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“Caracterización y optimización del proceso
de perforación de la epidermis asistido por
láser pulsado de Er:YAG ”
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN
TECNOLOGÍA AVANZADA
P r e s e n t a: M.C. Adrián Fermín Peña Delgado
Asesores:
Dr. Miguel A. Arronte García Dr. Luis Vidal Ponce Cabrera
ALTAMIRA, TAMAULIPAS 2010
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA, UNIDAD ALTAMIRA
Agradecimientos
En primera instancia quisiera agradecer a todas aquellas personas involucradas
en el proceso de investigación de este trabajo. Nombrarlos a cada uno de ustedes así
como su significativa aportación sería difícil ya que sin duda me llevaría varias hojas
enumerándolos. Sin su ayuda este proyecto hubiera sido complicado realizar.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología “CONACYT” y al Programa
Integral de Fortalecimiento Institucional “PIFI” por la beca otorgada durante este
trabajo de tesis.
A mí familia, no hay palabras que describan lo que siento por ustedes, sin su
apoyo nada de esto hubiera sido posible.
Muchas gracias a Janet por su apoyo incondicional y comprensión en todo
momento. Tu paciencia y cariño ha sido parte importante a lo largo de este proceso.
A mis asesores Dr. Miguel Ángel Arronte García y al Dr. Luís Vidal Ponce
Cabrera que a pesar de los contratiempos y eventualidades surgidas durante el tiempo de
investigación siempre estuvieron brindándome su apoyo, guía y consejo.
Al departamento de Patología del Instituto Mexicano del Seguro Social “IMSS”
especialmente al Dr. Raúl de León Escobedo por su apoyo en proveer constantemente
de piel para fines de este trabajo.
Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares “ININ” en especial al banco
de tejidos radioesterilizados por haber suplido la constante necesidad de apósitos de piel
de cerdo durante esta investigación.
Al CICATA-IPN, Unidad Altamira por las facilidades prestadas que llevaron a
buen fin esta tesis.
Al personal administrativo del CICATA-Altamira en especial Tere, Kathia,
Adelita, Ludivina y Rodolfo gracias.
Al personal de mantenimiento Víctor, Marcos, Raymundo y Armando por
siempre brindarme su apoyo.
A Eduardo, Eugenio, Tupak, Tere, Ponce, Miguel, Loipa y Kriss por haberme
hecho sentir un miembro más de sus familias.
A todos mis compañeros del CICATA-IPN-Altamira.
Espero no haber omitido a nadie y de antemano les digo a todos de corazón
muchas gracias.
A la memoria de mi abuelo y mi abuela.
A mi padre y a mi madre.
ii
Resumen
Este trabajo propone una metodología que permite relacionar la transmitancia de la
epidermis de la piel humana, medida de forma no invasiva, con las características del pulso de
luz láser a emplear para conseguir una perforación eficiente en la toma de muestras de sangre.
Entendiendo como “eficiente” la generación de la perforación mínima necesaria para alcanzar
el flujo capilar en la parte superior de la dermis.
A partir de un modelo sencillo propuesto para la transmitancia, medible a través de la
epidermis, se establece un criterio de comparación que en relación con modelaciones hechas
por el método de Montecarlo revela un comportamiento lineal en el valor de la transmitancia,
en la región visible del espectro, en función del “espesor” de la epidermis. Resultados
experimentales preliminares obtenidos para la epidermis de la yema de los dedos, permiten
proponer un “nuevo” método para determinar el espesor de la epidermis de forma no invasiva.
Se discute un modelo semi-empírico de la interacción láser-tejido en el proceso de la
perforación de la epidermis asistida por láser de Er:YAG pulsado. La propagación del calor se
resuelve numéricamente y el avance del frente de vaporización hacia el interior del material en
la superficie irradiada, se condiciona a la variación de la presión durante la acción del pulso
láser. Los resultados permiten proponer una metodología para la optimización del proceso de
perforación de la epidermis.
Se utiliza la tomografía óptica de coherencia para caracterizar la epidermis en dedos
reales de forma no invasiva, así como cortes histológicos en tejidos no vivos para evaluar los
efectos de la irradiación láser. Para monitorear en tiempo real el proceso de perforación de los
diferentes tipos de tejidos utilizados, se emplearon: la técnica fotoacústica de PILA utilizando
transductores piezoeléctricos y capacitivos, así como la prueba de haz rasante y cámara ICCD
para caracterizar y/o evaluar la evolución temporal del proceso de perforación asistida por
lasér de Er:YAG de los tejidos estudiados.
iii
Abstract
The aim of this work is to establish a methodology that takes into account the
transmittance measured by non invasive methods in human epidermis with laser pulse
parameters in order to achieve and efficient drilling process for taking capillary blood samples.
It is understood as efficient drilling process the minimal perforation needed to reach the
epidermis and dermis boundary.
A simple method is proposed to measure transmittance through epidermis, establishing
a criterion based in Montecarlo simulations. These reveal that the transmittance is linearly
dependent on the thickness of the epidermis in the visible region of the spectrum. Preliminary
experimental results done on the fingerpad allowed the proposal of a new method to estimate
epidermal thickness non invasively.
A semi empiric model which reproduces laser tissue interaction process to achieve
epidermal drilling is discussed. Heat transfer is determined numerically and the movement of
the vaporization front into the material of the irradiated sample its conditioned to pressure
variations generated by the laser pulse. The obtained results allow the proposal of a
methodology for the optimization of laser drilling process in the fingerpad.
Optical coherence tomography is used to characterize epidermal thickness non
invasively on fingerpads. Moreover histological cuts are used in dead tissue to evaluate the
effects of laser drilling process on selected tissues. In order to follow laser drilling process in
real time, three techniques are used, photoacoustic using PVDF and capacitor transducers,
ICCD camera and probe beam experiments for material ablation monitoring.
iv
Índice
RESUMEN .................................................................................................................. II
ABSTRACT ................................................................................................................ III
ÍNDICE ....................................................................................................................... IV
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. VI
LISTA DE TABLAS.................................................................................................... VII
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................ VIII
1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1
1.1 Antecedentes .............................................................................................................................................. 1
1.2 Justificación ............................................................................................................................................... 4
1.3 Objetivo General ........................................................................................................................................ 6 1.3.1 Objetivos Específicos ............................................................................................................................ 6
1.4 Hipótesis de la investigación...................................................................................................................... 7
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 8
2 DETALLES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES................................................... 9
2.1 Introducción ............................................................................................................................................... 9
2.2 Láseres Er:YAG....................................................................................................................................... 10 2.2.1 Aspectos técnicos ................................................................................................................................ 10 2.2.2 Lanceta láser........................................................................................................................................ 11
2.3 Parametrización óptica de la epidermis.................................................................................................... 16
2.4 Implementación de la técnica PILA (Photoacoustic induced by laser ablation) en la epidermis ............. 18
2.5 Técnica de haz rasante ............................................................................................................................ 19
2.6 Mediciones de tomografía de coherencia óptica “OCT”.......................................................................... 21
2.7 Seguimiento de la pluma de ablación....................................................................................................... 21
2.8 Selección y tipo de muestra...................................................................................................................... 22 2.8.1 Apósitos biológicos de piel de cerdo................................................................................................... 23 2.8.2 Piel de mama ....................................................................................................................................... 24
v
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................. 27
3 PARAMETRIZACIÓN ÓPTICA DE LA EPIDERMIS .......................................... 28
3.1 Introducción ............................................................................................................................................. 28
3.2 Propiedades ópticas de la piel .................................................................................................................. 29
3.3 Resultados experimentales obtenidos....................................................................................................... 31
3.4 Resultados de simulaciones de Montecarlo.............................................................................................. 34
3.5 Mediciones de OCT ................................................................................................................................. 38
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................. 41
4 ESTUDIO DE LA ABLACIÓN DE LA EPIDERMIS MEDIANTE LA TÉCNICA PILA 42
4.1 Introducción ............................................................................................................................................. 42
4.2 Resultados experimentales ....................................................................................................................... 42
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................. 45
5 MODELO TÉRMICO .......................................................................................... 46
5.1 Introducción ............................................................................................................................................. 46
5.2 Mecanismos de ablación .......................................................................................................................... 46 5.2.1 Interacción térmica .............................................................................................................................. 47
5.3 Seguimiento de la pluma ablación .......................................................................................................... 48
5.4 Método térmico propuesto ....................................................................................................................... 49
5.5 Resultados Modelo de interacción térmica .............................................................................................. 53
CAPÍTULO 6 ............................................................................................................. 58
6 CONCLUSIONES .............................................................................................. 59
6.1 Trabajos Futuros ...................................................................................................................................... 60
CAPÍTULO 7 ............................................................................................................. 61
7 REFERENCIAS.................................................................................................. 62
vi
Lista de figuras Figura 2-1 Espectro de absorción agua................................................................................................................... 10 Figura 2-2 Instalación típica de láser Er:YAG ....................................................................................................... 11 Figura 2-3 Imagen de la lanceta láser ..................................................................................................................... 11 Figura 2-4 Instalación experimental utilizada para determinar el perfil temporal láser ......................................... 12 Figura 2-5 Perfil temporal del pulso láser del láser Er:YAG.................................................................................. 13 Figura 2-6 Energía de salida vs energía de bombeo de láser Er:YAG. .................................................................. 13 Figura 2-7 Distribución espacial de láser Er:YAG................................................................................................. 14 Figura 2-8 Vaporización de material ...................................................................................................................... 15 Figura 2-9 Perforaciones identificadas ................................................................................................................... 15 Figura 2-10 Instalación experimental utilizada para medición de la transmitancia en la yema de los dedos ......... 17 Figura 2-12 Aspectos morfológicos a considerar ................................................................................................... 18 Figura 2-13 Instalación experimental utilizada en el método foto acústico............................................................ 19 Figura 2-14 Instalación experimental utilizada en el experimento de haz rasante ................................................. 20 Figura 2-15 Señal reflectada por efectos de la vaporización de la piel................................................................... 20 Figura 2-16 Instalación experimental utilizada para medir el espesor de la epidermis utilizando la técnica de OCT
