La luce non attraversa il corpo umano come farebbe un raggio in un ambiente trasparente, quando incontra la pelle e i tessuti biologici, viene assorbita, riflessa e diffusa in modo diverso a seconda della sua lunghezza d’onda e delle caratteristiche dei materiali attraversati. Questi fenomeni, studiati nell’ambito dell’ottica dei tessuti biologici, sono alla base di diverse tecnologie diagnostiche e di monitoraggio.
Una delle applicazioni più diffuse è la fotopletismografia (PPG), una tecnica ottica non invasiva che permette di rilevare le variazioni del volume di sangue nei tessuti. Il suo principio di funzionamento è utilizzato, tra l’altro, nei sensori per la rilevazione del battito cardiaco e nei pulsossimetri.
I principali fenomeni ottici nell’interazione tra luce e tessuti
Quando la luce incontra un tessuto biologico, può andare incontro a diversi fenomeni fisici che ne modificano la direzione, l’intensità e la distribuzione. Questi processi dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione, dalle proprietà ottiche del tessuto e dalla presenza di strutture cellulari e molecolari. Comprenderli è fondamentale per capire il funzionamento delle tecnologie biomedicali basate sulla luce.
Riflessione
Dal punto di vista fisico, si verifica quando una parte della luce viene rimandata verso il mezzo di provenienza dopo aver incontrato una superficie di separazione tra materiali con differenti indici di rifrazione. Nei tessuti biologici, la riflessione avviene soprattutto alle interfacce tra strutture con proprietà ottiche diverse, come aria e pelle o differenti componenti tissutali. Questo fenomeno viene sfruttato nei sensori ottici riflettenti, nei sistemi di imaging e in alcune configurazioni di fotopletismografia (PPG), nelle quali il rilevatore raccoglie la luce che ritorna dai tessuti. Esempi di strumenti sono i sensori cardiaci degli smartwatch e le sonde ottiche riflettenti.
Trasmissione
È il fenomeno per cui la luce attraversa un materiale e raggiunge il lato opposto. La trasmissione dipende dallo spessore del tessuto e dalla quantità di luce assorbita o diffusa durante il percorso. In ambito biomedico permette di analizzare le caratteristiche ottiche dei tessuti e di rilevare variazioni nella composizione del sangue. È il principio utilizzato dai pulsossimetri trasmissivi, generalmente applicati al dito o al lobo dell’orecchio, nei quali una sorgente luminosa e un fotodetettore sono posizionati su lati opposti del tessuto.
Rifrazione
Si verifica quando la luce passa da un mezzo a un altro con diverso indice di rifrazione, modificando la propria velocità di propagazione e, in generale, la direzione. Nei tessuti biologici questo fenomeno è importante soprattutto alle interfacce tra strutture con proprietà ottiche differenti. La rifrazione è alla base del funzionamento di numerosi dispositivi ottici utilizzati in medicina, come le lenti degli strumenti oftalmologici, i microscopi e i sistemi di imaging. Un esempio significativo è l’oftalmoscopio, che utilizza componenti ottiche per osservare le strutture interne dell’occhio.
Assorbimento
Dal punto di vista fisico, avviene quando l’energia dei fotoni viene trasferita alle molecole presenti nel materiale. Nei tessuti biologici i principali assorbitori, chiamati cromofori, sono l’emoglobina, la melanina e l’acqua, ciascuno caratterizzato da specifiche bande di assorbimento. Questo comportamento permette di ottenere informazioni sulla composizione e sulle condizioni dei tessuti. Il pulsossimetro, ad esempio, sfrutta le diverse proprietà di assorbimento dell’emoglobina ossigenata e deossigenata alla luce rossa e infrarossa per stimare la saturazione periferica di ossigeno. Altre applicazioni comprendono gli spettrofotometri, i laser medicali e i dispositivi per la fototerapia.
Diffrazione
È un fenomeno ondulatorio per cui la luce modifica la propria distribuzione spaziale quando incontra un’apertura o un ostacolo di dimensioni confrontabili con la sua lunghezza d’onda. Non richiede necessariamente l’interazione con molecole o strutture assorbenti. In ambito biomedicale viene sfruttata soprattutto nei sistemi ottici che analizzano strutture microscopiche e nella caratterizzazione di materiali biologici. Alcuni esempi sono i microscopi a diffrazione, i sistemi di analisi delle strutture cellulari e gli strumenti di laboratorio che utilizzano reticoli di diffrazione per separare le diverse lunghezze d’onda della luce.
Scattering (diffusione)
Si verifica quando la luce viene deviata dalla sua direzione di propagazione a causa dell’interazione con particelle, cellule e disomogeneità presenti nel materiale. Nei tessuti biologici è particolarmente importante perché le strutture microscopiche determinano una propagazione complessa della luce, spesso caratterizzata da numerosi eventi di diffusione. Questo fenomeno condiziona la profondità di penetrazione della radiazione e la quantità di luce che può raggiungere un sensore. È sfruttato o analizzato in tecniche come la tomografia ottica a coerenza (OCT), la spettroscopia nel vicino infrarosso e alcuni sistemi di imaging ottico. Anche la fotopletismografia risente dello scattering, che contribuisce al percorso della luce raccolta dal rilevatore.
