CC BY
30
УДК 535.33/.34 535.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ДИФФУЗНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИООБЪЕКТОВ
© 2007 г. К.М. Гираев, Н.А. Ашурбеков, Р. Т. Меджидов, О.А. Омаров
The spectrophotometrical researches have been carried out and optical parameters of absorption and transport scattering for in vivo mucous duodenum tissues in norm and with callus ulcer defects have been determined in the wavelength area of 300-800 nm. Proceeding from the data obtained, the degree of blood content and oxygen saturation in the tissues has been revealed in the process pathological development.
В настоящее время для исследования оптических параметров биологических объектов в стационарной спектроскопии развиты два подхода -метод пространственного зондирования и классической спектрофотометрии. Первый из них заключается в измерении коэффициента диффузного отражения с пространственным разрешением и анализе данных в приближении полубесконечной среды в рамках диффузионного или Р3-приближения уравнения переноса излучения (УПИ) [1, 2]. Второй подход предполагает измерение коэффициентов полного пропускания Tt и отражения Rt в сочетании с коллимирован-ным пропусканием Tc для сред конечной толщины и решении обратной задачи УПИ в приближении различных численных или аналитических моделей [3]. Несмотря на хорошо развитую экспериментальную и теоретическую стороны, упомянутые методы в той или иной степени обладают рядом недостатков, снижающих их информативность и практическую ценность.
Данная работа посвящена исследованиям стационарных диффузно-оптических свойств биологических тканей в зависимости от степени патологического процесса (отклонения от нормы). С этой целью проводились измерения спектров диффузного отражения Rd (л) биотканей in vivo и коэффициентов Tt, Rt и Tc биотканей in vitro. На основе полученных результатов уточняется методика определения спектров оптических показателей поглощения /а, рассеяния / и фактора анизотропии g для биообъектов in vivo и дается количественный анализ их патологических состояний.
Материалы и методы эксперимента
Изучение оптических характеристик биотканей проводилось на 35 образцах 12-перстной кишки с каллезной формой язвенных дефектов. При этом исследовался как край язвенного дефекта, так и участок, максимально удаленный (~10 см) от видимой границы патологического очага. Гистохимический анализ биотканей уста-
новил, что в ~90 % случаев язвенных дефектов для участков, максимально удаленных от видимого края поражения характерны незначительные морфологические изменения. Такие биоткани считались здоровыми и были выбраны в качестве контрольной группы.
Общая схема исследований заключалась в следующем: во время плановых операций, непосредственно перед удалением органа или сразу же после удаления в течение первых ~5—10 мин проводились измерения спектров диффузного отражения. Для каждого исследуемого участка было проведено по 10 серий измерений. Разница в результатах каждой серии не превышала ~15 %. Окончательный результат по каждому участку определялся путем усреднения серийных измерений.
Далее с исследованных участков отсекались кусочки биоткани размером —1—1,5 см2 для измерения спектральных коэффициентов Tt, Rt и Tc . Удаленный материал в течение —10-15 мин ополаскивали в физиологическом растворе для удаления остатков крови и затем при помощи крио-статного микротона получали продольные гистологические срезы (in vitro образцы) толщиной —0,5-1 мм. Полученные срезы помещались между кварцевыми пластинами с одинаковым коэффициентом преломления. Промежуток между краями пластин герметично заливался клеем для предотвращения высыхания ткани.
Измерение спектров диффузного отражения Rd (я) проводилось по стандартной схеме с разверткой по длинам волн в диапазоне 300-800 нм с использованием пары световодных кабелей, состоящих из 7 кварцевых световодов каждый (диаметр —200 мкм, числовая апертура —0,12). Один из них предназначался для подведения возбуждающего излучения к биообъекту и располагался вертикально к его поверхности. Другой световод служил для приема и передачи световых сигналов к монохроматору МДПС-2 (дифракционная решетка 600 штр./мм, линейная дисперсия —2,8 нм/мм). Во избежание попадания бликов зеркального отражения принимающий
световод был ориентирован под углом ~25° к поверхности биоткани. Возбуждение спектров Rd (X) осуществлялось при помощи ксеноновой лампы ДКсШ-150, совмещенной с электромеханическим модулятором. Сигнал детектировался при помощи ФЭУ и, пройдя каскад селективного усилителя, подавался на вход АЦП, согласованного с компьютером.
Экспериментальная установка, методика измерения спектральных коэффициентов (Tt, Rt, Tc) и расчета оптических показателей поглощения /а , рассеяния / и фактора анизотропии g для in vitro биотканей подробно описаны в [4, 5].