...................................................................................................................................................................... 21 Figura 2-17 Instalación experimental utilizada para determinar la pluma de ablación .......................................... 22 Figura 2-18 Apósito piel de cerdo .......................................................................................................................... 23 Figura 2-19 Corte histológico tejido mamario........................................................................................................ 26 Figura 3-1 Corte transversal capas de piel.............................................................................................................. 29 Figura 3-2 Espectros absorción componentes naturales de la piel ......................................................................... 31 Figura 3-3 Espectros de transmisión obtenidos mediante mediciones experimentales en el dedo pulgar ............. 32 Figura 3-4 Relación existente entre la transmitancia medida y el volumen de los dedos de las personas sometidos
a la muestra ................................................................................................................................................... 32 Figura 3-5 Espectros de transmisión obtenidos mediante mediciones experimentales en el dedo meñique ......... 33 Figura 3-6 Relación existente entre la transmitancia medida y el volumen de los dedos de las personas sometidos
a la muestra ................................................................................................................................................... 33 Figura 3-7 Algoritmo utilizado por el método de Montecarlo................................................................................ 35 Figura 3-8 Espectros de transmisión vs espesor de la muestra............................................................................... 37 Figura 3-9 Distribución espacial de la luz en la piel............................................................................................... 38 Figura 3-10 Imagen obtenida por OCT de la yema de los dedos de un elemento de la muestra ............................ 38 Figura 3-11 Corte transversal obtenido por OCT del dedo pulgar ......................................................................... 39 Figura 3-12 Corte transversal obtenido por OCT del dedo Meñique ..................................................................... 39 Figura 4-1 Respuesta temporal micrófono ante la acción de láser Er:YAG........................................................... 43 Figura 4-2 Respuesta en frecuencia piezoeléctrico................................................................................................. 44 Figura 5-1 Tipos de interacciones .......................................................................................................................... 46 Figura 5-2 Evolución temporal frente de vaporización .......................................................................................... 48 Figura 5-3 Distribución de la intensidad luminosa en la cámara ICCD ................................................................. 49 Figura 5-4 Perfil temporal y espacial haz láser....................................................................................................... 50 Figura 5-5 Temperatura en la piel inducida por láser tomando en consideración al no existir vaporización de
material ......................................................................................................................................................... 53 Figura 5-6 Curva de ablación para el agua y la epidermis obtenida por la simulación numérica........................... 55 Figura 5-7 Temperatura de vaporización de la epidermis en función de la presión. .............................................. 55 Figura 5-8 Temperatura calculada en la epidermis al termino del pulso láser...................................................... 56 Figura 5-9 Corte histológico donde se muestra la perforación efectuada al irradiarla con láser Er:YAG pulsado. 57
vii
Lista de tablas
Tabla 2-1 Aspectos técnicos de lanceta láser ......................................................................................................... 12 Tabla 2-2 Parámetros pulso láser............................................................................................................................ 14 Tabla 2-3 Parámetros generador/retardador ........................................................................................................... 22 Tabla 2-4 Método para realizar los cortes histológicos .......................................................................................... 25 Tabla 3-1 Volumen de los dedos de las personas utilizadas en la muestra............................................................. 31 Tabla 3-2 Parámetros ópticos de las capas de piel.................................................................................................. 36 Tabla 5-1 Efectos térmicos asociados a los incrementos locales de las temperaturas inducidas por ablación láser
en la piel........................................................................................................................................................ 47 Tabla 5-2 Datos de los materiales utilizados en la simulación ............................................................................... 52
viii
Capítulo 1
Introducción
1
1 Introducción
La perforación de la piel, el órgano más grande del cuerpo humano, es un paso
obligatorio en múltiples tratamientos o diagnósticos de la medicina moderna. En particular,
para tener acceso a una muestra de sangre de la circulación capilar es necesario perforar la
epidermis. Las técnicas convencionales que se emplean para la realización de esto,
involucran el uso elementos punzo cortantes que no pueden evitar la invasión del
organismo y la generación de desechos que requieren tratamiento diferenciado.
El uso de la luz láser permite realizar este tipo de perforaciones en ausencia de
contacto y sin la generación de desechos tóxicos. Sin embargo, se desconocen los
parámetros de irradiación láser adecuados para la perforación efectiva de la epidermis. En
este trabajo se propone obtener una metodología que permita relacionar mediciones no
invasivas de transmitancia con el espesor de la epidermis, y estas, con las características
del pulso de luz láser a emplear para conseguir una perforación eficiente, en otras palabras,
conseguir la toma de muestras de sangre, vaporizando el tejido hasta alcanzar la frontera
epidermis-dermis.
1.1 Antecedentes
En la actualidad el láser se ha vuelto una herramienta imprescindible en la práctica
de la medicina moderna. La amplia diversidad de tejidos y sus propiedades hacen que los
diferentes tratamientos sean fuertemente dependientes de la longitud de onda del láser, de
su potencia media (en el caso de láseres continuos), o de la energía del pulso y su duración
(en el caso de la irradiación pulsada). La variación de estos parámetros es la clave para
lograr diversos tipos de efectos: cicatrización, fotocoagulación, corte de tejido [1], entre
otros.
En la década de los setentas se encuentran los primeros reportes de utilización del
láser en medicina. Al inicio de los ochenta, múltiples estudios que describen la utilización
del láser en oftalmología [2] y en la coagulación de tejidos fueron desarrollados; a la vez,
estudios de láseres con duración de pulso desde milisegundos ( ms ) hasta microsegundos
( sμ ) fueron efectuados para su aplicación en cirugía, donde el propósito fundamental es
2
producir calor para provocar ablación y remover el tejido. Prácticamente desde los
trabajos pioneros quedaron definidas la mayor parte de las posibilidades y aplicaciones de
los diferentes láseres existentes.
Los primeros trabajos utilizando láser de Er:YAG se llevaron a cabo en Alemania
en clínicas piloto de ese país. El agua [3] presenta su pico máximo de absorción en la
longitud de onda de 2.94 μm, y el tejido humano esta compuesto por alrededor de un 70%
de agua, cuando un pulso láser se hace incidir sobre un tejido, causa la vaporización debido
a la fuerte absorción del agua [4, 5] en la zona irradiada. En la bibliografía se encuentran
reportadas múltiples aplicaciones para este láser en específico, tal como rejuvenecimiento
facial [6-9]. En estos reportes definen como su objetivo principal vaporizar tanta
epidermis sea necesaria para eliminar arrugas en la piel. La metodología utilizada consiste
en irradiar la piel con diferentes densidades de energía y tasas de repetición (obtenidas
empíricamente mediante prueba y error). En todos estos reportes la experiencia juega un
importante factor, ya que de ahí se rigen para establecer los parámetros iniciales del láser
y no generar daños irreversibles en el tejido.
En el 2002 un grupo de investigadores de la universidad de ciencia y tecnología de
Changchun [10] diseñaron un láser utilizando Er:YAG como medio activo para perforar
piel, y utilizarlo como una alternativa a las lancetas clínicas (dispositivos utilizados para
obtener gotas de sangre, al realizar perforaciones en la piel mediante un elemento
punzocortante) disponibles en el mercado. Demostraron que este láser es capaz de realizar
perforaciones en la piel evitando el desperdicio asociado a las lancetas clínicas. Sin
embargo, no se hace referencia a los efectos de la energía, o la duración o la densidad de
energía del pulso láser.
En el 2008 [11] un grupo de investigadores realizaron mejoras al dispositivo,
diseñaron una lanceta con un sistema capaz de garantizar que la perforación siempre será
efectuada justo en el punto focal de la lente, evitando con esto tener que repetir la
perforación. Este método presentó una mejora significativa en el proceso de perforación,
sin embargo no se describe el método adecuado que permita determinar la energía
necesaria para realizar una perforación óptima en los diferentes tipos de piel.
3
Durante el proceso de vaporización, se desprende material debido a incrementos
locales de temperatura, asociados a la energía absorbida. Batanov & Prokhorov [12]
realizaron los primeros estudios sobre ondas de choque producidos por el frente de
vaporización. Cuando en profundidades por debajo de la superficie el material alcanza la
temperatura de vaporización, se generan incrementos de presión que se encuentran
confinados por la superficie del material ocasionando expulsión de material de forma
explosiva (vaporización explosiva). Este método de vaporización es considerado más
eficiente que la vaporización normal. Se considera vaporización normal aquella donde los
elementos de la superficie del material alcanzan la entalpía de vaporización y desparecen.
Dabby [13] determino que para láseres de microsegundos el proceso de perforación
depende únicamente de la cantidad de material removido por efectos de vaporización
normal.
4
1.2 Justificación
Diariamente personas que sufren de diabetes mellitus, necesitan medir sus niveles
de glucosa. El método tradicional para la toma de pequeñas cantidades de sangre de un
paciente consiste en utilizar un dispositivo puntiagudo y afilado tal como las lancetas
metálicas ó agujas. Este procedimiento es susceptible a la posible infección de la persona
que esté en contacto con el dispositivo al momento de realizar la toma de sangre. Altos
costos inherentes al manejo y desecho de materiales contaminantes son asociados al
desechar las lancetas.
Cuando la piel es perforada con una lanceta o una aguja, se generan desechos
biológicos debido al contacto que se tuvo con la sangre y tejido del paciente. Si el paciente
esta infectado con algún virus o incluso alguna enfermedad, el desecho de la aguja
contaminada se convierte en una amenaza para cualquiera que pudiera estar en contacto
con ella.
La utilización de estos dispositivos como métodos para obtener muestras de sangre,
requiere ocasionalmente la realización de múltiples punciones, ya que esporadicamente la
perforación no llega a ser lo suficiente profunda para permitir que la sangre fluya. Las
lancetas clínicas de elementos punzo-cortantes para obtener muestras de sangre presentan
claramente desventajas operativas.
En la actualidad existen Lancetas láser [22] de manera comercial cuyo propósito
fundamental es el de realizar pequeñas perforaciones en la piel para obtener gotas de
sangre. La lanceta láser es un dispositivo (que utiliza el Er:YAG como medio activo),
diseñado para la perforación de la epidermis que permite el flujo de gotas de sangre desde
el interior del dedo hacia el exterior. Este dispositivo pretende ser una alternativa a las
lancetas metálicas utilizadas en la actualidad por personas con diabetes. Ésta cuenta con
niveles de energía que pueden ser seleccionados de acuerdo a la cantidad de material que
se requiera vaporizar. Tomando en consideración que las personas someten sus dedos a
diferentes trabajos y cuidados, el espesor del estrato corneo (células muertas) varia
considerablemente. Por este motivo es de gran importancia obtener un método o una serie
de métodos para cada individuo que permita determinar la energía adecuada para realizar
5
perforaciones a cada persona y evitar así tener que realizar múltiples perforaciones para
obtener dichas muestras de sangre.
