Imágenes ópticas médicas

La imagen óptica médica consiste en el uso de la luz como técnica de imagen para aplicaciones médicas , un campo en el que fue pionero el químico físico estadounidense Britton Chance . Algunos ejemplos son la microscopía óptica , la espectroscopia , la endoscopia , la oftalmoscopia láser de barrido , la imagen Doppler láser , la tomografía de coherencia óptica y la imagen óptica transdérmica . Dado que la luz es una onda electromagnética , se producen fenómenos similares con los rayos X , las microondas y las ondas de radio .

Los sistemas de imágenes ópticas se pueden dividir en sistemas de imágenes difusivas ^{[ 1 ] [ 2 ]} y balísticas ^{[ 3 ] . Bonner et al. [ 2 ]} desarrollaron un modelo para la migración de fotones en medios biológicos turbios. Este modelo se puede aplicar para interpretar datos obtenidos de monitores de flujo sanguíneo por láser Doppler y para diseñar protocolos de excitación terapéutica de cromóforos tisulares.

La imagen óptica difusa ( DOI ) es un método de imagen que utiliza espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) ^{[ 4 ]} o métodos basados ​​en fluorescencia. ^{[ 5 ]} Cuando se utiliza para crear modelos volumétricos 3D del material de imagen, la DOI se denomina tomografía óptica difusa , mientras que los métodos de imagen 2D se clasifican como topografía óptica difusa .

Esta técnica tiene numerosas aplicaciones en neurociencia, medicina deportiva, monitorización de heridas y detección de cáncer. Generalmente, las técnicas DOI monitorizan los cambios en las concentraciones de hemoglobina oxigenada y desoxigenada, y pueden medir adicionalmente los estados redox de los citocromos. Según su aplicación, también se la conoce como tomografía óptica difusa (DOT), tomografía óptica de infrarrojo cercano (NIROT) o tomografía óptica difusa de fluorescencia (FDOT).

En neurociencia, las mediciones funcionales realizadas utilizando longitudes de onda NIR, técnicas DOI, pueden clasificarse como espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS).

Los fotones balísticos son aquellosque viajan en línea recta a través de un medio dispersivo ( turbio ) .También se les conoce como luz balística . Si se envían pulsos láser a través de un medio turbio, como la niebla o el tejido corporal , la mayoría de los fotones se dispersan aleatoriamente o se absorben. Sin embargo, en distancias cortas, algunos fotones atraviesan el medio dispersivo en línea recta. Estos fotones coherentes se denominan fotones balísticos. Los fotones que se dispersan ligeramente, conservando cierto grado de coherencia , se denominanfotones serpenteantes .

Si se detectan de manera eficiente, los fotones balísticos tienen numerosas aplicaciones, especialmente en sistemas de imágenes médicas coherentes de alta resolución . Los escáneres balísticos (que utilizan compuertas de tiempo ultrarrápidas) y la tomografía de coherencia óptica (OCT) (que utiliza el principio de interferometría ) son solo dos de los sistemas de imágenes más utilizados que se basan en la detección de fotones balísticos para crear imágenes limitadas por difracción . Una ventaja sobre otras modalidades de imagen existentes (por ejemplo, ultrasonido e imágenes por resonancia magnética ) es que la imagen balística puede alcanzar una resolución mayor, del orden de 1 a 10 micrómetros, aunque tiene una profundidad de imagen limitada. Además, a menudo también se miden fotones "cuasi-balísticos" más dispersos para aumentar la "intensidad" de la señal (es decir, la relación señal-ruido ).

