CC BY
442
ОПТИЧЕСКОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ -ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ И ФОТОТЕРАПИИ
Башкатов А.Н., Генина Э.А., Тучин В.В.
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского e-mail: a.n.bashkatov@mail.ru
Рассмотрены перспективы применения оптического просветления биотканей в современной медицинской диагностике и фототерапии. Показано, что мотивацией для исследования и использования оптического просветления биотканей является необходимость увеличения достаточно малой глубины зондирования биотканей излучением видимого и ближнего ИК спектральных диапазонов, а также повышение пространственного разрешения и контраста изображений структурных компонент биотканей при использовании оптической томографии.
ВВЕДЕНИЕ
Существенный прогресс в разработке неинвазивных методов многофункционального клинического мониторинга различных заболеваний, связан в значительной мере с развитием оптических методов диагностики. В дерматологии, гинекологии, гастроэнтерологии оптические методы перспективны для диагностики, локализации и лечения злокачественных новообразований, фотодинамической терапии различных заболеваний, маммографии и томографии кожи и внутренних органов. В офтальмологии при лечении глаукомы, отслоении сетчатки глаза и ряда других заболеваний широко применяется транссклеральная фотокоагуляция тканей глазного яблока - цилиарного тела, сетчатки глаза и т.д. Оптические методы используются для мониторинга функциональной активности мозга, сердечной деятельности, работы сосудистой системы, определения скорости кровотока и лимфотока, объема крови в биотканях и степени ее оксигенации.
Одна из основных проблем применения оптических методов в медицине связана со сложным характером переноса оптического излучения - его значительным перераспределением по угловым координатам и существенным ослаблением коллимированных пучков при прохождении через поверхностные слои биотканей, примером которых являются кожа, склера глаза, твердая мозговая оболочка и т.д. Сложный характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями обусловлен их оптической неоднородностью, вызывающей сильное рассеяние излучения видимого и ближнего инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов, что значительно ограничивает пространственное разрешение и глубину зондирования многих оптических методов. Управление оптическими характеристиками биотканей является одним из перспективных путей решения данной проблемы.
Управление оптическими параметрами биотканей - достаточно новый раздел оптики биотканей, основанный на изменении поглощающих и рассеивающих характеристик биотканей под действием различных физико-химических факторов, например сжатия, растяжения, дегидратации, коагуляции, охлаждения биотканей, а также пропитывании биотканей различными химическими растворами, гелями и маслами. В настоящее время последний метод, основанный на согласовании показателей преломления структурных компонент биотканей и окружающего их вещества, получил наиболее широкое распространение под названием «оптическое просветление биотканей» (в англоязычной литературе - tissue optical clearing). Временное селективное просветление верхних слоев биотканей является ключевым моментом развития техники структурного и функционального зондирования биотканей, применяемого, в частности, для локализации статических и динамических макронеоднородностей скрытых в сильно рассеивающих средах, к
которым относятся и биоткани. Мотивацией для исследования и использования оптического просветления биотканей является необходимость увеличения достаточно малой глубины зондирования биотканей излучением видимого и ближнего ИК спектральных диапазонов, а также повышение пространственного разрешения и контраста изображений структурных компонент биотканей при использовании оптической томографии.
ОФТАЛЬМОЛОГИЯ
Примером применения оптического просветления биотканей в офтальмологии является транссклеральная фотокоагуляция тканей глазного яблока - цилиарного тела, сетчатки глаза и т.д. Основным барьером на пути оптического излучения в данном случае является склера глаза человека, в силу чего оптическое просветление данной биоткани, т.е. уменьшение в ней светорассеяния, является важнейшим аспектом на пути снижения мощности лазерного излучения, используемого при проведении терапевтических процедур.
На рис. 1 и 2 показано влияние водного 40%-раствора глюкозы на спектральные характеристики склеры глаза человека. Из приведенных рисунков видно, что введение раствора глюкозы в склеру глаза вызывает существенное снижение светорассеяния.
0.16-
ш
0.14 •
Е5
R 0.12 • [=
О
£ 0.10.
ш
о
X 0.08. х ГО Ш
О 0.06-о.
S
Ü 0.04.
с;
с;
.§ 0.02.
700 нм
R
0.35
700 800
я, нм
Время, мин
5
10
15
20
Рис. 1. Динамика пропускания образца склеры глаза человека, измеренная in vitro в процессе оптического просветления [1]
Рис. 2. Спектры отражения склеры глаза кролика, измеренные in vivo в процессе оптического просветления [2]
Другим, не менее важным, направлением является измерение скорости диффузии осмотически активных веществ и лекарственных препаратов в биотканях [1-5]. Метод основан на измерении динамики светорассеяния под действием иммерсионных жидкостей и лекарственных препаратов и позволяет измерять коэффициенты диффузии как in vitro, так in vivo. В качестве примера в таблице 1 представлены значения коэффициентов диффузии некоторых лекарственных препаратов, измеренных данным методом.
Табл. 1. Коэффициенты диффузии лекарственных препаратов в склере глаза человека
Лекарственный препарат Коэффициент диффузии, см2/сек Лекарственный препарат Коэффициент диффузии, см2/сек
Глюкоза 20% (0.57 ± 0.09) х10-6 Ретиналамин (1.82 ± 0.14)х 10-6
Глюкоза 30% (1.47 ± 0.36 )х10-6 Кортексин (4.4 ± 2.7 )х10-6
Глюкоза 40% (1.52 ± 0.05) х10-6
Необходимо отметить, что помимо необходимости знания коэффициентов диффузии для разработки математических моделей, описывающих транспорт лекарственных препаратов в биотканях, сравнение транспортных характеристик в нормальных и патологически измененных тканях может являться дополнительным диагностическим методом.
