Analysis of different approaches for the phase function in plasmonic photothermal therapy
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRN |
Texto Completo: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/52050 |
Resumo: | 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. |
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Sousa, Anderson Nunes dehttp://lattes.cnpq.br/1056937426529210http://lattes.cnpq.br/8073368791527116Orlande, Helcio Rangel BarretoSouza, Thiago Cardoso dehttps://orcid.org/0000-0002-2434-8322http://lattes.cnpq.br/2874612687747843Maurente, André Jesus Soares2023-04-05T19:12:49Z2023-04-05T19:12:49Z2022-12-16SOUSA, 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.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/52050A 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.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 - CAPESUniversidade Federal do Rio Grande do NortePROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICAUFRNBrasilCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAHeat transfer simulationCancer therapyNanoparticlesCoupled radiation-conduction-blood perfusionfunção de fase do espalhamento.Scattering phase functionsAnalysis of different approaches for the phase function in plasmonic photothermal therapyinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALAnalysisdifferentapproaches_Sousa_2022.pdfapplication/pdf3256494https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/52050/1/Analysisdifferentapproaches_Sousa_2022.pdfdbb747000cb372459abb9f5fd3ccc8e2MD51123456789/520502023-04-05 16:13:58.709oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/52050Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2023-04-05T19:13:58Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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