Введение к работе
Актуальность темы. Оптика биотканей - одна из интенсивно развивающихся областей знаний, представляющая интерес как для физиков, так и биологов и медиков, работающих над созданием оптических медицинских технологий. Взаимодействие света и живой материи весьма разнообразно. Свет может поглощаться, отражаться, рассеиваться и переизлучаться биологической средой. Каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре этой среды, о движении и форме отдельных ее" составляющих, о происходящих в среде биохимических изменениях.
Оптика кожи как раздел оптики биотканей позволяет понять процессы, происходящие при распространении в ней света. Оценка оптических параметров кожи дает возможность получать объективную информацию о содержании и пространственном распределении в ней различных биологических компонентов и успешно использовать ее для диагностики различных кожных заболеваний, изучения последствий воздействия факторов окружающей среды, оценки эффективности проводимого лечения и др. Необходимо отметить, что большинство полученных в настоящее время результатов по оптике кожи относятся к измерением in vitro образцов ткани, в то время как взаимодействие света с живой тканью может вносить существенные изменения в результаты исследований. Поэтому in vivo исследования кожи человека несомненно являются актуальными.
Среди оптических методов in vivo исследования кожи в настоящее время наибольшее развитие получили методы отражательной и флуоресцентной спектроскопии. Отраженное кожей излучение или ее флуоресценция несет информацию о структуре эпидермиса и дермы, количестве и кро-венаполненности кровеносных сосудов, пространственном распределении хромофоров и флуорофоров внутри кожи и их концентрации, интенсивно-
ста происходящих в коже метаболических процессов. При этом, хотя явление автофлуоресценщт кожи известно давно, до сих пор не совсем ясен механизм формирования спектра флуоресценции кожи, возбужденной излучением УФА диапазона. От ответа на вопрос, какой флуорофор (NADH и кератин эпидермиса или коллаген дермы) является определяющим в формировании спектра флуоресценции кожи, зависит объективность флуоресцентных методик диагностики состояния кожи. Адекватное описание состояния кожи с помощью отражательной и флуоресцентной спектроскопии требует сопоставления результатов ее экспериментальных исследований с модельными, включающими в себя математическое моделирование распространения света в среде, представляющей собой физическую модель биоткани, при этом важно проводить экспериментальные исследования при таких внешних воздействиях, которые заранее дают возможность оценивать происходящие в коже в результате таких воздействий изменения и проводить сравнительное математическое моделирование при соответствующем изменении оптических параметров кожи.
Методы отражательной и флуоресцентной спектроскопии биоткани взаимно дополняют друг друга. Их комбинированное использование при in vivo исследованиях кожи дают определенный вклад в развитие фундаментальных представлений о происходящих в коже биофизических процессах. Математическое моделирование спектров отражения и флуоресценции кожи позволяет описать происходящие под действием различных факторов изменения в биоткани с точки зрения изменений ее функционально-морфологического состояния, что может быть положено в основу разработки неинвазивных диагностических методов оценки ее состояния.
Целью диссертационной работы является in vivo исследование кожи человека методами флуоресцентной и отражательной спектроскопии и разработка неинвазивных методов диагностики ее состояния.
Дли достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать экспериментальное оборудование для исследования in vivo спектров отражения и флуоресценции кожи человека.
-
Экспериментально и теоретически исследовать спектры отражения кожи при изменении содержания в ней крови и пигмента меланина, являющимся результатом наведенной УФ эритемы и пигментации и внешней механической компрессии кожи.
-
Экспериментально и теоретически исследовать формирование спектров автофлуоресценции кожи с изменяющимся содержанием крови и меланина.
-
На основе сравнения результатов экспериментальных исследований спектров отражения и флуоресценции кожи и результатов численного моделирования ее спектров отражения и флуоресценции разработать физическую модель кожной ткани, адекватно отбывающую формирование спектров отражения и автофлуоресценпии реальной кожи.
-
Разработать методики определения содержания крови и меланина в коже человека, основанные на анализе спектров отражения и флуоресценции кожи.
-
Разработать методики исследования наносимых на кожу фармацевтических препаратов, основанные на анализе спектров отражения и флуоресценции кожи.
Научная новизна работы определяется комплексом впервые выполненных in vivo исследований и впервые полученных результатов. Они сводятся к следующему:
-
На основе анализа спектров отражения кожи разработана ее простая физическая модель, позволяющая по спектрам отражения кожи определять количественное содержание в ней основных хромофоров, определяющих характер спектров отражения (гемоглобина крови дермы и меланина эпидермиса).
-
Разработана новая трехволновая методика определения количественного содержания крови (индекс эритемы) и меланина (индекс пигментации) в коже человека.
