3.2. Управление оптическими свойствами биотканей
Характер отражения, поглощения и рассеяния света биотканями и кровью можно
достаточно эффективно изменять с помощью различных средств
Окрашивание (сенсибилизация) биологических материалов широко используется для изучения механизмов взаимодействия света с их отдельнымикомпонентами, а также в практической медицине для диагностики и селективной фотодеструкции компонентов живой ткани. Диагностика и фотодинамическая терапия раковых опухолей, а также УФА-фотохимиотерапия псориаза и других пролиферативных заболеваний основана на этих принципах
Можно существенно (до 40 раз) увеличить пропускание мягких кровенаполненных тканей за счет их сдавливания. Прокалывание и растягивание биоткани дает аналогичные эффекты. Просветление живой ткани в этом случае связано с увеличением ее оптической однородности за счет уплотнения рассеивающих центров (например, коллагеновых волокон мышечной ткани) и удаления крови и межтканевой жидкости (воды) из сдавливаемой области, что ведет к увеличению показателя преломления базового вещества, который становится сравнимым с показателем преломления коллагеновых волокон, что в свою очередь уменьшает рассеяние.
Конечно, определенную роль играет и изменение характера поглощения за счет ухода крови из области надавливания. Локальное сдавливание и растягивание биотканей давно и успешно используется в лазерной хирургии, а также в лазерной терапии при черезкожном облучении внутренних органов и крови. Следует однако помнить, что эффект просветления при надавливании некровенаполненных тканей, таких как склера глаза, имеет достаточно большую инерционность (несколько минут) за счет сравнительно медленной диффузии воды из области надавливания.
Другим методом существенного уменьшения рассеяния является согласование показателей преломления рассеивающих центров и базового вещества за счет введения в ткань соответствующих препаратов, так называемых иммерсионных агентов. Качественно эти эффекты описываются соотношением (3.4).
где
a —
радиус шара; p—
объемная плотность шаров; m
—
относительный показательпреломления
материала шара;
— длина
волны излучения.
-
коэф.
рассеяния
. Физиологические концентрации глюкозы в биоткани незначительно изменяют ее коэффициент рассеяния, однако эти изменения оказываются вполне регистрируемыми с помощью современных оптических методов, из которых наиболее перспективен метод ОКТ . Аналогичное согласование преломляющих свойств многокомпонентных биотканей, обладающих поляризационной анизотропией формы (например, роговицы), приводит к уменьшению анизотропии ткани. Изменение характеристик рассеяния и пропускания суспензий кристаллинов, выделенных из хрусталиков глаза теленка, в зависимости от концентрации кристаллинов связывается авторами с осмотическими явлениями в таких суспензиях. Сильно влияние осмотических и диффузионных процессов при просветлении склеры растворами верографина, тразографа, глюкозы и полиэтиленгликоля Осмотические явления оказываются также важными при воздействии растворов сахаров, спиртов и электролитов на оптические свойства биологических материалов (клеток и тканей), что может затруднить определение степени насыщения гемоглобина кислородом или обнаружение таких поглотителей, как цитохромоксидаза, в ткани оптическими методами.
Собственные физиологические изменения в тканях и клетках также приводят к изменениям оптических свойств, что является как раз мерой таких изменений.
Экспериментальные данные по просветлению патологической кожи, а также по
управлению спектрами отражения и пропускания кожи под действием воды, солн-
цезащитных кремов и медицинских препаратов представлены в [22, 90, 969]. Эти
эффекты связаны с вымыванием или, наоборот, внедрением дополнительных рассе-
ивателей или поглотителей в ткань, а также с иммерсией показателей преломления
рассеивателей и базового вещества.
УФ-облучение кожи приводит к возникновению эритемы (покраснению), образо-
ванию меланина, а при сильных воздействиях — к отеку и избыточному росту ткани
Все эти фотобиологические эффекты существенно изменяют оптические свойства кожи, что необходимо учитывать при фототерапии. Под действием УФ-света, в том числе лазерного излучения, происходит радиационное окрашивание хрусталика глаза человека [484] и агрегация кристаллинов, приводящая к существенному возрастанию рассеяния света и, соответственно, уменьшению пропускания хрусталика. Уменьшение температуры хрусталика (до 12◦С) может приводить к возникновению так называемой холодной катаракты, т. е. помутнению хрусталика (резкому увеличению коэффициента рассеяния за счет образования конгломератов протеинов. Этот процесс обратим, и при увеличении температуры прозрачность хрусталика восстанавливается.
В процессе лазерной абляции или коагуляции биоткань меняет свои оптические свойства по сравнению с нормальной, что должно учитываться при лазерных хирургических вмешательствах. Например, при абляции ткани аорты эксимерным лазером (308 нм) оптическая плотность увеличивается в 2,3–3,7 раза по сравнению с нормальной тканью [240]. При коагуляции ткани аорты (100 ◦C, 300 с) ее коэффициент поглощения μa (в диапазоне длин волн 350–1750 нм) меняется незначительно (как правило, уменьшается не более чем на 21,4%, 630 нм), в то же время редуцированный коэффициент рассеяния μ′
s увеличивается весьма значительно, до 148,6%.