Apuntes-Luz en Medicina- biofisica- sus múltiples aplicaciones para la salud PDF

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Apuntes-Luz en Medicina- biofísica- power point
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LUZ EN MEDICINA BIOFISICA UNIVERSIDAD DE MENDOZA

Aunque el hombre ahora es muy eficiente para producir luz artificial, el sol sigue siendo la principal fuente de luz en el mundo. El sol es beneficioso y peligroso para nuestra salud. La luz tiene algunas propiedades interesantes, muchas de las cuales se usan en medicina: -1. La velocidad de la luz cambia cuando pasa de un material a otro. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío 300.000 km/seg y su velocidad en un material dado se denomina índice de refracción. Si un haz de luz se encuentra con un nuevo material en un ángulo que no sea perpendicular, se dobla o se refracta. Esta propiedad permite enfocar la luz y es la razón por la que podemos leer y ver objetos con claridad. -2. La luz se comporta como una onda y como una partícula. Como onda produce interferencia y difracción, que son de menor importancia en medicina. Como partícula puede ser absorbida por una sola molécula. Cuando se absorbe un fotón de luz, su energía se usa de varias maneras. Puede causar un cambio químico en la molécula que a su vez puede causar un cambio eléctrico. Esto es básicamente lo que sucede cuando un fotón de luz se absorbe en una de las células sensibles de la retina (la parte sensible a la luz del ojo). El cambio químico en un punto particular de la retina desencadena una señal eléctrica al cerebro para informarle que se ha absorbido un fotón de luz en ese punto. -3. Cuando se absorbe la luz, su energía generalmente aparece como calor. Esta propiedad es la base para el uso en medicina de la luz infrarroja (IR) para calentar tejidos. Además, el calor producido por los rayos láser se utiliza para cauterizar una retina desprendida en la parte posterior del globo ocular y para coagular pequeños vasos sanguíneos en la retina. La luz es un tipo de radiación no ionizante, es decir no tiene la energía suficiente para arrancar los electrones de los átomos. A veces, cuando se absorbe el fotón, se emite un fotón de luz de menor energía. Esta propiedad se conoce como fluorescencia. Ciertos materiales fluorescen en presencia de luz UV, a veces llamada "luz negra", y emiten luz visible. La cantidad de fluorescencia y el color de la luz emitida dependen de la longitud de onda de la luz UV y de la composición química del material que está fluorescente. Una forma en que se usa la fluorescencia en la medicina es en la detección de porfiria, una condición en la que los dientes fluorescen en rojo cuando se irradian con luz UV. Otra aplicación importante es en microscopios fluorescentes.

-5. La luz se refleja hasta cierto punto desde todas las superficies. Hay dos tipos de reflexión. La reflexión difusa ocurre cuando las superficies rugosas dispersan la luz en muchas direcciones. La reflexión especular es un tipo de reflexión más útil; Se obtiene de superficies brillantes muy lisas, como espejos donde la luz se refleja en un ángulo que es igual al ángulo en el que golpea la superficie. Los espejos se usan en muchos instrumentos médicos. Medida de la luz y sus unidades: Las tres categorías generales de luz-UV, visible e IR-se definen en términos de sus longitudes de onda. Las longitudes de onda de la luz solían medirse en micrones (1μ = 10-6m) o en angstroms (1Å = 10-10 m), pero actualmente la unidad recomendada es el nanómetro (1nm = 10-9m). La luz ultravioleta tiene longitudes de onda de aproximadamente 100 a 400 nm; la luz visible se extiende desde aproximadamente 400 a 700 nm; y extensiones de luz IR de aproximadamente 700 a más de 10.000 nm. La luz visible se mide en unidades fotométricas que se relacionan con la forma en que el ojo humano promedio ve la luz. Todas las radiaciones de luz, incluidas las radiaciones UV e IR, se pueden medir en unidades radiométricas. En radiometría, la cantidad de luz que golpea una superficie se llama irradiancia y la intensidad de una fuente de luz es su radiación. Las longitudes de onda de la luz se ajustan a todo el espectro de radiación electromagnética. Tenga en cuenta que la luz tiene longitudes de onda mucho más cortas que las ondas de radio y televisión, pero mucho más largas que los rayos X y los rayos gamma. La luz es radiación no ionizante, el umbral de la radiación ionizante es el UV lejano con longitudes de onda menores a los 100 nm y energías superiores a los 10 Ev. La energía de la radiación electromagnética E es directamente proporcional a su frecuencia , e inversamente proporcional a su longuitud de onda .

