Janela de infravermelho próximo em tecido biológico - Near-infrared window in biological tissue

A janela do infravermelho próximo (NIR) (também conhecida como janela óptica ou janela terapêutica) define a faixa de comprimentos de onda de 650 a 1350 nanômetros (nm) onde a luz tem sua profundidade máxima de penetração no tecido . Dentro da janela NIR, o espalhamento é a interação luz-tecido mais dominante e, portanto, a luz em propagação torna-se difusa rapidamente. Como o espalhamento aumenta a distância percorrida pelos fótons dentro do tecido, a probabilidade de absorção de fótons também aumenta. Como o espalhamento tem uma dependência fraca do comprimento de onda, a janela NIR é limitada principalmente pela absorção de luz do sangue em comprimentos de onda curtos e da água em comprimentos de onda longos. A técnica que usa essa janela é chamada de NIRS . As técnicas de imagens médicas, como a cirurgia guiada por fluorescência, costumam usar a janela NIR para detectar estruturas profundas.

Propriedades de absorção dos componentes do tecido

O coeficiente de absorção ( ) é definido como a probabilidade de absorção de fótons no tecido por unidade de comprimento de caminho. Diferentes componentes do tecido têm valores diferentes . Além disso, é uma função do comprimento de onda. Discutidas abaixo estão as propriedades de absorção dos cromóforos mais importantes no tecido. O coeficiente de extinção molar ( ) é outro parâmetro usado para descrever a absorção de fótons no tecido. Multiplicando pela concentração molar e por ln (10), pode-se converter para . ${\ displaystyle \ mu _ {a}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {a}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {a}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon \,}$ ${\ displaystyle \ varepsilon \,}$ ${\ displaystyle \ varepsilon \,}$ ${\ displaystyle \ mu _ {a} \,}$

Figura 1: Os coeficientes de extinção molar de HbO2 e Hb.

Sangue

O sangue consiste em dois tipos diferentes de hemoglobina : a oxihemoglobina ( ) está ligada ao oxigênio, enquanto a desoxihemoglobina ( ) não está ligada ao oxigênio. Esses dois tipos diferentes de hemoglobina exibem diferentes espectros de absorção que são normalmente representados em termos de coeficientes de extinção molar, conforme mostrado na Figura 1. O coeficiente de extinção molar de Hb tem seu pico de absorção mais alto em 420 nm e um segundo pico em 580 nm. Seu espectro então diminui gradualmente conforme o comprimento de onda da luz aumenta. Por outro lado, apresenta seu maior pico de absorção em 410 nm, e dois picos secundários em 550 nm e 600 nm. Conforme os comprimentos de onda da luz passam de 600 nm, a absorção decai muito mais rápido do que a absorção de Hb. Os pontos onde os espectros do coeficiente de extinção molar e se cruzam são chamados de pontos isosbésticos . ${\ displaystyle HbO_ {2}}$ ${\ displaystyle Hb}$ ${\ displaystyle HbO2}$ ${\ displaystyle HbO_ {2}}$ ${\ displaystyle Hb}$ ${\ displaystyle HbO_ {2}}$

Usando dois comprimentos de onda diferentes, é possível calcular as concentrações de oxiemoglobina ( ) e desoxihemoglobina ( ) conforme mostrado nas seguintes equações: ${\ displaystyle C_ {HbO2}}$ ${\ displaystyle C_ {Hb}}$

{\ displaystyle \ mu _ {a} (\ lambda _ {1}) = \ ln (10) \ varepsilon _ {HbO2} (\ lambda _ {1}) C_ {HbO2} + \ ln (10) \ varepsilon _ {Hb} (\ lambda _ {1}) C_ {Hb} \,}

{\ displaystyle \ mu _ {a} (\ lambda _ {2}) = \ ln (10) \ varepsilon _ {HbO2} (\ lambda _ {2}) C_ {HbO2} + \ ln (10) \ varepsilon _ {Hb} (\ lambda _ {2}) C_ {Hb} \,}

Figura 2: O espectro de absorção da água.

Aqui, e estão os dois comprimentos de onda; e são os coeficientes de extinção molar de e , respectivamente; e são as concentrações molares de e no tecido, respectivamente. A saturação de oxigênio ( ) pode então ser calculada como ${\ displaystyle \ lambda _ {1}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {2}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {HbO2}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {Hb}}$ ${\ displaystyle HbO_ {2}}$ ${\ displaystyle Hb}$ ${\ displaystyle C_ {HbO2}}$ ${\ displaystyle C_ {Hb}}$ ${\ displaystyle HbO_ {2}}$ ${\ displaystyle Hb}$ ${\ displaystyle SO_ {2}}$

{\ displaystyle SO_ {2} = {\ frac {C_ {HbO2}} {C_ {Hb} + C_ {HbO2}}}}

Água

Embora a água seja quase transparente na faixa de luz visível, ela se torna absorvente na região do infravermelho próximo. A água é um componente crítico, pois sua concentração é alta no tecido humano. O espectro de absorção de água na faixa de 250 a 1000 nm é mostrado na Figura 2. Embora a absorção seja bastante baixa nesta faixa espectral, ela ainda contribui para a atenuação geral do tecido.

Figura 3: Coeficientes de extinção molar de eumelanina e feomelanina.

Outros componentes do tecido com contribuições menos significativas para o espectro de absorção total do tecido são a melanina e a gordura.

Figura 4: O espectro do coeficiente de absorção da gordura.

