Desarrollo de un sistema de fotoirradiación para terapia fotodinámica con control dosimétrico
Development of a photoirradiation system for photodynamic therapy with dosimetric control
Luis Hernández Quintanar*, Suren Stolik Isakina, José Manuel de la Rosa Vázquez
Sección de Estudios de Posgrado. ESIME–IPN. Edificio No.5, U.P. “Adolfo López Mateos”. Zacatenco C.P. 07630 México D.F. Mexico.
*Autor de correspondencia: teléfono: + 52 + 55 + 57 29 60 00 ext. 54608, ext. 54622 (fax), correo electrónico: xbio_ionic@yahoo.com.mx (L. Hernández)
]]>(Recibido el 21 de Junio de 2011. Aceptado el 17 de Noviembre de 2011)
Resumen
La Terapia Fotodinámica es un tratamiento bien conocido basado en la interacción de la luz con un fármaco fotosensibilizador, utilizado en el tratamiento de ciertas enfermedades como el cáncer. En este trabajo se propone el desarrollo de un sistema de irradiación superficial para Terapia Fotodinámica, que posibilite la aplicación de radiación óptica a 630 nm, utilizando un diodo emisor de luz como fuente de radiación. Se presenta el desarrollo de un control de la dosis de energía en profundidad, el cual incorpora los cálculos de un modelo de distribución de la radiación. Se reporta también la construcción y caracterización de tejidos sintéticos en suspensión acuosa, utilizados para la verificación de los modelos y las pruebas de desempeño del sistema.
Palabras clave: Dosimetría, instrumentación biomédica, terapia fotodinámica, tejido sintético.
Abstract
Photodynamic Therapy is a well know treatment based on light interaction with a photosensitizing drug, used in the treatment of certain diseases like cancer. In this issue, the development of asystem for superficial irradiation, which allows the application of Photodynamic Therapy at 630nm using a light emitting diode as a radiation source. It is proposed a control for the energy dose delivery in depth, which incorporates the calculations from a radiation distribution model. Also it is reported the construction and characterization of optical phantoms in aqueous suspensions, used for models' verification and system performance testing.
Keywords:Dosimetry, biomedicai instrumentation, photodynamic therapy, phantoms.
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Introducción
La luz ha sido utilizada como agente terapéutico desde la antigüedad. No fue hasta principios del siglo XX cuando Niels Finsen desarrollo el término fototerapia para designar al uso de luz para el tratamiento de enfermedades [1]. Entre las fototerapias, la Terapia Fotodinámica (PDT) ha emergido como un tratamiento promisorio del cáncer y otras enfermedades utilizando la activación de un agente químico, llamado fotosensibilizador (PS, por sus siglas en inglés), el cual al ser activado mediante luz de cierta longitud de onda, contribuye a la formación de especies reactivas de oxígeno que destruye de forma localizada las células enfermas [2], así como también la desactivación de virus y ladestrucción de bacterias y hongos [3]. Debido a la facilidad de irradiar directamente a la piel, gran parte de las investigaciones se han dirigido a las aplicaciones dermatológicas, utilizando como agente PS un pro–fármaco conocido como Ácido 5–Amino–Levulínico (5–ALA) el cual esta involucrado en la generación de una porfirina altamente fotoactiva, la Protoporfirina IX (PplX) [4]. En la figura 1 se muestra el espectro de absorción de la PpIX.Experimentación
Sistema
El sistema desarrollado fue optimizado para la aplicación de PDT con 5–ALA. Acorde al espectro de absorción mostrado en la figura 1, se seleccionó un LED (LG–05W4C3–503FB) ya que cuenta, con un espectro de emisión con máximo en 630nm y un FWHM de 15nm, con una máxima potencia de emisión de 801,8mW, a 1200mA. Debido a su amplio ángulo de divergencia (140°), fue necesario acoplar un cilindro de acrílico (50mm longitud, 10mm de diámetro). El haz obtenido presenta un ángulo menor (40°). Se eligió el acrílico por su alta transmitancia (92%) en esta longitud de onda, la facilidad de maquinado y su resistencia. El sistema LED/acrílico fue montado en una pieza cilíndrica de aluminio utilizada como montura y como disipador de calor.
Para regular la corriente que alimenta el LED, se utilizó un módulo BUCKPLUS7021–DE– 1000 (LUXDRIVE). Este módulo no requiere de disipador de calor para operar, tiene una alta eficiencia (>90%), respuesta rápida (15μs), además de poder controlar su salida por señales TTL.
Para el control de la potencia óptica del LED se utilizó un microcontrolador PIC16F876A, que permite al operador seleccionar el tipo de tejido, la irradiancia y el tiempo de irradiación por medio de un teclado matricial, además controla una pantalla LCD de 16x2 líneas que muestra el menú con los requerimientos para la terapia, la potencia óptica de salida y el tiempo de tratamiento restante. Se propuso el uso de la modulación por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) para controlar la corriente del LED, ya que es más precisa que otros métodos, además el PIC utilizado cuenta con dos salidas PWM conuna resolución máxima de salida de 10 bits lo que permite una resolución del 0,1% en el ciclo de trabajo (DC), y puede operar hasta con una frecuencia de 50kHz usando un cristal de 4MHz. Diferentes valores del período PWM fueron probados para encontrar la mejor relación entre el período y la corriente en el LED.
