Поглощение и рассеяние света в тканях

Свет, проходя через биологические ткани, подвергается ряду физических процессов: поглощению, рассеянию, преломлению и отражению. Наиболее значимыми с точки зрения медицинской физики являются поглощение и рассеяние, поскольку именно они определяют глубину проникновения света, его интенсивность на различных глубинах, а также возможность визуализации внутренних структур и проведения фототерапии.

Поглощение света: физико-биологическая природа

Поглощение света в тканях происходит вследствие взаимодействия фотонов с молекулами, способными переходить на более высокие энергетические уровни. Биологические ткани содержат ряд хромофоров — молекул, эффективно поглощающих свет в определённых диапазонах спектра:

  • Гемоглобин (оксигенированный и дезоксигенированный) — основной хромофор в крови, с пиками поглощения в видимом диапазоне (в частности, около 415, 540 и 580 нм);
  • Меланин — поглощает в широком спектре от УФ до ближнего ИК-диапазона;
  • Вода — поглощает преимущественно в инфракрасном диапазоне, с резкими пиками около 980, 1450 и 1940 нм;
  • Липиды и коллаген — вносят вклад в ИК-области спектра.

Коэффициент поглощения μₐ (см⁻¹) описывает количество энергии, поглощаемой на единицу длины пути луча. Он зависит от концентрации хромофора и его спектральных свойств. Согласно закону Бугера–Ламберта–Бера, интенсивность света уменьшается экспоненциально с глубиной проникновения в среду:

I(z) = I0 ⋅ e−μaz

где I(z) — интенсивность на глубине z, I0 — начальная интенсивность, μa — коэффициент поглощения.

Рассеяние света: анатомические причины и физические модели

Рассеяние в тканях обусловлено неоднородностью их структуры. Органеллы, ядра клеток, фибриллы коллагена и прочие микрообъекты с различной оптической плотностью становятся причинами изменения направления распространения света.

Коэффициент рассеяния μₛ (см⁻¹) характеризует вероятность отклонения фотона от исходного направления на единице пути. Поскольку рассеяние в тканях преимущественно направленное, вводится анизотропия рассеяния — параметр g, определяемый как среднее значение косинуса угла между направлениями до и после рассеяния:

g = ⟨cos θ⟩

Для биологических тканей обычно g ≈ 0, 8 − 0, 95, что означает сильную направленность рассеяния вперёд. С учетом анизотропии вводится редуцированный коэффициент рассеяния:

μs′ = μs(1 − g)

Этот параметр используется в уравнениях переноса света и моделировании светораспределения.

Комбинированное влияние: ослабление света в тканях

Общее ослабление светового потока при прохождении через ткани определяется коэффициентом экстинкции:

μt = μa + μs

Однако при анализе светораспределения и для численного моделирования часто используется эффективный коэффициент ослабления:

$$ \mu_{\text{eff}} = \sqrt{3\mu_a(\mu_a + \mu_s')} $$

Он учитывает как поглощение, так и рассеяние в приближении диффузии фотонов и широко применяется в задачах оптической томографии, фототерапии и лазерной медицины.

Спектральные окна биотканей

Световые волны проникают в ткани с разной эффективностью в зависимости от длины волны. Существует так называемое терапевтическое (или диагностическое) окно — диапазон 600–1200 нм, в котором поглощение и рассеяние минимальны, что обеспечивает максимальную глубину проникновения света:

  • 600–700 нм — ограниченное проникновение, подходящее для поверхностных сосудов;
  • 700–900 нм — наиболее эффективное окно для глубокого проникновения (используется в НИР-светотерапии и функциональной оптической томографии);
  • 900–1200 нм — увеличивается вклад воды в поглощение, но остаётся приемлемым.

Глубина проникновения света

Глубина проникновения — расстояние, на котором интенсивность света уменьшается до 1/е (~37%) от исходной. Приближенно:

$$ \delta = \frac{1}{\mu_{\text{eff}}} $$

Для видимого и ближнего ИК-диапазонов она варьирует от 0,5 мм до нескольких сантиметров, в зависимости от типа ткани, длины волны и содержания крови.

Модели распространения света в тканях

Для количественного описания взаимодействия света с тканями применяются следующие модели:

  • Уравнение переноса излучения (RTE) — точная, но вычислительно сложная модель, учитывающая все направления распространения и взаимодействий фотонов;
  • Диффузионное приближение — упрощение RTE, применимое при μs′ ≫ μa;
  • Метод Монте-Карло — статистическое моделирование траекторий большого числа фотонов с учётом вероятностей рассеяния и поглощения;
  • Баллистическая и квази-баллистическая компоненты — используются при построении оптических изображений (OCT и другие методы).

Влияние параметров тканей

Оптические свойства зависят от:

  • Типа ткани: кожа, жировая ткань, мышечные волокна и опухоли имеют различные μa и μs′;
  • Физиологического состояния: насыщение кислородом, уровень гидратации, воспалительные процессы изменяют спектр поглощения;
  • Морфологических факторов: размеры и формы клеток, наличие интерстициальной жидкости, степень фиброзности.

Изменения этих свойств лежат в основе методов оптической диагностики (например, функциональной НИР-спектроскопии, флуоресцентной и лазерной визуализации).

Медицинские приложения

Понимание процессов поглощения и рассеяния лежит в основе:

  • Оптической томографии (OCT, DOT, fNIRS);
  • Фотодинамической терапии (PDT);
  • Лазерной коагуляции и абляции тканей;
  • Спектроскопии для диагностики опухолей и гипоксии;
  • Пульсоксиметрии, основанной на различном поглощении света окси- и дезоксигемоглобином.

Эффективность всех этих методов определяется точностью знания оптических параметров тканей и их изменчивости при физиологических и патологических состояниях.

Оглавление