Light scattering and absorption in tissue - models and measurements

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ljusspridning och absorption i biologisk vävnad - modeller och mätningar Visionerna är stora i medicingruppen på avdelningen för atomfysik, LTH, nämligen att utveckla nya metoder för förfinad diagnostik och selektiv behandling av cancer, hjärt- och kärlsjukdomar med hjälp av laserljus. Möjligheten till att med ljus detektera och karakterisera sjuk vävnad, exempelvis tumörvävnad, fibrös hjärtmuskelvävnad, kärlvävnad med inlagringar av kalcium etc., baseras på att den sprider och absorberar ljus på ett sätt som skiljer sig från det i den friska vävnaden. Det kan dels bero på inlagringar och förändringar av karakteristiska molekyler, men även på förändringar i form och antal av hela celler och deras organeller. Mitt arbete har bestått i att försöka förstå hur dessa vävnadens mikroskopiska egenskaper påverkar spridnings- och absorptionsegenskaperna både genom teoretiska beräkningar och genom experimentella studier av tillbakareflekterat och transmitterat elastiskt spritt ljus, liksom fluorescens ljus, från vävnad - speciellt blod. Jag har exempelvis visat att ju mer utsträckt form celler har, desto mer asymmetrisk karaktär har den rumsliga fördelningen av det spridda ljuset. Vidare har jag demonstrerat att lutningen av en uppmätt reflektans- och transmittanskurva som funktion av våglängden kan i princip användas för att uppskatta storleksordningen på den komponent i vävnaden (cell, cellmembran, organell, biomolekylkomplex etc.) som orsakar den huvudsakliga delen av ljusspridningen. Detta öppnar upp dörren för att på ett enkelt sätt få ut information om den mikroskopiska strukturen i vävnad, intressant ur ett optiskt perspektiv. Behandling med hjälp av laserljus bygger i princip på att ljusets energi förs över till vävnadens biomolekyler, eller till utifrån tillförda s.k. fotosensibiliserare, och orsakar antingen en temperaturhöjning eller en kemisk reaktion. Dessa processer förstör i sin tur den kringliggande maligna vävnaden. För en effektiv behandling är det viktigt att hela det maligna området behandlas, vilket till stor utsträckning bestäms av fördelningen av behandlingsljuset i vävnaden. Denna ljusfördelning bestäms i sin tur av vävnadens spridnings- och absorptionsegenskaper. Jag har mätt upp dessa egenskaper på muskel och levervävnad och visat att de ändras under både behandlingar baserade på värme och på fotokemiska reaktioner. För korrekt dosimetri av behandlingsljuset är det viktigt att ta med denna ändring av vävnadens optiska egenskaper i beräkningarna. Det centrala i denna avhandling är alltså studier av de optiska spridnings- och absorptionsegenskaperna, d.v.s de optiska storheterna för biologisk vävnad, i anknytning till laserdiagnostik- och behandlingsmetoder.