Estudio de medios difusivos con heterogeneidades de bajo scattering : detección y caracterización óptica en 3D. - Pardini, Pamela Alejandra (2018)
En esta tesis se presenta el estudio de medios difusivos que contienen heterogeneidades localizadas traslúcidas, es decir, no difusivas. La peculiaridad de los tejidos blandos de permitir a la luz de longitud de onda dentro de una ventana entre los 600 a 1000 nanómetros a penetrarlos algunos centímetros, hace a esta radiación en el infrarrojo cercano una herramienta no invasiva con potencial uso en estudios médicos. Sin embargo, estos tejidos no permiten la propagación de luz en este rango espectral en forma rectilínea, sino que se presentan como difusivos, deteriorándose así la resolución espacial de las imágenes que pueden obtenerse de ellos. De esta forma es necesario desarrollar técnicas experimentales y estrategias de análisis de datos específicas para poder obtener información óptica de los mismos. A lo largo de la tesis se presentará tanto un análisis topográfico, con resolución en dos dimensiones, como tomográfico, el que permite una reconstrucción de todo el volumen bajo estudio. Es de particular interés para este trabajo la aplicación a la mamografía, dado que el tejido mamario puede sufrir diferentes tipos de lesiones, tales como tumores o quistes. El estudio se realiza sobre fantomas, que son émulos de tejido que imitan sus propiedades ópticas y que contienen inclusiones que representan tumores y/o quistes, con la nalidad principal de estudiar cómo es la influencia de este último tipo de alteraciones, cuyas características ópticas son no difusivas, inmersas en medios difusivos, sobre las imágenes ópticas y el transporte de la luz en estos medios. El principal objetivo de este trabajo se centra en la localización 3D y caracterización óptica de heterogeneidades traslúcidas en medios turbios, y se enmarca dentro de uno de los objetivos generales del grupo de Óptica Biomédica (IFAS-CIFICEN-UNCPBA) orientado al desarrollo de técnicas ópticas, como es la tomografía óptica difusa, y al desarrollo de algoritmos que permitan reconstruir estos tejidos con diferentes tipos de heterogeneidades, ya sean quistes o tumores. Dada la característica óptica difusiva de los tejidos blandos en general, y del mamario en particular, el transporte de luz en ellos puede tratarse haciendo una aproximación sobre el modelo que lo describe. La ecuación de transferencia radiativa es la descripción más completa del transporte de radiación infrarroja en medios biológicos, pero habitualmente es posible utilizar la aproximación difusiva, válida para la mayoría de los tejidos blandos, para modelar el transporte de la luz en ellos. Sin embargo, esta aproximación falla en ciertos casos, en los cuales la absorción es muy alta y/o el scattering muy bajo. Como ejemplo se puede citar al fluido cerebro-espinal, los riñones y los quistes. A lo largo de este trabajo se evalúan medidas topográficas y tomográficas. Las primeras permiten una localización de las inclusiones en el plano y las segundas una caracterización más específica, tanto del medio como de las inhomogeneidades, permitiendo no sólo una localización 3D sino también la obtención de las propiedades de absorción y scattering, tanto del medio huésped como de las heterogeneidades inmersas. Para el primer tipo de medidas se utilizan, por un lado, técnicas de onda continua, empleando un láser en el infrarrojo cercano y una cámara CCD como detector, analizando imágenes de transmitancia de campo completo; y por otro lado se emplean técnicas resueltas en el tiempo, con un láser pulsado, de alta tasa de repetición y de duración de pulso de algunos picosegundos, y un esquema de detección de conteo de fotones individuales. Este esquema es útil para dos fines: i) estudiar las propiedades ópticas (coeficiente de absorción y coeficiente reducido de scattering) que se obtienen a partir del ajuste de las curvas experimentales a la teoría, dada por la ecuación de difusión, y ii) para estudiar las variaciones de dichas curvas temporales debidas a la presencia de inhomogeneidades localizadas de características ópticas diferenciadas. Para realizar las medidas del tipo tomográficas se emplea un láser de picosegundos en el infrarrojo cercano y el mismo sistema de conteo de fotones, obteniendo curvas de distribuciones de tiempo de vuelo de los fotones que atraviesan el medio difusivo. En el caso de la reconstrucción tomográfica (es decir, la obtención de los parámetros ópticos en todo