La ventana del infrarrojo cercano (NIR) (también conocida como ventana óptica o ventana terapéutica) define el rango de longitudes de onda de 650 a 1350 nanómetros (nm) donde la luz tiene su máxima profundidad de penetración en el tejido . [1] Dentro de la ventana NIR, la dispersión es la interacción luz-tejido más dominante y, por lo tanto, la luz que se propaga se difunde rápidamente. Dado que la dispersión aumenta la distancia recorrida por los fotonesdentro del tejido, la probabilidad de absorción de fotones también aumenta. Debido a que la dispersión tiene una dependencia débil de la longitud de onda, la ventana NIR está principalmente limitada por la absorción de luz de la sangre en longitudes de onda cortas y el agua en longitudes de onda largas. La técnica que utiliza esta ventana se llama NIRS . Las técnicas de imágenes médicas, como la cirugía guiada por imágenes de fluorescencia, a menudo utilizan la ventana NIR para detectar estructuras profundas.
Propiedades de absorción de los componentes tisulares.
El coeficiente de absorción () se define como la probabilidad de absorción de fotones en el tejido por unidad de longitud del camino. [2] Los diferentes componentes del tejido tienen diferentesvalores. Es más,es una función de la longitud de onda. A continuación se analizan las propiedades de absorción de los cromóforos más importantes en los tejidos. El coeficiente de extinción molar () es otro parámetro que se utiliza para describir la absorción de fotones en el tejido. Multiplicando por la concentración molar y por ln (10), se puede convertir a .
Sangre
La sangre consta de dos tipos diferentes de hemoglobina : oxihemoglobina () está unido al oxígeno, mientras que la desoxihemoglobina () no está unido al oxígeno. Estos dos tipos diferentes de hemoglobina exhiben diferentes espectros de absorción que normalmente se representan en términos de coeficientes de extinción molar, como se muestra en la Figura 1. El coeficiente de extinción molar de Hb tiene su pico de absorción más alto a 420 nm y un segundo pico a 580 nm. Luego, su espectro disminuye gradualmente a medida que aumenta la longitud de onda de la luz. Por otro lado,muestra su pico de absorción más alto a 410 nm y dos picos secundarios a 550 nm y 600 nm. A medida que las longitudes de onda de la luz pasan de 600 nm,la absorción decae mucho más rápidamente que la absorción de Hb. Los puntos donde los espectros del coeficiente de extinción molar de y intersectan se llaman puntos isosbésticos .
Utilizando dos longitudes de onda diferentes, es posible calcular las concentraciones de oxihemoglobina () y desoxihemoglobina () como se muestra en las siguientes ecuaciones:
Aquí, y son las dos longitudes de onda; y son los coeficientes de extinción molar de y , respectivamente; y son las concentraciones molares de y en tejido, respectivamente. Saturación de oxígeno () luego se puede calcular como
Agua
Aunque el agua es casi transparente en el rango de la luz visible, se vuelve absorbente en la región del infrarrojo cercano. El agua es un componente crítico ya que su concentración es alta en el tejido humano. El espectro de absorción de agua en el rango de 250 a 1000 nm se muestra en la Figura 2. Aunque la absorción es bastante baja en este rango espectral, todavía contribuye a la atenuación general del tejido.
Otros componentes del tejido con contribuciones menos significativas al espectro de absorción total del tejido son la melanina y la grasa.
Melanina
La melanina es un cromóforo que existe en la capa epidérmica de la piel humana responsable de la protección contra la radiación ultravioleta dañina. Cuando los melanocitos son estimulados por la radiación solar, se produce melanina. [7] La melanina es uno de los principales absorbentes de luz en algunos tejidos biológicos (aunque su contribución es menor que la de otros componentes). Hay dos tipos de melanina: eumelanina, que es de color negro-marrón y feomelanina, que es de color rojo-amarillo. [8] Los espectros del coeficiente de extinción molar correspondientes a ambos tipos se muestran en la Figura 3.
gordo
La grasa es uno de los componentes principales del tejido que puede comprender del 10 al 40% del tejido. Aunque no se dispone de muchos espectros de grasa de mamíferos, la Figura 4 muestra un ejemplo extraído de la grasa de cerdo. [9]
Propiedades de dispersión de los componentes del tejido.
