Applications in light-induced spectroscopy with violet LED lamp: autofluorescence

• M.E. Etcheverry ^{[1] [1]} ; M.A Pasquale ^{[1] [1]} ; M. Garavaglia ^{[1] [1]}
  1. [1] Universidad Nacional de La Plata

     Universidad Nacional de La Plata

     Argentina

     
• Localización: Óptica pura y aplicada, ISSN-e 2171-8814, Vol. 56, Nº. 3, 2023
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Aplicaciones de espectroscopía inducida por luz LED violeta: autofluorescencia
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• Resumen
  • español

    La detección precoz de enfermedades neoplásica, así como el desarrollo de tratamientos más eficaces, son cruciales para mejorar la tasa de supervivencia. Una variedad de nuevas y emergentes estrategias diagnósticas, basadas en técnicas espectroscópicas mínimamente invasivas, como la detección de fluorescencia puntual (PF), están disponibles para mejorar el procedimiento de detección [1,2]. La técnica de PF proporciona información útil para monitorear la evolución de la abundancia y distribución de fluoróforos endógenos asociados con la enfermedad neoplásica en neoplasias superficiales de baja pigmentación [3,4].

    El objetivo principal del presente estudio fue desarrollar una fuente de luz LED violeta adecuada para aplicaciones médicas dedicadas al diagnóstico y tratamiento de cánceres de piel no melanoma. Para esto, construimos una lámpara LED violeta de 12 W (con pico máximo de emisión a 405 nm) compuesta por cuatro LED móviles de 3 W cada uno, acoplados a un disipador y una lente, y montada sobre una plataforma con tornillos ajustables. La fuente de alimentación permite modificar la intensidad de iluminación. La lámpara LED se caracterizó empleando un espectrofotómetro acoplado a una fibra óptica. Se evaluó la irradiancia para diferentes distancias entre la lámpara y el detector.

    Además, se evaluaron la potencia radiante y la intensidad radiante. Los datos se compararon con una lámpara LED simulada utilizando el software óptico Zemax para la realización de luminarias con las características y modos de operación deseados para entregar la densidad de energía en el punto de interés, según lo requerido para aplicaciones médicas. La lámpara desarrollada, en combinación con un espectrofotómetro portátil, se empleó, bajo supervisión médica, para detectar diferencias entre los espectros de emisión de regiones cutáneas sospechosas y sanas ubicadas en la cabeza de un paciente con cáncer de piel no melanoma. La luz de la lámpara LED se concentró en la región examinada mediante el enfoque adecuado de los cuatro LED individuales, lo que generó un área homogénea de alta intensidad. Por lo tanto, se excitaron cromóforos endógenos en la piel y la intensidad de la emisión resultó suficiente para detectar una estructura de picos alrededor de 600 nm para algunas regiones sospechosas antes del tratamiento. Esta estructura de picos está ausente en las regiones sanas, y puede estar relacionada con el aumento en el contenido de protoporfirina IX en las regiones neoplásicas.

    Los resultados presentados en este trabajo indican la utilidad de la lámpara LED aquí desarrollada y caracterizada, como un dispositivo fácil de usar para la detección no invasiva de patologías neoplásicas de la piel, y con el objetivo de definir mejor las regiones malignas y predecir el resultado de un determinado tratamiento.

  • English

    The early detection of a neoplastic disease, as well as the development of more efficient treatments, are crucial for improving the survival rate. A variety of new and emerging diagnostic strategies based on spectroscopic techniques such as non-invasive one-point fluorescence (PF) detection, are available to improve the screening procedure [1,2]. PF technique provides useful information for monitoring the evolution of the abundance and distribution of endogenous fluorophores associated with the neoplastic disease in low-pigmented superficial neoplasia [3,4].

    The main objective of the present study was to develop a violet LED light source suitable for medical application devoted to the diagnostic and treatment of non-melanoma skin cancers. For this propose, we constructed a 12 W violet LED lamp (with maximum emission peak at 405 nm) made up of four mobile 3 W LED, each one coupled to a heat sink and a lens and mounted on a platform with adjustable screws. The power supply allows the modification of the intensity of illumination. The LED lamp was characterized employing a spectrometer coupled to an optical fiber. The irradiance for different distances between the lamp and the detector was assessed. Furthermore, the radiant power and the radiant intensity were evaluated. Data were compared with a simulated LED lamp by using the Zemax optic software for the realization of luminaries with the desired characteristics and modes of operation to deliver the energy density at the interest point, as required for medical applications.

    The developed lamp in combination with a portable spectrometer was employed under medical supervision to detect differences in the emission spectrum of skin suspicious regions and healthy ones located at the head of a patient with non-melanoma skin cancer. The light of the LED lamp was concentrated in the examined region by means of the proper focusing of the four individual LEDs, rendering a high intensity homogeneous spot. Thus, endogenous chromophores at the skin were excited, and the emission intensity appeared to be enough to detect an enhanced peaked structure around 600 nm for some suspicious regions before treatment, and that were absence in healthy regions.

    These differences can be related to the augmented protoporphyrin IX content in neoplastic regions.

    Results presented in this work indicate the usefulness of the developed and characterized LED lamp as an easy-to-use device for the non-invasive detection of skin neoplastic pathologies, before and after treatment, with the aim of better define the malignant regions as well as predict the outcome of a certain treatment.