Диссертация (1144366), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Измерения поглощения воды, проведенные в области температурот 30°C до 45°C, показали, что при повышении температуры пик поглощениявблизи 972 нм сдвигается в область коротких длин волн (при повышении температуры на 10°C сдвиг составляет 5 нм, при этом поглощение увеличиваетсяна ~5%). Дополнительно уменьшается пик поглощения на 1192 нм. Эти спектральные эффекты должны быть приняты во внимание, особенно когда проводятся исследования ex vivo или in vivo, так как температура воды в условиях invivo выше по сравнению с ex vivo.25Рис. 1.5.

Спектр поглощения воды [43]Другими основными хромофорами кожной ткани, определяющими ее поглощение в ближней ИК области, являются липиды. Липиды являются главными компонентами клеточных мембран и могут быть обнаружены в любом местетела человека. Концентрация липидов в жировой ткани колеблется в пределахот 60% до 87% для взрослых и от 23% до 47% для младенцев [44].

Липиды состоят из трех видов жиров: насыщенного, мононенасыщенного и полиненасыщенного. Типично подкожный жир человека состоит из 21%, 46%, и 33%насыщенного, мононенасыщенного и полиненасыщенного жиров, соответственно. На рисунке 1.6 приведен спектр поглощения липидов. Изменения в составе жиров ведут к небольшим изменениям в пиках поглощения.

К примеру,липиды, состоящие из 42%, 46%, и 12% насыщенного, мононенасыщенного иполиненасыщенного жиров, проявляют дополнительный пик поглощения на1170 nm [44].26Рис. 1.6. Спектр поглощения липидов [44]Сложная структура биотканей и связанные с этим вариации в показателепреломления их компонентов делают такие среды сильно рассеивающими в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Исключением не является икожная ткань, которую, согласно модели двухфазной нелинейной смеси [45],можно представить как несжимаемую эластичную твердую матрицу, образованную главным образом из эластичных волокон и клеток, заполненную водой.Твердая матрица обеспечивает воде сопротивление к растеканию.

Эта модельнаилучшим образом представляет состав и механические свойства кожи [33,45]. В то же время, рассогласование показателей преломления матрицы и водыявляется причиной сильного рассеяния света в кожной ткани.Тканевое оптическое просветление имеет потенциал для увеличения глубины визуализации, разрешения и контраста оптических диагностических инструментов, таких как оптическая когерентная томография (ОКТ) [6], оптическая акустическая томография [46], флуоресцентная микроскопия [47] и биолюминесцентная томография [48].

Такой подход также имеет потенциал дляповышения эффективности терапевтического лечения, такого как лазерное уда27ление волос [49] и лазерный липолиз [50], путем снижения интенсивности оптического рассеяния вышележащей здоровой ткани до воздействия и во времявоздействия лазерного облучения.Существует множество сообщений о методах, применении и потенциальных механизмах тканевого оптического просветления с использованием химических веществ [47, 51-53].

Основными механизмами снижения рассеяния светабыли предложены: (1) водный транспорт из компонентов тканей; (2) заменамежклеточной или внутриклеточной воды химическим агентом, который лучшесоответствует более высокому показателю преломления естественных белковых структур; и (3) структурная модификация или диссоциация коллагеновыхволокон [3, 9]. Эти три механизма, а также возможные неизвестные динамические процессы могут действовать синергетически или антагонистически, оказывая различное влияние в зависимости от типа ткани, жизнеспособности ткани, средства для оптического просветления и метода доставки указанного средства [54].Поскольку водный транспорт играет важную роль в процессах просветления биотканей [55], то можно предположить, что другие нехимические методы перераспределения воды в биоткани, такие как приложенная к биоткани механическая компрессия, должны также уменьшать рассеяние в ней света.Механическое оптическое просветление достигается за счет местногосжатия ткани и предположительно объясняется смещением межклеточной водыи крови, что приводит к местной дегидратации ткани и изменению рассеивающих и абсорбирующих свойств ткани [51, 56] .

Поскольку ткань сжимается, вода и кровь перемещаются из областей, подвергающихся высокой деформациисжатия (относительное изменение толщины), что уменьшает местную объемную долю воды и, следовательно, несоответствие индекса рефракции между составляющими ткани и снижение коэффициентов рассеивания и абсорбции [11].Зависимость коэффициента поглощения кожной ткани от содержания вней воды можно представить в виде [57]:28=µa W µa,water + (1 − W )µa,0 ,(1.3)где W является безразмерной массовой долей воды, µa,water – коэффициент поглощения воды (1,25 см-1 для λ = 1210 нм) и µa,0 – коэффициент поглощенияполностью обезвоженной кожи (0,75 см-1 для λ = 1210 нм) [58].

