Contribución a la terapia láser endoscópica gastrointestinal

Abstract

Este trabajo de tesis trata sobre la aplicación de la radiación óptica al tratamiento mínimamente invasivo de patologías del tracto gastrointestinal. En el mismo se definen las propiedades ópticas de los medios biológicos, el concepto de ventana terapéutica asociado a su absorción, el de medios turbios debido a que presentan un elevado coeficiente de scattering, de Mie en general, respecto al de absorción, con una anisotropía de scattering cercana a uno. Se presentan los diferentes modelos de propagación de la luz por un medio biológico y se analizan las diferentes soluciones analíticas y numéricas, en concreto el método de Monte Carlo, el de difusión y el híbrido. Además se exponen los fundamentos de la interacción luz-materia con el fin de describir los diferentes mecanismos y efectos de esta interacción sobre los medios biológicos. Entre ellos los efectos termo-ópticos que aparecen en toda terapia láser. Mediante la ecuación del biocalor se calcula la distribución de temperatura y el posible daño térmico asociado en función de los parámetros de los tejidos y de las fuentes de luz empleadas en el tratamiento. A continuación se estudian los factores y efectos relacionados con el proceso de ablación láser, así se analizan los diferentes modelos teóricos de la ablación en busca del más adecuado para trabajar en un entorno clínico predictivo. Dicho modelo se aplica a un tejido del estómago con úlcera y a otro cancerígeno. La aplicación no invasiva de técnicas ópticas para el tratamiento de tejidos biológicos se restringe en general a órganos externos o de fácil acceso. Esta limitación se puede salvar mediante el uso de endoscopios flexibles basados en fibra óptica, que permiten el acceso a cavidades y órganos internos del cuerpo humano de forma mínimamente invasiva. Estos dispositivos emplean tanto para el canal de imagen como para el de trabajo fibras ópticas o sondas de fibra óptica de pequeña longitud. En este trabajo se describen las características básicas de los endoscopios y las diferentes sondas de fibra óptica disponibles para la implementación clínica de las diferentes técnicas endoscópicas, así como los factores que limitan la calidad de estos dispositivos, debido principalmente a sus parámetros opto-geométricos y longitud. Así, se estudian la optimización del empaquetado de las fibras del canal de imagen, el efecto del acoplo entre fibras contiguas de cubierta reducida en el contraste y la influencia de la inhomogeneidad de sus núcleos, y se propone un método general de diseño optimizado y criterios para maximizar el área transversal activa y para evitar la degradación de la resolución producida por los modos leaky. El Grupo de Técnicas Ópticas Aplicadas de la Universidad de Cantabria colabora desde hace años con el Servicio de Digestivo y de Anatomía Patológica del Hospital Universitario Marqués de Valdecilla (HUMV) y el Hospital virtual Valdecilla en la búsqueda de soluciones personalizadas para el tratamiento y diagnóstico mediante técnicas ópticas. Una de estas colaboraciones se centra en el desarrollo de una plataforma láser quirúrgica gastrointestinal como alternativa a las técnicas asistenciales convencionales. En la actualidad son bastante comunes los tumores gastrointestinales en la práctica clínica. La ectasia gástrica vascular antral (GAVE) o la proctitis se tratan normalmente con la técnica de coagulación por plasma de gas argón (APC). Sin embargo, estas técnicas tienen desventajas como la reducida área tratada o la incompatibilidad con la resonancia magnética. La cirugía láser endoscópica representa una alternativa ventajosa a estas técnicas en la resección de tumores de colon y el tratamiento de patologías en el estómago. El uso de láseres facilita tanto la ablación selectiva de pólipos con un efecto hemostático adicional en el tejido circundante como la coagulación de lesiones hemorrágicas. Además se pueden tratar áreas más amplias simultáneamente. Los efectos del láser en el tejido son fuertemente dependientes de varios parámetros. Esta dependencia es bastante compleja, incluyendo la propagación óptica, la ablación del tejido y los efectos térmicos. La relación entre los parámetros del láser y la consecución de los efectos deseados implica un adecuado análisis de todos los procesos involucrados. De otra manera, el paciente podría tener resultados terapéuticos insuficientes, que podrían conducir a una recaída del tumor o una perforación del colon que provocase graves complicaciones. En este trabajo, se estudia todo el proceso láser de terapia láser colonoscópica. La propagación óptica se considera mediante una aproximación de Monte Carlo tridimensional. El procedimiento de ablación óptica se tiene en cuenta mediante el mecanismo principal de ablación inducida por plasma. Los efectos térmicos se analizan aplicando la ecuación de biocalor. El análisis se complementa con varias longitudes de onda, duraciones y energías de pulso, y áreas irradiadas. Los resultados muestran diferencias claras entre el volumen de ablación y los efectos térmicos, que son críticos para un tratamiento adecuado. La longitud de onda adecuada del láser, irradiancia y duración y energía del pulso se pueden seleccionar de acuerdo a la geometría y la localización del tumor. Teniendo en cuenta lo anterior, se podría emplear este análisis en la práctica clínica para obtener los parámetros idóneos del haz del láser para tratar cierto tipo de patologías gastrointestinales.

