Quantitative method for evaluating nonstandard tissue absorption characteristics using synergetic near-infrared laser thermography and analytical modeling tools

Resumen Técnico: Evaluación Cuantitativa de la Absorción de Tejidos No Estándar mediante Termografía Sinérgica y Modelado

Planteamiento del Problema
El campo de los dispositivos terapéuticos y de diagnóstico por láser se está expandiendo rápidamente en diversas disciplinas médicas; sin embargo, existe una brecha crítica en las herramientas estandarizadas de evaluación de seguridad para "tejidos no estándar". Si bien los estándares de seguridad reconocidos (como ANSI Z136.1-2022 e IEC 60825-1:2014) proporcionan límites de Exposición Máxima Permisible (MPE) bien establecidos para los tejidos oculares y cutáneos basados en décadas de investigación, estos límites no se extienden a los tejidos internos como la mucosa, el cerebro, el riñón o los tejidos cardiovasculares. En consecuencia, las evaluaciones de dispositivos para estas aplicaciones internas suelen depender de la extrapolación de los límites de la piel o de la aplicación de límites oculares excesivamente conservadores. Además, el desarrollo de métodos cuantitativos para evaluar las interacciones fototérmicas láser-tejido en estos tejidos no estándar se ve obstaculizado por la falta de bases de datos exhaustivas relativas a los parámetros del láser y, específicamente, a las características ópticas del tejido (coeficientes de absorción y dispersión).

Metodología
Para abordar estas brechas, los autores presentan un estudio de prueba de concepto que utiliza un método sinérgico que integra la termografía por láser de infrarrojo cercano (NIR) con el modelado computacional. El estudio se centra en el tejido de la mucosa de la lengua porcina no estándar, seleccionado por su similitud anatómica y óptica con la mucosa oral humana.

1. Preparación de la Muestra: Se recolectaron muestras frescas de lengua porcina ex vivo, recortadas a un espesor <15 mm y mantenidas en un baño salino con control de temperatura para simular condiciones fisiológicas.
2. Referencia Espectrofotométrica: Como referencia, se midieron las propiedades ópticas utilizando un espectrofotómetro con una esfera de integración. Se adquirieron espectros de transmitancia y reflectancia entre 700 y 1000 nm. Los coeficientes de absorción ($\mu_a$) y de dispersión reducida ($\mu_s'$) se calcularon mediante el algoritmo de Adición-Doble Inversa (IAD).
3. Termografía Láser NIR: Una configuración multifuncional irradió el tejido con un haz láser colimado de 980 nm a potencias que oscilaban entre 250 mW y 1 W durante 90 segundos. Una cámara térmica de alta resolución (FLIR A325sc) capturó las distribuciones de temperatura superficial espaciotemporales.
4. Modelado Computacional: Se implementó un modelo de transferencia de calor bioeléctrico en COMSOL Multiphysics. El modelo acopló la ecuación de difusión con la ley de Beer–Lambert para simular la deposición de energía láser y la distribución de calor. Bajo las condiciones experimentales específicas (medición de la temperatura superficial en tejido delgado <500 $\mu$m), se identificó el coeficiente de absorción como el parámetro dominante que impulsa la generación de calor superficial.
5. Análisis Sinérgico: El estudio empleó una métrica de ajuste de curvas basada en la Suma de Errores Cuadráticos (SSE) para ajustar iterativamente el coeficiente de absorción en el modelo computacional hasta que las curvas de temperatura simuladas coincidieran con los datos de termografía experimental.

Resultados Clave
El estudio demostró con éxito que el método sinérgico podía derivar con precisión las características de absorción del tejido sin depender únicamente de la espectrofotometría tradicional.

• Datos Espectrofotométricos: El coeficiente de absorción promedio para la mucosa de la lengua porcina a 980 nm se determinó en 71.57 m⁻¹ (desviación estándar de 3.6 m⁻¹).
• Datos del Método Sinérgico: Al ajustar las simulaciones de COMSOL a los datos de termografía experimental a través de cuatro niveles de potencia (250 mW a 1 W), el coeficiente de absorción promedio derivado fue de 72.75 m⁻¹ (desviación estándar de 1.32 m⁻¹).
• Validación: El coeficiente de absorción obtenido mediante el enfoque sinérgico de termografía/modelado coincidió estrechamente con la referencia espectrofotométrica, arrojando una baja diferencia porcentual del 1.6%.
• Consistencia Estadística: Los resultados del método sinérgico fueron estadísticamente similares dentro de los límites de confianza del 95%, lo que indica la robustez del método para evaluar las características de absorción bajo diversas condiciones de potencia.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo postula que este enfoque sinérgico ofrece una herramienta novedosa, independiente y cuantitativa para evaluar las características de absorción de tejidos no estándar donde los límites de seguridad estándar y las bases de datos ópticas están ausentes.

• Validación Metodológica: La estrecha concordancia (1.6% de diferencia) entre los valores derivados por termografía y los valores espectrofotométricos convencionales valida el enfoque de termografía/modelado como una alternativa precisa para determinar las propiedades ópticas del tejido.
• Evaluación de Seguridad: El estudio demuestra que el coeficiente de absorción del tejido es el principal contribuyente a la generación de calor superficial bajo las condiciones probadas. Por lo tanto, determinar con precisión este coeficiente es crítico para predecir las elevaciones de temperatura superficial y evaluar los umbrales de daño fototérmico.
• Aplicación Amplia: Los autores afirman que esta metodología puede proporcionar datos de entrada críticos para las simulaciones computacionales de las interacciones láser-tejido. Esto es particularmente significativo para la evaluación de la seguridad y el rendimiento de los láseres en órganos internos y tejidos no estándar donde los estándares actuales no están definidos, ayudando potencialmente en el desarrollo de dispositivos láser de diagnóstico y terapéuticos más seguros.

El estudio concluye modestamente que, si bien se centra en la mucosa de la lengua porcina como una prueba de concepto, la metodología de prueba propuesta tiene el potencial de evaluar otros tipos de tejidos no estándar que carecen de límites de seguridad láser establecidos.