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Métodos Ópticos No-Invasivos para Monitoreo de Enfermedades Dermatológicas.

Authors:
.
Universidad Aut´onoma de San Luis Potos´ı
Facultad de Ciencias
Posgrado en Ciencias Aplicadas
etodos ´
Opticos No-Invasivos para Monitoreo de Enfermedades
Dermatol´ogicas.
Tesis que presenta:
M.S.Eng. Fernando Sebasti´
an Chiwo Gonz´
alez.
Para obtener el grado de:
Doctor en Ciencias Aplicadas opci´
on Nanociencias, Nanotecnolog
´
ıa y Energ
´
ıas
Alternativas (NNEA).
Bajo la direcci´on de:
Dr. Francisco Javier Gonz´
alez Contreras.
San Luis Potos´ı, San Luis Potos´ı, M´exico, a 11 de marzo de 2022
”So where do we go?...Where do we go from here?...I’m just dreaming in Big Colors now...
Ryan Adams, Big Colors 2021
i
Dedicatoria
A mis padres, Fernando Chiwo Ni˜no y Marilu Gonz´alez Gonz´alez, como muestra de mi agra-
decimiento infinito por la vida otorgada, por las oportunidades brindadas y sobre todo, por el amor
incondicional recibido d´ıa a d´ıa. Este y todos mis logros, van por ustedes, los amo papas.
A mi hermano, Dr. Daniel Alejandro Chiwo Gonz´alez, como muestra de un aprendizaje, dedica-
ci´on y un esfuerzo constante. Tu camino, aunque diferente al mio, sigue todas las bases y principios de
nuestros padres y abuelos. Por tu comprensi´on y apoyo, muchas gracias hermano, estoy muy orgulloso de
ti y estoy seguro de que llegaras mucho mas lejos que yo.
A mis t´ıos, primos y sobrinos de las familias Chiwo Ni˜no y Gonz´alez Gonz´alez, por todo lo
recibido, por todos los consejos y sobre todo, por hacerme parte de su familia.
A mis amigos Ra´ul Ornelas, Armando Cervantes, Hector Chavez, Luis Gabriel Gutierrez, Victor
Rangel, Luis Roriguez, Issac Trejo, Christopher Cornu, Eduardo Cervantes, Efrain Cervantes, Juan Carlos
Zapata, Julio Cesar L´opez, Ra´ul Facundo, Ricardo Gaitan, Jorge Alfaro, Ivan Colorado, Edmundo Torres
y Agust´ın Salazar. Por todas esas risas, locuras y aventuras, muchas gracias amigos.
A mi peque˜na traviesa, a mi ni˜na preciosa, a mi compa˜nera inseparable y mejor amiga, a mi
novia Alethia Rivera. Muchas gracias por la paciencia, por el apoyo, por las risas, por las lagrimas, por
estar siempre ah´ı, por hacerme entrar en raz´on y sobre todo, por haber llegado a mi vida. Te amo tanto,
tanto, tanto, mi ni˜na hermosa.
A los que ya no est´an, all´a en donde quiera que se encuentren, muchas gracias por todo. Jamas
los defraudar´e, se los prometo.
Finalmente, y no menos importante...A ese joven impulsivo, a ese joven agresivo, a ese joven
roto, a ese joven confundido, a ese joven desesperado, a ese joven humillado, a ese joven deprimido, a ese
joven en desgracia, a ese joven arrepentido de sus errores, a ese joven que jam´as perdi´o la esperanza...lo
lograste muchacho!!! Por favor, te lo suplico, jamas vuelvas a dudar de ti...eres ahora un hombre completo,
por favor se siempre de bien para el mundo...a ti Dr. Fernando Sebasti´an Chiwo Gonz´alez.
FSC
ii
Agradecimientos
Al Dr. Francisco Javier Gonz´alez Contreras por todo el apoyo profesional y personal otorgado a lo largo
de estos estudios de maestr´ıa y doctorado. Formar parte de su equipo dentro del Laboratorio Nacional
de Ciencia y Tecnolog´ıa en Terahertz (LANCYTT) ha sido la experiencia mas enriquecedora para mi en
todos los aspectos, ayud´andome a ser mas disciplinado y determinado con mi vida. En especial quisiera
agradecerle infinitamente por la paciencia que me tuvo cuando, en innumerables ocasiones, perd´ı el rumbo
de mi camino. Por ser mi asesor, maestro, mentor y amigo, muchas gracias Dr. Javier.
A mis amigos y compa˜neros del LANCYTT, Dr. Javier M´endez Lozoya, Dr. Bhrayllan Mora Ventura,
Dr. Juan Carlos Torres, Dra. Karen Hern´andez Vid´ales, Dra. Alejandra Loyola Leyva, M.C. Isaac Lugo
Per´ez, M.C. Juan Roberto Moreno Garcia, M.C. Jose Antonio Cuevas Lara, M.C Rodrigo Cabrera Alonso,
M.C. Gustaavo Torres, Lic. Maria Leticia Rico y Dr. Edgar Guevara Codina. A todo el personal del que
fue mi segundo hogar por muchos a˜nos, el edificio de la Coordinaci´on para la Innovaci´on y Aplicaci´on de
la Ciencia y la Tecnolog´ıa (CIACYT).
Agradecimientos especiales a mis sinodales, Dr. Miguel Ghebr´e Ram´ırez El´ıas, Dr. ´
Angel Gabriel
Rodr´ıguez Vazquez, Dr. Gabriel Gonz´alez Contreras y Dr. Jose Luis Flores Nu˜nez por sus comentarios,
sugerencias y sobre todo, las correcciones realizadas a esta tesis. Sin su valioso apoyo, este proyecto no se
hubiera podido concretar, muchas gracias a todos.
De forma especial, quisiera agradecerle al Dr. Walter C.P.M. Blondel y a todo su equipo de investiga-
ci´on en el Departamento de Biolog´ıa, Se˜nales y Sistemas (BioSiS) dentro del Centro de Investigaci´on en
Automatizaci´on de Nancy (CRAN) por brindarme una oportunidad ´unica en la vida, para realizar una
estancia acad´emica en la Universidad de Lorraine (UL), Nancy, Francia durante el oto˜no del 2019.
Al personal acad´emico y administrativo de las instituciones Universidad Marista Campus San Luis
Potos´ı (UMA-SLP), Universidad de Tecnolog´ıas Avanzadas Campus San Luis Potos´ı (UNIAT-SLP), Uni-
versidad del Valle de M´exico Campus San Luis Potos´ı (UVM-SLP) Universidad Cuauth´emoc Campus
San Luis Potos´ı (UC-SLP) por creer en mi y brindarme la oportunidad de formar parte de su equipo de
trabajo.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog´ıa (CONACYT) por la beca n´umero 559382 otorgada para
realizar estudios de doctorado y por la beca mixta otorgada para realizar la estancia acad´emica en la
Universidad de Lorraine, y finalmente al Consejo Potosino de Ciencia y Tecnolog´ıa (COPOCYT) por los
apoyos especiales otorgados para la participaci´on en congresos internacionales as´ı como el apoyo para la
estancia acad´emica.
iii
´
Indice general
´
Indice de figuras VII
´
Indice de tablas XI
1 Introducci´
on 1
1.1 etodos ´
Opticos para el Diagn´ostico edico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Espectroscop´ıaRaman.................................. 4
1.1.2 Espectroscop´ıa de Reflectancia Difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 etodos ´
OpticosparaTratamiento............................... 11
1.2.1 TratamientoL´aser .................................... 13
1.2.2 TerapiaFotodin´amica .................................. 14
1.3 Aplicaciones de la ´
Optica en la Dermatolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Dermatosis Mas Comunes - Diagn´
ostico y Tratamiento 19
2.1 DermatosisMasCom´unes .................................... 19
2.2 Transtornos de la Pigmentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Acn´e................................................ 27
2.4 Ros´acea .............................................. 30
2.5 Otros ............................................... 31
iv
3 Espectroscop
´
ıa Raman de la Piel 32
3.1 Anatom´ıa y Fisiolog´ıa de la Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Espectroscop´ıa Raman de la Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Col´agenoTipo-I ......................................... 37
3.4 Col´agenoTipo-III ........................................ 37
3.5 Col´agenoTipo-IV......................................... 38
3.6 Col´agenoTipo-V......................................... 38
3.7 Conclusiones ........................................... 39
4 Diagn´
ostico y Monitoreo ´
Optico de Cicatrices de Acn´
e bajo Cirug
´
ıa L´
aser Fraccional
Ablativa CO240
4.1 CicatricesdeAcn´e ........................................ 40
4.2 Tratamientos para las Cicatrices de Acn´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3 Regeneraci´ondelaPiel ..................................... 45
4.4 Monitoreo de los Incrementos de Temperatura Inducidos por la Cirug´ıa L´aser Fraccional
Ablativa utilizando Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital . . . . . . . . . . . . 47
4.5 Valoraci´on de la Piel Regenerada por medio de Espectroscop´ıa Raman In Vivo . . . . . . 54
4.6 Clasificaci´on y Discriminaci´on de Cicatrices de Acn´e utilizando Mediciones de Espectros-
cop´ıa de Reflectancia Difusa In Vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.7 Evaluaci´on de la Pigmentaci´on y del Eritema Inducido por medio de Espectroscop´ıa de
ReectanciaDifusaInVivo ................................... 85
4.8 Conclusiones ........................................... 91
5 M´
etodos ´
Opticos en Pacientes con Ros´
acea 93
5.1 Tratamientos para el Manejo de Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Patr´on ermico de Individuos Sanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Patr´on ermico de Pacientes con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
v
5.4 etodo de Clasificaci´on No-Invasivo para Pacientes con Ros´acea basado en el Patr´on T´ermi-
coFacial.............................................. 98
5.5 etodo de Diagn´ostico No-Invasivo para Pacientes con Ros´acea utilizando Espectroscop´ıa
Raman............................................... 101
5.6 Conclusiones ........................................... 106
6 Discusi´
on 108
7 Conclusiones y Trabajo a Futuro 110
8 Productividad Acad´
emica 112
8.1 Art´ıculosIndexados ....................................... 112
8.2 Participaci´on en Concursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3 Presentaci´on en Congresos Nacionales e Internacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.4 Art´ıculosdeDivulgaci´on..................................... 114
Bibliograf
´
ıa 115
vi
´
Indice de figuras
1.1 VentanaTerap´eutica ....................................... 2
1.2 Diagrama de Niveles de Energ´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 EspectroRaman ......................................... 6
1.4 EspectroRaman ......................................... 7
1.5 Aproximaci´onKubelka-Munk .................................. 8
1.6 EspectroDRSdelSiO2 ..................................... 9
1.7 Imagen Infrarroja de la Transferencia de Calor de Cuerpo Humano a la Superficie de la
Muestra .............................................. 11
1.8 MedicinaL´aser .......................................... 12
1.9 Mecanismo de la Terapia Fotodin´amica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.10 Propagaci´on de la Luz en un Medio Turbio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.11 Instrumentaci´on Requerida para la Espectroscop´ıa Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.12 Instrumentaci´on Requerida para la Espectroscop´ıa de Reflectancia Difusa (DRS) . . . . . 17
1.13 Instrumentaci´on Requerida para la Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital (DITI) 18
2.1 Reporte de la GBD de Enfermedades de la Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Representaci´on Gr´afica del Reporte de la GBD de Enfermedades de la Piel . . . . . . . . 21
2.3 Incidencia de Enfermedades de la Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
vii
2.4 Incidencia de Enfermedades de la Piel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Diagn´ostico de Desordenes de la Pigmentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Lesi´on con Hiperpigmentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Lesi´on con Hipopigmentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8 PresenciadelAcn´e ........................................ 27
2.9 Fol´ıculos Capilares y Gl´andulas Seb´aceas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.10 Representaci´on de los Microcomedones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.11TiposdeRos´acea......................................... 30
3.1 Anatom´ıadelaPiel ....................................... 33
3.2 Procesado de un Espectro Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 EspectroRamandelaPiel.................................... 37
3.4 Espectro Raman de la Piel y de los Col´agenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1 T´ıposdeCicatricesdeAcn´e................................... 41
4.2 TiposdeCirug´ıaL´aser. ..................................... 43
4.3 Regeneraci´ondelaPiel. ..................................... 46
4.4 Sistema L´aser Lutronic eCO2................................... 48
4.5 Paciente con Cicatrices de Acn´e Antes y Despu´es de la Cirug´ıa L´aser Fraccional Ablativa
(AFLS) .............................................. 49
4.6 amara Infrarroja FLIR T600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.7 Termogramas Adquiridos Antes de la AFLS (Medici´on PS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.8 Termogramas Adquiridos Durante la AFLS (Medici´on S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.9 Termogramas Adquiridos Durante el Primer Seguimiento a la AFLS (Medici´on FU) . . . 51
4.10 Termogramas Adquiridos Durante el Segundo Seguimiento a la AFLS (Medici´on FU2) . . 52
viii
4.11 Comparaci´on de los Patrones ermicos Faciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.12 Sistema Port´atil Ocean Optics IDRaman Mini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.13EspectrosRamanInVivo .................................... 56
4.14 Espectro Raman de la Piel Antes y Despu´es de la AFLS, y de los Col´agenos . . . . . . . . 57
4.15An´alisisdePerldeBandas................................... 58
4.16 Coeficientes del LCA entre los espectros Raman de la Piel Sana y los Espectros de las
Prote´ınas de Referencia (LCA-Ctrl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.17 Coeficientes del LCA entre los Espectros Raman de la Piel con Cicatrices de Acn´e y los
Col´agenosI,III,IVyV ..................................... 62
4.18PCAScreePlot.......................................... 64
4.19AFLS-RS-LCA-PCA....................................... 65
4.20PCAScorePlot.......................................... 66
4.21 PCA Score Plot Seleccionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.22 Abordaje PCA-QDA para la Reducci´on y Clasificaci´on de Variables con el Score Plot
Seleccionado(PC1vsPC3) ................................... 68
4.23 Matr´ız de Confusi´on para el Abordaje PCA-QDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.24 Score Plot de los Valores LCA entre los PC1 y PC3 con los Espectros Originales de la Piel
(PCAQDALCA) ........................................ 72
4.25 Matriz de Confusi´on para la Aproximaci´on PCA-QDA-LCA . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.26 An´alisis del Perfil de Bandas con PCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.27 Espectr´ometro Ocean Optics Jaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.28EspectroDRSdelaPielSana.................................. 78
4.29 Espectros DRS para la Pre-Cirug´ıa (PS) y el Seguimiento (FU) . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.30ScreePlotsDRS ......................................... 80
4.31ScorePlotDRS.......................................... 81
ix
4.32LoadingsPlotDRS........................................ 82
4.33 Score Plot PCA-LDA para los Espectros DRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.34 Matriz de Confusi´on para los Espectros DRS Procesados con PCA-QDA . . . . . . . . . . 84
4.35 Espectros de Reflectancia Difusa y Absorbancia Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.36 Espectros de Reflectancia Difusa y Absorbancia Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.37 Espectro de Absorbancia Correjido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.38 Espectro de Absorbancia para la deoxy-Hb y oxy-Hb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.39 ´
IndicesdeMelanina ....................................... 90
4.40 ´
IndicesdelEritemaInducido .................................. 91
5.1 Patr´on ermico de los Individuos Sanos y Pacientes con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 amara Infrarroja FLIR T400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Score T´ermicos por Lado Derecho (RS) e Izquierdo (LS) para las Zonas de Inter´es en la
SupercieFacial ......................................... 99
5.4 Patr´on ermico de Individuos Sanos y Pacientes con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5 Espectro Raman de la Piel Sana y de la Piel con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.6 PCA de los Espectros Raman de la Piel Sana y con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.7 LDA Aplicado a los PC’s Seleccionados para el An´alisis de Ros´acea . . . . . . . . . . . . . 104
5.8 Clasificador LDA Aplicado a los Scores de los PC’s Seleccionados para el An´alisis de Ros´acea105
5.9 An´alisis de la Forma de los Loadings Correspondientes PC’s Seleccionados para el An´alisis
deRos´acea ............................................ 106
x
´
Indice de tablas
3.1 Componentes Raman de la Piel Humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 ScoresT´ermicos.......................................... 52
4.2 BandasdelosCol´agenos..................................... 75
4.3 LCA-Loadings .......................................... 75
5.1 Patr´on ermico de Sujetos Sanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Patr´on ermico de Pacientes con Ros´acea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Temperaturas Promedio en el Lado Derecho Facial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4 Temperaturas Promedio en el Lado Izquierdo Facial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
xi
Abstract
Las aplicaciones m´edicas de la luz han permitido el acceso a t´ecnicas cuantitativas mas precisas y confiables
que los est´andares de oro utilizados por el personal m´edico para la detecci´on temprana de enfermedades,
as´ı como la aplicaci´on y valoraci´on de tratamientos basados en la luz. A la fecha, diversas t´ecnicas de
espectroscop´ıa e imagenolog´ıa se han utilizado en conjunto con t´ecnicas num´ericas de an´alisis multivariado
y estad´ıstico para el procesamiento e interpretaci´on de datos, dando como resultado, nuevas herramientas
de apoyo que presentan como ventajas el hecho de que son de naturaleza no-invasiva y que pueden obtenerse
resultados de forma individualizada. De esta forma se obtiene un resultado mas confiable para los pacientes
ya que se evitan falsos positivos y/´o negativos en el diagn´ostico de enfermedades as´ı como reincidencias
de las enfermedades una vez tratadas y un manejo mas ´optimo de los tratamientos. Como forma de
seguimiento a la investigaci´on previamente realizada, el trabajo de investigaci´on presentado en esta tesis
versa sobre la aplicaci´on de m´etodos ´opticos no-invasivos para la valoraci´on de tratamientos dermatol´ogicos
basados en la luz, cubriendo los dos abordajes utilizados en la ´optica biom´edica. En particular se estudian
los efectos de una cirug´ıa l´aser fraccional ablativa como tratamiento para cicatrices de acn´e utilizando
ecnicas de espectroscop´ıa e imagenolog´ıa para obtener una valoraci´on de las interacciones luz/tejido y de
esta forma darle un seguimiento individualizado y no-invasivo a los pacientes que se sometieron a dicho
tratamiento. Adem´as, se incluye un estudio para detecci´on temprana de rosacea, as´ı como un estudio para
valorar los efectos de un tratamiento t´opico, el cu´al es com´unmente utilizado por el personal dermatol´ogico
para el manejo de la enfermedad.
