Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

In-vivo assessment of unwanted tissue heating during near infrared laser light emission

Molin, Martin LU (2020) PHYM01 20201
Atomic Physics
Department of Physics
Abstract
In this work, potential adverse tissue heating in conjunction with near infrared (NIR) laser spectroscopy was studied. The tissue heating from laser light within the NIR optical window is currently a relatively unexplored field. Further knowledge of this heating is essential for the development of safe medical devices utilising laser spectroscopic diagnostics methods on living tissue.
Surface temperature increase from laser emission at wavelengths 761, 937 and 971 nm was measured on the forearms of 12 healthy volunteers. The temperature was measured with a heat camera as well as an infrared thermometer. By varying the size of the laser spot between 1-20 mm^2 and the power between 80-120 mW the dependence of both parameters were tested.... (More)
In this work, potential adverse tissue heating in conjunction with near infrared (NIR) laser spectroscopy was studied. The tissue heating from laser light within the NIR optical window is currently a relatively unexplored field. Further knowledge of this heating is essential for the development of safe medical devices utilising laser spectroscopic diagnostics methods on living tissue.
Surface temperature increase from laser emission at wavelengths 761, 937 and 971 nm was measured on the forearms of 12 healthy volunteers. The temperature was measured with a heat camera as well as an infrared thermometer. By varying the size of the laser spot between 1-20 mm^2 and the power between 80-120 mW the dependence of both parameters were tested. The measured skin temperature increase from the laser illumination on all participants was below 6 °C. Furthermore a simulation of the stationary laser induced heating was produced by combining a Monte-Carlo simulation of photon migration with a finite element method simulation of tissue heating. The results of the simulations show a linear increase of the temperature as a function of the power and non-linear decrease as a function of the inverse squared radius of laser spot. By combining these dependencies a model for the predicted induced heating as a function of both the power and radius was produced. This model with the fitted coefficients from the simulations is meant to be used in aiding the development of non-invasive medical devices that utilise the optical window for diagnostics or monitoring.
All but one of the volunteers included in the project had light skin categorised as 1-3 on the Fitzpatrick scale. However a few measurements were conducted with the 761 nm laser on a volunteer with more pigmented skin of type 5. The results showed a much higher temperature increase than from lighter skin. Heating was also measured on mucosa on the inside of the lower lip on three volunteers. The measured surface temperature increases on mucosa was on the same order as for light skin. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Just nu utvecklas mycket ny och spännande teknik som nyttjar det vävnadsoptiska fönstret. Ljus i detta område tränger in i vävnad på djupet men de potentiella riskerna från ljusets uppvärmning av vävnaden är i stort sett okända. I detta arbete har jag både mätt och simulerat denna uppvärmning för att kunna bistå teknikutvecklingen med ny kunskap om riskerna med nära infrarött laserljus.

Plocka upp din mobiltelefon och starta ficklampan på den. Pröva nu att täcka för lampan med ett finger. Vad ser du? Antagligen att fingret lyser rött. Detta beror på att allt annat ljus än det röda absorberas som värme i ditt finger. Det röda ljuset absorberas också men inte alls lika mycket. Detta fenomen kan man använda i laserbaserad medicinteknik.... (More)
Just nu utvecklas mycket ny och spännande teknik som nyttjar det vävnadsoptiska fönstret. Ljus i detta område tränger in i vävnad på djupet men de potentiella riskerna från ljusets uppvärmning av vävnaden är i stort sett okända. I detta arbete har jag både mätt och simulerat denna uppvärmning för att kunna bistå teknikutvecklingen med ny kunskap om riskerna med nära infrarött laserljus.

