Роль оптики при изучении параметров крови



Во всем мире рост населения ведет к росту заболеваемости, а это увеличивает нагрузку медработника клиники и выдвигает на первое место медицинские технологии, эффективно действующие действующие на больного при минимальной затрате времени.

В биологии и медицине с развитием использования светового, в том числе, лазерного излучения для лечения и диагностики различных патологических состояний, возникла необходимость фундаментального изучение оптических свойств крови.

Многие заболевания имеют гематологические проявления, например, некоторые характеристики клеток крови, в частности нейтрофилов, выходят за пределы физиологических норм. Поэтому анализ крови является главным компонентом любых диагностических исследований. В настоящее время широко распространены оптические методы изучения и характеризации клеток крови, такие как светорассеяние и флуоресценция [1].

Собственно проблема влияния света на биологические системы всегда находилась в центре внимания исследователей, начиная с древнейших времен, так как свет является одним из необходимых и важнейших условий существовании жизни на Земле. На твердую научную основу исследования по биологической оптике (биооптике) были поставлены после работ основателей фотометрии в XVIII веке (P. Booger 1740, J. Lambert, 1750) [2].

С середины прошлого столетия с появлением лазерной медицины большой интерес обратили к оптическим свойствам мягких биологических тканей и жидкостей, особенно крови и кожных покровов [3, 4, 5, 6, 7].

Оптические свойства биологических тканей отличаются спектральными оптическими свойствами в зависимости от длины волны, мощности, поляризации и других характеристик подаваемого лазерного излучения. При исследованиях было замечено сильная зависимость оптических свойств биологических тканей от индивидуальных пигментных особенностей организма и обменных процессов в нем, наличия или отсутствия патологического процесса в тканях и органах, параметров кровообращения, лимфатического дренажа, кислотно-щелочного баланса, реактивности вегетативной нервной системы, состояния организма в целом, т. е. от индивидуального для каждого пациента состояния тканей, органов и всего организма [8, 9]. Зависимость от функционально-физиологического и патофизиологического состояния оптических свойств тканей и органов позволила сделать вывод, что лазерные методы можно использовать в диагностических целях, т. е. оценивать клиническое состояние тканей и органов по их оптическим параметрам.

Изменения в тканях и органах вызванные потологией приводят к изменениям биохимического состава, морфологии, электрических, реологических и других физико-химических параметров и свойств, что, в свою очередь, обуславливает соответствующее изменение оптических свойств этих тканей и органов — спектральных коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния и т. п. На основе этих параметров можно провести клиническую диагностику, так как они достаточно информативны.

Определению по спектрам поглощения уровня концентрации кислорода в крови и тканях [10] и определению параметров кровотока и сердечно-сосудистой системы методом лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ) [11] уделяется большое внимание.Очевидно, что использование оптического диапазона длин волн в клинической диагностике может быть не менее информативным, чем использование рентгеновских и ультразвуковых исследований, компьютерной томографии и т. д. При этом важно, что с точки зрения информативности диагностики, оптический диапазон имеет много отличительных преимуществ, так как не связан с ионизирующими излучениями, позволяет проводить неинвазивный анализ биохимического состава тканей и крови, что практически недоступно другим неинвазивным методам, позволяет строить изображения и проводить их Фурье-анализ в привычной для врача визуальной форме по очень большому числу спектрально-пространственных и энергетических параметров.

Для диагностики и лечения различных патологических состоянии анализируют спектральный состав прошедшего через кожу или отраженного ею света, можно зарегистрировать ряд реальных нелинейных оптических эффектов в тканях и крови, связанных со спектральной селективностью молекулярного поглощения и явлением наведенной и эндогенной флюоресценции.Вультрафиолетовой области спектра (330–350 нм) флюоресценция обусловлена, видимо, свечением некоторых белков [12].

