When a picosecond light pulse is incident on biological tissue, the temporal characteristics of the light backscattered from, or transmitted through, the sample carry information about the optical absorption and scattering coefficients of the tissue. We develop a simple model, based on the diffusion approximation to radiative transfer theory, which yields analytic expressions for the pulse shape in terms of the interaction coefficients of a homogeneous slab. The model predictions are in good agreement with the results of preliminary in vivo experiments and Monte Carlo simulations.

A model based upon steady-state diffusion theory which describes the radial dependence of diffuse reflectance of light from tissues is developed. This model incorporates a photon dipole source in order to satisfy the tissue boundary conditions and is suitable for either refractive index matched or mismatched surfaces. The predictions of the model were compared with Monte Carlo simulations as well as experimental measurements made with tissue simulating phantoms. The model describes the reflectance data accurately to radial distances as small as 0.5 mm when compared to Monte Carlo simulations and agrees with experimental measurements to distances as small as 1 mm. A nonlinear least-squares fitting procedure has been used to determine the tissue optical properties from the radial reflectance data in both phantoms and tissues in vivo. The optical properties derived for the phantoms are within 5%–10% of those determined by other established techniques. The in vivo values are also consistent with those reported by other investigators.

Photochemistry and PhotobiologyVolume 68, Issue 5 p. 603-632 Free Access In Vivo Fluorescence Spectroscopy and Imaging for Oncological Applications Georges A. Wagnieres, Georges A. Wagnieres Institute of Environmental Engineering, Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorWillem M. Star, Willem M. Star Daniel den Hoed Cancer Center, Rotterdam, The NetherlandsSearch for more papers by this authorBrian C. Wilson, Corresponding Author Brian C. Wilson Ontario Cancer Institute/University of Toronto and Photonics Research Ontario, Toronto, Canada *This paper is dedicated to the former editor of Photochemistry and Photobiology, Dr. Irene Kochevar, whose patience knew no bounds.†Department of Medical Biophysics, Ontario Cancer Institute, 610 University Avenue, Toronto, Ontario M5G 2M9, Canada. Fax: 1-416-946-6529; e-mail wilson@oci.utoronto.caSearch for more papers by this author Georges A. Wagnieres, Georges A. Wagnieres Institute of Environmental Engineering, Swiss Federal Institute of Technology (EPFL), Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorWillem M. Star, Willem M. Star Daniel den Hoed Cancer Center, Rotterdam, The NetherlandsSearch for more papers by this authorBrian C. Wilson, Corresponding Author Brian C. Wilson Ontario Cancer Institute/University of Toronto and Photonics Research Ontario, Toronto, Canada *This paper is dedicated to the former editor of Photochemistry and Photobiology, Dr. Irene Kochevar, whose patience knew no bounds.†Department of Medical Biophysics, Ontario Cancer Institute, 610 University Avenue, Toronto, Ontario M5G 2M9, Canada. Fax: 1-416-946-6529; e-mail wilson@oci.utoronto.caSearch for more papers by this author First published: 02 January 2008 https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1998.tb02521.xCitations: 620 AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat Citing Literature Volume68, Issue5November 1998Pages 603-632 ReferencesRelatedInformation

We report on imaging of microcirculation by calculating the speckle variance of optical coherence tomography (OCT) structural images acquired using a Fourier domain mode-locked swept-wavelength laser. The algorithm calculates interframe speckle variance in two-dimensional and three-dimensional OCT data sets and shows little dependence to the Doppler angle ranging from 75° to 90°. We demonstrate in vivo detection of blood flow in vessels as small as 25 μm in diameter in a dorsal skinfold window chamber model with direct comparison with intravital fluorescence confocal microscopy. This technique can visualize vessel-size-dependent vascular shutdown and transient vascular occlusion during Visudyne photodynamic therapy and may provide opportunities for studying therapeutic effects of antivascular treatments without on exogenous contrast agent.

A Monte Carlo computer model has been developed to study the propagation of light in tissues. Light attenuation is assumed to result from absorption and isotropic scattering. The model has been used to predict the distribution of absorbed dose in homogeneous tissues of different absorption/scattering ratios, for illumination both by external light beams and via implanted optical fibers. The photon flux into optical fibers placed in the tissue as detectors has also been investigated. The results are interpreted in relation to the use of visible light irradiation for photo radiation therapy.