Как известно, при оптических исследованиях биологических сред принято считать, что in vivo объекты представляет собой однородную смесь крови и самой биоткани [6,7]. Это предположение приводит к тому, что оптические свойства
биообъектов in vivo ( /а (X)invivo , /'s(X)in vivo ) могут
быть определены путем дополнения оптических
свойств крови ( /а (X)blood , /'s (X)blood ) оптическими
свойствами биоткани in vitro (/а (X)invitro, /lS(X)invitro ), полученных для обескровленных тканевых срезов. В настоящей работе для введения поправок на оптические свойства крови в in vitro значения
/а, / и g было использовано следующее соотношение [7]:
/а (X) in vivo /S (X) in vivo /а (X)blood, /s(X)blood х Р +
+ Ha (л) in vitro'
in vitro
: (l00 - p)
/100
(1)
где X - длина волны. При этом показатель поглощения крови может быть найден как сумма показателей
поглощения гемоглобина H,
HbO 2
Hb
Ha
[7]:
blood í о \
Ha (V =
Rd (Л) - K exp
- 7,8
7W\
(3)
д/3!^ НШуо (Х)/Ма,п где К - параметр, учитывающий несогласованность показателей преломления базовой и0 и рассеивающей среды пс (п = С,.сп,.с + С0п0, где Сж,Со - соответствующие концентрации). При
значениях ntiss = 1,36 + 1,4 и данных условиях проведения эксперимента принято считать K близким к 1 [8]. Следовательно, можно предположить, что, используя данные оптических показателей биотканей, полученные по методу [4, 5], можно по формулам (1), (2) подобрать такие значения p и h и получить соответствующие значения invivo (Х) и /u's, invivo {X), при которых рассчитанное по (3) значение коэффициента диффузного отражения Rtt¡eoíi(Л) будет наиболее полно удовлетворять измеренному Rd (Л) для in
vivo объектов. Допустимая погрешность при сходимости экспериментальной и теоретической кривых определялась методом наименьших квадратов
Д-
¿(Rd (Л)-Rdhoes W)
и не превышала ~0,15 %.
и оксигемоглобина
(2)
(X) х к + нНЬ X) х (100 - к)] X (/100),
где р и к - параметры, характеризующие степень кровенаполнения и оксигенации биоткани.
Согласно данным работ [8, 9], коэффициент диффузного отражения Rd (X) для полубесконечной рассеивающей среды, оптические параметры которой лежат в пределах н/На -[5^300] и g-[0,7^0,95], что справедливо для большинства биотканей, может быть выражен с погрешностью менее ~5 % как:
Rd (X)
Результаты и обсуждение
Характерные спектры диффузного отражения для исследуемых объектов, усредненные по сериям измерений, рассчитанные значения Rd (X),
а также усредненные данные оптических показателей, полученные для соответствующих in vitro образцов и их скорректированные значения, показаны на рис. 1, 2. Как видно из рис. 1a-2a, развитие язвенных дефектов в биотканях приводят к снижению in vitro значений ua до ~2 раз и незначительному росту u's. Такой характер зависимости оптических показателей можно объяснить следующем образом. При каллезных поражениях здоровая биоткань органов замещается на фиброзную ткань с грубой густо-развитой волокнистой структурой [10, 11]. Активное разрастание такой ткани приводит к значительной деформации и сужению просвета сосудистого русла, уменьшая тем самым кровоснабжение p и ок-сигенацию h биоткани. С оптической точки зрения структура такой ткани представляет собой плотноупакованные рассеивающие цилиндры, которые и выступают в роли основных центров рассеяния Ми [12].
Внесение поправок в спектры оптических показателей биоткани in vitro на оптические свойства крови по формулам (1)-(3) показало, что даже незначительное увеличение содержания крови приводит к сильному росту показателя поглощения биоткани вблизи длин волн ~420, 545 и 580 нм (полосы фундаментального поглощения окси- и деокси-гемоглобина [13]) и уменьшению его значений до ~2 раз в красной области спектра. В то же время установлено, что увеличение содержания крови в биотканях до ~15% не ока-
i=1
зывает существенного влияния на транспортный показатель рассеяния. При этом для нормальных биотканей скорректированные значения ца составили от ~2,9±0,4 мм-1 при ~420 нм до ~0,03±3е-3 мм-1 при ~700 нм, что соответствует содержанию крови в биоткани р—8,5±0,3 %. Соответствующие значения для биотканей с кал-лезными дефектами составили от ~2±0,3 мм-1 при ~420 нм до ~0,018±2е-3 мм-1 вблизи ~700 нм, что указывает на кровенаполнение биоткани в размере р ~7±0,4 %. Статистический разброс спектральных данных /иа и для исследуемых биообъектов не превышал в среднем —10—15 %.
Кроме того, было выявлено, что развитие кал-лезных дефектов приводит к уменьшению содержания оксигемоглобина в пораженных биотканях приблизительно на —15 %, от к —86±2 % для нормальных биотканей до к —70±4 % для биотканей при длительных язвенных процессов. Это, в свою очередь, также указывает на развитие глубоких процессов атрофии, гипоксии и дистрофии в биотканях при длительных хронических дефектах [10, 11].