Aplicaciones de la luz visible en medicina: Un uso obvio de la luz visible en medicina es permitirle al médico obtener información visual sobre el paciente con respecto, por ejemplo, al color de su piel y la presencia de estructuras anormales en o sobre su cuerpo. Es bastante fácil para un médico examinar la piel en condiciones normales de iluminación, pero cuando desea mirar dentro de una abertura del cuerpo se enfrenta con el problema práctico de obtener luz dentro de la abertura sin obstruir la vista. Al igual que muchos trucos, este se realiza con espejos. La superficie curva enfoca la luz en la región de interés. Los instrumentos más

sofisticados, como el oftalmoscopio para mirar a los ojos y el otoscopio para mirar a los oídos, utilizan básicamente el mismo principio. Varios instrumentos, llamados endoscopios, se utilizan para ver las cavidades corporales internas. Los endoscopios de propósito especial a menudo reciben nombres que indican su propósito. Por ejemplo, los cistoscopios se usan para examinar la vejiga, los proctoscopios se usan para examinar el recto y los broncoscopios se usan para examinar los conductos de aire hacia los pulmones. Algunos endoscopios son tubos rígidos con una fuente de luz para iluminar el área de interés. Muchos de ellos están equipados con accesorios ópticos para magnificar los tejidos que se estudian. El desarrollo de técnicas de fibra óptica permitió la construcción de endoscopios flexibles. Los endoscopios flexibles se pueden usar para obtener información de regiones del cuerpo que no se pueden examinar con endoscopios rígidos, como el intestino delgado y gran parte del intestino grueso. Algunos endoscopios flexibles tienen más de un metro de longitud. La imagen obtenida con un endoscopio flexible no es tan buena como la obtenida con un endoscopio rígido, pero a menudo la única alternativa a un examen endoscópico flexible es la cirugía exploratoria. Los endoscopios flexibles generalmente tienen una abertura o canal que le permite al médico tomar muestras de tejidos (biopsias) para su posterior examen microscópico. Dado que la luz contiene energía que aparece en gran medida como calor cuando se absorbe, existe un límite en la cantidad de luz que se puede usar en la endoscopia. Para la endoscopia, el calentamiento puede reducirse reduciendo la luz IR de la fuente con filtros especiales de vidrio que absorben IR. En esta endoscopia de luz fría, la fuente de luz contiene muy poca radiación IR y se minimiza el calentamiento de los tejidos. La transiluminación es la transmisión de luz a través de los tejidos del cuerpo. La mayoría de nosotros, en un momento u otro, encendimos una linterna entre nuestros dedos para ver el resplandor rojo que se produce. El brillo es principalmente rojo porque la mayoría de los otros colores en el haz son absorbidos por los glóbulos rojos; La luz roja es el único componente importante que se transmite. La transiluminación se usa clínicamente en la detección de hidrocefalia (cabeza de agua) en bebés. Como el cráneo de los bebés pequeños no está completamente calcificado, la luz puede penetrar en el interior del cráneo; Si hay un exceso de líquido cefalorraquídeo (LCR) relativamente claro en el cráneo, la luz se dispersa a diferentes partes del cráneo produciendo patrones característicos de la hidrocefalia. El dispositivo especial de transiluminación utiliza una bombilla de proyección de 150W como fuente de luz. El dispositivo tiene un interruptor de gatillo de dos posiciones. El bebé es llevado a un cuarto oscuro para el estudio; Después de unos minutos de adaptación oscura, el médico jala el gatillo a su primera posición, que enciende una luz roja que le permite encontrar al paciente. Luego, el médico apunta