6
1.3 Objetivo General
El objetivo principal de este trabajo es optimizar el proceso de perforación de piel
asistido por láser de Er:YAG pulsado al controlar la energía y/o duración de pulso
adecuada. Además determinar los parámetros del pulso láser para producir perforaciones
óptimas, involucra predecir el espesor de la epidermis, reconocer los mecanismos
involucrados en la vaporización de los tejidos y establecer una correlación entre los
mismos. Por otro lado se pretende establecer un método que sirva como indicador para
determinar sí la perforación fue lo suficientemente profunda como para permitir el flujo de
gotas desde la dermis a través de la epidermis hacía el exterior, y de esta forma llegar a
proponer parámetros de funcionamiento para la lanceta láser existente actualmente.
1.3.1 Objetivos Específicos
Diseño y elaboración de las instalaciones experimentales para:
i) Medición de transmitancia de las diferentes muestras de tejidos
biológicos mediante mediciones no invasivas in-vivo.
ii) Irradiación con láser pulsado de Er:YAG de las diferentes muestras.
iii) Caracterización del proceso de perforación por técnica de “haz
rasante” y PILA (Photoacoustics induced by laser ablation), en las
diferentes muestras de tejidos empleados, así como imaginología con
cámara intensificada ICCD.
iv) Preparación y tratamiento de muestras de tejidos.
Evaluación de la dependencia de la transmitancia óptica en el visible de la epidermis
en muestras in vivo de diferentes individuos, y su correlación con simulaciones propuestas
utilizando el método de montecarlo.
Caracterización foto-acústica por la técnica “PILA” del proceso de perforación
asistido por láser Er:YAG pulsado de las diferentes muestras de tejidos empleados.
7
Caracterización del proceso de ablación de tejidos, en la perforación asistida por
láser de Er:YAG pulsado, mediante las técnicas de “Haz rasante” e imaginología ICCD en
tiempo real.
Desarrollo e implementación de un modelo numérico semi-empírico para la
propagación del calor en la zona irradiada teniendo en cuenta la estructura de “capas” de
la piel, así como el aumento de la temperatura de vaporización debido al incremento de la
presión local en función del tiempo.
1.4 Hipótesis de la investigación
En la perforación de la epidermis por ablación láser, la transmitancia en la región
visible del espectro, puede relacionarse de forma semi-empírica con el espesor de la
epidermis permitiendo establecer la energía y duración del pulso láser adecuado para
obtener una perforación eficiente.
Capítulo 2
Detalles y métodos
experimentales
9
2 Detalles y métodos experimentales
2.1 Introducción El objetivo principal de este trabajo es optimizar el proceso de perforación de la
epidermis asistido por láser Er:YAG pulsado a partir del control de la energía y duración
del pulso láser adecuada para cada individuo.
En este capítulo se describen las diferentes instalaciones experimentales empleadas
a lo largo de este trabajo, así como el proceso de preparación y obtención de muestras y las
características fundamentales de los láseres utilizados.
Para fines de la determinación de los espesores de la piel se propone un modelo que
considera la transmitancia como el paso de la luz dispersada de ida y regreso a través de la
epidermis. Para esto se hace incidir la luz de prueba por medio de un arreglo de fibras
ópticas, mientras que para tomar la señal transmitida se utiliza una única fibra óptica que se
coloca convenientemente cerca de las anteriores. Es esta señal la que será utilizada como
indicador del espesor de la epidermis de la piel. Estimar estos espesores de forma no
invasiva constituye una de las principales aportaciones de este trabajo y con esta
información en principio es posible determinar la energía adecuada para realizar la
perforación de la epidermis.
Entre las principales técnicas experimentales utilizadas, la tomografía óptica de
coherencia se emplea para caracterizar la epidermis en dedos reales de forma no invasiva,
así como cortes histológicos en tejidos no vivos para evaluar los efectos de la irradiación
láser. Para monitorear en tiempo real el proceso de perforación de los diferentes tipos de
tejidos utilizados se utilizaron la técnica fotoacústica de PILA utilizando transductores
piezoeléctricos y capacitivos, así como la prueba de haz rasante y cámara ICCD para
caracterizar y/o evaluar la evolución temporal del proceso de perforación asistida por láser
de Er:YAG de los tejidos empleados.
10
2.2 Láseres Er:YAG Desde finales de los ochentas, láseres de Er:YAG [23, 24] han estado disponibles
para una gran variedad de aplicaciones médicas. La ventaja de este láser de longitud de
onda cercana a las 3µm , es que el pico máximo de absorción del agua [3] coincide con su
longitud de onda ( ver Figura 2-1).
Figura 2-1 Espectro de absorción agua
2.2.1 Aspectos técnicos
Los láseres de Er:YAG están constituidos por cristales de estado sólido [25-27]. La
excitación se lleva a cabo por bombeo óptico de una lámpara de alta presión de xenón o de
kriptón. La instalación típica se presenta en la Figura 2-2 .
11
Figura 2-2 Instalación típica de láser Er:YAG
2.2.2 Lanceta láser
La lanceta láser (ver Figura 2-3) utilizada en esta investigación, basa su
funcionamiento [11] en utilizar un haz láser; cuya longitud de onda coincide con el pico
máximo de absorción del agua, para vaporizar tanto tejido [28] sea necesario, para obtener
muestras de sangre.
Figura 2-3 Imagen de la lanceta láser
La Tabla 2-1 muestra los aspectos técnicos de la lanceta láser utilizada
12
Tabla 2-1 Aspectos técnicos de lanceta láser Descripción
1 Elemento activo Er:YAG
2 Longitud de onda 2.94 µm
3 Energía maxima de excitacion 50 J 4 Energía laser 270 – 500 mJ
5 Fuente de alimentación externa 12V 500 mA
6 Frecuencia de disparo 1 Hz.
2.2.2.1 Caracterización lanceta láser
Se caracterizo el perfil espacial y el perfil temporal de la emisión láser de la Lanceta, así
como su energía en función de los parámetros de excitación.
Para obtener el perfil temporal del láser fue utilizado un sensor de energía piroeléctrico
modelo ES220 Thorlabs conectado directamente al canal 1 del osciloscopio digital. La
señal adquirida es grabada para su procesamiento en una computadora personal, y así
obtener el perfil temporal del láser (ver Figura 2-4)
Figura 2-4 Instalación experimental utilizada para determinar el perfil temporal láser
La Figura 2-5 muestra el perfil temporal del pulso emitido por la lanceta láser para
cada uno de sus 3 niveles de energía.
13
0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
4500
9000
13500
18000
22500
Tiempo (ms)
- Nivel Energía Bajo+ Nivel Energía MedioO Nivel Energía Alto
Inte
nsid
ad (u
.a)
Figura 2-5 Perfil temporal del pulso láser del láser Er:YAG La Figura 2-6 muestra de manera gráfica los 3 niveles de energía con los que
cuenta la lanceta láser se aprecia que la energía de salida es aproximadamente lineal con la
energía de bombeo.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55165
180
195
210
225
Ene
rgía
Sal
ida
(mJ)
Energía de Bombeo (J)
Figura 2-6 Energía de salida vs energía de bombeo de láser Er:YAG.
14
Tabla 2-2 Parámetros pulso láser
Nivel de Energía Energía de excitación (J)
Energía de Emisión (mJ)
Ancho del Pulso a media altura (μs)
1 23 ± 1 mJ 173 ± 5 mJ 740 ± 3 μs 2 41 ± 1 mJ 201 ± 5 mJ 750 ± 3 μs 3 54 ± 1 mJ 221 ± 5 mJ 738 ± 3 μs
Debido a la alta densidad de energía, es extremadamente difícil medir con precisión
la forma y dimensiones del perfil espacial del haz láser enfocado en la zona de la
perforación. Se utilizaron varios materiales para este experimento, la Figura 2-7 muestra el
caso de huella generada en una lámina de aluminio anodizado con una energía de 240 mJ,
obtenida con un microscopio óptico. Se observa que en el centro de la imagen se tiene la
máxima energía y como alrededor de ella se presenta un aro color dorado, este cambio de
coloración se debe a la distribución del calor inducida por la acción del láser.
Figura 2-7 Distribución espacial de láser Er:YAG
15
2.2.2.2 Principios de Operación La lanceta láser cuenta con 3 niveles de energía de excitación preestablecidos cuya
función es regular la intensidad del haz láser emitido. Además cuenta con un sistema que
garantiza que la perforación es realizada siempre en la distancia focal de la lente. Su
objetivo principal es vaporizar (ver
Figura 2-8) la cantidad de material necesario para llegar a la frontera epidermis –
dermis y permitir el flujo de pequeñas gotas de sangre.
Figura 2-8 Vaporización de material
Durante el proceso de perforación de la epidermis asistida por láser de Er:YAG se
definieron tres tipos de perforaciones (ver Figura 2-9), perforación insuficiente,
perforación óptima y perforación dolorosa.
Figura 2-9 Perforaciones identificadas
16
Se define como perforación insuficiente aquella que produce un pequeño hueco en
la piel pero no es capaz de producir una perforación que llegue más allá de la epidermis,
esta no permite obtener muestras de sangre. La perforación óptima se define como aquella
que penetra hasta la frontera epidermis – dermis permitiendo el flujo de gotas de sangre. La
perforación dolorosa es definida como aquella que permite el flujo de sangre desde el
interior del dedo al exterior, pero esta vaporiza material más allá de la frontera epidermis –
dermis, donde se encuentran las terminales nerviosas y los vasos sanguíneos son más
densos, produciendo un excesivo flujo de sangre.
Parte de la problemática a enfrentar consiste en desarrollar una metodología capaz
de determinar la energía necesaria para generar una perforación óptima en cada tipo de
piel, así como la fundamentación de estos procesos.
