Interaction of laser radiation with biological systems and metal objects

Lasers have invaded in our life and in some cases, such as in medical applications, have caused dramatic and many times revolutionary results. The successful application of laser technology in medicine is often the basis for the application of this technology, in art conservation too, particularly in which and where "surgical precision” is required. A lot of knowledge on the interaction of a laser beam with human tissues has found use in the maintenance artworks of history and culture. Both cases, which are generally unrelated, have one thing in common: with the use of laser, the seeking of salvation and preservation of both our health, and our cultural heritage. The objective of this thesis, which was the study of interaction of laser radiation with biological structures (tissues and tissue phantoms) and with metal objects of cultural heritage is divided in two parts. The first part of this thesis addresses the theoretical study and measurement of the interaction of laser beam with soft and hard human tissues in the diagnosis of pathologic situations in both the dental as well as in skin tissue.In the first phase, theoretical and experimental features were studied, which depend on the absorption, reflection and scattering of laser radiation, as well as on the effect of the latter on the propagation of laser radiation into the tissue under investigation, in order to understand the underlying mechanisms and the solution of many problems in spectroscopic diagnostics, non-invasive techniques of fluorescence and diffuse reflectance. For this reason, there had been use of the integrating sphere and models of light propagation, such as the Kubelka - Munk, the Diffusion Approximation and the Monte Carlo simulation. The experimental and statistical analysis of the influence of the optical properties, for the determination of the behaviour of the light and of its distribution motivated us to simulate the optical characteristics of tissue by a tissue simulator (phantom) of simple geometry, single-layer or multi-layer and with artificially obtained suitable absorption and scattering coefficients. In the application of diagnostic techniques in hard tissues, the optical properties of ex vivo dental tissue were experimentally studied and extensive research of fluorescence with three different wavelength laser (337 nm, 488 nm and 514 nm) and evaluation of the spectroscopic results were made. Any difference observed on the optical response of different areas of dental tissue should be based primarily on the changes on the optical properties and, obviously, on the extent of the tooth decay. However, the fluorescence intensity collected is also influenced by other factors such as the energy of laser excitation, the angle between the probe beam and the sample, the surface of the target position and the thickness of the region under investigation. Regarding the intensity of fluorescence in the teeth, healthy dental tissues had systematically different fluorescence intensity. The decrease in intensity, observed in various dental lesions differs for all areas of decay, depending on the stage, level, grade and the depth of the cavity decay. We also studied the fluorescence shift of caries lesions, in comparison with the corresponding spectra from healthy areas. It was of particular importance, the ability of fluorescence diagnostic method to identify and observe hidden carious areas, under healthy dentin.In the application of diagnostic techniques in soft tissues, at first, we studied the influence of non-uniform distribution of fluorophores into the spectra of fluorescence and reflectance of skin tissue, as well as the incident light propagation inside and outside the tissue. There was investigation over the changes in fluorescence spectra, in relation