Study of biospeckle properties and its applications

Esta dissertação é dedicada ao estudo de algumas das propriedades e aplicações do speckle dinâmico no monitoramento de atividade em tecidos biológicos. As estatísticas espaço-temporais de primeira e segunda ordem são discutidas em vias gerais. As principais técnicas para obtenção de dados a partir do granulado óptico são apresentadas, com especial destaque para a função de autocorrelação, as matrizes de co-ocorrência, o método de Fujii e a Análise de Contraste do Laser Speckle (LASCA). Uma nova metodologia de análise, baseada no estudo do contraste das correlações sucessivas, é proposta. Diversas simulações numéricas, utilizando diferentes funções densidade de probabilidade para as velocidades dos centros espalhadores, foram realizadas com intuito de testar os métodos de análise e fornecer subsídios para a interpretação de resultados in vivo. Tecidos vegetais e animais foram investigados, realizando-se o monitoramento do processo de senescência e mapas de vascularização em folhas, acompanhamento de frutos contaminados por fungos, mapeamento de atividade em flores e análise de cicatrização em ratos submetidos à cirurgia abdominal. Ensaios explorando o uso do biospeckle em microscopia são implementados. Por fim, é avaliado o potencial da técnica como ferramenta de diagnóstico em um caso de úlcera venosa crônica submetida a tratamento por meio de laserterapia de baixa intensidade. Os resultados encontrados revelaram o grande potencial em aplicações biológicas, através da construção de mapas que permitiram, por exemplo, a visualização detalhada da rede vascular de folhas vegetais. Também foi possível a identificação de áreas atacadas por micro organismos. Os estudos em tecidos animais e humanos apontaram perspectivas bastante promissoras do uso do biospeckle em ambiente clínico.This master thesis is devoted to the study of some properties and applications of dynamic speckles on monitoring of activity in biological tissues. The first and second order space-time statistics are dicussed in an overview perspective. The main techniques used to obtain information from grainy pattern are presented, with special prominence to autocorrelation function, co-occurrence matrices, Fujii's method and the Laser Speckle Contrast Analisys (LASCA). A new methodology, based on the study of the contrast of sucessive correlations, is proposed. Several numerical simulations, using different probability density functions to velocities of scatterers, are done in order to test the analysis methods and supply subsidies for interpretation of in vivo results. Vegetable and animal tissues are investigated by monitoring of senescence process and construction of vascularization maps of leaves, accompanying of fungi contamined fruits, mapping of activity in flowers and analysis of healing in rats undergone to abdominal surgery. Experiments using the biospeckle phenomenon in microscopy are carried out. At last, it is evaluated the potentiality of the technique as diagnosis tool in a chronic vein ulcer undergone to treatment through low intensity laser therapy. The found results showed the great potential in biological applications, through the construction of maps that maked possible, for example, the detailed visualization of the vascular net on leaves. It was allowed the identification of areas injured by micro organisms. The studies on animal and human tissues pointed very promising perspectives of the use of biospeckle in clinical environment