Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование динамики лимфотока методами спекл-интерферометрии 21
1.1.Постановка задачи 21
1.2. Существующие методы для анализа микроциркуляции крови и классификация основных типов биопотоков в сосудах 22
1.2.1. Методы оптики спеклов 22
1.2.2. Лазерная доплеровская микроскопия 23
1.2.3. Интерпретация доплеровского метода с позиций оптики спеклов 24
1.3. Классификация потоков крови и лимфы в уединенных микрососудах: гидродинамические и оптические аспекты 25
1.4. Дифракция сфокусированных гауссовых пучков в микрососудах: теоретическое рассмотрение 27
1.5. Методы и материалы 32
1.6. Экспериментальные исследования лимфотока 34
1.7. Выводы 40
2 Использование корреляционных свойств многократно рассеянного света применительно к задачам когерентной диагностики ожогов кожи 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Теоретические основы корреляционных методов диагностики, использующих многократное рассеяние 43
2.3. Экспериментальные исследования 45
2.3.1. Описание экспериментальной установки 45
2.3.2. Приготовление экспериментальных образцов 47
2.3.3. Эксперименты с моделями ожоговой кожи 47
2.3.3.1. Однослойная рассеивающая среда 47
2.3.3.2. Двухслойная рассеивающая среда 51
2.4. Выводы 55
3 Изучение оптических свойств соединительных биотканей и их изменения как функции концентрации глюкозы методом лазерной оптоакустики высокого временного разрешения 56
3.1. Бесконтактные методы измерения оптических свойств биологических тканей и их изменений как функции концентрации глюкозы 56
3.1.1. Постановка задачи 56
3.1.2. Специфические свойства глюкозы, способные изменять оптические свойства водосодержащих сред 60
3.2. Основные оптические методы для бесконтактного измерения концентрации глюкозы в биотканях 60
3.2.1. Поляриметрия 60
3.2.2. Спектроскопия поглощения ближнего ИК диапазона 63
3.2.3. Рамановская спектроскопия 66
3.2.4. Флуоресцентные методы 69
3.2.5. Спектроскопия рассеяния ближнего ИК диапазона 72
3.2.6. Оптическая когерентная томография (ОКТ) 74
3.2.7. Оптико-акустический метод с высоким временным разрешением 75
3.3. Исследование эффекта, производимого глюкозой, на оптические свойства силыюрассеивающих модельных сред с ненулевым поглощением 79
3.3.1. Методы и материалы 79
3.3.1.1. Модельные среды, используемые в эксперименте 79
3.3.1.2. Методы 80
3.3.1.3. Техника светового облучения образцов и акустического детектирования сигналов 81
3.3.2. Результаты исследований 83
3.3.3. Обсуждение результатов 84
3.4. Изучение эффекта, производимого глюкозой на эффективный коэффициент оптического ослабления в склере животных в экспериментах in vitro 86
3.4.1. Материалы и методы 86
3.4.1.1. Состав склеры 86
3.4.1.2. Протокол эксперимента 87
3.4.1.3. Экспериментальная установка 87
3.4.1.4. Обработка сигнала 88
3.4.2. Описание результатов 91
3.4.3. Обсуждение 92
3.5. Изучение влияния глюкозы на оптическое ослабление в склере кроликов in vivo 98
3.5.1. Материалы и методы 98
3.5.1.1. Протокол эксперимента 98
3.5.1.2. Экспериментальная установка 99
3.5.3. Описание результатов 100
3.5.4. Обсуждение 103
3.6. Изучение влияния глюкозы на оптические свойства цельной крови 107
3.6.1. Материалы и методы 107
3.6.1.1. Протокол эксперимента 107
3.6.1.2. Экспериментальная установка 108
3.6.2. Результаты 109
3.6.3. Обсуждение 118
3.7. Выводы 123
Заключение 128
Список литературы 130
- Классификация потоков крови и лимфы в уединенных микрососудах: гидродинамические и оптические аспекты
- Теоретические основы корреляционных методов диагностики, использующих многократное рассеяние
- Исследование эффекта, производимого глюкозой, на оптические свойства силыюрассеивающих модельных сред с ненулевым поглощением
- Изучение эффекта, производимого глюкозой на эффективный коэффициент оптического ослабления в склере животных в экспериментах in vitro
Введение к работе
^ В последние несколько десятилетий в биомедицине получили широкое
распространение и развитие оптические методы, использующие когерентное, в частности - лазерное, излучение как средство бесконтактной (неразрушающей) микро- и макродиагностики биологических сред и тканей. Толчком к этому послужило создание источников светового излучения принципиально нового типа - лазеров, которые
fc характеризуются высокой степенью монохроматичности, временной и
пространственной когерентности, низкой расходимостью пучка, а также высокой
степенью поляризации и плотности мощности излучения. Помимо этого, во многих
тинах лазерных источников представляется возможным быстрая перестройка длины
волны генерации в сочетании с импульсным режимом излучения. В частности,
появилась возможность использования тех или иных типов лазеров со специфичным
ф набором параметров в зависимости от природы и свойств биологического объекта.
Спектр задач, решаемых лазерными средствами диагностики в биомедицине
^ чрезвычайно широк. Данная работа сфокусирована на проблеме лазерной диагностики
потоков биологических жидкостей, изучении и моделировании оптических свойств
соединительных тканей и их изменений при различных физиологических и
патологических состояниях, а также на различных аспектах взаимодействия биотканей с
детектирующим когерентным излучением применительно к задачам ранней диагностики
# ожогов кожи и мониторинга концентрации глюкозы в биотканях в in vitro и in vivo
условиях. В последнее время данные методы эффективно используются научным
сообществом и привлекают всё возрастающее внимание медицинских центров всего
^ мира вследствие успешного широкого практического применения данных средств
лазерной диагностики для бесконтактного комплексного анализа не только отдельного органа или участка ткани, но и состояния организма в целом.
Как известно, при многих патологиях происходят изменения динамических параметров микроциркуляции крови и лимфы, а также самой структуры биопотоков. Подобные изменения несут в себе важную диагностическую информацию. На данный
момент существует два основных подхода к проблемам диагностики кровотока и определения его параметров в условиях in vivo, а именно: спекл-интерферометрия и лазерная доплеровская флоуметрия. В спекл-интерферометрии падающий когерентный световой пучок рассеивается случайным образом на форменных элементах крови, формируя специфическую пространственную динамическую спекл-картину. Данный метод устанавливает связь между шириной спектра мощности флуктуации интенсивности рассеянного лазерного излучения и кинетическими характеристиками кровотока в капиллярах. Интенсивность флуктуации сиекл-картины и ширина спектра зависят от ряда факторов, таких как число сосудов, присутствие сосудистых ответвлении, плотность капиллярной сети, структура слоев ткани и т.д. Однако, в настоящее время данная техника может эффективно использоваться только для регистрации относительных измерений скорости потоков биологических жидкостей. Для задач абсолютного измерения скорости метод спекл-иитерферометрии требует дополнительного усовершенствования и модификации.
