Исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани трансиллюминационным, спектральным и флуоресцентным методами

2
Оглавление
Введение.................................................................7
Глава 1. Строение, свойства и методы исследовании биотканей, в том числе жировой ткани........................................................17
§1.1. Основные оптические свойства биотканей..........................17
§ 1.2. Методы исследования оптических свойств биотканей...............28
§ 1.3. Строение и физико-химические свойства жировой ткани............37
§ 1.4. Оптические свойства жировой ткани..............................42
§ 1.5. Изменения агрегатного состояния и оптических свойств жировой ткани
при нагревании и охлаждении...........................................53
§ 1.6. Влияние магнитного поля на структуру липидов...................68
Заключение к главе 1 .................................................71
Глава 2. Экспериментальное исследование изменений оптического пропускания жировой ткани in-vitro под влиянием температу ры...............74
Основные результаты главы 2...........................................86
Глава 3. Теоретическое исследование изменений оптического пропускания
жировой ткани под влиянием температуры..................................87
§ 3.1. Распространение света в коже и подкожном жире (однородная, изотропная, нетермочувствительная, однофазная среда)...................87
§ 3.2. Оптическая модель жировой ткани как термочувствительной гетеро-
фазной среды..........................................................95
Основные результаты главы 3..........................................105
Глава 4. Экспериментальное исследование изменений спектральных и флуоресцентных свойств жировой ткани in-vitro под влиянием температуры.....................................................................106
§4.1. Изменения спектров поглощения жировой ткани иод влиянием температуры.............................................................106
§ 4.2. Изменения флуоресцентных свойств жировой ткани под влиянием температуры и времени хранения........................................118
§ 4.3. Метод детектирования жировой ткани............................124
3
Основные результаты главы 4...........................................127
Глава 5. Экспериментальное исследование изменений поляризационных свойств жировой ткани in-vitro иод влиянием температуры..................129
§ 5 1. Измерение угла поворота плоскости поляризации образца жировой ткани in-vitro..........................................................129
§ 5.2. Измерение степени поляризации света, прошедшего образец жировой
ткани..................................................................132
§ 5.3. Исследование оптических текстур.................................137
Основные результаты главы 5............................................141
Глава 6. Исследование воздействия внешнего магнитного поля на жировую гкань и ее модель....................................................142
§ 6.1. Исследование воздействия внешнего магнитного поля на температуру
жировой ткани in-vitro.................................................142
§ 6.2. Исследование воздействия внешнего переменного магнитного поля на
раствор фосфолипида....................................................147
§ 6.3. Метод свето-магнитного воздействия на жировую ткань.............153
Основные результаты главы 6............................................155
Заключение...............................................................156
Библиографический список использованной литературы.......................158
4
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и
терминов
ЖТ - жировая ткань;
УФ - ультрафиолетовый диапазон;
ИК - инфракрасный диапазон;
БИК - ближний инфракрасный диапазон;
МНПВО - многократно нарушенное полное внутреннее отражение;
Const - константа.
п - вещественный показатель преломления; а, Р, (р, ф, 0 - углы(град);
//s - коэффициент рассеяния (м"1);
/уа - коэффициент поглощения (м“1);
//5Л - коэффициент рассеяния жидкого слоя
рьк - коэффициент рассеяния кристаллического слоя (м-1);
g - фактор анизотропии рассеяния;
к - показатель поглощения; сг - сечение рассеяния частиц;
V - волновое число, частота (Гц, с-1);
X - длина волны (мкм); п - оптическая ось образца;
\у(г) - радиус светового пучка (м); г - продольная координата (м);
Л
1 - интенсивность излучения (Вт/м , квант/с); р0,§') - фазовая функция или функция рассеяния;
(ps- освещенность;
D - оптическая плотность;
5
Л - интегральная интенсивность поглощения;
Р - степень поляризации света; г - радиальное расстояние (м);
1* = (х, у, г) - координата точки, в которой рассматривается поток волновой энергии;
8 - направление распространения луча.
р - плотность (кг/м1, кг/мл); т - масса (мг).
Ь - толщина образца (м); с1- диаметр (м);
С - концентрация вещества (кг/л, моль/л); V - объем (м );
Т - абсолютная температура (°С); б - площадь (м2);
Л - теплоемкость среды
и - теплопроводность
/ - длина образца (м); I - время (с).
и-к
' Вт Ї
см • К
р - магнитная проницаемость (Гн/м);
Е - энергия (Дж);
В - напряженность магнитного поля;
В - магнитная индукция внешнего поля (Тл); рт - магнитный момент; и - напряжение (В);
X - магнитная восприимчивость;
Г - частота магнитного ноля (Г ц).
