www.atomic.physics.lu.se/biophotonics Optisk spektroskopi på människor STEFAN ANDERSSON-ENGELS 1
Lund University Medical Laser Centre Science and Engineering Faculties Physics Applied Biochemistry Analytical Chemistry Chemical Physics Electrosciences Mathematical Statistics Medical Faculty Oncology Dermatology and Venereology Obstetrics and Gynaecology Oto-Rhino-Laryngology Surgery Neurosurgery Ophthalmology Urology Radiation Physics Diagnostic Radiology Biomedical Engineering Pathology 2
2012-10-28 Optisk spektroskopi på människor STEFAN ANDERSSON-ENGELS 3 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY
2012-10-28 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY Optisk spektroskopi på människor INNEHÅLL Medicinska tillämpningar av lasrar Ljusutredning i vävnad Reflektionsdiagnostik Fluorescensdiagnostik 4
Nina Reistad 2012-10-22 Medicinska tillämpningar av lasrar 5 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY
Ljus Elektromagnetisk strålning 6 Soto Thompson, PhD Thesis, 2004
2012-10-28 Medicinska tillämpningar av lasrar Parallellt Monokromatiskt Koherent 7 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY
Vad är en laser? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Exciterat tillstånd λ λ Spegel Aktivt material Grundtillstånd Spegel λ Monokromatiskt Hög fotondensitet Riktningsbart 8
2012-10-28 Medicinska tillämpningar av lasrar BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY Kirurgi Blödningsfri kniv, bränna, förånga Diagnostik Pulsoximetri Genomlysning, fluorescens, etc Fotokemisk behandling Photodynamic therapy (PDT) 9
Nina Reistad 2012-10-22 Medicinsk Laserterapi BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY Laserkirurgi Ögon (Ar-jon-, Nd:YAG-, Excimerlasrar) Hud (CO 2 -, Färgämnes-, Rubin-, Arjon-lasrar) Allmän kirurgi (Nd:YAG-, diod-, CO 2 - lasrar) Hypertermi behandling Fotodynamisk tumörterapi 10
Absorption i vävnad Absorptionskoefficient (cm -1 ) 100 10 Absorption Blod 1 0.1 500 700 900 1100 1300 Wavelength (nm) Vatten 11
Ögat Det mesta av ljusbrytningen sker i hornhinnan, resten i linsen (som kan ändra form för att få en skarp bild). Brytningsfel kan korrigeras genom att ändra krökningen av hornhinnan. 12
Fokusering med en lins Snell s lag: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 13 f
Hur ljus fokuseras på näthinnan Point spread function (PSF) hur en punkt avbildas PSF 14
Ögat
16 LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa From www.eyesurgeryeducation.com 1a. Markera hornhinnan med bläckmarkörer. 1b. Applicera lokalbedövning i ögondroppar! 17
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa Hartmann-Shack Vågfrontsanalysator 2a. Fixera ögat med en sugring (Möjligen: 2b. Vågfrontsanalys av ögat för att hitta den perfekta korrektionen) From www.eyesurgeryeducation.com 18
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa 3. Skala av en tunn skiva av hornhinnan med en microkeratome From www.eyesurgeryeducation.com 19
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa 4. Vik upp skivan och exponera den underliggande delen av hornhinnan. From www.eyesurgeryeducation.com 20
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa 5. Linjera laserstrålen med det fixerade ögat. From www.eyesurgeryeducation.com 21
Laserablation UV ablation e.g. 193 nm ArF excimer laser IR ablation e.g. 2.94 μm Er:YAG, eller 10.6 μm CO 2 -laser 22
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa 6. Ändra formen på hornhinnan genom att skjuta bort tunna lager med excimerlaser. From www.eyesurgeryeducation.com Typiska värden W pulse = 3mJ, t pulse = 18 ns λ=193 nm f = 50Hz beam = 0.9 mm 23
LASIK Laser-Assited In Situ Keratomileusis Sju steg för att få en perfekt synskärpa 7. Lägg tillbaks den tunna skivan, vänta 5 minuter och gå sedan hem! From www.eyesurgeryeducation.com 24
Nina Reistad 2012-10-22 Ljusutredning i vävnad 25 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY
Solstrålning skadligt eller nyttigt? Vitamin D produktion Rekommenderat intag 5 g/dag (200IU Utveckling av maligna melanom Alina Carmen Porojnicu, PhD thesis Oslo (2008) 26
Nina Reistad 2012-10-22 Ljusutredning i vävnad 27 BIOPHOTONICS@LUNDUNIVERSITY
Absorption i vävnad Absorptionskoefficient (cm -1 ) 100 10 Spridning Absorption Blod 1 0.1 500 700 900 1100 1300 Wavelength (nm) Vatten 28
Rayleigh och Mie spridning Wikipedia (2008 Rayleigh spridare mycket mindre än ljusvåglängden Mie sfäriska spridare av godtycklig storlek 1 4 29
Vad händer med ljuset inne i handen? Vilken färg har ljuset som kommer ut? Varför ser man inga skuggor av benen i handen? 30
Biomedical Optics 31
From clear liquid to diffuse media Cuvette filled with water. HeNe laser beam coming in from left Increase scattering by adding droplets of milk-like material. 32
Wavelength 33 matters!
