Новые возможности неинвазивной оптической диагностики структурных и биофизических параметров тканей и гуморальных сред А.П. Иванов, В.В. Барун Институт физики им. Б.И.Степанова, пр. Независимости,68, Минск, Беларусь,

Содержание доклада 1.Постановка задачи 2.Структура кожи и ее оптически активные компоненты 3.Три подхода к решению задачи 4.Основные теоретические положения 5.Поиск оптимальных длин волн измерения коэффициента отражения и методика определения характеристик кожного покрова 6.Точность определения характеристик кожного покрова 7.Экспериментальное определение характеристик кожного покрова 8.Сущность и результаты решения обратной задачи по измерению спектрального коэффициента яркости 9.Сущность и результаты решения обратной задачи по 9.Сущность и результаты решения обратной задачи по спектральной яркости света, отраженного вне зоны падающего света

Требования к решению обратной задачи переноса света в коже Знание структуры кожного покрова Знание спектральных свойств оптически активных компонент кожи Теория взаимосвязи между отражательной способностью кожи и ее структурой и оптическими компонентами среды (а, следовательно, объемной концентрацией крови, степенью оксигенации, средним диаметром кровеносных капилляров, концентрацией меланина в эпидермисе, толщиной эпидермиса)

Структура кожи и ее оптические характеристики

Три подхода к решению обратной задачи: определения структуры и состава кожи 1.По спектральному коэффициенту отражения. 2.По спектральному коэффициенту яркости с разделением однократно и многократно отраженного света. 3.По спектральной яркости отраженного излучения вне зоны падающего света.

Основные теоретические положения первого и второго подходов Использовано малоугловое и асимптотическое приближения теории переноса с учетом многократного переотражения света между слоями для определения коэффициента отражения многослойного кожного покрова. [ А. П. Иванов, В. В. Барун // Оптика и спектр Т С ] Исходные положения: 1. Рассматривается трехслойная среда (роговой слой, эпидермис, дерма). 2. Роговой слой: толщина 20 мкм; показатель преломления 1,5; показатели поглощения и рассеяния определяются только тканью – основой; коэффициент отражения границы раздела воздух - роговой слой снаружи 0,04, изнутри 0,2. Полагаем, что теория точно описывает перенос света в ткани и, поэтому, для конкретных параметров среды расчетные и экспериментальные значения коэффициента отражения (яркости) совпадают. Речь идет об определении объемной концентрации кровеносных сосудов, степени оксигенации, среднего диаметра капилляров, концентрации меланина в эпидермисе, толщины эпидермиса по спектральным коэффициентам отражения или яркости.

Спектр коэффициента отражения кожи R, по которому восстанавливаются ее характеристики R тестового образца с объемной концентрацией меланина f = 0.04, концентрацией кровенос- ных капилляров c = 0.02, толщиной эпидермиса d = 100 мкм, диаметром капилляра D = 5 (кривая 8) или 40 мкм (кривая 9) степенью оксигенации S = Из рисунка видно, что D можно определять только в области 400 – 580 мкм. Согласно расчетам, в области 500 – 800мкм R практически определяется только произведением f.d, а не значениями f и d по отдельности.

Пары значений c и fd, обеспечивающие измеренный коэффициент отражения на изосбестических длинах волн 500, 570 и 800 нм (графическое решение трансцендентных уравнений)

Пары значений f и D, обеспечивающие измеренный коэффициент отражения на длинах волн 400 и 450 нм для мелких (красные кривые) и крупных капилляров (синие, верхняя шкала абсцисс) (графическое решение системы двух трансцендентных уравнений при найденных значениях с и fd)

Спектр чувствительности (η = dR/dS) коэффициента диффузного отражения к степени оксигенации крови (кривая 1) и зависимость R от S (2, правая шкала ординат, верхняя шкала абсцисс) Таким образом, по измеренным R на длинах волн 400, 450, 500, 570, 600, 800 нм по предложенной методике определены C = 0,02; f = 0,04; S = 0,75; D = 40 (5) мкм

