Построение и применение лазерной системы для диагностики состояния суставного хряща

ПОСТРОЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СУСТАВНОГО ХРЯЩА

Ю.В. Ларцев, С.А. Гусев, В.И. Мордасов, Н.А. Сазонникова Самарский государственный аэрокосмический университет

Введение

Интенсивное развитие лазерных методов диагностики и лечения различных видов заболеваний обусловлено уникальными свойствами лазерного излучения: высокой степенью монохроматичности, временной и пространственной когерентностью, направленностью и поляризованностью излучения, значительной интенсивностью, возможностью перестраиваться по длинам волн и излучать световые импульсы короткой длительности. Применение лазеров в медицинских исследованиях основано на использовании широкого круга явлений, связанных с разнообразными эффектами взаимодействия света с биологическими объектами /1, 2, 3/. Сложность строения биологических объектов, значительное разнообразие в характере их взаимодействия с излучением определяют необходимость использования различных типов лазеров в фотобиологии, а также стимулируют разработку новых лазерных средств, включая средства доставки лазерного излучения к объекту исследования. Использование специальных оптических систем позволяет значительно расширить возможности применения лазерного излучения. В настоящее время одним из направлений внедрения лазерной техники в медицину является диагностика, ее преимущества заключаются в проведении исследования биоткани неконтактными методами с минимальным воздействием на биообъект, не приводящим к изменениям его структуры. В данной статье приводится описание лазерной системы для диагностики состояния суставного хряща человека, а также описаны возможности диагностирования биообъектов оптическими методами.

1. Построение лазерной системы исследования

оптических характеристик биообъектов

Были проведены экспериментальные исследования характера распространения излучения в тканях суставов человека. Целью работы являлось исследование оптических характеристик здорового и пораженного деструктивно-дистрофическим процессом хряща для выявления возможности диагностики состояния тканей оптическими методами. Исследованы участки здорового и деструктивно-измененного хряща человека, взятые интраопераци-онно при удалении головки бедра у больных по медицинским показаниям. Пациенты были прооперированы по поводу патологии тазобедренного сустава: деформирующий коксартроз III степени, не-сросшийся перелом шейки бедра, деформации сустава вследствие неустраненного врожденного или приобретенного вывиха бедра. Всем было выполнено тотальное замещение сустава эндопротезом.

Хрящ забирали с различных участков удаленной головки, разной толщины. Состояние хряща определялось визуально. Исследование проводилось в течение ближайшего часа после забора материала. Ткань транспортировалась в футляре с физиологическим раствором. Всего материал взят у 12 пациентов.

Установка для проведения исследований включала в свой состав в качестве источника излучения гелий-неоновый лазер ЛГИ-224-1 (1=0,6328 мкм), устройство для закрепления исследуемого образца, объектив, диафрагму с регулируемым диаметром отверстия и фотометр ФПМ-01 (рис. 1). Проводились измерения пропускания излучения при различных значениях диафрагмы с целью определения кол-лимированного и диффузного пропускания. Использовались образцы различной толщины (0,8 - 3,0 мм), полученные при срезах параллельно и перпендикулярно поверхности сустава. Измерения проводились на свежепрепарированных образцах, часть образцов здоровой ткани исследовалась после обработки в

Рис.1. Схема экспериментальной установки для исследования оптических характеристик биотканей: 1 - гелий-неоновый лазер ЛГИ-224-1, 2 - исследуемый образец, 3 - объектив,

4 - диафрагма с регулируемым диаметром отверстия, 5 - фотометр ФПМ-01.

2. Параметры, характеризующие оптические свойства биотканей

Многообразие структур биотканей определяет различный характер прохождения лазерного излучения через них и несет информацию о микро- и макроструктурах этой среды. Характер взаимодействия света с живой материей определяется как параметрами источника излучения (интенсивность, длина волны, длительность и частота повторения импульсов и др.), так и параметрами биотканей (степенью однородности и пигментации, тепловыми и упругими свойствами и т.д.) /1-3/. Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения с биообъектами, можно разделить на три группы. К первой группе относятся невозмущающие процессы, ко второй - процессы, в которых проявляется фотохимическое или тепловое действие, и к третьей - процессы, приводящие к фоторазрушению (абляции, коагуляции).

Представляет интерес область малых интен-сивностей, в которой возможно применение ряда наиболее чувствительных методов исследования, не требующих сильных световых потоков, и, следовательно, не вносящих искажения в результаты измерений из-за отсутствия возмущающего воздействия на исследуемый объект, не запускаются адаптационные механизмы биосистемы и не возникают необратимые изменения биотканей.