i
Cap´ıtulo 1
Introducci´on
1.1. etodos ´
Opticos para el Diagn´ostico M´edico
Las aplicaciones de la luz dentro de la medicina han incrementado de forma considerable debido al ´optimo
aprovechamiento de las interacciones de la radiaci´on electromagn´etica con el tejido biol´ogico, teniendo
como principal inter´es el desarrollo de tecnolog´ıas innovadoras, mas r´apidas, mas precisas y de menor
coste para procedimientos m´edicos. Entre las principales ventajas de estas tecnolog´ıas con respecto a los
etodos cl´ınicos tradicionales esta la naturaleza no-invasiva de la radiaci´on utilizada, la posibilidad de
obtener estudios de forma individualizada, el aprovechamiento de poderosas herramientas de computo y
an´alisis num´erico que ofrecen la posibilidad de obtener resultados mas confiables, de mayor resoluci´on y
de f´acil reproducci´on.
La ´
Optica Biom´edica es la disciplina que versa sobre las interacciones de la luz con la materia biol´ogica
para aplicaciones m´edicas, la cual se divide en dos ramas: los etodos ´
Opticos para Diagn´ostico M´edico
No-Invasivo, donde se busca cuantificar las propiedades histol´ogicas de los tejidos y estudiar las posibles
variaciones que se originen en ellos debido a la presencia de alguna enfermedad, y en las Terapias Basadas
en la Luz, donde se busca erradicar la presencia de enfermedades, al originarse efectos complejos como
resultado de las interacciones luz/tejido que puedan utilizarse con fines terap´euticos [1, 2, 3, 4, 5, 6].
El concepto de utilizar la luz para diagn´ostico temprano de enfermedades fue propuesto en 1984 por
Robert Alfano et Al., donde se establece que los tejidos sanos presentan diferencias considerables con los
tejidos enfermos al ser irradiados por una fuente de luz [7], iniciando una serie de investigaciones que sigue
creciendo a la fecha bajo el concepto de Biopsia ´
Optica [8], el cu´al, es el conjunto de t´ecnicas experimentales
utilizadas para la detecci´on temprana de enfermedades y la valoraci´on de tratamientos m´edicos de forma
no-invasiva e individualizada [9]. Este abordaje de la ´optica biom´edica presenta diversas ventajas en
comparaci´on con la Biopsia, considerada como el est´andar de oro en el diagn´ostico de enfermedades [10].
1
Las mediciones se realizan directamente sobre la superficie del cuerpo de un ser vivo (In Vivo), en un
laboratorio a partir de la incisi´on y preparaci´on previa de la muestra (In Vitro) o bien, sobre el estado de
origen de la muestra (In Situ) [11, 12, 13, 14, 15]. Para realizar la detecci´on de patrones caracter´ısticos
de las muestras biol´ogicas, tambi´en conocidos como Biomarcadores, es necesario que la muestra no sufra
da˜no alguno al ser expuesta a la fuente de iluminaci´on, es por eso la importancia de utilizar radiaci´on
no-ionizante. Por lo tanto, se utilizan fuentes de iluminaci´on que operan en el rango del Visible (VIS,
por sus siglas en ingl´es, Visible) y del Cercano Infrarrojo (NIR, por sus siglas en ingl´es Near Infrared),
el cu´al es conocido como Ventana Terap´eutica [16], Ventana de Diagn´ostico [17] ´o Ventana ´
Optica de los
Tejidos I, y que va de los 700nm 1.2µm dentro del Espectro Electromagn´etico, y es en este rango donde
la absorci´on y el esparcimiento de la luz en los t´ejidos son bajos, la profundidad de penetraci´on es mayor,
y sobre todo, la alta disponibilidad de fotodetectores que operan en este rango (Figura 1.1).
En a˜nos recientes el t´ermino de ventana terap´eutica ha sido extendido a diferentes rangos, haciendo
de esta forma que las posibilidades de utilizar la luz para fines de diagn´ostico m´edico sean mayores. Las
ventanas ´opticas propuestas son [18, 19, 20]: Ventana II (1.11.35µm),Ventana III (1.61.87µm)y
Ventana IV (2.12.35µm).
Figura 1.1: Espectros de absorci´on de la piel humana, la aorta, diversos componentes tisulares (agua,
epidermis y los melanomas), y de la sangre [11].
2
Adicionalmente a los m´etodos ´opticos, las t´ecnicas de simulaci´on num´erica son de gran utilidad para
modelar y predecir el comportamiento de la radiaci´on utilizada dentro de los tejidos, y de esta forma
obtener un marco de referencia [21]. Desde su introducci´on en la ´optica biom´edica en 1995 por Steven L.
Jacques y Lihong Wang [22], la simulaci´on por el etodo de Monte Carlo (MC) es considerada como el
est´andar de oro para modelar la propagaci´on de la luz dentro de los tejidos [23, 24, 25]. Actualmente, a
pesar de haber sido llegado a considerarse como un m´etodo obsoleto, se han realizado innovadores enfoques
de la simulaci´on MC, las cu´ales explotan al m´aximo las nuevas herramientas de computo disponibles en
la actualidad, de esta forma las simulaciones MC siguen siendo ampliamente utilizadas en el campo de
la ´optica biom´edica [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32]. Recientemente la simulaci´on por el etodo del Elemento
Finito (FEM) ha empezado a utilizarse como herramienta de simulaci´on dentro de la ´optica biom´edica
[33, 34, 35, 36, 37].
Entre los diferentes m´etodos de diagn´ostico m´edico no-invasivo se pueden mencionar la Espectros-
cop´ıa Raman, la Espectroscop´ıa de Reflectancia Difusa, la Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Di-
gital (com´unmente conocida como Termograf´ıa Infrarroja), la Tomograf´ıa de Coherencia ´
Optica, etc. La
principal diferencia entre el tipo de mediciones radica en la complejidad de los instrumentos utilizados
para llevar a cabo las medici´on deseadas, ya que los equipos utilizados para las mediciones In Vivo e
In Situ pueden ser sistemas port´atiles, de resoluci´on variable y, de preferencia, de bajo costo, mientras
que los equipos para las mediciones In Vitro son mas precisos, por lo que su uso esta restringido a los
laboratorios especializados. Estas considerables diferencias entre las mediciones dan origen a variaciones
considerables en los resultados obtenidos y sobre todo en el costo final del estudio o experimento a realizar
[38, 39, 40, 41, 42, 43].
Cuando se realiza un diagn´ostico m´edico temprano de enfermedades es com´un que se utilicen t´ecnicas
de An´alisis Multivariado (MVA), para procesado y an´alisis de datos [44, 45, 46]. En una primera instancia,
realizar un An´alisis Univariado en los datos obtenidos ser´ıa la opci´on mas adecuada, ya que es posible
estudiar variaciones de forma independiente sobre la variable de inter´es, pero debido a que se trabaja con
datos de espectroscop´ıa e imagenolog´ıa, donde se tienen m´ultiples variables de inter´es, la aplicaci´on del
MVA es mas ´optima ya que es posible al procesar y reducir el n´umero de espectros, analizar las variaciones
en intensidad, registrar corrimientos en los n´umeros de onda, o bien, estudiar las variaciones en los spots
ermicos de una imagen, de esta forma el MVA se lleva a cabo de forma general, es decir, de todo el
conjunto de espectros/im´agenes. Preferentemente se busca realizar el MVA sin tener conocimientos previos
(A Priori) de los datos debido a que los cambios que se buscan pueden provenir de diferentes procesos.
Si se llegara a tener un conocimiento a priori de los datos, las t´ecnicas de MVA se utilizan para clasificar
los datos en grupos previamente definidos. Aunque en la actualidad se han propuesto metodolog´ıas de
an´alisis mas robustas y complejas como el Deep Lerning o el Machine Learning, est´an basadas en t´ecnicas
de MVA y se utilizan con los mismos fines de clasificaci´on de datos o predicci´on de patrones [47].
3
1.1.1. Espectroscop´ıa Raman
La Espectroscop´ıa Raman (RS por sus siglas en ingl´es, Raman Spectroscopy ) es una t´ecnica experimental
basada en la interacci´on l´uz/materia que fue introducida por primera vez en 1921 por Sir Chandrasekhara
Venkata Raman en el art´ıculo The Color of the Sea [48], que versa sobre el efecto que tiene el esparcimiento
de luz sobre el color del oc´eano, posteriormente en 1928 nombro a la t´ecnica con su nombre la cu´al lo hizo
acreedor al premio Nobel de F´ısica en 1930 [49].
El esparcimiento de luz, tambi´en conocido como Scattering, es el efecto del redireccionamiento de un
haz de luz ocasionado por las colisiones entre los fotones del haz de luz incidente y las mol´eculas de
la muestra que esta siendo analizada. Este efecto se utiliza principalmente para medir el tama˜no o la
distribuci´on de part´ıculas a escala nanom´etrica, y es observado principalmente en medios turbios, como
el tejido biol´ogico [9]. Dependiendo de sus caracter´ısticas energ´eticas, el esparcimiento de luz puede ser
de dos tipos:
Esparcimiento El´
astico: Contiene la misma frecuencia que el haz de luz incidente, por lo tanto es
mas intenso. Este tipo de esparcimiento puede ser generado por part´ıculas mas peque˜nas (Rayleigh)
o mas grandes que la longitud de onda del haz de luz (Mie) [50, 51].
Esparcimiento Inel´
astico: Aproximadamente 1 fot´on de cada 107del haz de luz incidente es
esparcido con un corrimiento en frecuencia, el cu´al es producto de las ondas ac´usticas que est´an
presentes en el medio (Brillouin) o por las mol´eculas de la muestra bajo an´alisis que esparcen los
fotones con menor (Raman Stokes) ´o mayor (Raman Anti-Stokes) energ´ıa que los fotones incidentes
[52, 53].
El principio b´asico de la espectroscop´ıa Raman es la generaci´on de esparcimiento inel´astico de la luz
originado por la interacci´on entre los fotones del haz de luz incidente con las mol´eculas de una muestra [9].
El esparcimiento de luz resultante puede tener la misma frecuencia que el haz incidente (Esparcimiento
El´astico), o bien, puede presentar un corrimiento en frecuencia ocasionado por la ganancia/p´erdida de
energ´ıa (Esparcimiento Inel´astico), los cu´ales son ´unicos para cada componente de la muestra. Esta re-
presentaci´on de niveles de energ´ıa se puede observar de forma gr´afica en el llamado Diagrama de Niveles
de Energ´ıa (Figura 1.2).
4
Figura 1.2: Diagrama de Niveles de Energ´ıa [52].
En t´erminos de energ´ıa, cuando la luz interactua con las mol´eculas de la muestra, que se encuentran
en un Estado Basal con energ´ıa m, se produce una polarizaci´on en la nube de electrones que rodean el
ucleo de las mol´eculas, dando origen a un nivel energ´etico de corta duraci´on llamado Estado Virtual, el
cu´al es alcanzado por los fotones del haz de luz, al ser esparcidos por la mol´ecula, siendo redirigidos a
el estado basal con energ´ıa m, o a un Estado Excitado con mayor energ´ıa n. El efecto puede observarse
de forma inversa, al estar la mol´ecula en un estado excitado y redirigir los fotones a un estado basal. De
esta forma se obtiene una ’huella dactilar” de la muestra bajo an´alisis, la cu´al es posible observar en una
gr´afica conocida como Espectro Raman (Figura 1.3). En dicha gr´afica se representa la intensidad de la luz
esparcida en funci´on de la diferencia en frecuencia entre el haz de luz incidente y los haces de luz esparcidos
por la muestra [9, 16]. El esparcimiento Rayleigh es aquel con mayor intensidad y posee la misma energ´ıa
y frecuencia que el haz de luz incidente, por lo tanto, se encuentra ubicado en el centro de la gr´afica,
donde no se observa ning´un corrimiento. Cuando se tienen intensidades con menor frecuencia que el haz
de luz incidente, estas se observan a la izquierda del espectro Raman. A este tipo de esparcimiento se le
conoce como Esparcimiento In´elastico Raman Anti-Stokes. cuando el esparcimiento in´elastico resultante
presenta una ganancia en frecuencia, se observan intensidades a la derecha del espectro Raman. A este
tipo de esparcimiento se le conoce como Esparcimiento In´elastico Raman Stokes.
5
Figura 1.3: Representaci´on de un Espectro Raman [54], donde es posible observar: (A) el esparcimiento
Rayleigh, que presenta mayor intensidad y ning´un corrimiento en frecuencia, (B) el esparcimiento Raman
Stokes, que es el que presenta p´erdidas en frecuencia, y (C) el esparcimiento Raman Anti-Stokes, que
presenta ganancias en frecuencia [9].
Los corrimientos Raman se obtienen por la relaci´on entre la longitud de onda del haz de luz incidente
y la longitud de onda del haz esparcido (Eq.1.1)[9]:
∆(cm1)=(1
λ0
1
λs
)(107nm
1cm ) (1.1)
El esparcimiento Raman se origina al inducirse un momento dipolar sobre la componente el´ectrica de
una onda electromagn´etica cuando esta interact´ua con una mol´ecula, el cu´al se describe en la Eq.1.2:
P=α0E0cos(2πv0t) + 1
2(
dq )0E0cos2π(v0+vmt) + 1
2(
dq )0E0cos2π(v0vmt) (1.2)
donde α0es la polarizabilidad en estado de equilibrio, (dα/dq)0es la raz´on de cambio de la polarizabilidad
con respecto de la carga qevaluada en el punto de equilibrio, v0es la frecuencia de oscilaci´on de la onda
electromagn´etica, vmes la frecuencia de oscilaci´on de la mol´ecula y tes la variable temporal [9]. El
primer t´ermino de la Eq.1.2 corresponde a el esparcimiento el´astico Rayleigh debido a que el momento
dipolar inducido oscila con la misma frecuencia que la onda electromagn´etica (v0). El segundo t´ermino
corresponde a el esparcimiento inel´astico Raman Anti-Stokes, donde se observa una ganancia en frecuencia
(v0+vm). Finalmente el tercer t´ermino corresponde a el esparcimiento inel´astico Raman Stokes, con una
erdida en frecuencia (v0+vm) con respecto a la frecuencia de oscilaci´on de la onda electromagn´etica.
Es importante observar que si no hay una raz´on de cambio en la polarizabilidad (dα/dq)0= 0, ning´un
6
esparcimiento inel´astico es generado, por lo tanto se dice que la mol´ecula no es activa en Raman. Un
espectro Raman caracter´ıstico se observa en la Figura 1.4, el cu´al corresponde al silicio y que muestra una
banda caracter´ıstica en los 521cm1con alta intensidad (Figura 1.4).
Figura 1.4: La intensidad de las bandas Raman es producto de la raz´on de cambio del flujo electromagn´etico
con respecto del ´angulo s´olido (I=dΦ/dΩ) [53].
