Bases físicas de la luz

Bases físicas de la luz Dr. Rafael Álvarez Castelló

ASPECTOS TÉCNICOS

CAPÍTULO 1

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a luz es el medio a través del cual es transmitida la información que nos permite obtener los conocimientos de la endoscopia. De ahí la importancia de dedicarle un capítulo a su estudio.

La luz es una forma de energía. Los cuerpos de color oscuro se calientan más que los de color claro cuando reciben luz. Esto se debe a que el color que percibimos de los cuerpos es precisamente la parte de la luz que no han absorbido. Si vemos un objeto de color verde significa que el cuerpo refleja el color verde y absorbe los demás. Mientras más energía luminosa absorba un cuerpo, más se calentará.(1,2) Los antiguos griegos ya habían observado algunos fenómenos asociados con la luz como la propagación rectilínea, reflexión y refracción. Una idea para explicar la naturaleza de la luz proponía que se trataba de “algo emitido por el ojo” que chocaba contra los objetos y permitía verlos. Más adelante se propuso que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producían el efecto de la visión. Ninguna de las dos hipótesis explicaba por qué no se emiten rayos en la oscuridad, así que se planteó una nueva hipótesis que identificaba la luz como algo procedente del sol y de los cuerpos incandescentes. La cuestión de si la luz está compuesta por partículas o es un tipo de movimiento ondulatorio, ha sido una de las más interesantes en la historia de la ciencia. Al iniciarse el siglo XVIII, Newton propone que la luz está compuesta por partículas, de distinto tamaño según el color. Éstas son emitidas por los cuerpos luminosos y producen la visión al llegar al ojo (Teoría corpuscular). Newton se apoyaba en los siguientes hechos: la trayectoria seguida por los corpúsculos es rectilínea y por ello la luz se propaga en línea recta; cuando se interpone un obstáculo, los corpúsculos no pueden atravesarlo y así se produce la sombra; y la reflexión se debe al rebote de los corpúsculos sobre la superficie reflectora. Sin embargo, no se podía explicar que los cuerpos, al emitir corpúsculos, debían perder masa y esto no se había observado. Además, ya se conocía el fenómeno de la refracción y no podía explicarse por qué algunos corpúsculos se reflejaban y otros se refractaban. 3

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Figura 1. Naturaleza de la luz. La luz consiste en ondas electromagnéticas que se diferencian sólo en su frecuencia. Una onda electromagnética se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico que vibra perpendicularmente a un campo magnético.

Según Newton, la refracción se debía a un aumento de velocidad de los corpúsculos de luz. Por otro lado, Huygens, en la misma época, propone que la luz es una onda (Teoría ondulatoria) basándose en que la masa de los cuerpos que emiten luz no cambia. Además, la propagación rectilínea y la reflexión pueden explicarse ondulatoriamente. La refracción es un fenómeno típico de las ondas. No obstante quedaban hechos sin explicar. No se encontraba una explicación para la propagación de luz en el vacío, ya que se pensaba que todas las ondas necesitaban un medio material para propagarse. No se habían observado en la luz los fenómenos de interferencia y difracción que ya se conocían para las ondas. La teoría corpuscular de Newton fue aceptada durante todo el siglo XVIII, posiblemente por la autoridad de éste. En el siglo XIX se observan en la luz fenómenos de interferencia y difracción y se revitaliza la idea de la luz como onda. En la actualidad se acepta que la luz se comporta como onda y partícula.(3,4,5) En el siglo XIX, Fresnel y Young observaron los fenómenos de interferencia y difracción para la luz, que no podían explicarse con la hipótesis de Newton.