to the dehydration, to the haemoglobin concentration and to the different distance from the point of irradiation. In parallel, there was a correlation process between various alternative skin tissues from animals used as simulators of human skin tissue, in laser induced fluorescence experiments. In this work, we also studied application of diffuse reflectance spectroscopy, in the investigation of skin tissue, in relation to different phototype, gender, anatomical location, status and temperature oxygenation of the tissue. Moreover, the effect of scattering and absorption in the light distribution of tissue under 337 nm and 633 nm irradiation was studied, with simulation models of light propagation (Monte Carlo and Diffusion Approximation). Given spectral information from experimental measurements and knowledge of theory of Kubelka-Munk, we developed a diffuse reflectance model, which approximates and simulates closely the spectral response of a skin tissue. The validation process showed that the model was able to reproduce the spectra that correspond to experimental results. According the autofluorescence spectra of ex vivo healthy and cancer (BCC, SCC) skin tissues show that these two histological types show significant differences in the composition. These differences were reflected into the fluorescence spectra and especially after statistical data with a simple mathematical method.The second part of this thesis deals with the study of the optimal choice of laser in the process of rescuing metal heritage. In analogy with the protection of human health, for the preservation of the aesthetic and historical entity of cultural works, it is required primarily to maintain the composition of the materials and to protect them from any alteration. Bearing that in mind, we concentrated on a specific field of artworks, the coins, (new, ancient Greek, Roman and Byzantine), on which we investigated the potential of laser cleaning techniques for conservation. The tests were carried out in different wavelengths and different pulse durations of Q-Switched, Long Q-Switched, and Free Running Nd: YAG laser, TEA-CO2 laser, or Free Running and Q-Switched Er: YAG laser, GaAlAs diode and Ti-Sapphire laser, evaluating in each specific case which of the laser systems seem more appropriate. We found out a variety of cleaning effects between Free Running, Long Q- Switched and Q-Switched Nd:YAG laser, and changes that experienced each specific coin in proportion to the wavelength, other pulse durations, but always in relation to the composition and the quality of alloy and alloy corrosionA comparison was made between cleaning tests with traditional methods and lasers, with or without the presence of water or other solvents. We also have studied the optimum cleaning by using a X-Y micro-adjustable translation stage or by using fiber optic waveguiding. In this research, the combination of experts from all cooperating agencies resulted in the promotion and improvement of modern methods used for cleaning of corroded coins, as well as for the use spectroscopic diagnostics into the examination of the structure of materials, before and after during cleaning. The aim of both fields of this thesis was the development and improvement of a new activity in the Laboratory «Laser Development and Applications», of NTUA, which will give impulse to innovative non-invasive applications in medicine and semi-invasive techniques in art conservation.