Окно ближнего инфракрасного диапазона в биологической ткани

Окно ближнего инфракрасного диапазона NIR ) ( ( также известное как оптическое окно или терапевтическое окно ) определяет диапазон длин волн от 650 до 1350 нанометров (нм), в котором свет имеет максимальную глубину проникновения в ткани . ^[1] В окне БИК рассеяние является наиболее доминирующим взаимодействием световой ткани, и поэтому распространяющийся свет быстро рассеивается. Поскольку рассеяние увеличивает расстояние, проходимое фотонами внутри ткани, вероятность поглощения фотонов также увеличивается. Поскольку рассеяние слабо зависит от длины волны, окно БИК в первую очередь ограничено поглощением света кровью на коротких волнах и водой на длинных волнах. Методика, использующая это окно, называется NIRS . Методы медицинской визуализации, такие как хирургия под контролем флуоресцентного изображения, часто используют окно NIR для обнаружения глубоких структур.

Абсорбционные свойства тканевых компонентов

поглощения Коэффициент ( $\mu _{a}$ ) определяется как вероятность поглощения фотона тканью на единицу длины пути. ^[2] Различные компоненты тканей имеют различное $\mu _{a}$ ценности. Более того, $\mu _{a}$ является функцией длины волны. Ниже обсуждаются абсорбционные свойства наиболее важных хромофоров в тканях. Молярный коэффициент экстинкции ( $\varepsilon \,$ ) — еще один параметр, используемый для описания поглощения фотонов в тканях. Умножая $\varepsilon \,$ по мольной концентрации и ln(10) можно преобразовать $\varepsilon \,$ к $\mu _{a}\,$ .

Кровь

Кровь состоит из двух разных типов гемоглобина : оксигемоглобина ( $HbO_{2}$ ) связан с кислородом, а дезоксигемоглобин ( $Hb$ ) не связан с кислородом. Эти два разных типа гемоглобина демонстрируют разные спектры поглощения , которые обычно представляются в терминах молярных коэффициентов экстинкции, как показано на рисунке 1. Молярный коэффициент экстинкции Hb имеет самый высокий пик поглощения при 420 нм и второй пик при 580 нм. Затем его спектр постепенно уменьшается по мере увеличения длины волны света. С другой стороны, $HbO2$ показывает самый высокий пик поглощения при 410 нм и два вторичных пика при 550 нм и 600 нм. Когда длина волны света превышает 600 нм, $HbO_{2}$ поглощение затухает гораздо быстрее, чем поглощение Hb. Точки, в которых спектры молярного коэффициента экстинкции $Hb$ и $HbO_{2}$ точки пересечения называются изобестическими точками .

Используя две разные длины волн, можно рассчитать концентрацию оксигемоглобина ( $C_{HbO2}$ ) и дезоксигемоглобин ( $C_{Hb}$ ), как показано в следующих уравнениях:

\mu _{a}(\lambda _{1})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{1})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{1})C_{Hb}\,

\mu _{a}(\lambda _{2})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{2})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{2})C_{Hb}\,

Здесь, $\lambda _{1}$ и $\lambda _{2}$ две длины волн; $\varepsilon _{HbO2}$ и $\varepsilon _{Hb}$ – молярные коэффициенты экстинкции $HbO_{2}$ и $Hb$ , соответственно; $C_{HbO2}$ и $C_{Hb}$ молярные концентрации $HbO_{2}$ и $Hb$ в тканях соответственно.Насыщение кислородом ( $SO_{2}$ ) можно затем вычислить как

SO_{2}={\frac {C_{HbO2}}{C_{Hb}+C_{HbO2}}}

Вода

Хотя вода почти прозрачна в видимом диапазоне света, она становится поглощающей в ближней инфракрасной области. Вода является важнейшим компонентом, поскольку ее концентрация в тканях человека высока. Спектр поглощения воды в диапазоне от 250 до 1000 нм показан на рисунке 2. Хотя поглощение в этом спектральном диапазоне довольно низкое, оно все же способствует общему затуханию ткани.

Другими компонентами ткани, вклад которых в общий спектр поглощения ткани менее значителен, являются меланин и жир.

Меланин

Меланин — это хромофор, который существует в эпидермальном слое кожи человека и отвечает за защиту от вредного ультрафиолетового излучения. Когда меланоциты стимулируются солнечным излучением, вырабатывается меланин. ^[7] Меланин является одним из основных поглотителей света в некоторых биологических тканях (хотя его вклад меньше, чем у других компонентов). Существует два типа меланина: эумеланин черно-коричневого цвета и феомеланин красно-желтого цвета. ^[8] Спектры молярных коэффициентов экстинкции, соответствующие обоим типам, показаны на рисунке 3.