Abstract Intralipid™ is an intravenous nutrient consisting of an emulsion of phospholipid micelles and water. Because Intralipid is turbid and has no strong absorption bands in the visible region of the electromagnetic spectrum, and is readily available and relatively inexpensive, it is often used as a tissue simulating phantom medium in light dosimetry experiments. In order to assist investigators requiring a controllable medium that over a finite range of wavelengths is optically equivalent to tissue, we have compiled previously published values of the optical interaction coefficients of Intralipid, most of which were measured at a wavelength of 633 nm. We have extended the measurements of the absorption and reduced scattering coefficients from 460 to 690 nm and the total attenuation coefficient from 500 to 890 nm. These measurements show that, for stock 10% Intralipid, the absorption coefficient varies from 0.015 to 0.001 cm −1 between 460 and 690 nm, the reduced scattering coefficient varies from 92 to 50 cm −1 between 460 and 690 nm, the total attenuation coefficient varies from 575 to 150 cm −1 between 500 and 890 nm, and the average cosine of scatter varies from 0.87 to 0.82 between 460 and 690 nm. With these data, we discuss the design of an optically tissue‐equivalent phantom consisting of Intralipid and black India ink. © 1992 Wiley‐Liss, Inc.

The absorption and transport scattering coefficients of biological tissues determine the radial dependence of the diffuse reflectance that is due to a point source. A system is described for making remote measurements of spatially resolved absolute diffuse reflectance and hence noninvasive, noncontact estimates of the tissue optical properties. The system incorporated a laser source and a CCD camera. Deflection of the incident beam into the camera allowed characterization of the source for absolute reflectance measurements. It is shown that an often used solution of the diffusion equation cannot be applied for these measurements. Instead, a neural network, trained on the results of Monte Carlo simulations, was used to estimate the absorption and scattering coefficients from the reflectance data. Tests on tissue-simulating phantoms with transport scattering coefficients between 0.5 and 2.0 mm−1 and absorption coefficients between 0.002 and 0.1 mm−1 showed the rms errors of this technique to be 2.6% for the transport scattering coefficient and 14% for the absorption coefficients. The optical properties of bovine muscle, adipose, and liver tissue, as well as chicken muscle (breast), were also measured exυiυo at 633 and 751 nm. For muscle tissue it was found that the Monte Carlo simulation did not agree with experimental measurements of reflectance at distances less than 2 mm from the incident beam.

Using optical interaction coefficients typical of mammalian soft tissues in the red and near infrared regions of the spectrum, calculations of fluence-depth distributions, effective penetration depths and diffuse reflectance from two models of radiative transfer, diffusion theory, and Monte Carlo simulation are compared for a semi-infinite medium. The predictions from diffusion theory are shown to be increasingly inaccurate as the albedo tends to zero and/or the average cosine of scatter tends to unity.

Singlet oxygen (1O2) is believed to be the major cytotoxic agent involved in photodynamic therapy (PDT). Measurement of 1O2 near-infrared (NIR) luminescence at 1270 nm in biological environments is confounded by the strongly reduced 1O2 lifetime and probably has never been achieved. We present evidence that this is now possible, using a new NIR-sensitive photomultiplier tube. Time-resolved 1O2 luminescence measurements were made in various solutions of aluminum tetrasulphonated phthalocyanine (AlS4Pc) and Photofrin. Measurements were also performed on suspensions of leukemia cells incubated with AlS4Pc, and a true intracellular component of the 1O2 signal was clearly identified. Time-resolved analysis showed a strongly reduced 1O2 lifetime and an increased photosensitizer triplet-state lifetime in the intracellular component. In vivo measurements were performed on normal skin and liver of Wistar rats sensitized with 50 mg/kg AlS4Pc. In each case, a small but statistically significant spectral peak was observed at 1270 nm. The 1O2 lifetime based on photon count rate measurements at 1270 nm was 0.03–0.18 μs, consistent with published upper limits. We believe that these are the first direct observations of PDT-generated intracellular and in vivo1O2. The detector technology provides a new tool for PDT research and possibly clinical use.

A discussion is presented of diagnostic and dosimetric optical measurements in medicine and biology. Topics covered include: tissue optical properties, tissue boundary conditions, and invasive versus noninvasive measurements. Clinical applications of therapeutic dosimetry and diagnostic spectroscopy are discussed. The principles of diffuse reflectance and transmittance measurements are presented. Experimental studies illustrate reflectance spectroscopy and steady-state versus time-resolved measurements.< >