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En esta tesis se presenta el estudio de medios difusivos que contienen heterogeneidades localizadas traslúcidas, es decir, no difusivas. La peculiaridad de los tejidos blandos de permitir a la luz de longitud de onda dentro de una ventana entre los 600 a 1000 nanómetros a penetrarlos algunos centímetros, hace a esta radiación en el infrarrojo cercano una herramienta no invasiva con potencial uso en estudios médicos. Sin embargo, estos tejidos no permiten la propagación de luz en este rango espectral en forma rectilínea, sino que se presentan como difusivos, deteriorándose así la resolución espacial de las imágenes que pueden obtenerse de ellos. De esta forma es necesario desarrollar técnicas experimentales y estrategias de análisis de datos específicas para poder obtener información óptica de los mismos. A lo largo de la tesis se presentará tanto un análisis topográfico, con resolución en dos dimensiones, como tomográfico, el que permite una reconstrucción de todo el volumen bajo estudio. Es de particular interés para este trabajo la aplicación a la mamografía, dado que el tejido mamario puede sufrir diferentes tipos de lesiones, tales como tumores o quistes. El estudio se realiza sobre fantomas, que son émulos de tejido que imitan sus propiedades ópticas y que contienen inclusiones que representan tumores y/o quistes, con la nalidad principal de estudiar cómo es la influencia de este último tipo de alteraciones, cuyas características ópticas son no difusivas, inmersas en medios difusivos, sobre las imágenes ópticas y el transporte de la luz en estos medios. El principal objetivo de este trabajo se centra en la localización 3D y caracterización óptica de heterogeneidades traslúcidas en medios turbios, y se enmarca dentro de uno de los objetivos generales del grupo de Óptica Biomédica (IFAS-CIFICEN-UNCPBA) orientado al desarrollo de técnicas ópticas, como es la tomografía óptica difusa, y al desarrollo de algoritmos que permitan reconstruir estos tejidos con diferentes tipos de heterogeneidades, ya sean quistes o tumores. Dada la característica óptica difusiva de los tejidos blandos en general, y del mamario en particular, el transporte de luz en ellos puede tratarse haciendo una aproximación sobre el modelo que lo describe. La ecuación de transferencia radiativa es la descripción más completa del transporte de radiación infrarroja en medios biológicos, pero habitualmente es posible utilizar la aproximación difusiva, válida para la mayoría de los tejidos blandos, para modelar el transporte de la luz en ellos. Sin embargo, esta aproximación falla en ciertos casos, en los cuales la absorción es muy alta y/o el scattering muy bajo. Como ejemplo se puede citar al fluido cerebro-espinal, los riñones y los quistes. A lo largo de este trabajo se evalúan medidas topográficas y tomográficas. Las primeras permiten una localización de las inclusiones en el plano y las segundas una caracterización más específica, tanto del medio como de las inhomogeneidades, permitiendo no sólo una localización 3D sino también la obtención de las propiedades de absorción y scattering, tanto del medio huésped como de las heterogeneidades inmersas. Para el primer tipo de medidas se utilizan, por un lado, técnicas de onda continua, empleando un láser en el infrarrojo cercano y una cámara CCD como detector, analizando imágenes de transmitancia de campo completo; y por otro lado se emplean técnicas resueltas en el tiempo, con un láser pulsado, de alta tasa de repetición y de duración de pulso de algunos picosegundos, y un esquema de detección de conteo de fotones individuales. Este esquema es útil para dos fines: i) estudiar las propiedades ópticas (coeficiente de absorción y coeficiente reducido de scattering) que se obtienen a partir del ajuste de las curvas experimentales a la teoría, dada por la ecuación de difusión, y ii) para estudiar las variaciones de dichas curvas temporales debidas a la presencia de inhomogeneidades localizadas de características ópticas diferenciadas. Para realizar las medidas del tipo tomográficas se emplea un láser de picosegundos en el infrarrojo cercano y el mismo sistema de conteo de fotones, obteniendo curvas de distribuciones de tiempo de vuelo de los fotones que atraviesan el medio difusivo. En el caso de la reconstrucción tomográfica (es decir, la obtención de los parámetros ópticos en todo el volumen) se emplea la aproximación difusiva, la más utilizada por la comunidad por ser un modelo menos demandante que la ecuación de transferencia radiativa, y que ajusta