A review of in-vivo optical properties of human tissues and its impact on PDT

Journal of Biophotonics

Volumn 4, Issue 11-12, 2011, Pages 773-787

  Sandell, Julia L ^a   Zhu, Timothy C ^a  

^a UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA   (United States)

Author keywords

in vivo optical properties; Laser tissue interaction; Light propagation; PDT

Indexed keywords

CONFIDENCE INTERVAL; DIFFUSE SPECTROSCOPY; HUMAN TISSUES; IN-VIVO; IN-VIVO OPTICAL PROPERTIES; LIGHT FLUENCE RATE; OPTICAL PROPERTIES OF BIOLOGICAL TISSUES; PDT; TREATMENT PLANNING;

HISTOLOGY; PHOTODYNAMIC THERAPY; TISSUE;

OPTICAL PROPERTIES;

ALGORITHM; HUMAN; LIGHT RELATED PHENOMENA; METHODOLOGY; PHOTOCHEMOTHERAPY; REVIEW; SPECTROSCOPY;

ALGORITHMS; HUMANS; OPTICAL PHENOMENA; PHOTOCHEMOTHERAPY; SPECTRUM ANALYSIS;

EID: 80155183257     PISSN: 1864063X     EISSN: 18640648     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/jbio.201100062     Document Type: Article

References (138)

