Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ КОЖИ

Урусова Б.И. 1 Темирболатова С.А. 2
1 ФГОУ ВО «Карачаево-Черкесский государственный университет имени У.Д. Алиева»
2 ФГОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет имени Х.М. Бербекова»
В данной работе исследованы спектры флуоресценции при возбуждении излучением азотного лазера и при внешних воздействиях на челюстно-лицевую область кожной ткани. Для возбуждения и регистрации спектров использовался волоконно-оптический датчик. Флуоресценция возбуждалась излучением азотного лазера с длиной волны 350 нм и средней мощностью не более 46 мВт. Рассмотрены спектры флуоресценции нормальной и эритемной кожи, находящейся в состоянии разной степени сжатия. Эритема образовывалась путем облучения участка челюстно-лицевой области кожи диаметром 3 см ультрафиолетовым (УФ) излучением, спектр которой лежит в области длин волн свыше 350 нм. Доза облучения соответствовала четырем медицинским эритемным дозам. С целью механического сжатия между челюстно-лицевой областью кожи и волоконно-оптическим датчиком помещалось тонкое кварцевое стекло диаметром 5 см, на которое оказывалось давление до 2 105 Па. Получены спектры отражения челюстно-лицевой области кожи путем рассмотрения величины оптической плотности кожной ткани D. Изменение величины D* – эффективную оптическую плотность кожи, определяли по изменениям поглощающих свойств слоев кожной ткани на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Учитывая, что содержание меланина не зависит от степени сжатия кожи, при отсутствии давления, вклад поглощения крови в D* составляет величину 0,94. В дерме такой эритемной кожи содержится 38 % крови. Рассмотрена оптическая модель челюстно-лицевой области кожи и определены: оптическая плотность – D кожной ткани; D* – эффективная оптическая плотность кожной ткани и индексы – E эритемы и меланина.
спектр
флуоресценция
челюстно-лицевая область кожи
эритема
меланин
метод Монте-Карло
интенсивность
длина волны
излучение
азотный лазер
1. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. М.: Наука, 1968. 64 с.
2. Темирболатова С.А., Урусова Б.И. Применение лазерной спектроскопии для анализа кожи // Вестник КЧГУ. 2016. № 47. С. 141–148.
3. Авандидов Г.Г. Основы количественной патологической анатомии. М., 2011. 103 с.
4. Michaed. Miller B. Mathematics and satistics for finansial risk management. 2nd Edition. 2015. 202 р.
5. Junro Y., Mc-Cauley L. Kay, Antiresorptives and osteonecrosis of the jaw. Journal of Evidence – Based Dental Practice, 2013. Р. 168–169.

Кожная ткань челюстно-лицевой области является многослойной сильно рассеивающей средой, содержащей поглощающие и флуоресцирующие компоненты. Эти процессы приводят к искажению спектров флуоресценции хромофоров челюстно-лицевой области кожи по мере выхода излучения, что можно объяснить методом Монте-Карло: «Моделирование распространения света в кожной ткани с учетом неупругого рассеяния света» [1].

Цель работы: исследовать спектры флуоресценции при возбуждении излучением азотного лазера с длиной волны 350 нм при внешних воздействиях на челюстно-лицевую область кожной ткани и рассмотреть ее оптическую модель.

Материалы и методы исследования

Для возбуждения и регистрации спектров использовался волоконно-оптический датчик. Флуоресценция возбуждалась излучением азотного лазера с длиной волны 350 нм и средней мощностью не более 46 мВт.

Исследовались спектры флуоресценции нормальной и эритемной кожи, находящейся в состоянии разной степени сжатия. Доза облучения соответствовала четырем медицинским эритемным дозам. С целью механического сжатия между челюстно-лицевой областью кожи и волоконно-оптическим датчиком помещалось тонкое кварцевое стекло диаметром 5 см, на которое оказывалось давление в диапазоне от 0 до 2105 Па.

Все измерения были выполнены на здоровых людях (70 мужчин и 60 женщин) в возрасте от 25 до 50 лет в зимнее время. Погрешность измерений оценивалась в пределах 6 %.

По мере развития эритемы для спектров флуоресценций челюстно-лицевой области кожи характерно значительное уменьшение интенсивности. Чтобы определить причины такого изменения в спектрах, необходимо выявить факторы, определяющие характер спектров флуоресценции кожи. Особенности спектров флуоресценции определяются неоднородностью распределения основных хромофоров кожной ткани, дающих вклад в общую флуоресценцию кожи и определяющих спектральную зависимость излучения флуоресценции и наличие поглощающих компонентов кожи, таких как кровь и меланин, значительно ослабляющих флуоресценцию и искажающих спектр [2–3].

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 приведены экспериментальные результаты зависимости интенсивности флуоресценции от эффективной оптической плотности кожной ткани.

Спектр флуоресценции кожи, возбужденный излучением с длиной волны 350 нм, наблюдался в диапазоне 350–550 нм с максимумом на длине волны 450 нм и небольшим провалом в области 400 нм.