Plocka upp din mobiltelefon och starta ficklampan på den. Pröva nu att täcka för lampan med ett finger. Vad ser du? Antagligen att fingret lyser rött. Detta beror på att allt annat ljus än det röda absorberas som värme i ditt finger. Det röda ljuset absorberas också men inte alls lika mycket. Detta fenomen kan man använda i laserbaserad medicinteknik. Gränslandet mellan synligt och infrarött ljus kallas därför ofta det vävnadsoptiska fönstret. Startup företaget GPX Medical AB utvecklar just en sådan metod för att övervaka lungfunktionen hos för tidigt födda spädbarn. Eftersom lungorna är det organ som utvecklas sist i livmodern så drabbas väldigt många av dessa barn av komplikationer. Ett smart övervakningssystem kan här rädda liv.
Det finns dock väldigt få studier på hur höga doser laserstrålning man kan utsätta sig för i detta område utan att riskera skador från den inducerade värmen. I detta arbete har jag därför bestrålat huden på en grupp friska volontärer med laser för att mäta hur mycket värme som lagras i huden och underliggande vävnad. Det finns behandlingsmetoder där man vill ha uppvärmning av laserljuset men dessa är inte huvudgruppen detta arbete riktar sig till. Sambandet mellan effekten på lasern samt storleken på laserpunkten har analyserats och en modell tagits fram över hur mycket uppvärmning man kan förvänta sig i olika situationer.
En studie med 12 volontärer utfördes för att analysera laseruppvärmningen. Volontärerna belystes med lasrar på 761, 937 och 971 nanometer vilket är i mitt i det vävnadsoptiska fönstret. Effekten på en laser är den mängd energi som skickas ut per sekund. För effekter och laserpunktstorlekar på 80-120 mW och 1-20 mm2 så uppmättes temperaturökningar på upp emot 5 °C. Studien på de friska frivilliga gav viktig data som sedan användes för att designa en datorsimulering av laseruppvärmningen. Fördelen med simuleringar är att man själv enkelt kan styra vilka typer av förändringar som ska ske under ett försök. Under experiment är detta inte alltid lika lätt så man har oftast någon typ av mätbrus. Den stora nackdelen med simuleringar är dock att det kan vara väldigt svårt att veta hur nära man är verkligheten om man inte har en stor mängd experiment att luta sig mot. Av denna anledning var båda delarna väldigt viktiga för arbetets resultat.

Studien på friska volontärer fokuserade i huvudsak på människor med ljus hy men en volontär med mörkare hudton togs också med. Eftersom mörkare ytor absorberar mer ljus så var det förväntat att mer pigmenterad hud skulle bli något varmare när den belystes den med laser. Något som var förvånande dock var att volontären med mörkare hudton nästan fick tre gånger så stor temperaturökning än snittet med ljusare hud.

Vävnad som inte var täckt med hud belystes också. Slemhinnor i kroppen innehåller stora mängder vatten och dessa kan också vara intressanta för laserspektroskopi. I detta fall var det dock ingen märkbar skillnad i uppvärmning mot belysning av ljus hud. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Molin, Martin LU
supervisor
organization
alternative title
Analys av laseruppvärmning i mänsklig vävnad (Popular abstract title)
course
PHYM01 20201
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
tissue heating, laser heating, NIR window, biophotonics, spectroscopy
report number
LRAP 564 (2020)
language
English
id
9021594
date added to LUP
2020-08-11 13:46:53
date last changed
2020-08-11 13:46:53
@misc{9021594,
  abstract     = {{In this work, potential adverse tissue heating in conjunction with near infrared (NIR) laser spectroscopy was studied. The tissue heating from laser light within the NIR optical window is currently a relatively unexplored field. Further knowledge of this heating is essential for the development of safe medical devices utilising laser spectroscopic diagnostics methods on living tissue.
 Surface temperature increase from laser emission at wavelengths 761, 937 and 971 nm was measured on the forearms of 12 healthy volunteers. The temperature was measured with a heat camera as well as an infrared thermometer. By varying the size of the laser spot between 1-20 mm^2 and the power between 80-120 mW the dependence of both parameters were tested. The measured skin temperature increase from the laser illumination on all participants was below 6 °C. Furthermore a simulation of the stationary laser induced heating was produced by combining a Monte-Carlo simulation of photon migration with a finite element method simulation of tissue heating. The results of the simulations show a linear increase of the temperature as a function of the power and non-linear decrease as a function of the inverse squared radius of laser spot. By combining these dependencies a model for the predicted induced heating as a function of both the power and radius was produced. This model with the fitted coefficients from the simulations is meant to be used in aiding the development of non-invasive medical devices that utilise the optical window for diagnostics or monitoring. 
 All but one of the volunteers included in the project had light skin categorised as 1-3 on the Fitzpatrick scale. However a few measurements were conducted with the 761 nm laser on a volunteer with more pigmented skin of type 5. The results showed a much higher temperature increase than from lighter skin. Heating was also measured on mucosa on the inside of the lower lip on three volunteers. The measured surface temperature increases on mucosa was on the same order as for light skin.}},
  author       = {{Molin, Martin}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{In-vivo assessment of unwanted tissue heating during near infrared laser light emission}},
  year         = {{2020}},
}