1. R. Graff, A. C. M. Dassel, M. H. Koelink, F. F. M. de Mul, J. G. Aarnoudse, and W. G. Zijistra, Appl. Optics 32(4), 435-447 (1993).
2. T. C. Zhu, S. M. Hahn, A. S. Kapatkin, A. Dimofte, C. E. Rodriguez, T. G. Vulcan, E. Glatstein, and R. A. Hsi, Photochem. Photobiol. 77, 81-88 (2003).
3. W. F. Cheong, S. A. Prahl, and A. J. Welch, IEEE J. Quan. Elec. 26(12), 2166-2185 (1990).
4. B. C. Wilson, W. P. Jeeves, and D. M. Lowe, Photochem. Photobiol. 42(2), 153-162 (1985).
5. R. Marchesini, C. Clemente, E. Pignoli, and M. Brambilla, J. Photochem. Photobiol. 16(2), 127-140 (1992).
6. J. Choi, M. Wolf, V. Toronov, U. Wolf, C. Polzonetti, D. Hueber, L. P. Safanova, R. Gupta, A. Michalos, W. Mantulin, and E. Gratton, J. Biomed. Opt. 9(1), 221-229 (2004).
7. F. Bevilacqua, D. Piguet, P. Marquet, J. D. Gross, B. J. Tromberg, and C. Depeursinge, Appl. Optics 38(22), 4939-4950 (1999).
8. J. Zhao, H. Ding, X. Hou, C. Zhou, and B. Chance, J. Biomed. Opt. 10(2), 024048 (2005).
9. R. L. P. van Veen, H. J. C. Sterenborg, A. W. K. S. Marinelli, and M. Menke-Pluymers, J. Biomed. Opt. 9(6), 1129-1136 (2004).
10. J. Mobley and T. Vo-Dinh, in: T. Vo-Dinh, ed., Biomedical Photonics Handbook (CRC Press, New York, 2003).
11. T. C. Zhu, A. Dimofte, J. C. Finlay, D. Stripp, T. Busch, J. Miles, R. Whitting, S. B. Malowicz, Z. Tochner, E. Glatstein, and S. M. Hahn, Photochem. Photobiol. 81(1), 96-105 (2005).
12. A. J. Welch, M. J. C. van Gemert, and H. Kogelnik, Optical Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue (Plenum Press, New York, 1995)
13. A. Keinle, F. K. Forster, and R. Hibst, Opt. Lett. 29(22), 2617-2619 (2004).
14. A. Keinle, C. Wetzel, A. Bassi, D. Comelli, P. Taroni, and A. Pifferi, J. Biomed. Opt. 12(1), 014026 (2007).
15. J. C. Hebden, J. T. G. Guerrero, V. Chernomordik, and A. H. Gandjbakhche, Opt. Lett. 29(21), 2518-2520 (2004).
16. S. Nickell, M. Hermann, M. Essenpreis, T. J. Farrell, U. Kramer, and M. S. Patterson, Phys. Med. Biol. 45, 2873-2886 (2000).
17. L. G. Henyey and J. L. Greenstein, Astrophys. J. 93, 70-83 (1941).
18. R. C. Haskell, L. O. Svaasand, T.-T. Tsay, T.-C. Feng, M. S. McAdams, and B. J. Tromberg, J. OSA 11(10), 2727-2741 (1994).
19. R. Groenhuis, H. Ferwerda, and J. Ten Bosch, Appl. Optics 22(16), 2452 (1983).
20. E. L. Hull and T. H. Foster, J. OSA 18(3), 584-599 (2001).
21. D. A. Boas, H. Liu, M. O'leary, B. Chance, and A. Yodh, Proc. SPIE 2389, 240-247 (1995).
22. E. D. Aydin, C. R. E. Oliveira, and A. J. H. Goddard, Med. Phys. 29(9), 2013-2023 (2002).
23. A. Keinle and M. S. Patterson, Phys. Med. Biol. 41, 2221 (1996).
24. L. Wang, S. L. Jacques, and L. Zheng, Com. Meth. Prog. Biomed. 47, 131-146 (1995).
25. S. A. Prahl, M. Keijzer, S. L. Jacques, and A. Welch, Proc. SPIE 5, 102-111 (1989).
26. L. V. Wang and H. Wu, in: L. V. Wang, ed., Biomedical Optics (Wiley Interscience, Hoboken, 2007).
27. S. L. Jacques and B. W. Pogue, J. Biomed. Opt. 13(4), 041302 (2008).
28. S. L. Jacques and L. H. Wang, in: A. J. Welch and M. van Gemert, eds., Optical-thermal response of laser irradiated tissues (Plenum Press, New York, 1995).
