Fundamentos de Óptica, Microscopía Avanzada e Integración de Imagen Médica (DICOM)

Fundamentos de la Luz y la Óptica

Naturaleza de la Luz

• Radiación electromagnética: Campos E y B perpendiculares.
• Dualidad onda-partícula.
• Fórmulas clave:
  • Velocidad de la luz: c = λ·ν
  • Energía del fotón: E = h·ν = hc/λ

Color y Modelos

• RGB (Aditivo): Utilizado en pantallas.
• CMY (Sustractivo): Utilizado en impresión.
• Munsell: Define el color por tono, saturación y brillo.

Óptica Geométrica

• Ley de Snell: n&sub1;·senθ&sub1; = n&sub2;·senθ&sub2;
• Lentes convexas: Convergentes, generan imagen real.
• Lentes cóncavas: Divergentes, generan imagen virtual.

Comparativa: Ojo Humano vs. Cámara

• Ojo: Córnea + cristalino → retina (bastones/conos).
• Cámara: Lentes + sensor (CCD/CMOS).

Difracción, Interferencia y Resolución

• La difracción aumenta con la disminución de la apertura.
• Interferencia: Genera franjas claras/oscuras.
• Resolución (Rayleigh): θ ≥ 1.22·λ/D o R = 0.61·λ/NA

Parámetros de Microscopía Óptica

• Apertura Numérica (NA): NA = n·senθ
• Resolución: d = 0.61·λ/NA
• Profundidad de campo: ≈ 2·λ/NA²

Otros Fenómenos Ópticos

• Efecto Doppler:
  • Acercamiento: Blueshift (desplazamiento al azul).
  • Alejamiento: Redshift (desplazamiento al rojo).
• Tipos de Onda:
  • Luz: Transversal.
  • Sonido: Longitudinal.

Tipos de Microscopía

Microscopía Óptica de Luz Transmitida

Campo Claro (Brightfield)

• La luz pasa a través de la muestra.
• Ideal para cortes finos y teñidos.
• Iluminación Köhler: Requiere diafragma de campo y de apertura.

Campo Oscuro (Darkfield)

• Fondo negro, solo se visualiza la luz dispersada.
• Resalta partículas pequeñas (ej. bacterias).

Contraste de Fases (Phase Contrast Microscopy)

• Las diferencias de índice de refracción se convierten en imagen visible.
• Ideal para muestras vivas sin tinción.

Microscopía de Luz Reflejada

• La luz rebota en la muestra opaca.
• Ideal para células vivas sin teñir.

Microscopía de Fluorescencia

• Fluorocromos: Absorben λ corta → emiten λ larga (Stokes shift).
• Filtros: Excitación, dicroico, emisión.
• Permite el multietiquetado de proteínas, ADN y membranas.

Microscopía Confocal

• Utiliza láser y pinhole (agujero de alfiler) para generar una imagen por planos.
• Permite la reconstrucción 3D.
• Ideal para tejidos gruesos.

Microscopía Electrónica

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

• Genera una imagen 3D de la superficie.
• Requisitos de la muestra: Seca, conductora, recubierta (Au/Pt).
• Señales detectadas: Electrones secundarios, retrodispersados, EDX.

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)

• Los electrones atraviesan la muestra ultrafina.
• Ofrece resolución atómica.
• Requiere tinción pesada.

Preparación de Muestras y Técnicas Histológicas

Preparación Histológica Clásica

1. Fijación.
2. Deshidratación.
3. Aclarado.
4. Infiltración en parafina.
5. Inclusión.
6. Corte (1–10 μm).
7. Montaje y tinción.

Tinciones Comunes

• H&E (Hematoxilina y Eosina): Hematoxilina (núcleo, azul) + Eosina (citoplasma, rosa).
• PAS: Carbohidratos (magenta).
• Tricrómica: Músculo rojo, colágeno azul, núcleos negros.
• Oil Red O: Lípidos.

Inmunohistoquímica (IHC)

• Utiliza anticuerpo primario + marcador (enzima/color).

Inmunofluorescencia

• Utiliza anticuerpo primario + secundario con fluoróforo.
• Permite el multietiquetado (ej. actina, DAPI).

Imagen Molecular y Multimodalidad

Técnicas de Imagen Molecular sin Marcadores

Espectroscopía Raman

• Genera espectros vibracionales (“huella química”).
• No requiere tinción ni marcadores.

Imagen Molecular por Espectrometría de Masas (MALDI-MSI)

• Detecta la composición química local (m/z).
• Genera una imagen molecular.

Integración y Fusión de Imágenes

Multimodalidad

• Combina técnicas para obtener información estructural (histología), molecular (MSI) y funcional (MRI).

Co-registro de Imágenes

• Manual: Basado en puntos fiduciales.
• Automático: Basado en patrones de intensidad o forma.
• Transformaciones:
  • Afín: Global.
  • Warping: Local, elástico.

Fusión de Datasets

1. Co-registro.
2. Alineación de resolución.
3. Integración de datasets.
4. Reducción dimensional (PCA, t-SNE, UMAP).

Ejemplos de Aplicación Real

• MSI + Histología: Diferenciación de tumor vs. tejido sano.
• MSI + MRI: Distribución de fármacos.
• MSI 3D + MRI + H&E: Análisis multiescala.

Estándares de Imagen Médica: DICOM y PACS

¿Qué es DICOM?

• Estándar para imágenes médicas (Digital Imaging and Communications in Medicine).
• Define el formato, protocolo y jerarquía (Paciente → Estudio → Serie → Imagen).

Contenido de un Archivo DICOM

• Header: ID paciente, fecha, modalidad, parámetros.
• Imagen: Píxeles, volumen, segmentaciones.

Aspectos que Estandariza DICOM

• Formato de archivo.
• Estructura de metadatos.
• Protocolo de comunicación (PACS).

Aspectos que NO Estandariza DICOM

• Implementación interna de fabricantes.
• Funciones soportadas.
• Validación automática.

Aplicaciones en IA e Investigación

• Proporciona datos trazables y reutilizables.
• Facilita la creación de bases de datos clínicas.
• Soporta segmentación y anotación.

PACS

• Sistema hospitalario para el almacenamiento y distribución de imágenes DICOM.