Одним из важнейших параметров, поддающихся диагностике с помощью методов лазерного спектрального анализа (ЛСА), является оксигенация гемоглобина. Количество света, прошедшего через ткань или отраженного от нее, зависит не только от общего объема содержащейся в ткани крови, но и от изменения содержания в крови связанного с гемоглобином кислорода, т. е. степени ее оксигенации. Спектры поглощения оксигемоглобина (HbO₂) и дезоксигемоглобина (Hb) имеют характерные отличия и хорошо известны, по крайней мере для гемолизированной крови. Например, на длинах волн 430 нм, 569 нм, 586 нм, 810 нм, 850 нм поглощение света оксигемоглобином и восстановленным гемоглобином крови практически одинаково. Это так называемые изобестические точки, которые выгодно использовать в качестве реперных, избегая ошибок измерений, связанных с неодинаковостью пропускания света венозной и артериальной кровью. Проводя измерения на длинах волн 540 нм и 750 нм в сочетании с измерениями на двух изобестических точках, можно определить процент оксигенированной крови. Схожим образом существует возможность регистрации процентного содержания в крови метгемоглобина, билирубина и других составляющих. Большие изменения содержания оксигемоглобина, как известно, наступают при патологиях сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, тканевой гипоксии, при наличии мышечных и общих эмоционально-физических перегрузках, различных воспалительных процессах в тканях и органах, что уже сегодня становится доступно для диагностики методами ЛСА и ЛДФ.

Методом ЛДФ можно определить такие важные в гематологии параметры, как оксигенация крови, ее гематокрит, процентное содержание гемоглобина и средняя скорость кровотока [2].

Оптические свойства крови можно исследовать двумя способами: инвазивным и неинвазивными методами.

Инвазивность является одним из недостатков при заборе крови у пациента. При инвазивном способе диагностики крови следует наблюдатьболезненность процедуры забора биологического материала — крови, связанную с ней травматичность, требуется труд квалифицированных медработников, соблюдения мер безопасности для обеспечения профилактики вирусного гепатита, ВИЧ-инфекции, инфекционных заболеваний, а также сложность в подготовке материала к исследованию, значит данный метод непригоден для скрининга и массового обследования населения.

Оптимальным методами исследования оптических свойств крови является неинвазивные методы, которые не предусматривают специальную подготовку материала к исследованию.При использовании неинвазивного способа диагностики нет необходимости соблюдения мер повышенной безопасности по обеспечению профилактики ВИЧ-инфекции, вирусного гепатита и других инфекционных заболеваний, не требуется участие высококвалифицированного медицинского персонала, поэтому неинвазивные методы могутшироко использоваться с целью профилактического скрининга населения, не только взрослых, но и детей.

Глубина проникновения светового излучения зависит от длины волны (рис. 1). На рисунке 1 на кожу направляется световое излучение с разными длинами волн и изучаются светорассеивающие свойства крови, которые изменяются в зависимости от протекающих в организме процессов [13].

Рис. 1. Структура кожи и глубина проникновения светового излучения различных длин волн

При взаимодействии с поверхностью тела человека часть оптического излучения отражается, другая рассеивается, третья поглощается, а четвертая проходит сквозь различные слои биологических тканей. Чаще всего объектом взаимодействия оптического излучения с организмом является кожа. Коэффициент отражения излучения слабопигментированной кожей достигает 43–55 % и зависит от многих причин. Так, например, у мужчин он на 5–7 % ниже, чем у женщин. Пигментированная кожа отражает свет на 6–8 %слабее. Скользящее падение света на поверхность кожи увеличивает коэффициент отражения до 90 %.

Характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями определяется его проникающей способностью. Различные слои биоткани неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны. Глубина проникновения света нарастает при переходе от ультрафиолетового излучения до ближнего ИК диапазона с 1 мкм до 2,5 мм, а в среднем и дальнем диапазонах резко снижается до 0,3–0,5 мм.

Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает световое излучение, начиная с УФ области и до длины волны 600 нм с максимумом в 585 нм [14].