Для измерения скоростных характеристик потоков в системе циркуляции крови используется также метод лазерной доплеровской флоуметрии, в котором доплсровский сигнал, используемый для анализа, определяется положением дополнительного частотного максимума, возникающего в спектре как следствие флуктуации интенсивности рассеянного излучения. Профиль огибающей частотного спектра определяется регулярным дрейфом биологической жидкости в капилляре. Однако имеется ряд определённых ограничений, накладываемых как на исследуемый объект, гак и на параметры детектирующего лазерного пучка, которые существенным образом сужают границы применимости данного метода. К их числу следует отнести, в частности, (1) условие ламииарности движения потока крови в исследуемом сосуде, а также относительно противоречивые требования (2) определённой ориентации лазерного пучка относительно исследуемого кровеносного сосуда, (3) жёсткой фокусировки зондирующего лазерного пучка на уединённый сосуд, и (4) минимального расхождения детектирующего луча при распространении в биоткани. Кровеносные сосуды диаметром порядка 40 мкм в достаточной степени удовлетворяют данному
условию. Однако при проведении экспериментов с меньшими размерами светового пятна (порядка 15 мкм) требуется модернизация данного метода. В настоящее время большинство существующих оптических методов диагностики потоков биологических жидкостей адаптировано, в основном, для определения скоростных и объемных характеристик кровотока в микрососудах. Поэтому оценка кинетических параметров лимфотока и их изменения при различных патологических состояниях па сегодняшний день носит, в основном, качественный характер. В то же время методы количественного анализа лимфотока, особенно в лимфатических сосудах малого диаметра, пока не разработаны. Разработка и усовершенствование таких методов, а также их адаптация к проблемам измерения скорости крово- и лимфотока в уединённых микрососудах является одной из задач, решаемых в рамках данной работы.
Следующей проблемой рассмотрения является изучение оптических свойств ожогов кожи с использованием оптической модели ожогов кожи, разработанной в настоящей диссертации. Данная модель связывает особенности квазиупругого рассеяния света с микроциркуляцией крови в кожных слоях в физиологических и патологических состояниях (в частности, при поверхностных ожогах) и используется при проведении дальнейшего корреляциоиого анализа. Как известно, поверхностные ожоги способны приводить либо к значительным нарушениям, либо к полной остановке микроциркуляции крови в коже. Точное определение глубины ожогового поражения кожи является проблемой чрезвычайной важности для клинической медицины. В случае глубоких ожогов наличие циркуляции крови в коже может быть определено путём механической инспекции с использованием тонкой металлической иглы. Для скорейшего восстановления участков поражённого ожогом кожного покрова необходимо точное определение глубины поражения в целях дальнейшего удаления мёртвого слоя кожи. Для этих целей требуются более точные методы измерения, нежели процедура пробирования иглой. Таким образом, разработка и усовершенствование когерентных оптических методов для диагностики ожогов кожи на основе оптических моделей является весьма актуальной проблемой.
Лазерные методы диагностики, используемые для этих целей, включают в себя лазерные доилеровские методы и LASCA метод (LAser Speckle Contrast Analysis), епскл-интерферометрию, диффузионно-волновую спектроскопию (ДВС), оптическую доплеровскую томографию (ОДТ) и связаны с анализом процессов многократного рассеяния в случайно-неоднородных мутных средах, а также, во многих случаях, с техникой моделирования данных процессов с использованием методов Монте-Карло. Процедура измерения является схожей для всего многообразия данных методов. При дифракции когерентного света на движущихся частицах (например, эритроцитах в кровеносной капиллярной сети) в рассеивающих средах (таких, как кожа) наблюдаются временные флуктуации интенсивности рассеянного света. Скорость движущихся раессивателей определяется посредством измерения ширины спектра мощности флуктуации интенсивности рассеянного ноля, что лежит в основе большинства упомянутых методов.
Очевидно, что на параметры измеряемых сигналов способны влиять, помимо скорости раессивателей, такие факторы, как оптические свойства мутных сред, в частности, присутствие в данных средах неподвижных раессивателей (например, мёртвого ожогового слоя кожи, выступающего в качестве источника статического рассеяния). Таким образом, проблема влияния структуры ткани и её оптических параметров на ширину спектра подлежит тщательному и глубокому изучению. К настоящему времени пока не получены какие-либо значительные результаты в направлении разработки оптических моделей рассеяния когерентного излучения в патологической (в частности - ожоговой) ткани. Вторая глава настоящей работы посвящена частичному восполнению этого пробела.
И, наконец, заключительной задачей, решаемой в рамках данной диссертации, является изучение оптико-акустическим (ОА) методом высокого временного разрешения оптических свойств соединительных тканей и их изменения как функции концентрации глюкозы. В последнее время были предприняты значительные усилия в направлении поиска и развития точных и надёжных методов бесконтактного измерения оптических свойств биотканей и их изменений в зависимости от уровня содержащейся в
них глюкозы. Такие методы представляют особый интерес как для пациентов, страдающих сахарным диабетом, так и применительно к ситуациям оказания первой медицинской помощи, в которых необходим непрерывный контроль содержания глюкозы в крови пациентов. Метод измерения концентрации глюкозы in vivo, использующийся в настоящее время, представляет собой контактный химический анализ крови, который является для пациентов в существенной степени неприятным и болезненным. Использование же оптических методов диагностики позволило бы снять проблему дискомфорта при проведении подобных тестов. На данный момент разработан целый ряд таких методов, использующих «неразрушающий» принцип измерения концентрации глюкозы в биотканях, включающий в себя поляриметрию, инфракрасную (ИК) спектроскопию поглощения, Рамановскую спектроскопию, флуоресцентные методы, ИК спектроскопию рассеяния, фото-акустическую спектроскопию поглощения, и оптическую когерентную томографию (ОКТ). Упомянутые методы используют различные источники и способы светового облучения и схемы детектирования с последующим анализом исходящих сигналов. К сожалению, ни один из этих методов пока не нашёл широкого практического применения. Основным ограничением для большей части упомянутых методов является низкое значение отношения «сигнал-шум» (OCIII) и высокая стоимость анализа. Одним из наиболее перспективных решений данной проблемы является использование ОА метода высокого временного разрешения, в основу которого положен эффект глюкозы как фактора, вызывающего уменьшение рассеяния света в биотканях. В лазерной оптоакустике используется импульсный режим облучения исследуемой среды и детектирование возбуждаемой при этом акустической волны с высоким временным (и, следовательно, - пространственным) разрешением. В этом случае информацию об оптических свойствах исследуемой среды несет как амплитуда, так и временной профиль возбуждаемой волны. Экспоненциальный наклон профиля ОА сигнала, сгенерированного в среде при определённых условиях облучения, предполагающих временное ограничение давления, определяется значением эффективного оптического ослабления в данной среде. Значение амплитуды акустического сигнала определяется оптическим поглощением в ткани. Таким образом,
используя лазерный ОА метод, возможно исследовать распределение поглощённой лазерной энергии в многослойных средах с ненулевым показателем поглощения, что позволяет в итоге измерить оптические свойства данных сред. Лазерная оптоакустика хорошо зарекомендовала себя как надёжный метод измерения оптических свойств биотканей. В отличие от чисто оптических методов, выполняющих измерения рассеяния в тканях, ОА метод является более точным и специфичным. В ходе одного оптического эксперимента возможно измерить лишь два значения: падающую и отражённую/прошедшую энергию (интенсивность) лазерных импульсов. С помощью ОА метода высокого разрешения представляется возможным измерение полного профиля распределения поглощённой лазерной энергии (до п=1000 и более значений), увеличивая, тем самым ОСШ. Более того, в пьезоэлектрических детекторах возможно достичь значительно меньшего относительного уровня теплового шума по сравнению с величиной дробового шума в фотодетекторах. Однако, до последнего времени использование ОА метода не распространялось на измерение концентрации глюкозы в живых биотканях. В настоящей работе данный метод был адаптирован к задачам измерения эффективного коэффициента ослабления/рассеяния и его изменений как функции концентрации глюкозы в реальных биологических тканях в условиях in vivo. *
Таким образом, решение вышепоставленных проблем, а также разработка новых методов лазерной диагностики, использующих уникальные свойства когерентного излучения, является чрезвычайно важной и актуальной задачей для биологии и медицины как с научной, так и с практической точек зрения.
