Contribución al desarrollo de técnicas para la caracterización de tejidos biológicos mediante biopsia óptica
- Autores: Noé Ortega Quijano
- Directores de la Tesis: José Luis Arce Diego (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Salvador Bracho (presid.), Rafael Valiente Barroso (secret.), Pablo Loza Álvarez (voc.), Juan Manuel Bueno García (voc.), Christoph Hitzenberger (voc.)
- Materias:
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- Resumen
El diagnóstico médico de patologías se realiza de forma estándar mediante la biopsia convencional, que consiste en la extracción de muestras de tejidos biológicos del organismo y en el posterior examen microscópico de sus características histológicas. A pesar de su inestimable valor clínico, la biopsia convencional presenta varias limitaciones, entre las cuales las más importantes se deben a su carácter invasivo. La biopsia óptica es un nuevo método de estudio histológico que comprende varias técnicas de caracterización de tejidos in vivo, in situ y en tiempo real, con una elevada resolución, de forma no invasiva, sin necesidad de contacto, y empleando radiación no ionizante.
El objetivo de este trabajo es contribuir a la mejora del contraste y de la profundidad de penetración de las técnicas para caracterización de tejidos biológicos mediante biopsia óptica. El trabajo se centra principalmente en la polarimetría de Mueller como método para mejorar el contraste en tejidos birrefringentes despolarizantes, y se complementa con el estudio de endoscopios basados en fibra para aplicaciones mínimamente invasivas y con la implementación de técnicas no lineales para aumentar la profundidad de penetración.
En primer lugar, se definen las propiedades ópticas de los tejidos biológicos a partir de las características opto-geométricas de sus componentes, y se describe el método general de la matriz T para el estudio del esparcimiento simple producido por partículas arbitrarias, del que se derivan los casos particulares de la teoría de Lorentz-Mie para partículas esféricas y la aproximación de Rayleigh. Posteriormente, se discuten los métodos para el modelado de la propagación óptica en tejidos biológicos en condiciones de esparcimiento múltiple y con la presencia de efectos de anisotropía, y los métodos numéricos de FDTD y Monte Carlo en polarización se aplican al estudio de la propagación óptica continua y pulsada en tejidos con diferentes propiedades ópticas.
El formalismo de Jones y el cálculo de Mueller son los principales métodos matriciales para el tratamiento de luz polarizada y la caracterización de medios ópticos. El cálculo de Mueller es especialmente adecuado para el estudio de tejidos biológicos, ya que permite caracterizar medios despolarizantes. Estos formalismos se desarrollan convenientemente, revisando las condiciones para la realizabilidad física de una matriz de Mueller, además de las expresiones que relacionan el conjunto de matrices de Mueller no despolarizantes con las matrices de Jones.
Asimismo, se presentan el formalismo diferencial de Jones y el cálculo diferencial de Mueller, y se ofrece la extensión de este último al caso general de medios anisótropos despolarizantes, que constituye una de las aportaciones fundamentales del presente trabajo. Para ello, se estudia en primer lugar la analogía existente entre el cálculo de Mueller y los generadores de transformaciones en el espacio de Minkowski. Se pone de manifiesto el paralelismo entre los generadores de Lorentz, ampliamente estudiados en el contexto de la Teoría Especial de la Relatividad, y las matrices diferenciales de Mueller para propiedades ópticas anisótropas no despolarizantes. Una vez analizados estos aspectos, se presenta la obtención de las matrices diferenciales de Mueller para efectos de despolarización, que se lleva a cabo mediante teoría de grupos a partir de la introducción de nuevas matrices generadoras para efectos básicos de despolarización conocidos y de la conmutación de estas matrices con los generadores de Lorentz. Las 9 matrices diferenciales de Mueller despolarizantes que resultan de estas operaciones suponen una contribución esencial, ya que completan el conjunto de 16 matrices diferenciales de Mueller para el caso general de medios anisótropos despolarizantes.
La obtención de los parámetros polarimétricos correspondientes a una cierta matriz de Mueller medida se realiza por medio de diversos métodos de descomposición matricial disponibles, que se analizan en detalle. Estos métodos se aplican al análisis de tejidos biológicos medidos en transmisión y retroesparcimiento para obtener sus propiedades despolarizantes y anisótropas, y se identifican varios casos de interés clínico en los que los parámetros de despolarización del medio permiten discriminar tejido sano de tejido patológico y prepatológico.
En tejidos biológicos, los efectos ópticos tienen lugar simultáneamente y de forma distribuida a lo largo del medio, por lo que resulta necesario desarrollar métodos de descomposición independientes del orden en que se producen estos efectos. En este trabajo se propone la descomposición diferencial de Mueller, un nuevo método de descomposición de la matriz de Mueller especialmente adecuado para su aplicación al análisis de tejidos biológicos. Esta descomposición se valida experimentalmente para muestras con parámetros ópticos controlados y diferentes características, en términos de número, orden y conmutatividad de efectos ópticos, y se aplica al análisis de muestras histológicas de tejidos biológicos caracterizadas mediante un polarímetro de Mueller de imagen microscópica, lo que permite corroborar la validez y robustez de este método.
Los métodos polarimétricos desarrollados y aplicados en este trabajo constituyen una contribución a la mejora del contraste de las técnicas para biopsia óptica, lo que conlleva un elevado potencial para el diagnóstico de patologías. Sin embargo, en primera instancia la aplicación no invasiva de técnicas ópticas para la caracterización de tejidos biológicos restringe su campo de aplicación a órganos superficiales de fácil acceso, como por ejemplo la piel o el ojo. Esta limitación se puede superar mediante el uso de endoscopios flexibles basados en fibra óptica, que permiten acceder a las cavidades y órganos internos del cuerpo humano de forma mínimamente invasiva. En este trabajo se analizan los factores que limitan la calidad de estos dispositivos. Concretamente, se establecen los criterios para maximizar el área transversal activa y para evitar la degradación de la resolución producida por los modos leaky, se estudia el efecto del acoplo en el contraste, así como la influencia de la inhomogeneidad de los núcleos en el mismo, y se propone un método general de diseño optimizado que se puede incorporar a técnicas mínimamente invasivas de caracterización de tejidos biológicos para biopsia óptica basadas en fibra.
Otra de las limitaciones de las técnicas ópticas es la escasa profundidad de penetración de la luz en los tejidos biológicos. En la parte final de este trabajo se analiza el empleo de técnicas ópticas no lineales para aumentar la profundidad de penetración de la radiación óptica en tejidos. En particular, se modela la conjugación de fase óptica para la compensación del efecto del esparcimiento en la propagación óptica en tejidos biológicos. La implementación experimental del espejo de fase conjugada se realiza mediante un montaje de mezcla de cuatro ondas degenerada basado en holografía dinámica, lo que permite verificar experimentalmente el efecto de supresión del esparcimiento.