Толстый

Жир является одним из основных компонентов тканей и может составлять 10–40% ткани. Хотя доступно не так много спектров жиров млекопитающих, на рисунке 4 показан пример, полученный из свиного жира. ^[9]

Рассеивающие свойства тканевых компонентов

Оптическое рассеяние происходит из-за несоответствия показателей преломления различных компонентов ткани, от клеточных мембран до целых клеток. Ядра клеток и митохондрии являются наиболее важными рассеивателями. ^[11] Их размеры варьируются от 100 нм до 6 мкм и, таким образом, попадают в окно БИК. Большинство этих органелл попадают в режим рассеяния Ми и демонстрируют сильно анизотропное рассеяние вперед. ^[12]

Рассеяние света в биологической ткани обозначается коэффициентом рассеяния ( $\mu _{s}$ ), которая определяется как вероятность рассеяния фотонов в ткани на единицу длины пути. ^[13] На рис. 5 показан график спектра рассеяния. ^[14]

Эффективный коэффициент ослабления

Ослабление света в глубоких биологических тканях зависит от эффективного коэффициента ослабления ( $\mu _{eff}$ ), который определяется как

\mu _{\text{eff}}={\sqrt {3\mu _{a}(\mu _{a}+\mu '_{s})}}

где $\mu '_{s}$ – коэффициент транспортного рассеяния, определяемый как

\mu '_{\text{s}}=\mu _{s}(1-g)\,

где $g$ — анизотропия биологической ткани, имеющая репрезентативное значение 0,9. На рис. 5 показан график спектра коэффициента транспортного рассеяния в ткани молочной железы, который имеет зависимость от длины волны $\lambda \,^{-0.7}$ . ^[15] Эффективный коэффициент ослабления является доминирующим фактором для определения ослабления света на глубине. $d$ ≫ 1/ $\mu _{\text{eff}}$ .

Оценка

Окно NIR можно рассчитать на основе спектра коэффициента поглощения или спектра эффективного коэффициента ослабления. Возможным критерием выбора окна NIR является полувысота обратного спектра этих спектров, как показано на рисунке 7.

Помимо общей концентрации гемоглобина, насыщение кислородом будет определять концентрацию окси- и дезоксигемоглобина в тканях и, следовательно, общий спектр поглощения. В зависимости от типа ткани мы можем рассматривать разные ситуации. Ниже предполагается, что общая концентрация гемоглобина равна 2,3 мМ.

Рисунок 6 (а): Спектры артерий (SaO ₂ ≈ 98%).

Коэффициент поглощения: λ _min = 686 нм; Окно БИК = (634–756) нм.

Эффективный коэффициент ослабления: λ _min = 690 нм; БИК-окно = (618–926) нм.

Рисунок 6 (б): Спектры для жил (SvO ₂ ≈ 60%).

Коэффициент поглощения: λ _min = 730 нм; Окно БИК = (664–932) нм.

Эффективный коэффициент ослабления: λ _min = 730 нм; БИК-окно = (630–1328) нм.

Рисунок 6 (в): Спектры ткани молочной железы (StO ₂ ≈ 70%).

Коэффициент поглощения: λ _min = 730 нм; Окно БИК = (656–916) нм.

Эффективный коэффициент ослабления: λ _min = 730 нм; Окно БИК = (626–1316) нм.

Спектр поглощения артерий

В этом случае $SaO_{2}\,$ ≈ 98% (сатурация артериальной крови кислородом). Тогда оксигемоглобин будет доминировать в спектрах коэффициентов общего поглощения (черный) и эффективного ослабления (пурпурный), как показано на рисунке 6 (а).'цитата: Анизотропный диффузионный фильтр для извлечения особенностей вен дорсальной поверхности руки – Сара Хашеми Бензиан, Абделькадер Бенетту'

Спектр поглощения для вен

В этом случае $SvO_{2}\,$ ≈ 60% (венозная сатурация кислорода). Тогда оксигемоглобин и дезоксигемоглобин будут иметь одинаковый вклад в спектры коэффициентов общего поглощения (черный) и эффективного ослабления (пурпурный), как показано на рисунке 6 (b).

Спектр поглощения ткани молочной железы

Чтобы определить $StO_{2}\,$ (насыщение тканей кислородом) (или $TSI\,$ (индекс насыщения тканей)), необходимо определить распределение артерий и вен в ткани. можно принять соотношение объемов артериальной и венозной крови 20%/80%. ^[16] Таким образом, насыщение тканей кислородом можно определить как $StO_{2}\,$ = 0,2 х $SaO_{2}\,$ + 0,8 х $SvO_{2}\,$ ≈ 70%.

Спектры коэффициентов полного поглощения (черный) и эффективного ослабления (пурпурный) для ткани молочной железы показаны на рисунке 6 (c). Кроме того, эффективная глубина проникновения показана на рисунке 7.

