Instrumentação Optoelectrónica 276 Interacção da luz com a matéria Processos:  Absorção  Dispersão (scattering) EoEo h Absorção EnEn  Permite que um laser (ou outra fonte de luz) produza efeitos (terapêuticos ou destrutivos) sobre um tecido orgânico. Sem absorção não ocorre transferência de energia para o tecido.  Pode ser a base de técnicas de diagnóstico (ex: técnicas de espectroscopia). Pode ainda fornecer pistas para o conhecimento da composição química de um tecido e servir de mecanismo de contraste em técnicas de imagiologia. A absorção de fotões é um fenómeno fundamental em óptica biomédica:

Instrumentação Optoelectrónica 277 Absorção O processo de absorção pode envolver transições:  Electrónicas  Vibracionais  Rotacionais Fenómeno Região espectral Comprimento de onda Electrões internos - ionização Raios X nm Electrões de valênciaUltravioleta e vísivel nm Vibrações moleculares ou rotação Infravermelho200 nm-800 nm Rotação e orientação de spin electrónico em campo magnético Microondas400 um – 30 cm Orientação de spin nuclear em campo magnético Ondas rádio>100 cm

Instrumentação Optoelectrónica 278 Absorção Visível: a hemoglobina absorve fortemente comprimentos de onda na região do azul/verde. A melanina absorve em toda a região do visível. IV: absorção dominante é devida à água UV: absorção elevada devido às proteínas, aminoácidos e DNA Ligação (µm) C-H esticar C-H dobrar C-C esticar, dobrar C=C esticar C=C esticar CO NO NO SO O-H esticar C=O esticar N-H

Instrumentação Optoelectrónica 279 Absorção Secção eficaz de absorção de uma molécula: A molécula ao ser irradiada por um feixe de luz absorve uma dada energia por unidade de tempo (potência absorvida) A secção eficaz de absorção corresponde à área na qual o mesmo feixe depositaria uma potência igual à absorvida Secção eficaz: Em física usa-se o conceito de secção eficaz sempre que um fenómeno ocorre proporcionalmente à intensidade de um feixe. Energia absorvida por unidade de tempo Irradiância do feixe incidente A – eficiência de absorção

Instrumentação Optoelectrónica 280 Absorção  é a densidade de moléculas (nº de moléculas / volume) Um meio com uma distribuição uniforme de moléculas pode ser caracterizado pelo coeficiente de absorção O recíproco do coeficiente de absorção define o percurso livre médio corresponde à distância média que um fotão percorre no meio antes de ser absorvido As potências do feixe luminoso à entrada e à saída de um meio estão relacionadas pela lei de Beer-Lambert z – espessura do meio  – coeficiente de absorção molar decádico c – concentração molar da molécula absorvente Transmitância: Absorbância ou densidade óptica:

Instrumentação Optoelectrónica 281 Absorção Espectro de absorção para tecidos biológicos UV: absorção aumenta para s pequenos devido às proteínas, ADN e outras moléculas. IR: absorção deve-se essencialmente à água. Máximo: 2.95  m. 700 – 900 nm: a absorção é mínima: janela terapêutica e de diagnóstico. Os melanossomas e o sangue absorvem nesta zona. Contudo, a sua fracção no volume dos tecidos é pequena.

Instrumentação Optoelectrónica 282 Absorção Espectro de absorção para tecidos biológicos UV: absorção aumenta para s pequenos devido às proteínas, ADN e outras moléculas.

Instrumentação Optoelectrónica 283 Absorção Espectro de absorção para tecidos biológicos É possível escolher o laser de acordo com as propriedades de absorção dos tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 284 Dispersão (scattering) Absorção de energia de uma onda incidente e subsequente emissão de parte dessa energia Dispersão elástica: onda dispersa com a mesma energia que a onda incidente A dispersão ocorre em meios onde existam flutuações do índice de refracção. Essas flutuações podem resultar da presença de partículas discretas ou corresponder a variações contínuas (p. ex.: impostas por gradientes térmicos).

