Validation of Monte Carlo simulation of red and infrared laser in lipid emulsion interaction to dosimetry of light in biological fissues studies

O conhecimento da dose de luz dentro do tecido biológico pode aprimorar diversos protocolos aplicados para redução da inflamação e da dor, terapia fotodinâmica e regeneração tecidual. O objetivo deste trabalho é calcular a distribuição de luz em Lipovenos 10% (Lp) por simulação de Monte Carlo, realizar medidas experimentais e comparar os resultados da simulação com os resultados experimentais para validar a simulação. O programa MCML 1.2.2 foi escolhido para simular a distribuição de luz vermelha (633 nm) e infravermelha (820 nm) em camadas cilíndricas de 2 a 12 mm e de 30 mm de espessura de Lp com diâmetros de 12 e 26 mm. Para validar a simulação um experimento foi realizado adquirindo imagens com câmera CCD da luz transmitida e da luz espalhada a 90º de cubetas de PMMA (Polimetilmetacrilato)contendo quantidades variáveis de Lp, iluminadas verticalmente com laser de HeNe ou GaAlAs. O resultado experimental mostrou que a intensidade máxima de luz transmitida decresce exponencialmente com a espessura da amostra, de maneira similar ao resultado da simulação. A atenuação de luz transmitida foi maior para luz infravermelha e em Lp de diâmetro 12 mm. Curvas gaussianas ajustadas aos resultados experimentais e simulados tiveram larguras de distribuição de luz similares e variando linearmente com a espessura de Lp até espessuras de ao menos 6 mm. Os coeficientes angulares das retas experimentais e simuladas foram compatíveis para luz vermelha em Lp de 26 mm de diâmetro, validando a simulação. Para 633 nm as diferenças entre as larguras experimentais e simuladas foram quase sempre inferiores a 1 mm e no infravermelho as maiores discrepâncias observadas (2,5 mm) foram para Lp de 26 mm de diâmetro, para 820 nm. As curvas de espalhamento obtidas por simulação de Monte Carlo são semelhantes às experimentais: a intensidade de luz espalhada aumenta até uma profundidade Zmax, em seguida decresce exponencialmente. Os valores de Zmax e os coeficientes de atenuação exponencial obtidos por simulação nem sempre foram compatíveis com os experimentais, embora as variações com o tamanho da cubeta e com o comprimento de onda tenham sido equivalentes nos resultados experimentais e simulados. Concluímos que os comportamentos dos resultados de transmissão e espalhamento de luz, da simulação e experimentais são semelhantes.The knowledge of the dose inside the tissue can improve various protocols applied to reduction of inflammatory processes, pain relief, Photodynamic Therapy (PDT), and tissue regeneration. The aim of this work is to calculate the light distribution in Lipovenos 10% (Lp) by Monte Carlo simulation (MCS), and to do experimental measurements in order to compare both results and to validate the simulation. MCML 1.2.2-2000 code was used to simulate the red (633 nm) and infrared (820 nm) light distribution in cylindrical layers of Lp with thicknesses from 2 to 12 mm and 30 mm, and diameters of 12 and 26 mm. To validate the simulation an experiment has been carried out, using a CCD camera to acquire images of transmitted and 90° scattered light from a PMMA cuvette containing different quantities of Lp, illuminated from the top with He-Ne or GaAlAs lasers. Experimentally, it was observed that the maximum intensity of transmitted light has an exponential behavior with the sample thickness, similar to the simulation result. The attenuation of transmitted light is highest for infrared light and for Lp layers with 12 mm of diameter. Gaussian curves fitted to the experimental and to the MCS results have similar widths and the variation of the width with the Lp thickness is linear at least up to 6 mm thicknesses. As the slope of simulated and experimental results are compatible for red light in Lp layers with 26 mm of diameter, this simulation was validated. For 633 nm the differences between experimental and simulated widths are generaly below 1 mm and for infrared light the higher discrepancies (2,5 mm) were observed for Lp with 26 mm of diameter, at 820 nm. The behavior of the scattering curves obtained by MCS is similar to the experimental results: the light intensity increases until a depth Zmax of Lp, followed by an exponential attenuation. The experimental and simulated Zmax positions and attenuation coefficients are not always compatible. However, their variation with the cuvette size and with the wavelength are the same for experimental and MCS results. We conclude that the characteristics of transmission and scattering of light are similar for MCS and experimental results