En el vacío no se propaga el sonido porque no hay ningún medio que pueda vibrar. Sin embargo, la luz sí puede viajar por el vacío y este hecho no ha resultado fácil de explicar. En un principio los físicos suponían que debía haber “algo” en el vacío que sirviera para tr0ansportar las ondas luminosas, pero nadie podía detectarlo. Se comenzó a teorizar sobre la existencia de un “éter” que ocupaba el vacío y no podía ser eliminado. Se suponía que el éter era el medio por el que viajaba la luz. Por un lado, debía ser un medio muy rígido para poder justificar la alta velocidad de propagación de la luz y por otro lado, si se trataba de un medio tan rígido, no se explicaba por qué los objetos podían moverse a través de éste casi sin resistencia. La idea del éter se mantuvo viva hasta que a principios del siglo XX, Einstein justificó que determinados tipos de ondas, como las de la luz, podían desplazarse en el vacío. En 1860, Maxwell publicó su teoría matemática sobre el electromagnetismo que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la misma velocidad que la luz. Por ello, argumentó que la luz y otras ondas que se conocían, como las de radio, consistían en un mismo fenómeno: eran ondas electromagnéticas que se diferenciaban sólo en su frecuencia. Hoy consideramos que una onda electromagnética es única, aunque se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico vibrando perpendicularmente a un campo magnético (Figura 1).

Foucault midió la velocidad de la luz en diferentes medios y observó que al pasar del aire al agua disminuía su velocidad, tal como lo había propuesto Huygens. Estos descubrimientos permitieron que se consolidaran las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque todavía quedaban algunas cuestiones sin resolver, relacionadas con la propia naturaleza de la luz y su propagación en el vacío.

La radiación visible constituye sólo una pequeña parte del conjunto de ondas. La gama de longitudes de onda que corresponde a la luz visible se llama espectro visible (Figura 2).(6,7)

Uno de los problemas más complejos para explicar la naturaleza ondulatoria de la luz ha sido la cuestión acerca de cuál es el medio que vibra. Podemos oír el sonido en el aire o bajo el agua porque, tanto el aire, como el agua son los medios materiales que transportan las ondas.

Aunque la teoría ondulatoria es por lo general correcta cuando describe la propagación de la luz, falla a la hora de explicar otras propiedades como la interacción de la luz con la materia. En 1887, Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell, ya que también observó un

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Figura 2. Espectro visible. La radiación visible constituye sólo una pequeña parte del conjunto de ondas. La gama de longitudes de onda que corresponde a la luz visible se llama espectro visible.

nuevo fenómeno, el efecto fotoeléctrico, que sólo puede explicarse con un modelo de partículas para la luz, llamadas fotones. Einstein ha contribuido enormemente al conocimiento sobre la luz. No sólo demostró que la velocidad de la luz en el vacío (casi 300 000 km/s) no puede ser superada, sino

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que introdujo la idea del cuanto de luz. En esencia, la idea de Einstein consiste en considerar que la luz está formada por partículas, ya que los cuantos son pequeños “paquetes” indivisibles de energía, a los que llamó fotones. Es importante recordar que Newton planteó la idea de la luz compuesta de partículas, a las que llamó corpúsculos.

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Figura 3. Efecto fotoeléctrico. Es un fenómeno que consiste en que los electrones de la superficie de algunos metales se desprenden cuando se hace incidir la luz sobre ellos.

Los fotones pueden tener diferente energía dependiendo de su frecuencia; así, una radiación de frecuencia elevada está compuesta de fotones de alta energía.

Al descomponerse, la luz blanca produce, un espectro continuo que contiene el conjunto de colores correspondiente a la gama de longitudes de onda que la integran.

La relación entre la frecuencia y energía es: E = hf, donde E = energía, h = constante de Planck y f = frecuencia. Esta idea de Einstein explica por qué algunas radiaciones como la ultravioleta, rayos X y rayos gamma son perjudiciales para los seres vivos.

Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso, sometidos a temperaturas elevadas, producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de sólo algunas longitudes de onda.

Todas estas radiaciones se encuentran en la zona de mayor frecuencia del espectro electromagnético, y por tanto tienen asociada una energía muy alta que puede producir alteraciones en células e incluso en el ADN.(8,9)

El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto siempre es el mismo, incluso si éste forma parte de un compuesto complejo. Cada elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier otro.