La dispersión óptica se produce debido a desajustes en el índice de refracción de los diferentes componentes del tejido, que van desde las membranas celulares hasta las células completas. Los núcleos celulares y las mitocondrias son los dispersores más importantes. [11] Sus dimensiones oscilan entre 100 nm y 6 μm y, por lo tanto, se encuentran dentro de la ventana NIR. La mayoría de estos orgánulos caen en el régimen de Mie y exhiben una dispersión dirigida hacia adelante altamente anisotrópica. [12]
La dispersión de la luz en el tejido biológico se indica mediante el coeficiente de dispersión (), que se define como la probabilidad de dispersión de fotones en el tejido por unidad de longitud de trayectoria. [13] La Figura 5 muestra un gráfico del espectro de dispersión. [14]
Coeficiente de atenuación efectivo
La atenuación de la luz en el tejido biológico profundo depende del coeficiente de atenuación efectivo (), que se define como
dónde es el coeficiente de dispersión del transporte definido como
dónde es la anisotropía del tejido biológico, que tiene un valor representativo de 0,9. La Figura 5 muestra un gráfico del espectro del coeficiente de dispersión de transporte en el tejido mamario, que tiene una dependencia de la longitud de onda de. [15] El coeficiente de atenuación efectivo es el factor dominante para determinar la atenuación de la luz en profundidad. ≫ 1 / .
Estimación de la ventana NIR en tejido
La ventana NIR se puede calcular basándose en el espectro del coeficiente de absorción o el espectro del coeficiente de atenuación efectivo. Un posible criterio para seleccionar la ventana NIR viene dado por el FWHM de la inversa de estos espectros como se muestra en la Figura 7.
Además de la concentración total de hemoglobina, la saturación de oxígeno definirá la concentración de oxi y desoxihemoglobina en el tejido y, por tanto, el espectro de absorción total. Dependiendo del tipo de tejido, podemos considerar diferentes situaciones. A continuación, se supone que la concentración total de hemoglobina es 2,3 mM.
Espectro de absorción para arterias.
En este caso ≈ 98% (saturación arterial de oxígeno). Entonces la oxihemoglobina será dominante en los espectros del coeficiente de absorción total (negro) y de atenuación efectiva (magenta), como se muestra en la Figura 6 (a).
Espectro de absorción de las venas.
En este caso ≈ 60% (saturación de oxígeno venoso). Entonces, la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina tendrán contribuciones similares a los espectros del coeficiente de absorción total (negro) y de atenuación efectiva (magenta), como se muestra en la Figura 6 (b).
Espectro de absorción del tejido mamario
Definir (saturación de oxígeno tisular) (o (índice de saturación tisular)), es necesario definir una distribución de arterias y venas en el tejido. se puede adoptar una relación de volumen sanguíneo arterial-venoso de 20% / 80%. [16] Por lo tanto, la saturación de oxígeno tisular se puede definir como = 0,2 x + 0,8 x ≈ 70%.
Los espectros del coeficiente de absorción total (negro) y de atenuación efectiva (magenta) para el tejido mamario se muestran en la Figura 6 (c). Además, la profundidad de penetración efectiva se representa en la Figura 7.
Ver también
Referencias
- ^ Smith, Andrew M .; Mancini, Michael C .; Nie, Shuming (2009). "Bioimagen: segunda ventana para la obtención de imágenes in vivo" . Nanotecnología de la naturaleza . 4 (11): 710–711. doi : 10.1038 / nnano.2009.326 . ISSN 1748-3387 . PMC 2862008 . PMID 19898521 .
- ^ LV. Wang y HI. Wu, Óptica Biomédica. Wiley. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
- ^ Coeficientes de extinción molar de oxi y desoxihemoglobina compilados por Scott Prahl. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin .
- ^ GM Hale y MR Querry, Constantes ópticas del agua en la región de longitud de onda de 200 nm a 200 µm, Appl. Opt., 12, 555-563, 1973.
- ^ Coeficiente de extinción de la melanina de Steven Jacques. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html .
- ^ RLP van Veen, HJCM Sterenborg, A. Pifferi, A. Torricelli y R. Cubeddu, Reunión temática anual BIOMED de OSA, 2004.
- ^ T. Vo-Dinh, Manual de fotónica biomédica. Taylor y Francis, Inc. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002.
- ^ George Zonios y Aikaterini Dimou, Ioannis Bassukas, Dimitrios Galaris y Argyrios Ysolakidis y Efthimios Kaxiras, J. Biomed. Opc., Volumen 13, 014017, 2008.
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- ^ S. Jacques, C. Newman, D. Levy y A. von Eschenbach. Univ. del Centro Oncológico MD Anderson de Texas, 1987.
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- ^ S. Nioka, S. Wen, J. Zhang, J. Du, X. Intes, Z. Zhao y B. Chance, Estudio de simulación de la hemodinámica del tejido mamario durante la perturbación de la presión. Transporte de oxígeno al tejido XXVI 566, 17-22, 2006.