perfectamente a los tejidos biológicos tipo mamarios de ciertos espesores. Pero como dicha aproximación no aplica a los casos poco o nada difusivos se requiere de otro ajuste cuando en los medios existen zonas casi transparentes. Por tal motivo se presenta una propuesta de corrección de modelo, basada en la idea de corregir discrepancias provenientes de utilizar un modelo que no es estrictamente correcto, en este caso la aproximación difusiva, en todo un volumen difusivo pero con inclusiones que no cumplen dicha aproximación. Las correcciones se obtienen basadas en la ecuación de transferencia radiativa, que es la que describe correctamente el transporte de luz en medios biológicos, pero es de mucha complejidad y tiene alto costo computacional. A este procedimiento se lo conoce como error de modelo, y haciendo uso de él es posible reducir este costo. Se propone aquí, por un lado, una evaluación de fantomas difusivos fabricados con diferentes materiales, incorporando heterogeneidades localizadas de baja y nula difusividad, validando su uso en técnicas de onda continua (transmitancia de campo completo) y resueltas en el tiempo (transiluminancia) empleados por el grupo de investigación en el que se desarrolla este trabajo. Para este fin, se utilizan fantomas líquidos, a base agua, leche y tinta de impresora; fantomas sólidos a base de agua con el agregado de agarosa con inclusiones líquidas traslúcidas, fabricadas a partir de la implementación de una técnica de esferificación inversa de la cocina molecular, utilizada aquí por primera vez con este fin; y fantomas de resinas epoxy. Durante el desarrollo de esta tesis se evalúa la calidad y la versatilidad de todos estos fantomas aplicados en los distintos sistemas de medición y registro de imágenes empleados. Por otro lado, como parte de uno de los objetivos principales de este trabajo de tesis, se plantea la realización de medidas tomográficas que permitan no sólo detectar la ubicación de heterogeneidades localizadas que simulan tumores y quistes en mamas, sino además el desafío aún mayor, su caracterización óptica. Así es que se presenta una caracterización en tres dimensiones de fantomas líquidos difusivos con dos inclusiones, una de cada tipo: difusiva y absorbente, imitando un tumor, y no difusiva, imitando un quiste, obteniendo la distribución en todo el volumen de estudio de las propiedades ópticas a partir de la reconstrucción tomográfica. Esto representa una validación experimental del error de modelo, para el cual, si bien ya existen trabajos donde es empleado, se encuentra evaluado sólo en fantomas numéricos. Los resultados y conclusiones alcanzados demuestran la admisibilidad de la utilización de fantomas difusivos con heterogeneidades localizadas poco y no difusivas en los sistemas de medida establecidos en el grupo de investigación, completando los diferentes casos de estudio reales para la aplicación de las técnicas ópticas aquí presentadas, para su aplicación a mamografía óptica. La principal contribución de este trabajo es una primera comprobación experimental de la aplicabilidad del uso de la metodología de error de modelo para sistemas de reconstrucción tomográfica en tres dimensiones, estudiado para un fantoma difusivo con heterogeneidades localizadas no difusivas. La tesis está organizada de la siguiente manera: En el Capítulo 1 se presenta una introducción indicando el interés del estudio de la propagación de luz infrarroja en medios biológicos, y a la técnica de óptica difusa como plausible para su aplicación en el diagnóstico por imágenes, como complemento de otras técnicas ya estandarizadas. En el Capítulo 2 se introducen las principales teorías que describen la propagación de la radiación del infrarrojo cercano, es decir, la ecuación de transferencia radiativa, la aproximación difusiva y el método de error de modelo. En el Capítulo 3 se describen los experimentos desarrollados para la evaluación de las técnicas empleadas, de onda continua y resueltas en el tiempo, en experimentos topográficos y tomográficos. En el Capítulo 4 se presentan los principales resultados y el análisis de los mismos, evaluando la aplicabilidad de éstas técnicas sobre fantomas difusivos con inclusiones traslúcidas inmersas. Por último, en el Capítulo 5 se dan las principales conclusiones y las propuestas de trabajo futuro. Fil: Pardini, Pamela Alejandra. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina. Fil: Iriarte, Daniela I. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina. Fil: Pomarico, Juan A. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.

