CC BY
108
СПЕКТРЫ ДЕЙСТВИЯ ВНЕШНЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХРОМОФОРЫ КОЖНОГО ПОКРОВА ЧЕЛОВЕКА
В. В. Барун, А. П. Иванов Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной Академии наук Беларуси Пр. Независимости 68, Минск 220072, Беларусь, e-mail barun@dragon.bas-net.by
В диапазоне длин волн 300-1000 нм исследованы спектры действия внешнего излучения на ткань-основу, меланин, окси- и деоксигемоглобин крови, реализующиеся на различных глубинах под поверхностью кожи. Спектры обусловлены двумя факторами. Первый - соответствующие зависимости от длины волны показателя поглощения конкретного хромофора. Второй -спектральная селективность плотности излучения, определяющая долю поглощенной мощности относительно падающей. Этот фактор связан с оптическими свойствами всех хромофоров. Показано, что имеет место существенная трансформация спектров действия с ростом глубины. Выявлены длины волн X, наиболее эффективно воздействующие на указанные хромофоры. Так, спектры действия на меланин максимальны при X = 350 - 500 нм, на ткань-основу и оксигемоглобин - при X = 800 - 1000 нм, на деоксигемоглобин - при X порядка 600 нм. Полученные результаты полезны при анализе светокислородного и фотодинамического механизмов воздействия света на компоненты биологических тканей.
1 Введение
Понятие спектра действия часто вводят для оценки эффективности различных фотофизических и фотохимических процессов (люминесценция, фотохимические реакции и т.п.). Конкретная его дефиниция зависит от типа исследуемого процесса. Ниже будем понимать под спектром действия K (или нормированным спектром K*) внешнего излучения на компоненту ткани суммарную мощность излучения, поглощенную данной компонентой в единичном объеме среды, при падении единичной плотности мощности монохроматического света на ее поверхность:
K*(X, z) = Km(X, z)/ fm = km(X)E (X, Z ) / E„, 0)
4 [Kt(X Z)/(1 - fm) = kt(X)E (X Z) / Е0при Z вэпВДермисе
Kt (X, z) = < (2)
[ Kt(X,z)/(1 -CV) = kt(X)E(X, z)/E0 при z в дерме,
KHbO2 (X, z) = KHb02 (X, z) /(Cv HfS) = C (X)Ce (X)kHb02 (X) E (X, z) / E0, (3)
KHb (X, z) = Kнь (X, z) /(CV HfS) = Cc (X)Ce (X)kHb (X) E (X, z) / E0, (4)
где индексы t, m, Hb02 и Hb относятся соответственно к ткани-основе, меланину, окси- и деоксигемоглобину, X - длина волны, z - глубина, отсчитываемая от поверхности, fm и CV - объемные концентрации меланина и кровеносных сосудов, H - гематокрит (объемная доля эритроцитов в крови), f - объемная концентрация гемоглобинов в эритроцитах, S - степень оксигенации крови (отношение концентрации оксигемоглобина к полному гемоглобину), k(X) - спектры показателей поглощения соответствующих хромофоров, E(X,z) и Е0 -плотность излучения в глубине и на поверхности ткани. Коэффициенты C0(X) и Ce(X) учитывают эффект «сита» на капиллярах [1] и эритроцитах [2]. Этот эффект существенен в сине-зеленой области спектра, где оптические размеры сосудов и эритроцитов велики из-за сильного поглощения кровью, и Сс,е(А,) < 1- На других X указанные коэффициенты порядка 1. Как видно из (1) - (4), функции K(X,z) учитывают как спектры поглощения собственно хромофоров, так и зависимость от световых полей, облучающих элементарный объем среды на данной глубине, или, иными словами, спектральную селективность всех оптических свойств биоткани. Спектры поглощения k гемоглобинов известны из литературы [3, 4]. Таким образом, в общем случае для определения K необходимо найти характеристики светового поля в глубине ткани с учетом эффекта «сита». Была разработана методика расчета и выполнены соответствующие вычисления.