Τα laser έχουν εισβάλλει κυριολεκτικά στη ζωή μας και σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως στις ιατρικές εφαρμογές τους, προκαλούν θεαματικά και πολλές φορές επαναστατικά αποτελέσματα. Η επιτυχής εφαρμογή της τεχνολογίας laser στην ιατρική αποτελεί σε πολλές περιπτώσεις τη βάση για την εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής και στη συντήρηση έργων τέχνης, ιδιαίτερα σε όσα και όπου απαιτείται «χειρουργική ακρίβεια». Πολλές γνώσεις πάνω στην αλληλεπίδραση της δέσμης laser με τους ανθρώπινους ιστούς έχουν βρει χρήση στη συντήρηση έργων της ιστορίας και του πολιτισμού μας. Και οι δυο περιπτώσεις, οι οποίες είναι γενικά άσχετες μεταξύ τους, έχουν ένα κοινό στοιχείο: με τη χρήση του laser επιδιώκεται η έγκαιρη διάγνωση και η διάσωση τόσο της υγείας μας, όσο και της πολιτιστικής μας κληρονομιάς. Η παρούσα διατριβή, η οποία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας laser με βιολογικά συστήματα (ιστούς και προσομοιωτές ιστών) και μεταλλικά αντικείμενα πολιτιστικού ενδιαφέροντος, χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματεύεται τη θεωρητική μελέτη και τη μέτρηση της αλληλεπίδρασης της δέσμης lasers με μαλακούς και σκληρούς ανθρώπινους ιστούς, στο πλαίσιο της διάγνωσης παθολογικών καταστάσεων τόσο στον οδοντικό, όσο και στο δερματικό ιστό. Στη πρώτη φάση μελετήθηκαν θεωρητικά και πειραματικά χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από την απορρόφηση, ανάκλαση και σκέδαση της ακτινοβολίας laser, καθώς και την επίδραση των τελευταίων πάνω στη διάδοση της ακτινοβολίας laser μέσα στον υπό έρευνα ιστό, με σκοπό την κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών και τη λύση πολλών φασματοσκοπικών προβλημάτων κατά τις μη επεμβατικές διαγνωστικές τεχνικές του φθορισμού και της διάχυτης ανάκλασης. Γι’ αυτό το λόγο έγινε χρήση της σφαίρας ολοκλήρωσης για τις μετρήσεις και των θεωριών διάδοσης της ακτινοβολίας, για τη μαθηματική προσομοίωση, όπως η θεωρία Κubelka - Munk, η προσέγγιση με θεωρία διάχυσης και η προσομοίωση Μonte Carlo. Η πειραματική και στατιστική ανάλυση όλων των επιδράσεων των οπτικών ιδιοτήτων, ειδικά πάνω στον καθορισμό της συμπεριφοράς και της κατανομής του φωτός, μας παρακίνησε να προσομοιώσουμε τα οπτικά χαρακτηριστικά των ιστών αρχικά με ένα μέσο με απλή γεωμετρία, μονοστρωματικό ή πολυστρωματικό, καθώς και με τεχνητά αναπτυγμένους κατάλληλους συντελεστές απορρόφησης και σκέδασης.Κατά την εφαρμογή των διαγνωστικών τεχνικών σε σκληρούς ιστούς, έγινε η πειραματική μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων ex vivo οδοντικών ιστών και εκτενής έρευνα του φθορισμού τους, ύστερα από διέγερση με τρία διαφορετικά μήκη κύματος laser (337 nm, 488 nm και 514 nm) και εκτίμηση των φασματοσκοπικών αποτελεσμάτων τους. Οποιαδήποτε διαφορά που παρατηρήσαμε σχετικά με την οπτική ανταπόκριση των διαφόρων περιοχών των οδοντικών ιστών βασίζεται κυρίως στις οπτικές ιδιότητες και, προφανώς, στο βαθμό της αλλοίωσης. Ωστόσο, η ένταση του φθορισμού που συλλέγεται επηρεάζεται επίσης από διάφορους άλλους παράγοντες, όπως η ενέργεια της ακτινοβολίας διέγερσης, η γωνία δέσμης – δείγματος, η επιφάνεια του στίγματος στο στόχο και το πάχος της εκάστοτε υπό έρευνα περιοχής. Όσον αφορά την ένταση φθορισμού στα δόντια, οι υγιείς και όχι οδοντικοί ιστοί είχαν συστηματικά διαφορετική ένταση φθορισμού. Αυτή η μείωση της έντασης, που παρατηρήσαμε στις διάφορες οδοντικές αλλοιώσεις, διέφερε για όλες τις περιοχές με τερηδόνα, ανάλογα με τη φάση, το επίπεδο, το βαθμό και το βάθος της κοιλότητας από τερηδόνα. Μελετήσαμε επίσης τη φασματική μετατόπιση των φασμάτων φθορισμού από αλλοιώσεις με τερηδόνα ή πέτρα, σε σύγκριση με τα αντίστοιχα φάσματα από υγιείς περιοχές. Ιδιαίτερα σημαντική ήταν η διερεύνηση περιοχών οδοντίνης με κρυφή τερηδόνα με τη διαγνωστική μέθοδο του φθορισμού.