Este trabajo de tesis es una síntesis de los trabajos realizados durante los últimos cinco años, en el Instituto de Física Arroyo Seco, dependiente de la unidad ejecutora CIFICEN y el CONICET, y la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Fue realizada, además, gracias a una beca de doctorado otorgada por el CONICET. El objetivo principal es el estudio de la propagación de la luz en medios tipo biológicos, inhomogéneos (con el agregado de agentes de contraste fluorescentes), por medio de transmitancia difusa con fluorescencia, es decir, estudiando la luz que emerge de la cara opuesta a la que se ilumina. En particular se pretende determinar los límites de la técnica, para inclusiones absorbentes y fluorescentes cuando se encuentran inmersas en un medio también absorbente y fluorescente, pero con concentraciones menores de elementos absorbentes y de fluoróforo. Es necesario, además, determinar si existen ventajas en el uso de la fluorescencia, en contraste con su no utilización. Esta técnica tiene importantes aplicaciones en la Biomedicina, particularmente en la detección de tumores en mamas. El cáncer de mama es el tipo de cáncer más frecuente entre las mujeres, alcanzando 1.7 millones de casos detectados en 2012. Esto representa alrededor del 12% de todos los cánceres detectados, y alrededor del 25% de los detectados en mujeres. Puede ocurrir tanto en hombres como en mujeres, aunque es infrecuente en los primeros. El método de diagnóstico actual es la mamografía por rayos X en conjunto con ecografías y análisis químicos. La mamografía tradicional no solo puede llegar a ser contraproducente, debido a que los rayos X es un tipo de radiación ionizante, sino que es solo cualitativa, ya que no es posible determinar a priori entre tumores malignos y benignos. La mamografía optica difusa ha surgido en las últimas décadas, en principio no como un reemplazo, sino como un complemento de las técnicas bien establecidas. Al emplear radiación en la zona del espectro del infrarrojo cercano se evitarían los posibles efectos secundarios y se podría emplear no solo como técnica de detección sino también como control post operatorio o de terapias neoadyuvantes, abriéndose la posibilidad de realizar exámenes diarios para controlar la evolución del paciente. Los experimentos fueron realizados sobre fantomas, es decir, medios turbios construidos con propiedades ópticas similares a las de los tejidos biológicos. La transmitancia se realiza iluminando el fantoma con una luz continua cuya longitud de onda se encuentra en la zona del infrarrojo cercano (NIR), y capturando imágenes del fantoma, con una cámara EMCCD (Electron Multiplying CCD). La técnica utilizada se basa en mejorar la detección de la inclusión, es decir, el contraste de la imagen, a partir de un proceso de normalización de las mismas. Se estudiaron los componentes absorbentes y difusivos de los fantomas, haciendo hincapié en los primeros. Esto se ve motivado por el hecho de que la absorción intrínseca en el NIR de un tejido es principalmente debida a la hemoglobina. Una de las características principales de los tumores es el aumento localizado de la absorción en la zona dónde éstos se desarrollan, debido fundamentalmente al incremento del volumen de hemoglobina causado por la red de capilares que se forma alrededor de ellos para el transporte de la sangre que alimenta a sus células y les permite crecer. Por ello se estudiaron distintas opciones de elementos absorbentes: tintas chinas (usualmente empleadas en estos experimentos) y una tinta de impresora. En cuanto a los dispersores, se comparó la estabilidad temporal de fantomas preparados con distintos elementos: leche e Intralipid. A