La fotónica y la optoelectrónica han modificado radicalmente las mediciones médicas y las oportunidades para los diseñadores

Seguramente usted está familiarizado con la unidad ampliamente utilizada que se coloca en el dedo para medir el nivel de oxígeno en la sangre del paciente (SpO₂), oficialmente conocida como saturación de oxígeno capilar periférica.¹ Esta técnica óptica, que fue ampliamente adoptada a partir de la década de los ochenta, transformando totalmente la medición de SpO₂ de un proceso prolongado, arriesgado, y no en tiempo real de extracción de sangre, a una medición no invasiva, trivial, en tiempo real.

Por supuesto, desarrollar este dispositivo no fue ni rápido ni fácil. Tomó décadas de investigación y experimentación, con recopilación de datos sobre características ópticas y de oxígeno en la sangre, y el desarrollo de algoritmos. Este esfuerzo fue concurrente con el desarrollo de los ledes para diferentes longitudes de onda con un rendimiento consistente, así como complementos fototransistores.

La prueba óptica de SpO₂ está ahora tan ampliamente entendida que los vendedores de CI ofrecen CI fáciles de usar y kits de evaluación para quienes deseen desarrollar sus propios medidores, tales como el oxímetro y monitor de ritmo cardíaco MAX30102 altamente integrado de Maxim Integrated. Este incluye un front-end analógico completo, funciones de administración y E/S que reciben el soporte del kit de evaluación MAX30102ACCEVKIT de Maxim Integrated.

Figura 1: El MAX30102 de Maxim Integrated ofrece una sola solución de CI altamente integrada para el accionamiento de los ledes de un unidad de SpO2, así como la digitalización de su salida de fototransistor y proporciona un puerto de E/S digital. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Aunque este es sin duda el más extendido ejemplo de cómo la combinación de la óptica y la electrónica está transformando las pruebas médicas para uso personal y en el laboratorio, hay muchos más. Gran parte de este trabajo está aún en fase experimental o en la larga etapa de calificación que requieren los productos médicos, pero estos desarrollos son fascinantes y vale la pena seguirlos con interés.

Los que son más fáciles de comprender, como el medidor de SpO₂ utilizan ledes o diodos láser, generalmente en conjunción con fototransistores. Por ejemplo, un equipo de investigación de la Universidad del Estado de Michigan está desarrollando un dispositivo para uso en el dedo que utiliza un sensor óptico en la parte superior de un sensor de fuerza que informa también las lecturas de la presión sanguínea en forma continua.²

Si bien la obtención de las lecturas de la presión arterial con métodos tradicionales como el esfigmomanómetro en el brazo todavía son métodos bastante rápidos, no invasivos, y libres de todo riesgo, resultan incómodos para lecturas frecuentes o una discreta vigilancia de este importante signo vital.

Figura 2: Mediante la combinación de una fuente de luz azul con un microscopio de campo amplio y la cámara de video (a la derecha), un sistema experimental de MIT proporciona el conteo automatizado de glóbulos blancos basado en la punta del dedo. (Fuente de la imagen: MIT)

No todos los dispositivos médicos optoelectrónicos dependen únicamente de diodo láser/LED de las fuentes de luz más uno o más sensores ópticos; también las cámaras de video y el análisis de imágenes son herramientas poderosas. Un equipo de investigación en el MIT está trabajando en un sistema no invasivo, fácil de usar, casi instantáneo para evaluar el recuento de glóbulos blancos en pacientes sometidos a quimioterapia.³ Su sistema utiliza un microscopio de campo amplio combinado con una fuente de luz azul; esta luz penetra unas 50 a 150 micras por debajo de la piel y se refleja de vuelta a una cámara de video conectada al microscopio (Figura 2). El dispositivo se coloca en la base de la uña donde los capilares están muy cercanos a la superficie de la piel y son tan estrechos que los glóbulos blancos deben pasar en fila única, haciéndolos más fáciles de contar.