Se descubrió que los electrones de la superficie de algunos metales tenían una energía que nunca superaba una cantidad máxima (figura 3). Si se usaba luz más intensa, se producían más electrones pero no se aumentaba su energía. Este hecho era inexplicable con la teoría de ondas ya que, según ésta, si se utilizaba una luz de mayor frecuencia, debe aumentarse también la energía de los electrones desprendidos. La idea de la luz compuesta por fotones la utilizó Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico y recibió por ello el Premio Nobel en 1921. De esta manera, planteó que los electrones sólo absorbían un cuanto de energía, es decir, un fotón, de manera que si se aumenta la frecuencia de la luz incidente, se consigue que se desprenda mayor número de electrones por unidad de tiempo, aunque su energía no aumentará porque todos ellos han absorbido la misma cantidad que un fotón.

Cada elemento tiene su propia firma espectral. Si pasamos luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma, sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia. La regularidad encontrada en espectros discontinuos supone un apoyo muy importante para comprender la estructura de los átomos. Las técnicas espectroscópicas se empezaron a utilizar en el siglo XIX y no tardaron en dar sus primeros frutos.

El efecto fotoeléctrico permite la conversión de imágenes en señales eléctricas en la punta del videoendoscopio.(10,11,12)

En 1868, el astrónomo francés Janssen se trasladó a la India con el objeto de observar un eclipse de sol y utilizar el espectroscopio, desarrollado ocho años antes, para hacer un estudio de la cromósfera solar. Como resultado de sus observaciones anunció que había detectado una nueva línea espectroscópica, de tono amarillo, que no pertenecía a ninguno de los elementos conocidos hasta ese momento.

Cuando hacemos pasar luz a través de un prisma óptico, se produce el efecto de dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes de onda que forman el rayo incidente.

En el mismo año, el químico Frankland y el astrónomo Lockyer dedujeron que la citada línea correspondía a un nuevo elemento al que llamaron helio (del griego helios que significa sol) por encontrarse en el espectro solar. Du-

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rante más de veinticinco años se pensó que el helio sólo existía en el sol, hasta que, en 1895 Ramsay lo descubrió en nuestro planeta. Estas técnicas de espectroscopia empezaron a tener aplicación dentro de la endoscopia.(13,14) Eligiendo de forma adecuada tres colores y mezclándolos en diferentes proporciones, se puede obtener toda la gama de colores existentes (Figura 4). Los tres colores reciben el nombre de colores primarios. En la televisión se utilizan los colores rojo, verde y azul como colores primarios para producir la gama de colores que podemos ver en las pantallas. Estos tres colores se llaman primarios aditivos. Cuando mezclamos dos colores puros diferentes, se obtiene otro color, por ejemplo rojo mezclado con verde produce amarillo. Podemos mezclar el amarillo con el azul y se habrá conseguido el color blanco. Cada pareja de colores con los que puede conseguirse este efecto se llama pareja de colores complementarios. Los tres colores primarios, rojo, verde y azul, corresponden a radiaciones de longitud de onda diferente, pero el ojo no es un aparato de medida de la composición de la luz. Cuando percibimos una luz como amarilla es porque en su constitución predominan rojo y verde. Se produce la sensación de color amarillo y, sin embargo, a nuestros ojos no ha llegado ninguna longitud de onda que corresponda a ese color, sino que interpretamos la mezcla de los colores como si se tratara de un solo color. Casi todos los objetos deben su color a pigmentos o pinturas que absorben determinadas longitudes de onda de la luz blanca y reflejan el resto. De esta manera, lo que llega a nosotros es el conjunto de longitudes de onda que han sido reflejadas y son éstas las que producen la sensación de color, que se denomina color pigmento. Los colores pigmento que absorben la luz de los colores primarios aditivos se llaman colores primarios sustractivos.(15,16) Una imagen es la representación visual de un objeto. En física, la imagen óptica de un objeto es la proyección de los puntos de la superficie visible del objeto sobre un plano. Esta proyección debe ser ordenada a manera que se guarde relación de cada punto desde su origen hasta el plano donde es proyectado. Esta proyección utiliza la energía luminosa (luz) como medio de transporte. La luz, es una onda electromagnética compuesta por partículas energizadas llamadas fotones, capaz de ser percibida por el ojo humano y cuya frecuencia o grado de energía determina su color. La luz, reflejada en los objetos, crea imágenes que son captadas por los ojos.(17,18) La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento, características y manifestaciones de la luz. Abarca el estudio de la reflexión, refracción, interferencias, di-

