A través de este Trabajo de Fin de Grado se tiene como objetivo el análisis del proceso de generación de plasma en tejidos biológicos con el fin de valorar la eficacia de la técnica de espectroscopia de plasma inducido al variar determinados parámetros. Además, calcularemos el volumen afectado para estos casos.
Se comienza con una descripción de los efectos fundamentales que ocurren en las interacciones láser-tejido. Vemos los efectos que producen estas interacciones sobre los tejidos y los parámetros sobre los que dependerán fundamentalmente.
A continuación, se procederá a estudiar la técnica de espectroscopia de plasma inducido por láser (LIBS), forma más común de realizar la espectroscopia de plasma inducido electromagnéticamente. Se tratan los distintos procesos que caracterizan la ablación laser, los parámetros que envuelven al plasma inducido por láser, la emisión de dicho plasma y los instrumentos empleados para esta técnica.
Posteriormente, se presentan los entornos a utilizar en el estudio. Introducimos el entorno MMC, donde explicamos cómo realiza la propagación de fotones a través del método de Monte Carlo, además de presentar el generador de mallas, Iso2mesh. Sobre estos entornos se realizan modificaciones para conformar el entorno final de trabajo que permita la obtención de resultados realistas.
Por último, realizamos el análisis del impacto de fotones láser sobre unos tejidos biológicos seleccionados, el colón y estómago. Escogimos dos tiempos de pulsos láser de diferentes magnitudes con los que simular tres casos distintos para ambos tejidos, con el objetivo de observar los efectos producidos en relación con la ablación. Se observó que para pulsos del rango de los microsegundos la ablación se expandía de manera descontrolada para ambos casos, especialmente el estómago. Por otro lado, para pulsos del rango de los nanosegundos, el primer caso del colon no lograba la ablación mientras que todos los casos del estómago lo lograban. También se destaca que la ablación, con el pulso de nanosegundos, aparecía en el colón antes en la capa muscular que en la serosa, debido a la diferencia de valores en los coeficientes de absorción y parámetros de esparcimiento de las dos capas.
The aim of this Final Degree Project is to analyse the process of plasma generation in biological tissues in order to assess the effectiveness of the induced plasma spectroscopy technique by varying certain parameters. In addition, we will calculate the affected volume for these cases.
We begin with a description of the fundamental effects that occur in laser-tissue interactions. We see the effects that these interactions produce on the tissues and the parameters on which they will fundamentally depend.
Next, we will study the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique, which is the most common way of performing electromagnetically induced breakdown spectroscopy. The different processes that characterise laser ablation, the parameters surrounding the laser-induced plasma, the emission of the laser-induced plasma and the instruments used for this technique are discussed in this chapter.
Subsequently, the environments to be used in the study are presented. We introduce the MMC enviroment, where we explain how it performs the photon propagation through the Monte Carlo method, as well as the mesh generator, Iso2mesh. Modifications are made to these environments to form the final working environment that allows realistic results to be obtained.
Finally, we performed the analysis of the impact of laser photons on selected biological tissues, the colon and stomach. We chose two laser pulse times of different magnitudes to simulate three different cases for both tissues, in order to observe the effects produced in relation to ablation. It was observed that for pulses in the microsecond range, ablation expanded uncontrollably for both cases, especially the stomach.. On the other hand, for nanosecond range pulses, the first colon case failed to ablate while all stomach cases did. It is also noted that ablation with the nanosecond pulse in the colon appeared earlier in the muscle layer than in the serosal layer, due to the difference in values of the absorption coefficients and scattering parameters of the two layers.