Расчетная относительная погрешность (%) определения структурных и биофизических параметров кожного покрова Исходная среда: с = 2 %, f = 4 %, d = 100 мкм, S = 75 % Относительная погрешность коэффициента диффузного отражения cf*dfdS = 500 и 570 нм Дополнительно = 400 или 450 нм Дополнительно = 600 или 650 нм +/- 1 %+/- 10%-4%, +8% +/- 10% -4%, +8% (600 нм) -10%, +8% (650 нм) +/- 2%-13%, +18% +/- 10% +/- 20% -10%, +20% (600 нм) -10%, +18% (650 нм)

Спектральные коэффициенты отражения кожи пальцев четырех пациентов

Экспериментальные значения структурных и биофизических параметров кожного покрова четырех испытуемых Испытуемыйс, %f*d, мкмf, %d, мкм S (600 нм), % (400 нм) 3.2 (450 нм) (400 нм) 0.94 (450 нм) (400 нм) 8.2 (450 нм) (400 нм) 0.63 (450 нм) (400 нм) 2.8 (450 нм) (400 нм) 0.94 (450 нм) (400 нм) 4 (450 нм) (400 нм) 0.87 (450 нм)

Измеренные и восстановленные по определенным параметрам кожи спектры отражения

Определение структуры и состава кожи по спектральному коэффициенту яркости с разделением однократно и многократно отраженного света Однократно рассеянный отраженный свет приходит преимущественно с небольших оптических глубин слоя, а многократно рассеянный – с больших. Соответственно первый несет больше информации о свойствах эпидермиса, а второй – дермы. Этим можно воспользоваться для повышения чувствительности определения параметров кожи. Если осветить кожу направленным линейно поляризованным светом и измерять яркость отраженного излучения также в поляризованном свете, то, когда плоскости поляризатора и анализатора параллельны, то на приемник попадет полностью однократно рассеянный свет и почти половина многократно рассеянного. Когда указанные плоскости перпендикулярны, то приемник зафиксирует только оставшуюся часть многократно рассеянного света. Соответствующие яркости будут равны B // = B o B = B // = B o + (0,5 м, B = (0,5 - м. Здесь В о и В м - яркости однократно и многократно отраженного излучения, – поправочный коэффициент на частичную поляризацию многократно рассеянного излучения. Расчеты показывают, что при нормальном падении и наблюдении света величиной по сравнению с 0,5 можно во многих случаях пренебречь. В такой ситуации, используя схему расчета, аналогичную первому подходу и измерение яркости в поляризованном свете, можно предложить эквивалентную, ранее рассмотренной, методику определение структуры и состава кожи

Формулы для яркости однократно и многократно отраженного света

Сопоставление результатов по первому и второму подходам Восстановление объемной концентрации капилляров с и произведения концентрации меланина f на толщину эпидермиса d 2 по спектрам коэффициентов диффузного отражения (а) и яркости многократно рассеянного света (б) на длинах волн 500 (1), 570 (2) и 800 нм (3).

Определение структуры и состава кожи по спектральной яркости света, отраженного вне зоны падающего света Разнесение зон освещения и регистрации отраженного света всегда увеличивает чувствительность регистрации к малым изменениям поглощательной способности среды вследствие большого пути, проходимого лучом. Это можно использовать для определение структуры и состава кожи При наличии базы между источником и приемником использовалось : 1. Диффузионное приближение теории переноса излучения. 2.Многослойная среда заменена однородной с отражающей верхней границей. Однородная среда имеет оптические свойства дермы, а верхняя граница эквивалентна системе: эпидермис + роговой слой с ее коэффициентом отражения при диффузном освещении изнутри среды. Аналитическое решение уравнения диффузии для среды с верхней границей [Зеге Э. П., Иванов А. П., Кацев И. Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск. Наука и техника.1985]. Такой подход позволил избежать применения численных или громоздких аналитических методов решения уравнения диффузии для многослойных сред. Отношение отраженных сигналов для средних диаметров кровеносных капилляров 40 и 10 мкм при разных базах. c = 2%, f = 8% База,мм = 450 нм = 450 нм Отноше- ние 1,04 1,41,82,7 нм нм Отноше- ние 11,11,31,51,82,2

Спасибо за внимание