Simulación del esparcimiento de partículas usadas en la fabricación de imitadores del melanoma cutáneo

Un estudio del cáncer de piel en Nuevo León, realizado por Alfaro et al. [1] confirmó que el comportamiento de esta lesión es similar al del resto del país y del mundo, siendo el carcinoma baso celular el más frecuente con un 65%, seguido del carcinoma espino celular y el melanoma con un 23% y 6,5%, respectivamente. Aunque el melanoma maligno ocupa el menor porcentaje de todas las neoplasias de la piel, él es el responsable del 80% de las muertes por cáncer cutáneo.

Hasta la fecha el diagnóstico del melanoma es un reto para el médico especialista lo cual ha dado lugar al desarrollo de nuevas técnicas ópticas para su detección [2-3]. Con el fin de investigar el desempeño de estos métodos ópticos para discriminar el melanoma de los lunares comunes, diversos autores han fabricado y caracterizado imitadores de los tejidos humanos (phantoms en inglés) [4] los cuales son un tema activo de investigación en el campo de la óptica biomédica, y en particular, dentro del cuerpo académico de Computación Óptica y Sistema de Visión de la UPT.

Nuestro grupo de investigación ha presentado un proyecto PROMEP (en espera de su aprobación) para fabricar, y caracterizar phantoms que imiten al melanoma cutáneo tanto a nivel microscópico como macroscópico con los datos estructurales, ópticos y espectrales disponibles del mismo. Entre las características ópticas a simular se encuentra el esparcimiento. Por tal motivo, comenzamos nuestro proyecto realizando las simulaciones de las propiedades ópticas del esparcimiento de partículas usadas para imitar al tejido humano tales como: las microesferas de polímeros y la melanina, empleando la Teoría de Mie [5].

Los algoritmos para realizar las simulaciones de estas propiedades de esparcimiento fueron integrados en el ambiente de programación MATLAB®; y se realizaron tomando datos de los trabajos de Pogue et. al [6] y Bashkatov et. al [7], respectivamente (ver Tabla 1). Los cálculos se realizaron en función de la longitud de onda λ con un incremento de 10 nm y variando el diámetro de cada partícula como se indica: 50, 200, 400, 600, 800 y 1000 nm para las de microesferas; y de 30, 127, 160 y 400 nm para partículas de melanina (reportados como tamaños fisiológicos de la melanina en la epidermis [7].)

Tabla 1: Parámetros ópticos usados en nuestras simulaciones [6-7], al emplear la Teoría de Mie para realizar los cálculos de las propiedades de esparcimiento: σs, g y σs’.

Los cálculos fueron realizados para los dos tipos de partículas consideradas inmersas en un medio acuoso. Éstos se repitieron para las partículas de melanina inmersas en un medio con un índice de refracción como el de la resina de poliuretano (n=1.50) que como sabemos constituye un medio sólido. Los resultados mostraron que la forma espectral para σs, g y σs’, para los 4 diámetros es prácticamente la misma que para la partícula inmersa en agua,  salvo que sus valores son menores en el caso de  σs y σs’. 

Conclusiones: En este trabajo se implementó un programa en el lenguaje de programación MATLAB® que nos permite realizar el cálculo y el graficado de los parámetros ópticos de una partícula esférica inmersa en un medio de índice de refracción conocido mediante el uso de la teoría de Mie. El programa ha sido especificado para calcular y graficar espectralmente: 1) la sección transversal de esparcimiento, 2) el factor de anisotropía y 3) la sección transversal de esparcimiento reducida. Fue investigada la dependencia de los parámetros ópticos anteriores con el diámetro de la partícula esférica encontrando que existen variaciones significativas de éstos con el diámetro de la partícula. Una limitación del estudio realizado es que no se ha considerado la variación espectral del índice de refracción de la partícula y del medio en los cálculos realizados.

Referencias

[1] Alfaro A, Castrejón L, Rodríguez-Ortiz M. “Cáncer de piel. Estudio epidemiológico a 10 años en derechohabientes del ISSSTE en Nuevo León”. Dermatol. Rev. Mex. 54(6), 321:325, 2010.

[2] Dan Gareau, Ricky Hennessy, Eric Wan, Giovanni Pellacani, Steven L. Jacques “Automated detection of malignant features in confocal microscopy on superficial spreading melanoma versus nevi”. Journal of Biomedical Optics, 15(6), 061713-1: 061713-10, 2010.

[3] Ilze Diebele, Ilona Kuzmina, Alexey Lihachev, Janis Kapostinsh, Alexander Derjabo,Lauma Valeine, and Janis Spigulis, “Clinical evaluation of melanomas and common nevi by spectral imaging”. Biomedical Optics Express 39(3), 467-472, 2012. 

[4] Timothy J. Muldoon, Sean A. Burgess, Brenda R. Chen, Désirée Ratner, and Elizabeth M. C. Hillman, “Analysis of skin lesions using laminar optical tomography”. 3(7), BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, 1701:1712, 2012.

[5] Lihong V. Wang and Hsin-I Wu. Biomedical Optics. Principles and Imaging. Wiley-Interscience 2007.

[6] Brian W. Pogue and Michael S. Patterson. “Review of Tissue Simulating Phantoms for Optical Spectroscopy, Imaging and Dosime.

Dra. Margarita Cunill Rodríguez

margarita.cunill@upt.edu.mx