Окно ближнего инфракрасного диапазона (NIR) (также известное как оптическое окно или терапевтическое окно) определяет диапазон длин волн от 650 до 1350 нанометров (нм), где свет имеет максимальную глубину проникновения в ткань . [1] В ближнем ИК-окне рассеяние является наиболее доминирующим взаимодействием света и ткани, поэтому распространяющийся свет быстро рассеивается. Поскольку рассеяние увеличивает расстояние, пройденное фотонамив тканях также увеличивается вероятность поглощения фотонов. Поскольку рассеяние слабо зависит от длины волны, окно ближнего ИК-диапазона в основном ограничено поглощением света кровью на коротких волнах и водой на длинных волнах. Техника, использующая это окно, называется NIRS . В медицинских методах визуализации, таких как хирургия под контролем флуоресценции, часто используется окно NIR для обнаружения глубоких структур.
Абсорбционные свойства тканевых компонентов
Поглощения коэффициент () определяется как вероятность поглощения фотона тканью на единицу длины пути. [2] Различные тканевые компоненты имеют разныезначения. Более того,является функцией длины волны. Ниже обсуждаются абсорбционные свойства наиболее важных хромофоров в тканях. Коэффициент молярной экстинкции () - еще один параметр, который используется для описания поглощения фотонов тканью. Умножая молярной концентрацией и ln (10) можно преобразовать к .
Кровь
Кровь состоит из двух разных типов гемоглобина : оксигемоглобина () связан с кислородом, а дезоксигемоглобин () не связан с кислородом. Эти два разных типа гемоглобина демонстрируют разные спектры поглощения , которые обычно представлены в виде коэффициентов молярной экстинкции, как показано на рисунке 1. Коэффициент молярной 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,показывает самый высокий пик поглощения при 410 нм и два вторичных пика при 550 и 600 нм. Когда длина волны света превышает 600 нм,поглощение затухает намного быстрее, чем поглощение гемоглобина. Точки, где спектры молярного коэффициента экстинкции а также пересечения называются изобестическими точками .
Используя две разные длины волн, можно рассчитать концентрации оксигемоглобина () и дезоксигемоглобин (), как показано в следующих уравнениях:
Здесь, а также две длины волны; а также - молярные коэффициенты экстинкции а также , соответственно; а также молярные концентрации а также в ткани соответственно. Насыщение кислородом () можно вычислить как
Воды
Хотя вода почти прозрачна в диапазоне видимого света, она становится поглощающей в ближней инфракрасной области. Вода является важным 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 ослаблению в тканях.
Другими компонентами ткани с менее значительным вкладом в общий спектр поглощения тканью являются меланин и жир.
Меланин
Меланин - это хромофор, который существует в эпидермальном слое кожи человека и отвечает за защиту от вредного УФ-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-коричневый и феомеланин красно-желтый. [8] Спектры молярного коэффициента экстинкции, соответствующие обоим типам, показаны на рисунке 3.
Толстый
Жир является одним из основных компонентов ткани, которая может составлять 10-40% ткани. Хотя доступно не так много спектров жира млекопитающих, на рисунке 4 показан пример, извлеченный из свиного жира. [9]
Рассеивающие свойства компонентов ткани
Оптическое рассеяние возникает 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 колеблются от 100 нм до 6 мкм и, таким образом, попадают в окно ближнего инфракрасного диапазона. Большинство этих органелл попадают в режим Ми и демонстрируют сильно анизотропное рассеяние в прямом направлении. [12]
Рассеяние света в биологической ткани обозначается коэффициентом рассеяния (), которая определяется как вероятность рассеяния фотонов в ткани на единицу длины пути. [13] На рисунке 5 показан график спектра рассеяния. [14]
Эффективный коэффициент затухания
Ослабление света в глубокой биологической ткани зависит от эффективного коэффициента ослабления (), который определяется как
где - транспортный коэффициент рассеяния, определяемый как
где представляет собой анизотропию биологической ткани, которая имеет репрезентативное значение 0,9. На рисунке 5 показан график спектра транспортного коэффициента рассеяния в ткани груди, который имеет зависимость от длины волны. [15] Эффективный коэффициент ослабления является доминирующим фактором для определения ослабления света на глубине. ≫ 1 / .
Оценка окна NIR в ткани
Окно NIR может быть вычислено на основе спектра коэффициента поглощения или спектра эффективного коэффициента ослабления. Возможный критерий для выбора окна NIR задается величиной FWHM инверсии этих спектров, как показано на рисунке 7.