Debido a la reducción exponencial (con respecto a la distancia) de los fotones balísticos en un medio dispersivo, a menudo se aplican técnicas de procesamiento de imágenes a las imágenes balísticas capturadas en bruto para reconstruir imágenes de alta calidad. Las modalidades de imagen balística buscan rechazar los fotones no balísticos y conservar los fotones balísticos que contienen información útil. Para ello, se utilizan características específicas de los fotones balísticos frente a los no balísticos, como el tiempo de vuelo mediante imágenes con compuerta de coherencia, la colimación, la propagación del frente de onda y la polarización. ^{[ 6 ]}

La imagen fotoacústica (también conocida como imagen optoacústica) es una modalidad híbrida que combina un alto contraste óptico con la alta resolución espacial del ultrasonido. Se basa en el efecto fotoacústico, donde los pulsos láser absorbidos inducen una expansión termoelástica transitoria, generando ondas ultrasónicas. Dado que el ultrasonido se dispersa significativamente menos que la luz en el tejido biológico, la imagen fotoacústica puede lograr imágenes de alta resolución a profundidades (hasta varios centímetros) que superan los límites de la imagen óptica balística. Entre sus principales aplicaciones se incluyen la imagen vascular, el mapeo funcional del cerebro y la caracterización de tumores basada en los niveles de oxigenación de la hemoglobina. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Más allá del contraste endógeno proporcionado por moléculas como la hemoglobina , la melanina y el agua, la imagen óptica médica suele emplear agentes de contraste exógenos para mejorar la sensibilidad y la especificidad. Las sondas de imagen molecular, como los colorantes fluorescentes (por ejemplo, el verde de indocianina ), las nanopartículas y los anticuerpos dirigidos, pueden utilizarse para visualizar marcadores moleculares específicos de enfermedades a nivel celular. Esto permite un diagnóstico más temprano y un seguimiento personalizado del tratamiento, al proporcionar información sobre los procesos biológicos antes de que se produzcan cambios anatómicos. ^{[ 9 ]}

• Oftalmología: La tomografía de coherencia óptica (OCT) se ha convertido en el método de referencia para el diagnóstico de enfermedades de la retina, como la degeneración macular y el glaucoma, al proporcionar mapas microscópicos transversales de la retina.
• Oncología: La cirugía guiada por fluorescencia (CGF) utiliza agentes de contraste óptico como el verde de indocianina (ICG) o el ácido 5-aminolevulínico (5-ALA) para ayudar a los cirujanos a identificar los márgenes del tumor en tiempo real durante la neurocirugía y las resecciones de cáncer. ^{[ 10 ]}
• Gastroenterología: La endoscopia avanzada, incluida la endomicroscopía láser confocal, permite realizar "biopsias ópticas", lo que posibilita la detección de lesiones precancerosas a nivel celular sin la extirpación física del tejido. ^{[ 11 ]}

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• Imágenes Doppler láser

• Grupo de Óptica Médica en ICFO, Barcelona, ​​España
• Comprender la imagen en el infrarrojo cercano : un recurso para comprender mejor los beneficios de la imagen en el infrarrojo cercano.
• Laboratorio de Óptica Difusa de la Universidad de Pensilvania, Filadelfia.
• Departamento de Infecciones en el Hospital General de Massachusetts, Boston
• Grupo de Imágenes Biomédicas en Dartmouth
• Laboratorio DOS/I del Instituto Láser Beckman , Universidad de California, Irvine.
• Un artículo de revisión en este campo, realizado por AP Gibson et al.
• Un artículo sobre imágenes ópticas de mama
• Apuntes de clase del curso Principios de Imagen Óptica 460 de Ingeniería Eléctrica y Computación de Illinois
• Sistemas fNIRS de MRRA Inc.

Un artículo publicado recientemente reveló un avance novedoso en la obtención de imágenes ópticas para reducir los efectos de la dispersión de luz no deseada (Ou et al., 2024). Se aplicó tópicamente a ratones un colorante alimentario común llamado tartrazina para visualizar estructuras internas como los órganos abdominales, la estructura del sarcómero y los vasos sanguíneos cerebrales. La tartrazina es un colorante altamente absorbente que permite lograr transparencia óptica al igualar el índice de refracción de las proteínas y los lípidos presentes en los tejidos biológicos cuando se disuelve en agua. En definitiva, esta técnica reduce la dispersión de la luz, lo que permite visualizar estructuras in vivo.

Referencias: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm6869#M1