6
п - количество измерений (число молекул, фотонов и др.); £ - случайное число, генерируемое компьютером;
а, Ь, с, с! - эмпирические постоянные; х - среднее арифметическое значений;
п5 - средняя квадратическая погрешность измерения;
а - статистический предел;
е - доверительная вероятность;
п - коэффициент Стыодента.
V - валентные колебания;
5 - деформационные колебания; со - крутильные колебания; у - маятниковые колебания; а-, р-модификации;
/- функция.
с - скорость света в вакууме (с = 3 • 108 м/с); л - число «Пи» (тг =3,14...); е - число «е» (е = 2,74...); кн = 1,38-10'23 (Дж/К);
цо = 4т:-10'7 (Гн/м);
NA - постоянная Авагадро;
1 Дебай = 0,33-10'29 Кл-м;
/ - мнимое число (/ =л/-Т ).
7
Введение
Современное общество, по мере своего развития, сталкивается с различными социальными проблемами. Одной из таких проблем можно считать проблему ожирения [1]. По последним оценкам Всемирной Организации Здравоохранения первые три места по количеству заболевания ожирением в мире занимают США, Германия и Франция, на четвертом месте в этом списке стоит Россия [2]. В настоящее время в России ожирение имеется у 20 процентов людей [3]. Ожирение опасно не только тем, что создает эмоциональные и социальные проблемы тучных людей, но, оно также представляет огромную угрозу для их здоровья, увеличивая риск сердечно-сосудистых и ишемических заболеваний.
В настоящее время ведутся активные поиски новых технологий, позволяющих селективно разрушать жировую ткань. Известны методы селективного нагрева подкожной жировой ткани оптическим, в том числе лазерным, излучением [4]. В ряде случаев, оптический нагрев активизирует кровообращение и биологические рецепторы, в зону воздействия привлекаются макрофаги, которые разрушают жировые клетки, а продукты разрушения уносятся вместе с лимфой [5-7]. Создание новых лазерных источников стимулирует интерес к исследованию взаимосвязей между параметрами лазерного излучения и оптическими свойствами жировой ткани. Особый интерес представляет исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани. Большинство публикаций в этой области посвящено чистым природным или синтетическим жирам, например, интралипиду [8]. Однако свойства отдельных липидов, в частности, жирных кислот, существенно меняются при добавлении других липидов, а естественная жировая ткань как раз и представляет собой сложную многокомпонентную биологическую систему, содержащую различные липиды, воду и белок [9]. При изменении температуры естественной жировой ткани могут происходить полиморфные превращения липидов [10] и, следовательно, изменения структуры жировой ткани, что должно оказывать дополнительное влияние на изменения ее оптических характеристик, к числу которых следует отне-
8
сти пропускание, поглощение и испускание фотонов [11]. Многообразие компонентов естественной жировой ткани позволяет ожидать особые, специфические только для нее, термоиндуцированные изменения оптических свойств. Информация об этих изменениях позволит существенно повысить селективность и эффективность разрабатываемых для разрушения и контроля состояния жировой ткани оптических, в том числе лазерных, приборов. Таким образом, теоретическое и экспериментальное исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани является достаточно актуальным.
Оптические явления и методы широко применяются в аналитических целях и для контроля состояния объекта в самых различных областях науки и техники. По виду спектров поглощения и флуоресценции, их изменению во времени или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нем физических и химических процессов. Анализ рассеяния света (особенно мутными средами) позволяет определить характеристические параметры исследуемого вещества (структуру и размер элементов его структуры).
Настоящая работа направлена на изучение и объяснение зависимости основных оптических характеристик (пропускания, поглощения, интенсивности флуоресценции) жировой ткани от абсолютного значения ее температуры. Для решения этой задачи, на основании обобщения известных литературных данных, была смоделирована структура естественной жировой ткани, а задание тепловых и оптических свойств ее основных компонентов позволило предложить новую оптическую модель термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани). Для того чтобы понять, при какой температуре происходят полиморфные превращения в жировой ткани, были исследованы спектры поглощения жировой ткани в видимом и ИК областях спектра электромагнитных волн. Структурные изменения в жировой ткани под влиянием температуры были изучены с помощью поляризационной и флуоресцентной микроскопии. Ряд
9
экспериментов был посвящен изучению влияния магнитного поля на жировую
ткань.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью данной работы является исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани трансиллюминационным, спектральным и флуоресцентным методами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать оптическую модель термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани).
2. Экспериментально исследовать термоиндуцированные изменения оптического пропускания и поглощения жировой ткани in-vitro в видимой и ИК областях спектра электромагнитных волн.
3. Экспериментально исследовать термоиндуцированные изменения флуоресцентных свойств жировой ткани in-vitro.
4. Разработать метод неразрушающего контроля состояния жировой ткани.
