Автореферат (Исследование влияния внешней механической компрессии на оптические и физиологические характеристики кожи человека in vivo)

На правах рукописиМохаммед Раид Мохаммед СаифИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙКОМПРЕССИИ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА IN VIVO03.01.02 – биофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург - 2018Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники ФГБОУ ВО «Саратовскийнациональный исследовательский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского»Научный руководитель:Синичкин Юрий Петровичдоктор физико-математических наук, профессоркафедры оптики и биофотоники ФГБОУ ВО«Саратовский национальный исследовательскийгосударственный университет имени Н.Г.Чернышевского»Официальные оппоненты:Беликов Андрей Вячеславовичдоктор физико-математических наук, профессорфакультета лазерной и световой инженерииФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский Петербургскийнациональный исследовательский университетинформационных технологий, механики и оптики»Зимняков Дмитрий Александровичдоктор физико-математических наук,профессор, зав.

кафедрой ФизикиФГБОУ ВО «Саратовский государственныйТехнический Университет имени Гагарина Ю.А.»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение высшего образования «Саратовскийгосударственный медицинский университетимени В.И. Разумовского» Минздрава России,Защита состоится 21 февраля 2019 г. в 16-00 час.

на заседании диссертационногосоветаД 212.229.25приФедеральномгосударственномавтономномобразовательном учреждении высшего образования «Санкт- Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО «СПбПУ») по адресу:194021, Санкт-Петербург, ул. Хлопина, д. 11,С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«СПбПУ» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, а такжена сайте ФГАОУ ВО «СПбПУ».: http://www.spbstu.ruАвтореферат разослан «___»2018 гУченый секретарьдиссертационного совета,д.б.н., доцентЛинькова Наталья Сергеевна2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыРабота посвящена развитию оптических методов диагностики и мониторингабиологических сред, основанных на анализе спектральных измененияхбиологических тканей, подвергнутых внешней механической компрессии.Исследования влияния внешней механической компрессии на спектрыдиффузного отражения биоткани in vivo представляет интерес по двум причинам.Во-первых, многочисленные исследования показали, что метод диффузнойотражательной спектроскопии обладает огромным потенциалом в областинеинвазивной диагностики и мониторинга состояния человека в условиях in vivo(cм., например, [1]).

Распространяющийся внутри биоткани человека светизменяется в соответствии с ее морфологическими, биохимическими ифизиологическими характеристиками, поэтому спектральный состав диффузноотраженного биологической тканью излучения несет информацию о ее морфофункциональном состоянии, структуре, количестве и кровенаполненностикровеносных сосудов, пространственном распределении хромофоров внутрибиоткани и их концентрации, интенсивности происходящих в биологической тканиметаболических процессов [1, 2]. Во-вторых, ключевым элементом в такихисследованиях в условиях in vivo является волоконно-оптический датчик, которыйсоприкасается с поверхностью исследуемой биоткани, при этом происходитнеконтролируемое надавливание датчиком на поверхность биоткани.

В результатеспектр диффузного отражения может неконтролируемым образом меняться взависимости от величины механической компрессии, что является источникомошибок при анализе спектров. В-третьих, в отличие от локальной механическойкомпрессии, создаваемой торцом волоконно-оптического датчика (площадьприлагаемого давления порядка нескольких мм2), в результате чего в местеприложения компрессии в биоткани создается градиент показателя преломления, иэтот объем среды выполняет роль линзы для распространяющегося в биотканизондирующего света, при наложении механической компрессии на относительнобольшой участок поверхности биоткани (порядка нескольких см2) сжатый объембиоткани представляет собой пространственно однородную среду без линзовыхэффектов, в которой в отличие от области локальной компрессии характерраспространения света меняется, что может проявиться в изменении формыспектра диффузного отражения.

В-четвертых, в результате приложения внешнейкомпрессии уменьшаются рассеивающие свойства биоткани, поэтому данныйкомпрессионный метод является альтернативным методом управленияоптическими параметрами биотканей широко используемому методу, основанномуна внедрении в биоткань химических агентов [3-5]. В-пятых, в настоящее времявнешняя механическая компрессия используется как метод, позволяющийувеличить разрешение и контраст изображения при оптической когерентнойтомографии биотканей [6].

Далее, метод компрессионного оптическогопросветления биотканей может быть реализован в приборном варианте, вчастности, разработано устройство для просветления биотканей (tissue opticalclearing device, TOCD) [7]. Наконец, механическая компрессия кожи позволяетоценивать содержание в ней хромофоров, поглощение которых в нормальныхусловиях завуалировано поглощением других хромофоров.