ДЕРМАТОЛОГИЯ
Дерматология является наиболее перспективной областью медицины с точки зрения применения оптического просветления биотканей. Визуализация кровеносных сосудов и капилляров, подкожных новообразований, увеличение глубины проникновения зондирующего излучения при проведении целого ряда диагностических и терапевтических процедур, а также снижение мощности лазерного излучения используемого при проведении терапевтических и хирургических процедурах являются наиболее яркими примерами применения метода оптического просветления в дерматологии.
На рис. 3 и 4 показано влияние водного 40%-раствора глюкозы на спектральные характеристики кожи лабораторных животных. Из приведенных рисунков видно, что введение раствора глюкозы в кожу вызывает существенное снижение светорассеяния.
700 нм ♦ 650 нм 600 нм
*550 нм 500 нм
■в-
Время, мин
550 600 650 700 Длина волны, нм
15 мин
30 мин 45 мин 105 мин
Рис. 3. Динамика пропускания образца кожи измеренная in vitro в процессе оптического просветления [4]
Рис. 4. Спектры отражения кожи, измеренные in vivo в процессе оптического просветления [4]
В таблице 2 представлены значения коэффициентов диффузии глюкозы, измеренных на основе динамики светорассеяния.
Табл. 2. Коэффициенты диффузии иммерсионных жидкостей в коже [4,6]
0 мин
0
400
450
500
750
800
Иммерсионная жидкость Коэффициент диффузии, см2/сек (in vitro ) Иммерсионная жидкость Коэффициент диффузии, см2/сек (in vivo)
Глицерин 88% (5.1 ± 2.3)х 10-7 Глицерин 88% (1.16 ± 0.03)х10-6
Глюкоза 40% (3.2 ± 0.4)х10-6 Глюкоза 40% (1.10 ± 0.15) х 10-6
Глюкоза 40% (кожа человека) ( 2.56 ± 0.13)х 10-6
ТОМОГРАФИЯ МОЗГА Томография мозга наряду с маммографией является одним из важнейших направлений оптической томографии. При зондировании мозга излучением видимого и ближнего ИК диапазонов основные потери оптического излучения происходят в коже головы, костях черепа и фиброзной ткани - твердой мозговой оболочке человека. На рис. 5 и 6 представлены результаты оптического просветления твердой мозговой оболочки и черепной кости человека под
действием раствора глюкозы и глицерина. Хорошо видно, что под действием данных иммерсионных жидкостей наблюдается существенное снижение светорассеяния и вследствие этого увеличение интенсивности прошедшего через них излучения.
700 нм 650 нм 600 нм 550 нм 500 нм
Время, мин
Рис. 5. Динамика пропускания образца твердой мозговой оболочки человека, измеренная in vitro в процессе оптического просветления под действием 40% водного раствора глюкозы [7]
1200 1400 1600 Длина волны,нм
Рис.6. Спектры транспортного коэффициента рассеяния образца черепной кости человека измеренные до (1) и после (2) воздействия глицерином в течении одного часа [8]
2
1000
1. Башкатов А.Н., Генина Э.А., Синичкин Ю.П., Кочубей В.И., Лакодина Н.А., Тучин В.В. Определение коэффициента диффузии глюкозы в склере глаза человека // Биофизика, Т. 48, № 2, С. 309-313, 2003
2. Генина Э.А., Башкатов А.Н., Синичкин Ю.П., Тучин В.В. Оптическое просветление склеры глаза in vivo под действием глюкозы // Квантовая Электроника, Т. 36, № 12, С. 1119-1124, 2006
3. Tuchin V.V., Maksimova I.L., Zimnyakov D.A., Kon I.L., Mavlutov A.H., Mishin A.A. Light propagation in tissues with controlled optical properties // J. Biomed. Opt., Vol. 2, N. 4, P. 401-417, 1997
4. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical immersion as a tool for tissue scattering properties control / In: Perspectives in Engineering Optics, eds. Kehar Singh and V.K. Rastogi, Anita Publications, New Delhi, India, 2002, pp. 313-334
5. Genina E.A., Zubkova E.A., Korobko A.A., Yanina I.Yu., Bashkatov A.N., Kamenskikh T.G., Galanzha V.A., Tuchin V.V. Diffusion of Cortexin and Retinalamin in eye sclera // Proc. SPIE, Vol. 6535, 65351Y, 2007
6. Bashkatov A.N., Genina E.A., Korovina I.V., Sinichkin Yu.P., Novikova O.V., Tuchin V.V. In vivo and in vitro study of control of rat skin optical properties by action of 40%-glucose solution // Proc. SPIE, Vol. 4241, P. 223-230, 2001
7. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Sinichkin Yu.P., Korobov A.A., Lakodina N.A., Tuchin V.V. In vitro study of control of human dura mater optical properties by acting of osmotical liquids // Proc. SPIE, Vol. 4162, P. 182-188, 2000
8. Genina E.A., Bashkatov A.N., Tuchin V.V. Optical clearing of human cranial bone by administration of immersion agents // Proc. SPIE, Vol. 6163, 616311, 2006