2.3 Parametrización óptica de la epidermis La medición de los espectros de transmisión en el dedo de las personas permite
estimar los espesores de las capas de la piel. Para la realización de estos experimentos se
propone la instalación experimental presentada en la Figura 2-10. Esta consiste en una
fuente de luz halógena (Mod. LS-1-LL Ocean Optics), una fibra de reflectancia (R200-7-
VIS/NIR), la cual cuenta con seis fibras exteriores unidas entre sí, y una fibra central, cada
una de ellas de 200 µm, ambas embebidas en un casquillo de acero inoxidable de 3.0 x
0.25 pulgadas, así como de un espectrómetro USB4000 de la marca Ocean Optics.
La metodología para la realización de las mediciones, consiste en conectar las
fibras exteriores a la fuente de luz, y la fibra central al espectrómetro, de manera que se
tienen 6 fibras de iluminación y 1 para colectar la luz. Para garantizar la estabilidad de la
fuente de luz halógena, y siguiendo las recomendaciones provistas por el fabricante esta
debe ser encendida por un periodo mínimo de 5 minutos antes de realizar cualquier
medición. La luz emitida por la fuente viaja por todas las fibras exteriores hasta llegar a la
piel. La porción del haz reflejado es colectada por la fibra central y la hace llegar al
espectrómetro para su posterior visualización y análisis.
17
Figura 2-10 Instalación experimental utilizada para medición de la transmitancia en la yema de los dedos
Los individuos que participaron en el experimento, fueron sometidos a mediciones
de sus dedos tomando en consideración el ancho, grosor y longitud, tal y como se observa
en la Figura 2-11. Las diferencias físicas existentes son asociadas al tipo de cuidado y
trabajo que realizan las personas, de manera que se incluyo desde personas que trabajan en
oficina, hasta individuos que realizan labores de construcción.
18
Figura 2-11 Aspectos morfológicos a considerar
2.4 Implementación de la técnica PILA (Photoacoustic induced by laser ablation) en la epidermis
El efecto foto acústico depende de la absorción de la energía radiante y su
conversión en energía acústica cuando se hace incidir una fuente de luz sobre la muestra a
analizar [29]. Parte de la energía suministrada por el haz es absorbida [30] provocando un
aumento en la temperatura de la muestra, provocando una serie de fluctuaciones regulares
de la presión del medio circundante a la muestra produciendo una señal acústica que puede
ser detectada en un micrófono o una celda foto acústica. La técnica PILA es empleada
como indicador del proceso de perforación de la epidermis.
Los estudios fueron realizados utilizando apósitos de piel de cerdo [31, 32] de
4 2cm cuyo espesor aproximado es de 200 mμ , provistos por el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares “ININ”. Las características y el tipo de láser utilizado para
irradiar las muestras son mostradas en la Tabla 2-1.
Se plantea la utilización de un micrófono del tipo electret modelo EM-926 que tiene
una respuesta en frecuencia de 200 Hz – 18 KHz, y un piezoeléctrico (PVDF) que tiene
una respuesta en frecuencia de 20 Hz. – 120 Khz. La combinación de ambos nos permite
tener un ancho de banda mayor para la realización de los experimentos. En la Figura 2-12
se muestra la instalación experimental utilizada. La señal acústica es registrada por un
19
micrófono colocada a 10 cm de la muestra, esta es amplificada y ecualizada, para
finalmente ser registrada en el canal 1 por el osciloscopio digital Tektronix 1001B, siendo
el canal 2 del osciloscopio utilizado para adquirir la señal proveniente del piezoeléctrico
“PVDF” que se encuentra en contacto directo con la piel. Los experimentos fueron
realizados a una temperatura ambiente de 20°C y una humedad relativa de 60%.
Figura 2-12 Instalación experimental utilizada en el método foto acústico
2.5 Técnica de haz rasante
Para identificar la dinámica de la onda de choque se realizaron experimentos de haz
rasante. En la Figura 2-13 se muestra la instalación experimental, consiste en un láser de
prueba (diodo 632 nm) que se hace pasar rasante sobre la muestra, y se hace incidir en un
fotodetector rápido (modelo PDA10A de la marca Thorlabs). Al momento de irradiar la
muestra con el láser de bombeo (Er:YAG) las ondas de choque inducidas por el láser y el
material vaporizado deflectan el haz que pasa rasante sobre la muestra, interrumpiendo
momentáneamente la señal en el fotodetector.
20
Figura 2-13 Instalación experimental utilizada en el experimento de haz rasante
La Figura 2-14 muestra la forma de la onda de expansión medida durante los
experimentos de haz rasante.
0 100 200 300 400 500-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
Vol
taje
(vol
ts)
Tiempo (μs) Figura 2-14 Señal reflectada por efectos de la vaporización de la piel
Se observa como inicialmente la señal presenta pequeñas variaciones, hasta que
súbitamente es interrumpida por efectos de la vaporización del material, alcanzando un
valor mínimo y posteriormente se incrementa hasta llegar a relajarse. En la Figura 2-15 se
muestra el ajuste que se hace de la dinámica del frente de presión para posteriormente
utilizarlo en el modelo térmico.
21
2.6 Mediciones de tomografía de coherencia óptica “OCT”
OCT [33] es una técnica desarrollada para generar imágenes de secciones
transversales de manera no invasiva en tejidos biológicos. Usa interferometría de baja
coherencia para producir imágenes en dos dimensiones de la dispersión de la luz en las
micro estructuras de los tejidos.
Conocer el perfil de cómo están constituidas las capas de los dedos, así como la
estructura de estos, nos proporcionan datos reales para alimentar tanto a las simulaciones
de Montecarlo como las del modelo térmico.
La metodología utilizada consiste en tomar el dedo de las personas (ver Figura
2-15) y ubicarlo en la punta de medición para adquirir la imagen por medio del OCT para
su posterior análisis. El OCT utilizado en esta metodología es el SR-OCT 930 de la marca
Thorlabs.
Figura 2-15 Instalación experimental utilizada para medir el espesor de la epidermis
utilizando la técnica de OCT
2.7 Seguimiento de la pluma de ablación
Durante el proceso de ablación [34, 35] la absorción del láser en el tejido crea
estrés mecánico que lleva a la expulsión de material. Este fenómeno es estudiado
utilizando una cámara ICCD de Princeton instruments módelo ID91153. La Figura 2-16
muestra la instalación experimental utilizada. Se utiliza un generador/retardador de pulso
de Stanford research systems modelo DG535 para sincronizar la camára ICCD con el láser.
22
En la Tabla 2-3 se describen los parámetros utilizados durante el proceso de
sincronización.
Tabla 2-3 Parámetros generador/retardador Parámetro Valor
1 Gate width 1μs
2 Gate delay 201.5 μs
3 Gating repetitive On
4 Trigger threshold 0.5 V
5 External trigger On
6 Slop positive DC 50 Ω
Después de sincronizar la cámara y el láser, esta es enfocada directamente sobre la
muestra para adquirir imágenes de la evolución de la pluma de ablación.
Figura 2-16 Instalación experimental utilizada para determinar la pluma de ablación
2.8 Selección y tipo de muestra
La presente investigación esta orientada a la perforación de la epidermis asistida
por láser de Er:YAG pulsado para obtener muestras sanguíneas en dedos. El utilizar seres
vivos como parte del estudio implica cumplir una serie de regulaciones y normas para el
manejo de tejidos biológicos [36]. Para fines de este trabajo cumplir con esta normatividad
y lograr estos permisos, nos alejan del objetivo principal de esta investigación. Se
encuentra reportado que esencialmente la piel de la palma de la mano es similar a la de
23
cualquier otra parte del cuerpo [37], pero presenta algunas diferencias que la hacen
funcionalmente diferentes (glándulas sudoríparas, folículo piloso, además de vasos
sanguíneos y terminales nerviosas). Por lo cuál dos tipos de muestras son utilizadas como
alternativa a la piel de dedo, piel de mama y apósitos de piel de cerdo.
2.8.1 Apósitos biológicos de piel de cerdo
En el cuidado de la salud las lesiones en la piel ocasionadas por quemaduras,
úlceras crónicas y otras alteraciones frecuentes pueden ser atendidas satisfactoriamente
por medio de los apósitos (piel de cerdo y piel humana) procesados en el Banco de Tejidos
Radioesterilizados (BTR) del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares [38]. Este
laboratorio se encuentra certificado en tejidos para aplicación clínica.
La piel de cerdo Figura 2-17 es utilizada ampliamente como un sustituto a la piel
humana [31], la estructura de este tejido ha sido estudiada y comparada con la piel humana
[32]. Para garantizar su correcta utilización, el BTR del ININ, sugiere la siguiente
metodología.
Figura 2-17 Apósito piel de cerdo
1.- Abrir la bolsa exterior y tomar con pinzas la bolsa interior, para mantener la
esterilidad de la misma.
24
2.- Abrir la bolsa interior con tijeras esterilizadas y colocar la piel en un recipiente
conteniendo solución fisiológica estéril a temperatura ambiente.
3.- Dejar 15 minutos la muestra hasta que la piel haya tomado su aspecto y textura
normal.
4.- En caso de no ocupar toda la muestra, reembolsarla y sellarla hasta su próxima
utilización, esto nunca debe de hacerse al utilizarse en humanos.
2.8.2 Piel de mama
En el departamento de patología del Instituto Mexicano del Seguro Social “IMSS”,
se nos facilitó muestras de piel humana (mama), la intención principal es conseguir
muestras de piel de dedos, sin embargo en el IMSS no podía garantizar el suministro de
este tipo de piel para satisfacer las necesidades de esta investigación. Se sugirió como
alternativa muestras de piel de mama. La mama [39, 40] está formada por tejido graso,
tejido glandular, conductos de drenaje de leche, vasos sanguíneos, nervios, y conductos
linfáticos, cubiertos por piel. Las muestras utilizadas fueron escogidas de manera que no
presentaran conductos de leche en ellas para garantizar su semejanza con la piel de las
manos.
2.8.2.1 Corte histológico de piel de mama
La técnica histológica [41] abarca varios procedimientos a los que se somete un
tejido para proporcionar los cortes montados bajo un cubre objeto con imágenes de
estructuras contrastadas, para su estudio bajo microscopía óptica o electrónica. Para la
obtención de cortes para observar en microscopio, hay que seguir un protocolo en el que se
incluye la obtención de la muestra, su corte y montaje. La Tabla 2-4 muestra el protocolo
utilizado para la realización de estos en el departamento de patología del Instituto
Mexicano del Seguro Social “IMSS” clínica 77 delegación Tampico.