Κατά την εφαρμογή των διαγνωστικών τεχνικών σε μαλακούς ιστούς, αρχικά, μελετήσαμε το φαινόμενο της μη ομοιόμορφης κατανομής φθοροφόρων στο φάσμα φθορισμού και ανάκλασης δερματικών ιστών, καθώς και την πορεία της προσπίπτουσας ακτινοβολίας εντός και εκτός του ιστού. Έγινε έρευνα των μεταβολών των φασμάτων φθορισμού σε σχέση με την αφυδάτωση και τη διαφορετική συγκέντρωση αιμοσφαιρίνης στον ιστό και τη διαφορετική απόσταση από το σημείο ακτινοβόλησης. Παράλληλα έγινε συσχέτιση των αποτελεσμάτων από διάφορα είδη δερματικών ιστών από ζώα που χρησιμοποιούνται ως προσομοιωτές ανθρώπινων δερματικών ιστών, σε πειράματα όπου γίνεται χρήση η τεχνική του φθορισμού. Σε αυτήν την εργασία επιπλέον έγινε μελέτη της εφαρμογής της φασματοσκοπίας διάχυτης ανάκλασης στην έρευνα δερματικών ιστών σε σχέση με το διαφορετικό φωτότυπο, φύλο, ανατομική θέση, κατάσταση οξυγόνωσης και θερμοκρασίας του ιστού. Επιπρόσθετα, με μοντέλα προσομοίωσης της μετάδοσης της ακτινοβολίας (Monte Carlo και προσέγγιση με θεωρία διάχυσης) μελετήθηκε η επίδραση της σκέδασης και απορρόφησης στην οπτική συμπεριφορά του ιστού στα 337 nm και 633 nm. Με δεδομένα τις φασματικές πληροφορίες από πειραματικές μετρήσεις και με γνώση της θεωρίας Κubelka-Munk αναπτύξαμε ένα μοντέλο διάχυτης ανάκλασης, το οποίο προσεγγίζει και εξομοιώνει στενά την φασματική απόκριση ενός δερματικού ιστού. Η διαδικασία επικύρωσης έδειξε ότι το μοντέλο είναι ικανό να αναπαράγει φάσματα που ανταποκρίνονται σε μετρήσιμα αποτελέσματα.Από τη λήψη των φασμάτων αυτοφθορισμού από ex vivo υγιείς και καρκινικούς (BCC, SCC) δερματικούς ιστούς προκύπτει ότι οι δυο αυτές ιστολογικές κατηγορίες παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές ως προς τη σύσταση. Οι διαφορές αυτές αντικατοπτρίζονται στα φάσματα φθορισμού και ειδικά μετά από στατιστική εξεργασία με μια απλή μαθηματική μέθοδοΣτο δεύτερο μέρος η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη της βέλτιστης επιλογής laser κατά τη διαδικασία της διάσωσης μεταλλικών αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Κατ’ αναλογία με την προστασία της ανθρώπινης υγείας, για τη διατήρηση της αισθητικής και ιστορικής οντότητας των πολιτιστικών έργων, απαιτείται πρωτίστως η διατήρηση της δομής και των υλικών που τα απαρτίζουν και η προστασία αυτών από όποια αλλοίωση. Με αυτό το σκεπτικό επικεντρωθήκαμε σε ένα πεδίο έργων τέχνης, τα νομίσματα (νέα, αρχαία ελληνικά, ρωμαϊκά και βυζαντινά), πάνω στα οποία ερευνήθηκε το δυναμικό των τεχνικών καθαρισμού με laser για τη συντήρησή τους. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικά μήκη κύματος, αλλά και σε διαφορετικές διάρκειες παλμών των lasers, είτε πρόκειται για Q-Switched, Long Q-Switched, και Free Running Nd:YAG laser, είτε πρόκειται για TEA-CO2 laser, είτε για Free Running και Q-Switched Er:YAG laser, είτε πρόκειται για διοδικό laser GaAlAs είτε για Ti-Sapphire laser, αξιολογώντας σε κάθε περίπτωση ποιο από τα συστήματα laser φαίνεται πιο κατάλληλο. Διαπιστώσαμε τη ποικιλία των χαρακτηριστικών καθαρισμού μεταξύ των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας του Νd:YAG laser (Free Running, Long Q-Switched και Q- Switched), καθώς και τις αλλαγές που συμβαίνουν στο εκάστοτε νόμισμα, ανάλογα με το μήκος κύματος του laser και τη διάρκεια του παλμού, αλλά πάντα σε σχέση με τη σύσταση και την ποιότητα του κράματος και της διάβρωσής του. Έγινε σύγκριση μεταξύ δοκιμών καθαρισμού των νομισμάτων με παραδοσιακές μεθόδους και laser με ή χωρίς παρουσία νερού ή άλλων διαλυτών. Μελετήθηκε επίσης ο βέλτιστος καθαρισμός, ανάλογα με τη χρήση μικρορυθμιζόμενης βάσης μετακίνησης σε άξονες X-Y, είτε με χρήση οπτικών ινών και κυματοδήγησης της δέσμης.Στην έρευνα αυτή, ο συνδυασμός των εξειδικευμένων γνώσεων από όλους τους συνεργαζόμενους φορείς είχε ως αποτέλεσμα την προώθηση και τη βελτίωση των σύγχρονων τεχνικών που εφαρμόζονται για τον καθαρισμό νομισμάτων, καθώς και για τη χρήση φασματοσκοπικών διαγνωστικών μεθόδων για τον έλεγχο της δομής των υλικών, πριν και μετά το καθαρισμό. Στόχος και των δύο πεδίων δράσης της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη και βελτίωση μιας νέας δραστηριότητας στο Εργαστήριο «Ανάπτυξη Laser και Εφαρμογές τους» του ΕΜΠ που θα δώσει πνοή σε πρωτοποριακές, μη επεμβατικές, εφαρμογές της ακτινοβολίας laser στη ιατρική αλλά και ελάχιστα επεμβατικές τεχνικές στη συντήρηση έργων τέχνης