1.1.2. Espectroscop´ıa de Reflectancia Difusa
La Reflectancia Difusa es una t´ecnica utilizada para estudiar la composici´on espectral de una superficie
a partir de la luz que es reflejada por la misma superficie con respecto del haz de luz que incide sobre
ella [55]. Se considera como la mas vers´atil de todas las t´ecnicas espectrosc´opicas, en gran parte debido
a que opera en el rango del ultra-violeta (UV), visible (VIS) e infrarrojo (IR). En esta t´ecnica se analiza
la relaci´on entre la luz esparcida por un medio de grosor infinito y la luz esparcida por un medio ideal
no-absorbente, en funci´on de la longitud de onda [56, 57]. Para definir anal´ıticamente el fen´omeno de
reflectancia difusa es posible utilizar la ecuaci´on de transferencia de radiaci´on (Eq.1.5):
dI
κρdS =Ij
κ(1.3)
donde Ies la intensidad del haz de luz incidente sobre la muestra, dI/dS es la raz´on de cambio de la
intensidad con respecto de la longitud de la trayectoria S,ρes la densidad del medio, κes el coeficiente
de atenuaci´on debido a la absorci´on y el esparcimiento del haz de luz y jes la funci´on de esparcimiento.
7
Dicha ecuaci´on puede resolverse utilizando la aproximaci´on Kubelka-Munk, donde se considera un flujo
incidente Iy un flujo esparcido J, ambos perpendiculares a una superficie y con direcci´on opuesta entre
ellos (Figura 1.5).
Figura 1.5: Aproximaci´on de Kubelka-Munk para el estudio de reflectancia difusa.
Tomando esta aproximaci´on, la reflectancia difusa esta en funci´on de los coeficientes de absorci´on K
y esparcimiento aparente S:
R=(1 R)2
2R
=K
S(1.4)
La Espectroscop´ıa de Reflectancia Difusa (DRS, por sus siglas en ingl´es, Diffuse Reflectance Spectros-
copy) es una t´ecnica utilizada para detectar las intensidades de los haces de luz que son reflejados de
forma difusa en funci´on de la longitud de onda [58, 59]. Para llevar a cabo las medicines es necesario
realizar mediciones de reflectancia de un blanco estandard y del ruido del detector, ambas mediciones son
utilizadas como referencia con respecto de la medici´on sobre la muestra bajo an´alisis (Eq. 1.5)
R(λ) = Smeas (λ)D(λ)
Sref (λ)D(λ)(1.5)
8
donde Smeas es la intensidad reflejada por la muestra, Sref es la intensidad reflejada por el blanco standard,
Des la intensidad del ruido del detector y λes la longitud de onda [60, 58]. Un espectro t´ıpico de
espectroscop´ıa de reflectancia difusa se muestra en la Figura 1.6.
Figura 1.6: Espectro DRS caracter´ıstico para el SiO2 [61].
1.1.3. Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital
La Imagenolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital (DITI, por sus siglas en ingl´es, Digital Infrared
Thermography Imaging), com´unmente conocida simplemente como Termograf´ıa Infrarroja, es una tec-
nolog´ıa utilizada para analizar el patr´on t´ermico de un objeto bajo an´alisis a partir de la adquisici´on y
procesado digital de im´agenes. El dispositivo utilizado en esta t´ecnica es conocido como amara Ter-
mogr´afica, el cu´al ha alcanzado considerables niveles de resoluci´on debido al constante avance cient´ıfico y
tecnol´ogico para el desarrollo de dispositivos detectores de radiaci´on infrarroja.
Un Cuerpo Negro es una superficie que absorbe toda la radiaci´on que incide sobre ella, en todas las
direcciones, en todas las longitudes de onda, por lo tanto se considera como un absorbente/emisor ideal.
9
De esta forma se toma como referencia para analizar la radiaci´on emitida por superficies reales [62]. La
radiaci´on emitida por un cuerpo negro (Eb,λ(λT )) a cierta temperatura se analiza utilizando la ley de
Plank, la cu´al describe la potencia emitida por unidad de ´area, por unidad de longitud de onda:
Eb,λ(λT ) = 2πhc2
λ5(exp(hc
λkT )1)
(1.6)
donde h= 6.62x1034J s es la constante de Plank, c= 2.9979x108m/s es la velocidad de la luz, λes
la longitud de onda, k= 1.3807x1023J/K es la constante de Boltzman. Para determinar la intensidad
axima de una longitud de onda a una temperatura espec´ıfica, es necesario tomar la derivada de la ley
de Plank (1.6) con respecto de λ. A esta relaci´on se le conoce como la ley de Wien [63]:
λmax T= 2829µmK (1.7)
El principio b´asico de la termograf´ıa infrarroja esta basado en la ley de Stefan-Boltzman, la cu´al se
obtiene al integrar la ley de Plank (Eq.1.6) en todo el rango del espectro electromagn´etico [64]. La ley
de Stefan-Boltzman relaciona la temperatura con la radiaci´on emitida por un objeto cuya temperatura
es mayor al cero absoluto, la cu´al es conocida como Radiaci´on T´ermica, o bien, Radiaci´on Infrarroja
[65, 63, 66]:
P=εσAT 4(1.8)
donde Pes la potencia radiada, εes la medici´on de la radiaci´on emitida por el objeto bajo an´alisis con
respecto a un cuerpo negro, conocida como Emisividad,σes la constante de Stefan-Boltzman con un valor
de 5.67x108W/m2K4,Aes el ´area de la superficie radiante y T es la temperatura del objeto [65]. Los
sistemas de imagenolog´ıa por termograf´ıa infrarroja est´an construidos a base de dispositivos bolom´etricos
de V Ox, los cuales sirven como detectores de radiaci´on infrarroja, produciendo as´ı im´agenes y videos con
informaci´on radiom´etrica acerca del objeto bajo an´alisis [67]. En la Figura 1.7 se muestra una imagen
infrarroja, donde se observa la distribuci´on de la radiaci´on emitida por una superficie despu´es de estar en
contacto con el cuerpo humano.
10
Figura 1.7: Imagen adquirida con una c´amara termogr´afica. La escala de colores de la imagen esta mapeada
con respecto de la escala de las temperaturas detectadas.
1.2. etodos ´
Opticos para Tratamiento
El primer registro del uso terap´eutico de la luz lo dio el m´edico franc´es Henri de Mondeville (1260-1320),
quien utiliz´o luz roja para el tratamiento de viruela. Posteriormente, en el siglo XX, y bas´andose en los
estudios realizados por Mondeville, el m´edico dan´es Niels Ryberg Finsen (1860-1904) recibi´o el premio
Nobel por su trabajo en el tratamiento de la viruela con la luz. En 1888 se observo por primera vez
el efecto Fotoqu´ımico en c´elulas animales y en 1898 se descubri´o el efecto de la Acci´on Fotodin´amica
para el mejoramiento de la citotoxicidad de la eosina en la piel activado por la luz. Posteriormente a
este mecanismo se le conocer´ıa como Terapia Fotodin´amica. En el periodo de 1903 a 1907 se reportaron
trabajos innovadores acerca del uso de la luz para el tratamiento de c´ancer de piel y posteriormente para
tumores en los ojos por medio del efecto de Fotocoagulaci´on utilizando la luz del sol [1].
Durante la ´epoca donde surgieron las primeras aplicaciones de la ´optica biom´edica, se utilizaban
fuentes de iluminaci´on incoherente y de amplio rango, como la luz del sol, l´amparas incandescentes o
11
amparas de gas, hasta la d´ecada de 1950, cuando fueron reemplazadas por fuentes de luz de alta potencia
´optica. El uso terap´eutico mas importante de la luz es el efecto de fotocoagulaci´on por medio de radiaci´on
aser, la cu´al es seleccionada para actuar sobre la superficie de inter´es de un ´organo o tejido, la cu´al
es selectiva a cierta longitud de onda, produciendo a m´ultiples mecanismos originados por la interacci´on
luz/tejido. En 1960 Theodore Harold Maiman report´o por primera vez de forma experimental, una fuente
de iluminaci´on monocrom´atica, mejor conocida como radiaci´on aser (Amplificaci´on de Luz por Emisi´on
Estimulada de Radiaci´on, por sus siglas en ingl´es, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
[68], la cu´al hab´ıa sido propuesta te´oricamente por Arthur Leonard Schawlow y Charles Hard Townes
en 1958 como una mejora a la fuente de radiaci´on aser (Amplificaci´on de Microondas por Emisi´on
Estimulada de Radiaci´on, por sus siglas en ingl´es, Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) [69]. A la par del descubrimiento de la radiaci´on l´aser, las aplicaciones en la medicina fueron
emergiendo, especialmente en ´areas como la dermatolog´ıa y la oftalmolog´ıa y fue hasta inicios de la d´ecada
de 1990, cuando se estableci´o que el uso de los l´aseres en la medicina eran una practica segura y efectiva,
consolid´andose as´ı como est´andares de oro en el tratamiento m´edico de enfermedades en diferentes ´areas
como la odontolog´ıa, la neurolog´ıa, la oncolog´ıa, la cardiolog´ıa y en muchas otras mas ´areas de la medicina
[70]. A el conjunto de las aplicaciones terap´euticas del laser se le denomina Cirug´ıa L´aser oMedicina L´aser.
En la Figura 1.8 se establecen las aplicaciones terap´euticas y de diagn´ostico de los l´aseres, ambas incluidas
dentro del concepto de ´optica biom´edica.
Figura 1.8: Aplicaciones de diagn´ostico y terap´euticas de los l´aseres [70].
12
1.2.1. Tratamiento L´aser
La cirug´ıa l´aser se utiliza para manipular tejidos, de forma m´ınimamente invasiva, por medio de los
mecanismos de:
Fototerm´olisis Selectiva: Esta basada en la absorci´on de peque˜nos pulsos de radiaci´on al generar y
confinar calor en determinados t´ejidos con pigmentos [71, 72].
Fotoablaci´on: Al tener un alto nivel de irradiaci´on y periodos cortos de exposici´on a la radiaci´on,
conocidos como Pulsos, se origina una ruptura del tejido dando como resultado la destrucci´on y
eliminaci´on del tejido [73].
Fotosoldado: Consiste en aprovechar la energ´ıa del l´aser incidente sobre el tejido para fundirlo
directamente o para activar agentes biol´ogicos que enlazan tejidos, permitiendo as´ı el cierre de
heridas o lesiones sin necesidad de realizar una suturaci´on. Los mecanismos detr´as del fotosoldado
son la desnaturalizaci´on y la homogenizaci´on de col´ageno con fibrilos a partir del calentamiento del
tejido a partir de la absorci´on de la energ´ıa del l´aser en el tejido [74].
Fotoruptura: Es producto de una Descomposici´on ´
Optica. Se utiliza para romper o evaporar materia
dura que se forma en los tejidos e interfiere con el correcto funcionamiento de estos [75].
Fotocoagulaci´on: Se utiliza para eliminar tejidos da˜ninos sin afectar la integridad del ´organo. En
este proceso, la energ´ıa del laser utilizado es menos intensa que en el efecto de la fotoablaci´on, por
lo tanto la absorci´on es menor [76].
Las aplicaciones de los l´aseres en la medicina crecen cada d´ıa mas. Un factor crucial en la medicina l´aser
es el tiempo de recuperaci´on del tratamiento sobre el paciente, idealmente se espera que este sea cada vez
menor y que la efectividad del tratamiento sea tan alta que no suponga alg´un impacto negativo en la vida
diaria del paciente. Otro factor importante es el hecho de emplear l´aseres cuyos efectos sean m´ınimamente
invasivos para los tejidos, de forma similar a los utilizados en el diagn´ostico m´edico no-invasivo, de ah´ı el
innovador concepto conocido como Terapia L´aser a Bajo Nivel (Low Level Laser Theraphy) [77].
Las interacciones luz/tejido a´un contin´uan en estudio para encontrar t´ecnicas mas ´optimas, as´ı como
configuraciones de los l´aseres adecuadas para la aplicaci´on deseada. A la fecha existen seis diferentes tipos
de l´aseres: aseres qu´ımicos,Diodos L´aser,aseres Colorantes,aseres de Electrones Libres,aseres de
Gas yaseres de Estado Solido [1, 2]. En secciones posteriores se profundizara sobre las interacciones
luz/tejido y las t´ecnicas de modelado te´orico utilizadas en la actualidad.
13
1.2.2. Terapia Fotodin´amica
La Terapia Fotodin´amica (PDT, por sus siglas en ingl´es, Photo-Dynamic Theraphy) es una terapia
basada en la luz donde se busca la erradicaci´on de enfermedades de forma no-invasiva, principalmente de
enfermedades cancer´ıgenas. La principal innovaci´on de la terapia fotodin´amica esta en su alta efectividad,
selectividad y especificidad, adem´as de la posibilidad de integrar nuevos materiales y tecnolog´ıa a escala
nanom´etrica para optimizar su mecanismo de operaci´on. El t´ermino de terapia fotodin´amica fue propuesto
en 1900 por el m´edico alem´an Oscar Raab en su art´ıculo ”Ueber die Wirkung Fluoreszierenden Stoffe auf
Infusorien (Sobre el efecto de las sustancias fluorescentes sobre los infusorios)”, que versaba sobre la
toxicidad en el microorganismo Paramecium caudatum y sus variaciones al ser expuesta a la luz del sol
[78, 79, 80, 81, 82, 83].
El mecanismo de operaci´on de la terapia fotodin´amica es la administraci´on de un compuesto conocido
como Fotosintetizador, el cu´al tiene las propiedad de adherirse a tejidos que presenten alguna patolog´ıa
en espec´ıfico, y que es fotosensible, es decir, sus mol´eculas absorben energ´ıa, al ser expuestas a la luz,
originando as´ı la erradicaci´on de las c´elulas inapropiadas del tejido que presenta la patolog´ıa de inter´es
[84].
Figura 1.9: Mecanismo de operaci´on de la terap´ıa fotodin´amica [84, 85, 86].
1.3. Aplicaciones de la ´
Optica en la Dermatolog´ıa
La Dermatolog´ıa es la rama de la medicina que se encarga de estudiar la piel, as´ı como el diagn´ostico
y tratamiento de las patolog´ıas que se originan en ella. La piel, al ser un tejido biol´ogico, presenta efectos
de absorci´on y esparcimiento al interactuar con la luz, por lo tanto es considerada como un Medio Turbio
14
(Figura 1.10). La fracci´on de la radiaci´on que es absorbida por el la piel puede utilizarse como herramienta
terap´eutica, mientras que la fracci´on de la radiaci´on que es esparcida, puede utilizarse como herramienta
de diagn´ostico [87, 88, 89].
Figura 1.10: Propagaci´on de la luz en un medio turbio [70].
La propiedad de la luz de penetrar en un tejido, interactuar con los componentes del mismo tejido,
y despu´es salir del tejido para ser detectad y procesada es la clave para las aplicaciones de diagn´ostico
edico. Por otro lado, la propiedad de la luz para penetrar un tejido y depositarle energ´ıa ocasionando
procesos qu´ımicos y/o t´ermicos es fundamental para las aplicaciones terap´euticas de la luz. Por lo tanto,
dentro de la ´optica biom´edica, como primer paso es importante especificar las propiedades ´opticas de los
tejidos para dise˜nar dispositivos basados en la luz para aplicaciones m´edicas, interpretar mediciones de
diagn´ostico y elaborar protocolos terap´euticos. El paso siguiente es utilizar las propiedades ´opticas de los
tejidos en un modelo de transporte para modelar y predecir te´oricamente la propagaci´on de la luz y la
deposici´on de energ´ıa en los tejidos [90, 91].
Previamente se ha utilizado la espectroscop´ıa Raman como herramienta en aplicaciones dermatol´ogicas,
entre las que se pueden mencionar la detecci´on temprana de enfermedades como la dermatitis at´opica
[92, 93], la alergia al nickel [94], la diabetes mellitus [95, 96, 97], melasma [98, 99], la fibrosis hep´atica
[100], etc. Tambi´en se ha utilizado como herramienta de valoraci´on no-invasiva para terapias basadas en
la luz [101, 38] y tratamientos t´opicos [102], evaluaci´on del envejecimiento de la piel por efectos foto-
inducidos [103, 104, 105], monitoreo de la humedad en la piel [106], diagn´ostico temprano de c´ancer
15
[107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115] y psoriasis [116]. Una de los principales atractivos de la
espectroscop´ıa Raman es la posibilidad de poder realizar mediciones in vivo, evitando as´ı realizar procesos
que est´en restringidos a un laboratorio [9, 38, 3, 39, 117, 118]. La configuraci´on t´ıpica para aplicaciones
edicas in vivo de la espectroscop´ıa Raman in vivo se muestra en la Figura 1.11.
Figura 1.11: Instrumentaci´on Raman requerida para aplicaciones biom´edicas in vivo [16].
