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Dr. Vicente Torres Zúñiga

El láser al rescate de la medicina: aplicaciones para controlar

enfermedades

2¿De qué va la charla?

• Características de las fuentes láser • Propiedades ópticas de los tejidos• Interacciones láser-tejidos• Algunas aplicaciones:

– Cirugías estéticas y de ojos • Absorción UV-Vis-NIR

– Imagenología para detectar cáncer• Fluorescencia• Óptica No-lineal: generación de segundo armónico • Fotoacústica

– Acupuntura láser (¿WTF!!?)

Credit: alexander tsiaras/science photo library.

3El sable láser, icono de la ciencia ficción

Física aprender tu debes.

4

El mecanismo cuántico de la absorción/emisión, láser

La luz es una ondaelectromagnética ypuede presentarsecomo un paquete deLa luz es una ondade energía: Fotones Los átomos sólo absorbenfrecuencias luminosascaracterísticas – elevando el del estado energético atómico base.

Cuando desciende elestado energéticose libera un fotóncaracterístico.

Si en el estado elevadoincide el fotón adecuado

se liberan dos fotonesidénticos: luz láser

A. Einstein propuso estos procesos en 1917.

5¿Qué es un láser?

• Es una fuente de luz: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (1960)

Componentes del láser: 1) Medio láser 2) Energía de bombeo, y 3) Cavidad óptica

Energía

Pueden existir láseres a base de cerveza o Coca-Cola. Sin embargo, otros materiales tienen un mejor desempeño.

Un láser de He-Ne al desnudo6

http://galileo.phys.virginia.edu/

7Cualidades de los haces láser

• Alta intensidad, indispensable para muchas aplicaciones.

• Monocromaticidad, se relaciona con la absorción de una molécula particular.

• Alta colimación y coherencia, permite enfocar hasta el orden de un 1 micra y el acoplamiento de fibras ópticas.

• Se puede estructurar el pulso. Para producir un efecto especifico. Pueden duran muy poco.

8

La parte relevante del espectro electromagnético.

Longitud de onda (nm)

Excimero

ArgónColorante

RubíDiodo

Longitud de onda (nm)

Nd:YAGHo:YAG

Er:YAG

CO2

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Aplicaciones selectivas de los láseres en medicina

• Diagnostico: La meta es analizar el tejido.• Terapia: La meta es modificar el tejido, e.g.

matar células malignas.

Transicionesno-radiativas

Fluore-scencia

Fosforescencia

Cruce en elIntersistema

Abs

orci

ón

Emis

ión

S0

S1

S2

T1T2

Tiempo

10Cada molécula absorbe cierto color

Agua

Esparcimiento

Proteínas

Melanina

Hemo-globina

Longitud de onda, l (nm)

Coe

ficie

nte

deab

sorc

ión,

(1/c

m)

11Penetración del láser en los tejidos

Ref: Qian Peng et al 2008 Rep. Prog. Phys. 71 056701

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Tiempo de exposición, t (s) Raz

ón d

e ex

posi

ción

(W/c

m2 ) Modo electro-

mecánico

Ablación

Fluencia (J/cm2)

Modo térmicoVaporización

CoagulaciónModo foto-químico

Bioestimulación

Zonas de efectos físicos

13Funciones quirúrgicas del láser

1. Incorporado a una fibra óptica, sirve para observar dentro de un paciente.

2. Vaporiza la superficie del tejido.3. Cauteriza, reduciendo el sangrado que

ocasiona el corte de un bisturí.

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Ejemplos de láser como herramienta de remoción

15

Láseres en cirugía estética: remoción de tatuajes

• El láser penetra la piel e incide en el pigmento, lo degrada y los residuos son absorbidos por el sistema linfático.

• Las heridas de la piel son mínimas, y las sesiones duran un par de minutos.

• Se usan láseres como el de ruby, Nd:YAG, alexandrita.

http://tattooing1.blogspot.mx/2012/10/laser-tattoo-removal-in-nyc-addresses.html

16Efectividad de la depilación láser

17Precauciones al usar el láser en la piel

• el candidato ideal es de piel delgada y pelo negro

• Se debe usar anestesia tópica y enfriar la superficie

• Después de muchos tratamientos se logra la depilación (reducción) a largo plazo, pero no permanente.

• Efectos secundarios de usar el láser: – Poco recomendado en pacientes que tratados

con el fármaco isotretinoína– Hyperpigmentación– Formación de ampollas y cicatrices – Brote de acné – Irritación O. A. Ibrahimi et. al. Laser hair removal.

Dermatologic Therapy, Vol. 24, 2011, 94–107

18

Cuando usar el láser en la piel es mala idea

19Cirugía oftalmológica

EL SABER Y LOS SENTIDOS, ELIEZER BRAUN

http:

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130 millonesde células nerviosas

20¿Todos tenemos ojos azules?

21

Ejemplos del láser como herramienta en el diagnostico clínico

22

Diagnostico convencional de cáncer: toma de una biopsia

23La fluorescencia en la naturaleza

• Calcita ante luz blanca• Fluorescencia de la calcita con luz UV.

