DISCRIMINACION DE INDIVIDUOS A PARTIR DE TEJIDO OSEO UTILIZANDO ESPECTROSCOPIA DE ABLACION LASER Y PROCESAMIENTOS MATEMATICOS.

Discriminación de individuos a partir de tejido óseo utilizando espectroscopía de ablación láser y procesamientos matemáticos.

El método se basa en el análisis de tejido óseo empelando la técnica de espectroscopia de ablación láser combinada con una red neuronal que permite manejar un gran número de datos en un tiempo muy corto.

La metodología empleada proporciona un método adecuado de alta sensibilidad y especificidad en la discriminación de tejido óseo, independientemente de su antigüedad, que permite, de forma rápida, agrupar un conjunto de restos óseos pertenecientes a un individuo y diferenciarlos claramente de otros individuos o restos óseos que pudieran encontrarse junto a los primeros. El método desarrollado tiene aplicación en diversos campos como, por ejemplo, en antropología, arqueología y, principalmente, en determinaciones forenses.

Discriminación de individuos a partir de tejido óseo utilizando espectroscopía de ablación láser y procesamientos matemáticos.

Objeto y campo de la invención Esta invención se enmarca en el campo discriminación de individuos a partir de restos óseos mediante análisis espectral de material biológico, concretamente para analizar tejido óseo empelando la técnica de espectroscopia de ablación láser. La metodología empleada proporciona un método adecuado de alta sensibilidad y especificidad en la discriminación de tejido óseo, independientemente de su antigüedad, que permiten agrupar un conjunto de restos óseos pertenecientes a un individuo y diferenciarlos claramente de otros individuos o restos óseos que pudieran encontrarse junto a los primeros. El método desarrollado tiene aplicación en diversos campos como, por ejemplo, en antropología, arqueología y, principalmente, en determinaciones forenses.

Estado de la Técnica Las técnicas clásicas utilizadas en la identificación positiva de restos humanos consisten en el análisis y comparación de huellas dactilares, radiografías esqueléticas o dentales y, en ocasiones, por la presencia de marcas únicas, tales como tatuajes o cicatrices.

Actualmente, en el entorno forense se utilizan análisis genéticos (análisis de ADN) sobre muestras biológicas debido a su objetividad ya que se basan en fundamentos científicos. Sin embargo, este tipo de análisis para determinar a qué individuo pertenece una muestra biológica presenta, fundamentalmente, la limitación del factor tiempo pues los protocolos exigen unos tiempos mínimos de tratamiento de las muestras; además, las muestras a analizar pueden haber sufrido una serie de modificaciones debido al tiempo transcurrido desde su recogida hasta el momento de su estudio, a las condiciones ambientales a las cuales se vieron sometidas, a la cantidad de muestra, al soporte donde se encuentran, al lugar de procedencia o al tipo de muestra.

En relación al tipo de muestra de donde se extrae el ADN, para los cadáveres ya esqueletizados en los que la única muestra disponible son los huesos y los dientes la extracción es más larga y costosa debido a su estado de degradación y contaminación.

Antes de realizar un estudio de ADN existen pasos previos que permiten discriminar el tipo de resto biológico. Así, se aplican pruebas orientativas (de bajo coste, sencillas de realizar y rápidas que revelan la posible naturaleza de la muestra sin ser concluyentes) , pruebas de certeza (que sirven para determinar la naturaleza de la muestra) y pruebas específicas (que sirven para determinar a qué tipo de organismo pertenece la muestra) . En algunas ocasiones no es posible realizar este tipo de pruebas preliminares debido a la escasa cantidad de muestra disponible.

Por todo ello, en los casos en que el número de restos es grande, los procedimientos existentes basados en el análisis de ADN para agruparlos pueden representar un alto costo tanto temporal como económico.

En el caso de restos humanos, el análisis elemental de huesos y dientes puede utilizarse para discriminar entre diferentes individuos y para conocer determinados hábitos del individuo y su posible exposición a diferentes condiciones ambientales.

En la presente invención se planeta la técnica de espectroscopia de plasma inducido por láser (LIBS) para análisis elemental de restos óseos.

La técnica de LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) es un método rápido y versátil y más económico que otras técnicas espectrales, como LA-ICP-MS, para efectuar el análisis de distintos tipos de muestras que pueden ser inaccesibles o tediosos por técnicas analíticas convencionales, siendo particularmente útil en el análisis de muestras con una matriz compleja, (J.O. Cáceres et al. Spectrochimica Acta B: Atomic Spectroscopy 56 (6) 831 (200 1 ) , WB Lee, et al, Appl Spectrosc. Rev. 39 (1) 27 (2004) ) .

