Investigation of dosimetry for the PDT using diffuser fiber models in phantom and in vivo

A terapia fotodinâmica (TFD) tem sido utilizada no tratamento de lesões neoplásicas e não-neoplásicas. Sua base é a combinação de três elementos-chave: fotossensibilizador, oxigênio molecular e luz em comprimento de onda que excite o fotossensibilizador, levando-o a gerar espécies reativas de oxigênio que causam danos à estrutura celular. Portanto, a iluminação é um dos fatores essenciais para a indução da resposta adequada. Nos casos de lesões superficiais, a iluminação é facilmente obtida através da irradiação da superfície da mesma. Contudo, no tratamento de tumores sólidos ou invasivos, é preciso recorrer à TFD intersticial, na qual fibras ópticas são inseridas no tumor. No entanto, as diferenças no perfil de emissão de luz a partir das fibras difusoras, dependem do modo de fabricação, tamanho e propriedades, o que dificulta o estabelecimento de uma dosimetria de luz apropriada. Com este estudo, buscou-se contribuir no entendimento de como a luz, emitida por uma fibra difusora, se comporta no meio túrbido, assim como no tecido biológico. Dessa forma, buscou-se prever como a luz se propaga no meio e, assim, poder estimar a dose adequada de luz que se deve entregar ao tecido para que toda uma região seja irradiada. Para isto, foi utilizada uma fibra óptica com um difusor cilíndrico de 20 mm de comprimento emissor, acoplada a um laser de diodo em 630 nm e uma fibra óptica isotrópica de coleta, para medir a intensidade de luz emitida pelo difusor em várias posições. As medidas permitiram obter uma caracterização do perfil de emissão da fibra, sendo o ar o único meio de propagação da luz nesse caso. Posteriormente à obtenção do perfil, uma solução lipídica foi utilizada como phantom de tecido biológico. As fibras foram encapadas de modo a expor somente uma seção de 1 mm de comprimento delas. Com as fibras submersas na solução do phantom, foram realizadas medidas do campo de luz gerado por este elemento de 1 mm de comprimento do difusor. A partir da caracterização da emissão do elemento, foi possível recuperar a distribuição de luz gerada por todo o difusor utilizando composições ponderadas feitas a partir deste elemento. Estas composições apresentaram melhores resultados quando foi considerada a uma prévia caracterização da fibra na ponderação da reconstrução. A TFD foi realizada em fígado de ratos sadios para a análise de uma resposta real e, com o auxílio de ferramentas computacionais, foi possível reconstruir a necrose constituída pela irradiação da fibra toda, a partir da necrose gerada por um elemento difusor de 2 mm da fibra (obtido da mesma forma que o elemento de 1 mm), com resultados também otimizados com o uso da caracterização da fibra como base para a soma ponderada. Os resultados demonstraram que, através da caracterização do perfil de iluminação da fibra difusora e da distribuição de luz em meio túrbido, foi possível definir teoricamente um padrão de necrose semelhante ao observado no modelo animal. Portanto, a reconstituição do perfil obtida possui potencial para permitir melhorias no entendimento e na dosimetria de aplicações intersticiais de luz para TFD.Photodynamic therapy (PDT) has been used for treatment of several tumor types, and presents best results for surface lesion. Light penetration on biological tissue is one limiting factor in PDT, interfering with the treatment of invasive or solid tumors. In those cases, a possible solution is to use interstitial PDT, in which optical fibers are inserted into the tumor. Cylindrical diffusers have been used for the application of interstitial PDT. However, differences in the diffuser light emission depend on the manufacturing process, size and optical properties of the fiber, which make it difficult to establish light dosimeter. This study aims to determine the distribution of light generated by a cylindrical diffuser in a turbid medium. A solution of lipid emulsion was used as an optical phantom. An optical fiber with a cylindrical diffuser of 2 cm in length was connected to a diode laser 630 nm, and the spatial distribution of light generated by the diffuser was measured by scanning a collector optical fiber. From the measurement of the light field generated by an element (1 mm long) of a 20 mm-long cylindrical diffuser, recovery of the distribution of light generated by the entire diffuser is expected. The results obtained so far show that it is possible to reconstruct the light field of a 20 mm-long cylindrical element diffuser by measuring the light emitted simultaneously by 20 elements of 1 mm. Then, the PDT was done in rat liver to analyze a real response and, with help of computational tools, a necrosis generated by irradiation of all fiber was reconstructed, using a necrosis produced by an element 2 mm long (likewise the element 1mm long). The results showed that knowing the illumination profile of a cylindrical diffuser and the light distribution in turbid medium, it was possible to redefine a shape of necrosis from as animal model theoretically. Therefore, the reconstruction of the profile obtained has potential to improve understanding and the light dosimeter in interstitial PDT