Instrumentação Optoelectrónica 285 Dispersão Tal como sucede com a absorção, a dispersão pode ser quantificada por uma secção eficaz Energia dispersa por unidade de tempo Irradiância do feixe incidente  é a densidade de dispersores (nº de dispersores / volume) Um meio com uma distribuição uniforme de dispersores idênticos pode ser caracterizado pelo coeficiente de dispersão O recíproco do coeficiente de dispersão define o percurso livre médio corresponde à distância média que um fotão percorre no meio antes de ser disperso

Instrumentação Optoelectrónica 286 Dispersão Limite de Rayleigh: o tamanho dos dispersores é pequeno quando comparado com o comprimento de onda da radiação incidente Regime de Mie: o tamanho dos dispersores é comparável ao do comprimento de onda da radiação incidente Limite geométrico: o comprimento de onda da radiação incidente é muito inferior ao tamanho dos dispersores: leis da reflexão e refracção

Instrumentação Optoelectrónica 287 Dispersão Limite de Rayleigh: Limite de Mie: Lida com a dispersão por objectos esféricos e é aplicável a toda a gama de relações (tamanho/comprimento de onda) Na prática aplica-se quando as aproximações de Rayleigh e geométrica falham A dependência angular do campo disperso é mais complexa

Instrumentação Optoelectrónica 288 Interacção Luz - Tecidos Oculares No que respeita à interacção entre a luz e os tecidos e fluidos biológicos, podemos considerar duas classes de meios: Fortemente dispersivos (opacos) Fracamente dispersivos (transparentes) Pele Tecido cerebral Paredes vasculares Sangue Linfa Esclera Córnea Cristalino Humor aquoso Vítreo

Instrumentação Optoelectrónica 289 Córnea Humor aquoso Pupila Iris Músculo Ciliar Esclera Fóvea Retina Nervo óptico Humor Vítreo Cristalino Coróide Propagação da luz no meio ocular

Instrumentação Optoelectrónica 290 Propagação da Luz nos Tecidos Oculares São três os fenómenos que determinam a propagação de feixe de luz no interior do globo ocular: reflexão dispersão (scattering) absorção A reflexão óptica determina a proporção da energia do feixe laser que penetra efectivamente no tecido. Na interface entre dois meios transparentes, e considerando incidência segundo a normal, a reflectância R, obtida a partir das equações de Fresnel, é dada pela expressão I i - irradiância do feixe laser incidente I r - irradiância do feixe reflectido n i – índice de refracção do meio de incidência n t - índice de refracção do meio de transmissão Para incidências segundo ângulos superiores a 0º a expressão da reflectância é mais complicada e implica a análise do estado de polarização da luz incidente.

Instrumentação Optoelectrónica 291 Córnea n=1.376 (43D) Humor aquoso n=1.336 Humor Vítreo n=1.336 Cristalino Córtexn=1.386 Núcleo n =1.406 (15D) Ar n=1.0 InterfaceReflectância Ar-Córnea2.504% Córnea-Aquoso0.022% Aquoso-Cristalino0.034% Cristlino, córtex-Cristalino, núcleo0.005% Cristalino, núcleo-Cristalino, córtex0.005% Cristalino-Vítreo0.034% Total:2.604% Propagação da Luz nos Tecidos Oculares

Instrumentação Optoelectrónica 292 Propagação da Luz nos Tecidos Oculares BandaComprimento de ondaDesignação UVC100 nm nmUltravioleta longínquo UVB280 nm nmUltravioleta médio UVA315 nm nmUltravioleta próximo Visível400 nm nm IRA 780 nm – 1.4  m Infravermelho próximo IRB 1.4  m – 3.0  m Infravermelho médio IRC 3.0  m – 10 mm Infravermelho longínquo Regiões do espectro óptico

Instrumentação Optoelectrónica 293 Propagação da Luz nos Tecidos Oculares A córnea absorve os comprimentos de onda das bandas espectrais UVC, IRB (parcialmente) e IRC Espectro de transmitância e de absorção da córnea humana Thompson KP, Ren QS, Parel JM. Therapeutic and Diagnostic Application of Lasers in Ophthalmology. Proceedings of the IEEE 1992;80: Lembares A, Hu XH, Kalmus GW. Absorption spectra of corneas in the far ultraviolet region. Invest Ophthalmol Vis Sci 1997;38:

Instrumentação Optoelectrónica 294 Espectro de absorção da água Molecular Vibration and Absorption. Consultado em Espectro de absorção do colagénio I e IV Pena et al., Chiroptical Effects in the Second Harmonic Signal of Collagens I and IV, J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127, Propagação da Luz nos Tecidos Oculares As características de transmitância da córnea resultam do espectro de absorção da água e do colagénio, principal constituinte do estroma corneano.

