Innovación tecnológica de un sistema fotoacústico aplicado en la caracterización y estimulación de tejidos biológicos

Abstract

RESUMEN El Instituto Nacional de Rehabilitación (INR) tiene la necesidad de analizar tejidos biológicos de una forma rápida y sencilla, dadas las implicaciones que en el diagnóstico puede tener este análisis. Por esta razón, se ha decidido implementar un laboratorio de espectroscopia fotoacústica como técnica básica de análisis por las ventajas que ofrece, como analizar muestras en los tres estados de agregación de la materia, trabajar con muestras traslucidas opacas o altamente dispersoras de luz, lo que no ocurre en técnicas de espectroscopia convencional. Sin embargo, el montaje experimental del espectrómetro fotoacústico aún no es comercial por lo que es necesario acoplar mecánica, eléctrica y electrónicamente cada uno de los dispositivos que lo compone. Adicionalmente, se debe considerar el desarrollo de un software específico que pueda automatizar el funcionamiento del espectrómetro fotoacústico. Figura 1 Software desarrollado para el espectrómetro fotoacústico Dicho software se desarrolló en el lenguaje de programación grafica denominado Labview en forma de una aplicación ejecutable con su propio instalador. Esto le permitió evitar el uso del motor de instalación de Labview o de la instalación de alguna de sus librerías. Figura 2 Producción de la señal fotoacústica El software es capaz de establecer comunicación serial con cada uno de los dispositivos que lo requieren y automatiza el proceso de análisis de la muestra. Este proceso consiste en realizar un barrido de longitudes de onda para obtener los datos de absorción óptica de la muestra a analizar, para posteriormente ser procesados, almacenados y representados de forma gráfica. Para acoplar electrónicamente cada uno de los dispositivos fue necesario estandarizar los protocolos de comunicación entre cada componente. Lo anterior se realizó mediante la implementación de infraestructura de hardware y controladores con los que ya contaba el INR. 2 En la espectroscopia fotoacústica, la muestra se coloca en un celda sellada herméticamente y acoplada con un micrófono de electreto. Esta muestra se ilumina con luz monocromática modulada. La luz incidente es absorbida por la muestra y los niveles de energía internos dentro de la misma se excitan, produciendo calor en el interior de la muestra. Esto genera como consecuencia variaciones de temperatura y de presión en el gas contenido en la celda lo que genera la señal fotoacústica, dicha señal es detectada por un transductor acústico y posteriormente amplificada mediante un amplificador Lock-in. La señal obtenida es procesada mediante el software desarrollado y se obtiene el espectro de absorción óptica de la muestra [1, 2]. La muestra a analizar en el espectrómetro fotoacústico no necesita de una preparación previa ni el uso de consumibles, por lo que representa una ventaja en la relación costo- beneficio para el INR. Los espectros de absorción óptica en muestras biológicas dotan de información específica a los especialistas y su campo de aplicación es amplio [3]. Los espectros obtenidos por el espectrómetro fotoacústico son una herramienta auxiliar para los especialistas que determinan el grado y tipo de quemadura de un paciente con traumatismo térmico y ayudan a determinar un mejor diagnóstico y tratamiento.

ABSTRACT The National Institute of Rehabilitation has the need to analyze biological tissues quickly and easily. Therefore, it was decided to implement a laboratory photoacoustic spectroscopy serving as an analysis technique. This proposal was done in view of the advantages and features offered by this method. The analysis of tissue samples in the three states of matter, working with translucent opaque or highly scattering samples of light are enforced. This possible solution does not occur in conventional spectroscopy techniques. However, the photoacoustic spectrometer experimental assembly is not yet commercial; so it is necessary to couple mechanical, electrical and electronic devices. This condition added the development of a specific software that automatize the operation of the photoacoustic spectrometer. The software was developed in the graphical programming language Labview in the form of an executable application. This software has its own installer engine that does require the installation of Labview or any other of its libraries. The software is able to establish serial communication with each of the devices. This scheme automates the entire process of the system. The analysis implies a sweep of wavelengths and obtain data from optical absorption for the sample to be analyzed subsequently, stored and represented graphically. Electronically coupling of these devices is necessary to standardize the communication protocols between each component. This process was done by implementing infrastructure hardware and drivers according to the communication protocol for each device. In photoacoustic spectroscopy the sample is placed in a sealed cell tightly coupled with a microphone electret, and this sample is illuminated with monochromatic light modulated incident light is absorbed by the sample and the levels of internal energy within it is excited, producing heat inside the sample. This analysis generates as result variations in temperature and pressure in the gas in the cell which generates the photoacoustic signal, said signal is detected by an acoustic and subsequently amplified transducer through a Lock amplifier -in the obtained signal is processed by software developed and the optical absorption spectrum of the sample is obtained.