Por otro lado, la espectroscop´ıa de reflectancia difusa se ha utilizado ampliamente para estudiar las
variaciones pigmentaci´on de la piel [87], da˜nos en la piel inducidos por la exposici´on al sol [119], cicatri-
zaci´on de heridas [120], quemaduras [121] evaluaci´on de eritemas [122], monitoreo de niveles de glucosa
en la sangre [123], c´ancer de piel [124, 125] as´ı como la determinaci´on cuantitativa del foto-tipo de la
piel [126, 60, 127]. Debido a que dichas patolog´ıas son reconocibles a simple vista, la espectroscop´ıa de
reflectancia difusa sirve como herramienta cuantitativa para determinar las propiedades ´opticas de la piel
[57, 128] y establecer m´argenes de superficie entre tejidos sanos y enfermos [58]. Aunque son t´ecnicas
complementarias, una ventaja de la espectroscop´ıa de reflectancia difusa con respecto a la espectroscop´ıa
Raman es que la instrumentaci´on requerida es mas accesible, lo cu´al ha permitido el desarrollo de inno-
vadores prototipos que ya est´an, o se encuentran en proceso de, estandarizaci´on por el personal m´edico
16
[129, 130, 125]. Un factor que podr´ıa considerarse como una desventaja es la fuente de iluminaci´on uti-
lizada, ya que las l´amparas de hal´ogeno-tungsteno y xen´on utilizadas operan en una parte de la regi´on
UV del espectro electromagn´etico, la cu´al es da˜nina para los tejidos. En la Figura 1.12 se muestra la
configuraci´on basada en fibras ´opticas que se ha estandarizado para aplicaciones de la espectroscop´ıa de
reflectancia difusa en la dermatolog´ıa [58].
Figura 1.12: Instrumentaci´on requerida para aplicaciones biom´edicas utilizando espectroscop´ıa de reflec-
tancia difusa in vivo [58].
La piel, al ser el tejido biol´ogico que se encuentra mas expuesto al exterior, tiene la funci´on de proteger
a los tejidos internos del cuerpo humano y absorber energ´ıa exterior, por lo tanto, el patr´on t´ermico de
la piel puede utilizarse como herramienta de diagn´ostico y monitoreo. Las variaciones en la temperatura
pueden ser ocasionadas por cambios en la distribuci´on espacial de la superficie de la piel o por cambios
en la din´amica de sub-´areas de la piel, ambos considerados como biomarcadores para determinadas pato-
fisiolog´ıas [65, 131, 132, 66]. En cuanto a las aplicaciones de la imagenolog´ıa por termograf´ıa infrarroja
digital en la dermatolog´ıa, esta se ha utilizado para analizar y clasificar el patr´on t´ermico de tumores can-
cer´ıgenos [133, 134], profundidad de quemaduras [135], pie diab´etico [136] y psoriasis [137]. La principal
ventaja de la imagenolog´ıa por termograf´ıa infrarroja digital es el hecho de que no se requiere un contacto
directo con el cuerpo humano, a diferencia de la espectroscop´ıa Raman o de reflectancia difusa, donde la
interacci´on luz/tejido se lleva a cabo por medio de una sonda, la cu´al sirve como fuente de conducci´on
para la fuente de iluminaci´on. De esta forma, las mediciones de termograf´ıa infrarroja pueden realizarse, si
la aplicaci´on lo permite, a metros de distancia del paciente, garantizando as´ı la integridad y seguridad del
paciente. Ahora, al utilizar la temperatura como biomarcador, la principal desventaja de la imagenolog´ıa
por infrarroja digital radica en la alta variabilidad que existe entre las mediciones, que recurrentemente
17
resulta en resultados erroneos o poco precisos. Por lo tanto, es importante mencionar que las mediciones
de termograf´ıa infrarroja deben de llevarse a cabo en un ambiente aislado, sin interferencias de ilumina-
ci´on o t´ermicas, preferentemente con un ambiente controlado y con el equipo de imagenolog´ıa calibrado
correctamente (Figura 1.13).
Figura 1.13: Entorno de mediciones de imagenolog´ıa por termograf´ıa infrarroja digital para aplicaciones
biom´edicas [66].
18
Cap´ıtulo 2
Dermatosis Mas Comunes -
Diagn´ostico y Tratamiento
2.1. Dermatosis Mas Com´unes
Las Enfermedades de la Piel son el conjunto de todas aquellas manifestaciones anormales que est´an
presentes en la piel y todos sus componentes. Tanto la prevalencia como la severidad de las enfermedades
varia de acuerdo a sus diferentes manifestaciones en los pacientes. Aunque no se pueden considerar mor-
tales, a excepci´on del c´ancer de piel, una enfermedad de la piel puede ser el disparador para el desarrollo
de enfermedades mas peligrosas. Este tipo de enfermedades afectan a aproximadamente un tercio de la
poblaci´on mundial, espec´ıficamente son el 4to tipo de enfermedades mas comunes a nivel global. Las en-
fermedades de la piel se manifiestan en los individuos independientemente de su edad, genero, etnicidad,
etc. Se ha estimado que todos los individuos han experimentado la manifestaci´on de una enfermedad en
la piel, as´ı como haberse sometido a alg´un tratamiento para erradicarla, por lo menos una vez en la vida
[138, 139, 140].
Una Dermatosis es un tipo de manifestaci´on superficial de una enfermedad en la piel la cual tambi´en
puede observarse en la superficie de las u˜nas y del cabello. La principal caracter´ıstica de una dermatosis es
que su manifestaci´on no incluye caracter´ısticas inflamatorias, a diferencia de una Dermatitis. Las causas
de las dermatosis son variables, como por ejemplo, respuestas del sistema autoinmune, la presencia de
bacterias y hongos, contaminaci´on ambiental, presencia de virus, o bien, factores gen´eticos. Aunque en
´epocas recientes las causas de las dermatosis han sido bien caracterizadas para su estudio, muchas de ellas
aun permanecen siendo desconocidas para el personal dermatol´ogico, haciendo complejo el diagn´ostico y
el subsecuente tratamiento. Como se menciono en el cap´ıtulo 1, la biopsia es el est´andar de oro para el
diagn´ostico de las enfermedades de la piel, y una vez que se tiene informaci´on espec´ıfica es posible someter
la lesi´on a un tratamiento, el cu´al va a ser variable dependiendo de las caracter´ısticas de la lesi´on.
19
De acuerdo a los reportes de la Carga Mundial de la Enfermedad (GBD, por sus siglas en ingl´es, Global
Burden Disease), hasta el a˜no 2019 las 3 enfermedades de la piel mas investigadas eran la dermatitis
(38 %), el acn´e (29 %) y en igual proporci´on la psoriasis y la urticaria (19 %) utilizando una escala de
medici´on conocida como DALY (A˜nos de Vida Ajustados por una Discapacidad, por sus siglas en ingl´es,
Disability-Adjusted Life Years), la cu´al cuantifica el n´umero de muertes debido a una enfermedad con los
nos que se vive con dicha enfermedad. En la Figura 2.1 se observan el reporte de la GDB en un lapso de
tiempo de 2015-2020. El Melanoma, al ser de las enfermedades de la piel mas peligrosas, tuvo un mayor
porcentaje en cuanto a las publicaciones realizadas (1995 publicaciones) en este lapso de tiempo, seguida
por la psoriasis (1936 publicaciones) y posteriormente por la dermatitis (1927 publicaciones). El acn´e, a
pesar de ser la enfermedad infecciosa de la piel mas com´un, tuvo un porcentaje menor en la literatura
(477 publicaciones), debido a que se puede considerar una enfermedad mas controlable. Es importante
mencionar que dicho reporte se realiz´o utilizando referencias exclusivamente del ´area m´edica, sin contar
con referencias en el ´area de la ´optica biom´edica o ingenier´ıa biom´edica.
Figura 2.1: Reporte de la GBD para las enfermedades de la piel de acuerdo a el n´umero de publicaciones
realizadas durante 2015-2020.
Alternativamente, la carga de las enfermedades de la piel reportada por la GBD se representa como
histograma en la Figura 2.2, en donde se observa un patr´on similar por a˜no en la mayor´ıa de las enferme-
dades analizadas, a excepci´on del acn´e y la sarna (conocida como Scabies), que presentaron un incremento
durante 2019, y la pioderma, que presento un incremento durante 2018.
20
Figura 2.2: Representaci´on Gr´afica del Reporte de la GBD para las enfermedades de la piel de acuerdo a
el n´umero de publicaciones realizadas durante 2015-2020.
Vale la pena mencionar que los estudios tomados como referencia son anteriores al 2020 debido a la
situaci´on mundial de la pandemia originada por el virus SARS-Cov-19, conocida como COVID-19, lo cu´al
implico realizar cambios dr´asticos en todos los aspectos de la vida diaria. En un estudio reportado por
Kutlu y Metin [141] se analiz´o el impacto de la pandemia en las visitas al dermatologo, observ´andose una
considerable variaci´on en la presencia de las enfermedades de la piel, la cu´al puede utilizarse como trabajo a
futuro [142, 143, 144, 145, 146, 147, 148]. De forma similar, en un estudio a gran escala reportado por Tizek
et Al. [149], se encontr´o una variaci´on en el porcentaje de de las enfermedades de la piel mas comunes,
siendo la Queratosis Act´ınica aquella con mayor porcentaje (64.5 %), seguida por la ros´acea (25.5 %),
eczema (11.6 %), acn´e (5.7 %), carcinoma (3.1 %) y la psoriasis (1.2 %) (Figura 2.3). El estudio se construy´o
utilizando un cuestionario acerca de las caracter´ısticas demogr´aficas de cada individuo participante, para
finalmente ser valorados por personal dermatol´ogico. Aquellos individuos con conocimiento o diagn´ostico
previo de alguna enfermedad de la piel fueron atendidos de forma mas detallada por un grupo especializado
de dermat´ologos, el cu´al se centro en diferentes zonas de la cabeza, el cuello y las extremidades, as´ı
como aquellas zonas que se encontraban expuestas a la radiaci´on UV. Informaci´on como la profesi´on y
antecedentes familiares es de gran importancia para los estudios de las enfermedades de la piel.
21
Figura 2.3: Incidencia de Enfermedades de la Piel durante 2019 [149].
En el resultado de este estudio se observ´o que la presencia de eczema fue constante en los diferentes
grupos analizados, separados principalmente por la edad, mientras que la presencia del acn´e esta mas
presente en los individuos cuya edad esta entre los 18 y 50 a˜nos. Es esta enfermedad una de las cu´ales se
estudiara a profundidad utilizando m´etodos ´opticos para su monitoreo, y que se vendr´a desarrollando a lo
largo de esta tesis. Tambi´en se observ´o que la presencia de la psoriasis y el carcinoma, es mas latente en
los individuos de mayor edad. Por otro lado, la presencia de la ros´acea, que frecuentemente es pasada por
alto, esta mas pronunciada en las mujeres cuya edad es mayor a los 50 a˜nos. Esta enfermedad tambi´en
se analizar´a utilizando t´ecnicas ´opticas a lo largo de esta tesis. Otro resultado de este estudio fue la
observaci´on de que aproximadamente el 70 % de los pacientes que sufren una enfermedad de la piel se
someten a tratamientos sin acudir a valoraci´on m´edica, debido a que las enfermedades con mayor presencia
no requieren de una hospitalizaci´on, lo que puede desencadenar el riesgo de desarrollar infecciones o bien,
efectos adversos a los tratamientos por los cuales se opt´o. Aunque se observan resultados diferentes en
ambos trabajos tomados como referencia, el estudio tomado en una gran cantidad de individuos realizado
por Tizek et Al. [138] dio como resultado una estimaci´on mas realista en un conjunto de individuos con
la misma etnicidad, el cu´al puede ser implementado en regiones diferentes para poder realizar inferencias
sobre la presencia de las enfermedades de la piel en una determinada zona. Estos trabajos se utilizaron
como referencia para estudiar diferentes enfermedades con t´ecnicas ´opticas de forma no-invasiva para un
diagn´ostico temprano o bien para un tratamiento individualizado.
22
Figura 2.4: Incidencia de Enfermedades de la Piel durante 2019 [149].
2.2. Transtornos de la Pigmentaci´on
La Pigmentaci´on de la piel ha sido utilizada, aunque de forma subjetiva, como herramienta de detecci´on
y diagn´ostico de enfermedades [87]. Con el creciente desarrollo de aplicaciones de la ´optica biom´edica, la
subjetividad de la pigmentaci´on de la piel ha ido reduciendo, a favor del desarrollo de t´ecnicas mas robustas
y precisas que permiten extraer informaci´on relevante acerca del estado de la piel. Entre los estudios que
se pueden realizar a partir de la cuantificaci´on de la pigmentaci´on de la piel se puede mencionar la
determinaci´on del fototipo [60, 150], las dimensiones de las venas [151], la concentraci´on de hemoglobina
y melanina, saturaci´on de ox´ıgeno en la sangre [152], el proceso de cicatrizaci´on de heridas [153], etc. La
pigmentaci´on de la piel esta determinada por una variedad de factores, en donde se incluyen la melanina,
la hemoglobina, los carotenoides y col´ageno [154].
23
La Melanina en especifico, es un crom´oforo producido por c´elulas llamadas Melanocitos, que se encuen-
tran embebidas en organelos conocidos como Melanomas. Los trastornos de la pigmentaci´on son anomal´ıas
producidas por el n´umero y tama˜no de los melanomas, resultado de anormalidades en la formaci´on de los
melanocitos durante el proceso de embriog´enesis, que incluye la presencia de h´ıper pigmentaci´on ´e hipo
pigmentaci´on [155, 156, 157].
Figura 2.5: Metodolog´ıa est´andar para evaluar los trastornos de la pigmentaci´on [158].
24
La H´ıperpigmentaci´on es ocasionada por una elevada producci´on de melanina, producto de una activi-
dad anormal de la actividad de los melanocitos [155]. Tambi´en es atribuida a la exposici´on a la radiaci´on
ultra-violeta (UV) [157] y recientemente a la exposici´on a la radiaci´on visible y a la vascularizaci´on ocasio-
nada por la radiaci´on infrarroja [159, 160]. Entre las enfermedades relacionadas con la hiperpigmentaci´on
est´an la melasma [161], la melanosis de Riehl [162], la eritomelanosis folicular [163], eritema dyschromicum
[164], poikiloderma de Civatte [165], dermatitis foto-t´oxica [166], etc. F´ısicamente, una hiperpigmentaci´on
se observa como una superficie oscura s´olida en la piel, cuyo tama˜no y forma pueden variar (Figura 2.6).
Figura 2.6: Ejemplo de una lesi´on con hiperpigmentaci´on, donde se observa un obscurecimiento notable
debido a niveles altos de melanina [167].
25
La Hipopigmentaci´on esta caracterizada por un decremento en la presencia de los melanocitos y me-
lanomas ´o por alteraciones en el proceso de transferencia de los melanomas a queratinocito [155]. Las
enfermedades relacionadas son el vit´ıligo [168], la hipo melanosis post-inflamatoria [169], pitiriasis alba
[170], piebaldismo [171], etc. Aunque en su mayoria, las lesiones relacionadas con la hipopigmentaci´on
son benignas y asintom´aticas, un descuido en una lesi´on de hipopigmentaci´on puede resultar en graves
consecuencias a nivel psicol´ogico y cosm´etico, as´ı como econ´omico y social en los pacientes que la padecen
[172]. F´ısicamente, una lesi´on con hipopigmentaci´on es mas clara que el resto de la superficie de la piel,
y de igual forma que las lesiones de hiperpigmentaci´on, su tama˜no y distribuci´on varia de paciente a
paciente.
Figura 2.7: Ejemplo de una lesion con hipopigmentaci´on, caracterizada por su tonalidad clara de forma
anormal, indicando un decremento en la presencia de la melanina [167].
Las lesiones de hiperpigmentaci´on pueden manifestarse por factores hereditarios o externos, que a
menudo se presentan durante la ni˜nez, como por ejemplo la prolongada exposici´on a la radiaci´on solar,
quemaduras, exposici´on a alg´un qu´ımico, etc. [158]. T´ıpicamente el tratamiento para las enfermedades
relacionadas con la hiperpigmentaci´on est´a basado en sustancias t´opicas como retinoides acido azelaico o
26
hidroquinona, la cu´al es considerada como el est´andar de oro para el tratamiento y manejo de melasma.
Adem´as, el uso de bloqueadores solares con alto contenido en di´oxido de titanio y oxido de zinc es
recomendable as´ı como disminuir el tiempo de exposici´on a la radiaci´on UV [173]. En estudios recientes
se han propuesto el uso de terapias basadas en la luz, como la cirug´ıa l´aser, para el tratamiento de
lesiones relacionadas con la hiperpigmentaci´on, principalmente aquellas que son producto de enfermedades
inflamatorias, como el acn´e o el eczema, conocidas como Hiperpigmentaci´on Post-Inflamatoria [169]. Por
otro lado, los tratamientos utilizados para las lesiones relacionadas con la hipopigmentaci´on son la cirug´ıa
aser [174], la crioterapia [175], peeling [176] y los tratamientos t´opicos [176].