modo de aumentar la señal de contraste en las imágenes obtenidas, se estudió la incorporación de una molécula fluorescente, en este caso la indocianina verde (ICG) para marcar la posible zona tumoral. La inclusión de métodos de contraste extrínseco es una práctica común en la medicina, y la indocianina verde tiene la ventaja de ser inocua para el cuerpo, estando ya aprobada para su uso por los gobiernos de distintos países. Todo esto es posible debido a la vascularización que suele producirse alrededor de los tumores; la indocianina tiende a acumularse en esta región por más tiempo que en el resto del cuerpo, por lo que su concentración, relativa a la zona que rodea al tumor, aumenta con el tiempo, hasta llegar a un máximo. Luego decrece hasta desaparecer completamente, siendo metabolizada. Para simular este proceso, se estudiaron distintas concentraciones de indocianina en la inhomogeneidad y en el medio. Se analizaron entonces fantomas con inclusiones dos veces más absorbentes que el medio, y con el agregado de moléculas fluorescentes tanto en el medio como en la inclusión. Es importante notar que utilizar una inhomogeneidad solo dos veces más absorbente que el huésped es una situación muy exigente; en los trabajos reportados previamente por otros autores, suelen emplear contrastes de cinco veces más absorción, en adelante. En cuando a la fluorescencia, la mayoría de los trabajos reportan haber usado concentraciones altas de ICG (mayores a 200 nM), y solo en la inhomogeneidad; en este trabajo se pretende estudiar casos más realistas, con el fluoróforo presente tanto en la inclusión como en el medio, y en concentraciones más bajas. La detección de la inclusión se estudió dependiendo de la proporción del fluoróforo con respecto al medio, la distancia al eje óptico del sistema, y la distancia entre la inhomogeneidad y las super cies del fantoma. Se analizaron para ello tanto las imágenes de absorción como las de fluorescencia. La tesis está diagramada de la siguiente manera: en el Capítulo 1 se hará una revisión desde el punto de vista histórico de cómo los métodos de diagnóstico médico han evolucionado a lo largo del tiempo, apuntando a las aplicaciones médicas que este trabajo puede aportar; en el Capítulo 2 se presentarán los aspectos generales de los tumores, que son la base para el desarrollo de experimentos lo más realistas posibles, en cuanto a su semejanza con los casos clínicos; en el Capítulo 3 se realizará una descripción teórica sobre el transporte de la luz en un medio turbio, describiéndose además las geometrías de estudio; en el Capítulo 4 se describirá la técnica para determinar las propiedades ópticas de los medios turbios; en el Capítulo 5, se describirán los métodos para elaborar los fantomas que se estudiarán. El Capítulo 6 presenta un estudio de los materiales empleados para la elaboración de dichos fantomas, centrándose especialmente en los agentes absorbentes. Finalmente, en el Capítulo 7 de hará una descripción de los experimentos de transmitancia difusa, y en el Capítulo 8 se presentarán los resultados obtenidos en dichos experimentos. En el Capítulo 9 se expondrán las conclusiones a las que se llegaron a partir de los resultados obtenidos. Podemos afirmar en esta tesis que la incorporación de agentes fluorescentes de contraste del tipo de la ICG aportan una notable mejora en la detección de inclusiones absorbentes aún cuando las concentraciones relativas son cercanas. Fil: Waks Serra, María Victoria. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina. Fil: Iriarte, Daniela I. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina. Fil: Pomarico, Juan A. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.