-
Разработан новый компактный прибор - эритемо-меланинометр для определения индексов эритемы и пигментации кожи по спектрам ее отражения и проведено его клиническое испытание в сравнении с зарубежными аналогами.
-
На основе анализа спектров флуоресценции кожи впервые разработана и исследована простая модель ее флуоресценции и введена величина, условно названная "эффективной оптической плотностью" кожи, позволяющая оценивать относительные количественные изменения в поглощающих свойствах кожи, обусловленные изменением содержания в ней крови и меланина.
-
Разработана новая флуоресцентная методика определения индексов эритемы и пигментации кожи.
6. Разработана и апробирована новая флуоресцентная методика
оценки свойств наносимых на кожу фотозащитных препаратов, позволяю
щая исследовать временную динамику изменения солнцезащитного факто
ра препаратов.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что проведенные исследования существенно расширяют представление о комбинированном методе флуоресцентной и отражательной спектроскопии in vivo кожи человека, что в свою очередь, может иметь значение для целого ряда применений. Разработанный волоконно-оптический датчик для подвода излучения к коже и для сбора рассеянного кожей излучения может найти широкое применение при in vivo исследованиях других биологических тканей. Практическая ценность проведенной работы заключается также в применении полученных результатов исследований и разработанных методик в различных областях медицины, в частности в дерматологии, гинекологии, аллергологии и др.
Разработанные методики и устройства применяются в клинической практике НИИ сельской гигиены (г.Саратов).
Полученные в данной работе результаты используются в учебном процессе при чтении специального курса лекций по спектроскопии биологических объектов, а также при выполнения научных исследований по следующим грантам и НИР:
-
Международный грант "Colposcopic Imaging Spectroscopy" по программе INCO-COPERNICUS (Cooperation in Science and Technology with Central and Easten European Countries), 1997-98 гг.
-
НИР "Разработка диагностического медицинского прибора для определения степени эритемы и содержания меланина в коже человека" по Региональной научно-технической программе "Проблемы развития индустрпаль-ного комплекса и социально-экономической сферы Саратовской области" Миннауки РФ, 1995-96 гг.
3. НИР "Разработка физических основ лазерных измерений параметров
реальных физических и биологических объектов" по Научной программе
"Университеты России" Госкомитета РФ по высшему образованию. 1992-95 гг.
4. НИР "Разработка методик и аппаратуры для лазерной медицинской диагностики" по Научно-технической программе "Лазеры в науках о жизни" Российского Центра лазерной физики, 1993-96 гг.
Работа поддерживалась стипендией Международной Соросовской Программы Образования в Области Точных Наук (ISSEP), грант № А97-625, 1997 г.
Достоверность научных результатов, представленных в работе, обусловлена тем, что они получены на основе апробированных методик измерений, а также учета систематических и случайных погрешностей для каждой из предложенных схем измерений, подтверждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, соответствием результатов численного моделирования и физического эксперимента, а также соответствием результатам, полученным другими исследователями.
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, проведении экспериментальных исследований, обработке и обсуждении полученных результатов. Результаты численного моделирования, приведенные в главах 3 и 4, получены совместно с И.В.Меглинским и А.Х.Мавлютовым.
На защиту выносятся.
-
Модель автофлуоресценции кожи человека, позволяющая оценивать относительные количественные изменения в поглощающих свойствах кожи, обусловленные изменением содержания в ней крови и меланина.
-
Трехволновый метод одновременного определения количественного содержания крови (индекс эритемы) и меланина (индекс пигментации) в коже по ее спектрам отражения в видимой области.
3. Флуоресцентная методика определения солнцезащитного фактора наружных фотозащитных препаратов.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались к обсуждались на следующих международных и отечественных научных конференциях:
-
International Symposium on Biomedical Optics "BiOS'93" (Los Angeles. 1993).
-
International Symposium on Biomedical Optics "BiOS'94" (Lille. France. 1994).
-
The 10-th International Symposium on Bioengineering and the Skin (Cincinnati. Ohio. USA. 1994).
-
European Biomedical Optics Week "BiOS'95" (Barcelona. Spain. 1995).
-
European Biomedical Optics Week "BiOS'96" (Vienna, Austria, 1996).
-
Международная конференция "Проблемы и перспективы прецизионной механики и уттравления в машиностроении' (г. Саратов, 1997).
-
Школа по оптике и лазерной физике и оптоэлекгронике (г. Саратов, 1997).
-
Всероссийский семинар "Проблемы и достижения люминесцентной спектроскопии" (г. Саратов, 1998).
По теме диссертации опубликовано 16 работ (10 статей и 6 тезисов докладов на научных конференциях).
Структура и объел» работы. Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей четыре главы, заключения и списка цитируемой литературы из 247 наименований. Диссертация изложена на -/3J? страницах машинописного текста и иллюстрирована ^6рисунками.