25
Tabla 2-4 Método para realizar los cortes histológicos 1.- Para empezar con la técnica histológica se debe obtener una muestra del tejido.
2.- Fijación: Este proceso se refiere al tratamiento del tejido con sustancias químicas,
para mantener intactas las propiedades de las células.
3.- Lavado: Se hace para eliminar el exceso de fijador, de manera que se pueda hacer
posteriormente la inclusión sin interferencia por parte del fijador. Existen medios
de inclusión que son hidrófobos y precisan de la eliminación de agua en la
muestra.
4.- Aclaramiento o diafanización: Luego de deshidratar el tejido, se pasa a una
solución de una sustancia que es miscible tanto con el alcohol como con el medio
de inclusión a utilizar (en la mayoría de los casos se utiliza como medio de
inclusión Parafina líquida).
5.- Inclusión: Por lo general, los tejidos son estructuras blandas y frágiles, incluso
después de la fijación. De tal forma que previo a la obtención de los cortes, es
necesario incluirlos en un medio de soporte. Los medios más utilizados son las
ceras o resinas. En estado líquido, estos medios tienen la capacidad de penetrar y
rodear el tejido, de esta forma se puede producir el endurecimiento (por
enfriamiento o por polimerización), para formar un bloque sólido que pueda ser
cortado fácilmente en el microtomo.
6.- Corte: El taco ahora se puede cortar en secciones lo suficientemente delgadas
como para permitir el paso de la luz. La mayor parte de los preparados para
microscopía óptica tienen un grosor entre 5 a 10 micrómetros. Para estos cortes se
utiliza un aparato llamado microtomo, con cuchillas de acero.
7.- Montaje: Si queremos fijar las muestras una vez cortadas a un portaobjetos para
observar a microscopio óptico.
8.- Coloración: Indispensable que las muestras sean transparentes o muy claras, y
como utilizaremos microscopio compuesto, tenemos que colorear o contrastar.
La Figura 2-18 muestra los cortes histológicos de tejido mamario, se observan las
capas de piel, siendo el estrato corneo la capa que se encuentra más expuesta (capa
superior), la epidermis esta visualizada en un tonalidad mas obscura y la dermis es aquella
que tiene un tono rosa claro. Es apreciable que en la frontera epidermis – dermis, existen
26
unos pequeños puntos de color obscuros, estos son pequeños vasos sanguíneos. En la
figura se tiene un acercamiento a esta zona y son apreciables los glóbulos rojos y los
glóbulos blancos. Cabe aclarar que los vasos sanguíneos crecen en tamaño conforme se
profundiza en la dermis.
Para fines prácticos de esta investigación el objetivo es perforar justo en la frontera
epidermis-dermis, para no provocar vaporización de material y extracción de sangre
innecesaria.
Figura 2-18 Corte histológico tejido mamario
Capítulo 3
Parametrización óptica de la
epidermis
28
3 Parametrización óptica de la epidermis
3.1 Introducción La perforación “óptima” de la epidermis para tomar muestras de sangre de un individuo,
implica obviamente, vaporizar por medio de la acción del láser todo su espesor. Este
espesor varía de individuo a individuo e incluso dentro de las diferentes zonas del cuerpo.
Uno de los aspectos más importantes de este trabajo es encontrar un parámetro que pueda
ser medido de forma no invasiva y asociarlo al espesor de la epidermis de forma relativa.
Una vez conseguido sería posible establecer de forma empírica los parámetros óptimos
para la perforación en cada individuo. El modelo propuesto para resolver esta problemática
consiste en que la luz en la región visible del espectro pase dos veces por cada una de las
capas [42], una transmitida y la otra reflejada al llegar a la grasa subcutánea (Figura 3-0).
Siendo el valor transmitido proporcional al espesor de la epidermis.
Figura 3-0 Trayectoria de los fotones en la piel utilizados en la medición de la
transmitancia.
La piel es un sistema multicapa no homogéneo, es el órgano más extenso del
cuerpo, abarca toda la superficie corporal, permite mantener una relación con el medio
externo que nos rodea gracias a sus funciones de protección, regulación y transformación.
|
29
Figura 3-1 Corte transversal capas de piel
La composición del tejido y su morfología (ver Figura 3-1), establecen las
propiedades ópticas (coeficiente de absorción, coeficiente de dispersión) [43, 44] que
determinan la distribución de energía que desencadenara el proceso de ablación.
3.2 Propiedades ópticas de la piel El estrato córneo (stratum corneum) es la parte exterior de la piel, su espesor varía
entre 10 y 20 mμ en promedio en todas las zonas del cuerpo humano [45-47], presenta un
espesor aproximado de 29.3 mμ en la palma de la mano[48, 49]. Sin embargo, existen
escasos reportes del espesor de esta capa en la zona de los dedos. Generalmente se
considera parte de la epidermis y esta compuesto básicamente por células muertas llamadas
carneocitos, embebidos en una matriz de grasa [50, 51]. En este tejido el coeficiente de
absorción [52] se reporta alrededor de 0.01 cm-1, y se comporta aproximadamente
constante en la región visible del espectro.
La epidermis [42], en la mayor parte de las zonas del cuerpo humano, tiene un
espesor entre 27 y 150 mμ . Es un medio dispersivo como todos los tejidos, sus
propiedades de absorción en el rango visible del espectro se deben principalmente a la
melanina [53]. Existen 3 tipos de melanina, roja-amarilla (feomelanina) y café-obscura
(eumelanina). El color de la piel esta asociado a la eumelanina [54]. La relación entre estas
varía de persona en persona, sin embargo para esta parte de la piel ser reporta un valor
promedio del coeficiente de absorción en el visible de 0.015 cm-1.
30
La dermis [42] es una estructura de aproximadamente 60 – 300 mμ la cual propaga
y absorbe la luz . Puede ser dividida en dos capas, dermis papilar y dermis reticular. Estas
están principalmente compuestas por tejido irregular, nervios, vasos sanguíneos [55]
(pequeños en la dermis papilar y grandes en la dermis reticular). En la sangre se encuentra
un cromóforo natural llamado hemoglobina [56, 57], este tiene la característica que
absorbe la luz y le da a la sangre su tono característico. Existen dos pigmentos que en
menor proporción también se encuentran en la dermis β-caroteno y la bilirrubina. El β-
caroteno le da a la piel su tono amarillo-oliva. Esta capa presenta un coeficiente de
absorción promedio de 0.007 cm-1.
La hipodermis es un tejido adiposo subcutáneo, caracterizado por presentar muy
baja o nula absorción de la luz en la región visible del espectro [58]. Presenta depósitos de
grasa blanca los cuales tienen la característica de reflejar la luz que les llega a las capas
superiores.
Los valores de los espesores de la epidermis y dermis definidos en este apartado,
son valores promedios determinados en todas las capas de la piel, en la literatura no se
encuentran reportados los espesores específicos para los dedos, sin embargo se sabe que el
estrato corneo es más grueso en el pulgar y su espesor disminuye conforme nos acercamos
al dedo meñique [59]. Frusthofer en el 2000 determinó que el espesor del estrato córneo en
los dedos de las personas con diabetes que se someten a procesos de perforación de sus
dedos para obtener muestras de sangre no varia en relación con las personas que no se
someten a dicho proceso.
Se puede observar que la piel es un sistema complejo de varia capas y
componentes, en los modelos de absorción de la luz visible sólo se reporta los parámetros
ópticos de ellas para la longitud de onda de 632nm.
La Figura 3-2 muestra los parámetros ópticos de los constituyentes de la piel [60,
61].
31
Figura 3-2 Espectros absorción componentes naturales de la piel
3.3 Resultados experimentales obtenidos En estudios hechos por Frusthofer [59] demostró que el espesor del stratum
corneum es más grueso en el dedo pulgar y su grosor disminuye conforme nos acercamos
al dedo meñique por lo cual para garantizar que existe diferencia entre los dedos,
escogimos específicamente al dedo pulgar y al dedo meñique. Aunado a esto proponemos
que el espesor del estrato corneo esta ligado con el volumen de los dedos. Por lo cual la
selección de la muestra consistió en la selección de un grupo de 100 individuos cuyo
volumen de sus dedos fuera muy diferente entre sí. De los 100 elementos de la muestra se
escogen dos elementos representativos correspondientes al valor medio, dos para el valor
mínimo y dos para el valor máximo, siendo estos sometidos a la medición experimental
de la transmitancia de la yema de sus dedos.. La muestra utilizada esta representada por 6
individuos cuyas características se ven reflejadas en la Tabla 3-1.
Tabla 3-1 Volumen de los dedos de las personas utilizadas en la muestra Individuo Volumen dedo
pulgar (μm3)
Volumen dedo
índice (μm3)
Volumen dedo
meñique (μm3)
1 10.548 6.481 4.516
2 8.051 4.523 3.976
3 8.107 4.420 4.029
4 11.725 9.352 7.299
5 8.103 6.392 4.531
6 18.102 9.501 7.330
32
Previo a las mediciones experimentales de transmitancia en cada uno de los
sujetos de la muestra, se adquieren espectros del fondo y de la lámpara para garantizar la
estabilidad del experimento.
400 500 600 700 800
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30 Individuo 1Individuo 2Individuo 3Individuo 4Individuo 5Individuo 6
Inte
nsid
ad (u
.a)
Longitud de onda (nm) Figura 3-3 Espectros de transmisión obtenidos mediante mediciones experimentales en el
dedo pulgar
12
34
56
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
810
1214
1618
Inte
nsid
ad (u
.a)
Volúmen (mm3 )Personas
Dedo Pulgar
6
5
4
1
23
Figura 3-4 Relación existente entre la transmitancia medida y el volumen de los dedos de
las personas sometidos a la muestra
33
400 500 600 700 800
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30Individuo 1Individuo 2Individuo 3Individuo 4Individuo 5Individuo 6
Inte
nsid
ad (u
.a)
Longitud de onda (nm) Figura 3-5 Espectros de transmisión obtenidos mediante mediciones experimentales en el
dedo meñique
12
34
56
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18
4
5
67
Inte
nsid
ad (u
.a)
Volúmen (mm
3 )Personas
1
23
4
5
6
Dedo Meñique
Figura 3-6 Relación existente entre la transmitancia medida y el volumen de los dedos de
las personas sometidos a la muestra
34
En la Figura 3-3 y en la Figura 3-5 se muestra la variación que tiene la
transmitancia medida en función de longitudes de onda comprendidas entre 400 y 850 nm.