En el presente trabajo presentamos un análisis de la propagación de la luz en medios fuertemente dispersivos y de baja capacidad de absorción, denominados medios turbios, compuestos por capas de características ópticas bien de nidas, haciendo uso de la espectroscopía en el infrarrojo cercano (o NIRS, por Near InfraRed Spectroscopy). Esto tiene aplicaciones directas al análisis de la hemodinámica cerebral, que ofrece información valiosa sobre la manera en que diferentes tipos de lesiones y/o estímulos externos afectan al ujo sanguíneo en el cerebro y a la circulación de los distintos compuestos presentes en ella, como el oxígeno y la glucosa. En este sentido, el cerebro puede pensarse como un medio recubierto por el cuero cabelludo, el cráneo y el líquido encefalorraquídeo, entre otros componentes, conformando así un sistema multicapas. En particular, resulta de interés la determinación de los cambios de absorción ocurridos en la zona del cortéx y su relación con los estímulos antes mencionados, minimizando la in uencia de las capas super ciales. Experimentalmente, este estudio es posible mediante la inyección de luz a través de láseres pulsados ultracortos (del orden de los picosegundos) y el uso de bras de detección que dirigen la radiación recolectada hacia fotomultiplicadores adecuados. Las señales allí originadas son registradas en un sistema de conteo de fotones, y se obtienen así distribuciones de tiempos de vuelo de los mismos, que guardan información sobre el comportamiento óptico del sistema bajo estudio. Planteada en estos términos, la espectroscopía NIR se presenta como una herramienta promisoria que permite complementar otras técnicas de muestreo y detección en tejidos vivos, como la tomografía por emisión de positrones o el monitoreo por rayos X, aportando ventajas propias y minimizando o incluso paliando las desventajas de estas últimas. Sin embargo, el uso de la radiación infrarroja en estudios biomédicos aún se encuentra bajo desarrollo, y su aplicación directa a sistemas in vivo es, todavía, motivo de estudio. Por ello se suele recurrir preferentemente a simulaciones por computadora y a experimentos sobre fantomas, que son sustancias preparadas en el laboratorio con el n de emular el comportamiento óptico de los tejidos biológicos. Luego, el análisis tanto de los datos numéricos como de los experimentales se realiza a posteriori gracias a la ayuda de modelos teóricos desarrollados especí camente para este tipo de problemas. En esta línea, el aporte más signi cativo de este trabajo es la obtención de un modelo que describe la propagación de la luz en medios compuestos por varias capas, que resulta matemáticamente más simple y computacionalmente más veloz que otros modelos ya existentes. Este modelo fue validado, primero, mediante experimentos en fantomas, lo que requirió el desarrollo de un protocolo de preparación que garantizara, entre otras cosas, repetitividad; y segundo, mediante simulaciones numéricas de Monte Carlo implementadas en placas grá cas. Esta tesis de doctorado se encuentra estructurada de la siguiente manera. En el Capítulo 1 discutimos las bondades que presenta la Óptica Biomédica frente a otras técnicas de diagnóstico, y la importancia que tiene para la misma el estudio de la propagación de la luz en medios fuertemente dispersivos. En el Capítulo 2 introducimos los principales conceptos que nos permiten de nir un medio turbio, y presentamos también los diferentes enfoques teóricos que ayudan a describir el comportamiento óptico en diversos tipos de medios, haciendo particular hincapié en el modelo de difusi ón de la luz en cilindros multicapas con una última capa de espesor in nito. En el Capítulo 3 describimos detalladamente el método de preparaci ón de fantomas de dos y tres capas, y los experimentos llevados a cabo sobre los mismos mediante la técnica de conteo de fotones correlacionados temporalmente, en la con guración de optodos fuente-detector conocida como single-distance. En el Capítulo 4 hacemos mención detallada de las simulaciones numéricas de Monte Carlo empleadas como complemento de la parte experimental, e introducimos, en un intento por emular la presencia del líquido encefalorraquídeo, los pormenores relacionados con la propagación de la luz en medios de tres capas cuando la capa intermedia no es difusiva, sino semitransparente. En el Capítulo 5 presentamos y discutimos los resultados obtenidos tanto de las experiencias de laboratorio como de las simulaciones de Monte Carlo. Por último, cerramos el trabajo con las Conclusiones pertinentes, estableciendo hacia el nal algunas líneas de trabajo a futuro. Fil: García, Héctor A. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina Fil: Pomarico, Juan A. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina Fil: Iriarte, Daniela I. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas; Argentina.