29. H.-W. Wang, J. C. Finay, K. Lee, T. C. Zhu, M. E. Putt, E. Glatsein, C. J. Koch, S. M. Evans, S. M. Hahn, T. M. Busch, and A. G. Yodh, J. Biomed. Opt. 12(3), 1-11 (2007).
30. M. Solenenko, R. Cheung, T. M. Busch, A. Kachur, G. M. Griffin, T. Vulcan, T. C. Zhu, H.-W. Wang, S. M. Hahn, and A. G. Yodh, Phys. Med. Biol. 47, 857-873 (2002).
31. T. J. Farrell, M. S. Patterson, and B. C. Wilson, Med. Phys. 19(4), 879-888 (1992).
32. H. Ao, D. Xing, H. Wei, H. Gu, G. Wu, and J. Lu, Phys. Med. Biol. 53, 2197-2206 (2008).
33. A. Dimofte, J. C. Finley, and T. C. Zhu, Phys. Med. Biol. 50(10), 2291 (2005).
34. M. Larsson, H. Nilsson and T. Stromberg, Appl. Optics 1, 124-134 (2003).
35. H.-W. Wang, T. C. Zhu, M. E. Putt, M. Solenenko, J. Metz, A. Dimofte, J. Miles, D. L. Fraker, E. Glatsein, S. M. Hahn, and A. G. Yodh, J. Biomed. Opt. 10(1), 0140041-01400413 (2005).
36. E. L. Hull, M. G. Nichols, and T. H. Foster, Phys. Med. Biol. 43(11), 3381-3404 (1998).
37. A. Keinle and M. S. Patterson, J. OSA 14(1), 246-254 (1997).
38. A. Johansson, Ph.D. Thesis, Lund University, Lund (2007).
39. T. C. Zhu, J. C. Finlay, and S. M. Hahn, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 79(3), 231-241 (2005).
40. J. Li and T. C. Zhu, Phys. Med. Biol. 53(8), 2103-2114 (2008).
41. T. Svensson, Ph.D. Thesis, Lund University, Lund (2008).
42. B. C. Wilson, A. J. Welch, and M. J. C. van Gemert, Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue (Plenum Press, New York (1995).
43. S. L. Jacques, L. H. Wang, and A. H. Hielscher, in: A. Welch and M. van Gemert (eds.), Optical-thermal Response of Laser-Irradiated Tissue (Plenum Press, New York, 1995).
44. T. Svensson, S. Andersson-Engels, M. Einarsdottir, and K. Svanberg, J. Biomed. Opt. 12(1), 0140221-01402210 (2007).
45. H. Liu, D. A. Boas, Y. Zhange, A. G. Yodh, and B. Chance, Phys. Med. Biol. 40(11), 1983-1993 (1995).
46. G. Yu, T. Durduran, D. Furuya, J. H. Greenberg, and A. G. Yodh, Appl. Optics 42(16), 2931-2939 (2003).
47. M. S. Patterson, and B. W. Pogue, Appl. Optics 33(10), 1963-1974 (1994).
48. B. W. Pogue and M. S. Patterson, Phys. Med. Biol. 39(7), 1157-1180 (1994).
49. A. Torricelli, P. Taroni, E. Giambattistelli, and R. Cubeddu, Phys. Med. Biol. 46, 2227-2237 (2001).
50. E. M. Sevick, B. Chance, J. Leigh, S. Nioka, and M. Maris, Anal. Biochem. 195, 330 (1991).
51. M. S. Patterson, in: A. Welch, and M. Van Gemert (eds.), Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue (Plenum Press, New York, 1995).
52. S. Fantini, D. Hueber, M. A. Franceschini, E. Gratton, W. Rosenfeld, P. G. Stubblefield, D. Maulik and M. R. Stankovic, Phys. Med. Biol. 44, 1543-1563 (1999).
53. D. J. Faber, M. C. G. Aalders, E. G. Mik, B. A. Hooper, M. J. C. van Gemert and T. G. van Leeuwen, Phys. Rev. Lett. 93(2), 0281021-0281024 (2004).
54. W. Zijlstra, A. Buursma and W. P. Meeuwsen-van der Roest, Clin. Chem. 37(9), 1633-1638 (1991).
55. M. Friebel, J. Helfman, U. Netz and M. Meinke, J. Biomed. Opt. 14(3) (2009).
