Оптические свойства биотканей

Биоткани являются в основном рассеивающими средами. Максимум пропускания биотканей находится в области 1,1 мкм. Наиболее «прозрачен» живой организм в области длин волн от 650 до 1200 нм, поскольку здесь пересекаются области наименьшего поглощения излучения водой и гемоглобином крови. Иногда еще более сужают область прозрачности мягких тканей, выделяя «окно» 800…1100 нм. Для видимого диапазона глубина проникновения излучения в биоткань изменяется от 0,25 до 2,5 мм, обратное рассеяние составляет существенную часть энергии отражённого света (около 40%). Глубина проникновения зависит также от поглощения излучения определённых длин волн теми или иными структурами. Как правило, поглощение обусловлено наличием определенного поглощающего пигмента (билирубин, альбумин, меланин и др.).

Кровь практически прозрачна для ближней ИК области, т.к. окисленный и восстановленный гемоглобин, в основном ответственный за поглощение и рассеяние кровью, взаимодействует с электромагнитным излучением в этом диапазоне (до 1 мкм) значительно слабее, чем в видимой и УФ области.

Основной тканью, участвующей во взаимодействии с ЭМИ оптического диапазона, является кожа. Кожа состоит из эпидермиса (наружный слой) и дермы. В состав эпидермиса входят в порядке углубления: роговой слой (570 мкм), блестящий слой (40 мкм), зернистый слой (20 мкм), слой шиповидных клеток (90 мкм), базальный слой (20 мкм). Толщина дермы, в которой сосредоточены периферические кровеносные сосуды (артериолы, капилляры и венулы) составляет около 1000 мкм.

Роговой слой отвечает за зеркальное отражение на границе воздух-кожа (5-7% падающего излучения). Значительная часть (93-95%) энергии излучения рассеивается и частично поглощается другими слоями кожи. Поглощение является одной из характеристик эффективности взаимодействия оптического излучения с кожей. В пределах каждого слоя кожной ткани поглощение определяется несколькими доминирующими хромофорами (рис. 2.9).

Рис 2.9. Спектральные диапазоны поглощения основных хромофоров кожи. Для хромофоров, помеченных звёздочкой,области определены на уровне полуширины.

    В роговом слое основными поглощающими хромофорами являются тирозильные остатки кератина и других белков. Коротковолновая граница пропускания рогового слоя — 280…290 нм, где оптическая плотность слоя больше 20. Основными хромофорами дермы являются оксигемоглобин (415 нм, 542 и 577 нм), дезоксигемоглобин (430 и 555 нм), билирубин (330 и 460 нм), каротиноиды и порфирины. В ИК области спектр поглощения кожи определяется, в основном, содержащейся в кожной ткани водой. Вся кожа практически не пропускает излучение с l < 300 нм, а излучение с l = 290…300 нм доходит, по-видимому, только до шиповидных клеток.

На рис. 2.10 изображено спектральное пропускание излучения кожей человека. Видно, что крайнее красное и ближнее ИКИ пропускается эпидермисом и всей толщей кожи значительно лучше, чем видимое излучение. Излучение с l > 2 мкм полностью поглощается содержащейся в тканях водой, значит, кожа для этого излучения не прозрачна.

Рис. 2.10. Спектральное пропускание излучения кожей человека:         1 — эпидермисом; 2 — всей толщей кожи

На рис.2.11 представлены спектры отражения кожи человека. В клетках кожи предусмотрена меланиновая система фотозащиты, с помощью которой внутри клеток при освещении происходит перераспределение сильно поглощающих меланопротеиновых гранул и увеличение количества меланина. Эпидермальный меланин поглощает излучение в широком диапазоне длин волн от 300 до 1000 нм, причём наиболее эффективно поглощение происходит в области ближнего ультрафиолета. В результате кожа оказывается превосходным нелинейным (фотохромным) светофильтром, не пропускающим в подкожные клетки излучение, которое может поглощаться их ядрами и ДНК, т.е. является защитой организма от избытка опасного УФ излучения.

Рис.4.11. Спектры отражения кожи человека: 1 – участок кожи до развития УФ-эритемы, 2 – участок кожи после развития УФ-эритемы

Непигментированные живые клетки практически не поглощают в длинноволновой УФ и видимой области спектра. В ядре практически нет окрашенных веществ, следовательно, оно не поглощает длинноволновый УФ и видимый свет, т.е. ядро вряд ли является в этом случае основной мишенью воздействия. Наибольшее число соединений, поглощающих длинноволновый УФ и видимый свет, входит в состав митохондрий, поэтому, возможно, они и являются в этой области мишенями, хотя это нельзя считать однозначно установленным.