Hand exposed with red and green laser light 34
Reflektionsdiagnostik 35
Light tissue interactions and photophysical processes Refraction Specular Diffuse Reflection 36
Diffuse and specular reflectance Parallel polarisation Perpendicular polarisation 37
Light tissue interactions and photophysical processes Refraction Diffuse Reflection Absorption Scattering Emission Elastic Linear Non linear Inelastic Raman Doppler shifted 38
Remission photoplethysmography (PPG) Courtecy: Prof Janis Spigulis, Riga Android: Instant Heart Rate 39
Ljuspropagering genom vävnad Röntgen Ljus (NIR) Markerad skugga Diffus skugga 40
Intensitet tid Intensitet tid x Tidsupplösta mätningar Tidigt ljus 41 Andersson-Engels et al. Opt Lett (1990)
Time-resolved depth profile Intensitet tid Pulsed source Fiber-optic beamsplitter Tissue Intensitet tid Amplifier Time-resolved Detector Bandpass filter Computer 42
43 Vågor - interferens
The OCT setup Broadband source Fiber-optic beamsplitter Tissue Amplifier Detector Bandpass filter Scanning reference mirror Computer 44
Courtesy Peter Andersen, DTU, Denmark Kommersiella OCT system Humphrey Optical Coherence Tomography Scanner vid Herlevssjukhuset. 45
Mätning av ögonbotten 46 Courtesy Peter Andersen, DTU,
Fluorescencsdiagnostik 47
Fluorescensdiagnostik Vad är fluorescens? absorption fluorescens λ energi Intensitet laser fluorescens 48
Tumörmarkörer Ansamlas i tumörvävnad (pga blodförsörjning, cellernas membran, enzymer, ph etc) Courtecy: Dr. Niels Bendsoe, Lund University Medical Laser Centre Karaktäristisk fluorescens Fotodynamisk tumörterapi (PDT) 49
Diagnostik och behandling Tumörmarkör (lokalt eller systemiskt) Några timmar Fluorescensdiagnostik Fotodynamisk tumörterapi......... 50
Kliniska fluorescensmätningar 51
Fluorescensdiagnostik In-vivo PpIX fluorescens in luftvägarna Fluorescens-guidad hjärnkirurgi infiltration zone normal tissue Fluorescens angiografi White-light image (A1) 5-ALA-induced PPIX fluorescence image (A2) of a patient with squamous cell carcinoma. Fluorescein angiografi före och efter PDT av sjuka blodkärl i ögonbottnen, choroidal neovascularization (CNV) solid tumor Hautmann et al. Respir. Res., 8 (2007) Stummer et al. Lancet Oncol. (2006) Hikichi et al., RETINA 21 (2001) 52
Biophotonics@LundUniversity Stefan Andersson Engels Katarina Svanberg Sune Svanberg Dmitry Khopyar Johan Axelsson Erik Alerstam Can Xu Niels Bendsøe Haichun Liu Hayian Xie Emilie Krite Svanberg Patrik Lundin Mikkel Brydegaard Pontus Svenmarker Tomas Svensson Märta Lewander Jonas Johansson Nina Reistad 53
Thanks for the attention, Questions?