56. S. Srinivasan, B. W. Pogue, S. Jiang, H. Dehghani, C. Kogel, S. Soho, J. J. Gibson, T. D. Tosteson, S. P. Poplack, and K. D. Paulsen, Acad. Radiol. 13(2), 195-202 (2006).
57. S. Srinivasan, B. W. Pogue, S. Jiang, H. Dehghani, C. Kogel, S. Soho, J. J. Gibson, T. D. Tosteson, S. P. Poplack, and K. D. Paulsen, Proc. Natl. Acad. Sci. 100(21), 12349-12354 (2003).
58. A. Roggan, M. Friebel, K. Dorschel, A. Hahn, and G. Muller, J. Biomed. Opt. 4(1), 36-46 (1999).
59. C.-W. Lu, C.-K. Lee, M.-T. Tsai, Y.-M. Wang, and C. C. Yang, Opt. Lett. 33(5), 416-418 (2008).
60. J. McMurdy, G. Jay, S. Suner, and G. Crawford, J. Biophotonics 2(5), 277-287 (2009).
61. A. Yodh and B. Chance, Phys. Today 48(3), 34-40 (1995).
62. I. Nishidate, Y. Aizu, and H. Mishina, J. Biomed. Opt. 9(4), 700-710 (2004).
63. G. Zonios, A. Dimou, I. Bassukas, D. Galaris, A. Tsolakidis, and E. Kaxiras, J. Biomed. Opt. 13(1), 014017 (2008).
64. N. Kollias, R. M. Sayre, L. Zeisse, and M. Chedekel, J. Photochem. Photobiol. 9, 135-160 (1991).
65. R. Marchesini, A. Bono, and M. Carrara, J. Biomed. Opt. 14, 014027 (2009).
66. N. Kollias and A. Baqer, J. Inv. Derm. 85, 38-42 (1984).
67. J. R. Mourant, J. P. Freyer, A. H. Hielscher, A. A. Eick, D. Shen, and T. M. Johnson, Appl. Optics 37(16), 3586-3593 (1998).
68. J. R. Mourant, M. Canpolat, C. Brocker, O. Esponda-Ramos, T. M. Johnson, A. Matanock, K. Stetter, and J. P. Freyer, J. Biomed. Opt. 5(2), 131-137 (2000).
69. J. R. Mourant, T. Fuselier, J. Boyer, T. M. Johnson, and I. J. Bigio, Appl. Optics 36(4), 948-957 (1997).
70. C. F. Bohren and D. R. Hoffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, New York, 1983)
71. G. Mie, Ann. Phys. (Berlin) 25, 377-445 (1908).
72. J. V. Dave, Ibm J. Res. Dev. 13(3), 302-313 (1969).
73. B. Verner, M. Barta, and B. Sedlacek, J. Colloid Interface Sci. 62(2), 348-349 (1977).
74. V. E. Cachorro, L. L. Salcedo, and J. L. Casonova, Opt. Pura Apl. 22(1), 1-7 (1989).
75. N. G. Volkov and V. Y. Kovach, Izv. Akad. Nauk. SSSR Fiz. Atmos. Okeana 26(5), 517-523 (1990).
76. H.-W. Wang, T. C. Zhu, M. Solenenko, S. M. Hahn, J. Metz, A. Dimofte, J. Mile, and A. G. Yodh, Proc. SPIE 68, 857-873 (2003).
77. A. Heilscher, J. R. Mourant, and I. J. Bigio, Appl. Optics 36(1), 125-135 (1997).
78. H. Taitelbaum, S. Haviin, and G. H. Weiss, Appl. Optics 28 (12), 2245-2249 (1989).
79. A. Keinle, M. S. Patterson, N. Dognitz, R. Bays, G. Wagnieres, and H. van den Bergh, Appl. Optics 37(4), 779-791 (1998).
80. J. M. Schmitt, G. X. Zhou, and E. C. Walker, J. Opt. Soc. Am. 7(11), 2141-2153 (1990).
81. T. J. Farrell, M. S. Patterson, and M. Essenpries, Appl. Optics 37(10), 1958-1972 (1998).
82. T. J. Dougherty, C. J. Gomer, B. W. Henderson, G. Jori, D. Kessel, M. Korbelik, J. Moan, and Q. Peng, J. Natl. Cancer Inst. 90(12), 889-905 (1998).
83. G. Yu, T. Durduran, C. Zhou, H. W. Wang, M. E. Putt, M. Saunders, C. M. Sehgal, E. Glatstein, A. G. Yodh, and T. M. Busch, Clin. Cancer Res. 11, 3543-3552 (2005).
84. B. C. Wilson, M. S. Patterson, and L. Lilge, Laser Med. Sci. 12, 182-199 (1997).
