Contribución a la aplicación de técnicas ópticas al tratamiento y la caracterización de tejidos biológicos

Resum

Este trabajo de tesis trata sobre técnicas ópticas aplicadas al tratamiento y la caracterización de tejidos biológicos. En él se exponen los fundamentos de la interacción entre la radiación óptica y los tejidos biológicos. Se realiza una aproximación de naturaleza cuántica y electromagnética a la interacción luz-materia, para tratar los diferentes mecanismos que pueden producirse, y se describen los posibles efectos de esta interacción. Los tipos básicos de tejidos biológicos se clasifican y describen bajo el punto de vista morfoestructural. Esto permite abordar sus propiedades ópticas más relevantes. Mediante dichas propiedades se puede modelar la propagación de la radiación en tejidos biológicos, fundamental para estimar el efecto del tratamiento o el resultado del diagnóstico óptico. En primer lugar se estudia la Termoterapia aplicada a tejidos biológicos, basada en el efecto termo-óptico que produce la interacción luz-tejido. La distribución térmica y la del posible daño térmico se modelan y se predicen en función de los parámetros del tratamiento. De esta forma se consigue una adecuada planificación del mismo, maximizando su eficacia y minimizando los efectos colaterales, bien al mismo tejido o bien a tejidos sanos adyacentes. Se realizan medidas de temperatura sobre tejidos biológicos animales in vitro irradiados por láser mediante una estancia en la Universidad Estatal de Bielorrusia. La Termoterapia se aplica a afecciones de la laringe y las cuerdas vocales, en colaboración con el Centro de Foniatría y Logopedia de Cantabria, y a lesiones cutáneas. Se obtienen las distribuciones de temperatura y daño térmico correspondientes a distintos parámetros del procedimiento, y se proponen los más adecuados. Se analiza también la optimización del método numérico de resolución del sistema termo-óptico. A continuación se analiza la Terapia Fotodinámica. Este tratamiento óptico es de gran importancia por cuanto supone la destrucción de tejido maligno con gran selectividad y eficacia, y de forma no invasiva. Se analiza el mecanismo fotoquímico del procedimiento y se trata de predecir el resultado del tratamiento en función de los parámetros del mismo. Los protocolos clínicos son rígidos e independientes de la lesión y del paciente, por lo que si se modela el proceso se pueden optimizar los parámetros del mismo y por tanto su eficacia. Los resultados se aplican al cáncer de esófago y a patologías cutáneas, donde los estudios clínicos del Hospital Universitario Marqués de Valdecilla reflejan recidiva en ciertas lesiones. En cuanto a las técnicas de caracterización óptica de tejidos biológicos, se estudia la polarización de la radiación en tejidos biológicos como parámetro de diagnóstico adicional a la información de intensidad óptica. Se exponen diferentes métodos de análisis de la polarización de la radiación óptica, y se presentan las características polarimétricas de los tejidos biológicos, complejas por ser medios turbios. Los cambios polarimétricos producidos por los tejidos biológicos pueden ser interpretados para mejorar el diagnóstico de patologías. Se analizan suspensiones de microesferas y glucosa de diferente concentración, que imitan los tejidos biológicos, mediante polarimetría, para comprobar la sensibilidad de los parámetros polarimétricos con respecto a la muestra. Este tipo de técnicas podría ser de interés para el diagnóstico de patologías como la anemia o los cultivos de células cancerígenas. También se analiza la respuesta en polarización de tejidos biológicos multicapa. La morfoestructura de gran número de tejidos biológicos hace que sus propiedades ópticas cambien siguiendo una estructura de capas apiladas. Se expone la teoría de análisis de medios multicapa isótropos, isótropos periódicos y anisótropos. Cuando además estas capas se disponen de manera curva y cada una de ellas es anisótropa con orientación arbitraria, el problema no se resuelve de manera adecuada con las aproximaciones actuales. Se propone la matriz extendida de Jones como método de análisis de tejidos polarimétricos multicapa con incidencia no normal compuestos mayoritariamente por fibras de colágeno con orientación arbitraria. Los resultados permiten predecir la respuesta obtenida por una técnica polarimétrica y, por tanto, establecer una relación entre la imagen y la estructura del tejido, lo que es fundamental en el diagnóstico. Los resultados se aplican al cartílago hialino, presente por ejemplo en la rodilla y cuya degradación provoca osteoartritis. A partir de los resultados se puede mejorar el diagnóstico puesto que se conoce la respuesta del tejido sano. Se analiza la Tomografía de Coherencia Óptica Sensible a la Polarización (PS-OCT), como una variante de la Tomografía de Coherencia Óptica que añade la información polarimétrica a las imagénes tomográficas de los tejidos biológicos. El método polarimétrico para medios multicapa con incidencia no normal compuestos mayoritariamente por fibras de colágeno con orientación arbitraria se aplica a la parte anterior del ojo, en concreto a la córnea. Se analizan las imágenes de PS-OCT de la córnea obtenidas mediante una estancia en el Centro de Ingeniería Biomédica y Física Médica de la Universidad Médica de Viena y se interpretan de acuerdo al modelo anterior. A partir de los resultados se puede mejorar el diagnóstico de las patologías de la córnea como el queratocono, y el de las afecciones del fondo de ojo mediante compensación. Por último se trata el empleo de la fase de la radiación en la mejora del diagnóstico de tejidos biológicos mediante el efecto no lineal de la conjugación de fase óptica producida por mezcla de cuatro ondas degenerada. Se describen los efectos ópticos no lineales genéricos, y el análisis se centra en la mezcla de cuatro ondas. Se aborda la eficiencia del proceso de generación de este efecto no lineal, teórica y experimentalmente con las medidas realizadas mediante una estancia en el Laboratorio de Óptica No Lineal de la Universidad Estatal de Bielorrusia en Minsk. La mezcla de cuatro ondas puede generar una señal de fase conjugada. Esta señal de fase conjugada invierte temporalmente la propagación de la radiación, de tal manera que se rehace el camino óptico recorrido en el interior de por ejemplo un tejido biológico. Este efecto se analiza teórica y experimentalmente de forma preliminar. Los resultados muestran que se puede suprimir el efecto del esparcimiento, con lo que se podría controlar mejor la ubicación espacial de la radiación y mejorar el diagnóstico de zonas no accesibles hasta el momento.