Quantitative dosimetry in the treatment of skin disorders with (laser) light requires information on propagation of light in the skin related to the optical properties of the individual skin layers. This involves the solution of the integro-differential equation of radiative transfer in a model representing skin geometry, as well as experimental methods to determine the optical properties of each skin layer. These activities are unified under the name skin optics. This paper first reviews the current status of tissue optics, distinguishing between the cases of: dominant absorption, dominant scattering, and scattering about equal to absorption. Then, previously published data as well as some current unpublished data on (human) stratum corneum, epidermis and dermis, have been collected and/or (re)analyzed in terms of absorption coefficient, scattering coefficient, and anisotropy factor of scattering. The results are that the individual skin layers show strongly forward scattering (anisotropy factors between 0.7 and 0.9). The absorption and scattering data show that for all wavelengths considered scattering is much more important than absorption. Under such circumstances, solutions to the transport equation for a multilayer skin model and finite beam laser irradiation are currently not yet available. Hence, any quantitative dosimetry for skin treated with (laser) light is currently lacking.

With existing optical imaging techniques three-dimensional (3-D) mapping of microvascular perfusion within tissue beds is severely limited by the efficient scattering and absorption of light by tissue. To overcome these limitations we have developed a method of optical angiography (OAG) that can generate 3-D angiograms within millimeter tissue depths by analyzing the endogenous optical scattering signal from an illuminated sample. The technique effectively separates the moving and static scattering elements within tissue to achieve high resolution images of blood flow, mapped into the 3-D optically sectioned tissue beds, at speeds that allow for perfusion assessment in vivo. Its development has its origin in Fourier domain optical coherence tomography. We used OAG to visualize the cerebral microcirculation, of adult living mice through the intact cranium, measurements which would be difficult, if not impossible, with other optical imaging techniques.

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 Journal of Biomedical Optics (JBO) is a Gold Open Access journal that publishes peer-reviewed papers on the use of novel optical systems and techniques for improved health care and biomedical research.

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.< >

A tutorial introduction to diffuse light transport is presented. The basic analytic equations of time-resolved, steady-state and modulated light transport are introduced. The perturbation method for handling slight heterogeneities in optical properties is outlined. The treatment of boundary conditions such as an air/tissue surface is described. Finite mesh-based numerical methods are introduced to calculate the diffuse light field in complex tissues with arbitrary boundaries. Applications in tissue spectroscopy and imaging illustrate these theoretical and computational tools.

The clinical objective in the treatment of a patient with port-wine stain (PWS) undergoing laser therapy is to maximize thermal damage to the PWS, while at the same time minimizing nonspecific injury to the normal overlying epidermis. With dynamic cooling, the epidermis can be cooled selectively. When a cryogen spurt is applied to the skin surface for an appropriately short period of time (on the order of tens of milliseconds), the cooling remains localized in the epidermis, while leaving the temperature of the deeper PWS vessels unchanged.Comparative measurements obtained by a fast infrared imaging detector demonstrated that the surface temperature prior to laser exposure could be reduced by as much as 40 degrees C using the dynamic cooling technique. No skin surface textural changes were noted on PWS test sites cooled with a 20- to 80-millisecond cryogen spurt after flashlamp-pumped pulsed dye laser (FLPPDL) exposure (lambda = 585 nm; tau p = 450 microseconds) at the maximum light dosage possible (10 J/cm2). In contrast, epidermal necrosis occurred on the uncooled sites after such exposure. Six months after laser exposure, clinically significant blanching on the cooled sites indicates laser photothermolysis of PWS blood vessels did occur.Our preliminary experiments demonstrate the feasibility of selectively cooling the normal overlying epidermis without affecting the temperature of the deeper PWS vessels. Furthermore, protection of the epidermis from thermal injury, produced by melanin light absorption at clinically relevant wavelengths, can be achieved effectively. An additional advantage of dynamic epidermal cooling is reduction of patient discomfort associated with FLPPDL therapy. Further studies are under way to determine an optimum strategy for applying this dynamic cooling technique during pulsed laser treatment of patients with PWS and others with selected dermatoses (dermal melanocytic lesions and tattoos).

Polarization‐based optical techniques have become increasingly popular in the field of biomedical diagnosis. In the current report we exploit the directional awareness of circularly and/or elliptically polarized light backscattered from turbid tissue‐like scattering media. We apply circularly and elliptically polarized laser light which illuminates the samples of interest, and a standard optical polarimeter is used to observe the polarization state of light backscattered a few millimeters away from the point of incidence. We demonstrate that the Stokes vector of backscattered light depicted on a Poincaré sphere can be used to assess a turbid tissue‐like scattering medium. By tracking the Stokes vector of the detected light on the Poincaré sphere, we investigate the utility of this approach for characterization of cancerous and non‐cancerous tissue samples in vitro . The obtained results are discussed in the framework of a phenomenological model and the results of a polarization tracking Monte Carlo model, developed in house. Schematic illustration of the experimental approach utilizing circularly and elliptically polarized light for probing turbid tissue‐like scattering media. magnified image Schematic illustration of the experimental approach utilizing circularly and elliptically polarized light for probing turbid tissue‐like scattering media.

The tumor microenvironment plays a critical role in tumor growth, progression, and therapeutic resistance, but interrogating the role of specific tumor-stromal interactions on tumorigenic phenotypes is challenging within in vivo tissues. Here, we tested whether three-dimensional (3D) bioprinting could improve in vitro models by incorporating multiple cell types into scaffold-free tumor tissues with defined architecture. We generated tumor tissues from distinct subtypes of breast or pancreatic cancer in relevant microenvironments and demonstrate that this technique can model patient-specific tumors by using primary patient tissue. We assess intrinsic, extrinsic, and spatial tumorigenic phenotypes in bioprinted tissues and find that cellular proliferation, extracellular matrix deposition, and cellular migration are altered in response to extrinsic signals or therapies. Together, this work demonstrates that multi-cell-type bioprinted tissues can recapitulate aspects of in vivo neoplastic tissues and provide a manipulable system for the interrogation of multiple tumorigenic endpoints in the context of distinct tumor microenvironments.