laser y aplicaciones medicas

1. Dr. Vicente Torres Zúñiga
1
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.
2

3. El sable láser, icono de la ciencia ficción
Física aprender tu
debes.
3

4. El mecanismo cuántico de la
absorción/emisión, láser
La luz es una onda
electromagnética y
puede presentarse
como un paquete de
La luz es una onda
de energía: Fotones
Los átomos sólo absorben
frecuencias luminosas
características – elevando el
del estado energético atómico base.
Cuando desciende el
estado energético
se libera un fotón
característico.
Si en el estado elevado
incide el fotón adecuado
se liberan dos fotones
idénticos: luz láser
A. Einstein propuso estos procesos
en 1917.
4

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.
5

6. Un láser de He-Ne al desnudo
6
http://galileo.phys.virginia.edu/

7. Cualidades 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.
7

8. La parte relevante del espectro
electromagnético.
Longitud de onda (nm)
Excimero
Argón
Colorante
Rubí
Diodo
Longitud de onda (nm)
Nd:YAG
Ho:YAG
Er:YAG
CO2
8

9. 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.
Transiciones
no-radiativas
Fluore-
scencia
Fosforescencia
Cruce en el
Intersistema
Absorción
Emisión
S0
S1
S2
T1
T2
9
Tiempo

10. Cada molécula absorbe cierto color
Agua
Esparcimiento
Proteínas
Melanina
Hemo-
globina
Longitud de onda, l (nm)
Coeficientede
absorción,(1/cm) 10

11. Penetración del láser en los tejidos
11
Ref: Qian Peng et
al 2008 Rep. Prog.
Phys. 71 056701

12. Tiempo de exposición, t (s)
Razóndeexposición(W/cm2)
Modo electro-
mecánico
Ablación
Fluencia
(J/cm2)
Vaporización
Coagulación
Modo foto-
químico
Bioestimulación
Zonas de efectos físicos
12

13. Funciones 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.
13

14. Ejemplos de láser como herramienta
de remoción
14

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.
15

16. Efectividad de la depilación láser
16

17. Precauciones 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
17
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
18

19. Cirugía oftalmológica
EL SABER Y LOS SENTIDOS, ELIEZER BRAUN
http://www.surgeryencyclopedia.com
19
130
millones
de
células
nerviosas

20. ¿Todos tenemos ojos azules?
20

21. Ejemplos del láser como herramienta
en el diagnostico clínico
21

22. Diagnostico convencional de cáncer: toma
de una biopsia 22

23. La fluorescencia en la naturaleza
23
• Calcita ante luz blanca• Fluorescencia de la
calcita con luz UV.

24. Anémonas marinas
• Iluminación con luz UV
24
• Iluminación con luz blanca

25. Arreglo experimental regular para estudios
clinicos 25

26. Observación de un cáncer con luz blanca y
con luz ultravioleta 26

27. Fluorescencia de células antes de
multiplicarse 27
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
28

29. Uso 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
29

30. Cómo se usan los biomarcadores para
aumentar el contraste 30
Haz
láser
Mientras más
marcadores se
concentren en el
tumor, mejor.
Pero hay que
superar el límite
de saturación

31. Ejemplo de fototerapia dinámica
31
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
32

33. Violeta de genciana en la ONL-c(2)
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 nm
w
w
2w
Mediciones relativas
respecto a un material de
referencia.
34
Tiempo
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
35

36. ¿Podemos con un láser reproducir
ecografías? 36

37. Tomografía axial por transmisión
37
http://www.uff.br/
TACen3D.Crédito:Wikipedia/GPL.

38. Fundamentos del fenómeno fotoacústico
(PA): 38
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.
39
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 40
Ref: 1) M.
Xu & L. V.
Wang, Rev.
Sci. Instrum.
77, 041101,
2006.
2) E. De
Montigny,
Photo-
acoustic
Tomography:
Ecole
Polytech
Montreal,
2011.

41. Cuatro globulos rojos
41

42. Propuesta de camilla para detección de
cáncer mamario 42
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 muscular
Requerimos maniquís que
reproduzcan las propiedades
morfológicas, mecánicas y
ópticas de seno.
43
Ref: European Institute of Women's Health

44. Fotoacústica en un polarizador orgánico:
alcohol de polivinil impregando de yodo 44

45. Etapas para autorizar el uso de un
medicamento
http://www.fda.gov/aboutfda/enespanol/default.htm
45

46. Acupuntura láser (WTF!!!)
46
Laser acupuncture: past,
present, and future
P Whittaker - Lasers in
Medical Science, 2004.
Functional magnetic resonance imaging
detects activation of the visual
association cortex during laser
acupuncture of the foot in humans
CM Siedentopf, SM Golaszewski, FM
Mottaghy,Neuroscience, 2002.

47. Conclusiones 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.
47

48. Gracias por su atención, ¿Preguntas?
• Email: vicentz@gmail.com
• Twitter: @TaoFisica
• Blog: http: // vicente1064.blogspot.com
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