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Publicação
Study of phase modulation techniques to concentrate laser radiation in turbid media for phototherapy
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.83 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Diagnostic and therapeutic techniques leveraging electromagnetic radiation as their pri-
mary effector are abundant in the context of biomedical engineering. Its interaction mecha-
nisms with matter though are often difficult to control, with this unpredictability stemming
mainly from scattering phenomena for biological tissues.
This study aims to address this through iterative feedback-based phase-only wavefront
modulation. As such, an experimental testing procedure where two different feedback mech-
anisms are evaluated is implemented. For both setups an 808 nm wavelength laser beam is
used, with its already lower absorption and scattering characteristics for biological tissues mak-
ing it relevant for potential applications. Also common to both experimental setups are the
two different tissue simulating optical phantoms considered. Set to mimic the optical proper-
ties of 1.1 mm thick human skin, they were composed of a mixture of agar, distilled water and
milk, with the concentration of milk setting the scattering behavior of the turbid samples.
The first feedback signal to be tested was gathered by a NIR camera placed behind the
phantoms. The latter received the transmitted laser beam's profile after it had been modulated
by a spatial light modulator (SLM). This feedback is then sent to the computer and processed
in MATLAB by the iterative optimization algorithms implemented. These will finally send new
phase masks to the SLM and continue this feedback loop until a desired number of iterations
is reached. Given the placing of a sensor behind the tissue is not feasible for
in-vivo applica-
tions, in view of making the present study hold its relevance for such frameworks, the use of
backscattered radiation as feedback to the modulation procedure was scrutinized.
For both feedback mechanisms and scattering environments the population-based op-
timization algorithm largely provided the best results in comparison with its single solution
counterparts. No discernable differences were reported between different turbidity levels,
proving the reliability of both techniques across the reported human skin scattering range. The
backscattered feedback, although having shown to provide a noisier setting, with this remain-
ing largely unaddressed given it was inherent to the available material, it nevertheless proved
to be a valid framework for electromagnetic wave propagation management in the absorption
and scattering regimes found in biological tissue.
Procedimentos terapêuticos e de diagnóstico que beneficiam da propagação de radiação ele- tromagnética no contexto da engenharia biomédica são numerosos. Os mecanismos de inte- ração da mesma com a matéria são, no entanto, muitas vezes difíceis de controlar, sendo esta imprevisibilidade resultante principalmente de fenómenos de dispersão no caso particular de tecidos biológicos. Tendo em conta a referida problemática, a abordagem aqui referida envolve um pro- cesso iterativo de modulação de fase da frente de onda de um feixe laser. Para tal, é imple- mentado um procedimento experimental em que são avaliados dois mecanismos de feedback distintos. Para ambas as configurações, é utilizado um feixe de comprimento de onda de 808 nm. Também comuns a ambas as configurações experimentais são os dois diferentes fantomas ópticos considerados. Estes, foram concebidos de forma a simular as propriedades ópticas de pele humana com 1,1 mm de espessura, sendo constituídos por uma mistura de ágar, água destilada e leite, com a concentração de leite a ser determinante para a capacidade de difusão das amostras. O primeiro feedback testado foi recolhido por uma câmara NIR colocada atrás das amostras túrbidas, sendo este constituído pelo perfil do feixe laser transmitido depois de o mesmo ter sido modulado por um modulador espacial de luz (SLM). Este feedback é de seguida enviado para um computador e processado em MATLAB pelos algoritmos de otimi- zação iterativos implementados. Por fim, os mesmos enviarão então novas matrizes de fase para o SLM dando seguimento a este ciclo de feedback até ser alcançado um número desejado de iterações. Sendo este posicionamento do sensor inviável para aplicações in-vivo, foi anali- sada a utilização da radiação retro difundida como feedback para o procedimento de modu- lação. De uma forma geral, para ambos os mecanismos de feedback o algoritmo genético desenvolvido forneceu os melhores resultados. Não tendo sido registadas diferenças signifi- cativas entre os diferentes fantomas utilizados, ambas as técnicas analisadas demonstraram a sua robustez perante a gama de dispersão característica de pele humana. Apesar do sinal de feedback por retrodifusão se ter manifestado significativamente mais ruidoso, tendo este facto não sido abordado, uma vez ter-se demonstrado inerente ao material disponível, provou-se, no entanto, ser uma abordagem válida no que toma à supressão da difusão em meios com características óticas semelhantes a tecido biológico.
Procedimentos terapêuticos e de diagnóstico que beneficiam da propagação de radiação ele- tromagnética no contexto da engenharia biomédica são numerosos. Os mecanismos de inte- ração da mesma com a matéria são, no entanto, muitas vezes difíceis de controlar, sendo esta imprevisibilidade resultante principalmente de fenómenos de dispersão no caso particular de tecidos biológicos. Tendo em conta a referida problemática, a abordagem aqui referida envolve um pro- cesso iterativo de modulação de fase da frente de onda de um feixe laser. Para tal, é imple- mentado um procedimento experimental em que são avaliados dois mecanismos de feedback distintos. Para ambas as configurações, é utilizado um feixe de comprimento de onda de 808 nm. Também comuns a ambas as configurações experimentais são os dois diferentes fantomas ópticos considerados. Estes, foram concebidos de forma a simular as propriedades ópticas de pele humana com 1,1 mm de espessura, sendo constituídos por uma mistura de ágar, água destilada e leite, com a concentração de leite a ser determinante para a capacidade de difusão das amostras. O primeiro feedback testado foi recolhido por uma câmara NIR colocada atrás das amostras túrbidas, sendo este constituído pelo perfil do feixe laser transmitido depois de o mesmo ter sido modulado por um modulador espacial de luz (SLM). Este feedback é de seguida enviado para um computador e processado em MATLAB pelos algoritmos de otimi- zação iterativos implementados. Por fim, os mesmos enviarão então novas matrizes de fase para o SLM dando seguimento a este ciclo de feedback até ser alcançado um número desejado de iterações. Sendo este posicionamento do sensor inviável para aplicações in-vivo, foi anali- sada a utilização da radiação retro difundida como feedback para o procedimento de modu- lação. De uma forma geral, para ambos os mecanismos de feedback o algoritmo genético desenvolvido forneceu os melhores resultados. Não tendo sido registadas diferenças signifi- cativas entre os diferentes fantomas utilizados, ambas as técnicas analisadas demonstraram a sua robustez perante a gama de dispersão característica de pele humana. Apesar do sinal de feedback por retrodifusão se ter manifestado significativamente mais ruidoso, tendo este facto não sido abordado, uma vez ter-se demonstrado inerente ao material disponível, provou-se, no entanto, ser uma abordagem válida no que toma à supressão da difusão em meios com características óticas semelhantes a tecido biológico.
Descrição
Palavras-chave
Iterative wavefront shaping Spatial light modulator Turbid media