La técnica LIBS ya ha sido utilizada para el análisis de muestras biológicas de tejidos blandos de organismos vivos o muertos (por ejemplo, el documento US 7, 092, 087 describe el análisis por LIBS muestras de vejiga, colon, endometrio, pulmón, ovario, próstata o recto con el fin de detectar cáncer y Yueh et al. en Spectrochemica Acta Part B 64 (2009) describen el uso de LIBS para diferenciar hígado, riñón, cerebro, pulmón, Músculo o bazo en pollos muertos) , de tejidos calcificados de organismos vivos (por ejemplo, análisis de minerales en pelo de individuos expuestos a contaminantes ambientales según describen Corsi et al. en Applied Optics 42 (30) , 2003) y Smek et al. en Spectrochemica Acta Part B 56 (2001) , que describe la aplicación de análisis por LIBS al análisis de minerales y elementos tóxicos en huesos o dientes de niños y adultos con el fin de conocer el efecto de su exposición a distintos ambientes) , de tejidos calcificados de restos fósiles (por ejemplo, Alvira et al. en Applied Spectroscopy 64 (3) , 2010 describen el análisis de trazas en dientes de Hamo sapiens con el fin de conocer sus hábitos o Hrdlickka et al. en Applied Optics 49 (13) , (20 1 O) describen el análisis remoto de restos óseos en excavaciones arqueológicas o Martin et al. en Bulletin of Laser and Spectroscopy ofIndia 14 (2005-2006) describen la aplicación de LIBS al análisis de huesos procedentes de restos de diferentes mamíferos) o de restos humanos incinerados (Martin et al. en Spectrochemica Acta Part B 62 (2007) donde describe la aplicación de LIBS al análisis de restos humanos incinerados para obtener información sobre un crimen) .

Para que los resultados obtenidos del análisis LIBS permitan la discriminación entre diferentes muestras analizadas, es necesario realizar una correlación correcta de los resultados cuantificando el grado de similitud entre dos muestras. Así, utilizando un procedimiento de correlación adecuado el sistema LIBS puede ser entrenado para reconocer espectros procedentes de diferentes muestras, lo cual significa evaluar la similitud de espectros desconocidos con un banco espectral de muestras clasificadas.

l. Método de discriminación de individuos mediante la identificación y caracterización instantánea de tejido óseo caracterizado porque comprende: (a) 5 irradiar una muestra empleando un láser focalizado sobre la superficie de una muestra, (b) detectar la radiación producida por los elementos químicos del plasma que se forma en la superficie sobre la que se focaliza el haz láser, obteniendo un espectro único de la muestra, utilizando un analizador óptico (e) comparar la señal del detector con una base espectral dinámica utilizando un lo sistema de redes neuronales artificiales que incluyen algoritmos matemáticos supervisados.

2. Método de discriminación de individuos mediante la identificación y caracterización instantánea de tejido óseo, según reivindicación 1, donde le láser es un láser en estado sólido o gaseoso que emite en el rango ultravioleta, visible o infrarrojo.

3. Método de discriminación de individuos mediante la identificación y caracterización instantánea de tejido óseo, según reivindicaciones 1 y 2, donde el láser es del tipo Nd:YAG trabajando a una frecuencia de 1 a 20Hz, a una longitud de onda fija de 1064 nm, con una duración de pulso de 4 nanosegundos

4. Método de discriminación de individuos mediante la identificación y caracterización instantánea de tejido óseo, según reivindicación 1, donde la detección de la radiación producida por los elementos químicos del plasma se realiza a través de un sensor óptico CCD que proporciona 2048 puntos espectrales en un rango de 200 a 11 00 nm.

5. Método de discriminación de individuos mediante la identificación y caracterización instantánea de tejido óseo, según reivindicación 1, donde la red neuronal posee conexiones hacia delante basadas en un modelo de propagación perceptron, tres capas (entrada, salida y oculta) , una función de transferencia entre capas que utiliza una algoritmo tangente hiperbólico sigmoidal y su matriz de

pesos se optimiza mediante el algoritmo de entrenamiento de gradiente escalado conjugado SCG previniendo el sobreajuste y el sobreentrenamiento.

6. Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras de tejido óseo que comprende: (a) un equipo láser capaz de producir un proceso de vaporización y posterior formación de un plasma en la superficie de una muestra,

(b) un analizador óptico que detecta la radiación producida por los elementos químicos del plasma, (e) un ordenador personal con interfaz gráfica que permite al usuario el control del láser, la observación del espectro de la muestra obtenido y la representación de los resultados para su análisis y que incluye un base de datos espectral dinámica que utiliza un sistema de redes neuronales artificiales que incluyen algoritmos matemáticos supervisados.

7. Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras de tejido óseo, según reivindicación 6, donde le láser es cualquier tipo de láser es un láser en estado sólido o gaseoso que emite en el rango de ultravioleta, visible o infrarrojo.

8. Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras óseas, según reivindicaciones 6 y 7, donde el láser es del tipo Nd:YAG trabajando a una frecuencia de 1 a 20 Hz, a una longitud de onda fija de 1064 nm, con una duración de pulso de 4 nanosegundos.

9. Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras de tejido óseo, según reivindicación 6, donde la detección de la radiación producida por los elementos químicos del plasma se realiza a través de un sensor óptico CCD que proporciona 2048 puntos espectrales en un rango de 200 a 1100 nm.

1O. Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras de tejido óseo, según reivindicación 6, donde la red neuronal posee conexiones hacia delante basadas en un modelo de propagación perceptron, tres capas (entrada, salida y oculta) , una función de transferencia entre capas que utiliza una algoritmo tangente hiperbólico sigmoidal y su matriz de pesos se optimiza mediante el algoritmo de entrenamiento de gradiente escalado conjugado SCG previniendo el sobreajuste y el sobreentrenamiento.