Физиологическое действие лучистой энергии оптической части спектра зависит от длины волны и энергии поглощённых квантов. Поглощённая энергия вызывает переход атомов и молекул в возбуждённое состояние, в котором их способность вступать в химическую реакцию возрастает во много раз. В коже происходит образование веществ с новыми физико-химическими свойствами, изменения белковых молекул клеток, усиление ферментативной деятельности. Энергия ИКИ и видимого света при поглощении тканями переходит в тепловую, усиливая кровообращение и тканевый обмен, повышая фагоцитозную активность лейкоцитов.

Помимо поглощения, кожа характеризуется сильным рассеянием. Рассеяние является результатом неоднородности показателя преломления, отражающей микроструктурную неоднородность биоткани. В кожной ткани находятся рассеиватели различного размера, что ведёт к разным видам рассеяния (от рэлеевского до Ми). Процессы поглощения и рассеяния в коже определяют количество выходящего из неё обратно излучения, которое, в свою очередь, определяет величину измеряемого параметра – коэффициента диффузного отражения.

Кожа человека содержит большое число разнообразных природных флуорофоров (рис.2.12), в результате чего выходящее наружу излучение флуоресценции имеет сложный спектральный состав. Автофлуоресценция кожи обладает достаточно характерной картиной, но и имеет значительные индивидуальные вариации.

Рассмотрим оптические свойства биотканей на длинах волн лазерного излучения УФ и ИК диапазонов. Стенка кровеносных сосудов обладает значительным поглощением на длинах волн 193, 248, 308 нм (длины волн излучения эксимерных лазеров), 2940 нм (длина волны излучения твердотельного лазера на ионах эрбия Er ⁺³) и 10600 нм (длина волны излучения газового лазера на молекулах углекислого газа СО₂. Из-за интенсивного поглощения внутритканевой водой на этих длинах волн глубина проникновения составляет от единиц до десятков мкм. Напротив, в области повышенной прозрачности тканей основным поглощающим компонентом является кровь.

 

 

Глубина проникновения в кожу излучения низкоинтенсивных лазеров различна: излучение полупроводникового GaAlAs -лазера с длиной волны излучения l = 660 нм проникает только до эпидермиса, излучение того же лазера при другом соотношении концентраций галлия и алюминия на l = 820 нм достигает нижней части дермы; излучение полупроводникового GaAs -лазера на l = 950 нм — до подкожной клетчатки. Излучение низкоинтенсивных лазеров с l = 630 нм (Ne- He -лазер, лазер на красителе) проникает на глубину до 1,5 мм, излучение ближней ИК области 0,8…1,1 мкм (полупроводниковые лазеры и твердотельный лазер на ионах неодима Nd ⁺³) проникает в мягкую ткань на глубину до 70 мм, в костную ткань — до 25 мм.

Рис.2.12. Спектральные области флуоресценции основных флуорофоров кожи. Для флуорофоров, помеченных звёздочкой,области определены на уровне полуширины.

Принято считать, что низкие уровни плотности светового потока (менее 0,1 Вт/см²) не влияют на оптические свойства биотканей. Однако в свете представлений биомедицинской оптики последних лет это предположение выглядит более чем сомнительным, поскольку даже такие плотности потока вызывают ряд фотохимических реакций, составляющих основу низкоинтенсивной фототерапии. При более высоких плотностях потока наблюдаются существенные изменения оптических характеристик ввиду преобразования энергии излучения в тепловую и соответствующих термических изменений в биотканях (см. ниже). Иначе говоря, оптика биосред во всех представляющих практический интерес случаях является нелинейной. Кроме того, на распространение оптического излучения в биотканях сильно влияют рассеяние и дифракция. Биологические ткани являются вдобавок неоднородными, обладают способностью к селективному резонансному поглощению и флуоресценции, а также к заметной частотной дисперсии и вынужденному комбинационному рассеянию, т.е. в них вполне вероятно наблюдение типичных явлений нелинейной оптики, только, в отличие от кристаллов, при значительно меньших интенсивностях излучения и с более ярко выраженными резонансными свойствами.

Поскольку поверхность тела человека имеет отличную от абсолютного нуля температуру, она излучает в ИК-диапазоне (см. ниже). Максимум излучения телом человека приходится на длину волны 9,5 мкм:

Спектральный диапазон, мкм	<5	5-9	9-16	>16
Доля в общей излучаемой энергии, %	1	20	39	41