el volumen) se emplea la aproximación difusiva, la más utilizada por la comunidad por ser un modelo menos demandante que la ecuación de transferencia radiativa, y que ajusta perfectamente a los tejidos biológicos tipo mamarios de ciertos espesores. Pero como dicha aproximación no aplica a los casos poco o nada difusivos se requiere de otro ajuste cuando en los medios existen zonas casi transparentes. Por tal motivo se presenta una propuesta de corrección de modelo, basada en la idea de corregir discrepancias provenientes de utilizar un modelo que no es estrictamente correcto, en este caso la aproximación difusiva, en todo un volumen difusivo pero con inclusiones que no cumplen dicha aproximación. Las correcciones se obtienen basadas en la ecuación de transferencia radiativa, que es la que describe correctamente el transporte de luz en medios biológicos, pero es de mucha complejidad y tiene alto costo computacional. A este procedimiento se lo conoce como error de modelo, y haciendo uso de él es posible reducir este costo. Se propone aquí, por un lado, una evaluación de fantomas difusivos fabricados con diferentes materiales, incorporando heterogeneidades localizadas de baja y nula difusividad, validando su uso en técnicas de onda continua (transmitancia de campo completo) y resueltas en el tiempo (transiluminancia) empleados por el grupo de investigación en el que se desarrolla este trabajo. Para este fin, se utilizan fantomas líquidos, a base agua, leche y tinta de impresora; fantomas sólidos a base de agua con el agregado de agarosa con inclusiones líquidas traslúcidas, fabricadas a partir de la implementación de una técnica de esferificación inversa de la cocina molecular, utilizada aquí por primera vez con este fin; y fantomas de resinas epoxy. Durante el desarrollo de esta tesis se evalúa la calidad y la versatilidad de todos estos fantomas aplicados en los distintos sistemas de medición y registro de imágenes empleados. Por otro lado, como parte de uno de los objetivos principales de este trabajo de tesis, se plantea la realización de medidas tomográficas que permitan no sólo detectar la ubicación de heterogeneidades localizadas que simulan tumores y quistes en mamas, sino además el desafío aún mayor, su caracterización óptica. Así es que se presenta una caracterización en tres dimensiones de fantomas líquidos difusivos con dos inclusiones, una de cada tipo: difusiva y absorbente, imitando un tumor, y no difusiva, imitando un quiste, obteniendo la distribución en todo el volumen de estudio de las propiedades ópticas a partir de la reconstrucción tomográfica. Esto representa una validación experimental del error de modelo, para el cual, si bien ya existen trabajos donde es empleado, se encuentra evaluado sólo en fantomas numéricos. Los resultados y conclusiones alcanzados demuestran la admisibilidad de la utilización de fantomas difusivos con heterogeneidades localizadas poco y no difusivas en los sistemas de medida establecidos en el grupo de investigación, completando los diferentes casos de estudio reales para la aplicación de las técnicas ópticas aquí presentadas, para su aplicación a mamografía óptica. La principal contribución de este trabajo es una primera comprobación experimental de la aplicabilidad del uso de la metodología de error de modelo para sistemas de reconstrucción tomográfica en tres dimensiones, estudiado para un fantoma difusivo con heterogeneidades localizadas no difusivas. La tesis está organizada de la siguiente manera: En el Capítulo 1 se presenta una introducción indicando el interés del estudio de la propagación de luz infrarroja en medios biológicos, y a la técnica de óptica difusa como plausible para su aplicación en el diagnóstico por imágenes, como complemento de otras técnicas ya estandarizadas. En el Capítulo 2 se introducen las principales teorías que describen la propagación de la radiación del infrarrojo cercano, es decir, la ecuación de transferencia radiativa, la aproximación difusiva y el método de error de modelo. En el Capítulo 3 se describen los experimentos desarrollados para la evaluación de las técnicas empleadas, de onda continua y resueltas en el tiempo, en experimentos topográficos y tomográficos. En el Capítulo 4 se presentan los principales resultados y el análisis de los mismos, evaluando la aplicabilidad de éstas técnicas sobre fantomas difusivos con inclusiones traslúcidas inmersas. Por último, en el Capítulo 5 se dan las principales conclusiones y las propuestas de trabajo futuro.