El sistema del MIT es una aplicación básica de electrónica y óptica, pero también hay mucha actividad en sistemas fotónicos que utilizan la electrónica de control y recopilación de datos, en apoyo de la fotónica avanzada. Muchos de los diseños explotan técnicas avanzadas como la espectroscopia Raman, que se basa en la dispersión inelástica de la luz monocromática, generalmente desde un láser en el infrarrojo cercano visible, o el rango ultravioleta cercano. La luz láser interactúa con las vibraciones moleculares, los fonones, u otras excitaciones en el sistema, lo que hace que la energía (y por consiguiente la longitud de onda) de los fotones de láser sea desplazada hacia arriba o hacia abajo.

Este cambio en la longitud de onda/energía, a su vez, arroja datos que proporciona una huella estructural mediante la cual se pueden identificar las moléculas. Con la tecnología de hoy en día, la aplicación de un sistema de espectroscopia Raman no sólo es factible, sino que es realmente simple.

Entre los muchos sistemas médicos avanzados que utilizan espectroscopia Raman se encuentra el endoscopio sin lentes para biodetección e imágenes del Instituto Fresnel (Marsella, Francia). En este enfoque, una fibra óptica de núcleo hueco flexible dirige la luz al órgano interno de interés mediante un actuador piezoeléctrico, el cual capta también sus emisiones espectrales^{4, 5} (Figura 3). El objetivo es proporcionar una biopsia de tejido maligno en tiempo real, apenas invasiva.

Figura 3: Utilizando una fibra óptica hueca para transmitir un rayo láser hacia el sitio de interés y una sonda piezoeléctrica para dirigirlo, esta técnica de "biopsia" fotónica podría sustituir las pruebas que se realizan con aguja.4 (Fuente de la imagen: Instituto Fresnel, a través de Laser Focus World)

Si compara esto con la biopsia estándar donde se debe extraer un trozo del tejido bajo investigación con una aguja, químicamente estabilizada, deshidratada, incrustada en cera, teñida con tintes selectivos, que luego se examina bajo un microscopio. Este doloroso proceso tarda días y es traumático para el paciente mental, física y financieramente.

Muchos ingenieros eléctricos han dedicado al menos parte de su educación a estudiar los fundamentos de la óptica, incluyendo las lentes, las longitudes de onda óptica, la reflexión, la refracción, las fuentes de luz y los sensores, lo cual es necesario y positivo. Ahora, mediante el uso de estos conceptos en relación con la última tecnología de LED, los diodos láser, los fotodiodos y fototransistores, se han creado algunos dispositivos asombrosos, ampliamente utilizados y habilitados, como el sensor de SpO₂ para dedos.

Pero la electro-óptica actual va mucho más allá de una simple combinación "lineal" de fuentes de iluminación y lentes, con la electrónica de control, así como la captura y el análisis de datos. Se adaptan los principios de física avanzada y fotónicos habitualmente a la instrumentación médica, para implementar las ideas que fueron ampliamente imprácticas hasta hace muy poco, o quizás ni siquiera eran posible de imaginar. Y es por eso que el movimiento inteligente para cualquier ingeniero dedicado a la instrumentación es estudiar estas nuevas técnicas y tecnologías.

Incluso si usted no está actualmente en el área de pruebas médicas, muchas de estas técnicas también se están adaptando para otras aplicaciones de prueba y medición (químicos, materiales), y existe gran cantidad de polinización cruzada. Como mínimo, vale la pena tomarse el tiempo para verificar regularmente las publicacaciones de sitios web relacionados con la fotónica para tener una idea de lo que está ocurriendo, hacia dónde se realizan los avances, y cómo usted puede tomar ventaja de los mismos.

Referencias:

1 – DigiKey, “Entender y resolver los desafíos en el diseño de monitoreo de niveles de oxígeno en sangre”

2 – Universidad del Estado de Michigan, “Nueva aplicación y hardware para la presión arterial en comparación con la precisión del brazalete de medición”

3 – MIT, “Monitor capaz de detectar peligrosos niveles bajos de células blancas en sangre”

4 – Instituto Fresnel, “Fibra de cristal fotónico de núcleo hueco para endoscopios de imágenes no lineales y sondas Raman”

5 – Laser Focus World, “La endoscopía multimodal apunta a la biopsia en tiempo real”