Научная новизна
- Впервые экспериментально установлено, что в диапазоне температур +26 + +42 °С, интенсивность диффузной компоненты прошедшего через слой жировой ткани in-vitro видимого света уменьшается, а интенсивность коллимированной компоненты — возрастает.
- Впервые установлено, что в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, при температурах выше +26 °С отсутствуют крутильные колебания wCIb, которые характерны только для кристаллического состояния углеводородных цепей триглицеридов в а-полиморфном состоянии и наблюдаются в области длин волн 7,60 * 8,33 мкм, при температурах в диапазоне +5 + +26 °С.
- Впервые в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, при температурах в диапазоне +26 4- +42 °С, обнаружена полоса поглощения с максимумом 11,98 мкм, характерная для p-модификации триглицеридов.
10
- Впервые в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, обнаружено, что отношение интенсивностей полос поглощения асимметричного и симметричного колебания метиленовых групп СН2 растет при увеличени-ии температуры в диапазоне +5 + +42 °С, а при увеличении температуры в диапазоне +42 -г +45 °С — не изменяется.
- Впервые одновременно с нагревом или охлаждением измерены спектры флуоресценции жировой ткани человека in-vitro. Произведено соотнесение максимумов полос спектра флуоресценции образца жировой ткани с максимумами полос спектров флуоресценции известных химических соединений. Обнаружено, что спектр флуоресценции образца жировой ткани человека имеет ранее не наблюдаемый максимум на длине волны 590+5 нм.
- Впервые экспериментально установлено, что интенсивность максимума флуоресценции жировой ткани in-vitro на длине волны 510±5 нм зависит от времени, прошедшего с момента экстракции жировой ткани из организма.
- Впервые предложен метод детектирования жировой ткани, основанный на регистрации интенсивности флуоресценции жировой ткани, на длине волны 590±5 нм.
- Впервые, в рамках предложенной оптической модели термочувствительной гетерофазной среды, показано, что при изменении коэффициента рассеяния твердой фазы от 6,7 до 200 мм"1 интенсивность прошедшего среду оптического сигнала уменьшается в 6 раз.
Защищаемые положения
1. Разработанная оптическая модель термочувствительной гетерофазной среды позволяет на примере жировой ткани in-vitro объяснить, наблюдаемую экспериментально, зависимость интенсивности проходящего через гстеро-фазную среду (жировую ткань) видимого света от температуры при фиксированной толщине образца.
11
2. В диапазоне температур от +5 до +42 °С интенсивность прошедшего через гетерофазную среду видимого света линейно зависит ог соотношения объемов жидкой и твердой фаз в среде.
3. Термоиндуцированные полиморфные превращения жировой ткани проявляются в ИК спектрах поглощения жировой ткани на длинах волн 7,60 ч- 8,33 мкм и 11,98 мкм.
4. Жировая ткань in-vitro обладает тепловым гистерезисом интенсивности флуоресценции в диапазоне температур +4 + +36 °С. При охлаждении скорость изменения максимума интенсивности флуоресценции на длине волны 510 им составляет порядка 0,01 (°С)" , при нагревании — 0,02 (°С)_|.
Практическая ценность Модели и результаты исследований, представленные в настоящей диссертационной работе, могут быть использованы в различных областях лазерной физики, техники и медицины при описании процессов взаимодействия света с гетерогенными средами и при выборе параметров лазерного излучения в медицинских приборах.
Предложены оригинальные устройство и метод для детектирования жировой ткани. Метод предназначен для диагностики жировой ткани в труднодоступных местах (при общей хирургии, липосакнии, косметологии и т.д.).
Материалы диссертационной работы используются при разработке приборов и методик в рамках международного фанта CRDF № RUB1-570-SA-04 («Разработка оптической системы и технологии для фототерапии уфей и контроля оптических и физиологических свойств кожи до и после обработки»).
Рекомендации, изложенные в настоящей работе, использованы при создании опытных образцов лазерного медицинского оборудования на предприятиях: «ЗАО Лазерный Центр ИТМО» (Россия) и «Palomar Medical Inc.» (США).
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 167 страницах, включает 76 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 125 наименований.
12
Личный вклад автора
Все представленные экспериментальные исследования и теоретические расчеты проведены при личном участии автора. Все положения, которые составляют суть диссертации, были сформулированы и решены самостоятельно. Дальнейшее изложение делится на шесть глав.