Instrumentação Optoelectrónica 295 Propagação da Luz nos Tecidos Oculares A radiação UV transmitida pela córnea (UVB e UVA) é filtrada pelo cristalino O cristalino é uma estrutura coerente que contém cerca de 60% de água e 28% de proteínas. As características de transmissão do cristalino variam com a idade: cristalinos jovens: absorção principalmente por água e do triptofano envelhecimento: acumulação de pigmentos fluorescentes

Instrumentação Optoelectrónica 296 Propagação da Luz nos Tecidos Oculares A exposição contínua a radiação ultravioleta resulta em processos de fotólise do triptofano (aeróbios e anaeróbios) que levam à acumulação de fluoróforos que absorvem luz na região UV e na parte inicial do azul. diminuição com a idade da transmitância do cristalino para a banda de comprimentos de onda entre 300 nm e 400 nm: 25% para cristalinos com mais de 25 anos 75% a 85% para cristalinos com menos de 10 anos de idade. Produtos da foto ‑ oxidação do triptofano: quinurenina, N ‑ formil ‑ quinurenina (NFK), 3–hidroxi-quinurenina (3HK),  -carbolinas. A quinurenina e a NFK reagem com a glicose formando 3-hidroxi-quinurenina-O-  - D-glicósido (3-HKG). A acumulação de fluoróforos no cristalino também pode resultar de processos metabólicos: glicosilação de proteínas peroxidação lipídica oxidação de proteínas por radicais livres degradação oxidativa do ascorbato.

Instrumentação Optoelectrónica 297 Thompson et al., Therapeutic and Diagnostic Application of Lasers in Ophthalmology. Proceedings of the IEEE 1992;80: Dillon J. The Photophysics and Photobiology of the Eye. Journal of Photochemistry and Photobiology B-Biology 1991;10: Cristalino jovem: absorve UVB e UVA Espécies absorventes: água, triptofano, tirosina Cristalino envelhecido: aumenta a absorção na região do azul: Foto-produtos do triptofano: quinureninas (NFK, 3HK, 3-HKG),  -carbolinas Propagação da Luz nos Tecidos Oculares

Instrumentação Optoelectrónica 298 Transmitância de tecidos oculares CristalinoCórnea Propagação da Luz nos Tecidos Oculares

Instrumentação Optoelectrónica 299 Espécies absorventes na retina Melanina (RPE) Hemoglobina (vasos da retina e da coróide) Pigmento macular (luteína e zeaxantina – axónios dos cones e segmentos externos dos fotoreceptores; apenas na mácula) Lipofuscina (RPE) Rodopsina (membrana dos bastonetes) Foto-pigmentos dos cones Nos olhos afáquicos, os comprimentos de onda superiores a 300 nm atingem a retina Propagação da Luz nos Tecidos Oculares

Instrumentação Optoelectrónica Propagação da Luz nos Tecidos não Transparentes

Instrumentação Optoelectrónica 301 Propagação da Luz nos Tecidos não Transparentes

Instrumentação Optoelectrónica 302 Propagação da Luz nos Tecidos não Transparentes

Instrumentação Optoelectrónica 303 Mecanismos térmicos Mecanismos fotodinâmicos Mecanismos electromecânicos Mecanismos fotoablativos Mecanismos de interacção da luz com os tecidos são a base das aplicações cirúrgicas dos lasers. como os lasers podem ser focados em pontos com apenas alguns micrómetros ou milímetros é possível obter aquecimento dos tecidos em regiões confinadas implicam correspondência entre o comprimento de onda da radiação lasers e bandas de excitação específicas de cromóforos e moléculas fotossensíveis para estruturas celulares precisas. podem resultar de processos de formação de plasmas, vaporização explosiva ou de cavitação. Todos estes processos estão associados à produção de uma onda de choque. Implicam impulsos ultra-rápidos com elevadas potências de pico focados em pontos de pequenas dimensões técnicas de fotodecomposição com lasers pulsados a emitir no UV