Целью диссертационной работы является изучение особенностей механизмов взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями соединительного тина, включая физические, биохимические, биологические и физиологические аспекты, а также развитие теоретических и экспериментальных основ когерентных и лазерного оптико-акустического методов измерения в биотканях применительно к задачам бесконтактной диагностики потоков биологических жидкостей, ожогов кожи и мониторинга концентрации глюкозы в условиях in vivo.
Задачи исследования
Развитие метода оптики спеклов в целях количественной оценки динамических характеристик потоков биологических жидкостей и его адаптация к задачам диагностики лимфотока.
Измерение динамических параметров V (среднее по времени значение скорости биопотока) и Zv (пространственно-временное распределение скоростей, присутствующих в биопотоке, по диаметру сосуда) а также их изменений при различных патологиях системы микроциркуляции лимфы.
Разработка оптической модели ожогов кожи с целью проведения дальнейшего корреляционого анализа.
4. Исследование зависимости статистических свойств донлеровских сигналов от свойств
ожоговой ткани, равно как и от скорости подкожного кровотока.
5. Изучение потенциальных возможностей оптико-акустического метода высокого
временного разрешения как средства бесконтактного мониторинга концентрации
глюкозы в модельных средах и биотканях, а также его использование в измерении
оптических свойств модельных сред и соединительной биоткани (включая
коллагеносодержащую ткань и цельную кровь) как функции концентрации глюкозы в
условиях in vitro и in vivo.
6. Изучение механизмов взаимодействия глюкозы с биологическими тканями
соединительного типа, включая физические, биохимические, биологические и
физиологические аспекты.
Научная новизна работы
1. Предложен метод количественной оценки скоростных параметров движения крови и
лимфы в микрососудах.
2. Проведен анализ временных изменений динамики лимфотока под влиянием
лимфотропного фактора.
3. Разработана оптическая модель ожогов кожи; измерены автокорреляционные
функции флуктуации интенсивности рассеянного когерентного излучения в одно- и
двухслойных фантомных мутных средах, моделирующих ожоги кожи;
исследованы зависимости статистических свойств доплсровских сигналов от свойств ожоговой ткани и скорости подкожного кровотока.
Изучены потенциальные возможности оптико-акустического метода высокого временного разрешения применительно к задачам бесконтактного мониторинга концентрации глюкозы в различных видах соединительной биоткани, включая склеру и цельную кровь, а также проанализированы его принципиальные преимущества над другими оптическими методами при проведении данных измерений.
Детально изучены физические, биохимические и физиологические аспекты взаимодействия глюкозы с различными типами модельных сред и биологических тканей; проанализированы особенности взаимодействий «глюкоза-биоткань» в условиях in vitro и in vivo.
6. Проведён анализ и сравнение эффектов, вызываемых глюкозой и мапнитолом, на
оптические и физиологические свойства цельной крови.
Достоверность результатов теоретического анализа подтверждена экспериментальными результатами. Экспериментальные данные анализировались и сопоставлялись с известными данными других экспериментальных исследований. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается сведениями из литературы.
Практическая значимость работы
1. Полученные результаты экспериментальных исследований скорости биопотоков in vivo методом оптики спеклов положены в основу детального изучения нелинейной динамики в лимфатической и кровеносной системах живых организмов с пространственным разрешением порядка размеров лазерного пучка (~5-10 мкм) и временным разрешением порядка 10"2 сек.
2. Результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием
корреляционной техники рассеяния света, предполагается использовать в основе нового
Ф лазерного метода диагностики микроциркуляции крови в коже а также для простой и
точной оценки толщины ожогового слоя кожи в условиях in vivo.
3. Высокая специфичность и селективность лазерной оптоакустики к измерениям концентрации глюкозы в модельных средах и биотканях соединительного типа, продемонстрированные в экспериментах в условиях in vitro и in vivo, свидетельствуют о высоком потенциале данного метода как бесконтактного средства диагностики биотканей с сильным рассеянием и ненулевым поглощением. Основные принципы ОА метода, адаптированного для генерации и детектирования акустических сигналов в биосредах в условиях in vivo, предполагается использовать при создании сенсора принципиально нового типа, способного осуществлять быстрый и надёжный бесконтактный мониторинг глюкозы у диабетических нацией тов.
Исследования, описанные в данной работе, были выполнены в рамках совместной российско-американской программы U.S. Civilian Research & Development Foundation (СІШІ:)-РФФИ «Новые возможности для молодых учёных» (1998), российской федеральной программы «Интеграция '2000», Государственного контракта № 02.442.11.7243, шифр 2006-РИ-19.0/001/028, федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, а также поддержаны программой International Soros Scientific Education Program для аспирантов вузов (1996 и 1997), американским фондом CRDF для независимых государств бывшего Советского Союза посредством гранта No.RBl-230 (1997), фондом U.S. Air Force Office of Scientific Research (2002), a также грантом РФФИ № 04-04-48279-a «Изучение процессов взаимодействия динамических биоспеклов с живыми системами» (2005-2006).
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Разработан новый метод, основанный на дифракции сфокусированных лазерных пучков (спекл-микроскопия), позволяющий с высоким пространственным разрешением
измерять скорость нестационарных потоков лимфы и крови в уединённых микрососудах в условиях in vivo.
2. Вклад неподвижных рассеивателей приводит к существенному уменьшению ширины
спектра донлеровского сигнала.