Так, выдавливаниекрови из области приложения компрессии позволяет оценивать по спектрам3диффузного отражения содержание в коже каротиноидов [8], а по спектрамфлуоресценции содержание в коже меланина [1, 2].Метод иммерсионного просветления биотканей в настоящее времяиспользуется достаточно широко. Основными механизмами снижения рассеяниясвета были предложены: (1) водный транспорт из компонентов тканей; (2) заменамежклеточной или внутриклеточной воды химическим агентом, который лучшесоответствует более высокому показателю преломления естественных белковыхструктур; и (3) структурная модификация или диссоциация коллагеновых волокон[3, 9]. При удалении воды из пространства между коллагеновыми фибрилламиувеличивается концентрация протеинов и сахара, в результате чего уменьшаетсярассогласование показателей преломления и снижается рассеяние.

Посколькуводный транспорт играет важную роль в процессах просветления биотканей и таккак результатом воздействия внешней компрессии может быть изменениесодержания воды в области приложения компрессии, то компрессионный методуправления оптическими параметрами биотканей является перспективнымметодом. Более того, он имеет ряд преимуществ по сравнению с иммерсионнымметодом, так как механическое сжатие биоткани является менее инвазивным ибезопасным, в отличии от иммерсионного метода сохраняются барьерные функциирогового слоя и всего эпидермиса в целом, компрессионный метод долженобладать большим быстродействием, большей управляемостью и повторяемостьюрезультатов применения.Несмотря на довольно большой объем публикаций, связанных смеханической компрессией биотканей, приведенные в них результаты зачастуюносят противоположный характер, что обусловлено, прежде всего, разнымиусловиями наложения внешней компрессии (локальной или нелокальной) иразными геометриями детектирования отраженного биотканями света (сиспользованием волоконно-оптического датчика или без него) [10].

Кроме того,эффект влияния внешней компрессии на оптические свойства биоткани носитинерционный характер, поэтому результаты измерений зависят от временизадержки между наложением компрессии и контактом и измерениями [11]; данныйвопрос недостаточно изучен. Наконец, важно знать механизм измененияоптических свойств биоткани в условиях внешней компрессии, динамикуизменения структуры и компонентного состава биоткани при внешнем давлении ивлияние таких изменений на оптические свойства биоткани и, как следствие, наспектры диффузного отражения биоткани. Данные вопросы несомненноопределяют актуальность работы.Цель и задачи исследованийЦелью данной работы являлось выявление закономерностей динамикиизменения оптических и физиологических свойств кожи in vivo в процессеналожения и снятия внешней механической компрессии разной величины иразного размера области приложения внешнего давления.Для достижения поставленной цели должны быть решены следующиезадачи:1.

Экспериментальное исследование изменений, происходящих в спектрахдиффузного отражения кожи in vivo при наложении внешней компрессии.2. По спектрам диффузного отражения исследование количественныхизменений оптических свойств кожи при наложении внешней компрессии.43. Теоретический анализ изменений оптических и физиологических свойствкожи при наложении компрессии.4. Определение роли воды в формировании рассевающих и поглощающихсвойств кожи in vivo.Научная новизна:Внешняя механическая компрессия биотканей в условиях in vivo приводит куменьшению их рассеивающих и поглощающих свойств, при этом в инфракрасной(ИК) области спектра уменьшение рассеивающих свойств превалирует надуменьшением поглощения.

Процесс происходит в течение нескольких минут.Установлены особенности изменения оптических параметров биоткани привариации интенсивности внешней компрессии и области ее наложения. Приналожении компрессии величиной 105 Па кровь (гемоглобин) полностью удаляетсяиз области компрессии in vivo кожной ткани.Разработана методика оценки изменения содержания воды в коже врезультате внешней компрессии.Снятие внешней компрессии восстанавливает оптические параметры кожнойткани в течение 40-50 минут, при этом в течение первых нескольких секундпроисходит значительное увеличение (в 2 – 3 раза по сравнению с кожей безкомпрессии) содержания крови (гемоглобина) с высокой (в 2 – 5 раз выше посравнению с кожей без компрессии) степенью оксигенации.Практическая значимость работыОпределены времена изменения оптических и физиологическиххарактеристик кожи в результате внешней компрессии и восстановления ихпервоначальных параметров после ее снятия.Отмечено, что после снятии внешней компрессии в течение первыхнескольких секунд происходит значительное увеличение (в 2 – 3 раза по сравнениюс кожей без компрессии) содержания крови (гемоглобина) в области компрессии,при этом значительно увеличивается (в 2 – 5 раз выше по сравнению с кожей безкомпрессии) степень оксигенации гемоглобина.

Данный факт может быть положенв основу методики управления степенью оксигенации гемоглобина кровибиотканей.Разработана методика оценки в изменении содержания воды в биоткани врезультате внешней компрессии.Результаты исследований способствуют дальнейшему развитию методаоптического просветления биотканей, применяемого для управления оптическимипараметрами тканей для повышения эффективности диагностики и терапииразличных заболеваний оптическими методами.Основные положения и результаты исследований, выносимые назащиту:1. При наложении компрессии величиной более 105 Па кровь (гемоглобин)полностью удаляется из области компрессии.2.