В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без современных диагностических технологий, которые позволяют быстро и эффективно «заглянуть» внутрь организма, не повреждая его. Получаемая информация позволяет подобрать оптимальные режимы воздействия для лечения различных заболеваний. В частности, эффективность лечения с применением лазерного излучения сильно зависит от способности тканей поглощать излучение определенной длины волны. Спектрофотометрические методы основаны на измерении характеристик прошедшего сквозь исследуемый объект излучения с последующей обработкой этой информации для получений сведений о поглотительной способности объекта.

Целью данной работы являетсяисследование поглотительной способности биологических тканей по спектрам прошедшего излучения.

Для достижения цели были поставлены задачи: освоить принцип проведения измерений спектра прошедшего излучения с помощью спектрометра «AvaSpec» (Нидерланды); освоить принципы обработки спектров излучения; создать экспериментальную установку для измерения спектров прошедшего излучения; провести тестовые измерения спектров прошедшего излучения для тканеподобных веществ.

Объект исследования: биологические ткани.

Предмет исследования: спектры прошедшего излучения.

Актуальность: поглотительная способность биологических тканей существенным образом влияет на эффективность лечения с применением электромагнитного излучения в современных лазерных технологиях лечения.

Методы исследования: анализ информации, эксперимент.

Практическая значимость проекта: полученные данные позволят создавать или оптимизировать существующие лазерные технологии лечения различных заболеваний.

Большое количество современных медицинских технологий для лечения основано на применении электромагнитного излучения, генерируемого лазерными источниками [1, 2]. Технологии, основанные на локальном нагреве патологических областей лазерным излучением, получили название лазерной термотерапии [3]. Лазерная термотерапия заключается в подведении к патологической области лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона, где биологическая ткань наиболее прозрачна, и объемном прогревании в течение определенного времени при температурах, при которых патологические клетки гибнут, а здоровые клетки выживают. Лазерная термотерапия выгодно отличается от других методов лечения локальным и малоинвазивным воздействием, так как доставка излучения осуществляется через тонкие кварцевые световоды (диаметр волокна 400–600 мкм), а также отсутствием тяжелых последствий и осложнений, возможностью многократного повторения процедуры лечения.

Эффективность этих операций сильно зависит от способности тканей поглощать лазерное излучение, так как именно поглощенная энергия вызывает повышение температуры в области воздействия. Но поглотительная способность различных тканей организма разная и зависит от большого количества факторов. В первую очередь, она зависит от концентрации поглотителей электромагнитного излучения и от их способности поглощать излучение определенной длины волны. Известно, что основными поглотителями биологических тканей в видимом инфракрасном диапазоне являются вода, гемоглобин и меланин. Спектр коэффициента поглощения этих поглотителей крайне неоднороден. Следовательно, поглотительная способность ткани может сильно отличаться от индивидуальных особенностей самого человека и состояния ткани (в здоровом и патологическом состоянии концентрации поглотителей их поглотительная способность может отличаться). Поэтому для разработки эффективных режимов воздействия для проведения термотерапии требуется проведение предварительных исследований поглотительной способности тканей. Провести такие исследования можно на фантомах тканей в лабораторных условиях.

Основная идея метода заключается в измерении характеристик прошедшего сквозь образец ткани излучения либо рассеянного излучения. Интенсивность прошедшего (или рассеянного) излучения будет зависеть от свойств образца: чем больше поглощение, тем меньше излучения сможет выйти из ткани, следовательно, интенсивность прошедшего излучения для таких тканей будет существенно меньше. Известно, что излучение разных длин волн по-разному рассеивается и поглощается тканями. Поэтому более полную информацию об исследуемом объекте можно получить, исследуя целый спектр излучения, то есть зависимость интенсивности излучения от длины волны. Образец облучается источником белого света (то есть излучением, в котором присутствуют все длины волн ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов). Излучение внутри образца может рассеиваться, поглощаться и выходить из образца.

Вышедший из образца поток излучения направляется для регистрации на спектрометр (то есть прибор, который и позволяет раскладывать белый свет в спектр и измерять характеристики этого излучения). В дальнейшем характеристики прошедшего излучения, которое зарегистрировал спектрометр, выводятся на компьютер для последующей обработки.