3. Лазерный оптико-акустический метод адаптирован к задачам измерения
концентрации глюкозы в соединительных тканях (склера, кровь) in vivo. Установлено,
что влияние глюкозы на оптические свойства биотканей выражается не только в
уменьшении эффективного коэффициента ослабления в ткани, но и в изменении степени
гидратации соединительной ткани и ее морфологии, происходящих вследствие
адаптации к гииеросмотическим условиям.
4. С использованием электронной микроскопии установлено, что глюкоза способна
изменять морфологию эритроцитов в крови, что выражается в их трансформации из
двояковогнутых дисков в дегидратированные сфероиды с поверхностными
пшпообразными выступами.
Апробация результатов и публикации
Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих Международных конференциях:
International Conference SPIE on I Iolography and Coherent Optics, Chernovtsy, Ukraine, 1993.
5th International Conference SPIE on Laser Applications in Lite Sciences, Minsk, Belarus, June 28 - July 2, 1994.
International Symposium on Biomedical Optics BiOS Europe" 1994, Lille, France, Sept. 6-Ю, 1994.
5th Congress of the Asian-Pacific Association for Laser Medicine and Surgery, Tel Aviv, Israel, Nov. 20-25, 1994.
International Congress on Laser in Medicine and Surgery "Laser - 95", Munchen, Germany, June 21-23, 1995.
6. International Conference SPIE on Light & Biological Systems, Wroclaw, Poland, July 3-
7, 1995.
International Conference "BiOS Europe' 95", Barselona, Spain, Sept. 12-16, 1995.
International Workshop on Nonlinear Dynamics and Structures in Biology and Medicine: Optical and Laser Technologies, Saratov, Russia, July 8-14, 1996.
Coherence Domain Optical Methods in Biomedical Science and Clinical Application, International Conference SPIE BiOS'97 San Jose, СЛ, USA, Feb. 8-14, 1997.
International Conference on Laser Physics, Berlin, Germany, July 6-Ю, 1998.
I7,h Annual Houston Conference on Biomedical Engineering Research, Univ. of Houston, Houston, Texas, USA, Feb. 11-12, 1999.
International Conference on Advances in Optics for Biotechnology, Medicine and Surgery, Kailua-Kona, Hawaii, USA, 1-6 August 1999.
13. International Conference SPIE BiOS'2000, San Jose, CA, Jan. 20-26, 2000.
14. 2002 Gordon Research Conference on Lasers in Medicine and Biology, July 14-19
Kimball Union Academy, Meriden, NH, 2002.
15. International Conference SPIE BiOS'2003, San Jose, CA, Jan. 25-31, 2003.
16. International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics and
Biophysics, Saratov Fall Meeting (SFM'05) Saratov, Russia, Sept. 27-30, 2005.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, написанных совместно с другими авторами:
Bednov А.А., Ul'yanov S.S. Investigation of dependence of dynamic partially developed speckle-fields contrast on rough surfaces statistical characteristics // Proc. SPIE. 1993. Vol.2008. P.273-279.
Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Bednov A.A. Investigation of spatial-temporal correlation functions of dynamic spatially inhomogeneous speckles and their applications in blood flow diagnostics//Proc. SPIE. 1995. Vol.2326. P.452-458.
Bednov A.A., Brill G.E., Titchin V.V., Ul'yanov S.S., Zakharova E.I. Blood and lymph flow measurements in microvessels using focused laser beam diffraction phenomenon // Proc. SPIE. 1995. Vol.2370. P.379-383.
Ul'yanov S.S., Kuzmin S.Yu., Bednov A.A., Tuchin V.V. Practical works in the speckle optics for the subspccialities: physics of laser measurements and biomedical optics // Proc. SPIH. 1995. Vol.2525. P.427-432.
Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Kuzmin S.Yu., Bednov A.A. Teaching of optical diffraction methods in biomedicine to undergraduates specializing in optics // Proc. SPIH. 1995. Vol.2525. P. 117-122.
Bednov A.A., Zakharova E.I., Tuchin V.V., Brill G.E., Ul'yanov S.S. Lymph flow diagnostics using speckle-microscopy//Proc. SPIE. 1996. Vol.2630. P. 134-141.
Bednov A.A., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Brill G.E., Zakharova E.I. Speckle diagnostics of shuttle-stream lymph and blood flows // Proc. SPIE. 1996. Vol.2678. P.416-422.
Bednov A.A., Ulyanov S.S., Tuchin V.V Brill G.E., Zakharova E.I. In-vivo laser measurements of blood and lymph flow with a small number of scatterers // Proc. SPIE.. 1996. Vol.2732. P.27-33.
Бедное А.А., Ульянов С.С, Тучин В.В., Бршль Г.Е., Захарова Е.И. Исследование динамики лимфотока методами спекл-интерферометрии // Изв. вузов. Гіршої. нелинейная динамика. 1996. Т.4, № 6. С.45-54.
К). Bednov A.A., Galanzha E.I., Tuchin V.V, Ulyanov S.S., Brill G.E. Investigation of statistical properties of lymph-flow dynamics using speckle-microscopy // Proc. SPIE. 1997. Vol. 2981. РЛ 81-190.
Bednov A.A., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Brill G.E., Galanzha E.I. Investigation of lymph flow dynamics using methods of speckle-interferometry // Proc. SPIE. 1997. Vol. 3177. P. 89-96.
Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Bednov A.A., Brill G.E., Zakharova E.I. The application of seckle-interferometry for the monitoring of blood and lymph flow in microvessels // Lasers in Medical Science. 1997. Vol.12. P.31-41.
Zimnyakov D.A., Mishin A.B., Bednov A.A., Cheung C, Tuchin V.V., Yodh A.G. Time-dependent speckle contrast measurements for blood microcirculation monitoring // Proc.SPIE. 1999. Vol.3599. P. 157-166.
Bednov A.A., Cheng C, Ul'yanov S.S., Yodh A.G. Coherent diagnostics of burned skin: experiments with phantoms // Proc. SPIE. 2000. Vol.3915. P.275-284.
Bednov A.A., Karabutov A.A., Savateeva E.V., March W.F., Oraevsky A.A. Monitoring glucose in vivo by measuring laser-induced acoustic profiles // Proc. SPIE. 2000. Vol.3916. P.9-18.
Bednov A. A., Tuchin V.V., Brill G.E., Galanzha E.I., Ul'yanov S.S. Investigation of lymph (low characteristics using speckle-interferometrical method // Proc. SPIE. 2001. Vol.4515. P. 177-184.
Bednov A. A., Savateeva E.V., Oraevsky A.A. Opto-acoustic monitoring of blood optical properties as a function of glucose concentration // Proc. SPIE. 2003. Vol.4960. P.21-29.
Bednov A.A., Ulyanov S.S., Cheng C, Yodh A.G. Correlation properties of multiple scattered light: Implication to coherent diagnostics of burned skin // J. Biomed. Opt. 2004. Vol.9, №2. P.347-352.