2.3. Acn´e
El Acn´e es las enfermedad de la piel mas com´un en el mundo [177, 178]. La prevalencia del acn´e
varia dependiendo del pa´ıs o de la edad del paciente, en un rango de 35 100 % principalmente en la
adolescencia y en un 9.38 % a nivel global [178, 179, 180, 181, 182, 183]. Aunque su origen no tiene un
patr´on caracter´ıstico, la principal caracter´ıstica cr´onicas/inflamatoria de las enfermedades que se presenta
en la unidad pilo seb´acea durante la pubertad y a menudo en la edad adulta (Figura 2.8).
Figura 2.8: Presencia del Acn´e [183].
27
La fisiopatolog´ıa del acn´e implica complejos procesos dentro de la unidad pilo seb´acea que dan como
resultado un cambio en el microambiente cut´aneo que posteriormente conduce a reacciones inflamatorias
[184, 185, 186]: h´ıper seborrea [187], queratinizaci´on folicular anormal (H´ıper-queratinizaci´on) [188], incre-
mento en la presencia de la bacteriaPropionibacterium Acn´es (P.acnes) [189], influencia hormonal [190],
producci´on anormal de sebo [191], secreci´on de mediadores inflamatorios [192].
El acn´e se manifiesta principalmente en zonas donde existe una mayor presencia de fol´ıculos capilares,
y por lo tanto, mayor presencia gl´andulas seb´aceas. Entre estas zonas se pueden mencionar la superficie
facial, la parte superior del torso (pecho), la espalda y la parte superior de los brazos [193]. Aunque la
enfermedad presenta patrones muy espec´ıficos, existen diferentes manifestaciones del acn´e, a partir de las
cuales la enfermedad puede ser clasificada de acuerdo al tipo de lesi´on que se presente, siendo el Acn´e
Vulgaris el tipo mas com´un del acn´e ya que nuestra el 99 % de prevalencia [194]. Los Fol´ıculos Capilares son
ductos que se encuentran en la superficie de la epidermis, y es en ellos donde se presenta el generaci´on de
cabello. Alrededor de los fol´ıculos capilares est´an localizadas las Gl´andulas Seb´aceas, las cu´ales producen
una sustancia de consistencia grasosa/aceitosa conocida como Sebo, la cu´al es excretada a la superficie
de la piel por medio del fol´ıculo capilar sirviendo como protector y humectante para la piel y el cabello
(Figura 2.9).
Figura 2.9: Fol´ıculos capilares y las glandulas sebaceas dentro de la piel [194].
28
La manifestaci´on del acn´e ocurre cuando los fol´ıculos capilares se bloquean debido a la h´ıperqueratini-
zaci´on formando una lesi´on conocida como Micro-comeon [195], la cu´al ocasiona que el sebo y la queratina
queden estancados dentro de los poros de la piel dando como resultado una hinchaz´on, inflamaci´on e in-
clusive una irritaci´on de la piel. A medida que el fol´ıculo capilar continua bloqueado, el micro-comed´on
se expande debajo de una apertura folicular donde visiblemente es posible clasificarlo como cerrado o
abierto [196] (Figura 2.10). Estas reacciones inflamatorias son resultado de un incremento en la presencia
de Propionibacterium Acn´es (P. acn´es), la cu´al es la bacteria predominante en la manifestaci´on del acn´e
y que se presenta como una defensa contra el sebo acumulado [194, 196]. Otros factores que estimulan la
aparici´on del acn´e son las hormonas, en especial la Di-hidrotestosterona y el Estr´ogeno [197].
Figura 2.10: Micro-comed´on cerrado: Superficie inflamada fija (apula) de color amarillo/blanco tam-
bi´en conocida como Punto Blanco. Esta lesi´on se considera como la precursora de todas las lesiones
inflamatorias relacionadas con el acn´e. Micro-comed´on abierto: Apertura en la piel ocasionada por la
h´ıper-queratinizaci´on, esta lesi´on es com´unmente conocida como Punto Negro. Figura adaptada de [198]
.
29
2.4. Ros´acea
La Ros´acea es una enfermedad de la piel con caracter´ısticas inflamatorias, entre las cuales se pueden
mencionar la irritaci´on de la piel, p´ustulas, vasos sangu´ıneos anormales y enrojecimiento notable en la
superficie facial, principalmente en las mejillas, la frente y la nariz, lo cual puede resultar en trastornos
psicol´ogicos en el paciente, como estr´es o ansiedad. Aunque se han considerado la desregulaci´on neuro-
vascular o alteraciones inmunol´ogicas, la fisiopatolog´ıa de la ros´acea no ha sido totalmente determinada,
a diferencia de otras enfermedades de la piel como el acn´e [199, 200]. Factores como la presencia del
´acaro Demodex [201, 202, 203], exposici´on a la radiaci´on UV [204] [205] han sido estudiados como posibles
disparadores para el desarrollo de la enfermedad. La principal limitante para el diagn´ostico de ros´acea es
que la biopsia no es espec´ıfica, de esta forma la necesidad de implementar t´ecnicas no-invasivas basadas
en la luz es crucial para el estudio de la ros´acea [205, 206, 207]. El est´andar de oro para el diagn´ostico y
manejo de la ros´acea es el criterio de clasificaci´on establecido por la Sociedad Nacional de Ros´acea donde
se proponen 4 tipos de manifestaciones [208, 209] (Figura 2.11) y recientemente de acuerdo al fenotipo
[205].
Figura 2.11: Clasificaci´on de los sub-tipos de ros´acea: (A) Eritematotelangiectatics (B) Papulopustular
(C) Fimatosa y (D) Ocular[209].
30
2.5. Otros
Adem´as de las dermatosis relacionadas con los trastornos de la pigmentaci´on, la piel puede presentar
ultiples enfermedades originadas por diferentes casusas internas o externas. Al ser el tejido humano mas
externo al medio ambiente, la valoraci´on de las erupciones en la piel se utiliza para determinar si existe o
no alguna enfermedad. Es importante recalcar que la valoraci´on visual de las zonas con las erupciones no
es suficiente y que es necesario monitorear toda la piel para poder proporcionar un diagn´ostico adecuado
y posteriormente aplicar un tratamiento de forma efectiva. Para realizar el diagn´ostico de enfermedades
de la piel es necesario realizar una valoraci´on del historial m´edico del paciente, antecedentes familiares,
etc. Las erupciones de la piel se deben clasificar de acuerdo a su pigmentaci´on, morfolog´ıa, ´areas cercanas,
ubicaci´on de la lesi´on y como es la distribuci´on de las erupciones en ella [210].
31
Cap´ıtulo 3
Espectroscop´ıa Raman de la Piel
3.1. Anatom´ıa y Fisiolog´ıa de la Piel
La Piel es el ´organo mas grande del cuerpo humano, ocupa aproximadamente el 16 % del peso total
del cuerpo humano y cubre un ´area de aproximadamente 2m2en un adulto. Su principal funci´on es cubrir
y proteger los ´organos internos. De forma anat´omica, la piel se compone de dos capas: la Dermis y la
Epidermis [211, 106, 212]:
Epidermis. Es un tejido epitelial compuesto por capas de c´elulas epiteliales, conocido como Epitelio
Estratificado. Su grosor esta en un rango de 40 150µm. Su funci´on principal es producir el Estrato
Corneo (SC por sus siglas en ingl´es, Stratum Corneum), que es la capa mas externa de la piel. Esta
capa esta conformada por c´elulas cornificadas, que sirven como protecci´on para p´erdidas de agua,
as´ı como infecciones ocasionadas por la presencia de microbios o la exposici´on a sustancias t´oxicas.
Dermis. Es un tejido conectivo fibroel´astico, responsable de la elasticidad de la piel. Su grosor esta
en un rango de 1 4mm. Dentro de su estructura se encuentran nervios, vasos sangu´ıneos, vasos
linf´aticos, fol´ıculos, m´usculos, gl´andulas seb´aceas y gl´andulas sudor´ıparas. Es en esta capa donde
se encuentran prote´ınas como el col´ageno y la elastina, que est´an directamente relacionadas con la
elasticidad y la resistencia de la piel. Aproximadamente el 90% de la dermis esta conformada por
col´ageno, que es la prote´ına estructural de mayor proporci´on, y se encuentra distribuida en la piel
en diferentes tipos: el 80 % es de tipo 1, el 15 % de tipo 3 y un 15 % es de tipo 4, 5 y 6.
32
Figura 3.1: Anatom´ıa de la piel: epidermis y dermis. Figura adaptada de [106].
3.2. Espectroscop´ıa Raman de la Piel
El primer espectro Raman de la piel fue reportado en 1992 por B.W. Barry, donde se propuso la es-
pectroscop´ıa Raman como una herramienta complementaria a la espectroscop´ıa infrarroja para el estudio
y an´alisis de enfermedades de la piel [213]. Actualmente se tiene reportado un registro con las bandas
caracter´ısticas del espectro Raman de la piel (Tabla 3.1), y se ha propuesto que cualquier variaci´on en
intensidad, forma y corrimientos sean considerado como un biomarcador [214]. Es importante mencionar
que dicho registro debe utilizarse como referencia, ya que las mediciones de espectroscop´ıa Raman pue-
den variar dependiendo de las especificaciones del equipo utilizado para realizar la medici´on (longitud
de onda, resoluci´on, etc.), de la condici´on del paciente y las t´ecnicas de procesado y an´alisis de datos
espectrosc´opicos. Por lo tanto, es importante realizar siempre mediciones de prueba sobre piel sana, es
decir, sin ninguna manifestaci´on de alguna enfermedad. Para aplicaciones biom´edicas de la espectroscop´ıa
Raman es com´un realizar esta medici´on en la zona del antebrazo o la parte interna superior del brazo,
mientras que para las aplicaciones mas comunes de la t´ecnica, como la caracterizaci´on de materiales se
utiliza una muestra de silicio.
33
Raman-Shift
(cm1)
Asignaci´
on Componente
936 C-C (Estiramiento de Prolina-Valina-
Backbone)
Queratina
940 C-C (Estiramiento de Backbone) Col´ageno-Elastina
1003 C-C (Vibraci´on de Fenilo) Col´ageno-Elastina-
Queratina
1063 C-C (Estiramiento Asim´etrico de L´ıpidos) Ceramida
1080 C-C (Estiramiento Esqueletal en L´ıpidos) Trioleina
1093 O-P-O (Vibraci´on de Estiramiento Sim´etrico
de ADN-Backbone)
Nucleo
1128 C-C (Estiramiento Esquel´etico Sim´etrico) Ceramida
1248 Amida-III (L´amina-βy conformaci´on de Bo-
bina Aleatoria)
Col´ageno-Elastina
1254 amina-β/ Thymina/Citosina (Base ADN/
ARN)
ucleo
1269 Amida-III (H´elice-α), Estiramiento C-N, Do-
blaje N-H
Col´ageno-Elastina-
Queratina
1301 Modos C-H (CH2) de l´ıpidos, Bandas CH2/
CH3
Trioleina
1336 Amida-III, Estiramiento C-N y N-H Elastina
1337 Adenina, Guanina (Base ADN\RNA) N´ucleo
1378 Estiramiento Lineal del Enlace C-C bonds
dentro de los anillos
Melanina
1440 Bandas CH2/C H3Trioleina-Ceramida
1450 Estiramiento C-H de prote´ınas Queratina
1454 Estiramiento C-H, Deformaci´on Asim´etrica C-
H
Col´ageno-Elastina
1573 Estiramiento de los Anillos Arom´aticos Melanina
1645 Modo vibracional O-H del Agua Agua
1653 Modo de estiramiento C-O de la Amida-I Queratina
1656 L´ıpidos C-C Trioleina
1665 Vibraci´on C-O de la Amida-I Col´ageno-Elastina
Tabla 3.1: Bandas Raman caracter´ısticas de la piel [114].
34
La Fluorescencia es uno de los principales problemas que se presentan en las mediciones Raman de
muestras biol´ogicas. Este efecto es producido por la absorci´on de la radiaci´on, principalmente por la
radiaci´on visible, interfiriendo considerablemente con el esparcimiento Raman. Adem´as de la fluorescencia
hay factores como el ruido provocado por los artefactos de movimiento, tanto del paciente como del
personal m´edico, errores en la adquisici´on del equipo, adem´as del ruido proveniente del detector y la
resoluci´on limitada del sistema de medici´on. Por lo tanto, antes de realizar el an´alisis de los espectros
Raman es necesario contar con una etapa de pre-procesado, que incluya la substracci´on de la fluorescencia,
filtrado y normalizaci´on de los espectros [215]. Aunque existen diversas t´ecnicas para la substracci´on de
fluorescencia en una se˜nal Raman ya sea por t´ecnicas experimentales como la espectroscop´ıa Raman de
excitaci´on desplazada (SERDS, por sus siglas en ingl´es, Shifted-Excitation Raman Spectroscopy) [216, 217,
218], o bien, por t´ecnicas computacionales como el ajuste polinomial, aproximaci´on por derivadas, an´alisis
por medio de las transformadas de Fourier o Wavelet, etc. para aplicaciones biom´edicas, el algoritmo
propuesto por Zhao et Al. 2007 [219], conocido como el Algoritmo Vancouver, es ampliamente utilizado
debido a su alta precisi´on y simple manejo, por lo tanto fue utilizado en la etapa del pre-procesado de los
an´alisis presentados en esta tesis. La substracci´on de fluorescencia de un epectro Raman proveniente de
una muestra biol´ogica durante la etapa del pre-procesado se observa en la Figura 3.2.
Figura 3.2: Espectro Raman de la glutamina (A) con fluorescencia y (B) sin fluorescencia [16]. Se puede
apreciar como la se˜nal de fluorescencia es ordenes de magnitud mayor que la se˜nal Raman.
35
El filtrado es la etapa del pre-procesamiento de datos muy importante, ya que en ella se descartan las
contribuciones ocasionas por diferentes fuentes de ruido, como pueden ser el ruido t´ermico, la interferencia
de rayos cosmicos, efectos de rudio blanco, ruido del detector ´o bien por efectos de error en la adquisici´on
y muestreo. Como herramienta de filtrado, en esta tesis se utiliz´o el filtro digital Savitzky-Golay donde
a partir de un polinomio generado por un conjunto de puntos de datos basado en el m´etodo de los
m´ınimos cuadrados[220, 221, 222]. Finalmente, debido a la aleatoriedad de las intensidades observadas en
un espectro Raman, es muy importante incluir una normalizaci´on de datos, es decir, restringir todos los
valores de las intensidades a un rango espec´ıfico. Como m´etodos de normalizaci´on se pueden mencionar el
´area bajo la curva (AUC, por sus siglas en ingl´es Area Under Curve), o la normalizaci´on tomando como
referencia alguna banda caracter´ıstica, como bien puede ser la del Metileno (1440cm1aproximadamente)
o la de la Amida-III ( 1660cm1aproximadamente) [215]. Es importante mencionar que en este ´ultimo
etodo de normalizaci´on se asume que la banda tomada como referencia es invariante, es decir, esta
presente en todas las mediciones, por lo tanto, su uso esta mas restringido que el m´etodo AUC. En el
presente trabajo se utiliz´o el m´etodo de normalizaci´on por AUC para los espectros Raman y de reflectancia
difusa.
Dentro del espectro Raman se encuentra la regi´on baja conocida como Fingerprint Region, la cual va
de los 200 2000cm1. Es en esta regi´on donde las bandas obtenidas pueden ser asignadas a diferentes
mol´eculas de acuerdo a sus vibraciones. Para muestras biol´ogicas, la regi´on baja se considera en 800
1800cm1. Por otro lado existe la regi´on alta, cuyos n´umeros de onda son >2000cm1, donde es posible
caracterizar muestras org´anicas que contengan peque˜nos ´atomos de hidr´ogeno. El estudio de las se˜nales
obtenidas en la regi´on alta ha sido menos explorado, debido a la complejidad en la instrumentaci´on
requerida. Dentro de las aplicaciones biom´edicas de la regi´on alta est´an los estudios en la dermatolog´ıa
y odontolog´ıa, aunque debido a la complejidad de la instrumentaci´on requerida para obtener se˜nales en
este rango de n´umeros de onda, las aplicaciones son menores. Por lo tanto, es en la regi´on baja donde se
encuentran las bandas correspondientes a los componentes de las muestras biol´ogicas y la selecci´on de la
regi´on de inter´es va a depender de los par´ametros y configuraci´on del sistema Raman utilizado, como la
longitud de onda utilizada como excitaci´on, la resoluci´on espectral, la relaci´on se˜nal a ruido, el grating y
el tipo de detector utilizado [9, 223, 217, 224].