Преимуществом спектрометра является одновременное получение информации об интенсивности излучения для всех длин волн. Платой за это преимущество является получение не истинного, а «искаженного» спектра, который называют приборным. Искажается он из-за двух причин. Во-первых, к спектру «добавлена» постоянная составляющая, которую в спектрометрии называют темновым током. Ее источником могут являться посторонние источники света, которые вносят дополнительный вклад в измерения. Во-вторых, линейка фотодиодов спектрометра обладает разной фоточувствительностью к разным длинам волн (далее коэффициент чувствительности обозначим α). Следовательно, приборный спектр и истинный спектр связаны соотношением:

где — приборный спектр, то есть зависимость интенсивности A от длины волны λ, — истинный спектр, d — интенсивность излучения темнового фона, α(λ) — коэффициент чувствительности фотодетекторов для длины волны λ.

Для получения истинного спектра в спектрометре предусмотрено измерение темнового фона и его автоматическое вычитание из приборного спектра. Определение коэффициента α(λ) связано с проведением еще одного, эталонного измерения, и получения спектра другого вещества. Такой спектр называется референсом. Приборный спектр эталонного вещества будет иметь тот же самый коэффициент чувствительности:

где — приборный спектр референса, — истинный спектр референса .

Совместное решение (1)-(2) позволяет получить истинные спектры исследуемого объекта по отношению к референсу:

.

В настоящей работе в качестве референсного вещества выбрана дистиллированная вода, так как в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне вода практически не поглощает электромагнитное излучение, поэтому спектр прошедшего излучения для нее в этом спектральном диапазоне постоянный.

В настоящей работе создана установка для измерения спектров прошедшего излучения (рис. 1). В качестве источника белого света была взята галогенная лампа фирмы «Ocean Optics», которая генерирует излучение в широком диапазоне от 200 до 1100 нм, то есть охватывает ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный спектр.

Рис. 1. Экспериментальная установка

В видимой и ближней инфракрасной области интенсивность излучения лампы постоянна. По световоду это излучение подается на исследуемый объект, излучение внутри этого объекта рассеивается и поглощается, а часть проходит сквозь объект. Прошедшее излучение собирается и по световоду направляется в спектрометр, который раскладывает этот прошедший белый свет в спектр, и на компьютере получается приборный спектр прошедшего излучения. В настоящей работе использовался спектрометр фирмы «Avantes» (Нидерланды).

Экспериментальная часть работы выполнялась на базе ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет», кафедра общей и теоретической физики, лаборатория медицинской физики.

В ходе работы проведены тестовые измерения спектров прошедшего излучения для тканеподобных веществ: вода, красный краситель, яичный белок, интралипид. Результаты показали, что спектры прошедшего излучения чувствительны к поглотительной способности ткани, а, следовательно, могут быть использованы в диагностических целях, для оптимизации или создания медицинских технологий с применением электромагнитного излучения.

Литература:

1. Abushkin, I.A. Photothermal interactions with interstitial thermotherapy of vascular formations by infrared laser radiation of different wavelengths and the possibility of their ultrasonic evaluation / I.A. Abushkin, V. M. Chudnovsky, A. G. Denis et al. // Proceedings Volume 10876, Optical Interactions with Tissue and Cells XXX; 108761C (2019). https://doi.org/10.1117/12.2510702.
2. Abushkin, I. A. Near-infrared laser treatment of complicated hemangiomas in children: ten-year clinical experience / I. A. Abushkin, V. A. Privalov, A. V. Lappa // Proc. SPIE 7883, Photonic Therapeutics and Diagnostics VII, 78830H (17 February 2011); https://doi.org/10.1117/12.874791.
3. Seliverstov, O. V. Laser-induced interstitial thermotherapy in treatment of recurrent nodular goiter and thyroid cancer / O. V. Seliverstov, V. A. Privalov, A. V. Lappa et al. // Proc. SPIE Laser-Tissue Interactions, Therapeutic Applications, and Photodynamic Therapy. Reginald Birngruber; Hubert van den Bergh; Eds. –2001. — Vol. 4433. — P. 174–179.
4. Технология ELOS. Презентация (слайд 13) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://fr.slideserve.com/don/elos.
5. Тучин, В. В. Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике: пер. с англ. / В. В. Тучин. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. — 811 с.
6. Малогабаритный многоканальный спектрометр «Колибри-2» до 2017 / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.vmk.ru/product/spektrometry/malogabaritnyy_mnogokanalnyy_spektrometr_kolibri-2.html.