Ulianova O.V., Ulyanov S.S., Sazanova E.V., Zhang Zh., Zhou S., Luo QL, Zudina /., Bednov A.A. Inactivation of bacterial cells by dynamic low-coherent speckles: mathematical model of photoprocessing// Proc. SPIE. 2005. Vol.5771. P.357-364.
Личный вклад автора заключался в разработке и создании экспериментальных установок для бесконтактного мониторинга глюкозы в модельных средах и биологических тканий в условиях in vitro и in vivo ОА методом, а также в создании установки для проведения исследований с фантомными моделями ожогов кожи методами оптики спеклов. Все экспериментальные исследования выполнены либо автором лично либо при содействии д.м.н. Е. И. Галапжа (исследования динамики лимфотока в брыжейке белых крыс методами оптики спеклов в условиях in vivo) а также д.ф.-м.н., проф. А. А. Карабутова и к.ф.-м.н. Е. В. Саватеевой (ОА мониторинг
концентрации глюкозы п еклере кроликов в условиях in vivo). Автором были выполнены все вычисления и расчёты, а также статистический анализ данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 145 страниц, в том числе 31 рисунок и одна таблица. Список литературы включает 196 наименований.
Классификация потоков крови и лимфы в уединенных микрососудах: гидродинамические и оптические аспекты
Основными рассеивающими элементами в потоках крови являются эритроциты -кровяные тельца, имеющие форму двояко-вогнутых дисков высотой -1.2-1.8 мкм и диаметром порядка 5-8 мкм. К настоящему моменту движение эритроцитов в сосудах крови детально исследовано в работах [19-23]. С точки зрения гидродинамики крови, все микрососуды, включая артериолы, венулы и капилляры, можно условно разделить на четыре группы: 1. Микрососуды диаметром 3-5 мкм. В данных сосудах движущиеся эритроциты сильно деформируются и принимают сложную "скрученно-вытяиутую" форму. Кровоток в таком типе микрососудов наиболее сложен для теоретического описания. 2. Микрососуды диаметром 5-7 мкм. Поперечный размер данного типа сосудов сравним с диаметром эритроцита. При движении но таким сосудам эритроциты также деформируются, принимая "параииотообразную" форму. Гидродинамика потоков плазмы в окрестности эритроцита зависит от деформируемости его оболочки. При этом скорости движения потока плазмы крови и эритроцита различны. Скорости потоков различных слоев плазмы вдоль поперечного сечения сосуда так же различны. 3. Сосуды диаметром от 7 до 12 мкм. При движении в таких сосудах эритроциты деформируются незначительно. Гидродинамика потоков плазмы практически ие зависит от упругих свойств оболочки эритроцита и стенки сосуда. Скорости движения плазмы крови и эритроцита одинаковы, однако потоки плазмы вдоль поперечного сечения всё ещё различаются по скоростям. 4. Сосуды диаметром 12-150 мкм (просвет сосуда существенно превышает размер эритроцита). При движении в таких сосудах эритроциты не деформируются, профиль скоростей но сечению потока имеет параболическое распределение. Подобные потоки характеризуются малыми значениями числа Рейнольдса, Rc«l. Концентрация эритроцитов в сосудах подобного типа неоднородна: в пристеночной области появляется движущийся слой чистой плазмы, не содержащий клеток, либо концентрация эритроцитов в областях, близких к стенке сосуда, значительно меньше, чем в ириосевой области потока. Таким образом, эритроциты сконцентрированы в центральной части потока, где скорости движущихся частиц максимальны. Толщина слоя с пониженной концентрацией эритроцитов может варьироваться в диапазоне от 4 до 40 мкм, в то время как «чистая» (без эритроцитов) плазма крови, напротив, сконцентрирована в пристеночных участках сосуда [24J. Это приводит к тому, что средняя скорость эритроцитов превышает скорость плазмы крови [22,24].
По сравнению с кровеносными, данный тип сосудов демонстрирует ряд отличительных особенностей, определяемых специфичностью их функций и структуры. Как правило, лимфатические сосуды имеют больший диаметр. Основным рассеивающим элементом являются лимфоциты - белые кровяные тельца размерами порядка 3-5 мкм. Движение лимфы медленнее, а по характеру сложнее и разнообразнее, чем движение крови. В большинстве лимфатических сосудов наблюдается возвратно-поступательное и/или толчкообразное движение [25,26]. Лимфоток, в отличие от кровотока, вызываемого преимущественно работой сердца, не связан с деятельностью единого насоса и зависит как от интенсивности процесса лимфообразования на уровне начальных лимфатических капилляров, так и от сил, способствующих дальнейшему продвижению лимфы по собирательным сосудам до впадения грудного протока в венозную систему. К последним относятся наружные компрессионные силы (подвижность кишечника, дыхательные движения грудной клетки и т.д.) и сократительная активность клапанов и самих сосудов. При этом тонус сосудов, фазные сокращения их стенок, изменяя величину внутрисосудистого давления, имеют наиболее важное значение в процессе движения лимфы и обусловливают особенности динамики лимфотока в каждом конкретном сосуде [27-29]. Сокращения гладкомышечных клеток стенок сосудов и клапанов регулируются водителем ритма. При этом каждый межклапанный участок-сосуда (лимфангион) или несколько таких участков имеют свой водитель ритма. В лимфатической системе, также как и в системе кровообращения, могут возникать хаотические колебания. Таким образом, функционирование каждого лимфангиона имеет ряд общих черт с механизмами работы сердца [30]. В ряде работ функционирование сердца рассмотрено с позиций нелинейной динамики [31,32]. Однако в целом динамика лимфы существенным образом отличается от гемодинамики, хороню изученной в ряде работ [20-23].
В настоящее время существует ряд оптических методов диагностики потоков биологических жидкостей [2-7,33]. Однако данные методы адаптированы, в основном, для определения скоростных и объемных характеристик кровотока в микрососудах. В ряде случаев определение скорости лимфо- и кровотока в микрососудах осуществляется методами биомикроскопии по характеру перемещения лимфоцитов в просвете сосуда. Скорость лимфотока в макрососудах оценивается по количеству лимфы, вытекающей из канюлированного сосуда в единицу времени [24,34]. Однако, согласно данным R.U. Drake и соавт. [35], скорость лимфотока в кашолированном сосуде не соответствует скорости в неканюлированном. Определение скорости лимфотока в микрососудах осуществляется при биомикроскопии но характеру перемещения лимфоцитов в просвете сосуда. Таким образом, оценка кинетических параметров лимфотока и их изменения при различных патологических состояниях на сегодняшний день носит, в основном, качественный характер [26,36]. Методы количественного анализа лимфотока, особенно в лимфатических сосудах малого диаметра, пока не разработаны.
В данном разделе предложен метод количественной оценки скоростных параметров движения лимфы, а также проведен анализ временных изменений динамики лимфотока под влиянием лимфотропного фактора.