Для спектров диффузного отражения, как видно из рис. 1б-2б, на фоне обратного рассеяния, которое определяет уровень диффузного отражения, отчетливо просматриваются основные полосы поглощения смеси окси- и деокси-гемоглобина, вблизи которых спектр (X) приобретает локальные минимумы и интенсивное длинноволновое крыло в области терапевтического окна [13]. Типичные значения коэффициента диффузного отражения для нормальных биотканей лежат в пределах от —0,06±0,01 в УФ до —0,5±0,03 в длинноволновой области спектра. Соответствующие значения для пораженных биообъектов составили —0,08±0,01 и —0,42±0,02. При этом статистический разброс значений коэффициента (X) для всех исследуемых образцов биотканей не превышал —10 %, за исключением коротковолновой области спектра, где разброс достигал —15-20 %.
Ц 0,5 •
-1
мм
0,1
0,02 0,5
R
0,1
0,06.
i\
а ч —
1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1-
б • г* - ± || а
$ -L
300
400
500 600 X, нм
700
800
Рис. 1. а - усредненные спектры показателей поглощения /иа и транспортного рассеяния ¡Js биоткани в норме: пунктирные кривые - in vitro значения, полученные по методу [4, 5], сплошные- значения показателей, скорректированные согласно (1)-(3); б - спектры диффузного отражения Rd соответствующих образцов биотканей: сплошная кривая - экспериментальные данные, круги - значения, рассчитанные по (1)-(3)
5
2
X, нм
Рис. 2. а - усредненные спектры показателей поглощения jua и транспортного рассеяния ¿u's биотканей при каллез-ной форме язвенных дефектов: пунктирные кривые - in vitro значения, полученные по методу [4, 5], сплошные- значения показателей, скорректированные согласно (1)-(3); б - усредненные спектры диффузного отражения Rd соответствующих образцов биотканей: сплошные кривые -экспериментальные данные, круги - значения, рассчитанные по (1)-(3)
В ходе исследований было обнаружено, что характер изменения в спектрах диффузного отражения во многом определяется содержанием крови, степенью оксигенации и микроструктурой исследуемой среды, что полностью подтверждается данными оптических показателей. В частности, по сравнению с нормой увеличение Rd (X)
для каллезных дефектов в области длин волн ~300-600 нм, скорее всего, связано с уменьшением кровенаполнения биотканей p, тогда как снижение значений Rd (X) в длинноволновой об-
ласти спектра вызвано ростом анизотропии рассеяния, направленное вперед, по причине увеличения геометрических размеров оптических не-однородностей и их плотности в пораженных тканях.
Следует отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований известных работ (например, [1, 14]).
Таким образом, на основании результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Исследование биологических тканей при помощи описанной в работе методики позволяет определить спектры оптических показателей ¡ia , /us и g для биообъектов in vivo и получить достоверные количественные данные о степени кровенаполнения p и оксигенации h биоткани по мере развития в них патологических процессов.
2. Развитие язвенных поражений каллезной формы в биотканях приводит к росту анизотропии оптических свойств и увеличения вклада рассеяния Ми вследствие активного разрастания соединительной ткани грубоволокнистой структуры.
3. По мере развития каллезных дефектов происходит уменьшение кровенаполнения и оксиге-нации биоткани (от p ~8,5±0,3 % и h ~86±2 % для нормы до p ~7±0,4 % и h ~70±4 % для пораженных биотканей).
4. Полученные по данной методике результаты, являются не менее информативными в сравнении с результатами известных методик и дают возможность наиболее полно оценить вероятность поглощения и анизотропию рассеяния.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проект РНП № 2.1.1.3966, 2006-2007 и гранта РФФИ, проект № 06-02-96609-р_юг_а.
Литература
1. Wang H.-W. et al. // J. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10. P. 1-13.
2. Hull E.L., Foster T.H. // J. Opt. Soc. Am A. 2001. Vol. 18. P. 584-599.
3. Nilsson A.M.K. et al. // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P. 12561267.
4. Гираев К.М., Ашурбеков Н.А., Кобзев О.В. // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. С. 48-54.
5. Giraev K.M., Ashurbekov N.A., Kobsev O.V. // Int. J. Modern Phys. B. 2006. Vol. 20. P. 25-36.
6. Wang H.-W. et al. // J. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10. P. 1-13.
7. Qu J. et al. // Optical Engineering. 1995. Vol. 34. P. 33343343.
8. Jacques S.L. // Photochem. Photobiol. 1998. Vol. 67. P. 23-32.
9. Francesco F., Franceschini M.A., Fantini S. // Appl. Opt. 2003. Vol. 42. P. 3063-3072.
10. Общая патология человека / Под ред. А.И. Струкова. М., 1982.
11. Морфологическая диагностика болезней желудка и кишечника / Под ред. Л.И. Аруина и др. М., 1998.
12. Schmitt J.M., Kumar G. // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. P. 2788-2797.
13. PrahlS. A. 1999. Доступно: http://omlc.ogi.edu
14. Zonios G., Dimou A. // Optics express. 2006. Vol. 14. P. 8661-8674.
Дагестанский государственный университет, Дагестанская государственная медицинская академия
17 ноября 2006 г.