Instrumentação Optoelectrónica 304 Mecanismos de interacção da luz com os tecidos As caixas contém pontos correspondentes a mais de 50 valores óptimos de variáveis determinados experimentalmente que cobrem a maioria das aplicações médicas para uma grande variedade de lasers utilizados Boulnois, JL, Lasers in Medical Science, 1, 47-66, 1986

Instrumentação Optoelectrónica 305 Mecanismos de interacção da luz com os tecidos a distribuição dos pontos não é uniforme Boulnois, JL, Lasers in Medical Science, 1, 47-66, 1986 estão alinhados segundo a diagonal numa banda de exposições entre 10 e 1000 J·cm -2 correlação entre irradiância e tempo: a dose de energia necessária para conseguir uma transformação biológica é praticamente constante. O tempo de exposição é o único parâmetro que distingue o processo de transformação. A dispersão dos dados resulta de processos de reparação

Instrumentação Optoelectrónica 306 Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Boulnois, JL, Lasers in Medical Science, 1, 47-66, 1986 Mecanismos fotodinâmicos 10 s – 1000 s Mecanismos térmicos 1 ms – 10 s Mecanismos fotoablativos 10 ns – 100 ns, UV Mecanismos electromecânicos 10 ps – 10 ns

Instrumentação Optoelectrónica 307 Mecanismos térmicos Num tecido biológico, a produção de mecanismos térmicos por irradiação com um feixe laser resulta de três fenómenos distintos: a conversão de luz em calor a transferência de calor a reacção do tecido A reacção do tecido depende da temperatura e do tempo de aquecimento a que esteve sujeito.

Instrumentação Optoelectrónica 308 Mecanismos térmicos Um efeito térmico implica a existência de uma fonte de calor. A fonte é realizada pela conversão, após absorção, da luz laser em calor. A absorção da luz ocorre por excitação das bandas de vibração - rotação. Uma das formas possíveis de decaimento das espécies excitadas é por transferência de energia para a rede, por excitação dos seus modos de vibração. Esta excitação resulta no aquecimento do tecido. Este processo de transformação de luz em calor é muito rápido ( – s). O volume de aquecimento primário corresponde, na ausência de processos significativos de dispersão, ao volume irradiado.

Instrumentação Optoelectrónica 309 Mecanismos térmicos Efeitos nos tecidos TemperaturaEfeito 43 – 45ºCHipertermia: retracção dos tecidos devido a alterações conformais em macromoléculas, destruição de ligações e alterações em membranas 50º Credução da actividade das enzimas 60º Cdesnaturação das proteínas. coagulação 80º Cdesnaturação do colagénio. permeabilização das membranas. carbonização 100º Cvaporização e ablação

Instrumentação Optoelectrónica 310 Mecanismos térmicos Modelo simples Feixe laser com área A (cm 2 ) Incidente num tecido com irradiância E (W·cm -2 ) Feixe totalmente absorvido a uma profundidade L (cm) Se ignorarmos a dispersão, a potência radiante  = E·A é absorvida pelo tecido num volume correspondente a um cilindro de base A e altura L. Se a irradiação decorrer durante um tempo t, a energia depositada no cilindro é Q =  ·t O aumento médio de temperatura para um material de massa m e capacidade calorífica c que absorva a energia Q é: (assume-se isolamento total do material e ausência de transformações de fase)

Instrumentação Optoelectrónica 311 Se T f = T i +  T for suficientemente elevada pode ocorrer vaporização de tecido. Nesse caso tem que se incluir o calor latente de vaporização H vap Mecanismos térmicos Modelo simples Se  for a massa volúmica do material, temos: A energia total depositada para obter um aumento de temperatura  T é A exposição será