С точки зрения оптики спеклов и метода лазерной доплеровской флоуметрии, а также учитывая ряд существенных различий гидродинамических характеристик потоков в разных типах микрососудов, представляется целесообразным предложить несколько оптических моделей микрососудов. Так, микропотоки крови в сосуде диаметром менее 7 мкм могут быть представлены моделью одиночного движущегося слаборассеивающего фазового экрана [37]. Движущийся глубокий фазовый экран может служить достаточно точным приближением для потоков крови в микрососудах диаметром 7-ь12 мкм [37]. Кровоток в сосудах диаметром 12- 50 мкм может быть представлен как набор движущихся фазовых экранов, что позволит описать формирование спекл-модулированных сиеклов внутри сосуда [38]. И, наконец, дифракция в сосудах диаметром более 50 мкм соответствует случаю многократного рассеяния при малом числе рассеивающих событий.
Теоретические основы корреляционных методов диагностики, использующих многократное рассеяние
Молекулам любого вещества/соединения присущи специфичные колебательные и вращательные уровни энергии [144]. При взаимодействии фотона частоты v„ с молекулой значения колебательной энергии данной молекулы, специфичные для каждого отдельного вида колебания, изменяются. В результате фотон претерпевает акт неупругого рассеяния на частотах v0±Av, где Av - частотный сдвиг, вызванный колебаниями молекулы [68,145]. Спектр любой молекулы состоит из набора достаточно узких полос частот (шириной в 10-50 см" ); каждая полоса соответствует своему определённому типу колебания [145]. Интенсивность сигнала, представленная как функция количества энергии обмена, является своего рода «уникальным отпечатком» молекулы и называется её рамановским спектром [145]. Амплитуда пика рамановского спектра молекулы линейно пропорциональна концентрации данного типа молекул в смесях. Рамановский спектр многокомпонентных соединений представляет собой суперпозицию сигналов, генерируемых различными типами молекул, содержащихся в смеси. Рамановские спектры не зависят от возбуждающей частоты, что оставляет свободу выбора наиболее оптимальной частоты для каждого конкретного образца. Интенсивность пиков данных спектров линейно пропорциональна четвёртой степени возбуждающей частоты, v04 [145]. В большинстве работ измерения рамановских спектров осуществлялись в ближнем ИК диапазоне.
Молекула глюкозы, как известно, имеет набор чётко выраженных рамановских пиков в ближнем ИК диапазоне (таблица 2 из [91]). Помимо этого, характеристические полосы в комбинационых спектрах в данном диапазоне имеют намного более тонкую и специфичную структуру, что, в частности, справедливо для молекулярного спектра воды. Данный факт позволяет использовать жидкостную спектроскопию применительно к измерениям концентрации глюкозы в различных водных смесях [91,99].
В большинстве спектроскопических устройств, основанных на принципе комбинационного рассеяния, измеряется так называемая стоксова компонента рассеяния, соответствующая частоте v„-Av [91,92,99]. Таким образом, спектр молекулярного рассеяния сдвигается в данном случае к более длинным X но отношению к возбуждающей длине волны. Вероятность возбуждения анти-стоксовой компоненты, соответствующей частоте, v„+Av, намного ниже, чем стоксовой. Тем не менее, в ряде работ измеряется именно анти-стоксова компонента [101].
Следует подчеркнуть, что сигнал, генерируемый за счёт комбинационного рассеяния, является в существенной степени слабым. Характерный порядок общей интенсивности молекулярного рассеяния составляет 10 5 от значений падающей интенсивности в видимом спектральном диапазоне [144]. Флуоресценция, которая сравнима но значениям или даже выше, чем рамановский сигнал, так же способна снижать ОСШ посредством привнесения дополнительного оптического шума в измерительную систему [146]. Более того, ОСШ может уменьшаться за счёт рассеяния и перепоглощения в мутных средах (таких, как кровь, кожная ткань и т.д.). Сигнал молекулярного рассеяния, генерируемый в крови, приблизительно в 4 раза меньше по величине по сравнению с аналогичным сигналом, полученным в сыворотке крови (прозрачная среда) в ближнем ИК диапазоне вследствие рассеяния на эритроцитах [95]. Для успешного преодоления всех этих проблем требуется существенно более высокая чувствительность измерительного оборудования, которая достигается в настоящее время путём использования приборов с зарядовой связью (ПЗС, или CCD камеры) и дальнейшего статистического анализа полученных сигналов. Последняя процедура предполагает использование техники мультивариантной калибровки, включающей в себя классический метод наименьших квадратов, метод регрессии принципиальных компонентов, метод частичных наименьших квадратов и гибридный линейный анализ применительно к измерениям поглощения и отражения света ближнего ИК диапазона [91,94,147,148].
К настоящему времени был разработан ряд устройств, основанных на принципе молекулярного поглощения для измерения концентраций глюкозы в различных средах, таких как дистиллированая вода [96], моча [100], сыворотка крови [95,101], цельная кровь [95,97], водянистая влага глаза [92] и т.д. Однако единственными тканями в организме человека, в которых возможно осуществлять бесконтактные измерения глюкозы, являются моча и водянистая влага. Здесь следует отметить, что отсутствует прямая корреляция между уровнями глюкозы измеренными в моче и крови. В настоящее время определены следующие значения стандартного отклонения физиологических и патологических концентраций глюкозы, измеренных методом спектроскопии молекулярного рассеяния в различных типах биотканей (концентрации, выраженные в милимолях палитр приведены в круглых скобках): - в водных растворах: 20,7 мг/дл (1.2 мМ) в диапазоне 1100-3006 см"1 [91]; - в сыворотке крови: 21 мг/дл (1.2 мМ) и 17 мг/дл (1 мМ), используя методы частичных наименьших квадратов и гибридного линейного анализа, соответственно, в диапазоне 720-1602 см-1 [94,95]; - в цельной крови: 79 мг/дл (4.3 мМ) и 63 мг/дл (3.5 мМ), используя методы частичных наименьших квадратов и гибридного линейного анализа, соответственно, в диапазоне 720-1602 см 1 [94,95]; - в водянистой влаге глаза: 28 мг/дл (1.5 мМ) в пределах 37-323 мг/дл (2.1-17.9 мМ) физиологических концентраций глюкозы в диапазоне 200-3800 см"1 [ 102]. Как было установлено, пределы точности измерения уровня глюкозы в моче составляют 41 мг/дл (2.3 мМ) в диапазоне концентраций глюкозы 32-1052 мг/дл (1.8-58.4 мМ) [100]. Таким образом, при рассмотрении и анализе метода молекулярного рассеяния применительно к измерениям концентрации глюкозы в живых тканях необходимо учесть следующие аспекты: - так как данный метод позволяет свободу выбора возбуждающей длины волны, представляется возможным проведение измерений спектров глюкозы в диапазоне более высоких частот, в котором вклад фонового флуоресцентного сигнала минимален; - высокая специфичность метода. С другой стороны, рамановская спектроскопия обладает рядом недостатков, к которым относятся: - низкое значение ОСШ; - снижение точности измерений в мутных средах вследствие рассеяния, флуоресценции и перепоглощения; - трудности, связанные с интерпретацией некоторых максимумов к молекулярных спектрах биотканей; - ограничения, связанные с нормами безопасности, что ведёт к снижению максимальной мощности детектирующего излучения; - необходимость выполнения калибровки; - высокая стоимость экспериментальной установки. Тем не менее, рамановская спектроскопия обладает большим потенциалом применительно к измерениям концентраций глюкозы в оптически прозрачных биологических тканях.