2 Плотность излучения в глубине биоткани с учетом эффекта «сита»
Расчеты Е основаны на аналитических методиках теории переноса излучения [3, 5], описывающих многократное рассеяния света в многослойной среде и многократные переотражения между слоями кожи. Эффект «сита» был введен в алгоритм вычислений путем использования поправочных коэффициентов Сс,е(^) для показателей поглощения сосудов и эритроцитов [1, 2]. Часто на этот эффект не обращают внимания в публикациях, а его влияние будет оценено ниже. Структура дермы задавалась однородной [3] или многослойной [6]. Во втором случае переменны значения ^ как функция г. На рис. 2а сопоставлены зависимости Е(г) для этих двух структур при одинаковой средней объемной концентрации ^ = 0.0595. Границы слоев показаны вертикальными штриховыми линиями. Видно, что при неоднородной дерме световые поля в глубине среды меньше. Это связано с экранированием верхними, сильнее поглощающими слоями излучения при больших г. Вблизи поверхности значения Е практически не зависят от структуры дермы. Рис. 2б иллюстрирует влияние эффекта «сита» на Е(г) для неоднородной дермы. Как отмечалось, этот эффект максимален на длинах волн сильного поглощения света кровью. Однако при таких X плотность излучения заметно ослабевает с ростом г. Поэтому данные рис. 2б приведены для длин волн, на которых еще существенны световые поля в глубине среды и проявляется эффект «сита». Видно, что при больших г плотность излучения Е с учетом «сита» может возрастать в несколько раз. Для однородной дермы увеличение Е примерно такое же, как на рис. 2б.
Е/Е0 1 -' 1 1 1 1 | 1 ММ | 1 | ^^ II <4 11
0.1 Б" '
0.01 Г
0.001 Е- | 1 \ |у\1 I \ 11\\
0.0001 I I 1 1 \| 1 V 1 \ 1 ^
0.1 1 г, мм 0.1 1 г,мм
Рис. 1. Глубинные профили нормированной плотности излучения в дерме без (сплошные кривые) и с учетом (штриховые) эффекта «сита» для однородной (тонкие линии) [3] и многослойной (жирные) [6] дермы при X = 450 (1), 500 (2) и 535 нм (3), = 0.08, толщина рогового слоя - d1 =0.02 мм, эпидермиса - d2 = 0.06 мм, = 0.75
3 Спектры действия
Сначала рассмотрим спектры действия на хромофоры кожной ткани без учета эффекта «сита». На рис. 1 показаны функции К*(Х,г) на различных глубинах в случае однородной дермы [3]. Здесь же символами приведены спектры к(X) соответствующих хромофоров. Как видно, зависимости К*(Х,г) и ^Х) сильно различаются даже при сравнительно небольших г. С ростом г отличия усиливаются. Выше отмечалось, что это связано с селективностью оптических свойств ткани. Спектр £т(Х) меланина (рис. 1а) экспоненциально спадает при увеличении X [4], тогда как К*т(Х,г) имеет локальные экстремумы, приходящиеся на максимумы или минимумы показателя поглощения крови. Повышается степень воздействия на меланин ближнего ИК излучения. Спектр ^(Х) ткани-основы относительно нейтрален [4], тогда как на нее на всех г наиболее эффективно действует свет с X >
650 нм (рис. 16). Это обусловлено сильным поглощением сине-зеленого излучения меланином и кровью. Сильную трансформацию претерпевают также и спектры действия на окси- и деоксигемоглобин (рис. 1в и г). Если на поверхности дермы (кривые 2) еще сохраняется некоторое подобие КНЬ02, КННЬ02 и соответствующих показателей поглощения, то в глубине среды (3 и 4) превалирует действие ближнего ИК излучения на НЬ02 и света с 1 = 600 нм на НЬ. Сине-зеленое излучение доходит до глубоких слоев дермы сильно ослабленным и практически не оказывает воздействия ни на кровь, ни на ткань-основу.