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Figura 4. Colores primarios.

fracción, formación de imágenes e interacción de la luz con la materia. Una lente es un dispositivo óptico con simetría axial casi perfecta que transmite y refracta la luz, concentrando o dispersando el rayo. Una lente simple contiene un solo elemento óptico. Una lente compuesta consiste en un arreglo de lentes simples con un eje común. El uso de múltiples lentes permite corregir mayor cantidad de aberraciones que con una simple. Son fabricadas con vidrio o plástico transparente. Las lentes más comunes se basan en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos de luz al incidir en puntos diferentes de las mismas. Se usan lentes o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios, microscopios y endoscopios. Existen también instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros tipos de ondas electromagnéticas y a los que se les denomina también lentes, como en los microscopios electrónicos donde éstas son de carácter magnético. Existen dos tipos principales de lentes, convergentes y divergentes. En la convergente, los rayos de luz paralelos procedentes del infinito, convergen sobre el plano focal de la imagen. Consisten en lentes cuyo espesor disminuye del centro hacia los bordes. En este tipo de lentes, todo rayo que pase paralelamente al eje principal, al refractarse, se junta en su foco. Estas lentes forman imágenes reales de objetos. Existen tres clases de lentes convergentes: las biconvexas, las plano-convexas y las cóncavo-convexas. En las lentes divergentes, los rayos procedentes de un mismo punto de un objeto, divergen al atravesar la lente; el espesor disminuye de los bordes hacia el centro. En este tipo de lentes, todo rayo que pase paralelamente al eje principal, al refractarse se separa como si procediera

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Figura 5. Tipos de lentes. Existen dos tipos principales de lentes, las convergentes y las divergentes. En la lente convergente, los rayos de luz paralelos procedentes del infinito, convergen sobre el plano focal de la imagen. En las lentes divergentes, los rayos procedentes de un mismo punto de un objeto, divergen al atravesar la lente.

de un foco principal. Las lentes divergentes forman imágenes virtuales de los objetos. Existen tres clases de lentes divergentes: las bicóncavas, las plano-cóncavas y las convexo-cóncavas.

Cada punto tiene un color y una intensidad determinados. La suma de la intensidad de cada color primario del pixel determinará el color del mismo en un grado de luminosidad determinado.

El acomodo de lentes a lo largo de un conducto de luz, permite modificar las imágenes, tal como ocurre en la lente del endoscopio (Figura 5).

En conjunto, los pixeles forman la imagen (Figura 7 ). A mayor cantidad de puntos, mayor resolución de imagen, lo que se manifiesta como más nitidez. La resolución es una cualidad del sistema óptico que permite diferenciar entre dos elementos pictóricos separados.

El popularmente llamado lente telefoto permite ver a profundidad un plano estrecho del plano de visión (acerca la imagen), mientras que el gran angular aumenta el plano de visión a expensas de perder profundidad en el campo de visión (aleja la imagen).(19,20) El ángulo de visión para cada objetivo se determina por la distancia focal y el tamaño del tubo del lente. Cuando mayor sea la distancia focal, menor será el ángulo de visión y cuando mayor sea el tubo del lente, mayor el ángulo de visión para una distancia focal dada (Figura 6). La formación de una imagen se debe a la integración de un conjunto de puntos (pixeles) sobre un plano. El pixel (del inglés picture element, es decir, “elemento de la imagen”) es la menor unidad en la que se descompone una imagen digital, ya sea una fotografía, un fotograma de vídeo o un gráfico.