В первой главе данной работы приведен обзор публикаций, посвященный методам измерения оптических параметров биотканей (кожный покров, жировая ткань). Рассмотрено строение жировой ткани, физико-химические свойства жира и его компонентов. Показана целесообразность исследования оптического пропускания и индикатрисы рассеяния низкоинтенсивного излучения жировой ткани. Рассмотрены основные принципы построения математических моделей для расчета распределения интенсивности излучения в рассеивающих средах. Приведены основные методы описания распространения лазерного излучения в рассеивающих средах. Рассмотрены методы абсорбционного анализа и поляризационной микроскопии для проведения качественного анализа исследуемого объекта и выявления фазовых изменений внутри вещества. Проанализирована точность и особенности использования флуоресцентного анализа для исследования влияния температуры и времени хранения на свойства жировой ткани. Приведены основные оптические и теплофизические характеристики кожи и жировой ткани. Проанализированы изменения агрегатного состояния жировой ткани при изменении температуры. В конце данной главы сделан вывод о целесообразности изучения влияния магнитного поля на липиды. Показано, что магнитное поле способно изменять температуру фазового перехода и переориентировать липидные комплексы.
Во второй главе приводится описание экспериментальной установки для анализа пропускания света образцами жировой ткани ш-уйго, методики приготовления исследуемых образцов, анализ погрешностей эксперимента и полученных результатов.
Методом трансиллюминации исследована зависимость от температуры интенсивности полного потока видимого света, прошедшего через образец жиро-
13
вой ткани in-vitro, а также интенсивности коллимированной и диффузной составляющих (компонент) этого потока.
Представлены результаты исследования углового распределения лазерного излучения, прошедшего через образец жировой ткани, при различных температурах (+5, +26, +40 и +50 ”С).
В третьей главе выполнен расчет распределения освещенности в коже (эпидермис, дерма) и подкожной жировой клетчатке методом диффузионного приближения. В первом приближении жировая ткань была представлена автором настоящей диссертации как однофазная среда. Распространение света в однофазной модели моделировалось с помощью метода Монте-Карло. Различие результатов эксперимента и расчета, выполненного в рамках однофазной модели, стимулировало автора настоящей работы к созданию оптической модели термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани). В рамках этой модели жировая ткань представляла собой суперпозицию элементарных кубиков (жировых клеток), каждый из которых содержал жировой шарик, а остальное пространство внутри кубика занимала вода. В свою очередь, жировой шарик включал жидкую и кристаллическую фазы, соотношение объемов которых зависело от температуры, поэтому модель являлась термочувствительной. Полученное в результате расчета в рамках гетерофазной модели угловое распределение светового сигнала с длиной волны 632,8 нм, прошедшего слой жировой ткани толщиной 1 мм, удовлетворительно совпадало с полученным экспериментально угловым распределением, при этом наблюдалось практически полное подобие теоретических и экспериментальных распределений интенсивностей, полученных для температур +5, +26 и +40 °С. Данный результат подтвердил адекватность выбранной для расчетов модели термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани).
Далее была рассчитана зависимость интенсивности прошедшего гетерофаз-ную среду (жировую ткань) оптического сигнала с длиной волны 632,8 нм от отношения объема жидкой фазы (Уж) в жировой клетке к общему объему клетки (V). Описана экспериментальная зависимость интенсивности прошедшего
14
образец жировой ткани (геометрия образца, численного и реального экспериментов крайне близки) света от температуры. На основе этих двух зависимостей была построена зависимость отношения УЛ/У от температуры. Автором настоящей работы был поставлен проверочный эксперимент, позволивший оценить взаимосвязь WJW и температуры для +20, +30 и +39 °С. Удовлетворительное совпадение эксперимента и расчета позволило заключить, что наблюдаемая в эксперименте зависимость интенсивности, прошедшего слой жировой ткани in-vitro толщиной порядка 1 мм, от температуры обусловлена в основном зависимостью V*/V от температуры.
Четвертая глава частично посвящена экспериментальному исследованию ИК и БИК сие ici ров поглощения образца жировой ткани in-vitro от температуры. Произведено отнесение полос поглощения к колебаниям функциональных групп жировой ткани. Далее в четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования динамики интенсивности флуоресценции жировой ткани от температуры и времени с момента извлечения се из организма. В четвертой главе описан новый метод детектирования жировой ткани.
В пятой главе проведено измерение степени поляризации света, прошедшего образец жировой ткани. Также представлены кривые зависимости степени поляризации света He-Ne лазера, прошедшего образец жировой ткани, от температуры и толщины образца. Показано, что при охлаждении экстрагированного внутриклеточного жира от +42 до +4 °С в скрещенных поляризаторах наблюдаются оптические текстуры, такие как: «веерная», «песочная», «конфокальная», а также текстура «bâtonnets». Все эти текстуры характерны для смектических жидких кристаллов.
В шестой главе представлены результаты исследования влияния магнитного поля на свойства фантома жировой ткани — фосфолипида. В эксперименте при воздействии магнитного поля напряженностью 0,7 мТл в течение 4 с на раствор фосфолипида в воде изменяется форма липидной вакуоли: из шарообразной она становится вытянутой вдоль магнитного поля. Одновременно, она перемещает-