el cañón hacia la parte de la cabeza que se va a estudiar y aprieta el gatillo a la segunda posición, que apaga la luz roja y enciende la luz blanca intensa utilizada para el estudio. El vidrio absorbente de infrarrojos en el haz elimina casi toda la radiación IR, de modo que la luz que incide en el bebé es principalmente luz visible. La luz visible tiene un importante uso terapéutico. Dado que la luz es una forma de energía y se absorbe selectivamente en ciertas moléculas, no debería sorprendernos que pueda causar importantes efectos fisiológicos. Muchos bebés prematuros tienen ictericia, una condición en la que el hígado excreta un exceso de bilirrubina en la sangre. Hace relativamente poco tiempo (1958) se descubrió que la mayoría de los bebés prematuros se recuperan de la ictericia si sus cuerpos están expuestos a la luz visible (fototerapia). Aplicaciones de la luz ultravioleta e infrarroja en medicina. Las longitudes de onda adyacentes al espectro visible también tienen usos importantes en medicina. Los fotones ultravioleta tienen energías mayores que los fotones visibles, mientras que los fotones IR tienen energías más bajas. La luz ultravioleta con longitudes de onda inferiores a aproximadamente 290 nm es germicida, es decir, puede matar gérmenes, y a veces se usa para esterilizar instrumentos médicos. La luz ultravioleta también produce más reacciones en la piel que la luz visible. Algunas de estas reacciones son beneficiosas y otras son dañinas. Uno de los principales efectos beneficiosos de la luz ultravioleta del sol es la conversión de productos moleculares en la piel en vitamina D. Los dermatólogos también han descubierto que la luz ultravioleta mejora ciertas condiciones de la piel, como la psoriasis y el vitíligo. La luz ultravioleta del sol afecta la melanina en la piel para causar el bronceado. Sin embargo, la luz UV puede producir quemaduras solares y broncear la piel. Las longitudes de onda que producen quemaduras solares son alrededor de 300 nm, justo en el borde del espectro solar. La cantidad de luz de 300 nm en el espectro del sol depende de la cantidad de atmósfera por la que debe pasar la luz solar. El vidrio ordinario de la ventana permite la transmisión de algunos rayos UV cercanos, pero absorbe el componente de quemaduras solares. La luz solar UV también es la principal causa de cáncer de piel en humanos. La alta incidencia de cáncer de piel entre las personas que han estado expuestas al sol en gran medida, como los pescadores y los trabajadores agrícolas, puede estar relacionada con el hecho de que las longitudes de onda UV que producen quemaduras solares también son muy bien absorbidas por el ADN en las células. El cáncer de piel generalmente aparece en aquellas partes del cuerpo que han recibido la mayor cantidad de luz solar, como la punta de la nariz, la parte superior de las orejas y la parte posterior del cuello. La luz ultravioleta tiene longitudes de onda más cortas que la luz azul y se dispersa más fácilmente. Aproximadamente la mitad de la luz ultravioleta que golpea la piel en un día de verano proviene directamente del sol y la otra mitad se dispersa del aire en otras partes del cielo. Por lo tanto, puede quemarse con el sol incluso cuando

está sentado a la sombra. Incluso cuando el cielo está completamente cubierto de nubes, aproximadamente la mitad de la luz ultravioleta pasa. La luz ultravioleta no puede verse a simple vista porque se absorbe antes de que llegue a la retina. El gran porcentaje de luz casi UV absorbida por el cristalino puede ser la causa de algunas cataratas (opacidades de la lente). Aproximadamente la mitad de la energía del sol está en la región IR. El calor que sentimos del sol se debe principalmente al componente IR. Los rayos IR no suelen ser peligrosos, aunque están enfocados por la córnea y el cristalino en la retina. Sin embargo, mirar al sol a través de un filtro (por ejemplo, gafas de sol de plástico) que elimina la mayor parte de la luz visible y permite la entrada de la mayoría de las longitudes de onda IR puede causar una quemadura en la retina. Algunas personas se han dañado los ojos de esta manera al mirar el sol durante un eclipse solar. Los anteojos oscuros absorben cantidades variables de los rayos IR y UV del sol. Las lámparas de calor que producen un gran porcentaje de luz IR con longitudes de onda de 1000 a 2000 nm a menudo se utilizan para fines de fisioterapia. La luz infrarroja penetra más en los tejidos que la luz visible y, por lo tanto, es capaz de calentar tejidos profundos. En medicina se utilizan dos tipos de fotografía IR: fotografía IR reflexiva y fotografía IR emisiva. El último, que utiliza las largas ondas de calor IR emitidas por el cuerpo que dan una indicación de la temperatura corporal, generalmente se llama termografía. Fotografía IR reflectante, que utiliza longitudes de onda de 700 a 900 nm para mostrar los patrones de las venas justo debajo de la piel. Algunas de estas venas son visibles a simple vista, pero se pueden ver muchas más en una fotografía de la piel con IR cercano. Dado que la temperatura en la piel depende del flujo sanguíneo local, un termograma con buena resolución muestra el patrón venoso como una fotografía de IR cercano. Existe una variación considerable en los patrones venosos de los individuos normales. Incluso en el mismo individuo, los patrones venosos en los dos senos pueden ser bastante diferentes. El cáncer y otras enfermedades pueden causar cambios en el patrón venoso, pero estos cambios pueden enmascararse por las variaciones normales. Además, una capa de grasa debajo de la piel puede reducir la apariencia del patrón venoso. Infrarrojo también se puede utilizar para fotografiar la pupila del ojo sin estimular el reflejo que cambia su tamaño. Láseres en medicina: Un láser es una fuente de luz única que emite un haz de luz estrecho de una sola longitud de onda (luz monocromática) en la que cada onda está en fase con las otras cercanas (luz coherente). Laser es un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Si bien Albert Einstein propuso la teoría básica de los láseres en 1917, el primer láser exitoso no se hizo hasta 1960, cuando T. H. Maiman produjo un rayo láser a partir de un cristal de rubí. Desde 1960, los científicos han fabricado muchos tipos de láser utilizando gases y líquidos, así como también sólidos como materiales láser.

