Моделирование глубины проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу Текст научной статьи по специальности «Физика»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЛУБИНЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ СВЕТА В НОРМАЛЬНУЮ И ПАТОЛОГИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННУЮ КОЖУ

В.В.Барун*, А.П.Иванов*, А.В.Волотовская**, В.С.Улащик** * Институт физики HAH Беларуси E-mail: [email protected] **Белорусская медицинская академия последипломного образования

Two-layer skin model and engineering procedures of the radiative transfer theory are the foundation for simulating penetration depth of light into normal and pathological skin over the spectral range of 400 to 850 nm. The considered pathologies are vitiligo, oedema, erythematosus lupus, and subcutaneous wound. The obtained results can be useful for low-intensity laser therapy and tomography investigations.

Для лазерной терапии и томографии важным практическим параметром является глубина zo проникновения света в биологическую ткань. В данной работе для определения значений zo на различных длинах волн X использованы модель двухслойной кожи (эпидермис и дерма) и инженерные формулы теории переноса излучения (ТПИ). Распространение света через эпидермис описывалось в малоугловом приближении ТПИ, а через дерму - в асимптотическом приближении. За нормальную ткань условно принята кожа, для которой содержание / меланина в эпидермисе составляет 10±5 %, а объемная концентрация Су капилляров равна 2±1 %. Глубина проникновения света рассмотрена также для ряда патологий -витилиго, отека, красной волчанки и раны, для которых заметно изменяются указанные значения концентраций. Так, витилиго характеризуется сильным уменьшением / меланина, отек - повышенным содержанием жидкости в дерме и, как следствие, уменьшением Су, красная волчанка - увеличением диаметра капилляров дермы и, соответственно, Су. В случае острой раны нарушается структура кожи - эпидермальный слой отсутствует, а поверхность раны покрыта тонким слоем крови. Будем понимать под zo глубину, на которой плотность излучения уменьшается в 10 раз. На рисунке приведен спектр глубины проникновения света в нормальную кожу с / = 5 % и Су = 1 % при толщине

эпидермиса 60 мкм для двух значений степени оксигенации

Zo,

mmкрови S = 0.97 (сплошные кривые) и 0.5 (штриховые). Как

видно, при X = 400-850 нм глубина проникновения изменяется от долей до примерно 10 мм. Спектр zo в jзначительной степени похож на обращенный спектр

поглощения крови. Иными словами, в максимумах поглощения крови значения zo минимальны. При X от 400 до примерно 580 нм глубина проникновения слабо зависит

400 600 Я., nm 800 ' ^ J г . _

от S. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, в указанном интервале А, спектры окси- и деоксигемоглобина близки друг к другу. Кроме того, объемная концентрация капилляров невелика, так что световое поле в глубине кожи в значительной степени определяется пропусканием эпидермиса, а также поглощением и рассеянием света тканью-основой, окружающей кровеносные сосуды. Аналогично приведенному рисунку, были промоделированы глубины проникновения излучения в патологически измененную кожу. При витилиго и отеке zo возрастает из-за меньшей концентрации поглощающей компоненты, а при красной волчанке - zo уменьшается. Наиболее заметно снижение zo в случае острой раны. В работе получены модельные количественные значения zq на длинах волн, используемых при лазерной терапии, что может представлять интерес также и для врачей-практиков.