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En los endoscopios de fibra, un pixel es captado y transportado por una fibra, mientras que en los videoendoscopios cada pixel es registrado por una celda fotosensible para ser convertido posteriormente en una señal eléctrica.(21,22,23) La información que nuestros ojos reciben del mundo exterior es de dos tipos: brillo y longitud de onda. El brillo de los objetos nos dice qué cantidad de luz incide sobre ellos, mientras que la longitud de onda se transmite como color. El violeta es la longitud de onda visible de mayor longitud y el rojo, la más corta. Los demás colores visibles están distribuidos entre ellos como en el arcoiris. Es posible; sin embargo, producir cualquiera de los colores del espectro

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CAPÍTULO 1. BASES FÍSICAS DE LA LUZ

Figura 6. Distancia focal y ángulo de visión, elementos que en endoscopia explican la amplitud del campo de visión y la percepción del tamaño de los objetos.

Figura 7. Pixel. La formación de una imagen se debe a la integración de un conjunto de puntos llamados pixeles sobre un plano. El pixel (del inglés picture element, es decir, “elemento de la imagen”) es la menor unidad en la que se descompone una imagen digital.

por la combinación de sólo tres de sus componentes: rojo, verde y azul (R, G, B) que son los colores primarios y cuya combinación forma un blanco perfecto.

En otras palabras; rojo + verde + azul = croma. Croma + luminancia = color en su saturación, con el grado de brillo correcto. Es toda la información requerida para ver un objeto con su verdadero color.(24,25)

En video, el tinte de un color en particular es denominado “croma”. Éste se modifica por su grado de brillo (luminancia) hacia el blanco o negro. La luminancia aislada determina la imagen en blanco y negro, mientras que el croma, la de color. La luminancia, por lo tanto, también afecta el grado en el cual el color es más claro u oscuro, lo que se conoce como grado de saturación del color.

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Las fuentes de luz o luminosas son todas aquellas capaces de emitir luz, es decir radiación electromagnética en el espectro visible que va de los 400 a 700 nanómetros. Las fuentes pueden ser naturales como el sol, o artificiales como una lámpara. También pueden ser primarias si producen la luz que emiten o secundarias si sólo reflejan

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la luz de otra fuente. La luz blanca es la suma de todos los colores y transmite luz de todas las longitudes de onda al mismo tiempo. La luz de color puede producirse de tres maneras: 1) mediante una fuente de luz monocromática que produce luz de longitud de onda única como la luz láser. 2) mediante el método sustractivo de producción de color, como el que ocurre cuando se utilizan pintura o colorantes que captan la luz blanca y sólo reflejan la luz del color del objeto o cuando se dirige un rayo de luz blanca a través de un vidrio teñido que sólo permite el paso de luz de determinada longitud de onda, según el color del vidrio, absorbiendo el resto de longitudes de onda. 3) mediante el método aditivo, al sumar fuentes de luz de distintos colores e intensidades, con la combinación de colores primarios y su proyección sobre una misma área, como ocurre en las pantallas de los televisores. Las distintas lámparas utilizadas como fuente de iluminación para el endoscopio, emiten luz dentro de un rango que va del tinte rojizo (lámparas de halógeno a 3 700 grados K) pasando por el blanco (xenón a 5 500 grados K) y al azulado (metal halogenado a 6 000 grados K). El color de la luz emitida es modificado adicionalmente por las características del mecanismo que transporta la luz desde la lámpara. Para reproducir objetos blancos como puramente blancos en el monitor, independientemente del tinte de color generado, el sistema de video debe ajustarse al balance de blanco que se comentará posteriormente.(26,27) El ojo funciona al proyectar imágenes del medio a la retina, donde son detectadas y transmitidas a través del nervio óptico. Para que los rayos de luz puedan transportar la imagen a la retina, deben enfocarse en la misma. Para que puedan ser enfocados, deben refractarse. La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda y sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios con índices de refracción distintos. La luz es refractada en el cristalino y proyectada sobre la retina. En ésta, la luz es transformada en impulsos eléctricos que el nervio óptico transmite a centros visuales de lóbulos occipitales del cerebro. Ahí, a través de un mecanismo desconocido, se descifra la imagen y se interpreta. La retina está compuesta por un panel de células sensoriales que reaccionan de forma distinta a la luz y los colores. Éstas se llaman bastones y conos. Los bastones se activan en la oscuridad y sólo permiten distinguir negro, blanco y distintas escalas de gris. Los conos en cambio funcionan de día o en ambientes iluminados y hacen posible la visión en colores. Hay tres tipos de co-