То есть, уменьшение содержания воды в кожной ткани ведет к уменьшению коэффициентапоглощения.С другой стороны, вода с ее малым показателем преломления по сравнению с такими тканевыми компонентами, как коллаген, липиды, клетки и их органеллы, вносит значительный вклад в рассогласование оптических показателей преломления, что приводит к рассеянию света.

Коэффициент рассеянияможет быть локально изменен: (1) увеличением плотности коллагеновых волокон; и (2) увеличением концентрации белков, в результате чего будет иметь место большее внутреннее соответствие показателей преломления [51]. То есть,водный транспорт из участков кожной ткани, подверженных компрессии, может уменьшить ∆n, и, следовательно, ведет к уменьшению коэффициента рассеяния. Это, в свою очередь, увеличивает пропускание света биологическойтканью [13, 56, 59-61].Исследование влияния механической компрессии на оптические свойствакожной ткани проведен авторами работы [56] на основе модели, в которойкожная ткань представляет собой двухфазную смесь белков (коллаген) и воды.Исследовались образцы свиной кожи ex vivo и кожи человека in vivo методомОКТ на длине волны λ = 1310 нм.Если φwater – объемная фракция воды, а φ protein - объемная фракцияпротеинов в коже, то для такой смеси1.φwater + φwater =Комбинируя это выражение с правилом Лоренц-Лоренца для смесей29(1.4)22n−1n−1  nwater −1skin protein  1 − φ=φwater +water222 + 2  nwater + 2n n protein  + 2 skin (())2()()()(1.5)и принимая во внимание, что на длине волны λ = 1310 нм показатель преломления воды nwater = 1,32, протеинов n protein = 1,55 [62], можно рассчитатьдинамику концентрации тканевой воды и протеинов в течение обезвоживанияили компрессии [63].Было получено, что для образцов свиной кожи ex vivo наложение компрессии уменьшает долю воды в биоткани от 0,66 до 0,20.

Вследствие уменьшения объемной фракции воды изменяются и поглощающие свойства образца.Коэффициент поглощения для смеси вода-белки можно представить в видеµ = φwater × µa,water + (1 − φwater ) × µa, protein .a,skin(1.6)Для λ = 1310 нм µa,water = 1,2 см−1 [64], µa, protein = 0,25 см−1 [57]. Коэффициент поглощения кожной ткани, содержащей объемную фракцию воды величиной 0,70, ровнее µa,skin= 0,95 см−1. При уменьшении объемной фракции во-ды до 0,20 коэффициент поглощения кожной ткани уменьшается до µa,skin=0,44 см−1, то есть на 54%.Достаточно подробный анализ возможных механизмов изменений, происходящих в коже in vivo при наложении внешней компрессии, проведен в [65].Акцент сделан на влиянии компрессии кожи человека на изменения содержания в ней воды и рассеивающих свойств.

Быстрые и длительные эффекты компрессии на спектры диффузного отражения сопоставлялись с эффектами деформации биоткани, рассмотренной на основе модели двухфазной нелинейной30смеси. Более того, деформация кожи и изменения в спектрах при определенномдавлении моделировались разными методами.Модель двухфазной смеси прекрасно объясняет как механические, так иоптические характеристики кожи. Подвижность воды в пределах твердой матрицы, состоящей из эластичных волокон и клеток, является решающим фактором в нелинейном механическом отклике. Эта подвижность определяется зависящим от времени поведением твердой матрицы и состоянием воды.

Соотношение деформации и времени релаксации кожи при наложении давления зависит от эластичных свойств волокон коллагена и количества и вязкости жидкости в коже. Так как связанная вода тесно привязана к твердой матрице, то соотношение свободной и связанной воды отражает деформацию матрицы и перемещение свободной воды при определенном давлении.Авторы отслеживали поведение двух полос поглощения (1160 нм и 1220нм), относящихся соответственно к поглощению свободной и связанной воды,привлекая аппарат производной спектроскопии. Было показано, что в случаекожи свиньи in vitro наложение компрессии ведет к увеличению интенсивностивторой производной полосы поглощения на длине волны 1220 нм и уменьшению интенсивности на длине волны 1160 нм.

При давлении 376 кПа второй пикпрактически исчезал, что указывало на перемещение свободной воды из области компрессии, в то время как перемещение связанной воды было затруднено.При давлении около 400 кПа содержание связанной воды уменьшается на 30%,что, по мнению авторов, ведет к деформации ткани. Временное поведениеспектров подверженной давлению кожи показало, что со временем интенсивность пика поглощения свободной воды уменьшается, а связанной воды увеличивается, при этом процесс стабилизируется в течение времени порядка 6 минут.

Характеристики

Список файлов диссертации