Desarrollo de técnicas ópticas avanzadas para el análisis de sistemas biomédicos

El estudio de sistemas biomédicos tiene cada día mayor interés para el diagnóstico, la prevención y el tratamiento de patologías que afectan a los seres humanos, como por ejemplo las enfermedades cardiovasculares, principal causante de muerte en el mundo. Una descripción completa para un estudio hemodinámico incluye información acerca de la velocidad de la sangre (mapas de velocidades en el interior de los vasos sanguíneos) y de la deformación de las paredes del vaso (debida a cambios internos de presión al pasar el fluido). Ambas informaciones aportarían conocimiento acerca de la interacción fluido-estructura, que es un factor importante en el desarrollo de este tipo de enfermedades. Una medida de la forma también puede aportar información importante de algunas patologías como las presentes en las cuerdas vocales, donde la detección de una vibración anómala ayudaría a evitar procedimientos invasivos que dañen el órgano de fonación. En la actualidad existen diferentes métodos para medir la anatomía de órganos internos del cuerpo humano y velocidades de flujos biológicos. La mayoría son medidas in-vivo como ecografías, ultrasonidos de efecto Doppler, rayos X, tomografías computarizadas y resonancias magnéticas. Todas ellas tienen la desventaja de tener baja resolución temporal y/o espacial o de inyectar un medio de contraste que puede tener efectos secundarios. También se han realizado medidas introduciendo sensores en el cuerpo humano por medio de catéteres, contando con la desventaja de ser medidas invasivas. Hasta el momento no se han reportado medidas de deformación de los vasos sanguíneos. En este trabajo se propone la utilización de técnicas ópticas de medida no invasivas para un estudio biomédico in-vitro. Las técnicas ópticas poseen alta resolución espacial y temporal, y permiten extraer información como deformación, forma de sólidos, velocidades de fluidos y cambios de índice de refracción. Las técnicas que se utilizarán en esta tesis se describen brevemente a continuación. La técnica PIV (Particle Image Velocimetry) mide las dos componentes de la velocidad en un plano del fluido (técnica 2C-2D). Para ello se siembra el fluido con trazadores que siguen su movimiento. La medida del desplazamiento se lleva a cabo registrando dos imágenes del plano iluminado en dos instantes de tiempo conocidos. Calculando la función de correlación entre pequeñas zonas de ambas imágenes se obtiene el desplazamiento promedio de las partículas que se encuentran en dicha zona. La holografía digital permite capturar no solo información de la amplitud de la onda objeto sino también de la fase. Para ello se registra la interferencia entre el haz objeto y un haz de referencia. A partir de dos registros, antes y después de la deformación del objeto, es posible medir la deformación utilizando el cambio que se ha producido en la fase. Esta técnica también permite medir cambios del índice de refracción y formas de sólidos. La técnica de proyección de franjas permite obtener la forma de un objeto a partir de la distorsión que sufren unas franjas paralelas proyectadas sobre el mismo. El patrón de franjas proyectado sobre un plano de referencia se compara con el patrón de franjas proyectado sobre el objeto, de modo que se puede hallar la profundidad del objeto con respecto a dicho plano de referencia. Esta tesis consta de varias partes. El objetivo era estudiar los efectos de un filtro anti-trombo y del sistema formado por un filtro al que se le había adherido un modelo de trombo, en el flujo en el interior de un vaso sanguíneo. Se diseñó un modelo de sistema cardiovascular que incluía una bomba de pistón que produce flujos fisiológicos, modelos de vasos sanguíneos con diferentes características, medidores externos de caudal y presión, y una mezcla que simulaba la sangre. Se evaluaron diferentes tipos de caudales (continuos y pulsátiles) y se obtuvieron los correspondientes mapas de velocidades del flujo, por medio de la técnica de PIV. En la segunda parte se desarrolló una metodología para estudiar el comportamiento físico del sistema cardiovascular, tanto la mecánica del flujo sanguíneo como la de las paredes de los vasos sanguíneos. Se ha planteado el uso de dispositivos endoscópicos comerciales combinados con técnicas ópticas como el PIV y la holografía digital. Los endoscopios permiten iluminar (cuentan con un sistema propio de iluminación) y observar el objeto al mismo tiempo. Además se pueden introducir en cualquier cavidad e incluso sumergirse en líquido. Ambas características han sido utilizadas en este trabajo. Como propuesta altamente novedosa, se ha utilizado por primera vez un único endoscopio para iluminar y registrar un holograma. También es la primera vez que se han realizado medidas de mecánica de sólidos (la medida de la deformación de la pared de un vaso sanguíneo) observando a través de un líquido. Se han caracterizado varios tipos de endoscopios. Se diseñaron diferentes montajes ópticos con el fin de hallar la configuración óptima para estudiar los diferentes modelos de vasos. Se estudió la mejor forma de iluminar y observar el interior y el exterior del vaso. La tercera parte está relacionada con la medida de la forma de las cuerdas vocales en modo vibración por medio de la técnica de proyección de franjas. Diferentes aplicaciones de esta técnica se pueden encontrar en la literatura, sin embargo existen pocos trabajos que estudien la forma de un objeto con una geometría complicada como es la de las cuerdas vocales. Se midió la forma de diferentes modelos de cuerdas vocales en modo estático y en modo vibración. Esta puesta a punto del sistema ha permitido obtener la forma de una laringe de cerdo. Las conclusiones de este trabajo se resumen a continuación. Las medidas realizadas con técnicas ópticas son importantes y valiosas para el estudio de sistemas biomédicos debido a que no son invasivas y a que poseen una alta resolución temporal y espacial. Con ellas podemos medir diferentes propiedades físicas, como velocidades, forma, deformaciones, y cambios de índice de refracción. Este tipo de medidas ayudarían a mejorar el entendimiento que se tiene hasta el momento de diferentes sistemas biomédicos. En este trabajo se han medido los campos de velocidad en el interior de un modelo de vaso sanguíneo con y sin filtro anti-trombo. En el caso del vaso sin filtro, se ha comprobado que los perfiles medidos están de acuerdo con la teoría tanto para flujos constantes, como para flujos pulsátiles. Esto ha permitido validar el sistema de medida y encontrar los errores experimentales. Se ha analizado cómo cambian estos perfiles debido a la presencia del filtro. Se ha creado una base de datos que contiene información de todos los campos de velocidades obtenidos experimentalmente para su comparación con simulaciones numéricas. También se han explorado las capacidades de los endoscopios comerciales para hacer medidas mediante técnicas ópticas. Se realizaron medidas de velocidad al interior de un vaso sanguíneo con la técnica PIV y observando con un endoscopio. También se diseñó un sistema óptico que permite realizar hologramas usando un único endoscopio para iluminar y registrar el objeto. Se realizaron medidas de la deformación de la pared externa de modelos de vaso sanguíneos y de vasos reales cuando circula un flujo pulsátil. En caso de los modelos de vaso la deformación radial es uniforme mientras que en los vasos reales se encuentra una deformación irregular. De todos estos experimentos podemos concluir que la holografía digital endoscópica es una técnica con gran potencial en el estudio de la dinámica de vasos sanguíneos. Finalmente se puso a punto una técnica de proyección de franjas que pueda medir la forma utilizando un endoscopio comercial como instrumento de acceso óptico al sistema. Se espera poder aplicar la técnica para medir la forma de las cuerdas vocales en modo vibración en un ambiente clínico