Nel tessuto biologico questi fenomeni non si verificano necessariamente in modo isolato: possono agire contemporaneamente e influenzarsi a vicenda. La luce che raggiunge un sensore, per esempio, può essere stata trasmessa attraverso il tessuto, assorbita parzialmente e diffusa più volte prima di emergere nuovamente. È proprio dall’analisi di queste variazioni che molte tecnologie biomedicali riescono a ricavare informazioni sulla struttura e sulla fisiologia dei tessuti.
La fotopletismografia: trasformare la luce in un segnale biologico
La fotopletismografia, abbreviata in PPG, è una tecnica che utilizza una sorgente luminosa e un fotodetettore per rilevare le variazioni del volume sanguigno nel microcircolo dei tessuti. Il principio è semplice: durante il ciclo cardiaco, il volume di sangue presente nelle arterie periferiche aumenta durante la sistole e diminuisce durante la diastole. Poiché il sangue assorbe la luce, queste variazioni modificano anche la quantità di luce che attraversa o ritorna dai tessuti. Il sensore rileva le variazioni dell’intensità luminosa e le trasforma in un segnale elettrico. Un circuito elettronico lo amplifica e lo elabora, producendo una forma d’onda che riflette le variazioni pulsatile del volume sanguigno.
Esistono due principali modalità di misurazione:
- Trasmissiva: la sorgente luminosa e il fotodetettore si trovano su lati opposti del tessuto. È la configurazione tipica dei sensori applicati al dito o al lobo dell’orecchio.
- Riflettente: sorgente e rilevatore sono collocati sullo stesso lato. Il sensore misura la luce che ritorna dai tessuti ed è una configurazione comune negli smartwatch e in altri dispositivi indossabili.
La componente pulsatile del segnale PPG è sovrapposta a una componente più lenta, legata alle caratteristiche ottiche dei tessuti e al volume sanguigno medio. Individuando la frequenza delle oscillazioni periodiche è possibile stimare la frequenza cardiaca.
Dal segnale PPG al funzionamento del pulsossimetro
Il pulsossimetro utilizza una particolare applicazione della fotopletismografia per stimare la saturazione periferica di ossigeno, indicata con la sigla SpO₂. Il dispositivo impiega generalmente due sorgenti luminose: una nel rosso, intorno a 660 nm, e una nell’infrarosso vicino, intorno a 940 nm. La scelta di queste lunghezze d’onda dipende dal fatto che l’emoglobina ossigenata e quella deossigenata assorbono diversamente la luce rossa e infrarossa.
Un fotodetettore misura la luce che attraversa il dito o un’altra sede di misurazione. Il sistema elettronico confronta le variazioni di assorbimento alle due lunghezze d’onda, concentrandosi soprattutto sulla componente pulsatile del segnale, associata al sangue arterioso. Attraverso algoritmi di elaborazione e calibrazione, il dispositivo ricava una stima della saturazione di ossigeno e visualizza anche la frequenza del polso.
È importante distinguere i due risultati: la fotopletismografia rileva le variazioni del volume sanguigno, mentre la pulsossimetria utilizza informazioni ottiche aggiuntive per stimare l’ossigenazione dell’emoglobina.
Applicazioni e limiti della misurazione
La fotopletismografia trova applicazione nel monitoraggio dei parametri cardiovascolari, nei dispositivi indossabili e nei sistemi di pulsossimetria utilizzati in ambito clinico. La sua diffusione è legata alla possibilità di effettuare misurazioni non invasive e continue. La qualità del segnale, però, può essere influenzata da diversi fattori: movimento del paziente, scarsa perfusione periferica, temperatura cutanea, pressione esercitata dal sensore, luce ambientale e caratteristiche della pelle. Anche la pigmentazione cutanea può influire sull’accuratezza di alcuni pulsiossimetri: la FDA segnala possibili differenze nelle prestazioni tra persone con differenti tonalità della pelle.
Il valore mostrato dal dispositivo è quindi una stima e non deve essere interpretato isolatamente. In particolare, un pulsossimetro non sostituisce la valutazione clinica né gli esami di laboratorio quando sono necessari.
L’interazione tra luce e tessuti dimostra come un fenomeno fisico possa diventare uno strumento di osservazione biologica: misurando piccole variazioni dell’intensità luminosa, è possibile ricavare informazioni sul flusso sanguigno e sull’ossigenazione, senza ricorrere a procedure invasive.
Fonti:
- Pulse Oximeters – U.S. Food and Drug Administration (FDA)
- Pulse Oximeter Basics – U.S. Food and Drug Administration (FDA)
- Photoplethysmogram Analysis and Applications: An Integrative Review – Frontiers in Physiology Vascular Physiology
- Physical and Methodological Perspectives on the Optical Properties of Biological Samples: A Review – Photonics