Estudio de la propagación de luz en el infrarrojo cercano en medios turbios multicapas : aplicaciones a la espectroscopía funcional cerebral
Authors: Demián Augusto Vera 
Published: December 2024

En las últimas décadas, la utilización de la luz infrarroja como herramienta de terapia y diagnóstico ha ganado amplio terreno en el campo de la Biomedicina debido a su relativo bajo costo, gran portabilidad, baja invasividad y alta inocuidad; sus aplicaciones en humanos van desde la exploración de diversos tipos de tejidos en busca de anomalías fisiológicas, hasta el monitoreo de la actividad hemodinámica en diversas partes del cuerpo. En el presente trabajo nos enfocaremos en el uso de luz roja e infrarroja para la determinación del estado hemodinámico de la corteza cerebral; a esta disciplina se le da el nombre de espectrocopía funcional en el infrarrojo cercano, o simplemente fNIRS, por functional Near Infrared Spectroscopy. A pesar de que hoy en día existen herramientas bien establecidas para obtener información metabólica del cerebro, como la tomografía computada, la resonancia magnética o la electroencefalografía, la fNIRS, por un lado, ofrece características que permiten complementar las técnicas antes mencionadas y, por otro lado, abre las puertas al estudio del cerebro en situaciones más naturales y diversas. Aunque las tecnologías necesarias para el estudio de la actividad hemodinámica en la corteza cerebral mediante espectroscopía en el infrarrojo cercano han crecido a pasos agigantados en la última década, y pese a que en aspectos teóricos y conceptuales se han hecho enormes contribuciones, aún quedan dificultades por abordar. Una de ellas es la existencia de señales indeseadas que provienen de zonas de la cabeza distintas de la corteza cerebral y enmascaran o contaminan en gran medida la señal objetivo. Esta tesis propone un método novedoso para el tratamiento de datos resultantes de experimentos de exploración de cambios hemodinámicos capaz de separar la señal objetivo proveniente de la corteza cerebral de aquellas que se originan en el cuero cabelludo como resultado de procesos fisiológicos, y que no están relacionadas con la respuesta cerebral provocada. Es más, el método en cuestión permite modelar (de manera más adecuada que los algoritmos usados convencionalmente) la atenuación de la señal luminosa causada por la presencia de tejido extracerebral adicional, como el cráneo y el líquido cefalorraquídeo. El estudio aquí desarrollado comprende la validación del método tanto en situaciones relativamente idealizadas (como simulaciones computacionales mediante el método de Montecarlo y en el laboratorio de Óptica Biomédica) como en ensayos sobre personas sanas. Los resultados muestran que, bajo determinadas condiciones, los modelos aquí propuestos, así como el tratamiento de datos que surge de ellos, brindan más y mejor información que aquellos considerados actualmente como convencionales; específicamente, nuestra propuesta es capaz de discriminar cambios metabólicos producidos en capas superficiales, como el cuero cabelludo, de los producidos en la materia gris de manera natural; ello da lugar, por ejemplo, a la disminución de falsos positivos ocasionados por a detección de señales que se originan en zonas diferentes de la corteza cerebral. Además, todo esto es logrado en tiempos de cómputo que permiten su utilización en tiempo real, lo cual tiene enorme valor clínico. Este trabajo de Tesis está organizado de la siguiente manera: en el Capítulo 1 se expone el estado de arte de la espectroscopía en el infrarrojo cercano y cierta cronología desde su nacimiento hasta los años presentes; se describen, además, algunas de sus aplicaciones. En el Capítulo 2 se detallan los fundamentos teóricos que permiten entender la propagación de la luz en medios turbios como un problema de transporte radiativo. Esta sección incluye definiciones básicas de importancia, la descripción más general de la propagación de luz, las aproximaciones más comúnmente implementadas con el fin de optimizar tiempos de cómputo y recursos de hardware, los tipos de fuentes de luz y detectores utilizados, y el rol que cumplen en los estudios realizados. A continuación, en el Capítulo 3, se describe cómo pueden aplicarse técnicas basadas en luz infrarroja a la detección y monitoreo de activación cerebral de manera dinámica. Aquí se explica de manera sucinta cómo la realización por parte de una persona de tareas motrices o cognitivas, o bien la reacción ante estímulos externos dan lugar a procesos metabólicos a los cuales la luz es sensible. Se detalla cómo se realizan experimentos que a partir de la emisión de luz hacia el interior de la cabeza, y de manera totalmente no invasiva, permiten monitorear esos procesos metabólicos. Finalmente, se detalla el modelo propuesto desarrollado para optimizar la recuperación de cambios metabólicos asociados a la acte ivación cerebral. Luego, en el Capítulo 4 se describe el método de Montecarlo, su uso para modelar la propagación de luz en diversas situaciones y, con cierto grado de detalle, los programas de Montecarlo utilizados. El Capítulo 5 detalla la validación del método para recuperar variaciones de absorción en medios multicapas de caras planas, tanto con simulaciones de Montecarlo como mediante experimentos realizados en el laboratorio de Óptica Biomédica. En el Capítulo 6 se utilizan simulaciones de Montecarlo en un modelo de cabeza humana real para recuperar cambios de concentración de cromóforos (de hemoglobinas oxigenada y desoxigenada) en la corteza cerebral. Nuevamente, se comparan los resultados obtenidos con el modelo propuesto con aquellos logrados usando los modelos más aceptados en la actualidad, y se analizan las ventajas y desventajas de nuestro enfoque. En el Capítulo 7 se describen los experimentos realizados con voluntarios sanos cuya hemodinámica en la corteza cerebral motora fue analizada con las técnicas antes descriptas y validadas. Aquí se detallan los procedimientos experimentales llevados a cabo, el equipamiento usado, los métodos de procesamiento de señales propuesto y las dificultades que se encuentran al aplicar las técnicas fNIRS en el más realista de los escenarios. Por último, en el Capítulo 8, se sintetiza lo más sustancial de esta tesis sobre el uso de luz en el infrarrojo cercano tanto para monitoreo de actividad cerebral, de acuerdo a los lineamientos propuestos, sus alcances y limitaciones, sus posibles aplicaciones en casos clínicos, y su versatilidad y robustez. Finalmente, se resume el trabajo a futuro que puede hacer de esta tesis el punto de partida de métodos superadores.