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nos. Cada tipo está adaptado a uno de los tres colores primarios. Los conos están concentrados en el centro de la retina mientras que los bastones aumentan hacia la periferia. Por lo tanto, los segundos facilitan la visión perimetral. Cada cono está conectado de forma individual con el centro visual del cerebro, lo que en la práctica permite distinguir a una distancia de diez metros, dos puntos luminosos separados por un milímetro, aproximadamente. Cada célula sensorial de la retina capta el equivalente a un pixel de información visual de la imagen.(28,29) La interacción entre luz y materia depende de la transferencia de energía entre partículas de luz (fotones) y de materia. Las partículas de materia incluyen componentes submicroscópicos como electrones, átomos y moléculas o entre partículas más grandes como los gránulos, organelos y células. Tanto los fotones como las moléculas exhiben una naturaleza cuántica intensa al mostrar características, tanto de partículas, como de ondas. Los fotones transportan energía de magnitud proporcional a su frecuencia (ley de Planck). De acuerdo con la mecánica cuántica, únicamente discretas cantidades de energía pueden ser almacenadas en las moléculas. Esto ocurre en las órbitas de los electrones, en vibraciones entre átomos y por las rotaciones entre moléculas. Las interacciones entre luz y tejidos biológicos pueden ser elásticas o inelásticas dependiendo de si el tejido absorbe energía o si la rebota sin absorberla. En la dispersión elástica de energía luminosa, la frecuencia de la radiación luminosa que llega al tejido y el estado de energía de la molécula del tejido permanecen sin cambios, pero la dirección de propagación de luz puede estar alterada. Existen dos categorías importantes de dispersión elástica, la de Rayleigh y la de Mie. En la primera, las partículas de luz son más pequeñas que la longitud de onda, resultando en una dispersión de luz uniforme en todas direcciones. La teoría de Mie describe la dispersión de luz a través de partículas de mayor tamaño que las longitudes de onda de la misma luz, con lo que se obtiene una señal polarizada. En procesos de dispersión inelásticos, parte o la totalidad de la energía transportada por el fotón puede ser absorbida por la partícula. La energía absorbida puede ser disipada a sitios adyacentes en forma de calor o reemitida como otro fotón generalmente de menor frecuencia. La disipación en forma de calor es la que utiliza láser para obtener cauterización de tejidos. Casos de dispersión elástica e inelástica son frecuentemente dependientes, por lo que midiendo las frecuencias que son absorbidas y dispersadas, así como la emisión de luz, puede obtenerse información acerca de la distribución en tamaño y composición de las partículas tisulares.

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La dispersión elástica es la interacción más frecuente que ocurre entre la luz y el tejido en el espectro visible y en el cercano al infrarrojo. Los conceptos anteriores nos explican cómo se refleja la luz en tejidos biológicos y tienen aplicación en el estudio espectroscópico del tejido normal y enfermo.(30) Al final, la compresión de la luz desde sus bases físicas puede parecer compleja, pero para el endoscopista ilumina sus inicios porque es la materia prima que manejará siempre. Además, el conocerla permitirá comprender futuras tecnologías.

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