Elemental analysis by LIBS spectroscopy in bone samples from patients with vertebral destruction syndrome: a prospective cross-sectional study

Abstract

Introducción

El síndrome de destrucción vertebral (SDV) se caracteriza por alteraciones estructurales del hueso vertebral secundarias a etiologías infecciosas, neoplásicas o metabólicas. Aunque el algoritmo diagnóstico del Instituto Nacional de Rehabilitación tiene una efectividad del 90%, hasta un 10% de los casos permanece sin diagnóstico definitivo, requiriendo tratamiento empírico. La espectroscopía de rompimiento inducido por láser (LIBS) permite un análisis elemental rápido, multielemental e in situ sin preparación previa. Su aplicación en muestras óseas vertebrales podría representar una herramienta diagnóstica complementaria en el abordaje del SDV.

Objetivo

Evaluar la utilidad de la espectroscopía LIBS para identificar diferencias en la composición elemental de muestras óseas vertebrales obtenidas de pacientes con SDV de diversas etiologías y correlacionar estos hallazgos con el diagnóstico clínico convencional.

Metodología

Estudio prospectivo, transversal y observacional. Se analizaron 69 muestras óseas obtenidas durante procedimientos quirúrgicos en pacientes con diagnóstico de SDV y controles con patología degenerativa. Las muestras fueron procesadas con LIBS empleando un láser Nd:YAG (1064 nm, 1 Hz). Se adquirieron 15 espectros por muestra. Se identificaron líneas de emisión correspondientes a elementos mayoritarios, minoritarios y traza. Para validación, 11 muestras fueron analizadas adicionalmente por espectroscopía de emisión óptica por plasma acoplado inductivamente (ICP-OES). Se entrenó una red neuronal artificial con validación cruzada leave-one-out, utilizando regiones espectrales específicas por elemento.

Resultados

Se adquirieron 1,035 espectros LIBS. Las líneas más intensas correspondieron a Ca, P, Mg y Na. Elementos traza como Zn, Sr, Cu, Ba, Cr, Mn, Ti y Ni fueron detectados en casos seleccionados. Se observó una fuerte correlación Ca II (315.89 nm) vs P I (255.38 nm) (R² = 0.8), y una relación inversa Ca–C, útil para distinguir tejido cortical y esponjoso.

Los modelos de red neuronal permitieron predecir concentraciones elementales con errores estándar <15% para elementos mayoritarios y variabilidad creciente para elementos en niveles traza. La reproducibilidad espectral fue alta (CV <10% para Ca y P). Se identificaron firmas metálicas atípicas en muestras con implantes. El análisis multivariado (PCA) mostró agrupamiento preliminar por etiología (infecciosa, neoplásica, metabólica), lo que respalda el potencial discriminativo del espectro LIBS.

Conclusiones

La espectroscopía LIBS permite una caracterización rápida y confiable del hueso vertebral, revelando patrones espectrales diferenciables según la etiología del SDV. Su implementación podría complementar el algoritmo diagnóstico actual, optimizando tiempos y precisión diagnóstica.