85. T. C. Zhu and J. C. Finlay, Med. Phys. 35(7), 3127-3136 (2008).
86. T. C. Zhu, A. Dimofte, S. M. Hahn, and R. A. Lustig, Proc. SPIE 4952, 56 (2003).
87. T. C. Zhu, J. C. Finlay, A. Dimofte, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 5315, 113-124 (2004).
88. B. C. Wilson and M. S. Patterson, Phys. Med. Biol. 53, 61-109 (2008).
89. F. Martelli, A. Sassaroli, G. Zaccanti, and Y. Yamada, Phys. Med. Biol. 44, 1257-1275 (1999).
90. L. V. Wang, R. C. Nordquist, and W. Chen, Appl. Optics 36(31), 8286-8291 (1997).
91. L. V. Wang and S. L. Jacques, Appl. Optics 34(13), 2362-2366 (1995).
92. A. Dimofte, T. C. Zhu, S. M. Hahn, and R. A. Lustig, Laser Surg. Med. 31(5), 305-312 (2002).
93. W. M. Star, Phys. Med. Biol. 42, 763-787 (1997).
94. S. L. Jacques, Photochem. Photobiol. 67(1), 23-52 (1998).
95. C. M. Gardner, S. L. Jacques, and A. J. Welch, Las. Med. Sci. 18, 129-138 (1996).
96. J. Li, T. C. Zhu, and J. C. Finlay, Proc. SPIE 6139, 61390M (2006).
97. M. D. Altschuler, T. C. Zhu, J. Li, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 5689, 186-197 (2005).
98. A. Johansson, T. Johansson, M. S. Thompson, N. Bendsoe, K. Svanberg, S. Svanberg, and S. Andersson-Engels, J. Biomed. Opt. 11(3), 30429 (2006).
99. T. C. Zhu, J. Li, J. C. Finlay, A. Dimofte, D. Stripp, B. S. Malkowicz, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 6139(2006).
100. J. Li, M. D. Altschuler, S. M. Hahn, and T. C. Zhu, Phys. Med. Biol. 53(15), 4107-4121 (2008).
101. S. R. H. Davidson, R. A. Weersink, M. A. Haider, M. R. Gertner, A. Bogaards, D. Giewercer, A. Scherz, M. D. Sherar, M. M. Elhiali, J. L. Chin, J. Trachtenberg, and B. C. Wilson, Phys. Med. Biol 54, 2293-2311 (2009).
102. H. J. Staveren, M. Keijzer, T. Keesmaat, H. Jansen, W. Kirkel, J. F. Beek, and W. M. Star, Phys. Med. Biol. 41, 579-590 (1996).
103. M. J. C. van Gemert, W. F. Cheong, A. J. Welch, and W. M. Star, Laser Surg. Med. 2, 273-284 (1987).
104. W. M. Star, Phys. Med. Biol. 40, 1-8 (1995).
105. H. J. Staveren, J. F. Beek, M. Keijzer, and W. M. Star, Phys. Med. Biol. 40, 1307-1315 (1995).
106. H. J. Staveren, J. F. Beek, J. Ramaekers, M. Keijzer, and W. M. Star, Phys. Med. Biol. 39, 947-959 (1994).
107. J. P. A. Marijnissen, W. Star, H. J. A. Zandt, M. A. D'Hallewin, and L. Baert, Phys. Med. Biol. 38, 567-582 (1993).
108. T. J. Beck, W. Beyer, T. Pongratz, W. Stummer, R. Waidelich, H. Stepp, S. Wagner, and R. Baumgartner, Proc. SPIE 5138, 96-105 (2003).
109. A. Pifferi, A. Torricelli, P. Taroni, A. Bassi, E. Chikoidaze, E. Giambattistelli, and R. Cubeddu, J. Biomed. Opt. 9(3), 474-480 (2004).
110. I. Driver, C. P. Lowdell, and D. V. Ash, Phys. Med. Biol. 36(6), 805-813 (1991).
111. B. C. Wilson, P. J. Muller, and J. C. Yanch, Phys. Med. Biol. 31(2), 125-133 (1986).
112. S. Ijichi, T. Kusaka, K. Isobe, K. Okubo, K. Kawada, M. Namba, H. Okada, T. Nishida, T. Imai, and S. Itoh, Ped. Res. 58(3), 568-573 (2005).
113. L. Spinelli, A. Torricelli, A. Pifferi, P. Taroni, G. M. Danesini, and R. Cubeddu, J. Biomed. Opt. 9(6), 1137-1142 (2004).
