Abstract

Previously, we reported using a diffusing probe in conjunction with a two-layer diffusion model for accurately recovering the optical properties of superficial volumes. However, the two-layer diffusion equation is computationally less efficient than a standard diffusion equation (SDE) by 3 orders of magnitude. In this Letter, we present a new approach extended from the diffusing probe geometry that enables the use of a diffusion model that has efficiency comparable to an SDE. Our Monte Carlo simulation results indicate that this new approach is not only very accurate but also sensitive to the presence of 0.5mm3 inhomogeneities and could be used for monitoring the early progression of skin melanoma.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. A. Boas, M. A. O’Leary, B. Chance, and A. G. Yodh, Appl. Opt. 36, 75 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. Q. Liu and N. Ramanujam, J. Opt. Soc. Am. A 24, 1011(2007).
    [CrossRef]
  4. S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
    [CrossRef]
  6. T. H. Pham, T. Spott, L. O. Svaasand, and B. J. Tromberg, Appl. Opt. 39, 4733 (2000).
    [CrossRef]
  7. A. Kienle, M. S. Patterson, N. Dognitz, R. Bays, G. Wagnieres, and H. van den Bergh, Appl. Opt. 37, 779 (1998).
    [CrossRef]
  8. L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
    [PubMed]

2009 (1)

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

2001 (1)

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

2000 (1)

1998 (1)

1997 (1)

1996 (1)

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

1995 (1)

L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1990 (1)

K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

AlAjmi, H.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Alfano, R. R.

K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Atkins, M. B.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Balch, C. M.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Baqer, A.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Bays, R.

Boas, D. A.

Byrd, D.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Cascinelli, N.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Chance, B.

Coit, D. G.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Desmond, R.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Dognitz, N.

Durkin, A. J.

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Gershenwald, J. E.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Gonzalez, S.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Hayakawa, C.

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Jacques, S. L.

L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Johnson, B. E.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Kienle, A.

Kirkwood, J. M.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Kollias, N.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Liu, F.

K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Liu, P. Y.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Liu, Q.

Lyman, G. H.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Malallah, Y. H.

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

McMasters, K. M.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Morabito, A.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

O’Leary, M. A.

Patterson, M. S.

Pham, T. H.

Ramanujam, N.

Reintgen, D. S.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Ross, M. I.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Soong, S. J.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Spanier, J.

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Spott, T.

Svaasand, L. O.

Thompson, J. A.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Thompson, J. F.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Tromberg, B. J.

Tseng, S. H.

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Urist, M.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

van den Bergh, H.

Wagnieres, G.

Wang, L. H.

L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Yodh, A. G.

Yoo, K. M.

K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Zhang, Y.

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

Zheng, L. Q.

L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Opt. (3)

Comput. Methods Programs Biomed. (1)

L. H. Wang, S. L. Jacques, and L. Q. Zheng, Comput. Methods Programs Biomed. 47, 131 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

J. Biomed. Opt. (1)

S. H. Tseng, C. Hayakawa, J. Spanier, and A. J. Durkin, J. Biomed. Opt. 14, 054043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

J. Clin. Oncol. (1)

C. M. Balch, S. J. Soong, J. E. Gershenwald, J. F. Thompson, D. S. Reintgen, N. Cascinelli, M. Urist, K. M. McMasters, M. I. Ross, J. M. Kirkwood, M. B. Atkins, J. A. Thompson, D. G. Coit, D. Byrd, R. Desmond, Y. Zhang, P. Y. Liu, G. H. Lyman, and A. Morabito, J. Clin. Oncol. 19, 3622 (2001).
[PubMed]

J. Opt. Soc. Am. A (1)

Photoderm. Photoimm. Photomed. (1)

N. Kollias, Y. H. Malallah, H. AlAjmi, A. Baqer, B. E. Johnson, and S. Gonzalez, Photoderm. Photoimm. Photomed. 12, 183 (1996).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (1)

K. M. Yoo, F. Liu, and R. R. Alfano, Phys. Rev. Lett. 64, 2647 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Modified two-layer with planar source (DPPS) geometry with (a) infinite and (b) finite probe dimension.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Amplitude demodulation and phase delay determined using the DPPS diffusion model (lines) and the MC model (symbols). (b) Normalized detected photon number versus incident radial position.

Fig. 3
Fig. 3

(a) MC simulated amplitude demodulation and phase delay at 1500 MHz versus tumor radius (inset, MC simulation geometry) and (b) recovered top sample layer thickness versus tumor radius for top sample layer absorption μ a 1 = 0.5 / mm (square) or 0.15 / mm (triangle) (inset: fitting geometry).

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

d 2 d z 2 ϕ 1 ( z , ω ) α 1 2 ϕ 1 ( z , ω ) = 1 D 1 δ ( z z 0 ) , 0 z < t 1 ,
d 2 d z 2 ϕ j ( z , ω ) α j 2 ϕ j ( z , ω ) = 0 j = 2 or 3 , t 1 z ,
ϕ 2 ( t 1 ) = [ D 1 α 1 cosh ( α 2 t 2 ) + D 3 α 3 sinh ( α 2 t 2 ) ] sinh [ α 1 ( z b + z 0 ) ] / ( C 1 + C 2 ) ,

Metrics