes geometrias de iluminação. As medidas experimentais e as previsões teóricas foram comparadas demonstrando que o método proposto pode ser utilizado para recuperar a distrubuição da luz em meios túrbidos para diversas geometrias de iluminação. Experimentos in vivo mostraram que este método pode ser bastante útil na determinação da dosimetria para terapia fotodinâmica. / The determination of light distribution within biological tissues is important for applications such as photodynamic therapy and photodiagnostics. Most applications use light that reaches the tissue surface and propagates along the depth. The combination of absorption and scattering leads to light intensity profiles which determines the therapeutic action. Considering photodynamic therapy, necrosis contour is determined by the threshold intensity. Therefore it is quite important to assure intensity above the threshold at the region where necrosis is desired. This determination involves the knowledge of light distribution. In this study, we have developed an empirical method to determine light distribution in optical phantom. This method is based on experimental measurements of light intensity as a function of position inside the medium. The data were collected for a collimated narrow laser beam and arranged in a tridimensional matrix. Using this matrix, simple mathematical operations were used to simulate different conditions of irradiation geometry. Comparison between experimental measurements and mathematical simulations show that our method can be used to recover light distribution in biological tissue for any condition of illumination, since we have previously performed simple measurements in a sample using a narrow beam. In vivo experiments showed that this method can be very useful to the determination of photodynamic therapy dosimetry.

Dentre as diversas aplicações da luz em nosso dia-a-dia, as ligadas à área biomédica merecem destaque e são frequentemente objetos de pesquisa tanto para o desenvolvimento quanto para o aprimoramento de técnicas para o diagnóstico e terapias. Os tecidos biológicos são, em sua maioria, estruturas complexas, não-homogêneas e opticamente muito espalhadoras. Apesar das centenas de estudos existentes acerca da propagação da luz em tecidos biológicos, sua complexidade exige que novos estudos sejam conduzidos a fim de aprimorar o conhecimento já existente, que ainda apresenta muitas lacunas. A presença de heterogeneidades nos tecidos (vasos sanguíneos, hematomas, cistos, tumores e outras alterações macroscópicas) mudam a propagação da luz e dificultam a previsibilidade do seu comportamento por modelos matemáticos. O presente trabalho teve por objetivo estabelecer um método empírico que utiliza imagens de refletância difusa obtidas através de uma instrumentação simples, baseada em uma fonte de luz contínua no visível (laser de diodo em 660 nm) e uma câmera CMOS monocromática, para verificar a possibilidade de localização de inclusões absorvedoras embebidas em phantoms altamente espalhadores. Foi avaliada a capacidade de detectar inclusões de dois diferentes tipos de materiais em diversas geometrias e tamanhos, posicionadas em diferentes profundidades. O ângulo de incidência do feixe laser também foi variado, bem como a distância entre a fonte e o objeto, a fim de avaliar quais as melhores condições experimentais. Os resultados obtidos mostraram que os objetos puderam ser detectados, e suas formas puderam ser satisfatoriamente recuperadas através de um algoritmo desenvolvido para o processamento das imagens. Em algumas situações, mesmo para a maior profundidade utilizada, que foi de 20 mm, a inclusão pôde ser detectada nas imagens de refletância difusa processadas. Apesar da capacidade de detecção das formas geométricas representar um avanço com relação às possibilidades de identificação de estruturas em meios túrbidos, a determinação da profundidade ainda é um desafio a ser superado. / Among the various applications of light in our daily life, those connected with biomedicine should be highlighted and are frequently subject of researches aiming for the development and for the enhancement of techniques for diagnosis and therapy. Biological tissues are mostly complex, non-homogeneous and optically highly scattering structures. Despite the hundreds of existent studies on the propagation of light in biological tissues, its complexity requires new studies to be conducted in order to improve the existing knowledge, which still has many gaps. The presence of heterogeneities in tissue (blood vessels, bruises, cysts, tumors and other macroscopic alteration) changes the light propagation and impedes the predictability of its behavior by mathematical models. This work aimed to establish an empirical method using diffuse reflectance images acquired with simple instrumentation, based on a source of continuous light in the visible (diode laser at 660 nm) and a monochromatic CMOS camera, to check the possibility of the location of absorbing inclusions embedded in highly scattering phantoms. The ability to detect inclusions of two different kinds of materials in different sizes and geometries, positioned at different depths were evaluated. The laser beam angle of incidence was also varied, as well as the distance between the source and the object, in order to evaluate the best experimental conditions. The results showed that the objects could be detected, and their shapes might be satisfactorily recovered by an algorithm developed for image processing. In some situations, even at the greatest depth used, which was 20 mm, the inclusion could be detected in diffuse reflectance processed images. Although the detection capability of geometric shapes represents an improvement over the structures of identification possibilities in turbid media, the determination of depth is still a challenge to be overcome.