В дополнение к общей концентрации гемоглобина насыщение кислородом будет определять концентрацию оксигемоглобина и дезоксигемоглобина в ткани и, таким образом, общий спектр поглощения. В зависимости от типа ткани мы можем рассматривать разные ситуации. Ниже предполагается, что общая концентрация гемоглобина составляет 2,3 мМ.
Спектр поглощения для артерий
В таком случае ≈ 98% (сатурация артериальной крови кислородом). Тогда оксигемоглобин будет доминировать в спектрах полного поглощения (черный) и эффективного ослабления (пурпурный), как показано на рисунке 6 (а).
Спектр поглощения для вен
В таком случае ≈ 60% (сатурация венозного кислорода). Тогда оксигемоглобин и дезоксигемоглобин будут иметь одинаковые вклады в спектры полного поглощения (черный) и эффективного ослабления (пурпурный), как показано на рисунке 6 (b).
Спектр поглощения тканями груди
Определить (насыщение тканей кислородом) (или (индекс насыщения тканей)) необходимо определить распределение артерий и вен в ткани. может быть принято соотношение объемов артериально-венозной крови 20% / 80%. [16] Таким образом, насыщение тканей кислородом можно определить как = 0,2 х + 0,8 х ≈ 70%.
Спектры полного поглощения (черный) и эффективного коэффициента ослабления (пурпурный) для ткани груди показаны на рисунке 6 (c). Кроме того, на рисунке 7 показана эффективная глубина проникновения.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Смит, Эндрю М .; Манчини, Майкл С.; Не, Шумин (2009). «Биовизуализация: второе окно для визуализации in vivo» . Природа Нанотехнологии . 4 (11): 710–711. DOI : 10.1038 / nnano.2009.326 . ISSN 1748-3387 . PMC 2862008 . PMID 19898521 .
- ^ LV. Ван и Привет. Ву, Биомедицинская оптика. Вайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
- ^ Молярные коэффициенты экстинкции оксигемоглобина и оксигемоглобина, составленные Скоттом Прахлом. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin .
- ^ GM Hale и MR Querry, Оптические константы воды в диапазоне длин волн от 200 нм до 200 мкм, Прил. Опт., 12, 555-563, 1973.
- ^ Коэффициент экстинкции меланина Стивеном Жаком. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html .
- ^ ПРЛ ван Вейн, HJCM Sterenborg, А. Pifferi, А. Торричелли, Р. Cubeddu, OSA Ежегодное совещание Актуальное БИОМЕД, 2004.
- ^ T. Во-Дин, Справочник по биомедицинской фотонике. Taylor & Francis, Inc. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002.
- ^ Джордж Zonios и Aikaterini Dimou, Иоаннис Bassukas, Димитриос Galaris и Argyrios Ysolakidis и Efthimios Kaxiras, J. Biomed. Опт., Том 13, 014017, 2008.
- ^ ПРЛ ван Вейн, HJCM Sterenborg, А. Pifferi, А. Торричелли, Р. Cubeddu, OSA Ежегодное совещание Актуальное БИОМЕД, 2004.
- ^ С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. Univ. Техасского онкологического центра доктора медицины Андерсона, 1987.
- ^ LV. Ван и Привет. Ву, Биомедицинская оптика. Вайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
- ^ T. Во-Дин, Справочник по биомедицинской фотонике. Taylor & Francis, Inc. ISBN 0-8493-1116-0 , 2002.
- ^ LV. Ван и Привет. Ву, Биомедицинская оптика. Вайли. ISBN 978-0-471-74304-0 , 2007.
- ^ С. Жак, К. Ньюман, Д. Леви и А. фон Эшенбах. Univ. Техасского онкологического центра доктора медицины Андерсона, 1987.
- ^ С. Сринивасан, Б. Пог, С. Цзян, Х. Дехгани, К. Когель, С. Сохо, Дж. Гибсон, Т. Тостесон, С. Поплак и К. Паулсен, KD 2003, Proc Natl Acad. Sci. США 100 12349 54.
- ^ С. Ниока, С. Вэнь, Дж. Чжан, Дж. Ду, X. Интес, З. Чжао и Б. Чанс, Моделирование гемодинамики ткани груди во время возмущения давления. Транспорт кислорода в ткани XXVI 566, 17-22, 2006.