Estudio de la difusión de la luz en medios multicapas y sus aplicaciones en Óptica Biomédica - García, Héctor Alfredo (2017)
En el presente trabajo presentamos un análisis de la propagación de la luz en medios fuertemente dispersivos y de baja capacidad de absorción, denominados medios turbios, compuestos por capas de características ópticas bien de nidas, haciendo uso de la espectroscopía en el infrarrojo cercano (o NIRS, por Near InfraRed Spectroscopy). Esto tiene aplicaciones directas al análisis de la hemodinámica cerebral, que ofrece información valiosa sobre la manera en que diferentes tipos de lesiones y/o estímulos externos afectan al ujo sanguíneo en el cerebro y a la circulación de los distintos compuestos presentes en ella, como el oxígeno y la glucosa. En este sentido, el cerebro puede pensarse como un medio recubierto por el cuero cabelludo, el cráneo y el líquido encefalorraquídeo, entre otros componentes, conformando así un sistema multicapas. En particular, resulta de interés la determinación de los cambios de absorción ocurridos en la zona del cortéx y su relación con los estímulos antes mencionados, minimizando la in uencia de las capas super ciales. Experimentalmente, este estudio es posible mediante la inyección de luz a través de láseres pulsados ultracortos (del orden de los picosegundos) y el uso de bras de detección que dirigen la radiación recolectada hacia fotomultiplicadores adecuados. Las señales allí originadas son registradas en un sistema de conteo de fotones, y se obtienen así distribuciones de tiempos de vuelo de los mismos, que guardan información sobre el comportamiento óptico del sistema bajo estudio. Planteada en estos términos, la espectroscopía NIR se presenta como una herramienta promisoria que permite complementar otras técnicas de muestreo y detección en tejidos vivos, como la tomografía por emisión de positrones o el monitoreo por rayos X, aportando ventajas propias y minimizando o incluso paliando las desventajas de estas últimas. Sin embargo, el uso de la radiación infrarroja en estudios biomédicos aún se encuentra bajo desarrollo, y su aplicación directa a sistemas in vivo es, todavía, motivo de estudio. Por ello se suele recurrir preferentemente a simulaciones por computadora y a experimentos sobre fantomas, que son sustancias preparadas en el laboratorio con el n de emular el comportamiento óptico de los tejidos biológicos. Luego, el análisis tanto de los datos numéricos como de los experimentales se realiza a posteriori gracias a la ayuda de modelos teóricos desarrollados especí camente para este tipo de problemas. En esta línea, el aporte más signi cativo de este trabajo es la obtención de un modelo que describe la propagación de la luz en medios compuestos por varias capas, que resulta matemáticamente más simple y computacionalmente más veloz que otros modelos ya existentes. Este modelo fue validado, primero, mediante experimentos en fantomas, lo que requirió el desarrollo de un protocolo de preparación que garantizara, entre otras cosas, repetitividad; y segundo, mediante simulaciones numéricas de Monte Carlo implementadas en placas grá cas. Esta tesis de doctorado se encuentra estructurada de la siguiente manera. En el Capítulo 1 discutimos las bondades que presenta la Óptica Biomédica frente a otras técnicas de diagnóstico, y la importancia que tiene para la misma el estudio de la propagación de la luz en medios fuertemente dispersivos. En el Capítulo 2 introducimos los principales conceptos que nos permiten de nir un medio turbio, y presentamos también los diferentes enfoques teóricos que ayudan a describir el comportamiento óptico en diversos tipos de medios, haciendo particular hincapié en el modelo de difusi ón de la luz en cilindros multicapas con una última capa de espesor in nito. En el Capítulo 3 describimos detalladamente el método de preparaci ón de fantomas de dos y tres capas, y los experimentos llevados a cabo sobre los mismos mediante la técnica de conteo de fotones correlacionados temporalmente, en la con guración de optodos fuente-detector conocida como single-distance. En el Capítulo 4 hacemos mención detallada de las simulaciones numéricas de Monte Carlo empleadas como complemento de la parte experimental, e introducimos, en un intento por emular la presencia del líquido encefalorraquídeo, los pormenores relacionados con la propagación de la luz en medios de tres capas cuando la capa intermedia no es difusiva, sino semitransparente. En el Capítulo 5 presentamos y discutimos los resultados obtenidos tanto de las experiencias de laboratorio como de las simulaciones de Monte Carlo. Por último, cerramos el trabajo con las Conclusiones pertinentes, estableciendo hacia el nal algunas líneas de trabajo a futuro.