Ventana de infrarrojo cercano en tejido biológico

La sangre consta de dos tipos diferentes de hemoglobina : oxihemoglobina (${\displaystyle HbO_{2}}$) está unido al oxígeno, mientras que la desoxihemoglobina (${\displaystyle Hb}$) no está unido al oxígeno. Estos dos tipos diferentes de hemoglobina exhiben diferentes espectros de absorción que normalmente se representan en términos de coeficientes de extinción molar, como se muestra en la Figura 1. El coeficiente de extinción molar de Hb tiene su pico de absorción más alto a 420  nm y un segundo pico a 580  nm. Su espectro luego disminuye gradualmente a medida que aumenta la longitud de onda de la luz. Por otro lado,${\displaystyle HbO2}$muestra su pico de absorción más alto a 410  nm, y dos picos secundarios a 550  nm y 600  nm. A medida que las longitudes de onda de la luz pasan los 600  nm,${\displaystyle HbO_{2}}$La absorción decae mucho más rápido que la absorción de Hb. Los puntos donde los espectros del coeficiente de extinción molar de${\displaystyle Hb}$y${\displaystyle HbO_{2}}$Los puntos que se intersecan se denominan puntos isobésticos .

Utilizando dos longitudes de onda diferentes, es posible calcular las concentraciones de oxihemoglobina (${\displaystyle C_{HbO2}}$) y desoxihemoglobina (${\displaystyle C_{Hb}}$) como se muestra en las siguientes ecuaciones:

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{1})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{1})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{1})C_{Hb}\,}$

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{2})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{2})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{2})C_{Hb}\,}$

Aquí,${\displaystyle \lambda _{1}}$y${\displaystyle \lambda _{2}}$son las dos longitudes de onda;${\displaystyle \varepsilon _{HbO2}}$y${\displaystyle \varepsilon _ {Hb}}$son los coeficientes de extinción molar de${\displaystyle HbO_{2}}$y${\displaystyle Hb}$, respectivamente;${\displaystyle C_{HbO2}}$y${\displaystyle C_{Hb}}$son las concentraciones molares de${\displaystyle HbO_{2}}$y${\displaystyle Hb}$en el tejido, respectivamente. Saturación de oxígeno (${\displaystyle SO_{2}}$) se puede calcular entonces como

${\displaystyle SO_{2}={\frac {C_{HbO2}}{C_{Hb}+C_{HbO2}}}}$

Aunque el agua es casi transparente en el rango de la luz visible, absorbe la luz en la región del infrarrojo cercano. El agua es un componente fundamental, ya que su concentración es alta en los tejidos humanos. El espectro de absorción del agua en el rango de 250 a 1000  nm se muestra en la Figura 2. Si bien la absorción es relativamente baja en este rango espectral, contribuye a la atenuación general de la luz en los tejidos.

Otros componentes tisulares que contribuyen de forma menos significativa al espectro de absorción total del tejido son la melanina y la grasa.

La melanina es un cromóforo presente en la epidermis humana, responsable de la protección contra la radiación UV dañina. Cuando los melanocitos son estimulados por la radiación solar, se produce melanina. ^{[ 7 ]} La ​​melanina es uno de los principales absorbentes de luz en algunos tejidos biológicos (aunque su contribución es menor que la de otros componentes). Existen dos tipos de melanina: la eumelanina, de color negro-marrón, y la feomelanina, de color rojo-amarillo. ^{[ 8 ]} Los espectros del coeficiente de extinción molar correspondientes a ambos tipos se muestran en la Figura 3.

La grasa es uno de los componentes principales de los tejidos, pudiendo constituir entre el 10 % y el 40 % de los mismos. Si bien no se dispone de muchos espectros de grasa de mamíferos, la Figura 4 muestra un ejemplo extraído de la grasa de cerdo. ^{[ 9 ]}

En este caso${\displaystyle SaO_{2}\,}$≈ 98% (saturación arterial de oxígeno). Entonces, la oxihemoglobina será dominante en los espectros de absorción total (negro) y del coeficiente de atenuación efectiva (magenta), como se muestra en la Figura 6 (a). 'cita: Filtro de difusión anisotrópica para la extracción de características de las venas dorsales de la mano – Sarah Hachemi Benziane, Abdelkader Benyettou'

En este caso${\displaystyle SvO_{2}\,}$≈ 60% (saturación de oxígeno venoso). Entonces, la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina tendrán contribuciones similares a los espectros del coeficiente de absorción total (negro) y de atenuación efectiva (magenta), como se muestra en la Figura 6 (b).

Para definir${\displaystyle StO_{2}\,}$(saturación de oxígeno tisular) (o${\displaystyle TSI\,}$(índice de saturación tisular)), es necesario definir una distribución de arterias y venas en el tejido. Se puede adoptar una relación de volumen sanguíneo arterial-venoso del 20 %/80 %. ^{[ 17 ]} Por lo tanto, la saturación de oxígeno tisular se puede definir como${\displaystyle StO_{2}\,}$= 0,2 x${\displaystyle SaO_{2}\,}$+ 0,8 x${\displaystyle SvO_{2}\,}$≈ 70%.

En la figura 6 (c) se muestran los espectros de absorción total (en negro) y de atenuación efectiva (en magenta) del tejido mamario. Además, en la figura 7 se representa la profundidad de penetración efectiva.