Anémonas marinas

• Iluminación con luz UV

24

• Iluminación con luz blanca

25

Arreglo experimental regular para estudios clinicos

26

Observación de un cáncer con luz blanca y con luz ultravioleta

27

Fluorescencia de células antes de multiplicarse

Injertando proteínas fluorescentes en la maquinaria genética del Bacillus-Subtilis, podemos observar efectos ópticos periódicos.

Por medio de procesamiento de imágenes. Automatíceme se analizó este comportamiento celular: N = 20

Investigación en colaboración con el el Caltech. USA.

Articulo en preparación:

28

Óptica no-lineal de segundo orden y bio-marcadores

29Uso de biomarcadores

• Permiten diferenciar entre ciertos tipos de tejidos.– Absorbentes endógenos: hemoglobina, proteínas,

melanina, agua. – Fluoroforos endógenos: colágeno, elastina, NADH.

• Su inserción permite aumentar alguna caractereristica física determinada. – Nanopartículas: Oro encapsulado en vidrio– Colorantes: violeta de genciana

30

Cómo se usan los biomarcadores para aumentar el contraste

Hazláser

Mientras más marcadores se concentren en el tumor, mejor. Pero hay que superar el límite de saturación

31Ejemplo de fototerapia dinámica

Pre-terapia + 2 semanas + 3 meses

32¿Qué es la técnica sol-gel?

• Es la hidrólisis de precursores moleculares y su policondensación a una forma vidriosa y amorfa.

• Por su porosidad final permite la agregación de sustancias orgánicas e inorgánicas durante la formación de la red vidriosa en condiciones de presión atmosférica y ~20oC.

Área máxima para sol-gel: 500 m2/gr

Violeta de genciana en la ONL-c(2)

AD D

D

Torres-Zúñiga, V., & Morales-Saavedra, O. (2012).Mat. Chemi. & Phy., 133 (2-3), 1071-1082

34¿Qué es la SHG y estudios biológicos?

1064 nm 532 nmw

w2w

Mediciones relativas respecto a un material de referencia.

Tiem

po

Ref: W. Hu, G. Zhao, C. Wang, J. Zhang,L. Fu, PLoS ONE, 7 (5 ) 2012

Tumor pancreático en diferentes etapas observado por técnicas de SHG e histología convencional (hematoxylin and

eosin images and the Masson’s trichrome images)

35

Tomografía, imagenología y Fotoacústica

36

¿Podemos con un láser reproducir ecografías?

37Tomografía axial por transmisión

http:

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TAC

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D. C

rédi

to: W

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/GPL

.

38

Fundamentos del fenómeno fotoacústico (PA):

Bell, 1881

39

Observando más de cerca el caso de la sangre

De una cuidadosa de l‘s se puede obtener información de las razones de oxigenación.

Ref.: C. Li & L. V. Wang Phys. Med. Biol. 54 R59 2009

A mayor el volumen de sangre,Más vasos sanguíneos,mayor señal PA.

El cáncer necesita alimentarse, por ello crecen vasos alrededor de él.

40

La resolución/penetración la PA es buena… y puede ser mejor

Ref: 1) M. Xu & L. V. Wang, Rev. Sci. Instrum. 77, 041101, 2006.

2) E. De Montigny, Photo-acoustic Tomography: Ecole Polytech Montreal, 2011.

41Cuatro globulos rojos

42

Propuesta de camilla para detección de cáncer mamario

Una camilla fácil de instrumentar que tome en cuenta variaciones anatómicas de las mujeres

(A) (B) (C)

43

Seno femenino • tejido blando • materia suave

— VISTA LATERAL—• Glándulas• Tejido graso subcutáneo• Musculo del seno• Pezón• Caja torácica• Capa muscularRequerimos maniquís que

reproduzcan las propiedades morfológicas, mecánicas y ópticas de seno.Ref: European Institute of Women's Health

44

Fotoacústica en un polarizador orgánico:alcohol de polivinil impregando de yodo

45

Etapas para autorizar el uso de un medicamento

http://www.fda.gov/aboutfda/enespanol/default.htm

46Acupuntura láser (WTF!!!)

Laser acupuncture: past, present, and futureP Whittaker - Lasers in Medical Science, 2004.

Functional magnetic resonance imaging detects activation of the visualassociation cortex during laser acupuncture of the foot in humansCM Siedentopf, SM Golaszewski, FM Mottaghy,Neuroscience, 2002.

47Conclusiones generales

• Las fuentes de luz láser se caracterizan por su alta intensidad. Por lo cual son útiles para aplicaciones diversas, como las médicas.

• Dependiendo del color, la duración del pulso, la intensidad y la exposición del tejido a la luz, es la aplicación.

• Son vastas las aplicaciones de los láseres en medicina. Pero siempre hay que tener un pensamiento crítico en su uso.

48Gracias por su atención, ¿Preguntas?

• Email: vicentz@gmail.com• Twitter: @TaoFisica• Blog: http: // vicente1064.blogspot.com