Введение к работе
Актуальное н> темы. Необходимость фундаментальною изучения
оптических свойств кропи возникла по мере того как в биологии и медицине разнималось применение светового и особенно лазерного излучения, для лечения и дпаї поетики различных патологических состояний: облучение крови применяют сеіічас при фогодіїпампческоіі терапии злокачественных и паразитарных іабо.чсианпй крови (Kesscl D., 1993), при лазерної! реканалпзации кровеносных сосу до» (лазерная ангиопластика) (Kaplan M.D., Case R.B., 1985), іін> ірнсосуднстой лазерной биостимуляции (Корочкин М. її др., 1975), спеговоїі дпапіосіпке крони (Иснмару A., Reynolds L., Приезжев А.В.. Шубочкічі и др., 19"?5) Кроме гою, крові, является одним из основных абсорбентов видимого и блпжпеинфракрасноіо излучения в организме, поэтому изучение оптических uioiictu кроки - 310 проблема, коюрая изучалась исследователями и других тканей и органон человека (Kcsslcr М., Jacque S., Тучин В., 1992).
Пронедепньн'і анализ литературы показал, что оптические исследования крови и разработка на их основе новых методов диагностики и лечения идут в разных странах уже более двадцати лет (Cheong W.-F., Prahl S.А..Тучин В.В., 1992), не) вместе с тем, на сеіодняшнніі день пег достаточно полных представлении о свегоног.тошающнх и светорассенвающих свойствах крови: оптические парамеїрьі цельной крови, полученные исследователями из разных стран, различаются » 10-15 раз, что естественно затрудняет клиническое применение современных средств физической медицины и диагностики. Таким образом, па данный момент времени отсутствует необходимая метрология лазерного и СПСЮІЮТ0 воздействия на пациежов: не учитывается, какая часть энергии доходит па какую глубину и как излучение распределяется внутри облучаемого обьекта. ')іа проблема регулярно обсуждается на международных конференциях по лазерной медицине в России и за рубежом (Саратов 92-94, Barcelona 95, Los Anseles, 89-94 и др).
Для того, чтобы преодолеть имеющиеся трудности, необходимо прпбмнзпн, изучение спопств крови in vitro к реальным физиологическим условиям счкуднсюїо русла, что позволит метрологически адекватно решать вопросы клиническою применения лазерного излучения для диагностики и лечения широкого крута заболеваний. Представленное обоснование определяет как научное, так и практическое значение настоящей диссертационной работы.
Цен. и іадачн исследования. Целью данной работы является разработка жепернмеи і алыю-теоретической концепции исследований оптических свойств цельной крови, ее аппаратурное и методическое обеспечение, что даст
возможность изучать свойства крови in vitro в условиях, приближенных к реальным физиологическим и на основе выявленных закономерностей разработать метрологически обоснованные принципы клинического применения полученных результатов для фотодинамической терапии (ФДТ). В ходе рабо їм требовалось решить следующие задачи:
-
Теоретически обосновать и разработать экспериментальную установку для исследования оптических свойств крови, позволяющую определяп, II контролируемо изменять те физиологические процессы, происходящие с кровью в сердечно-сосудистом русле, коюрые и основном определяю! ее ошпчеекпе свойства.
-
Обосновать проблему создания гонких проточных слоев целыюп крови для исследований ее оптических свойств в широком диапазоне, включая желто-зеленую область спектра и технически решить данную задачу, раїработав специальную кювету.
-
Экспериментально установить и численно рассчитан, закономерности зависимостей изменений оптических характеристик цельной крови oi изменений ее гематокрита, скорости сдвига и уровня оксигенации для шести наиболее широко используемых в медицинской науке и практике длин волн : 488, 587. 633. 675, 805, 860 им.
4. Апробировать выявленные закономерности па примере изучения
фотодинамической реакции в цельной человеческой крови с использованием
фотосенсибилнзатора тетрасульфированпого фталоппанина аллюмпния
(фотосенса), применяемого для фотодинамической терапии опухолей.
Научная новизна полученных результатов. Разработано аппараіуріїос и методическое обеспечение исследований оптических свойств цельной крови. которое позполило приблизить изучение свойств крови in vilio к рсатьным физиологическим условиям сосудистого русла.