Исследование эффекта, производимого глюкозой, на оптические свойства силыюрассеивающих модельных сред с ненулевым поглощением
Как уже описывалось в предыдущих разделах данной главы, глюкоза вызывает увеличение величины показателя преломления базового вещества (водного пространства между рассеивателями), что приводит к уменьшению разности величин показателей преломления рассеивающих центров и водного окружения и, в конечном итоге, к уменьшению рассеяния. Далее, глюкоза способствует уменьшению поглощения, так как её добавление в водные среды приводит к уменьшению молярной концентрации молекул воды. Кроме этого было установлено, что глюкоза привносит дополнительное (собственное) поглощение в водные растворы [72,110]. Однако, согласно проведённым рефрактометрическим экспериментам величина оптического поглощения в 200-мМ водном растворе глюкозы является сравнимой с поглощением чистой воды в диапазоне 300 - 900 им при точности измерений 0.1 см."1 Таким образом, глюкоза при физиологических концентрациях не вносит какого-либо ощутимого вклада в оптическое поглощение в водных средах в указанном диапазоне. Более того, данный эффект является ничтожно малым по сравнению с изменениями в рассеянии, индуцированными глюкозой, поэтому в данном случае им можно пренебречь [110,111].
Экспериментальные исследования оптических свойств склеры кроликов in vitro убедительным образом продемонстрировали высокие потенциальные возможности ОА метода высокого временного разрешения проводить измерения изменений содержания глюкозы в биотканях. Вызванное глюкозой уменьшение величины светорассеяния в биотканях является намного более существенным по сравнению с подобным эффектом, измеренном в водных суспензиях полистироловых микросфер. Согласно результатам экспериментов, проведённых в данном разделе в УФ диапазоне на длине волны Л=355 nm, относительное изменение эффективного коэффициента оптического ослабления составило -0.3-0.5% на каждый добавленный 1 мМ глюкозы в интервале 5-100 мМ, в то время как данные исследований, проведённых другими авторами в видимом и ближнем ИК диапазоне, показали -0.1-0.3-% изменение величины jueff на 1 мМ глюкозы [111-113]. Таким образом, эффект глюкозы, измеренный в данной работе в УФ диапазоне, являлся существенно более выраженным по сравнению с подобным эффектом, зарегистрированном в более длинноволновом интервале. Данные количественные различия эффекта глюкозы на светорассеяние в биотканях в различных спектральных интервалах могут быть объяснены тем фактом, что величина показателя преломления воды уменьшается с длиной волны в указанном участке спектра. Так, например, при 30"С смещение с длины волны, Я=226.5 ИМ К Я=1014 нм приводит к 5-% уменьшению оптического показателя преломления [158J. Как было показано, эффект глюкозы на коэффициент преломления в водных суспензиях и биологических тканях должен увеличиваться с уменьшением длины волны облучения в интервале от ближней ИК к УФ области спектра [164], что находится в хорошем соответствии с результатами исследований, полученных в данном разделе.
Более того, следует отмстить, что оптические свойства определяются самой структурой склеры: диаметр рассеивателей (коллагеновых фибрилл) сравним с длиной волны УФ излучения, используемого в экспериментах (Я=355 нм). Внутри склеры слои коллагеновых волокон являются хаотически распределёнными в пространстве, причём среднее расстояние между фибриллами оценивается в -300 нм. В соответствии с анализом светорассеяния, проведённом Бенедеком [182], высокие значения рассеяния света были зарегистрированы в тех средах, где существенные флуктуации показателя преломления наблюдались на расстояниях, сравнимых с длиной волны падающего излучения, что подтверждается результатами исследований, проведённых в склере па длине волны, Д=355 им. Все перечисленные факторы определяют чрезвычайно высокие значения рассеяния света в склере в пределах УФ диапазона. Более того, общая отражающая/ рассеивающая поверхность коллагеновых фибрилл в склере намного больше, чем площадь, образованная гладкой поверхностью полистироловых частиц при условии равной объёмной плотности расссиватслей в обеих средах. И наконец, неоднордный процесс диффузии между коллагеновыми фибриллами способен приводить к локальным флуктуациям в показателе преломления, внося таким образом дополнительный вклад в светорассеяние. Таким образом, изменения в рассеянии, вызванные добавлением глюкозы в коллагеносодержащую ткань, могут выглядеть более существенными по сравнению с аналогичными изменениями, наблюдаемыми в водных суспензиях полистироловых микросфер.
Эффект глюкозы в склере с точки зрения оптики может быть описан как оптическое просветление биоткани (или выравнивание относительного покатсля преломления «рассеиватель - водное окружение») и может интерпретироваться как переход от многократного рассеяния к рассеянию с малым числом рассеивающих событий (либо однократному рассеянию) [183].
Следует заметить, что интерпретация экспериментальных результатов, полученных в данной работе для реальных биологических тканей, является более сложной. Помимо эффекта выравнивания показателя преломления, вторым значительным следствием действия глюкозы является осмотический эффект, который способен существенным образом влиять на степень гидратации биоткани. Как было показано ранее, светорассеяние в разбухшей (полностью гидратированной) склере значительно выше вследствие неоднородного распределения воды между коллагеновыми фибриллами и нарушения плотности упаковки данных волокон в склере [183], что существенным образом модифицирует интерференционные процессы в данных средах [182]. В то же время, пространство между фибриллами становится доступным для заполнения водой 184]. Также было показано, что групповой показатель преломления коллагеновых плёнок возрастает при переходе из дегидратированного (сухого) к полностью гидратироваиному состоянию, приводя к удвоению физической толщины данных плёнок [184]. Таким образом, коэффициент оптического преломления/рассеяния в склере зависит от размеров пространства между фибриллами (МФГІ), размеры которого, в свою очередь, зависят от степени гидратации [185]. Степень гидратации в ткани может меняться иод воздействием ряда факторов, таких как степень кислотности (рН), ионная сила базового вещества [185] и флуктуации концентраций эндогенных и экзогенных осмолитов [160].
Кроме того, глюкоза способна оказывать кратковременные и долговременные воздействия на степень гидратации склеры [183]. Кратковременный эффект может выражаться в оттоке жидкости из всей ткани и, как следствие, в её дегидратации, что приведёт к уменьшению светорассеяния/оптического затухания. С другой стороны, процесс диффундирования глюкозы в ткань должен рождать обратный процесс -гидратацию, что снова должно приводить к увеличению рассеяния в рассматриваемой ткани. Таким образом, результирующий («чистый») эффект глюкозы, регистрируемый в описанных экспериментах, характеризуется уменьшением расеяния, что, по всей видимости, является результатом двух конкурирующих процессов: выравнивания показателей преломления и изменений в степени гидратации ткани. В отличие от выравнивания показателей преломления, изученного в разделе 3.3 данной работы, динамика изменения степени гидратации ткани в зависимости от количества добавленной глюкозы на данный момент ещё не изучена во всех деталях. Тем не менее, вклад процесса выравнивания показателей преломления является доминирующим над динамическими изменениями в степени гидратации склеральной ткани с точки зрения влияния на изменение светорассеяния в склере.