Биологические ткани являются оптически неоднородными поглощающими средами со средним показателем преломления большим, чем у воздуха. На границе раздела биообъект-воздух часть излучения отражается (френелевское отражение), а остальная часть проникает в биоткань. При многократном рассеянии и поглощении лазерный пучок уширяется и затухает при распространении в биоткани. Объемное рассеяние является причиной распространения значительной доли излучения в обратном направлении (обратное рассеяние). Клеточные мембраны, ядра и органеллы являются основными рассеивате-лями для многих биотканей. Поглощенный свет преобразуется в тепло, переизлучается в виде флуоресценции, а также тратится на фотобиохимические реакции /1-4/. Спектр поглощения определяется типом доминирующих поглощающих центров и содержанием воды в биоткани. Характер фотовоздействия лазерного излучения на биоткань определяется ее составом и коэффициентом поглощения на длинах волн облучения.

Таким образом, оптические свойства биоткани определяются ее структурой и состоянием: физиологическим состоянием, уровнем гидратации, гомогенностью, видовой вариантностью, характером измерений in-vivo - in vitro и др.

Ослабление лазерного пучка в биоткани проходит по экспоненциальному закону, интенсивность коллимированного излучения оценивается по закону Бугера-Бера:

I

где Я =

n -1

n +1

- коэффициент отражения при нор-

мальном падении пучка, п-показатель преломления биоткани, 10 - интенсивность падающего света, ц = ца + ц^ - коэффициент экстинции, - коэффициент поглощения, - коэффициент рассеяния, ъ - толщина образца. Средняя длина свободного пробега однократно рассеянного фотона в биоткани

определяется как Iрк = ц 1. Существенное значение величины анизотропии рассеяния биотканей и многократное рассеяние приводят к отклонению от закона Бугера-Бера.

Достаточно строгое математическое описание процесса распространения немодулированного излучения в рассеивающей среде получено с помощью теории переноса излучения, основное уравнение которой имеет вид:

dI (г, s) =

ds

{I(г, s)p(s, s')dQ'

= -ц t1 ( s ) +

4п

4п

где 1(г,8)- интенсивность в точке г в направлении 8, Втм-2 стерадиан-1, р(Б, 8')-фазовая функция рассеяния, - единичный телесный угол в направлении 8', фазовая функция р(Б, 8') - функция плотности вероятности рассеяния излучения в направлении 8' фотона, движущегося в направлении 8. Во многих практических случаях данная фазовая функция ап-

проксимируется с помощью функции Хеньи-Гринштейна /1-4/:

()= 1 1-ё2

М1 + Я2 - 2ё  ««(в)) ,

П

ё = (соб(©)) = 2п| р(©)с08(©)8т(©)©

0

где О - угол рассеяния, g - средний косинус угла рассеяния.

Средняя транспортная длина пробега фотона в среде с анизотропным однократным рассеянием существенно выше длины свободного пробега в среде изотропным однократным рассеянием и обозначает длину, на которой фотон теряет первоначальное направление.

Таким образом, для диагностики состояния биотканей необходимо определить ее основные оптические характеристики: - коэффициент поглощения, - коэффициент рассеяния, g - средний косинус угла рассеяния.

3. Методы определения оптических характеристик биотканей

Методы диагностики делятся на две группы. Прямые методы сохраняют базовые понятия и определения. Измеряемыми параметрами являются кол-лимированное пропускание и индикатрисса рассеяния для тонких образцов или освещенность внутри объемной среды. Достоинства этих методов заключаются в простоте аналитических выражений, используемых при обработке данных, а их недостатками являются необходимость строгого выполнения условий эксперимента, соответствующих модели, однократность рассеяния для тонких образцов, исключение влияния поляризации, для объемных сред с многократным рассеянием необходим детектор, регистрирующий освещенность, расположенный вдали от источника света и границ среды. Косвенные методы предполагают решение обратной задачи рассеяния света на основе использования той или иной теоретической модели распространения света в среде. В свою очередь, косвенные методы делятся на итерационные и неитерационные. Неитерационные методы используют уравнения, в которых оптические свойства определяются через параметры, непосредственно связанные с измеряемыми величинами. В основе косвенных неитерационных методов лежат модель Кубелки-Мунка (двухпотоковая), трех-, четырех- и семипотоковая модели /1-4/. В косвенных итерационных методах оптические свойства выражаются неявно через измеряемые параметры. Величины, определяющие оптические свойства рассеивающей среды, перебираются до тех пор, пока расчетные значения отражения и пропускания не будут с заданной точностью совпадать с измеренными. Эти методы являются громоздкими, однако используемые оптические модели могут быть существенно более сложными.