В медицине широкое применение находит лазерная технология неинвазивной диагностики. Это диагностическое направление, которое появилось в конце прошлого столетия приведет к созданию нового сегмента рынка лазерных медицинских приборов и услуг, более привлекательного, чем лечебная аппаратура.Сцелью получения по отраженному (рассеянному, прошедшему ткань насквозь и т. п.) свету диагностической информации о биохимическом составе и анатомическом (морфологическом) строении обследуемого участка мягких тканей пациента оптическая неинвазивная диагностика предполагает использование оптического (в том числе лазерного) излучения для прижизненного зондирования тканей и органов пациента. Это под силу дорогостоящим лабораторным биохимическим и гистологическим анализам, требующим взятия образцов крови, фрагментов биотканей и т. п., или, частично, рентгенологическим обследованиям. Лазерная диагностика во многом может решать эти задачи неинвазивно, в реальном масштабе времени и без использования вредных ионизирующих излучений. Современная «лазерная медицина» не замыкается только на лечебных мероприятиях, а активно использует лазер и в целях диагностики. Существуют два больших разделовнеинвазивной лазерной медицинской диагностики: оптическая когерентная и диффузионная томография (ОКТ, ОДТ) [15] и неинвазивная медицинская спектрофотометрия (НМС) [16]. Оптическая когерентная и диффузионная томографияпредполагает получение прижизненных (in vivo) оптических изображений на уровне отдельных клеточных слоев и структур ткани, а неинвазивная медицинская спектрофотометрия— получение прижизненных (in vivo) сведений о динамике биохимического состава ткани (уровня гемоглобина, оксигемоглобина, билирубина и пр.) в зоне обследования.

Таким образом, для оптических методов диагностики не требуются расходные лабораторные препараты, эти методы являются более дешевыми, а также дают возможность получать результаты исследования практически в реальном масштабе времени, это позволяет в процессе лечение вносить определенные изменения в методику проводимых процедур или объективно отслеживать положительную динамику.

Литература:

1. Maltsev V. P., Semyanov K. A. Characterisation of bio-particles from light scattering: [monograph] / V. P. Maltsev, K. A. Semyanov. — Berlin: Walter de Gruyter Inc, — 2004. – 139 p.
2. Барыбин В. Ф., Рогаткин Д. А. Неинвазивная лазерная диагностика — медицинская технология XXI века // Альманах клинической медицины. — 1998. — № 1. — 69–81 с.
3. Гамалея Н. Ф. Лазеры в эксперименте и клинике: [монография] / Н. Ф. Гамалея. — М: Медицина, — 1972. — 232 с.
4. Илларионов В. Е. Основы лазерной терапии / В. Е. Илларионов. — М.: Респект, 1992. — 122 с.
5. Козлов В. И., Буйлин В. А., Самойлов И. Г., Марков И. И. Основы лазерной физио- и рефлексотерапии: [монография] / В. И. Козлов, В. А. Буйлин, И. Г. Самойлов, И. И. Марков — Самара: Самарский медицинский университет, — 1993. — 215 с.
6. Лазеры в клинической медицине / Под ред. С. Д. Плетнева — М: Медицина, 1981. — 399 с.
7. Прохончуков А. А., Жижина Н. А. Лазеры в стоматологии / А. А. Прохончуков, Н. А. Жижина. — М.: Медицина, 1986. — 176 с.
8. Александров М. Т. Основы лазерной клинической биофотометрии / М. Т. Александров. — М: Техносфера, 1991. — 584 с.
9. Karu T. I. Photobiological fundamentals of low-power laser therapy // IEEE G. Quantum Electr. — 1987. — V. 23.– 1701–1855 p.
10. Takatani S., Cheung P. W., Ernst E. A noninvasive tissue reflectance oximeter. An instrument for measurement of tissue hemoglobin oxygen sarturation in vivo. // Ann. of biomed. Eng. — 1980. — V. 8. – 1–15 p.
11. Shepherd A. P., Oberg P. A. Laser-Doppler Blood Flowmetry / A. P. Shepherd, P. A. Oberg. — Berlin: Springer-Verlag GmbH, 1990. — p. 396.
12. Гурвич А. А. Проблема митогенетического излучения как аспект молекулярной биологии / А. А. Гурвич. — Л.: Медицина, 1968. — 241 c.
13. Шебалин А. Лазерная медицинская диагностика состояния организма по биоспеклам кожи // Фотоника. — 2008. — № 1. — 14–18 с.
14. Серебряков В. А. Лазерные технологии в медицине: опорный конспект лекций по курсу / В. А. Серебряков. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. — 266 с.
15. Гришанов В. Н., Оптическая когерентная томография в медицинской диагностике: метод. указания / сост. В. Н. Гришанов. — Самара: СГАУ, 2015. — 37 с.
16. Рогаткин Д. А., Лапаева Л. Г. Перспективы развития неинвазивной спектрофотометрической диагностики в медицине // Медицинская техника. — 2003. — № 4. — 31–36 с.