Instrumentação Optoelectrónica 312 A energia dQ necessária para vaporizar uma camada de espessura dx num intervalo de tempo dt é A partir da equação Mecanismos térmicos Modelo simples podemos calcular a taxa de vaporização Logo, a taxa de vaporização é

Instrumentação Optoelectrónica 313 T f = T i +  T = ≈ 50ºC Mecanismos térmicos Exemplo 1 – efeitos não ablativos Laser Nd:YAG com feixe de área 1 mm 2 e 100 mW de potência Assumir que a derme consiste inteiramente de água Desprezar os efeitos de scattering (muito grosseiro!) Calcular temperatura final após exposição de 2 s Q =  ·t = 200 mJ Pele  s (cm -1 )  a (cm -1 ) Derme1902.7

Instrumentação Optoelectrónica 314 Para o laser do exemplo anterior, qual a exposição mínima para obter vaporização da derme? Qual a taxa de remoção de material por vaporização? H = 2270 J·g -1 Mecanismos térmicos Pele  s (cm -1 )  a (cm -1 ) Derme Exemplo 2

Instrumentação Optoelectrónica 315 Mecanismos térmicos Os exercícios anteriores não correspondem ao que se passa na realidade: na presença de scattering o volume de aquecimento primário não corresponde ao volume irradiado os processos de difusão térmica levam à diminuição da temperatura média e à definição de um volume de aquecimento secundário É este volume que deve ser considerado quando se estuda a reacção do tecido ao aquecimento.

Instrumentação Optoelectrónica 316 Mecanismos térmicos O processo de transferência de calor ocorre essencialmente por condução térmica. A influência da circulação sanguínea na transferência de calor no interior dos tecidos (transporte por convecção) é desprezável. As dimensões do volume secundário podem ser aferidas através do comprimento característico de difusão de calor, L D. Este corresponde à distância para a qual a temperatura corresponde a 1/e da temperatura da fonte de calor e é definido por em D é a difusibilidade térmica, e t a coordenada tempo Para materiais isoladores térmicos, como é o caso da água e da maioria dos materiais biológicos, o valor de D é da ordem dos cm 2 ·s -1 (H 2 O: 1.4 x cm 2 ·s -1 ). A limitação dos efeitos à região irradiada ocorre apenas quando o comprimento L D é inferior ao percurso livre médio de absorção L A.

Instrumentação Optoelectrónica 317 Mecanismos fotodinâmicos produção de moléculas a partir de espécies químicas excitadas por absorção de fotões Mecanismos de interacção da luz com os tecidos um cromóforo capaz de provocar reacções induzidas pela luz em moléculas que não absorvem luz é um foto-sensibilizador Boulnois, JL, Lasers in Medical Science, 1, 47-66, 1986

Instrumentação Optoelectrónica 318 Mecanismos Fotodinâmicos Terapia Fotodinâmica (PDT) A terapia fotodinâmica utiliza um foto-sensibilizador, luz e oxigénio molecular (nenhum destes componentes é tóxico de per si ) para produzir espécies citotóxicas que possam promover a morte celular. Células Tecido patológico Foto-sensibilizador Foto-sensibilizador activado O2O2 oxigénio reactivo Luz Morte celular

Instrumentação Optoelectrónica 319 Mecanismos electromecânicos Para produzir estes mecanismos são necessárias exposições da ordem de 100 J·cm -2 obtidas por exemplo com um laser Nd:YAG com saída por impulsos de 30 ps (mode-locked) ou de 10 ns (comutação Q) Estão envolvidas irradiâncias muito elevadas: W·cm -2 para impulsos de ns W·cm -2 para impulsos de ps Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 320 Mecanismos electromecânicos – Formação de plasma Com lasers pulsados de pico ou nanossegundos (Nd:YAG) a irradiância é elevada (entre e W/cm 2 ). Tal resulta na ionização de átomos e na criação de um plasma. Na fronteira da região ionizada existe um gradiente de pressão elevado que leva à propagação de uma onda de choque. É a expansão desta onda de choque que origina o efeito destrutivo. Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 321 Mecanismos electromecânicos Impulso laser de curta duração focado no alvo (0.5 mJ; 25 ps) Irradiância elevada W·cm -2 Campo eléctrico elevado Ruptura dieléctrica Formação de plasma. electrões livresN e ≈ e - ·cm -3 ; T > ºC Onda de choque esférica a propagar-se à velocidade do somP (bar) ≈ 10 5 ; v ≈ 15 x 10 6 mm·s -1 Ruptura mecânica localizada