This doctoral thesis deals with the application of optical radiation to minimally invasive treatment of gastrointestinal tract pathologies. In this work optical properties of biological tissues are defined, as long as the therapeutic window, which is strongly related with absorption. The concept of turbid media is also exposed, that is, media with high scattering coefficient, mainly in the Mie regime, when compared with the absorption coefficient, and anisotropy of scattering near one. Several light propagation models through biological tissues are presented. Analytical and numerical approaches to solve them are exposed, particularly the Monte Carlo method, diffusion approach and a hybrid model. The fundamentals of light-matter interaction are also described, as long as the mechanisms and effects of radiation on biological tissues. Special attention is paid to thermo-optical effects, which are present in all laser therapies. Temperature distribution is calculated by means of the bio-heat equation, and also the potential thermal damage, as a function of tissue and source parameters employed in the treatment technique. Afterwards laser ablation factors and effects are studied. Different theoretical ablation models are analyzed, in order to choose the most appropriate for a predictive clinical environment. That model is applied to peptic ulcer and cancerous stomach tissues. The application of non-invasive optical techniques for biological tissues treatment is limited in general to external or easy-reachable organs. This limitation could be solved by using flexible fiber-based endoscopes, which allow non-invasive access to cavities and internal organs of the human body. These devices employ short optical fibers and optical fiber probes, either for the imaging or for the working channels. In this work the basic endoscope characteristics and the different available optical fiber probes for clinical implementation of several endoscopic techniques are presented. The factors that limit the quality of the devices are also analyzed, which are mainly due to opto-geometrical parameters and length. Consequently packaging optimization of fibers in the image channel, crosstalk effect between neighbor reduced-ladding fibers and its influence in image contrast and the effect of core inhomogeneity are studied. A general optimization design method and criteria for cross sectional active area maximization are proposed. These methods try to avoid the resolution degradation by leaky modes. The Applied Optical Techniques Group of the University of Cantabria collaboration with Digestive and Pathological Anatomy Departments of the Marqués de Valdecilla University Hospital, and with the Valdecilla Virtual Hospital, has been developed for several years. The main aim of the collaboration is searching for personalized treatment and diagnostic optical techniques. One of these collaborations is focused on the development of an endoscopic surgical gastrointestinal laser platform as an alternative to conventional clinical techniques. Nowadays gastrointestinal tumors are quite common. Gastric Antral Vascular Ectasia (GAVE) or proctitis are usually treated by Argon Plasma Coagulation (APC). However these techniques present disadvantages, such as a reduced treated area or Magnetic Resonance incompatibility. Endoscopic laser surgery presents an advantageous alternative to those techniques, particularly for colon tumor resection and stomach pathologies treatment. The use of lasers makes selective polyps ablation easier, and adds an additional hemostatic effect in the surrounding tissue. It also provides coagulation of hemorrhagic lesions and is able to treat wider areas simultaneously. Laser effects on biological tissues are strongly dependent on several parameters. This dependency is quite complex, as it includes optical propagation, tissue ablation and thermal effects. The relationship between laser parameters and the desired effects implies an appropriate analysis of all the processed involved. Otherwise the patient could suffer from insufficient therapeutic results, which could lead to tumor recurrence or colon perforation, a very severe complication. In this work all the process regarding colonoscopic laser therapy is studied. Optical propagation is considered by means of a 3D Monte Carlo approach. The process of optical ablation is taken into account by the main mechanism of plasma-induced ablation. Themal effects are analysed by applying the bio-heat equation. The analysis is applied with several wavelengths, pulse durations and energies, and irradiated areas. The results show clear differences in the ablated volume and thermal spatial distribution, which are critical for an adequate treatment. The appropriate laser wavelength, irradiation, pulse duration and energy can be chosen according to the geometry and localization of the tumor. With all the previously mentioned issues, this analysis could be employed in clinical praxis as a tool to obtain optimal laser source parameters to treat particular gastrointestinal pathologies.