Se presenta en la Figura 3-4 y en la Figura 3-6 los resultados de los experimentos
efectuados en los dedos meñique y pulgar para la longitud de onda de 632 nm. Cabe
mencionar que en todas las gráficas los individuos marcados como 2 y 3 son los que
presentan mayor transmitancia, coincidiendo con que estos son los que presentan menos
callosidades y tienen un volumen menor. Adicionalmente se determina que las personas
identificadas como 4 y 6 son las que presentan menor transmitancia, tienen mayor
callosidad en sus dedos y presentan el menor volumen. Se identifica que existe una
tendencia donde el individuo que presenta mayor volumen de sus dedos tienen una valor de
transmitancia menor comparada con aquellos que tienen el menor volumen.
Para validar los viabilidad del método propuesto se plantearon una serie de
simulaciones utilizando el método de Montecarlo tal y como se describe en el siguiente
apartado.
3.4 Resultados de simulaciones de Montecarlo El método de Montecarlo [62] es un método capaz de simular las trayectorias
presentadas por los fotones en medios difusos. Las reglas de propagación de los fotones
son expresadas como distribuciones de probabilidad que describen el tamaño de paso del
movimiento del fotón debido a la interacción fotón-tejido, y los ángulos de la desviación
cuando ocurre dispersión.
El modelado de la propagación de la luz en medios biológicos es usualmente
efectuada basándose en la teoría de transporte [63] o en la aproximación de la teoría de
difusión a la ecuación de transporte de Boltzman [64]. Los métodos estocásticos
(Montecarlo “MC”) presentan muchas ventajas sobre los métodos analíticos [65]. En las
últimas dos décadas varios algoritmos de MC han sido desarrollados para diversas
aplicaciones.
En esta investigación se utilizo el código de Montecarlo propuesto por Jacques y
colaboradores [66, 67]. La Figura 3-7 muestra el algoritmo empleado. Cada fotón es
inicializado con un peso igual a 1. Se mueve el fotón y se determina la interacción que
35
tiene con el medio. Sí el fotón sale del tejido se verifica sí existe la posibilidad de que sea
reflejado internamente. Sí el fotón es reflejado entonces su posición es actualizada y el
programa continua, de lo contrario el fotón escapa y se considera como parte de la
reflectancia o de la transmitancia. Por cada paso del fotón el peso de este es decrementado.
Este decremento es agregado al elemento de la malla que corresponde con la posición
actual donde se encuentra el fotón indicando que se absorbió energía. El peso restante es
utilizado para determinar la nueva dirección y un nuevo paso es calculado. Cuando el peso
del fotón disminuye por debajo del nivel predeterminado, se determina sí este se mantiene
vivo o se extingue en función de los resultados que arroje el método de la ruleta.
sΔ
Figura 3-7 Algoritmo utilizado por el método de Montecarlo
36
En la Tabla 3-2 se presenta la distribución de las capas de piel y las propiedades
ópticas tomadas del articulo reportado por Meglinsky [68-71] para la longitud de onda de
632 nm.
Tabla 3-2 Parámetros ópticos de las capas de piel
Capa Piel Índice de
refracción
( n )
Coeficiente
absorción
( μa cm-1 )
Coeficiente
dispersión
( μs cm-1)
Factor de
anisotropía
( g )
Espesor
( d μm )
1 Estrato córneo 1.53 0.01 8 0.8 40
2 Epidermis viva 1.34 0.015 3.5 0.8 400
3 Dermis papilar 1.4 0.007 3 0.9 150
4 Dermis superior 1.39 0.001 2.5 0.95 100
5 Dermis reticular 1.4 0.007 2 0.76 400
6 Dermis inferior 1.39 0.012 3 0.95 100
7 Grasa subcutánea 1.44 0.007 1.5 0.8 1000
Dos simulaciones de Montecarlo fueron planteadas para determinar la dependencia
de la transmitancia en función de variaciones en el espesor de la epidermis. La primera
consiste en dejar fija los espesores de la dermis papilar, dermis superior, dermis reticular,
dermis inferior y grasa subcutánea con los espesores especificados en la Tabla 3-2. El
espesor del estrato corneo se fija a 20 µm y se hace variar el espesor de la epidermis viva
desde 10 µm hasta 400 µm. La segunda repite los valores descritos anteriormente con la
diferencia que el valor del estrato corneo se fija a 40 µm.
En la Figura 3-8, se presentan los resultados obtenidos de la simulación de Montecarlo. La
tendencia observada es que el porcentaje de la señal transmitida disminuye
considerablemente de manera lineal cuando el espesor de la epidermis se incrementa. Estos
resultados coinciden con los mostrados en el apartado 3.3, en donde se describe que la
transmitancia disminuye en relación a incrementos de la epidermis.
37
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.65
0.66
0.67
0.68
0.69
0.70
0.71
0.72
pendiente 1.0515e-4
Inte
nsid
ad (u
.a)
Espesor epidermis (μm)
Transmitancia+ estrato corneo 20 μm* estrato corneo 40 μm
pendiente 1.084 e-4
Figura 3-8 Espectros de transmisión vs espesor de la muestra
Se encuentra una relación lineal entre la transmitancia medida y el espesor de la
epidermis. De la simulación se determina que la diferencia de las pendientes en la
simulaciones para el estrato corneo de 20 y 40 µm es aproximadamente igual a un 5 %,
extrapolando este valor se obtiene que para un espesor de 80 µm, la variación de la
pendiente es < 10%. Con lo cual podemos asumir que para mediciones donde el estrato
corneo este comprendido entre 10 y 80 µm las mediciones del espesor de la epidermis se
pueden ajustar a una línea recta, y así determinar el espesor de la epidermis en función de
la transmitancia medida.
La Figura 3-9 muestra el resultado de la simulación de montecarlo. Los parámetros
ópticos y los espesores de las capas de piel se encuentran utilizados se encuentran en la
Tabla 3-2. Los parámetros del láser utilizado en la simulación son energía de pulso 300 mJ,
tipo de perfil gaussiano y diámetro spot 400 μm. En la gráfica se observa claramente
como el haz pasa directo a través de la piel y prácticamente todo es transmitido, los valores
de intensidad mas grandes se encuentran justo en la parte superior donde se hace incidir el
haz.
38
r [cm]
z [c
m]
J/cm2
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.5
1
1.5
2
Figura 3-9 Distribución espacial de la luz en la piel
3.5 Mediciones de OCT Mediciones de OCT fueron efectuadas para determinar los espesores del estrato
córneo y de la epidermis tomando en consideración las condiciones reportadas en la
literatura [72, 73]. La Figura 3-11 muestra la zona donde el OCT realiza la medición.
Figura 3-10 Imagen obtenida por OCT de la yema de los dedos de un elemento de la muestra
39
En la Figura 3-11 y en la Figura 3-12 se observa la imagen proporcionada por el
OCT. Se muestra que el tamaño y las variaciones de las huellas varían de manera periódica
de un punto a otro. Se identifica el estrato córneo, siendo este la estructura que se
encuentra más clara y se determina la epidermis como la zona donde nacen las glándulas
sebáceas que se encuentran asociadas con los folículos.
~ 400 um
~ 40 um
400 um
Dedo Pulgar
~ 400 um
~ 40 um
400 um
~ 400 um
~ 40 um
400 um
Dedo Pulgar
Figura 3-11 Corte transversal obtenido por OCT del dedo pulgar
400 um
~ 200 um~ 25 um
Dedo Meñique
400 um
~ 200 um~ 25 um
400 um
~ 200 um~ 25 um
Dedo Meñique
Figura 3-12 Corte transversal obtenido por OCT del dedo Meñique
En ambas figuras se observa que la estructura de los dedos es la misma, sin
embargo existen diferencias considerables en los espesores del estrato córneo y de la
epidermis.
40
Mediante la técnica OCT se midieron los espesores de los dedos meñique, índice y
pulgar de los elementos de la muestra. En la Figure 3-13 se determina la relación existente
entre la transmitancia medida y el espesor de la epidermis obtenido por OCT de un
elemento de la muestra. Se determina que existe una relación lineal entre la transmitancia
medida y el espesor de los dedos. Realizando un ajuste lineal a los puntos en la gráfica, se
puede determinar el espesor de la epidermis para cualquier valor de transmitancia medido.
150 200 250 300 350 400 4500.125
0.130
0.135
0.140
0.145
0.150
0.155
0.160
0.165
Inte
nsid
ad (u
.a)
Espesor (μm)
1
2
3
1 Dedo Meñique2 Dedo Índice3 Dedo Pulgar
Figure 3-13 Relación transmitancia medida y espesor real de la muestra obtenido por OCT
La metodología utilizada en el modelo óptico propuesto, probó ser una herramienta
cualitativa de predicción de los espesores de las capas de la piel. Una característica
partícular del estrato corneo es que su espesor disminuye o aumenta en función de las
actividades diarias de las personas. Se determino mediante las simulaciones de Montecarlo
(Figura 3.8) que esencialmente variaciones del estrato corneo entre 20 y 40 µm producen
variaciones menores a un 5% en la pendiente de la transmitancia medida. Por lo cuál
cambios en el espesor del estrato corneo de un día para otro resultan imperceptibles y no
afectan la medición.
Capítulo 4
Estudio de la ablación de la
epidermis mediante la técnica
PILA
42
4 Estudio de la ablación de la epidermis mediante la técnica PILA
4.1 Introducción
La técnica PILA en esta investigación es utilizada para el monitoreo en tiempo real del
proceso de perforación de la epidermis. Dos métodos son utilizados para la determinación
del proceso de perforación. El primero basa su funcionamiento en determinar la amplitud
de la señal foto acústica generada utilizando micrófono como sensor, el segundo utiliza la
descomposición armónica (fourier) de la señal obtenida por el PVDF.