К * см-
1000
к„
см"
К * см-
К * Л НЬ02' = / 11
см-1 < [ / в -
1000 Г и 1м 11 1 1 1 н
100 Г Л ^ V4-——
10 -
1 - Г 1
см"'
К * см
1000 100
400
600
800 1, нм
400
600
800 1, нм
Рис. 2. Нормированные спектры действия (левая шкала ординат) на меланин (а), ткань-основу (б), окси- (в) и деоксигемоглобин (г) при z = 0.02 (кривые 1), 0.08 (2), 1.5 (3) и 3 мм (4). Символы (правая шкала) - показатели поглощения соответствующих компонент, /т = 0.08, ^ = 0.04, d1 =0.02 мм, d2 = 0.06 мм, £ = 0.75
4 Учет влияния «сита» капилляров на спектры действия
Как видно из (1 - 4), эффект «сита» сказывается на спектрах действия двояким образом. Во-первых, в целом растет плотность излучения Е (см. рис. 1б) в среде из-за менее эффективного поглощения света кровью, что приводит к увеличению К. Однако расчеты показали, что Е в роговом слое, эпидермисе и верхних слоях дермы меняется незначительно. Это связано с тем, что на небольших глубинах световое поле в сине-зеленой области спектра определяется, в основном, рассеянным излучением источника и слабо зависит от коэффициентов отражения слоев кожи на указанных 1, а при других 1 эффект «сита» не проявляется. Во-вторых, т.к. Сс,е(1) < 1, по абсолютной величине спектры действия на гемоглобины уменьшаются при учете эффекта «сита». Таким образом, два упомянутых фактора конкурируют и действуют на К в противоположных направлениях. Поэтому, как
к
видно из рис. 3, влияние эффекта «сита» на спектры действия слабее, чем на световые поля. Отметим, что при X < 600 нм локальные максимумы (минимумы) поправочных коэффициентов примерно соответствуют локальным максимумам (минимумам) К. Это также говорит о подавлении коэффициентами Сс,е соответствующего роста плотности излучения.
100
§ 10
Со ё
*
^ 1
0.1
Рис. 3. Нормированные спектры действия (кривые 1 и 2) на окси- (а) и деоксигемоглобин (б) без (сплошные кривые) и с учетом (штриховые) эффекта сита при z = 1.5 (1) и 3 мм (2), f = 0.08, CV =
0.0595. d1 = 0.02 мм, d2 = 0.06 мм, S = 0.75. Кривые 3 и 4 (правая шкала ординат в случае а) -спектры поправочных коэффициентов Ce(X )и Сс(Х) соответственно
1. Барун В. В., Иванов А. П. // Опт. спектроск. - 2004. Т. 96. №6. С. 1019 - 1024.
2. Barun V. V., Ivanov A. P. // Proc. 10th Conf. Electromag. & Light Scattering. Bodrum, Turkey. - 2007. - P. 5 - 8.
3. Барун В. В., Иванов А. П., Волотовская А. В., Улащик В. С. // Журн. прикл. спектроск. - 2007. - Т. 74. №3. С. 387 - 394.
4. Jacques S. L. http://omlc.ogi.edu/news/jan98/skinoptics.html.
5. Зеге Э. П., Иванов А. П., Кацев И. Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техн., 1985. 327 с.
6. Меглинский И. В. // Квант. электр. - 2001. - Т. 31. №12. - С. 1101 - 1107.
ACTION SPECTRA OF EXTERNAL RADIATION ON CHROMOPHORES OF MAN SKIN COVER
V. V. Barun, A. P. Ivanov B. I. Stepanov Institute of Physics, National Academy of Sciences of Belarus 68 Nezavisimosti Pr., Minsk 220072, Belarus, e-mail barun@dragon.bas-net.by
Action spectra of external radiation on melanin, bloodless tissue, oxy- and deoxyhemoglobin at varying depths under skin surface are simulated over wavelength range of 300 to 1000 nm. The spectra are formed due to two factors. The first one is the spectral absorption coefficient of a specific chromophore. The second one is the spectral selectivity of fluence rate that determines the absorbed light power. The latter factor is related with optical properties of all the chromophores. The essential transformation of the action spectra with the depth is shown to occur. Wavelengths X that act most effectively on the said chromophores are simplified. So the action spectra on melanin are maximal at X = 350 - 500 nm. For bloodless tissue and oxyhemoglobin, the maxima are at X = 800 - 1000 nm, for deoxyhemoglobin they do at X about 600 nm. The obtained results are useful for evaluating the light-oxygen and photodynamic effects of light on biological tissue components.
