Estudio de medios difusivos con inhomogeneidades fluorescentes inmersas por medio de imágenes de transmitancia en el infrarrojo cercano - Waks Serra, María Victoria (2017)
Este trabajo de tesis es una síntesis de los trabajos realizados durante los últimos cinco años, en el Instituto de Física Arroyo Seco, dependiente de la unidad ejecutora CIFICEN y el CONICET, y la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Fue realizada, además, gracias a una beca de doctorado otorgada por el CONICET. El objetivo principal es el estudio de la propagación de la luz en medios tipo biológicos, inhomogéneos (con el agregado de agentes de contraste fluorescentes), por medio de transmitancia difusa con fluorescencia, es decir, estudiando la luz que emerge de la cara opuesta a la que se ilumina. En particular se pretende determinar los límites de la técnica, para inclusiones absorbentes y fluorescentes cuando se encuentran inmersas en un medio también absorbente y fluorescente, pero con concentraciones menores de elementos absorbentes y de fluoróforo. Es necesario, además, determinar si existen ventajas en el uso de la fluorescencia, en contraste con su no utilización. Esta técnica tiene importantes aplicaciones en la Biomedicina, particularmente en la detección de tumores en mamas. El cáncer de mama es el tipo de cáncer más frecuente entre las mujeres, alcanzando 1.7 millones de casos detectados en 2012. Esto representa alrededor del 12% de todos los cánceres detectados, y alrededor del 25% de los detectados en mujeres. Puede ocurrir tanto en hombres como en mujeres, aunque es infrecuente en los primeros. El método de diagnóstico actual es la mamografía por rayos X en conjunto con ecografías y análisis químicos. La mamografía tradicional no solo puede llegar a ser contraproducente, debido a que los rayos X es un tipo de radiación ionizante, sino que es solo cualitativa, ya que no es posible determinar a priori entre tumores malignos y benignos. La mamografía optica difusa ha surgido en las últimas décadas, en principio no como un reemplazo, sino como un complemento de las técnicas bien establecidas. Al emplear radiación en la zona del espectro del infrarrojo cercano se evitarían los posibles efectos secundarios y se podría emplear no solo como técnica de detección sino también como control post operatorio o de terapias neoadyuvantes, abriéndose la posibilidad de realizar exámenes diarios para controlar la evolución del paciente. Los experimentos fueron realizados sobre fantomas, es decir, medios turbios construidos con propiedades ópticas similares a las de los tejidos biológicos. La transmitancia se realiza iluminando el fantoma con una luz continua cuya longitud de onda se encuentra en la zona del infrarrojo cercano (NIR), y capturando imágenes del fantoma, con una cámara EMCCD (Electron Multiplying CCD). La técnica utilizada se basa en mejorar la detección de la inclusión, es decir, el contraste de la imagen, a partir de un proceso de normalización de las mismas. Se estudiaron los componentes absorbentes y difusivos de los fantomas, haciendo hincapié en los primeros. Esto se ve motivado por el hecho de que la absorción intrínseca en el NIR de un tejido es principalmente debida a la hemoglobina. Una de las características principales de los tumores es el aumento localizado de la absorción en la zona dónde éstos se desarrollan, debido fundamentalmente al incremento del volumen de hemoglobina causado por la red de capilares que se forma alrededor de ellos para el transporte de la sangre que alimenta a sus células y les permite crecer. Por ello se estudiaron distintas opciones de elementos absorbentes: tintas chinas (usualmente empleadas en estos experimentos) y una tinta de impresora. En cuanto a los dispersores, se comparó la estabilidad temporal de fantomas preparados con distintos elementos: leche e Intralipid. A modo de aumentar la señal de contraste en las imágenes obtenidas, se estudió la incorporación de una molécula fluorescente, en este caso la indocianina verde (ICG) para marcar la posible zona tumoral. La inclusión de métodos de contraste extrínseco es una práctica común en la medicina, y la indocianina verde tiene la ventaja de ser inocua para el cuerpo, estando ya aprobada para su uso por los gobiernos de distintos países. Todo esto es posible debido a la vascularización que suele producirse alrededor de los tumores; la indocianina tiende a acumularse en esta región por más tiempo que en el resto del cuerpo, por lo que su concentración, relativa a la zona que rodea al tumor, aumenta con el tiempo, hasta llegar a un máximo. Luego decrece hasta desaparecer completamente, siendo metabolizada. Para simular este proceso, se estudiaron distintas concentraciones de indocianina en la inhomogeneidad y en el medio. Se analizaron entonces fantomas con inclusiones dos veces más absorbentes que el medio, y con el agregado de moléculas fluorescentes tanto en el medio como en la inclusión. Es importante notar que utilizar una inhomogeneidad solo dos veces más absorbente que el huésped es una situación muy exigente; en los trabajos reportados previamente por otros autores, suelen emplear contrastes de cinco veces más absorción, en adelante. En cuando a la fluorescencia, la mayoría de los trabajos reportan haber usado concentraciones altas de ICG (mayores a 200 nM), y solo en la inhomogeneidad; en este trabajo se pretende estudiar casos más realistas, con el fluoróforo presente tanto en la inclusión como en el medio, y en concentraciones más bajas. La detección de la inclusión se estudió dependiendo de la proporción del fluoróforo con respecto al medio, la distancia al eje óptico del sistema, y la distancia entre la inhomogeneidad y las super cies del fantoma. Se analizaron para ello tanto las imágenes de absorción como las de fluorescencia. La tesis está diagramada de la siguiente manera: en el Capítulo 1 se hará una revisión desde el punto de vista histórico de cómo los métodos de diagnóstico médico han evolucionado a lo largo del tiempo, apuntando a las aplicaciones médicas que este trabajo puede aportar; en el Capítulo 2 se presentarán los aspectos generales de los tumores, que son la base para el desarrollo de experimentos lo más realistas posibles, en cuanto a su semejanza con los casos clínicos; en el Capítulo 3 se realizará una descripción teórica sobre el transporte de la luz en un medio turbio, describiéndose además las geometrías de estudio; en el Capítulo 4 se describirá la técnica para determinar las propiedades ópticas de los medios turbios; en el Capítulo 5, se describirán los métodos para elaborar los fantomas que se estudiarán. El Capítulo 6 presenta un estudio de los materiales empleados para la elaboración de dichos fantomas, centrándose especialmente en los agentes absorbentes. Finalmente, en el Capítulo 7 de hará una descripción de los experimentos de transmitancia difusa, y en el Capítulo 8 se presentarán los resultados obtenidos en dichos experimentos. En el Capítulo 9 se expondrán las conclusiones a las que se llegaron a partir de los resultados obtenidos. Podemos afirmar en esta tesis que la incorporación de agentes fluorescentes de contraste del tipo de la ICG aportan una notable mejora en la detección de inclusiones absorbentes aún cuando las concentraciones relativas son cercanas.