Изучение эффекта, производимого глюкозой на эффективный коэффициент оптического ослабления в склере животных в экспериментах in vitro
Экспериментальные исследования, проведённые в склеральной ткани кроликов in vivo, продемонстрировали высокие потенциальные возможности ОЛ метода высокого временного разрешения проводить точные и надёжные измерения эффективного коэффициента оптического ослабления в живых биологических тканях. Как было показано в разделе 3.4, вызываемое глюкозой уменьшение значений коллагеносодержащих тканях in vitro выражалось в существенно больших значениях по сравнению со величиной эффекта, наблюдаемого в модельных средах: так, измерения, выполненные в УФ диапазоне на длине волны А=355 им, продемонстрировали относительное изменение значений-// в -0.3-0.5% на каждый добавленный мМ глюкозы [174]. Согласно экспериментальным данным, полученным в данном разделе, эффект глюкозы на эффективный коэффициент оптического ослабления в коллагеносодержащей ткани in vivo является ещё более ярко выраженным ио сравнению с условиями in vitro и достигает -3% мМ,"1 что является почти на порядок большим по величине по сравнению с предыдущим случаем. Данные различия, ио всей вероятности, связаны с морфологическими различиями между in vivo и in vitro состояниями склеральной ткани. Прежде всего, величины коэффициента преломления в одной и той же ткани могут различаться в зависимости от определённых условий [159]. В данном случае, показатели преломления рассеивателей могут оставаться постоянными, в то время как те же показатели для базового вещества (водянистого окружения) могут различаться для in vivo и in vitro условий. В результате этого собственно величина светорассеяния, так же как и её изменения, индуцированные глюкозой, измеренные в биоткани in vivo, являются существенно большими, чем измеренные в in vitro условиях [63]. Далее, в живой склеральной ткани присутствуют внешний и внутренний тонкие слои, называемые коныоктивой и хороидом (сосудистая оболочка глаза), соответственно. Хороид пронизан густой развитой сетью кровеносных капилляров [177,178]. Кровеносная и лимфатическая капиллярные сети способны вносить свой вклад в общую картину оптического ослабления в склере а также влиять на источники/пути снабжения склеры глюкозой, что может служить принципиальным различием между процессом диффузии глюкозы в склеру в in vitro условиях. Более того, в отличие от очищенных и специально приготовленных образцов склеры для in vitro исследований и извлечённых из донорского организма как минимум за несколько часов до начала эксперимента, в живой склере процесс диффузии глюкозы между коллагеновыми фибрилами может протекать существенно более интенсивно [174].
Следует также отметить, что момент времени, соответствующий максимуму концентрации глюкозы в крови экспериментального кролика, предшествует моменту, при котором зарегистрированы минимальные значения // в склере каждого из глазных яблок животного (рис.3.8 и 3.9). Данная задержка может быть объяснена временем, необходимым для процесса пассивной диффузии глюкозы из кровеносной системы в измеряемую склеральную ткань. Минимальное значение jue// в склере левого глаза кролика было зафиксировано на 11-й мин, в то время как соответствующее значение для правого глаза наблюдалось на 17-й мин (рис.3.8). Данное различие объясняется последовательным курсом поочерёдных ОА измерений в левом и правом глазах животных. В то же время, отмеченная разность может быть отнесена к различным характерным временам переноса глюкозы из крови в склеральную ткань правого и левого глаз кролика, соответственно.
Более того, различный по величине отклик наблюдался в склере правого и левого глаз животного при введении глюкозы (рис.3.8). Данные расхождения могут объясняться естественными вариациями оптических свойств склеры и её неоднородной толщиной. С другой стороны, экспериментальная ошибка измерений может влиять на точность измерения значений juejp Одним из возможных путей увеличения точности ОЛ детектирования в живой склере являлась возможность измерения в одной и той же ограниченной области склеральной ткани предварительно выбранного глазного яблока животного на протяжении всего курса эксперимента. Данная идея была реализована в серии последующих экспериментов, один из которых представлен на рис.3.9. Как видно из данного графика, корреляция между временными изменениями концентрации глюкозы и эффективного оптического ослабления в склере более очевидна и ярко выражена по сравнению с серией экспериментов, в которых использовались попеременно оба глазных яблока подопытного животного. Время релаксации после введения глюкозы, измеренное для различных экспериментальных кроликов, варьировалось от 30 до 90 мин в зависимости от количеств инжектируемой глюкозы, а также от физиологических состояний каждого индивидуального животного. Экспериментальная ошибка измерений не превышала 10-25% для каждого измеренного значения. Тем не менее, данная точность ОА детектирования выражается в способности измерять 5-мМ изменения тканевой концентрации глюкозы в условиях in vivo.
Следует отметить, что глюкоза обладает потенциальной способностью уменьшать светорассеяние/ оптическое ослабление в большинстве биотканей, что особо проявляется в УФ диапазоне. Однако при определённых условиях глюкоза способна индуцировать обратный эффект, выражающийся в увеличении показателя преломления межклеточного (интерстициалыюго) пространства, что приводит к увеличению эффективного коэффициента оптического ослабления/светорассеяния [160]. Данный эффект наблюдался в гепатоцитах - клетках печени, в которые глюкоза способна эффективно проникать, частично вытесняя при этом внутриклеточную жидкость. Однако в отличие от вышеописанного случая, глюкоза не способна воздействовать подобным образом на коллагеновые волокна склеры и других коллагеносодержащих биотканей.
Также следует отметить, что как и в случае мониторинга глюкозы в тканях in vitro, ошибка in vivo измерений может увеличиваться за счёт влияния условий эксперимента, а именно: различной степенью прижатия (механического давления) поверхности детектора к поверхности склеры, вариациями в позиционировании детектора по отношению к измеряемой поверхности, температурные флуктуации в биоткани, и т.д. Вклад каждого из этих факторов в общую ошибку эксперимента должен быть тщательным образом проанализирован и оценен. Помимо этого, ОА сигналы, регистрируемые в склере, могут искажаться за счёт акустического шума (рис.3.4). Основным его источником является та часть энергии лазерного импульса, которая зеркально отражается от поверхности склеры и оказывает ударное воздействие на пьезоэлектрический элемент акустического детекгора. Разрабатываемые новые конфигурации фронтальных ОА преобразователей позволят минимизировать эффект негативного воздействия отражённой зеркальной компоненты зондирующего излучения на чувствительные измерительные элементы акустических детекторов.
Похожие диссертации на Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики
