Measurement of fluorophore concentration in turbid media by a single optical fiber

With upcoming interest of performing Photodynamic Therapy (PDT) interstitially in organs like the prostate, pancreas, liver or brain it becomes desirable to measure the photosensitizer concentration interstitially inside and outside the tumor volume. Knowledge about the sensitizer concentrations in tumor and normal tissue is a precondition for a proper dosimetry.With Monte Carlo simulations and liquid phantom experiments the reliability of quantitative fluorescence measurements of fluorochromes in turbid media by a single-fiber device has been investigated. For a single optical fiber that both delivers excitation light and gathers fluorescence, the signal obtained is rather insensitive to variations of the concentrations of scatterers or absorbers within a certain range. A detailed analysis shows that the most reliable results are obtained with fiber core radii r of 0.1<μs′ *r<3 in a regime of optical parameters where the ratio of absorption and effective scattering is μa/μs′≈0.1. Whether mean absorption and scattering are equal for excitation and emission wavelengths or significantly different (factor of >10) results in detectable but small differences in the detected signal.Compared to other geometries of detecting fluorescence in turbid media, single fiber detection promises to be sufficiently quantitative for most applications. Other aspects relevant for measurements in live tissue, like sensitivity to local inhomogeneities and artifacts remain to be investigated.

ZusammenfassungMessung der Fluorophorkonzentration in streuenden Medien mit einer einzelnen GlasfaserMit dem aufkommenden Interesse an der interstitiellen Applikation der Photodynamischen Therapie (PDT) in Organen wie der Prostata, Bauchspeicheldrüse, Leber oder Gehirn wird es zunehmend wünschenswert, die Konzentration des Photosensibilisators interstitiell innerhalb des Tumors und im benachbarten Gewebe zu messen. Dies ist Voraussetzung für eine zuverlässige Dosimetrie.Mit Monte-Carlo-Simulationen und Experimenten an flüssigen Phantomen wurde die Verlässlichkeit quantitativer Messungen von Fluorophoren in streuenden Medien durch eine Ein-Faser-Anordnung untersucht. Mit dieser Anordnung, die Anregungslicht durch die gleiche Faser appliziert, die auch das Fluoreszenzlicht zum Detektor leitet, ist das Signal innerhalb eines gewissen Bereiches weitgehend unempfindlich gegen Variationen der Konzentration von Streumittel oder Absorber. Eine genauere Analyse zeigt, dass dies für Faserkernradien r mit 0.1<μs′ *r<3 und für ein Verhältnis von Absorption zu Streuung von etwa μa/μs′≈0.1 gilt. Ob die optischen Gewebeparameter für die Anregungs- und Emissionswellenlänge gleich sind oder signifikant unterschiedlich, wirkt sich nur geringfügig auf das detektierte Signal aus.Verglichen mit anderen Detektionsgeometrien zur Fluoreszenzmessung in streuenden Medien zeigt sich die Ein-Faser-Anordnung ausreichend quantitativ für die meisten praktischen Anwendungen. Praktische Aspekte, die bei Messungen in realem vitalen Gewebe zu beachten sind, wie Empfindlichkeit gegenüber lokalen Inhomogenitäten und Artefakten müssen noch untersucht werden.

ResúmenDeterminación de la concentración de fluoróforos en medios turbios mediante una única fibra ópticaCon el creciente interés en extender el uso de la Terapia Fotodinámica (PDT) intersticial a órganos como próstata, páncreas, hígado o cerebro, resulta importante medir la concentración intersticial del fotosintetizador dentro y fuera del volumen del tumor. Para realizar esta dosimetría en forma adecuada, se deben conocer tanto las concentraciones del sintetizador en el tumor como en el tejido normal.Mediante el uso de Simulaciones Monte-Carlo y fantomas líquidos se ha investigado la fiabilidad de las mediciones cuantitativas de fluorocromos en medios turbios a través de un dispositivo de fibra única. Para una sola fibra óptica que emite luz excitatoria y a la vez detecta la fluorescencia, la señal obtenida es prácticamente insensible dentro de cierto rango a las variaciones en la concentración de dispersores o absorbentes. Un análisis detallado muestra que los resultados más confiables son obtenidos con fibras de radios r, siendo 0.1< μs′r*<3, en un régimen de parámetros ópticos donde el cociente entre la absorción y la dispersión efectiva responde a μa/μs′≈0.1. Si la absorción media y la dispersión para las longitudes de onda de excitación y de emisión son iguales o significativamente diferentes (factor>10), se observan diferencias detectables, aunque pequeñas, en la señal.Comparado con otras geometrías para la detección de fluorescencia en medios turbios, la detección con una fibra única promete ser lo suficientemente cuantitativa para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, deben ser investigados otros aspectos relevantes para las mediciones en tejido vivo tales como la susceptibilidad a las inhomogeneidades locales y a otros artefactos.