masterThesis
Analysis of different approaches for the phase function in plasmonic photothermal therapy
Registro en:
SOUSA, Anderson Nunes de. Analysis of different approaches for the phase function in plasmonic photothermal therapy. Orientador: André Jesus Soares Maurente. 2022. 64f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Autor
Sousa, Anderson Nunes de
Resumen
The Photothermal therapy is a treatment for cancer in which a laser light is used to irradiate a
region of a human tissue affected by the disease. The employed laser is such that the irradiated
tissue is semitransparent to its wavelength. Therefore, radiation propagates while is partially
absorbed, thus heating a volume of tissue. The ideal situation is when the diseased region is
heated to a certain temperature and kept at this temperature during a sufficient time period to
kill the ill cells; however, avoiding the overheating of surrounding healthy regions. In order to
optimize the process, usually they are employed nanoparticles which are highly absorbers in the
wavelength of the laser radiation. Such particles are generally either made entirely or recovered
by gold, due to the low toxicity of this material. A computer code able to accurately predict the
temperature field during a Photothermal therapy is highly desirable, since it could be used to
guide medical and experimental procedures and even replace experiments in researches. However,
an accurate code requires the implementation of several complex physical phenomena. One of
this phenomena is radiation scattering, which is tackled in this research. Usual approximations
assume media with nanoparticles as homogeneous, that is, properties of tissue and particles are
indistinguishable. In this case, the phase function of particles are assumed as the same as that of
the tissue. In the present work, a new algorithm was devised to allow distinct phase functions
for particles and host tissue. In addition, different scattering phase functions were implemented:
isotropic, Rayleigh and Mie, and analysed to specific cases of skin cancer. Spherical particles
made by gold of two different sizes were considered, and also a gold nanoshell with silica
core. Usual approximations for the phase function, reduced scattering and Henyey-Greenstein,
were also analyzed. Results showed that for the solved cases the errors were not considerable,
indicating that the approximations can be used. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A terapia fototérmica é um tratamento para o câncer em que a luz de um laser é utilizada para
irradiar uma região de um tecido humano acometida pela doença. Utiliza-se um laser cujo
comprimento de onda é tal que o tecido irradiado seja semitransparente à sua radiação. Dessa
forma a radiação propaga-se enquanto vai sendo parcialmente absorvida, permitindo assim o
aquecimento de um volume de tecido. O ideal é que a região doente seja aquecida e mantida a
uma temperatura acima de um valor para o qual células sejam destruídas após certo intervalo de
tempo; entretanto, evitando-se o sobreaquecimento de regiões circundantes sadias. Para otimizar
o processo, muitas vezes faz-se uso de nanopartículas que são altamente absorvedoras à radiação
do laser. Tais partículas são geralmente feitas ou revestidas de ouro, devido à baixa toxicidade
desse material. Um código computacional capaz de predizer de forma precisa o campo de
temperaturas durante a terapia é bastante desejável, pois poderia ser utilizado para orientar e até
mesmo substituir experimentos e, também, para orientar procedimentos médicos. No entanto,
um código preciso requer a implementação de inúmeros fenômenos físicos complexos. Um
desses fenômenos é o espalhamento da radiação, que é abordado neste trabalho. Aproximações
usuais consideram que meios com nanopartículas são homogêneos, ou seja, não há distinção
entre as propriedades do tecido e das partículas. Nesse caso, assume-se para as nanopartículas a
mesma função de fase do tecido. No presente trabalho, um novo algorítmo foi desenvolvido para
permitir diferentes funções de fase para partículas e tecido. Além disso, diferentes funções de
fase para o espalhamento foram implementadas: Isotrópica, Rayleigh e Mie, e analisadas para
casos específicos de terapia fototérmica para o tratamento de câncer de pele. Foram consideradas
partículas esféricas de ouro com dois tamanhos e nano-conchas de ouro com núcleo de sílica.
Aproximações usuais para a função de fase do espalhamento, reduced scattering e HenyeyGreenstein, foram também analisadas. Os resultados mostraram que para os casos considerados
os erros associados à utilização de métodos aproximados não foram grandes, indicando que as
aproximações podem ser utilizadas.