Finalmente, para el procesado y an´alisis de espectros se han venido utilizando t´ecnicas de Ciencia
de Datos,Machine Learning oDeep Learning. En secciones posteriores se profundizar´a en el procesado
y an´alisis de espectros. En la Figura 3.3 se muestra el espectro Raman caracter´ıstico de la piel huma-
na tomado de forma in vivo con una longitud de onda en el rango del NIR despu´es de las etapas de
pre-procesado y procesado. El espectro fue tomado en la superficie flexural del codo y muestra bandas
reportadas por [114], como se muestran en la Tabla 3.1.
36
Figura 3.3: Espectro Raman de la piel.
3.3. Col´ageno Tipo-I
El Col´ageno es la prote´ına mas abundante del cuerpo humano y esta presente en los procesos de
cicatrizaci´on de heridas, desarrollo de nuevos tejidos y regeneraci´on de la piel [38]. Existen alrededor de
30 tipos de col´ageno distribuidos en el cuerpo humano con variaciones en cada tejido [225]. El Col´ageno
Tipo-I (T1C) es el tipo de col´ageno mas abundante, aproximadamente del 80 85 % de la cantidad de
col´ageno en la piel humana es de tipo-I [223, 226]. El espectro Raman del T1C reportado por Nguyen et
Al. 2012 [227] presenta bandas caracter´ısticas que se pueden encontrar en la Tabla 3.1: 895 cm1, 940
cm1, 1001 cm1,1356 cm1,1425 cm1,1545cm1.
3.4. Col´ageno Tipo-III
El Col´ageno Tipo-III (T3C) es una prote´ına perteneciente a la matr´ız extracelular, parte del grupo
de col´agenos fibrilares. Este tipo de col´ageno cubre aproximadamente del 5 20% de la presencia del
37
col´ageno en la piel y es crucial para el desarrollo de la piel y de el sistema cardiovascular al mantener las
propiedades fisiol´ogicas de estos ´organos [228, 229]. En la piel y el tejido conectivo, el col´ageno tipo-III
se encuentra co-localizado con el col´ageno tipo-I, por lo que es parte del proceso de generaci´on de fibrilos
conocido como Fibrilog´enesis. Adem´as, las mutaciones en la presencia del col´ageno tipo-III se consideran
disparadores para el desarrollo de enfermedades como el S´ındrome de Ehlers–Danlos, la cu´al se caracteriza
por afectar principalmente a la piel y a los vasos sangu´ıneos [228]. A diferencia que col´ageno tipo-I, se
ha demostrado que los efectos fotomec´anicos de la cirug´ıa l´aser inducen induce a la s´ıntesis de col´ageno
tipo-III [228].
3.5. Col´ageno Tipo-IV
El Col´ageno Tipo-IV (T4C) es el principal componente de la membrana basal [230], la cu´al regula
la actividad celular, modula la distribuci´on de los tejidos y proporciona informaci´on acerca del micro-
ambiente externo a las c´elulas epiteliales. La principal contribuci´on del col´ageno tipo-IV es que act´ua
como una barrera entre los tejidos y que tiene interacci´on con las c´elulas, factores de crecimiento y con
diferentes componentes de la misma membrana basal [231]. Aunque su contribuci´on en la piel es menor en
comparaci´on con el col´ageno tipo I y III, se ha observado que el col´ageno tipo-IV tambi´en esta presente en
las gl´andulas sudoripas y los vasos sangu´ıneos, y su presencia puede ser utilizada como un biomarcador en
el proceso de cicatrizaci´on de heridas, enfermedades reum´aticas, s´ındrome de Alport y de Goodspasture y
la aparici´on de ampollas en la piel [232], as´ı como para la restauraci´on de la piel por tratamientos basados
en la luz [233, 101].
3.6. Col´ageno Tipo-V
El Col´ageno Tipo-V (T5C) es un tipo col´ageno responsable de la fibrilaci´on de los col´agenos tipo I y III,
con importante contribuci´on en la matriz ´osea, la estroma corneal y la matriz intersticial de los m´usculos,
h´ıgado, pulmones y placenta [234]. Junto con los col´agenos tipos IV y VI, el col´ageno tipo-V conforma
aproximadamente el 5% del col´ageno total en la piel humana [226]. Las deficiencias en la presencia del
col´ageno tipo-V se han correlacionado con el s´ındrome de Ehlers–Danlos. Tambi´en se ha establecido que
la altos niveles en la presencia del col´ageno tipo-V han sido observados en enfermedades como c´ancer, la
granulaci´on tisular, la inflamaci´on, la aterosclerosis y la fibrosis, en diferentes tejidos como los pulmones,
la piel, el ri˜on, tejido adiposo y tejido hep´atico [235, 236].
En la Figura 3.4 se observan el espectro Raman caracter´ıstico de la piel, as´ı como los espectros Raman
correspondientes a el col´ageno tipo-I (T1C), tipo-III (T3C), tipo-IV (T4C) y tipo-V (T5C), cuyas bandas
caracter´ısticas est´an en 895,933,1000,1076,1352,1423,1460,1661 y 1735cm1.
38
Figura 3.4: Espectro Raman de la piel y de los col´agenos tipo-I (T1C), tipo-III (T3C), tipo-IV (T4C) y
tipo-V (T5C).
3.7. Conclusiones
La espectroscop´ıa Raman es la t´ecnica central de esta investigaci´on, as´ı como sus aplicaciones m´edi-
cas. Al realizar una caracterizaci´on de la piel fue posible validar los estudios presentados en esta tesis
con trabajos previamente reportados para la detecci´on de prote´ınas en la piel. Fue de gran importancia
realizar una investigaci´on sobre las prote´ınas que est´an involucradas en el proceso de regeneraci´on de la
piel, para evaluar la efectividad que tienen las terapias basadas en la luz para erradicar enfermedades
dermatol´ogicas de forma segura y no-invasiva. Aunque se abordan otras t´ecnicas a lo largo de esta investi-
gaci´on, la espectroscop´ıa Raman es la t´ecnica utilizada como referencia y es de particular inter´es aplicarla
en diferentes ´areas de la medicina. El espectro Raman de la piel que se obtuvo de forma experimental
presenta las bandas observadas en los espectros de los col´agenos. De acuerdo a la investigaci´on previa
[9, 223], la resoluci´on del espectro Raman y su uso en aplicaciones biom´edicas depende en gran parte de
la configuraci´on del sistema de espectroscop´ıa, del procesado y del an´alisis de la se˜nal obtenida.
39
Cap´ıtulo 4
Diagn´ostico y Monitoreo ´
Optico de
Cicatrices de Acn´e bajo Cirug´ıa
aser Fraccional Ablativa CO2
4.1. Cicatrices de Acn´e
Las Cicatrices de Acn´e se consideran como una enfermedad resultante de las lesiones inflamatorias que
se presentan en la piel y que pueden manifestarse a pesar estar bajo un tratamiento m´edico para el acn´e, o
incluso pueden ser auto inducidas por el mismo paciente debido a el impacto negativo y la excesiva carga
emocional, f´ısica y psicol´ogica que estas tienen en la vida diaria de los pacientes, los cu´ales por lo general
se encuentran en la etapa adolescente [237, 238, 239, 240, 241, 242, 243].
Las cicatrices de acn´e se presentan cuando ocurre la evoluci´on de un micro-comed´on leve a una lesi´on
inflamatoria, las cu´ales con un manejo inapropiado, pueden ser disparadores para el desarrollo de infec-
ciones en la piel. Su apariencia f´ısica esta caracterizada por una notable resequedad e hinchaz´on. Otra
caracter´ıstica de las cicatrices de acn´e es que si no son tratadas oportunamente, estas permanecer´an en
la piel del paciente, d´andole una apariencia de desgaste.
Las cicatrices de acn´e se clasifican como Atr´oficas,Hipertr´oficas yKeloidales [240, 242, 244, 245],
siendo las cicatrices atr´oficas las mas comunes y que pueden ser de tres tipos: pica-hielo (ice-pick), rodante
(rolling) ´o de vag´on (boxcar) [246, 247, 248, 249, 250] (Figura 4.1).
40
Figura 4.1: Clasificaci´on de las cicatrices de acn´e de acuerdo a su morfolog´ıa [249]: (A) (Izquierda) Cicatriz
de Vag´on (Boxcar). (Centro) Cicatriz Pica-Hielo (Ice Picking). (Derecha) Cicatriz Rodante (Rolling). (B)
Presencia de las cicatrices de acn´e en la superficie facial [251, 250, 252].
4.2. Tratamientos para las Cicatrices de Acn´e
Para reducir la presencia de las cicatrices de acn´e es importante conocer el tipo de cicatriz que se
formo, as´ı como el manejo del tratamiento de la enfermedad [250]. Aunque actualmente existen diversos
tratamientos para las cicatrices de acn´e, su efectividad ha sido fuertemente cuestionada por los efectos
adversos de los medicamentos aplicados o por la reincidencia de la enfermedad, ocasionando as´ı una mayor
carga emocional negativa en los pacientes [249], por lo tanto es crucial tener un tratamiento/manejo
individualizado para cada paciente, ya que cada uno presenta cicatrices de distintas caracter´ısticas [250].
A menudo se realizan tratamientos en conjunto debido a que cada paciente puede presentar diferentes
tipos de cicatrices a la vez, as´ı como lesiones inflamatorias, resultado de la auto-medicaci´on o bien por
auto-inducci´on del paciente como resultado del enorme impacto negativo experimentan al tener este tipo
de cicatrices [250]. Los tratamientos considerados como est´andares para el tratamiento de las cicatrices
de acn´e son:
Peeling Qu´ımico [253].
Dermoabrasi´on [254].
Cirug´ıa L´aser Fraccional Ablativa y No-Ablativa [70, 255, 256, 257, 258].
Injertos [246].
Trasplantes de Grasa [259].
Agujeramiento/Microagugeramiento de la piel [260].
Subcisi´on Cut´anea [261].
Terapia de C´elulas Madre [262].
41
Terapia de Plaquetas con Alto Contenido en Plasma [263].
La mayor´ıa de los tratamientos para cicatrices de acn´e han presentado una limitada utilidad cl´ınica
debido a la supresi´on incompleta de la enfermedad, operaci´on intra-operativa deficiente, riesgo de con-
traer infecciones durante el tratamiento, fibrosis tisular, alteraci´on anormal de la pigmentaci´on, eritema
prolongada o bien reincidencia de la enfermedad [264]. Las cirug´ıas l´aser, que aunque desde hace a˜nos su
uso ya esta estandarizado, a´un presentan ciertas inc´ognitas en cuanto a sus efectos, es decir, es necesario
establecer una valoraci´on cl´ınica de la efectividad del tratamiento y de sus mecanismos, ya que los cambios
microsc´opicos en las lesiones y en las zonas cercanas son dif´ıciles de evaluar debido a las m´ultiples biopsias
requeridas, resultando en una gran alteraci´on de la zona de inter´es [265] donde podr´ıa presentarse alg´un
relapso de la enfermedad e inclusive se podr´ıa originar otra enfermedad mas seria. El mecanismo deseado
para el tratamiento de las cicatrices de acn´e es la estimulaci´on de los fibroblastos y la regeneraci´on de
col´ageno o elastina en el tejido da˜nado como resultado del acn´e [257]. Existen dos tipos de modalidades
para efectuar una cirug´ıa l´aser, las cu´ales dependen del tipo de l´aser utilizado:
Cirug
´
ıa L´
aser Ablativa: Se basa en el efecto de Ablaci´on para remover parte de un tejido por
medio de la vaporizaci´on de l´ıquidos. Entre sus aplicaciones m´edicas se encuentra el rejuvenecimien-
to cut´aneo (ASR, por sus siglas en ingl´es, Ablative Skin Remodeling), el tratamiento para cicatrices
hipert´opicas con alta efectividad debido a la vaporizaci´on de tejidos. En esta modalidad se uti-
lizan l´aseres de Di´oxido de Carbono (CO2) y de Granate de Itrio y Aluminio Dopado con Erbio
(Erg:YAG). Sus desventajas son la presencia de altos niveles de dolor durante la cirug´ıa, alto periodo
de recuperaci´on y el eritema prolongado [266].
Remodelaci´
on D´
ermica No-Ablativa (NDR, por sus siglas en ingl´
es, Non-Ablative Der-
mal Remodeling ): Es la alternativa a el rejuvenecimiento cut´aneo ablativo. En este abordaje se
busca impactar el tejido d´ermico sin da˜nar la capa de la epidermis. Su principal desventaja es la
baja efectividad para la eliminaci´on de cicatrices de acn´e [267].
Los l´aseres de CO2se caracterizan por elevar el agua a una alta temperatura debido a la alta absorci´on
de esta en el infrarrojo, donde al evaporizarse, las mol´eculas de la piel tienen un efecto exfoliante en la
piel que da lugar a la regeneraci´on de col´ageno y reforzamiento de las capas de la piel. Operan a una
longitud de onda de λ= 10.6µm la cu´al es absorbida en su totalidad por el agua. Cuando se tiene un
incide un pulso de 1ms, la profundidad de la penetraci´on del tejido vaporizado ser´a de 20 30µm por
pulso, obteniendo una reducci´on en el da˜no t´ermico de 100 150µm sobre la superficie del tejido. Una
optimizaci´on a la cirug´ıa l´aser es la llamada Fototerm´olisis, la cu´al consiste en aplicar la radiaci´on laser en
patrones de arreglos microsc´opicos (MTZ, por sus siglas en ingl´es, Micro Thermal Zones) [268, 258, 269]
(Figura 4.2).
42
Figura 4.2: (Izquierda) Cirug´ıa l´aser ablativa: Se obtiene una desmembraci´on total de la piel, removiendo
las capas de la epidermis y la dermis dando origen a el proceso de regeneraci´on de la piel. (Centro) Cirug´ıa
aser no-ablativa: La capa de la epidermis permanece intacta mientras que los efectos t´ermicos se dan en la
capa de la dermis. (Derecha) Fototerm´olisis: Las micro zonas t´ermicas garantizan una mejor recuperaci´on
epid´ermica debido a las peque˜nas cicatrices inducidas por el l´aser [268].
Las aplicaciones l´aser en la medicina est´an basadas en el principio de Fototerm´olisis Selectiva (SP, por
sus siglas en ingl´es, Selective Photothermolysis), propuesto por R. Rox Anderson y John A. Parrish. El
principio fundamental de esta t´ecnica es el confinamiento de el da˜no por radiaci´on t´ermica a objetivos
espec´ıficos a nivel celular, ultra estructural, o tisular. La fototerm´olisis depende de la absorci´on selectiva
de peque˜nos pulsos de radiaci´on para generar y confinar energ´ıa t´ermica en los tejidos objetivo. Los tejidos
cercanos a los objetivos no se ven afectados por la radiaci´on, reduciendo la fibrosis no deseada. El principal
requerimiento es que los tejidos objetivo tengan un coeficiente de absorci´on mayor que los tejidos cercanos,
a la longitud de onda del l´aser utilizado [270].
El l´aser de CO2fue propuesto te´oricamente en 1964 por C. Kumar N. Patel [271] y ese mismo a˜no
fue presentado experimentalmente en los Laboratorios Bell [272]. Fue hasta que Issac Kaplan realiz´o
numerosos estudios, cuando su uso se estandarizo en diversas ´areas de la medicina, principalmente en la
dermatolog´ıa [273, 274]. Este tipo de l´aser toma su nombre debido a que un gas compuesto de mol´eculas
de CO2es estimulado para emitir luz coherente dentro del lejano infrarrojo (9 11µm), siendo la longitud
de onda de 10.6µm la mas utilizada debido a que es la mas intensa [70, 50]. El gas utilizado como medio
activo es una mezcla de helio (60 80 %), N2yCO2en una relaci´on de 5 : 1 [70].
Los efectos del l´aser dependen de las propiedades ´opticas de los tejidos y del tiempo de exposici´on
a la radiaci´on. En aplicaciones m´edicas, el uso del l´aser de CO2esta caracterizado por el alto nivel de
43
absorci´on que presentan los tejidos a una longitud de onda de 10.6µm, debido a su alto contenido de agua.
Por lo tanto, la penetraci´on de la radiaci´on l´aser no es tan profunda y la energ´ıa absorbida resulta en
efectos de vaporizaci´on o carbonizaci´on del tejido. Si se tienen tiempos de incidencia mayores a 1ms se
producen efectos t´ermicos utilizados para procesos de coagulaci´on, mientras que si se tienen tiempos de
incidencia menores a 1ms se producen efectos at´ermicos, utilizados para procesos cosm´eticos [70].
