Estudios de las propiedades ópticas de fantomas dinámicos de dos capas para usos en Óptica Biomédica

LABARONÍ, MARÍA SOL; BARCELONA HIPPERDINGER, MARÍA; WAKS SERRA, MARÍA VICTORIA; GARCÍA, HÉCTOR

Bahía Blanca

Congreso; 108º Reunión de la Asociación Física Argentina; 2023

Asociación Física Argentina

La espectroscopía en el infrarrojo cercano (NIRS, por sus siglas en inglés para “Near InfraRed Spectroscopy ”) permite utilizar técnicas espectroscópicas para el estudio de tejidos biológicos. En el caso de la cabeza humana, estas técnicas permiten detectar cambios en la irrigación sanguínea al nivel de la corteza cerebral. Esto ofrece alternativas a tratamientos de uso más extendido (como la Electroencefalografía, la Resonancia Magnética, la formación de imágenes por Ultrasonido y por Rayos X, etc.), pues se trata de radiación inocua que da origen a métodos médicos no invasivos y a equipamiento portátil y de bajo costo.El paso previo a estos tipos de estudios es la medición sobre fantomas, sustancias fabricadas en el laboratorio que se comportan de una forma ópticamente similar a los tejidos biológicos. En este trabajo se realizaron mediciones sobre fantomas de dos capas, siendo la de mayor profundidad líquida y dinámica, y la de menor espesor sólida. Considerando que el trabajo se centró en simular el cerebro, la capa líquida representa la materia gris y la capa sólida el tejido extracerebral restante (cuero cabelludo, cráneo, líquido cefalorraquídeo). Dichos fantomas se fabricaron en el laboratorio a partir de agua, leche, tinta y, en el caso del sólido, de agar agar.Se hicieron mediciones dinámicas (es decir cambiando las propiedades ópticas de la capa líquida en función del tiempo) en la configuración de reflectancia difusa resuelta temporalmente. En dicha configuración, la fuente de radiación y el detector están sobre la misma cara, por lo tanto la luz llega al detector luego de haber sufrido eventos de scattering y absorción en el medio. Las mediciones se realizaron para distancias láser-detector (ρ) de 1 cm, 2 cm y 4 cm, con un tiempo de adquisición de 200 s y una tasa de muestreo de 1 Hz. La propiedad óptica que se fue modificando en la capa líquida es el coeficiente de absorción (µa) a través del agregado de tinta.Para el procesamiento de datos se utilizó un programa de ajuste que trabaja usando un modelo de la propagación de la luz en medios homogéneos, desarrollado por el grupo de investigación en el cual se realizó este trabajo. Mediante dicho algoritmo fue posible recuperar los coeficientes “efectivos ”de absorción y de scattering reducido de los fantomas de dos capas, cuyos valores dependen de la combinación de propiedades ópticas de cada una de las capas presentes en los experimentos. Adicionalmente, se realizaron simulaciones de Monte Carlo (MC) en medios voxelizados de dos capas para comparar con los resultados experimentales. Se obtuvo una representación 3D de los fantomas de dos capas y se compararon las DTOFs (por sus siglas en inglés para “Distributions of Time of Flight ”) experimentales con las simuladas. Para cada caso fue necesario especificar las dimensiones de los medios, si las mediciones se hicieron en reflectancia, la distancia fuente-detector y las propiedades ópticas de cada capa. Los resultados del ajuste homogéneo sugieren que para ρ largas se reproduce mejor lo que sucede en la capa líquida que para distancias más cortas. Esto quiere decir que a mayores distancias fuente-detector es posible colectar radiación que llega a regiones más profundas del fantoma. Estos resultados son consistentes con aquellos obtenidos en las simulaciones de MC que, por lo de-más, ayudaron a validar las propiedades ópticas de cada una de las dos capasobtenidas experimentalmente.