In this paper using of optical clearing methods in medicine are presented. Describes an optical clearing method based on reversible reduction of tissue scattering due to refractive index matching of scatterers and ground matter. It was of great interest for research and application in medicine. It is a grate promising technique for future developments in the fields of tissue imaging, spectroscopy, phototherapy, and laser surgery.
Keywords: optics, enlightenment, spectral range, biomedicine, diagnosis, biofabric.
Одним из направлений современной биомедицинской оптики является развитие методов зондирования биотканей излучением видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазонов, позволяющих осуществить визуализацию их структуры [1]. Подобный интерес связан с возможностью разработки и развития биологически безопасной многофункциональной диагностики биотканей. В настоящее время большинство существующих методов используют для оптического зондирования биотканей так называемое окно прозрачности в диапазоне длин волн от 650 до 1200 нм [2]. Свет видимого и ближнего инфракрасного диапазона длин волн является безопасным при малых уровнях плотности излучения, человеческий организм хорошо адаптирован к этому виду излучения. Свет этого диапазона длин волн хорошо проникает в биологическую ткань и, взаимодействуя с различными структурными и динамическими компонентами тканей, несет информацию о структурных и динамических изменениях, происходящих в тканях при различных заболеваниях. Такие хорошо известные в физике явления, как поглощение, дифракция, интерференция, флуоресценция, а также упругое, квазиупругое и молекулярное рассеяние, наблюдаются в биологических средах и являются источниками информации о патологических процессах. Конечно, не все так просто, биологические ткани относятся в оптике к так называемым мутным средам, то есть средам со сложными запутанными траекториями зондирующих фотонов. Поэтому получение изображения неоднородностей в тканях, например опухоли, затруднено. Тем не менее, эти трудности преодолимы. История использования света для мониторинга состояния биотканей и клеток с целью диагностики заболеваний представлена в работе [3, 4]. Брайт (Bright) в 1831 г. показал, что солнечный свет или свет свечи может проходить через голову пациента больного гидроцефалией [3]. Позже, в 1843 г., возможность просвечивания биотканей была отмечена Курлингом (Curling), а в 1929 г. Катлером (Cutler) просвечивание было использовано для наблюдения патологических изменений молочной железы [4]. Хассельбалч (Hasselbalch) в 1911 г. провел исследования пропускания ультрафиолетового излучения кожей. Милликен (Millikan) был первым, кто предложил использовать метод двух волновой оптической спектроскопии для учета рассеяния света, и он был успешен в проведении метаболических анализов у человека. Этот список можно дальше продолжить, и он будет расти очень долго.
Материалы иметоды исследования
В настоящей работе приведены экспериментальные работы полученные методом оптической спектроскопии. Исследования проводились на двулучевом спектрофотометре, работающим в ЦНИЛ Ташкентской медицинской академии. Спектрофотометр СФ-46 предназначается для измерения спектрального коэффициента пропускания жидких и твердых веществ. Спектральный диапазон прибора составляет от 190 до 1500 нм. Прибор также оснащен специальным оборудованием, которое обеспечивает следующие режимы работы: измерение спектральных коэффициентов пропускания (Т); определение оптической плотности (D); определение концентраций (С); определение скорости изменения оптической плотности (
).
Результаты иобсуждение
На основе полученных данных были построены зависимости коэффициента отражения от длины волны, при различных временах просветлении кожи с растворами глюкозы. Спектры отражения человеческой кожи в интервалах времени: 1- без инжекции, 2 — после 23-мин инжекции, 3 — после 60 мин инжекции, все это проводилось в 40 % растворе глюкозы. Как видно из рисунка (рис. 1) коэффициент отражения уменьшается с ростом времени инжекции. Это говорит о том, что с ростом времени кожа становится более прозрачной для света и соответственно растет коэффициент пропускания.