En un láser, la energía se libera como un haz de luz estrecho, ya sea como una onda continua de haz constante o como un pulso intenso. El haz permanece estrecho a largas distancias y puede considerarse como una luz ideal "puntual". Un rayo láser puede enfocarse en un punto de solo unas pocas micras de diámetro. Cuando toda la energía del láser se concentra en un área tan pequeña, la densidad de potencia (potencia por unidad de área) se vuelve muy grande. La energía total de un pulso láser típico utilizado en medicina, que se mide en milijulios (mJ), puede administrarse en menos de un microsegundo, y la potencia instantánea resultante puede estar en megavatios. Dado que en medicina los láseres se usan principalmente para suministrar energía al tejido, la longitud de onda del láser utilizada debe ser fuertemente absorbida por el tejido. Las longitudes de onda cortas (400 a 600 nm) siempre se absorben mejor que las longitudes de onda largas (~ 700 nm). La energía láser dirigida al tejido humano provoca un aumento rápido de la temperatura y puede destruir el tejido. La cantidad de daño al tejido vivo depende de cuánto tiempo esté el tejido a una temperatura elevada. Por ejemplo, el tejido puede soportar 70oC durante 1 segundo. Sin embargo, no todo el daño del láser se debe al calor. También produce daños notables debido a los efectos fotoquímicos. En las reacciones fotoquímicas, es la luz la que provee la energía de activación, lo cual produce que una molécula experimente cambios. El láser se usa habitualmente en medicina clínica en oftalmología. Su efectividad en el tratamiento de ciertos tipos de cáncer y su utilidad como bisturí para la cirugía están bajo investigación activa. En oftalmología, los láseres se utilizan principalmente para la fotocoagulación de la retina, es decir, calentar un vaso sanguíneo hasta el punto en que la sangre se coagula y bloquea el vaso. La cantidad de energía láser necesaria para la fotocoagulación depende del tamaño del punto utilizado. En general, la dosis adecuada es determinada visualmente por el oftalmólogo en el momento del tratamiento. La cantidad mínima de energía láser que causará daños observables en la retina se llama dosis mínima reactiva (MRD). Por ejemplo, la MRD para una mancha de 50 µm en el ojo es de aproximadamente 2.4 mJ administrada en 0.25 segundos. La fotocoagulación es útil para reparar roturas o agujeros retinianos que se desarrollan antes del desprendimiento de retina. Cuando la retina se separa por completo, el láser no sirve de nada. Una complicación de la diabetes que afecta la retina, llamada retinopatía diabética, también puede tratarse con fotocoagulación. Se deben usar anteojos protectores en áreas médicas con láser para proteger los ojos del paciente y los trabajadores. Dado que la energía del láser se concentra en un haz estrecho durante largas distancias, incluso un haz reflejado puede ser un peligro; por lo tanto, las paredes y otras superficies en una instalación con láser deben tener una baja reflectividad (por ejemplo, pintura negra plana). El área debe

tener señales de advertencia adecuadas y un sistema que evite la entrada de extraños mientras se utilizan láseres. Aplicaciones de los microscopios en medicina: Ha habido pocos avances en la ciencia que hayan tenido un impacto tan grande como la invención del microscopio por Leeuwenhoek (~ 1670). El uso del microscopio en el laboratorio de patología es tan común como el uso del termómetro en la clínica. El microscopio de luz estándar generalmente se puede configurar en cualquiera de varios aumentos cambiando la potencia del ocular o de la lente del objetivo. El mayor aumento que se puede obtener está limitado por la longitud de onda de la luz visible. Dado que las longitudes de onda de la luz visible varían de 400 a 700 nm (0,4 a 0,7 μm), el objeto más pequeño que se puede resolver es de aproximadamente 1 μm de diámetro. Dado que la mayoría de las células tienen un diámetro de 5 a 50 μm, este tipo de microscopio es adecuado para resolver todos los objetos, excepto los subcelulares. Si coloca una delgada rodaja de tejido bajo un microscopio, no verá mucho porque la mayoría de las células son transparentes a todas las longitudes de onda, los glóbulos rojos son la excepción. Para distinguir las diferentes células, generalmente es necesario teñirlas con un químico que absorbe fuertemente ciertas longitudes de onda visibles. Otras técnicas además de la tinción son útiles en microscopía. Una técnica aprovecha los diferentes índices de refracción de diferentes partes celulares. Como la luz viaja a diferentes velocidades en las distintas partes de una célula, las relaciones de fase de las ondas de luz cambian al pasar a través de una muestra. El microscopio de contraste de fase aprovecha este fenómeno para permitir que se vean las estructuras celulares sin el uso de tinción. En este tipo de microscopio, un haz de luz que atraviesa el tejido se combina con un haz de referencia dirigido a través de una zona ópticamente uniforme. Los rayos combinados interfieren, produciendo áreas oscuras donde hay interferencia destructiva y áreas claras donde hay interferencia constructiva. La oscuridad depende del grado de interferencia....