En la medicina, el l´aser de CO2tiene aplicaciones en dentro de la cirug´ıa general y la cirug´ıa pl´astica, y
en diversas especialidades como la en dermatolog´ıa, ginecolog´ıa y otorrinolaringolog´ıa. En la dermatolog´ıa,
su uso se considera como el est´andar de oro para las cicatrices at´opicas de acn´e, el rejuvenecimiento y
restauraci´on de la piel [275, 276, 277]. A pesar de su efectividad, la cirug´ıa l´aser CO2tiene deficiencias
que cada vez mas han limitado su uso en la pr´actica m´edica ya que son inaceptables para la mayor´ıa de
los pacientes [277, 278]:
Alto tiempo de recuperaci´on de la cirug´ıa l´aser y sensaci´on de quemadura despues de la cirug´ıa.
Hinchaz´on.
Eritema prolongada.
Hiperpigmentaci´on post-inflamatoria.
Hipo-pigmentaci´on.
Cicatrices.
Edema ´e Infecciones.
Tomando en cuenta las deficiencias de la cirug´ıa l´aser CO2, en 2004 Dieter Manstein et Al. propusie-
ron una nueva modalidad dentro de la cirug´ıa l´aser ablativa al introducir el concepto de Fototerm´olisis
Fraccional (FP, por sus siglas en ingl´es, Fractional Photothermolysis), donde el haz de luz incide de forma
fraccionada sobre el tejido, es decir se crean zonas micro-t´ermicas (MTZ, por sus siglas en ingl´es, Micro
Thermal Zones) para estimular el proceso de cicatrizaci´on de las heridas ocasionadas por la radiaci´on
aser y protegiendo de esta forma los tejidos cercanos a la zona de inter´es [277, 278, 268]. Las zonas micro
ermicas pueden ser modificadas de acuerdo a las caracter´ısticas del tejido a tratar para ajustar el nivel
de tratamiento por radiaci´on l´aser. La Cirug´ıa L´aser Fraccional Ablativa CO2(AFLS CO2) combina los
efectos de ablaci´on de una cirug´ıa CO2convencional con la modalidad de la fototermolisis fraccional como
un tratamiento seguro y efectivo [278].
La Cirug´ıa L´aser Fraccional Ablativa (AFLS) es ampliamente utilizada en el campo de la medicina ya
que es capaz de reducir traumas debido a la exposici´on de radiaci´on en un corto periodo de tiempo [279]. La
Isotretinoina se ha considerado durante varias d´ecadas como el est´andar de oro, , principalmente debido
44
a sus propiedades anti-inflamatorias, para el tratamiento de acn´e n´odulo qu´ıstico o acn´e inflamatorio
que ya ha sido tratado con tratamientos previos y que ha presentado relapsos [280]. Recientemente se ha
establecido que al combinar el uso de la cirug´ıa AFLS con isotretinoina oral, es posible observar una mejora
en las zonas con presencia de cicatrices del acn´e en un corto per´ıodo de tiempo sin resurgimiento del acn´e
o efectos adversos sobre la piel resurgida [281, 282, 283, 284] por medio del incremento de la s´ıntesis de
col´ageno en la piel y por la mejora del proceso de cicatrizaci´on de la lesi´on ocasionada por la cirug´ıa l´aser.
Sin embargo, a pesar de ser considerada una optimizaci´on a la cirug´ıa l´aser convencional, la cirug´ıa l´aser
fraccional ablativa presenta importantes limitantes para garantizar su seguridad y efectividad, en especial
si se realiza en conjunto con un tratamiento de isotretinoina oral. Entre las limitantes se encuentran el
reducido n´umero de muestras utilizado en estudios reportados, falta de an´alisis cuantitativos ya que la
evaluaci´on de la eficacia depende exclusivamente de criterios basados en la experiencia del dermat´ologo
para valorar el estado de las cicatrices, y principalmente, que no existen evidencias histol´ogicas del proceso
de cicatrizaci´on de las heridas [285, 286].
4.3. Regeneraci´on de la Piel
La Regeneraci´on de la Piel tiene como objetivo restaurar a una apariencia sana la piel que ha sufri-
do da˜nos por la presencia de alguna enfermedad, tratamiento inadecuado de heridas, factores gen´eticos
hereditarios, o bien por exposici´on a la radiaci´on solar. Para llevar a cabo la regeneraci´on de la piel es
necesario emplear diferentes herramientas quir´urgicas y no quir´urgicas dependiendo del estado de la piel
bajo an´alisis. Entre las herramientas mas populares se encuentran las terapias basadas en la luz. Estas
ventajas han hecho que la demanda de terapias basadas en la luz para la regeneraci´on de la piel aumentara
exponencialmente desde hace aproximadamente 20 a˜nos, de acuerdo a la Sociedad Americana de Cirug´ıa
aser Est´etica [287]. Entre mas utilizadas para regeneraci´on de la piel se encuentran la terapia de luz
pulsada y la cirug´ıa l´aser, considerada ya un est´andar para este tipo de tratamientos.
Desde su introducci´on en 2004 por Manstein [268], la cirug´ıa l´aser fraccional ablativa (AFLS) CO2
se ha utilizado para la regeneraci´on de la piel, debido a su alta efectividad y r´apida cicatrizaci´on de
heridas. Basada en el principio de fototerm´olisis, la AFLS se utiliza para el tratamiento de cicatrices de
acn´e, debido a la regeneraci´on de col´ageno, elastina y proteoglicanos [288, 289]. En estudios recientes se
ha profundizado sobre el uso de la AFLS combinada con otros tratamientos con el fin de aumentar la
eficacia del tratamiento, prevenir efectos adversos y reincidencias del acn´e, as´ı como infecciones debido a la
prolongaci´on de las eritema o edemas inducidas por el l´aser. Entre los tratamientos estudiados se encuentra
la isotretinoina oral [290, 38], gluco-corticoides, c´elulas STEM, plaquetas ricas en plasma, terapia con luz
pulsada, radiaci´on por radiofrecuencia o incisiones subcut´aneas [291]. En la Figura 4.3 se observa una
biopsia de la piel bajo una cirug´ıa l´aser como tratamiento para cicatrices de acn´e. En dicha figura se
45
puede apreciar la regeneraci´on inducida por los efectos de la AFLS, haciendo ´enfasis en la regeneraci´on y
remodelizaci´on de col´agenos, las cu´ales se observan en un periodo de un mes despu´es de haberse realizado
la cirug´ıa l´aser. Dicho estudio fue realizado por Walia y Alster [292] con el objetivo de estimar los efectos
cl´ınicos e histol´ogicos de la cirug´ıa l´aser ablativa como tratamiento de cicatrices de acn´e.
Figura 4.3: Biopsia donde se muestra el proceso de la regeneraci´on de la piel inducida por los efectos de
la AFLS como tratamiento para cicatrices de acn´e [292]. (A) Biopsia de la piel antes de ser sometida a
una AFLS, se puede observar la presencia de una cicatriz de acn´e. (B) Biopsia obtenida durante la cirug´ıa
aser, los efectos de la ablaci´on se pueden observar en la epidermis (C) Biopsia tomada 6 meses despu´es
de la cirug´ıa l´aser, en donde se observa la regeneraci´on de col´ageno. (D) Finalmente, despu´es de 12 meses,
la remodelizaci´on de col´ageno se observa.
A diferencia del estudio presentado por Walia y Alster, en esta tesis se planteo como objetivo estudiar
de forma objetiva la regeneraci´on de col´ageno en la piel despu´es de haber sido sometida a una cirug´ıa
aser, de forma no-invasiva, es decir, sin necesidad de emplear a la biopsia como est´andar en el diagn´ostico.
Los resultados se pudieron realizar de forma cuantitativa utilizando t´ecnicas de aprendizaje autom´atico
para estimar de forma objetiva la regeneraci´on de la piel y diferentes procesos relacionados a ella. La
regeneraci´on de col´ageno es de principal inter´es, por lo tanto no fue necesario realizar mas mediciones de
seguimiento, que es donde la remodelizaci´on de los col´agenos se puede observar.
46
4.4. Monitoreo de los Incrementos de Temperatura Inducidos
por la Cirug´ıa L´aser Fraccional Ablativa utilizando Image-
nolog´ıa por Termograf´ıa Infrarroja Digital
Actualmente se ha estandarizado el uso de la cirug´ıa l´aser fraccional ablativa (AFLS) como tratamiento
para enfermedades de la piel, como las cicatrices de acn´e. Adem´as, al combinarse con otros tratamientos,
es posible observar una mayor efectividad en la supresi´on de la enfermedad al utilizar otros tratamientos o
terapias complementarias. Como se estableci´o en las secciones 1.2.1 y 4.2, entre las principales aplicaciones
de la AFLS est´an la regeneraci´on y el rejuvenecimiento de la piel, por medio de la producci´on estimulada
y remodelaci´on de col´agenos, elastina y otras prote´ınas relacionadas a trav´es de los mecanismos de la
fototermolisis [270, 72, 293, 294, 295]. A pesar de contar con estas ventajas, aun existen m´ultiples contro-
versias en el uso de la AFLS, principalmente referentes al estudio individualizado de cada paciente, por
lo tanto es necesario estudiar los efectos inducidos por las interacciones de la luz y el tejido biol´ogico de
forma individualizada y no-invasiva [286]. De esta forma las herramientas de la ´optica biom´edica pueden
utilizarse para cubrir estos requerimientos, principalmente utilizando t´ecnicas de espectroscop´ıa e ima-
genolog´ıa. Con el objetivo de monitorear y valorar los efectos inducidos por las interacciones luz/tejido
en una aplicaci´on m´edica, se dise˜no un estudio cl´ınico utilizando una cirug´ıa AFLS como tratamiento
para cicatrices de acn´e con la espectroscop´ıa Raman (RS) para monitorear la presencia y regeneraci´on
de las prote´ınas clave para la regeneraci´on de la piel (en particular los col´agenos tipo I , II I, IV yV), la
espectroscop´ıa de reflectancia difusa (DRS) para la evaluaci´on de la pigmentaci´on y el eritema inducido
por la AFLS, y finalmente la imagenolog´ıa por termograf´ıa infrarroja digital (DITI), para estudiar los
patrones t´ermicos e incrementos en temperatura sobre la piel del paciente al ser tratada con la AFLS.
En el estudio cl´ınico propuesto, nueve pacientes con cicatrices de acn´e se sometieron a una AFLS
despu´es de terminar un tratamiento de isotretinoina oral a dosis terap´euticas. La selecci´on de los pacientes
se llevo a cabo siguiendo un criterio de exclusi´on el cu´al indicaba tendencia keloidal, presencia activa de
acn´e, embarazo e inmunosupresi´on [101, 223]. La AFLS se llev´o a cabo utilizando un sistema Lutronic
eCO2con una longitud de onda de 10.6µm, energ´ıa por pulso de 120 140mJ/M T Z, densidad de 100
125spots/cm2y una potencia ´optica de 25 30mW por paciente (Figura 4.4). Todos los pacientes fueron
informados acerca del estudio cl´ınico propuesto y firmaron un informe de aceptaci´on para participar en
dicho estudio. Al finalizar la cirug´ıa l´aser fraccional ablativa, se requiri´o que los pacientes siguieran las
indicaciones establecidas por el personal dermatol´ogico, con el objetivo de poder realizar el seguimiento y
la valoraci´on de forma adecuada.
47
Figura 4.4: Sistema l´aser Lutronic eCO2utilizado para la AFLS. El l´aser fue irradiado sobre la piel de los
pacientes con un patr´on de forma rectangular.
Previo al an´alisis espectrosc´opico de la regeneraci´on de la piel, se realizaron mediciones de termograf´ıa
infrarroja (DITI) en un solo paciente durante la sesi´on de la AFLS con el objetivo de monitorear los incre-
mentos en la temperatura directamente en la piel cada paciente, con esto fue posible obtener informaci´on
valiosa acerca de la regeneraci´on de las prote´ınas de inter´es que se discutir´a en secciones posteriores. Es de
vital importancia mencionar que para realizar las mediciones DITI es necesario utilizar protecci´on ocular
y en el equipo DITI debido a la alta energ´ıa generada en cada colisi´on del l´aser con la piel. Por medida de
precauci´on es crucial contar con la gu´ıa de personal experimentado tanto en el ´area dermatol´ogica como
en el ´area ´optica-electr´onica.
Como primer resultado se observ´o que la presencia de las cicatrices de acn´e disminuyo de forma
apreciable y sin efectos adversos de la AFLS ni relapsos de la enfermedad. Previamente a la AFLS, las
cicatrices presentaban una distribuci´on uniforme en la zona facial de los pacientes (Figura 4.5.A). Al
finalizar la cirug´ıa se realiz´o una sesi´on para la valoraci´on del tratamiento un mes despu´es de la AFLS,
observ´andose una clara reducci´on en la presencia de las cicatrices de acn´e (Figura 4.5.B).
48
Figura 4.5: Paciente con cicatrices de acn´e antes (A) y despu´es (B) de la AFLS. No se observaron efectos
adversos ni reincidencias de las cicatrices de acn´e en ning´un paciente.
Las mediciones DITI se realizaron utilizando un sistema de imagenolog´ıa, mejor conocido como c´amara
infrarroja, modelo FLIR T600 con una resoluci´on de 320x249 micro bol´ometros sin enfriamiento, sensibi-
lidad t´ermica de 0.005°C, rango de temperaturas de 120 1200°C, rango espectral de 7.513µm y una
configuraci´on de emisividad de 0.98 (Figura 4.6). Las mediciones se realizaron siempre guardando una
alta precauci´on para el personal t´ecnico, el equipo de medici´on y sobre todo, de los pacientes, siempre con
la gu´ıa de personal experimentado.
Figura 4.6: C´amara infrarroja FLIR T600.
49
Antes de realizar la AFLS se utiliz´o una soluci´on salina para remover la suciedad ambiental de los
pacientes. La primera sesi´on de mediciones ´opticas se realiz´o 10 minutos antes de iniciar la AFLS. Las
zonas de inter´es fueron las superficies faciales donde se encontraba la mayor distribuci´on de cicatrices de
acn´e, en todos los pacientes se observ´o una mayor concentraci´on en las zonas de las mejillas, siendo estas
zonas donde se utiliz´o una mayor potencia ´optica y energ´ıa. En menor medida, se observ´o una presencia
de la enfermedad en zonas como la frente y la barbilla (Figura 4.7). Adem´as, es posible observar un patr´on
homog´eneo en la temperatura facial, el cu´al se abordara mas adelante.
Figura 4.7: Termogramas de las superficies de la mejilla derecha (A), frente y barbilla (B) y mejilla
izquierda (C) antes de la AFLS (PS).
Durante la cirug´ıa los termogramas se tomaron manteniendo el enfoque del equipo protegido de los
efectos de la radiaci´on desprendida por el l´aser, resultando en incrementos de temperatura en las zonas
incididas por el l´aser. Previo a la AFLS, los pacientes fueron colocados en un espacio dise˜nado para
realizar terap´ıas dermatol´ogicas donde se les dio instrucciones de permanecer con los ojos cubiertos y en
estado de relajaci´on con el fin de mantener la temperatura observada durante la medici´on PS (Figura
4.8.A). Eventualmente se incidi´o el l´aser en las zonas con presencia de acn´e realizando variaciones en la
potencia dependiendo de la severidad de la lesi´on. Fue en esta etapa donde se observ´o un incremento
considerable en la temperatura de la superficie facial como efecto del l´aser y por la reacci´on instant´anea
de los pacientes (Figura 4.8.B). De todas las mediciones presentadas en esta tesis, esta fue la que supuso
un mayor riesgo, no solo para el paciente, sino para la c´amara termogr´afica y sobre todo para el operario.
Finalmente, se realiz´o una ´ultima medici´on final 10 minutos despu´es de finalizar la AFLS, donde se
observ´o un decremento en la temperatura de los pacientes, con el objetivo de descartar los incrementos
que pudieran haber sido ocasionados por la reacci´on nerviosa del paciente al ser sometido a una AFLS
(Figura 4.8.C). Al finalizar la sesi´on todos los pacientes recibieron instrucciones de guardar reposo, evitar
la exposici´on al sol y evitar el uso de irritantes para la piel como fragancias, maquillaje, etc. durante una
semana, tras la cu´al se realizar´ıa una medici´on de seguimiento la cual se utiliz´o como herramienta para
la valoraci´on dermatol´ogica.
50
Figura 4.8: Termogramas adquiridos durante la AFLS. Superficie facial antes (A), durante (B) y despu´es
(C) de la AFLS.
