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Increíble magia óptica: ¿Cómo utilizar la dispersión y absorción de la luz para explorar el cuerpo humano?
En la investigación médica moderna, la óptica de dispersión en el dominio del tiempo (óptica difusa TD) está mostrando gradualmente su extraordinario potencial de aplicación. Esta tecnología utiliza los principios de dispersión y absorción de la luz para penetrar profundamente en las capas de tejido humano y proporcionar valiosa información biomédica. A medida que esta tecnología se desarrolle, los métodos de medición no invasivos revolucionarán la forma en que monitoreamos nuestra salud.
La óptica de dispersión en el dominio del tiempo permite el monitoreo continuo y no invasivo de las propiedades ópticas del tejido, lo que la convierte en una poderosa herramienta de diagnóstico.
El principio fundamental de esta tecnología se basa en la captura precisa del estado de la luz en un medio difuso. En esta tecnología, se inyectan pulsos de luz extremadamente cortos (menos de 100 picosegundos) en el tejido biológico utilizando una fuente de láser pulsado de alto rendimiento. Posteriormente, el fotón experimenta múltiples dispersiones y absorciones y finalmente es recogido a una determinada distancia, registrándose así el tiempo de llegada del fotón. Estos tiempos de llegada se convierten luego en un histograma de distribución del tiempo de vuelo (DTOF), que proporciona información detallada sobre la dinámica y la estructura del tejido.
La absorción y la dispersión son los principales fenómenos que afectan la migración de fotones en medios difusos.
La luz es transparente en el rango de longitud de onda del rojo al infrarrojo cercano de los tejidos biológicos, por lo que puede penetrar profundamente en los tejidos, lo que es de gran importancia en diversas aplicaciones in vivo y ensayos clínicos. En concreto, los procesos de dispersión y absorción tienen efectos diferentes y pueden extraerse de forma independiente sin necesidad de múltiples separaciones fuente-detector. Esta propiedad única le da al método TD una clara ventaja sobre el método de onda continua (CW), ya que su profundidad de penetración depende completamente del tiempo de llegada de los fotones.
La detección del cáncer, la monitorización del flujo sanguíneo y la evaluación de la función cerebral son áreas de aplicación de la óptica de dispersión TD. Combinada con componentes instrumentales optimizados (fuente láser pulsada, detector de fotón único y electrónica de sincronización), esta tecnología puede recolectar y analizar eficazmente señales ópticas de tejidos profundos.
Al estimar los coeficientes de absorción y dispersión, los científicos pueden obtener la concentración de diferentes componentes en el tejido y la información relacionada con el oxígeno en la sangre.
El desarrollo de la óptica moderna de dispersión en el dominio del tiempo se basa en un profundo conocimiento de la propagación de la luz en medios difusos. En este campo se suele utilizar la teoría de transferencia radiativa para analizar múltiples procesos de dispersión. En algunos casos, esta teoría puede proporcionar soluciones precisas que son muy consistentes con las aplicaciones prácticas. La aplicación de estas teorías nos permite explorar los organismos más profundamente y es particularmente valiosa para detectar diversas patologías.
En lo que respecta a componentes de instrumentos específicos, el núcleo de la óptica de dispersión en el dominio del tiempo incluye una fuente de láser pulsado y un eficiente detector de fotón único. En particular, en el pasado se utilizaban con frecuencia para la investigación los voluminosos láseres sintonizables de zafiro de titanio. Aunque ofrecen un amplio rango de longitudes de onda, están siendo reemplazados gradualmente por fuentes de luz más pequeñas y seguras debido a su tamaño y alto precio.
Al combinar fuentes de luz pulsada con diferentes tipos de detectores de fotones individuales, como diodos contadores de fotones (SPAD) y contadores de fotones de silicio (SiPM), la tecnología moderna permite la operación dentro de ventanas ópticas más grandes y mejora la eficiencia y precisión de las mediciones. Con la aplicación de estos métodos innovadores, los investigadores pueden obtener rápidamente las señales ópticas de Parry desde el interior del cuerpo humano y luego realizar un análisis detallado.
En electrónica del tiempo, técnicas innovadoras permiten la “reconstrucción sin pérdidas” de la distribución del tiempo de vuelo de los fotones, un proceso que permite un análisis detallado de las señales de miles de fotones, enriqueciendo así nuestra comprensión de los tejidos biológicos. El desarrollo de estas tecnologías no sólo ha mejorado la precisión de la tecnología de óptica dispersa, sino que también la ha hecho más popular.
La escaterometría en el dominio del tiempo tiene una amplia gama de aplicaciones, desde la monitorización neonatal hasta las pruebas clínicas, y tiene el potencial de proporcionar información sobre la salud humana.
A medida que la tecnología continúa avanzando, la óptica de dispersión en el dominio del tiempo sin duda desempeñará un papel cada vez más importante en la biomedicina e incluso en muchos otros campos científicos. El desarrollo de esta tecnología nos permitirá comprender mejor los cambios fisiológicos dentro del cuerpo humano y brindar nuevas soluciones para futuras intervenciones médicas y monitoreo de la salud. ¿Imagina si los tratamientos médicos del futuro pudieran depender más de estas sofisticadas tecnologías ópticas para mantener nuestra salud?