Melanina

A melanina é um cromóforo que existe na camada epidérmica da pele humana responsável pela proteção contra a radiação UV prejudicial. Quando os melanócitos são estimulados pela radiação solar, a melanina é produzida. A melanina é um dos principais absorvedores de luz em alguns tecidos biológicos (embora sua contribuição seja menor do que outros componentes). Existem dois tipos de melanina: a eumelanina, que é marrom-escura, e a feomelanina, que é amarelo-avermelhada. Os espectros do coeficiente de extinção molar correspondentes a ambos os tipos são mostrados na Figura 3.

Gordo

A gordura é um dos principais componentes do tecido que pode compreender de 10 a 40% do tecido. Embora não haja muitos espectros de gordura de mamíferos disponíveis, a Figura 4 mostra um exemplo extraído de gordura de porco.

Figura 5: O espectro do coeficiente de dispersão do tecido biológico.

Propriedades de dispersão dos componentes do tecido

O espalhamento óptico ocorre devido a incompatibilidades no índice de refração dos diferentes componentes do tecido, variando de membranas celulares a células inteiras. Os núcleos celulares e as mitocôndrias são os dispersores mais importantes. Suas dimensões variam de 100 nm a 6 μm e, portanto, estão dentro da janela NIR. A maioria dessas organelas cai no regime de Mie e exibe dispersão direcionada para frente altamente anisotrópica.

O espalhamento de luz no tecido biológico é denotado pelo coeficiente de espalhamento ( ), que é definido como a probabilidade de espalhamento de fótons no tecido por comprimento de caminho unitário. A Figura 5 mostra um gráfico do espectro de espalhamento. ${\ displaystyle \ mu _ {s}}$

Coeficiente de atenuação efetiva

A atenuação da luz no tecido biológico profundo depende do coeficiente de atenuação eficaz ( ), que é definido como ${\ displaystyle \ mu _ {eff}}$

{\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}} = {\ sqrt {3 \ mu _ {a} (\ mu _ {a} + \ mu '_ {s})}}}

onde é o coeficiente de espalhamento de transporte definido como ${\ displaystyle \ mu '_ {s}}$

{\ displaystyle \ mu '_ {\ text {s}} = \ mu _ {s} (1-g) \,}

onde está a anisotropia do tecido biológico, que tem um valor representativo de 0,9. A Figura 5 mostra um gráfico do espectro do coeficiente de espalhamento de transporte no tecido mamário, que tem uma dependência do comprimento de onda de . O coeficiente de atenuação efetivo é o fator dominante para determinar a atenuação da luz na profundidade ≫ 1 / . ${\ displaystyle g}$ ${\ displaystyle \ lambda \, ^ {- 0,7}}$ ${\ displaystyle d}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$

Estimativa da janela NIR no tecido

A janela NIR pode ser calculada com base no espectro do coeficiente de absorção ou no espectro do coeficiente de atenuação efetiva. Um possível critério para selecionar a janela NIR é dado pelo FWHM do inverso desses espectros, conforme mostrado na Figura 7.

Além da concentração total de hemoglobina, a saturação de oxigênio definirá a concentração de oxi e desoxihemoglobina no tecido e, portanto, o espectro de absorção total. Dependendo do tipo de tecido, podemos considerar diferentes situações. Abaixo, a concentração total de hemoglobina é considerada 2,3 mM.

Figura 6 (a): Espectros para artérias (SaO ₂ ≈ 98%).

Coeficiente de absorção: λ _min = 686 nm; Janela NIR = (634 - 756) nm.

Coeficiente de atenuação eficaz: λ _min = 690 nm; Janela NIR = (618 - 926) nm.

Figura 6 (b): Espectros para veias (SvO ₂ ≈ 60%).

Coeficiente de absorção: λ _min = 730 nm; Janela NIR = (664 - 932) nm.

Coeficiente de atenuação eficaz: λ _min = 730 nm; Janela NIR = (630 - 1328) nm.

Figura 6 (c): Espectros para tecido mamário (StO ₂ ≈ 70%).

Coeficiente de absorção: λ _min = 730 nm; Janela NIR = (656 - 916) nm.

Coeficiente de atenuação eficaz: λ _min = 730 nm; Janela NIR = (626 - 1316) nm.

Espectro de absorção para artérias

Nesse caso, ≈ 98% (saturação arterial de oxigênio). Então, a oxihemoglobina será dominante nos espectros de coeficiente de absorção total (preto) e atenuação efetiva (magenta), conforme mostrado na Figura 6 (a). ${\ displaystyle SaO_ {2} \,}$

Espectro de absorção para veias

Nesse caso, ≈ 60% (saturação venosa de oxigênio). Então, a oxihemoglobina e a desoxihemoglobina terão contribuições semelhantes para os espectros do coeficiente de absorção total (preto) e atenuação efetiva (magenta), conforme mostrado na Figura 6 (b). ${\ displaystyle SvO_ {2} \,}$

Figura 7:: Profundidade de penetração efetiva no tecido mamário (StO2 ≈ 70%). Coeficiente de atenuação eficaz: λ _min = 730 nm; Janela NIR = (626 - 1316) nm.

Espectro de absorção para o tecido mamário

Para definir (saturação de oxigênio do tecido) (ou (índice de saturação do tecido)), é necessário definir uma distribuição de artérias e veias no tecido. uma relação de volume de sangue venoso arterial de 20% / 80% pode ser adotada. Assim, a saturação de oxigênio do tecido pode ser definida como = 0,2 x + 0,8 x ≈ 70%. ${\ displaystyle StO_ {2} \,}$ ${\ displaystyle TSI \,}$ ${\ displaystyle StO_ {2} \,}$ ${\ displaystyle SaO_ {2} \,}$ ${\ displaystyle SvO_ {2} \,}$

Os espectros de coeficiente de absorção total (preto) e atenuação efetiva (magenta) para o tecido mamário são mostrados na Figura 6 (c). Além disso, a profundidade de penetração efetiva é plotada na Figura 7.

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