Una semana y media despu´es se realiz´o un seguimiento a los pacientes, los cuales mostraron un patr´on
ermico similar al observado en la medici´on previa a la AFLS. Aunque transcurri´o un lapso considerable
de tiempo, considerado como el indicado para observar la regeneraci´on de la piel, aun fue posible observar
la presencia de las cicatrices de acn´e en las zonas mas afectadas y adem´as se observ´o la presencia de un
eritema en las zonas que fueron irradiadas con el l´aser, principalmente por la potencia ´optica variable
que fue aplicada en cada zona. En la zona de las mejillas se observ´o la mayor presencia de las cicatrices
de acn´e, por lo tanto se realiz´o un ´enfasis en el an´alisis de dichas zonas (Figuras 4.9.A y 4.9.B). En
cuanto a las zonas de la frente y de la barbilla, donde la presencia de las cicatrices de acn´e fue menor, la
incidencia del l´aser fue menor, resultando en una total supresi´on de la enfermedad observada durante el
primer seguimiento, adem´as de observarse un decremento de temperatura menos pronunciado a diferencia
de la zona de las mejillas (Figuras 4.9.C). Posteriormente a este seguimiento, los pacientes recibieron
indicaciones para poder realizar sus actividades cotidianas utilizando sustancias humectantes para la piel,
pero a´un evitando la exposici´on al sol y el uso de sustancias irritantes para la piel. Mas adelante se
discutir´a acerca de la viabilidad de esta medici´on a partir del an´alisis de patrones t´ermicos en cada una
de las zonas analizadas.
Figura 4.9: Termogramas adquiridos durante el seguimiento a la AFLS, donde se puede observar un patr´on
ermico mas bajo en el paciente en las zonas de la mejilla derecha (A), mejilla izquierda (B) y frente y
barbilla (C).
51
Para concluir el estudio propuesto de DITI como herramienta auxiliar en la valoraci´on de la AFLS
para cicatrices de acn´e, se realiz´o una ´ultima medici´on un mes despu´es de la AFLS. A diferencia de la
medici´on anterior (FU), durante el segundo seguimiento (FU2) se observ´o una erradicaci´on total de la
presencia de cicatrices de acn´e en las zonas de inter´es. Las temperaturas observadas mostraron un patr´on
ligeramente mayor que el observado durante la medici´on de la pre-cirug´ıa (PS) pero menor que el del
primer seguimiento (FU). En la Figura 4.10.A se muestra la temperatura promedio de la mejilla derecha
para esta medici´on. Es en esta mejilla donde la presencia de las cicatrices de acn´e fue aun mas intensa, por
lo tanto la potencia ´optica aplicada fue mayor y el tiempo de recuperaci´on tendr´ıa que ser mayor, aunque
todos los pacientes mostraron una notable mejora como se puede apreciar en la Figura 4.5. Por otro lado,
en la mejilla izquierda se aprecia una temperatura promedio mas baja que la temperatura promedio de la
mejilla derecha (Figura 4.10.B). Para las zonas de la frente y de la barbilla no se observ´o alg´un cambio
significativo con respecto al primer seguimiento (Figura 4.10.C), por lo tanto se consider´o descartar la
medici´on del primer seguimiento para los subsecuentes estudios.
Figura 4.10: Termogramas adquiridos durante el seguimiento a la AFLS en las zonas de la mejilla derecha
(A), mejilla izquierda (B) y frente y barbilla (C).
Al recopilar las temperaturas promedio observadas en cada etapa del experimento, se observ´o el in-
cremento de temperatura buscado en la medici´on S. Durante las mediciones del seguimiento a la AFLS
se observaron patrones similares en ambas mediciones (Tabla 4.1). A pesar de considerarse como medi-
ci´on de control, durante la medici´on PS se observo la mayor variabilidad entre las zonas faciales. Dichas
variaciones en la temperatura promedio se observan en la Figura 4.11.
Tabla 4.1: Temperaturas (Scores T´ermicos) por zona en cada una de las mediciones.
Zona Pre-Cirug
´
ıa Cirug
´
ıa Follow-Up Follow-Up2
Barbilla 34.1°34.1°33.0°32.9°
Frente 34.3°33.1°33.3°33.4°
Mejilla Derecha 31.7°34.9°32.7°32.6°
Mejilla Izquierda 32.5°34.8°32.9°32.0°
52
Figura 4.11: Comparaci´on de los patrones t´ermicos faciales de los pacientes antes (PS), durante (S), una
semana y media (FU) y un mes despu´es (FU2) de la AFLS.
En la Figura 4.11 se observa una alta variaci´on durante la medici´on PS debido a que la presencia
de las cicatrices de acn´e era variable en cada zona. Durante la medici´on S se observ´o el incremento de
temperatura buscado, el cu´al se abordara mas adelante. Para la medici´on FU la variaci´on de los scores
ermicos se redujo de forma considerable debido a el proceso de regeneraci´on de la piel inducido por
la fototermolisis. Finalmente durante la medici´on FU2 se volvi´o a observar una variaci´on en los scores
ermicos, indicando as´ı que la distribuci´on t´ermica se hab´ıa estabilizado, mostrando temperaturas variables
en cada zona analizada. En el Cap´ıtulo 5 se abordara mas a detalle este resultado con un estudio similar
(Secci´on5.4). De acuerdo a los scores t´ermicos obtenidos, los incrementos en la temperatura se observan
principalmente en ambas mejillas ya que fue en esa zona donde se encontraba una mayor presencia de las
cicatrices de acn´e, por lo tanto, la potencia ´optica y la energ´ıa aplicada fueron mayores en comparaci´on
con la barbilla y la frente, donde fueron m´ınimas debido a la casi nula presencia de cicatrices de acn´e.
Adem´as en estas zonas la variaci´on de temperatura fue pr´acticamente nula, por lo tanto es conveniente
descartarlas para los siguientes estudios.
El patr´on t´ermico facial ha sido utilizado como referencia en el uso de la DITI como herramienta
53
no-invasiva para el diagn´ostico de enfermedades [199, 296, 297]. En el experimento realizado se observa un
incremento de aproximadamente 3°Cen la zona de las mejillas, que es donde se observo una regeneraci´on
de la piel mas pronunciada, en secciones posteriores se presentaran los an´alisis de estas zonas utilizando
ecnicas espectrosc´opicas.
4.5. Valoraci´on de la Piel Regenerada por medio de Espectros-
cop´ıa Raman In Vivo
Con el objetivo de realizar un an´alisis mas profundo y exacto acerca del estado y la composici´on de la
piel regenerada, se requiri´o de un estudio basado en las interacciones luz/tejido. La espectroscop´ıa Raman
(RS), es una t´ecnica utilizada para obtener informaci´on molecular de la muestra bajo an´alisis, basada
en el efecto de esparcimiento de la luz. Debido a su naturaleza no-invasiva, la RS ha sido ampliamente
utilizada como herramienta m´edica para diagn´ostico no-invasivo de enfermedades de la piel, monitoreo
de la hidrataci´on de la piel y valoraci´on de tejidos cancer´ıgenos [38], as´ı como para la caracterizaci´on
de materiales, la detecci´on de sustancias il´ıcictas [223]. Diferentes t´ecnicas de machine learning se han
utilizado para el an´alisis de datos espectrosc´opicos, principalmente para la reducci´on, la clasificaci´on, la
discriminaci´on y la correlaci´on que existen entre los datos. Estas herramientas se aplican de diferentes
formas: como Aprendizaje Supervisado donde se tiene conocimiento a priori de los datos, como Aprendizaje
No-Supervisado donde no se tiene ninguna informaci´on previa acerca de los datos o de los resultados
esperados, ´o como Aprendizaje Reforzado donde se busca optimizar un an´alisis previo. Partiendo de los
resultados del an´alisis DITI del patr´on t´ermico inducido por la AFLS para pacientes con cicatrices de
acn´e, en este estudio 9 pacientes con cicatrices de acn´e se sometieron a una AFLS siguiendo un criterio
de exclusi´on y una configuraci´on del sistema l´aser, como se planteo en la secci´on 4.4.
Las mediciones del esparcimiento Raman se realizaron de forma in vivo sobre la superficie de las mejillas
de cada paciente antes de ser irradiadas con el l´aser de CO2a una temperatura ambiente utilizando un
sistema Raman port´atil modelo Ocean Optics IDRaman Mini con una longitud de onda de 785nm, rango
espectral de 850 1800cm1, rango de longitudes de onda de 810 957nm, resoluci´on espectral de
8cm1, potencia ´optica de 100mW (50mW sobre la muestra) y una relaci´on se˜nal a ruido (SNR) de
1000 : 1 (Figura 4.12). La fuente de luz del equipo Raman es un diodo l´aser clase B con una irradiancia
cuyos par´ametros cumplen los requerimientos establecidos bajo el est´andar ANSI Z136.1 para uso in-vivo.
Previamente, se analizo la viabilidad del uso de este dispositivo port´atil para aplicaciones m´edicas en
comparaci´on con otros equipos [9, 223].
54
Figura 4.12: Sistema Port´atil Ocean Optics IDRaman Mini.
Al finalizar el experimento, es decir durante la valoraci´on del tratamiento, se volvieron a tomar es-
pectros Raman en las mismas zonas que fueron irradiadas con el l´aser, de esta forma se obtuvieron dos
clases de interes: espectros de los pacientes antes (PS) y despu´es (FU) de la AFLS. El lapso de tiempo
entre las mediciones fue de un mes, de esta forma se busca observar la regeneraci´on de la piel con RS.
Para el procesamiento de datos espectrosc´opicos se utiliz´o una etapa para remover la fluorescencia uti-
lizando el algoritmo Vancouver [219], una etapa de filtrado utilizando un filtro digital Savitzky-Golay,
una etapa de normalizaci´on utilizando el ´area bajo la curva de los espectros y una etapa de truncaci´on
para reducir la variabilidad de las mediciones debido a los artefactos de movimiento de los pacientes y el
personal encargado de tomar las muestras, as´ı como la interferencia de rayos c´osmicos. Para las etapas de
pre-procesado, procesado y an´alisis de datos se utilizaron las herramientas MATLAB 2018b yMATLAB
Online, ambas propiedad de The MathWorks Inc. El conjunto de datos (dataset) obtenido consisti´o de
36 espectros Raman, el cu´al se dividio en 18 espectros antes de la AFLS (PS), correspondientes a ambas
mejillas para cada uno de los 9 pacientes, y 18 espectros in vivo de igual forma correspondientes a ambas
mejillas de cada uno de los pacientes al finalizar el experimento, es decir, un mes despu´es de la AFLS
(FU). En la Figura 4.13 se observa la media de los espectros para ambas etapas del experimento, donde
es notable una clara diferencia entre ciertas bandas.
55
Figura 4.13: Espectros Raman in vivo de los pacientes antes (PS) y despu´es (FU) de la AFLS. Se muestra
tambi´en, la ubicaci´on aproximada de las bandas relacionadas a los espectros de los col´agenos, presentadas
en el Cap´ıtulo 3.
Al realizar un test de Wilcoxon entre los espectros con cicatrices de acn´e y los espectros despu´es de
la AFLS se obtuvo un valor p= 0.0015, indicando que existe una diferencia estad´ısticamente significativa
entre los espectros. De acuerdo a lo establecido en la Tabla 3.1 de la Secci´on 3, se tiene una referencia de los
componentes del espectro Raman de la piel, el cu´al se observa en la Figura 3.3. Este espectro fue adquirido
utilizando el mismo equipo Raman, en zonas sin presencia de las cicatrices de acn´e en los 9 pacientes bajo
an´alisis. Al analizar de forma cualitativa los espectros Raman de los pacientes del experimento con el
espectro de referencia de la piel es posible apreciar cierta similitud entre ellos, resaltando diferencias en
intensidades en las bandas correspondientes al col´ageno: 940,1003,1248,1269,1454 y 1665cm1.
Para otras aplicaciones, como la caracterizaci´on de materiales in situ o la detecci´on de sustancias in
vitro, es com´un contar con un an´alisis cualitativo de espectros Raman y en estudios mas recientes, utilizar
nanoestructuras para amplificar la se˜nal Raman del material y de esta forma encontrar la composici´on
molecular de dicho material. Al tratarse de mediciones in vivo, es necesario emplear t´ecnicas de machine
learning para cuantificar los espectros y de esta forma realizar un an´alisis mas preciso.
56
En las Secciones 3 y 4.3 se definieron las prote´ınas de inter´es que juegan un papel importante en el
proceso de regeneraci´on de la piel inducido por una AFLS, adem´as se propuso el uso de t´ecnicas no-
invasivas de la ´optica biom´edica para valorar los mecanismos de la regeneraci´on de la piel. Las prote´ınas
propuestas como referencias para el an´alisis Raman son los col´agenos tipo I, III, IV y V, los cuales fueron
medidos de forma in vitro utilizando muestras adquiridas de los laboratorios Sigma-Aldrich. En la Figura
4.14 se observa el espectro Raman de la zona de control y los espectros in vitro de los col´agenos con sus
respectivas bandas caracter´ısticas.
Figura 4.14: Espectro Raman de la piel antes (PS) y despu´es (FU) de la AFLS y de los col´agenos tipo-I
(T1C), tipo-III (T3C), tipo-IV (T4C) y tipo-V (T5C).
Como primera aproximaci´on se realiz´o un an´alisis estad´ıstico utilizando las bandas observadas en los
col´agenos en los espectros de la pre-cirug´ıa (PS) y el seguimiento (FU), conocido como An´alisis de Perfil
de Bandas (BPA por sus siglas en ingl´es Band Profile Analysis). Dicha aproximaci´on consiste en tomar
los valores de las intensidades y realizar un test de Wilcoxon entre ambas mediciones, de tal forma que se
busca probar la hip´otesis nula de que ambas intensidades provienen de espectros de la misma clase contra
la hip´otesis alterna de que no provienen de la misma clase. En la Figura 4.15 se observan los boxplots de
57
las intensidades observadas. Solo la banda ubicada en 1460cm1mostr´o una diferencia est´adisticamente
significativa con un valor p= 0.0483. Dicha banda fue observada en los espectros de los col´agenos tipo
I y V, y corresponde a al enlace δ(CH). En la Figura 4.13 se observa que dicha banda presenta una
mayor intensidad en la medici´on FU, por lo tanto se puede considerar como el primer biomarcador de
inter´es, pero debido a la relativamente peque˜no tama˜no de la muestra, y al hecho de que no se observaron
diferencias estad´ısticamente significativas en las demas bandas, el BPA no puede considerarse como una
herramienta viable para estudiar la regeneraci´on de la piel de forma in vivo.
Figura 4.15: An´alisis de las bandas observadas en los espectros Raman de la piel antes (PS) y despu´es
(FU) de la AFLS.
Como segunda aproximaci´on, se realiz´o un An´alisis de Correlaci´on Lineal (LCA, por sus siglas en
ingl´es, Linear Correlation Analysis) entre los espectros de los col´agenos in vitro y los espectros de los
pacientes in vivo. Esta aproximaci´on fue empleada anteriormente por Gonz´alez et Al. 2011 para la detec-
ci´on de filagrina en pacientes con dermatitis at´opica [93], permitiendo as´ı la posibilidad de cuantificar la
presencia de alguna prote´ına de inter´es de forma no-invasiva, individualizada, sin la necesidad de contar
con una gran cantidad de datos.
58
Tambi´en conocida como Correlaci´on Coseno, el LCA es una m´etrica para establecer la similaritud
entre dos muestras de diferentes patrones. Considerando un espectro como un arreglo de kelementos,
donde krepresenta el n´umero de corrimientos Raman al cu´al fue adquirido dicho espectro, es posible
determinar la similaritud que existe entre el espectro analizado y un espectro de referencia siguiendo la
Eq. 4.1 [94]:
Cj,patient =RSj(k)Spatient(k)dK
qR[Sj(k)]2qR[Spatient(k)]2
(4.1)
Donde Sjcorresponde a el espectro de referencia, Spatient indica el espectro de los pacientes. En este
estudio, los espectros de referencia corresponden a los espectros de los col´agenos, el NMF, la elastina y
la melanina y posteriormente se consideran los loadings del an´alisis de componentes principales (PCA).
Al ser considerados dos vectores, la similitud puede ser cuantificada por medio del coseno del ´angulo que
hay entre ellos, de esta forma se obtiene la distancia y la direcci´on que existe entre ellos. Esta t´ecnica es
com´un dentro de la ciencia y miner´ıa de datos y recientemente se ha empleado en el ´area de la ´optica
biom´edica, en particular con datos espectrosc´opicos [93, 94, 298, 299, 300, 301, 302, 303, 304, 305, 306].
El LCA se lleva a cabo directamente sobre el conjunto de datos y el espectro de referencia obteniendo
as´ı la contribuci´on de la prote