Оптика биотканей - одна из наиболее интенсивно развивающихся областей знаний, представляющих интерес как для физиков, так и биологов и медиков, работающих над созданием оптических медицинских технологий диагностики и лечения. Определение оптических характеристик биоткани дает возможность получать объективную информацию о пространственном распределении содержащихся в ней различных биологических компонентов и использовать ее для диагностики различных патологий биотканей, изучения воздействия факторов окружающей среды, оценки эффективности лечения.
В настоящее время, разработано большое число методов и устройст, позволяюших достаточно хорошо изучить оптические свойства и физико-биологические характеристики различных биотканей как в ультрафиолетовой, так и в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
Интерес к исследованию оптических и физико-биологических характеристик биоткани in vivo обусловлен тем, что они могут отличаться от таковых для биоткани в условиях in vitro. Кроме того, именно результаты in vivo исследований дают возможность получать информацию о происходящих в биологической ткани биохимических процессах.
Объектом рассмотрения является диагностическое устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo, позволяющее определять степень выраженности меланиновой пигментации кожи и эритемы кожи.
Устройство обеспечивает повышение точности и достоверности определения параметров кровоснабжения мягких тканей человека с учетом одновременной оценки содержания в ткани меланина, ее общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле биоткани оксигенированной фракции гемоглобина.
Диагностическое устройство содержит источник питания, соединенный с оптической головкой, в которой размещены фотоприемник с входным окном и источники излучения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра, блок управления работой излучателей, блок обработки данных, снабжено дополнительными источниками излучения в инфракрасной области спектра и источником излучения в синей области спектра. Источники излучения в синей области спектра излучают энергию в диапазоне 460-490 нм. Источники излучения в инфракрасной области спектра излучают энергию в диапазоне 900-950 и 960-990 нм.
Недостаток: недостаточная точность определения физико-биологических характеристик кожи и слизистых из-за влияния мешающих переотражений света из мягких тканей.
Устранение недостатка достигается тем, что в модернизированное устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo дополнительно введен блок компенсации переотраженного света от внутренних тканей, использующий временной принцип разделения полезного светового сигнала, распространяющегося по коже, и мешающегося светового сигнала, распространяющегося в мягких тканях.
Принцип работы модернизированного устройства измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo поясняется структурной схемой в виде последовательности составляющих (Рис.1).
Рис. 1
В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в красной области, 3в – источники излучения в ИК области спектра, 3г - источники излучения в синей области спектра, 4 – блок управления поочередного включения источников излучения, 5 - блок обработки данных, 6 - волоконно-оптические световоды, 7 - индикатор определяемых величин, 8 - блок компенсации переотраженного света от внутренних тканей, 9 - управляющий компьютер.
Компьютер 9 посылает через устройство 4 сигналы поочередного включения источников излучения 3а, 3б, 3в, 3г. Свет от включенных источников 3а, 3б, 3в, 3г попадает на тестируемую биоткань. Проникающий в ткань свет за счет многократных внутренних переотражений (рассеянии) частично выходит наружу ткани в области расположения фотоприемника 2 и регистрируется им. Электрические сигналы с фотоприемника 2, пропорциональные зарегистрированной фотоприемником оптической мощности излучения от биоткани, проходят усиление и оцифровку в блоке 5 и передаются в компьютер 9 для последующей обработки. В случае сильного внешнего (стороннего) освещения области обследования биоткани, например, в условиях операционных, когда внешняя засветка может повлиять на результаты измерений, в такт включения источников излучения 3а, 3б, 3в, 3г включается один пустой цикл, когда все источники выключены. Во время этого “пустого” цикла фотоприемник 2 регистрирует сигнал от сторонней паразитной засветки (фонового освещения) и мешающего светового сигнала из мягких тканей, который в дальнейшем учитывается (вычитается), при обработке полезных сигналов от включенных источников. Для разделения полезного светового сигнала, распространяющегося по коже, и мешающегося светового сигнала, распространяющегося в мягких тканях используется временной принцип разделения. В качестве подсветки используется импульсный сигнал длительностью менее 0,5 нс. В этом случае в момент прихода светового сигнала из мягких тканей, световой сигнал, распространяющийся по коже уже минует фотоприемник. Поэтому на входе фотоприемника будет суммарный сигнал от сторонней паразитной засветки (фонового освещения) и мешающего светового сигнала из мягких тканей. Зарегистрированные таким образом и переданные в компьютер 9 сигналы в каждом используемом спектральном диапазоне с учетом сигнала сторонней засветки используются для дальнейших вычислений и определения содержания в ткани меланина, общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле крови оксигенированного гемоглобина.
Вычисления проводят по следующей общей схеме. Перед
началом измерений диагностическая головка прибора располагается на
поверхности стандартного оптического светорассеивающего эталона,
который не содержит в своем составе каких-либо оптических
поглотителей и хорошо и равномерно рассеивает своим объемом свет во
всем выбранном спектральном диапазоне. С этого эталона для каждого
включенного источника записываются опорные (эталонные) показания
прибора (напряжение с фотоприемника)
,
где i=1, 2, 3... - количество используемых спектральных диапазонов.
После этого измерения проводятся на поверхности обследуемой биоткани,
с которой записываются рабочие показания
Их
нормировка на показания эталона позволяет определить для каждой длины
волны i коэффициент обратного рассеяния света биотканью:
где
- коэффициент обратного рассеяния света биотканью в спектральном
диапазоне i;
- заранее известный коэффициент обратного рассеяния света эталоном в
этом спектральном диапазоне.
Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью:
где
- эффективное оптическое поглощение света тканью;
-
приборные коэффициенты для данного спектрального диапазона,
определяемые при настройке (изготовлении) прибора путем его
калибровки на разных образцах биотканей.
Содержание в ткани конкретных
хромофоров (поглотителей) и их вклад в общее поглощение определяют
через эффективные коэффициенты оптического поглощения
с использованием стандартной процедуры решения системы линейных
уравнений для поглощения света в многокомпонентной среде вида:
где
-
концентрация (содержание) в ткани j-го компонента, включая сторонние
элементы, например, содержание меланина, оксигемоглобина, общего
гемоглобина и сторонних элементов (для 4-х используемых в базовом
варианте длин волн),
- известные табличные значения спектральных молярных погонных
коэффициентов экстинкции выбранного вещества в спектральном диапазоне
i.
Управляющий компьютер 9 соединяет в себе функции компенсации мешающих сигналов 8, обработки результатов 5 и индикации определяемых величин 7.
Алгоритм работы модернизированного устройства представлен на рис.2.
Модернизированное устройство может быть использовано в учреждениях медицинского профиля для определения содержания в ткани меланина, общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле крови оксигенированного гемоглобина.
Литература:
Синичкин Ю.П., Утц C.P. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека. Саратов. Изд-во Сарат. ун-та, 2001.
Тучин В.В. Исследование биотканей методами светорассеяния // Успехи физ. наук. 1997. - Т. 167. - 5. - С. 517-539.
Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998.
Рисунок 2