Instrumentação Optoelectrónica 322 Mecanismos electromecânicos – Vaporização explosiva Quando o tempo de exposição do laser é inferior ao tempo característico de difusão térmica no tecido, a exposição à radiação laser resulta num confinamento térmico. Daqui resulta a acumulação de calor sem difusão e a vaporização explosiva do alvo. Este é o processo envolvido na remoção de tatuagens com um laser Nd:YAG laser com comutação Q. As partículas de pigmento na pele explodem resultando em partículas de menor dimensão que serão posteriormente reabsorvidas. Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 323 Mecanismos electromecânicos – Vaporização explosiva Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 324 Mecanismos electromecânicos – Cavitação Se tivermos simultaneamente confinamento térmico e mecânico, a vaporização explosiva não ocorre. Forma-se uma bolha de gás que irá implodir quando cessar a irradiação, originando o fenómeno de cavitação. Utiliza-se este processo para a destruição de cálculos urinários por lasers pulsados de micro-segundos Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 325 Mecanismos fotoablativos quebra de ligações químicas sem aquecimento do material LigaçãoEnergia de Ligação (eV)Comprimento de onda (nm) C-H O-H H-H O-O C-C N-O C-N Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 326 Energia de Ligação ~ 3.5 eV Fotões de energia ~ 6.4 eV Aprox  m Tecido da Córnea Laser de Excímeros Tecido da Córnea Laser de Excímeros Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Mecanismos fotoablativos – Laser de excímeros UV

Instrumentação Optoelectrónica 327 Cirurgia de correcção refractiva Incisões produzidas por um laser de excímeros num cabelo humano Queratectomia foto-refractiva (PRK) A superfície frontal da córnea é esculpida por um laser de excímeros de forma a alterar a sua potência óptica miopia – aplanar a zona central hipermetropia: cortes nas zonas periféricas Um impulso laser pode remover apenas 0.25  m (2.5 x m) Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica 328 A correcção do astigmatismo implica cortes em diferentes zonas da córnea de forma a tornar a sua superfície mais simétrica córnea astigmática córnea normal Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Cirurgia de correcção refractiva

Instrumentação Optoelectrónica 329 Cirurgia de correcção refractiva - LASIK Queratomileusis in situ assistida por laser (Queratomileusis: do grego, querato: córnea, e mileusis: esculpir) 1 – Um anel de suc ç ão é centrado sobre a c ó rnea Mecanismos de interacção da luz com os tecidos

Instrumentação Optoelectrónica – O faz um corte parcial na c ó rnea 2 – O microquerat ó tomo faz um corte parcial na c ó rnea Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Cirurgia de correcção refractiva - LASIK

Instrumentação Optoelectrónica – O 3 – O tecido da c ó rnea é rebatido Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Cirurgia de correcção refractiva - LASIK

Instrumentação Optoelectrónica – O laser de exc í meros é remove tecido e altera a forma da c ó rnea Mecanismos de interacção da luz com os tecidos Cirurgia de correcção refractiva - LASIK

Instrumentação Optoelectrónica 333 IRB e IRC mecanismos térmicos: exposições superiores a 1  s mecanismos fotomecânicos: exposições inferiores a 1  s –queimaduras na córnea Efeitos da radiação laser sobre os tecidos oculares Ultravioleta – mecanismos fotoquímicos –UVC e UVB: queratites –UVB - UVA: catarata; efeito predominante da radiação UV Visível e IRA mecanismos fotoquímicos: banda de 400 nm a 520 nm para lasers CW mecanismos térmicos: exposições de curta duração (visível) e IRA –queimaduras na retina Alguns danos no cristalino têm sido atribuídos a radiação IRA e IRB portugueses holandeses