114. R. Cubeddu, A. Pifferi, P. Taroni, A. Torricelli, and G. Valentini, Appl. Phys. Lett. 74(6), 874-876 (1999).
115. A. Pifferi, J. Swartling, E. Chikoidaze, A. Torricelli, P. Taroni, A. Bassi, S. Andersson-Engels, and R. Cubeddu, J. Biomed. Opt. 9 (6), 1143-1151 (2004).
116. R. Rajaram, D. Kovacic, M. F. Migden, J. S. Reichenberg, T. H. Nguyen, and J. M. Tunnell, Proc. SPIE 7161, 716102 (2009).
117. W. Mo, T. S. S. Chang, L. Chen, and N. Chen, J. Biomed. Opt. 14(6), 064004 (2009).
118. A. Cerussi, N. Shah, D. Hsiang, A. Durkin, J. Butler, and B. Tromberg, J. Biomed. Opt. 11(4), 044005 (2006).
119. T. Durduran, R. Choe, J. Culver, L. Zubkov, M. J. Holboke, J. Gaimmarco, B. Chance, and A. G. Yodh, Phys. Med. Biol. 47, 2847-2861 (2002).
120. K. Suzuki, Y. Yamashita, K. Ohta, M. Kaneko, M. Yoshida, and B. Chance, J. Biomed. Opt. 1(3), 330 (1996).
121. H. Heusmann, J. Kolzer, and G. Mittick, J. Biomed. Opt. 1 (4), 425 (1996).
122. N. Shah, A. Cerussi, D. Jakubowski, D. Hsiang, J. Butler, and B. Tromberg, J. Biomed Opt. 9 (3), 534-540 (2004).
123. M. S. Nair, N. Ghosh, N. S. Raju, and A. Pradan, Appl. Optics 41(9), 4024-4035 (2002).
124. S. Fantini, S. A. Walker, M. A. Franceschini, M. Kaschke, P. M. Schlag, and K. T. Moesta, Appl. Optics 37(10), 1982-1989 (1998).
125. A. Dimofte, T. C. Zhu, J. C. Finlay, M. Cullighan, C. Edmonds, J. S. Friedberg, K. Cengel, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 7551, 755115 (2010).
126. A. Dimofte, T. C. Zhu, J. C. Finlay, M. Culligan, C. Edmonds, J. S. Friedberg, K. Cengel, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 7164(2009).
127. L. K. Lee, C. Whitehurst, M. K. Pantelides, and J. V. Moore, BJU Int. 84, 821-826 (1999).
128. L. K. Lee, C. Whitehurst, M. K. Pantelides, and J. V. Moore, Photochem. Photobiol. 62, 882-886 (1995).
129. D. A. Levy, J. Schwartz, M. Ostermeyer, S. L. Jacques, and A. C. von Eschenbach, Proc. SPIE 2671, 329-334 (1996).
130. J. Swartling, J. Axelsson, G. Ahlgren, K. M. Kalkner, S. Nilsson, S. Svanberg, K. Svanberg, and S. Andersson-Engels, J. Biomed. Opt. 15(5), 058003 (2010).
131. T. Svensson, E. Alerstam, M. Einarsdottir, K. Svanberg, and S. Andersson-Engels, J. Biophotonics 1(3), 200-203 (2008).
132. R. A. Weersink, A. Bogaards, M. Gertner, S. R. H. Davidson, K. Zhange, G. Netchev, J. Trachtenberg, and B. C. Wilson, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 79, 211-222 (2005).
133. C. M. Moore, C. A. Mosse, C. Allen, H. Payne, M. Emberton, and S. G. Bown, J. Biomed. Opt. 16(1), 015003 (2011).
134. G. Zonios and A. Dimou, Opt. Exp. 16(11), 8263 (2008).
135. J. C. Finlay, T. C. Zhu, A. Dimofte, D. Stripp, S. B. Malkowicz, R. Whittington, J. Miles, E. Glatstein, and S. M. Hahn, Proc. SPIE 5315, 132-142 (2004).
136. P. Sun, R. Q. Yang, F. H. Xie, J. Q. Ding, F. Q. Zhang, and X. P. Cao, Proc. SPIE 7845, 784522 (2010).
137. S. J. Matcher, M. Cope, and D. T. Delpy, Appl. Optics 36(1), 386-396 (1997).
138. P. Taroni, A. Pifferi, A. Torricelli, D. Comelli, and R. Cubeddu, Photochem. Photobiol. 2, 124-129 (2003).