Dentre as diversas aplicações da luz em nosso dia-a-dia, as ligadas à área biomédica merecem destaque e são frequentemente objetos de pesquisa tanto para o desenvolvimento quanto para o aprimoramento de técnicas para o diagnóstico e terapias. Os tecidos biológicos são, em sua maioria, estruturas complexas, não-homogêneas e opticamente muito espalhadoras. Apesar das centenas de estudos existentes acerca da propagação da luz em tecidos biológicos, sua complexidade exige que novos estudos sejam conduzidos a fim de aprimorar o conhecimento já existente, que ainda apresenta muitas lacunas. A presença de heterogeneidades nos tecidos (vasos sanguíneos, hematomas, cistos, tumores e outras alterações macroscópicas) mudam a propagação da luz e dificultam a previsibilidade do seu comportamento por modelos matemáticos. O presente trabalho teve por objetivo estabelecer um método empírico que utiliza imagens de refletância difusa obtidas através de uma instrumentação simples, baseada em uma fonte de luz contínua no visível (laser de diodo em 660 nm) e uma câmera CMOS monocromática, para verificar a possibilidade de localização de inclusões absorvedoras embebidas em phantoms altamente espalhadores. Foi avaliada a capacidade de detectar inclusões de dois diferentes tipos de materiais em diversas geometrias e tamanhos, posicionadas em diferentes profundidades. O ângulo de incidência do feixe laser também foi variado, bem como a distância entre a fonte e o objeto, a fim de avaliar quais as melhores condições experimentais. Os resultados obtidos mostraram que os objetos puderam ser detectados, e suas formas puderam ser satisfatoriamente recuperadas através de um algoritmo desenvolvido para o processamento das imagens. Em algumas situações, mesmo para a maior profundidade utilizada, que foi de 20 mm, a inclusão pôde ser detectada nas imagens de refletância difusa processadas. Apesar da capacidade de detecção das formas geométricas representar um avanço com relação às possibilidades de identificação de estruturas em meios túrbidos, a determinação da profundidade ainda é um desafio a ser superado. / Among the various applications of light in our daily life, those connected with biomedicine should be highlighted and are frequently subject of researches aiming for the development and for the enhancement of techniques for diagnosis and therapy. Biological tissues are mostly complex, non-homogeneous and optically highly scattering structures. Despite the hundreds of existent studies on the propagation of light in biological tissues, its complexity requires new studies to be conducted in order to improve the existing knowledge, which still has many gaps. The presence of heterogeneities in tissue (blood vessels, bruises, cysts, tumors and other macroscopic alteration) changes the light propagation and impedes the predictability of its behavior by mathematical models. This work aimed to establish an empirical method using diffuse reflectance images acquired with simple instrumentation, based on a source of continuous light in the visible (diode laser at 660 nm) and a monochromatic CMOS camera, to check the possibility of the location of absorbing inclusions embedded in highly scattering phantoms. The ability to detect inclusions of two different kinds of materials in different sizes and geometries, positioned at different depths were evaluated. The laser beam angle of incidence was also varied, as well as the distance between the source and the object, in order to evaluate the best experimental conditions. The results showed that the objects could be detected, and their shapes might be satisfactorily recovered by an algorithm developed for image processing. In some situations, even at the greatest depth used, which was 20 mm, the inclusion could be detected in diffuse reflectance processed images. Although the detection capability of geometric shapes represents an improvement over the structures of identification possibilities in turbid media, the determination of depth is still a challenge to be overcome.

A determinação da distribuição da luz em tecidos biológicos é importante para aplicações tais como a terapia fotodinâmica e o fotodiagnóstico. grande parte das aplicações se baseiam na luz que atinge a superfície do tecido e se propaga ao longo da profundidade. A combinação da absorção e do espalhamento leva aos perfis de intensidade que determinam a ação terapêutica. Os métodos existentes para a prever a distribuição da luz nos tecidos biológicos necessitam da determinação dos coeficientes ópticos do tecido, e demandam longo tempo computacional de modo que a aplicação em tempo real conjugada às fototerapias torna-se impossível. Considerando a terapia fotodinâmica, o contorno da necrose é determinado pela dose limiar. Portanto é importante assegurar uma intensidade de luz acima deste limiar na região onde deseja-se induzir necrose. Esta determinação envolve o conhecimento da distribuição da luz. Nesta tese são apresentados experimentos realizados em meios que simulem o comportamento óptico dos tecidos biológicos para estabelecer uma metodologia empírica para determinar a distribuição da luz. Este método baseia-se em medidas da intensidade de luz como função da posição espacial no interior do meio. Os dados são então armazenados em forma de uma matriz tridimensional. Usando esta matriz, operações matemáticas como soma, translação e rotação são utilizadas para compor diferentes campos de luz, ou seja, diferentes geometrias de iluminação. As medidas experimentais e as previsões teóricas foram comparadas demonstrando que o método proposto pode ser utilizado para recuperar a distrubuição da luz em meios túrbidos para diversas geometrias de iluminação. Experimentos in vivo mostraram que este método pode ser bastante útil na determinação da dosimetria para terapia fotodinâmica. / The determination of light distribution within biological tissues is important for applications such as photodynamic therapy and photodiagnostics. Most applications use light that reaches the tissue surface and propagates along the depth. The combination of absorption and scattering leads to light intensity profiles which determines the therapeutic action. Considering photodynamic therapy, necrosis contour is determined by the threshold intensity. Therefore it is quite important to assure intensity above the threshold at the region where necrosis is desired. This determination involves the knowledge of light distribution. In this study, we have developed an empirical method to determine light distribution in optical phantom. This method is based on experimental measurements of light intensity as a function of position inside the medium. The data were collected for a collimated narrow laser beam and arranged in a tridimensional matrix. Using this matrix, simple mathematical operations were used to simulate different conditions of irradiation geometry. Comparison between experimental measurements and mathematical simulations show that our method can be used to recover light distribution in biological tissue for any condition of illumination, since we have previously performed simple measurements in a sample using a narrow beam. In vivo experiments showed that this method can be very useful to the determination of photodynamic therapy dosimetry.