Поглощение света на большие глубины образцов дает возможность получать больше информации о структуре, состоянии и происходящих в ней изменениях в результате внешних воздействий. С медицинской точки зрения можно идентифицировать и охарактеризовать патологические изменения в биологических тканях на клеточном и субклеточном уровнях, а также получать структурную и функциональную информацию о ткани. На рис. 2. приведен график зависимости коэффициента отражения при трех длинах волн (420, 500 и 700 нм) человеческой кожи, измеренной при инжекции 40 % растворе глюкозы от времени инжекции. Как видно из графика с ростом времени инжекции коэффициент отражение сначала резко падает, а потом стабилизируется только при 500 нм, он имеет скачок при 120 мин. С ростом длины волны коэффициент отражения уменьшается, особенно, в инфракрасной области спектра. Это говорит о том, что ИК облучения имеет способность хорошо проникать в более глубокие слои ткани человека.
Нами также были проведены измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания, оптической плотности и изменения оптической плотности в спектральном диапазоне от 190 до 1100 нм, для различных образцов [5]. Образцы состоялись из кожи лабораторного животного (крысы), человеческой крови и ретина глаза кролика. Они были исследованы после содержание в растворах (кроме крови) глюкозы, а также глицерина- для того, чтобы сделать образцы прозрачными для света. Определенного уменьшения коэффициента рассеяния можно добиться при согласовании показателей преломления рассеивающих центров и базового вещества путем введения внутрь ткани подходящих химических агентов. Заметный эффект просветления кожи крысы наблюдался в течение нескольких минут после внутридермальной инъекции глицерина.
Знание оптических характеристик биотканей является одним из ключевых моментов при разработке математических моделей, адекватно описывающих распространение света в биотканях, что является принципиально важным для развития новых оптических методов, используемых в различных областях биологии и медицины, для фотодинамической и фототермической деструкции клеток и тканей, а также для разработки новых подходов в фотодинамической терапии, оптической томографии, оптической биопсии и т. д. [6]. Однако, несмотря на значительное число работ, посвященных определению оптических параметров биотканей, оптические свойства многих биотканей в широком диапазоне длин волн остаются в настоящее время не изученными, хотя именно анализ поглощения и рассеяния биотканями излучения видимого и ближнего ИК спектральных диапазонов имеет принципиальное значение для развития методов оптической диагностики, фотодинамической и фототермической терапии различных заболеваний.
Вывод
Оптические просветления трансплантируемой ткани может иметь важное биомедицинское применение, связанное с исследованием структурной системы и функции, имеющих отношение к диаметрам артериоллы и вены, плотностям капилляров, разветвлениям углов и т. д. Эти параметры важны в физиологии и терапии некоторых заболеваний (сосудистых заболеваний, рак и др.). С другой стороны, оптические просветления воздействуют двояким образом во время течения и остановки кровотока, может помочь в микрососудах во время лечения их, когда необходима сосудистая фототермальная терапия. Полученные результаты оптических исследований в дальнейшем будут использованы для диагностирования различных заболеваний кожи, крови и в офтальмологии, а также возможны области совместного применения спектроскопии кожи для оценки индексов эритемы и пигментации, определения степени оксигенации и концентрации гемоглобина [5], а также исследования эффективности солнцезащитных препаратов. Управление оптическими параметрами кожи является перспективным методом увеличения эффективности диагностики кожных заболеваний.
Литература:
- Башкатов А. Н., Жестков Д. М., Генина Э. А., Тучин В. В. Иммерсионное просветление крови человека в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах. — Оптика и спектроскопия, 2005. — Том 98. — № 4. — С 695–703.
- Зимняков Д. А., Тучин В. В. // Квант. электрон. — 2002. — Т. 32. — № 10. — С.849.
- Тучин В. В. Оптическая биомедицинская диагностика. — Известия Саратовского университета. — Сер. Физика. — 2005. — Т. 5.
- Хожиев Ш. Т., Коваленков С. Ф., Хусанов З. М., Сагатов Т. А., Сайфуллаева Т. А., Элмуродова У. Х. // Оптическое просветление: перспективы и применение в медицине // Международная конференция “Актуальные проблемы физической электроники“. — Ташкент, 28 ноябрь 2012 г.
- Chance В. Optical method // Arm. Rev. Biophys. Biophys.Chem. — 1991. — V. 20. — P. 1–28.
- Wolf M. at all. // How to evaluate slow oxygenation changes to estimate absolute cerebral haemoglobin concentration by near infrared spectrometry in neonates. Adv.Exp. Med.Biol. — 411, 495–501 (1997).
