Взаимодействие света с биологическими тканями

Одним из ключевых аспектов взаимодействия света с биологическими структурами является поглощение электромагнитного излучения различными компонентами тканей. Поглощение зависит от длины волны, состава ткани, состояния хромофоров и степени насыщения кислородом.

Основные эндогенные хромофоры:

  • Гемоглобин (Hb, HbO₂) — основной поглотитель в видимом диапазоне (400–600 нм), с различием между оксигемоглобином и дезоксигемоглобином.
  • Меланин — сильно поглощает ультрафиолетовое и видимое излучение, особенно в эпидермисе.
  • Вода — доминирующий поглотитель в инфракрасном диапазоне (выше 1200 нм).
  • Липиды, белки и нуклеиновые кислоты — имеют характерные полосы поглощения в УФ- и ИК-диапазоне.

Спектры поглощения позволяют определять оптимальные терапевтические и диагностические окна, в которых свет глубже проникает в ткани (например, “оптическое окно” в интервале 650–950 нм).

Рассеяние света в тканях

Рассеяние — это основной процесс, ограничивающий глубину проникновения света в биоткани. В биологических средах преобладает многократное рассеяние, вызванное неоднородностями на субклеточном и клеточном уровнях.

Типы рассеяния:

  • Рэлевское рассеяние — для частиц, значительно меньших длины волны.
  • Ми-рассеяние — для частиц, сравнимых с длиной волны, преобладающее в тканях.

Коэффициент рассеяния зависит от:

  • размера и концентрации клеточных структур (органелл, ядер, волокон коллагена),
  • длины волны излучения: рассеяние обратно пропорционально степени длины волны, что делает красный и ИК-свет более проникающим.

Часто используется редуцированный коэффициент рассеяния μs′ = μs(1 – g), где g — анизотропия рассеяния (средний косинус угла рассеяния). Для большинства тканей g ≈ 0.8–0.95.

Преломление и отражение

На границах раздела между средами с разными показателями преломления (например, воздух–эпидермис, эпидермис–дерма) возникает частичное отражение и преломление света. Эти эффекты описываются законами Снеллиуса и Френеля.

Показатель преломления тканей находится в пределах 1.33–1.45:

  • плазма крови: ≈ 1.35,
  • эпителий: ≈ 1.37,
  • роговица: до 1.401,
  • вода: 1.33.

Преломление света влияет на фокусировку и распространение пучка внутри тканей. Границы с высоким контрастом преломления увеличивают многократное отражение и способствуют рассеянию.

Тепловое воздействие и фототермальные эффекты

Поглощение света, особенно в ИК-диапазоне, приводит к локальному повышению температуры. Это лежит в основе термических методов медицинского воздействия:

  • лазерная коагуляция сосудов,
  • абляция опухолей,
  • гипертермия для сенсибилизации злокачественных клеток.

Распределение температуры зависит от:

  • длины волны (глубина проникновения),
  • мощности источника,
  • времени воздействия,
  • тепловых свойств ткани (теплоемкость, теплопроводность, плотность).

Биооптические модели, основанные на уравнении теплопереноса и уравнении Радиации (Radiative Transfer Equation, RTE), позволяют предсказать температурные изменения и зоны термического повреждения.

Фотоакустический эффект

При быстром поглощении света тканью и последующем термическом расширении возникает ультразвуковая волна, что лежит в основе фотоакустической томографии. Фотоакустический сигнал зависит от:

  • коэффициента поглощения ткани,
  • параметров лазерного импульса,
  • коэффициента теплового расширения и удельной теплоемкости ткани.

Эта технология совмещает высокий контраст оптических методов и высокое пространственное разрешение ультразвука.

Фотохимические процессы

При поглощении фотонов молекула может перейти в возбуждённое состояние, инициируя химические реакции, что лежит в основе:

  • фотодинамической терапии (ФДТ),
  • фотосенсибилизации,
  • разрушения патогенов и опухолевых клеток.

Ключевыми элементами ФДТ являются:

  • фотосенсибилизатор (накапливается в мишени),
  • свет определённой длины волны (обычно 630–700 нм),
  • молекулярный кислород (генерация активных форм кислорода, в частности синглетного O₂).

Процесс может вызывать:

  • апоптоз клеток,
  • разрушение сосудов опухоли,
  • иммунную активацию.

Поляризационные свойства света и тканей

Свет, распространяющийся в биотканях, может сохранять или терять поляризацию. Поляризация наиболее чувствительна к поверхностным структурам и может использоваться:

  • для диагностики ранних форм рака,
  • для оценки состояния коллагеновых волокон,
  • в дерматологии для анализа кожи.

Методы поляриметрии и стокс-метрии позволяют получать карту изменений поляризации при рассеянии и различать анизотропные структуры.

Биофотонные окна

На основании оптических свойств тканей выделяют биофотонные окна, в которых свет наиболее эффективно проникает вглубь:

  • первое окно (650–950 нм): низкое поглощение Hb и воды;
  • второе окно (1000–1350 нм): глубжее проникновение при минимальном рассеянии;
  • третье окно (1600–1870 нм): применяется для глубоких ИК-методов и нанофотонных технологий.

Выбор окна зависит от цели исследования или терапии (визуализация, стимуляция, абляция).

Лазерно-оптические методы визуализации

Оптические методы играют ключевую роль в современной медицинской диагностике. Среди них:

  • Конфокальная микроскопия — высокая аксиальная и латеральная чёткость, применима для кожных и офтальмологических исследований.
  • Оптическая когерентная томография (ОКТ) — визуализация микроструктур тканей на глубину до 1–2 мм с разрешением ~10 мкм.
  • Спектроскопия диффузного отражения — оценка концентрации хромофоров, насыщения кислородом и степени перфузии.
  • Флуоресцентная диагностика — введение эндогенных или экзогенных флуорофоров для оценки метаболической активности.
  • Раман-спектроскопия — чувствительный метод для анализа молекулярного состава (белки, липиды, ДНК).

Каждая из технологий основана на конкретных физических механизмах взаимодействия света с тканями и требует точного подбора параметров излучения.

Влияние длины волны и типа света

Ключевое значение имеют:

  • длина волны: определяет глубину проникновения, тип взаимодействия (тепловое, фотохимическое, механическое);
  • непрерывное или импульсное излучение: импульсы высокой пиковой мощности активируют нелинейные эффекты (например, двухфотонное возбуждение);
  • ширина спектра: монохроматический лазер отличается от широкополосных источников (светодиоды, лампы).

Например, импульсные лазеры (наносекундные, пикосекундные) могут вызывать фоторазрывы и кавернацию, используемые при лазерной хирургии.

Нелинейные оптические эффекты

При высоких интенсивностях излучения (обычно лазерного) проявляются нелинейные эффекты:

  • двухфотонное возбуждение — эффективная стимуляция флуорофоров без поверхностного повреждения;
  • оптическое пробивание (breakdown) — ионизация ткани при экстремальных плотностях энергии;
  • самофокусировка и филаментация — изменение траектории пучка в ткани.

Эти эффекты применяются в лазерной микрохирургии, создании микроканалов и фотоперфорации тканей.

Физические механизмы взаимодействия света с биологическими тканями лежат в основе как диагностических, так и терапевтических медицинских технологий. Понимание этих процессов требует знания оптики, термодинамики, биофизики и молекулярной биологии.

Оглавление