Впервые создана экспериментальная установка, включающая оригинальный элемент (подана заявка на получение патеїпа "Проточная кювета для оптических исследований" N94037116 от 24 окт. 1994г.) для измерения оптических свойств цельной крови и копгролнрусмого изменения ее физиологических свойств (гематокрита, уровня оксигенации и ckojhuiii сдвига) в условиях in vitro для проточных слоен. Установка позволяю определять оптические свойства цельной крови в широком спектральном диапазоне or зеленой до блііжненнфракрасііоіі области спектра на одном и >оч же образце. Экспериментально установлены зависимости изменений общею, дпафраї мильного пропускания и диффузного отражения н рассчитанных на их основе
ко (ффіщиеіпоп поглощения, коэффициентов рассеяния и среднего косинуса угла рассеяния света цельной кровью для шести наиболее широко используемых в медицинской науке и практике длинах волн: 488, 587, 633, 675, 805, 860 им от ІПМС1ІСІШІІ гематокрита, скорости сдвига и уровня оксигенации исследуемой крови человек;) в условиях комплексной оценки исследуемых параметров на одном н том же образце. Установлено, что при повышении уровня оксигенации крови в ней пронсходиі увеличение светорассеяния. Обнаружены нелинейные изменения коїффицисмта поглощения крови па 25-30 % в зависимости от изменений скорости сдвіпа ее потока для 488 и 587 им. Па основе полученных оптико-физиологических закономерностей впервые экспериментально зафиксирован эффект дезоксигенацни крови при фоюдииампческом воздействии in vitro.
Научно-практическое значение работы.
Предложен способ уменьшения экранирующего эффекта суммарною слоя крови, находящейся внутри ткани, заключающийся в предварительном охлаждении участка планируемого облучения.
1'азработаная оригинальная проточная кювета с изменяемой толщиной слоя в пределах 10-1000 мкм без удаления образца из кюветы позволяет исследован, и воспроизводимо облучать мопоклеточные и сверхтонкие проточные слои различных биолої ических жидкостей в широком спектральном диапазоне.
Для получения наиболее устойчивых решений в пределах динамического диапазона проведенных измерений при определении оптических характеристик цельной крови с помощью метода моделирования статистических итераций Монте-Карло (ММСИ) в пдоскопаралдслыюй кгопетс рекомендована оптимальная "нинішнії зондируемого слоя цельной кропи: 200 + 10 мкм. При использовании схемы измерения отражения для применяемых в клинике источников красного диапазона необходимо учитывать, что толщина зондируемого обьема цельной крови не превышает' 300+50 мкм для артериальной и 150+50 мкм для венозной, что важно при спектроскопических исследованиях цельной крови, лазерной аіиііопласіпкс и флюоресцентной диагностике с использованием фо і осененбилнзаторов.
Апробация работы: Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Всесоюзная конференция по новым метдам контроля лазерного облучения крови и оценке эффективности лазерной іерапин. Новосибирск, 1990г.; International Symposium on Optical Methods in Biomedical Diagnostics and Therapy. Саратов, 1992г.; Научно-пракіическая конференция "Современное сосюяіше проблемы применения икорной медицинской техники в клинической практике". Москва, 1992г.;
Biomedical Optics-Europe'93. Budapest, Hungary, I993r.; Biomedical Optics-
Europe'94. Lille, France, 1994г.; Семинар по лазерной медицине Международной
Лазерной Ассоциации (ЛАС). Москва, 1995г.; Biomedical Optics-Europe'95.
Barsclona. Spain, 1995г.; Семинар лаборатории лазерной биофизики, Физический
факультет МГУ, Москва, 1995г.; Biomedical Optics-USA'96. San Jose. USA, 199(«.;
Приглашенная лекция в Physiology and (Cardiology Insfitufc of Eriangcn University,
Germany, 1996r.; International congress of Pluilobiology-96, Vienna. Austria;
Biomedical Optics-Europe'96. Vienna, Austria. По материалам рабо і ы
опубликовано десять статей її подана одна заявка на па ієн і
Структура и обі.см диссертации. Диссертация сосі он і їм введения, обзора литературы, описания материалов н методов, резулыатв и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы к приложения. Содержание диссертации изложено на 165 страницах, иллюстрировано 54 рисунками и содержит .10 таблиц, из которых две составлено по данным литературы. Список литературы включает в себя І56 наименовании.