Los estudios de foto acústica son hechos utilizando láminas de piel de cerdo
deshidratadas (apósitos biológicos de piel de cerdo ver Figura 2-17) proporcionada por el
ININ. Estos estudios se realizaron siguiendo la metodología descrita en el apartado 2.4
4.2 Resultados experimentales La muestra fija y puesta en la distancia focal es irradiada por un láser de Er:YAG
en régimen mono-pulso con una energía de 150 mJ. El micrófono se encuentra separado a
una distancia de 10 cm de la muestra, la señal foto acústica obtenida es grabada en el
osciloscopio digital y mediante visualización en un microscopio óptico se verifica si se
produjo perforación. Después de esto el láser es enfocado en otro punto y su energía es
incrementada en 10 mJ, esto se repite hasta identificar la perforación con el microscopio
óptico, de esta forma es determinado el umbral de ablación.
43
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
-2
0
2
4
Inte
nsid
ad (v
olts
)
Tiempo (ms)
0.25 0.50 0.75-3.0
-1.5
0.0
1.5
3.0
4.5
Inte
nsid
ad (v
olts
)
Tiempo (ms)
_____ Con perforación_____ Sin perforación
Figura 4-1 Respuesta temporal micrófono ante la acción de láser Er:YAG
La Figura 4-1 muestra los resultados experimentales llevados a cabo para
determinar el umbral de ablación. Se observa un comportamiento subamortiguado en
ambas señales, la diferencia principal radica en que la intensidad del primer pico cuando se
realiza una perforación en la piel consistentemente es mayor a la que se tiene cuando no
existe perforación, esto es determinante para tener la certeza que durante el proceso de
ablación se logra la perforación.
En la Figura 2-12 se muestra la instalación experimental donde se indica como se
esta utilizando el transductor (PVDF) para detectar transitorios de presión inducidos por el
láser. Al hacer incidir el haz en la muestra de piel, este golpea la superficie de la piel,
produciendo una expansión térmica dentro del material, desencadenando una onda de
material vaporizado; después de que esta onda pasa por la muestra, llega al transductor, y
esta señal es detectada por el osciloscopio digital.
La Figura 4-2 presenta la respuesta en frecuencia del piezoeléctrico, la metodología
es la misma descrita para determinar el umbral de ablación utilizando micrófono como
sensor. La señal obtenida se descompone en el dominio de la frecuencia y se observan
variaciones entre el rango de 20 – 40 Khz y en el rango de 70 – 110 Khz , las variaciones
en el rango de 70 – 110 Khz , no presentan un patrón similar al hacerse repeticiones del
experimento, sin embargo en el rango de 20 – 40 Khz cuando la ablación se llevaba a cabo
44
el crecimiento de los picos fue repetitivo. Por lo cuál se concluye y refuerza lo observado
en la Figura 4-2 donde las variaciones presentadas en los experimentos dan información
de cómo esta siendo efectuado el proceso de ablación.
0.0 30.0k 60.0k 90.0k 120.0k 150.0k0
2
4
6
8
10
12
Inte
nsid
ad (u
.a)
Frecuencia (hz)
___Con perforación___Sin perforación
20.0k 25.0k 30.0k 35.0k 40.0k0123456
Inte
nsid
ad (u
.a)
Frecuencia (hz)
Figura 4-2 Respuesta en frecuencia piezoeléctrico
Capítulo 5
Modelo térmico
46
5 Modelo térmico
5.1 Introducción
Poder predecir la temperatura en tejidos biológicos irradiados por láser es
comúnmente requerido en aplicaciones médicas. El modelado de las propiedades térmicas
y ópticas en tejidos biológicos ha sido el objeto de estudio en varios artículos. El
problema es usualmente dividido en dos partes, la propagación óptica de la radiación y la
distribución térmica. Para el caso de esta investigación y dadas las características del
lanceta láser (ver apartado 2.2.2), el estudio se centró en el proceso térmico de
vaporización de material.
5.2 Mecanismos de ablación Durante la primera década desde la aparición del láser (1960), múltiples estudios se
han realizado para investigar los efectos de la interacción de los láseres en distintos
materiales. Aún cuando el número de combinaciones de los posibles parámetros
experimentales de los láseres es ilimitado, se han identificado 5 categorías. La Figura 5-1
[74-76] ilustra como en función del tiempo de exposición y la densidad de potencia, se
pueden clasificar cada una de ellas.
Figura 5-1 Tipos de interacciones
47
Los efectos biológicos [77] causados por la radiación láser dependen de la longitud
de onda, tiempo de exposición a la radiación, densidad de energía, propiedades ópticas y
térmicas del material. El modelado del proceso de la interacción láser-materia es muy
importante para el análisis y optimización de los parámetros láser, con el fin de conseguir
los efectos deseados en el material a irradiar.
5.2.1 Interacción térmica
Se caracteriza por un incremento local de la temperatura en el punto donde se hace
incidir la luz. El objetivo principal es controlar la temperatura en el material sometido a la
radiación láser ver Tabla 5-1.
Tabla 5-1 Efectos térmicos asociados a los incrementos locales de las temperaturas
inducidas por ablación láser en la piel
Temperatura Efecto inducido
37 °C No hay cambio
45 °C Hipertermia
50 °C Reducción de la actividad de las encimas
60 °C Coagulación
80 °C Permeabilización de las membranas
100 °C Vaporización
> 100 °C Carbonización
> 300 °C Derretimiento
En el capítulo 2 se caracterizó el láser de Er:YAG utilizado para esta investigación.
Tomando en consideración la energía y duración del pulso, este se encuentra acotado
entre los valores de energía y tiempo asociados a la interacción térmica (ver Figura 5-1).
Para la determinación de la cantidad de material evaporado y las temperaturas asociadas a
estos cambios, se pretende evaporar tanto material sea necesario hasta llegar a los vasos
sanguíneos que se encuentran en la frontera epidermis - dermis.
48
5.3 Seguimiento de la pluma ablación
Figura 5-2 Evolución temporal frente de vaporización
Durante el proceso de ablación ocurre desprendimiento de material debido a las altas
temperaturas inducidas por el láser. Con la finalidad de caracterizar este proceso se sigue la
metodología descrita en el apartado 2.7 donde se definen los experimentos para detectar la
pluma de ablación.
Las imágenes presentadas (ver Figura 5-2) muestran la evolución temporal de la
pluma de ablación, la primera muestra el instante donde el láser incide sobre la muestra
iluminando una parte de la misma; a los 60 sμ el gradiente de temperatura inducido se ve
manifestado como un punto brillante que corresponde a la zona donde el spot esta
enfocado en la superficie, la tercera imagen corresponde al punto donde el material se
empieza a calentar y se acerca a la temperatura de vaporización, la cuarta, quinta y sexta
imagen corresponden a la evolución del material expulsado conforme la energía depositada
se va incrementada la pluma de ablación crece. Las imágenes mostradas corresponden a los
tiempos donde la energía depositada contribuye a un incremento de temperatura, las
imágenes correspondientes al enfriamiento del material no son mostradas.
49
0 200 400 600 800 1000300
350
400
450
500
550
600
Inte
nsid
ad (u
.a)
Pixeles
- Tiempo 1 μsx Tiempo 90 μso Tiempo 180 μs+ Tiempo 210 μs
Figura 5-3 Distribución de la intensidad luminosa en la cámara ICCD
Para determinar la distribución de la intensidad luminosa en la Cámara , se procedió
a integrar de manera individual cada línea vertical del ICCD. La Figura 5-3 muestra la
intensidad obtenida por el método antes descrito, en función de los píxeles horizontales de
la cámara para cuatro instantes de tiempo del pulso láser.
5.4 Método térmico propuesto
Para fines de esta simulación se modelara la interacción láser - piel, utilizando la
ecuación de calor en una dimensión. Para cumplir con esta propuesta el haz láser es
modelado temporalmente igual al de la lanceta láser. El perfil espacial del láser es
modelado invariante (1 D). La Figura 5-4 ilustra la propuesta de diseño. Se observa la
referencia de los 3 ejes y se describe que siendo en una dimensión el modelo a utilizar las
variaciones en z describen la profundidad de la piel.
50
Figura 5-4 Perfil temporal y espacial haz láser
Fanjul y colaboradores [78] realizaron estudios para predecir la temperatura en
tejidos biológicos utilizando la aproximación de Pennes [79], para resolver el problema de
la transferencia de calor en la piel tomando en consideración las temperaturas del flujo
arterial. Crochet y colaboradores [80] determinaron la distribución de temperatura en
tejidos basando su estudio en inducir incrementos de temperatura (terapia foto térmica)
para la destrucción de las células sin dañar tejido sano. En ambos casos la ecuación de
calor es resuelta para determinar el efecto térmico inducido por la acción láser, pero por el
tipo de efecto térmico que desean no consideran el efecto de vaporización de material. Para
fines de este estudio es necesario vaporizar tanto material sea necesario hasta permitir el
flujo de pequeñas gotas de sangre, por lo cual se plantea la utilización del siguiente modelo
para la solución de la ecuación de calor.
La distribución de la temperatura a lo largo de la muestra ( ),T t z es gobernada por
la ecuación de calor en una dimensión [18, 81-83],
51
( ) ( )1 exp b t bT tcp R Ts I zt z z
δ δ δρ λ α αδ δ δ
⎛ ⎞ = + − −⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎣ ⎦⎝ ⎠ ( 1 )
Donde ρ es la densidad del material; , cp λ y bα son la capacidad térmica, conductividad
térmica, y el coeficiente de absorción de la muestra respectivamente. Se define ( )R Ts como
el coeficiente de reflexión el cuál se considera dependiente de la temperatura de la
superficie Ts .
La ecuación de Clausius-Clapeyron (2) [19, 84-86] permite estimar la presión de
vapor 2p a la temperatura 2T si se conoce la presión 1p y la temperatura actual 1T .
Esta es útil para que mediante un sistema iterativo se determine la nueva temperatura de
vaporización 2T asociada a la presión 2p previamente caracterizada por resultados
experimentales obtenidos por la técnica de haz rasante. Se define 1p y 1T como la
temperatura y presión existente en el instante de tiempo anterior.
1 1 1 1ln ( ), despejando 2 1 12 2 1 *ln ( )1 2
p L T k pp k T TT L p
⎛ ⎞= − =⎜ ⎟
⎝ ⎠ + ( 2)
Donde 1 presión a la temperatura 12 presión a la temperatura 2
p Tp T
==
Las condiciones iniciales y las condiciones de frontera utilizadas son:
( ) ( ) ( )00, , ,0 sT z T T t T t= = ( 2 )
Para la solución del sistema se plantea un esquema de diferencias finitas [87] con
los siguientes criterios:
Criterios Estabilidad [88]
2
1, . 2
tD Dcp zλρ
Δ= ≤
Δ
( 3 )
52
Y se definen las siguientes variables:
( ) ( )( ) ( ) ( )1 . .expb blaser t R Ts I t zα α⎡ ⎤= − −⎣ ⎦ ( 4 )
2
.. .
trcp z
λρΔ
=Δ
( 5 )
Se estable el índice l como el que representa las variaciones en el dominio del
tiempo “t”, y el índice i como el que representa las variaciones en la profundidad “z”. La
siguiente ecuación se utiliza para calcular la distribución de temperatura en dominio
interior de la malla.
[ ] ( )11 1. 1 2 . .l l l l
i i i ilT T r T r T r laser l
cpρ+
+ −Δ
= + − + + ( 6 )
Para el cálculo de la temperatura en la frontera, se utilizan las condiciones de
frontera tal y como se muestra en la ecuación 7:
0
0z
Tz
δδ =
= ( 7 )
Introduciendo estos en la ecuación de calor y resolviendo para i=0 (frontera), se tiene la
ecuación de frontera
( ) ( )10 1 0 1
.. 1 2.
.l l l l l laser l
T r T r T rTcp ρ
+−
Δ= + − + + (8)
Tabla 5-2 Datos de los materiales utilizados en la simulación
Material Densidad
3
kgrm
Calor
específico
.J
kgr K°
Conductividad
Térmica
.W
m K°
Coeficiente
absorción
1m
Entalpía de
vaporización
kJmol
Agua 958 4.213 679.1e-3 1e+6 40.7e+3
Epidermis 1200 3590 .23 1e+6 40.7e+3
53
5.5 Resultados Modelo de interacción térmica
Conocer la temperatura inducida en la piel por la acción del láser nos proporciona
una herramienta para la determinación de los efectos inducidos por la acción láser en ella
(ver Tabla 5-1).
El modelo propuesto toma en consideración la velocidad del frente de vaporización,
siendo este alimentado por los resultados obtenidos de los experimentos utilizados para
determinar el frente de vaporización. Para fines de análisis dos casos son estudiados, con
frente de vaporización y sin frente de vaporización.
La Figura 5-5 muestra la duración del pulso láser y la temperatura a la cual se
encuentra la muestra después de 500 µs (tiempo duración pulso láser) cuando no existe
cambio de fase. Al no existir cambios de fase la temperatura del material alcanza valores
cercanos a 7000 °K.
0 100 200 300 400 5000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000 Temperatura
Tiempo (μs)
Tem
pera
tura
0 Kel
vin
Figura 5-5 Temperatura en la piel inducida por láser tomando en consideración al no existir
vaporización de material
54
Las simulaciones fueron realizadas con los datos descritos en la Tabla 5-2. El perfil
temporal del láser utilizado se modelo igual al de la lanceta láser, y la energía de pulso
varía en un rango comprendido entre 80 – 500 mJ.
El proceso de perforación al incluir el cambio de fase se observa en la Figura 5-5, en
ella se demuestra que la relación existente entre la energía del láser y la profundidad de
perforación presenta un comportamiento no lineal.
100 200 300 400 500 600100
120
140
160
180
200
220
Pro
fund
idad
Per
fora
ción
(μm
)
Energía (mJ)
Figura 5-5 Curva de ablación obtenida por el modelo térmico propuesto.
La Figura 5-6 muestra los resultados de la simulación al irradiar dos materiales
diferentes (descritos en la Tabla 5-2) con láser. Debido a las propiedades de los materiales
se observa que el material uno (epidermis) con la misma energía realiza una perforación de
80 μm en comparación con las 110 μm que se logran con el material 2 (agua). Se
determina en ambos casos que al alcanzar 450 mJ la profundidad de la perforación ya no
crece en relación a la energía depositada.
55
0 100 200 300 400 500 600
80
100
120
140
160
180
200+ Aguax Epidermis
Pro
fund
idad
de
perfo
raci
ón (μ
m)
Energía (mJ)
Figura 5-6 Curva de ablación para el agua y la epidermis obtenida por la simulación
numérica. La Figura 5-7 muestra la variación de la temperatura en la superficie de la muestra
en función de la presión obtenida por Claussius Clapeyron.
2000 4000 6000 8000 10000
Presión (atm.)
Tem
pera
tura
(°K
)
0
200
400
600
800
1000
1200
Figura 5-7 Temperatura de vaporización de la epidermis en función de la presión.
56
En La Figura 5-8 se ilustra la distribución de temperatura en el material al término
del pulso láser (energía de 450 mJ). Se obtiene de la simulación que el tamaño de la
perforación es de 200 μm. De la gráfica se determina que después de terminar el pulso
láser la energía depositada permite que longitud de penetración del calor sea de
aproximadamente 15 μm.
1 10 100
0
200
400
600
800
1000
Tem
pera
tura
(°K
)
Tiempo (μm)
Perforación 200 μm
Figura 5-8 Temperatura calculada en la epidermis al termino del pulso láser.
Numéricamente se determino la profundidad de la perforación y las afectaciones
térmicas en 1 dimensión. Para determinar las afectaciones térmicas en tejido vivo se
procedió a irradiar el tejido con un láser de ER:YAG pulsado (energía de pulso 450 mJ y
duración del pulso 500 µs), para posteriormente determinar mediante corte histológico las
afectaciones térmicas producidas. La Figura 5-9 muestra la zona donde se realizo la
perforación en la piel. Se observa que en la parte de en medio no existen las capas que
corresponden a la epidermis y al estrato córneo, ya que estas fueron vaporizadas por el
efecto de la acción del láser. Se observan pocos vasos sanguíneos lo cual es característico
de la frontera dermis-epidermis. Al mismo tiempo la región donde el láser se enfoco
presenta zonas más obscuras. Esto es tejido sometido a daño térmico, se identifica que
alrededor del tejido obscurecido se presenta tejido sano.
57
Figura 5-9 Corte histológico donde se muestra la perforación efectuada al irradiarla con
láser Er:YAG pulsado.
El modelo semí-empírico propuesto que utiliza la onda de presión obtenida
experimentalmente, permitió determinar los efectos del pulso láser en la epidermis. Se
determinó que al irradiar diferentes tejidos con una misma energía se presentan
perforaciones más profundas en el tejido que tiene mayor contenido de agua. Esto coincide
que con el hecho de que cuando el espectro de absorción es 100% agua, se alcanza más
rápido el umbral de vaporización. Espectros de absorción con un porcentaje menor de
agua, inducen en la muestra menores densidades de potencia, provocando que el tiempo
necesario para alcanzar la energía para vaporizar material se incremente.
Capítulo 6
Conclusiones
59
6 Conclusiones
El modelo propuesto para obtener el parámetro de transmitancia de la epidermis
mostró ser una técnica que puede ser utilizada para la determinación del espesor de la
epidermis in vivo. La dependencia lineal entre el espesor de la epidermis y el valor de
transmitancia que puede ser medido según la metodología propuesta, unido a la relativa
independencia del mismo a las variaciones del espesor del estrato corneo, ambos resultados
obtenidos a partir de la validación realizada en base a modelos ya establecidos en la
literatura del tema, permiten considerar a este método como una herramienta con gran
potencial para ser validada de forma estadística y considerada como un producto
patentable.
El uso de las técnica fotoacustica de “PILA” empleando transductores tipo
“electrect” y “piezoeléctrico” para el estudio en tiempo real del proceso de perforación de
la epidermis se muestra como una herramienta muy sencilla y precisa para detectar de
manera indirecta e in situ cuando una perforación se encuentra dentro de una de las tres
clasificaciones introducidas en este trabajo, insuficiente, óptima o “dolorosa”.
Durante el proceso de perforación y debido a la interacción del láser sobre la piel,
la extracción y expulsión del material nos permite determinar mediante técnicas de haz
rasante la dinámica del perfil de presión asociada al proceso de expansión de la señal
acústica en la piel. Este fue determinado a diferentes energías de irradiación láser,
esencialmente la dinámica del perfil de la presión se muestra invariable con la energía.
El modelo semí-empírico propuesto que utiliza la onda de presión obtenida
experimentalmente, permitió determinar los efectos del pulso láser en la epidermis. Se
determinó que al irradiar diferentes tejidos con una misma energía se presentan
perforaciones más profundas en el tejido que tiene mayor contenido de agua. Esto coincide
que con el hecho de que cuando el espectro de absorción es 100% agua, se alcanza más
rápido el umbral de vaporización. Espectros de absorción con un porcentaje menor de
agua, inducen en la muestra menores densidades de potencia, provocando que el tiempo
necesario para alcanzar la energía para vaporizar material se incremente.
60
Se identifico que la relación profundidad de penetración efectiva y la energía láser
para una duración de pulso específica tiende a saturarse (Figura 5-5). Bajo esta condición
donde la profundidad de la perforación ya no crece en función de incrementos en la
energía, y conociendo que el espesor de la epidermis varía de persona en persona, se
recomienda diseñar lancetas láser con diferente duración de pulso que permitan obtener
perforaciones óptimas en cualquier individuo que se someta a la acción del láser.
6.1 Trabajos Futuros
Establecer convenios de colaboración la secretaria de salubridad y asistencia para el
manejo de tejidos, y así facilitar la experimentación con personas vivas.
Realizar experimentos para determinar la profundidad de la perforación en personas
utilizando la técnica de OCT.
Modelar la distribución de la temperatura en la piel en dos dimensiones para
predecir la profundidad de la perforación.
Utilizar la distribución espacial de la energía absorbida por el método de
Montecarlo, para predecir la cantidad de material a vaporizar y verificar los resultados
presentados con los obtenidos a través del modelo térmico.
Implementar la técnico óptica propuesta en esta investigación con otros tipos de
fuentes de luz, para predecir el espesor de la epidermis.
Capítulo 7
Referencias
62
7 Referencias
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Status Enviado.
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