См. также

Ссылки

^ Смит, Эндрю М.; Манчини, Майкл С.; Не, Шуминг (2009). «Биовизуализация: второе окно для визуализации in vivo» . Природные нанотехнологии . 4 (11): 710–711. Бибкод : 2009НатНа...4..710С . дои : 10.1038/nnano.2009.326 . ISSN 1748-3387 . ПМК 2862008 . ПМИД 19898521 .
^ ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
^ Молярные коэффициенты экстинкции окси и дезоксигемоглобина, составленные Скоттом Пралом. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin .
^ Г. М. Хейл и М. Р. Керри, Оптические константы воды в диапазоне длин волн от 200 нм до 200 мкм, Appl. Опт., 12, 555–563, 1973.
^ Коэффициент вымирания меланина Стивена Жака. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html .
^ RLP ван Вин, HJCM Стеренборг, А. Пиффери, А. Торричелли и Р. Кубедду, Ежегодное тематическое собрание OSA BIOMED, 2004.
^ Т. Во-Динь, Справочник по биомедицинской фотонике. Тейлор и Фрэнсис, Инк. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002 г.
^ Джордж Зониос и Айкатерини Диму, Иоаннис Бассукас, Димитриос Галарис, Аргириос Исолакидис и Эфтимиос Каширас, J. Biomed. Опт., Том 13, 014017, 2008.
^ RLP ван Вин, HJCM Стеренборг, А. Пиффери, А. Торричелли и Р. Кубедду, Ежегодное тематическое собрание OSA BIOMED, 2004.
^ С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. унив. Техасского онкологического центра имени доктора медицины Андерсона, 1987 г.
^ ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
^ Т. Во-Динь, Справочник по биомедицинской фотонике. Тейлор и Фрэнсис, Инк. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002 г.
^ ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
^ С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. унив. Техасского онкологического центра имени доктора медицины Андерсона, 1987 г.
^ С. Сринивасан, Б. Пог, С. Цзян, Х. Дегани, К. Когель, С. Сохо, Дж. Гибсон, Т. Тостесон, С. Поплак и К. Полсен, KD 2003, Proc Natl Acad. наук. США 100 12349 54.
^ С. Ниока, С. Вэнь, Дж. Чжан, Дж. Ду, X. Интес, З. Чжао и Б. Чанс, Моделирование гемодинамики ткани молочной железы во время возмущения давления. Транспорт кислорода в ткани XXVI 566, 17–22, 2006.

[SmithMancini2009-1] Смит, Эндрю М.; Манчини, Майкл С.; Не, Шуминг (2009). «Биовизуализация: второе окно для визуализации in vivo» . Природные нанотехнологии . 4 (11): 710–711. Бибкод : 2009НатНа...4..710С . дои : 10.1038/nnano.2009.326 . ISSN 1748-3387 . ПМК 2862008 . ПМИД 19898521 .

[2] ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.

[3] Молярные коэффициенты экстинкции окси и дезоксигемоглобина, составленные Скоттом Пралом. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin .

[4] Г. М. Хейл и М. Р. Керри, Оптические константы воды в диапазоне длин волн от 200 нм до 200 мкм, Appl. Опт., 12, 555–563, 1973.

[5] Коэффициент вымирания меланина Стивена Жака. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html .

[6] RLP ван Вин, HJCM Стеренборг, А. Пиффери, А. Торричелли и Р. Кубедду, Ежегодное тематическое собрание OSA BIOMED, 2004.

[7] Т. Во-Динь, Справочник по биомедицинской фотонике. Тейлор и Фрэнсис, Инк. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002 г.

[8] Джордж Зониос и Айкатерини Диму, Иоаннис Бассукас, Димитриос Галарис, Аргириос Исолакидис и Эфтимиос Каширас, J. Biomed. Опт., Том 13, 014017, 2008.

[9] RLP ван Вин, HJCM Стеренборг, А. Пиффери, А. Торричелли и Р. Кубедду, Ежегодное тематическое собрание OSA BIOMED, 2004.

[10] С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. унив. Техасского онкологического центра имени доктора медицины Андерсона, 1987 г.

[11] ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.

[12] Т. Во-Динь, Справочник по биомедицинской фотонике. Тейлор и Фрэнсис, Инк. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002 г.

[13] ЛВ. Ван и привет. Ву, Биомедицинская оптика. Уайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.

[14] С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. унив. Техасского онкологического центра имени доктора медицины Андерсона, 1987 г.

[SS-15] С. Сринивасан, Б. Пог, С. Цзян, Х. Дегани, К. Когель, С. Сохо, Дж. Гибсон, Т. Тостесон, С. Поплак и К. Полсен, KD 2003, Proc Natl Acad. наук. США 100 12349 54.

[16] С. Ниока, С. Вэнь, Дж. Чжан, Дж. Ду, X. Интес, З. Чжао и Б. Чанс, Моделирование гемодинамики ткани молочной железы во время возмущения давления. Транспорт кислорода в ткани XXVI 566, 17–22, 2006.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]