Para verificar y controlar la estabilidad de la potencia óptica durante el funcionamiento, una resistencia de 0,5Ω±1% fue colocada en serie con el LED, lo cual permite medir la corriente. Se añadió un filtro pasabajas con frecuencia de corte de 1Hz y un amplificador para ajustar la salida a 5V ya que éste circuito va conectado a una entrada del Convertidor Digital Analógico (ADC, por sus siglas en inglés) del PIC, el cual por medio de software verifica la estabilidad de la corriente. Finalmente se incorporó un sistema de verificación de la potencia óptica, utilizando un fotodetector SD1420 (Honeywell) el cual se colocó dentro de la caja de control, detrás de un vidrio esmerilado para que pueda ser colocado el irradiador a 1cm de distancia del detector. La señal del fotodetector se amplifica y filtra de la misma forma que la señal del arreglo de resistencias y se conecta a otra entrada ADC del PIC. ]]>
Las mediciones de potencia óptica fueron realizadas utilizando una termopila TPM–510 (LEXEL Laser), con un área de detección de 1cm². Las mediciones de corriente fueron realizadas con un multímetro FLUKE 710. El espectro de emisión fue medido con un espectrómetro HR4000 (OceanOptics). El cilindro de acrílico fue alineado con la termopila a una distancia de 0,5cm en completa oscuridad, tomando mediciones de la potencia óptica, la corriente en el LED y el valor del voltaje en el ADC, tomando muestras cada 30 segundos, para un total de 15 minutos, repetido para cada intervalo de 10% del DC.
Tejido sintético
Para las pruebas del sistema, se construyeron tejidos sintéticos en los que se puede reproducir las propiedades ópticas de esparcimiento, absorción y anisotropía. Se utilizó una suspensión acuosa de intralípido, Lipofundin N® al 10% (B. Braun Melsungen AG), como medio esparcidor y azul de metileno como medio absorbente. Las soluciones fueron caracterizadas de manera similar a como se muestra en [15] para obtener sus parámetros ópticos en función de la concentración.
Para la caracterización de las sustancias, además de la medición del ritmo de fluencia a profundidad, se utilizaron fibras ópticas de 700μm con una punta esférica isotrópica de 3mm de diámetro. Las suspensiones fueron colocadas en un recipiente de acrílico (10cm x 10cm x 10cm), el cual se colocó dentro de otro recipiente de acrílico (12cm x 12cm x 12cm) con agua para acoplar los índices de refracción,ambos recipientes se colocaron dentro de un tercero (13cm x 13cm x 13cm) de acrílico negroque cuenta con una ventana de 1,1cm de diámetro para acomodar el irradiador. La fibra óptica se introdujo a las suspensiones por medio de un tubo de vidrio que puede ser desplazado a lo largo del eje de irradiación y el otro extremo se conectó a un fotodetector (SD1420). El arreglo utilizado para los experimentos se muestra en la figura 2 .
Modelo de radiación en profundidad
Para la modelación de la distribución de la luz en profundidad dentro del tejido, se utilizaron dos modelos: uno fue la aproximación de difusión de la ecuación de transporte radiativo para un haz colimado de diámetro finito (1cm) en un medio semi–infinito, utilizando las soluciones reportadas para el caso unidimensional [10,16]; el otro modelo utilizado fue el de Montecarlo (MC), utilizando como base un código de distribución libre [17], modificado para agregar la fuente luminosa del modelo de difusión. En ambas soluciones se utilizaron diferentes parámetros ópticos, un diámetro del haz de 10mm, mientras que en el programa de Montecarlo se realizó la simulación con 50.000 fotones, ya que un proporciona una respuesta detallada del comportamiento de la luz en el tejido y un número mayor no refleja mejoras en el resultado de la simulación.
]]> Resultados y discusión En la figura 3 se muestra el diagrama de bloques del sistema desarrollado.
donde D es el porcentaje del DC.
De acuerdo a los valores que se obtengan en cuanto al polinomio de ajuste de la corriente, la potencia óptica y el valor del ADC del fotodetector, el microcontrolador compara los valores y así se podrá verificar si el LED continua funcionando adecuadamente o si es necesaria una recalibración o cambio del mismo. El módulo de medición de potencia se verificó colocando entre el irradiador y el fotodiodo algunos objetos que disminuyen la intensidad de luz transmitida, y se comparó con la termopila. En la tabla 1 se muestra los resultados de la medición de la transmisión detectada por el sistema y por la termopila.
Conclusiones
Se desarrollo un sistema para la radiación en PDT utilizando 5–ALA con la capacidad de calcular la dosis deseada en profundidad dependiendo del tejido a irradiar, además el sistema satisface las necesidades de potencia, longitud de onda y estabilidad para la aplicación de la PDT. Por otro lado, el uso de los tejidos sintéticos proporcionó una herramienta útil para la comprobación del sistema sin necesidad de la realización de pruebas in vitro o in vivo.
Referencias
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