Для измерения оптических параметров биотканей (да, ц3, и g) используются различные методы, устанавливающие связь да, ц8, и g с измеряемыми параметрами. В простейшем случае используют

2

+

двухпотоковую модель Кубелки-Мунка, которая базируется на соотношениях:

S =

1

= ln

b • d K = S (a -1);

1 - Rd

a =

1 - Td + R . 2 Rd '

b

= V0^1;

K = 2|; S = 0.751 (1 - g)-0,251;

I t = 1 a + 1 S ; I S ' = 1 S (1 - g V a; где |t = |a + |s - коэффициент экстинции, ца - коэффициент поглощения, ц3- коэффициент рассеяния.

Определение из измерений коллимированно-го пропускания позволяет найти все три параметра ткани. Любые три измерения из последующих пяти вариантов достаточны для определения всех трех оптических параметров: полное или диффузное пропускание для коллимированного или диффузного облучения, полное или диффузное отражение для колли-мированного или диффузного облучения, поглощение образца, коллимированное пропускание, угловое распределение рассеянного образцом излучения.

Итерационные методы обычно учитывают несогласованность показателей преломления на границах образца и многослойность образца. Источниками погрешности при определении оптических характеристик биотканей являются следующие причины: физиологическое состояние биологических образцов, уровень гидратации, гомогенность, видовая вариантность, in vivo - in vitro измерения, фиксированный - нефиксированный образец, гладкость его поверхности; геометрия облучения; согласованность-несогласованность показателя преломления на границах; теория, используемая для решения обратной задачи.

Следует также учесть, что свойства живой и препарированной ткани могут существенно различаться.

4. Результаты диагностики состояния суставного хряща

При экспериментальных исследованиях получены зависимости радиального распределения относительной мощности излучения W/W0 от относительного диаметра пучка (рис. 2). Проведенные исследования показывают, что для хряща характерно сильное рассеивание (g=0,32-0,40). Были исследованы хрящи двух серий. Зависимости 1-6 -первая серия, 7-10 - вторая серия (9 и 10 соответствуют образцам 7 и 8, обработанным в растворе NaCl). Хрящ является однородной сильно рассеивающей структурой с изотропными оптическими свойствами. Экспериментальные зависимости показывают, что диффузное пропускание для здорового хряща в два раза выше, чем для пораженного деструктивно-

дистрофическим процессом. Обнаружены различия в диффузном пропускании пораженной ткани разных пациентов при одинаковой толщине ткани.

Рис. 2. Радиальные распределения относительной

мощности излучения, рассеянного биотканями. Толщина хряща: 1-S=1 мм, 2-S=1,5 мм, 3- S=0,8 мм, 4- S=1,4 мм, 5- S=0,8 мм, 6- S=0,8 мм, 7- S=1 мм, 8-S=1,5 мм, 9- S=1 мм, 10- S=1,5 мм.

Зависимость оптических характеристик от состояния суставных тканей показывает возможность создания оптических методов диагностики состояния этих тканей. Результаты исследования оптических характеристик хряща могут быть использованы при создании методов лечения заболеваний суставов с использованием лазерного излучения.

На основе полученных результатов поданы заявки на изобретения устройств для диагностики состояния тканей суставов человека для анализа изменений состава тканей и выявления патологий по спектральным характеристикам коллимированной составляющей излучения и диффузного рассеяния излучения.

Преимущества предложенных устройств заключаются в использовании их для диагностики состояния тканей суставов человека in vivo в условиях одностороннего доступа к объекту.

Литература

1. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях // Саратов: Изд-во Сарат. университета, 1998. 384 с.

2. Тучин В.В. Основы взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с биотканями: дозиметрический и диагностический аспекты // Известия Академии наук, серия физическая, 1995, Т. 59, N6. С. 120-143.

3. Приезжаев А.В., Тучин В.В., Шубоч-кин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине // М., Наука, 1989.

4. London R.A., Glynsky M.E., Zimmerman G.B.et al. Laser-tissue interaction modeling with LATIS // Applied Optics, 1997. V. 36, N 34. P. 9068-9074

T

d

0

4

6

d/d

2

0