O espalhamento é o processo pelo qual a luz interage com o meio material modificando a sua direção de propagação. Quando o comprimento de onda permanece o mesmo durante o processo, diz-se que o espalhamento é do tipo elástico. Já quando o comprimento de onda é alterado durante o processo, o espalhamento é denominado inelástico. Os fundamentos acerca do fenômeno de espalhamento podem ser entendidos de duas formas complementares: por meio do movimento de cargas ou partículas, quando ocorre em pequena escala, e por meio de flutuações no índice de refração, quando ocorre em larga escala (WELCH; van GEMERT, 2011).
O espalhamento pode ser representado pela relação entre a intensidade luminosa incidente ( ) e a quantidade de energia ou potência espalhada ( )
chamada de seção transversal de espalhamento ( ) e está ilustrada na Figura 2.18 (VO-DINH, 2003). Antes de incidir no meio material, o feixe de luz possui potência constante, dada por , em que, é a área da seção transversal, como
mostrado na Figura 2.18 (A). Após incidir no meio material, uma parte da energia é espalhada e a potência luminosa deixa de ser constante, o que está ilustrado na Figura 2.18 (B). De acordo com a Figura 2.18 (C), a parcela de energia espalhada é equivalente à potência de uma parte do feixe incidente, de área .
Figura 2.18 – Seção transversal de espalhamento. (A) Feixe de luz antes de incidir no meio material, (B) após incidir no meio material e (C) parcela de energia espalhada.
Fonte: Vo-Dinh, 2003 (adaptado).
Em tecidos biológicos, o espalhamento ocorre em larga escala e, portanto, é analisado por meio de flutuações no índice de refração do tecido. Quando estas flutuações ocorrem em uma intensidade menor que o comprimento de onda da luz incidente (ou seja, , em que representa o tamanho da partícula espalhadora e é o comprimento de onda), o espalhamento é denominado de Rayleigh; já quando o tamanho da partícula espalhadora é maior que o comprimento de onda, tem-se o chamado espalhamento de Mie (WELCH; van GEMERT, 2011).
Em geral, a intensidade do espalhamento diminui com a quarta potência do valor do comprimento de onda da luz incidente. Assim, a luz azul sofre mais espalhamento que a luz vermelha (comprimento de onda maior), e assim por diante.
Foi derivada uma solução das equações de Maxwell para o espalhamento por partículas de qualquer tamanho. A solução não é compacta mas converge para duas situações: para as pequenas partículas, aproxima-se da solução de Rayleigh, e para as partículas maiores, a luz é espalhada significativamente e a solução torna- se independente do comprimento de onda (WELCH; van GEMERT, 2011).
Além disso, o espalhamento de Mie tende a espalhar a luz para frente, na mesma direção geral, sendo pouca a quantidade de luz retroespalhada. Já o espalhamento de Rayleigh tende a desviar a luz em todas as direções, caracterizando um fenômeno isotrópico. Nos tecidos, entretanto, é comum a presença de partículas grandes e pequenas, tornando possível os dois tipos de espalhamento. O estudo do fenômeno de espalhamento em tecidos biológicos é comparado ao estudo do espalhamento que ocorre na atmosfera (WELCH; van GEMERT, 2011). Para comprimentos de onda equiparáveis ao tamanho das partículas espalhadoras presentes nos tecidos, o que ocorre é uma transição entre o espalhamento isotrópico de Rayleigh e o espalhamento (para frente) de Mie. A Figura 2.19 ilustra os tipos de espalhamento mais comuns em tecidos biológicos.
Figura 2.19 – Tipos de espalhamento de luz em tecidos biológicos.
Fonte: Coelho, 2008 (adaptado).
Duas grandes classes de meios biológicos podem ser consideradas com relação às interações entre eles e a luz: (i) meios opacos (que provocam muito espalhamento de energia), como pele, cérebro, paredes de vasos, sangue, esclera ocular e linfa e (ii) meios transparentes (que provocam pouco espalhamento de energia), como córnea, lentes cristalinas, humor vítreo e aquoso (TUCHIN, 2000; TUCHIN, 2002). As interações entre a luz e os tecidos da primeira classe podem ser descritas em um modelo de múltiplos espalhamentos de ondas EM em meios
heterogêneos. Para os tecidos da segunda classe, as interações podem ser descritas em um modelo simples, levando-se em consideração um único espalhamento.
A transparência dos tecidos é máxima na região do infravermelho próximo, o que está associado ao fato de que tecidos vivos não contêm grandes quantidades de cromóforos para absorver a irradiação dentro dessa faixa (TUCHIN, 2000; TUCHIN, 2002). A luz penetra em um tecido por cerca de vários centímetros, o que é importante para a transiluminação de órgãos humanos espessos, como o cérebro. Contudo, os tecidos são caracterizados por um forte espalhamento da irradiação na faixa do NIR, o que impede a obtenção de imagens nítidas de heterogeneidades que surgem nesses tecidos devido a várias patologias, como a formação de tumores e o aumento do volume sanguíneo em um determinado local (hemorragia). Consequentemente, uma atenção especial é dada à tomografia e espectroscopia óptica, com o desenvolvimento de métodos para a seleção ou detecção de fótons no interior das imagens, que possuam informação de parâmetros ópticos do meio (VO- DINH, 2003).
Os métodos ópticos não invasivos de diagnóstico e espectroscopia utilizados em tecidos biológicos podem operar em dois regimes distintos: os modos contínuo (Continuous Wave - CW) e pulsado (transiente) da fonte de luz (TUCHIN, 2000; TUCHIN, 2002). O modo pulsado caracteriza-se por expor o tecido a pulsos de laser de curta duração e à subsequente detecção de pulsos alargados e espalhados, ao longo do tempo. O modo pulsado também pode ser realizado pela irradiação de luz modulada em que é registrada a profundidade de penetração da luz espalhada e o deslocamento de fase correspondente, no domínio da frequência (modulação em frequência ou em fase). Este modo é baseado na excitação do espectro luminoso em um meio opaco e pode ser descrito pela teoria de transferência de irradiação (Radiation Transfer Theory - RTT) não estacionária. Já o modo contínuo é descrito pela RTT estacionária (VO-DINH, 2003).
Muitas tecnologias na área médica empregam lasers e fibras ópticas; assim, a emissão de luz de forma coerente é muito importante para a análise correta da sua interação com tecidos e células (TUCHIN, 1998; MASTERS, 2002). A coerência da luz é de grande importância para a seleção de fótons que tenham sofrido pouco ou nenhum espalhamento, como também para a geração organizada dos pontos de
luz presentes em uma imagem. Tais aspectos são importantes na tomografia de coerência, difractometria, holografia, espectroscopia de correlação de fótons, dentre outras aplicações (VO-DINH, 2003).