Увеличение содержания крови и меланина в кожной ткани приводит к изменениям в интенсивности флуоресценции кожи. Характер изменений виден из рис. 1, где приведены изменения интенсивности флуоресценции на длинах волн 400, 450 и 500 нм. В интервале времени от 8 до 14 суток интенсивное шелушение кожи, сопровождаемое уменьшением содержания в ней меланина, приводит к скачку в поведении кривых.

Отличительной особенностью спектров является то, что увеличение интенсивности флуоресценции происходит в области давления до 105 Па: при больших давлениях интенсивность флуоресценции не меняется. Это обусловлено тем, что при давлениях свыше 105 Па дерма становится практически обескровленной и дальнейшее сжатие кожной ткани не изменяет содержания в ней хромофоров.

На рис. 2 приведены зависимости интенсивности флуоресценции кожи с эритемой разной степени от давления на кожу, полученные для длины волны 450 нм.

Наличие меланина, образованного в коже в результате ее УФ-облучения, обусловливается тем, что обе кривые лежат ниже кривой 4, соответствующей флуоресценции обескровленной дермы нормальной кожи.

Далее, спектры отражения челюстно-лицевой области кожи получили путем рассмотрения величины оптической плотности кожной ткани D, определенной как

D = log urus01.wmf (1)

где R = l/l0 – коэффициент отражения кожи, l и l0 – интенсивности отраженного и падающего света соответственно.

urus1.tif

Рис. 1. Эффективная оптическая плотность log(1/R*) кожной ткани с развивающейся эритемой. λ, нм: 1 – 400, 2 – 450, 3 – 500

urus2.tif

Рис. 2. Спектры флуоресценции кожи с эритемой 14 суток, полученные при разных давлениях на кожу. 1 – нормальная кожа р = 0; 2 – р = 0; 3 – р = 1,4x104 Па; 4 – р = 5,6 х 104 Па; 5 – 1,4 х 105 Па

По изменениям D оценивали изменения поглощающих свойств кожи в целом и отдельных ее слоев.

Если принять интенсивность лазерного излучения на длине волны λ = 337 нм за Io, то с учетом поглощения возбуждающего излучения и излучения флуоресценции слоями кожной ткани и квантового выхода флуоресценции ηq(λf) (q(λf) – форм-фактор контура линии флуоресценции) интенсивность флуоресценции кожи может бьггь представлена в виде

urus02.wmf (2)

где kiе) и ki*(λf – коэффициенты поглощения i-го слоя кожной ткани толщиной di на длинах волн возбуждающего излучения (λе) и флуоресценции (λf).

Нормируя интенсивность флуоресценции If на величину Ioηq(λf), которая для данной длины волны является константой

urus03.wmf (3)

можно ввести величину D*, определенную по аналогии с (1) следующим образом:

urus04.wmf (4)

Величина D*-эффективной оптической плотности пропорциональна поглощению кожной ткани [4, 5]. Изменения этой величины определяли изменениями поглощающих свойств слоев кожной ткани на длинах волн возбуждения и флуоресценции.

На рис. 3 представлены спектры D* для нормальной кожи с 8-часовой и 8-дневной эритемой (последние получены при давлении на кожу 105 Па). Так как изменения в коже в течение первых 8 ч после УФ-облучений обусловлены изменением содержания крови в дерме, для нормальной кожи и кожи с 8-часовой эритемой близки. Можно отметить диапазон 400 нм, где наблюдается приток крови, присутствующей в нормальной коже. Кожа с 8-дневной эритемой увеличена, за счет поглощения образованным в коже меланином.

Зависимость D* на длине волны 450 нм от давления, оказываемого на кожу с 14-дневной эритемой. при давлении ~ 105 Па, равна разности между значениями эффективной оптической плотности нормальной кожи и кожи с эритемой составляет величину 0,38. Учитывая, что содержание меланина не зависит от степени сжатия кожи, можно определить, что при отсутствии давления вклад поглощения крови в D* составляет величину 0,96. В дерме такой эритемной кожи содержится, как показали эксперименты со спектрами отражения, 38 % крови. Для нормальной кожи, дерма которой содержит 10 % крови, величина D* равна 0,75. Тогда кожа с эритемой становится подобной нормальной коже при давлении порядка 2 х 104 Па.

Индексы – Е эритемы и меланина определяли по спектрам отражения кожи. Индекс эритемы – Е определяли по величине площади спектральной зависимости в диапазоне длин волн 500–600 нм, где велико поглощение крови:

Е = 100 [D560 + 1,5D545 – D575) – 2,0 (D510 + D610)]. (5)

urus3.tif

Рис. 3. Оптическая модель челюстно-лицевой области кожной ткани

По разности оптической плотности кожи в зеленой и красной областях спектра имеем

Е = 100 [D560 + D650)]. (6)

Содержание меланина определяли по наклону спектральной зависимости D(λ) в диапазоне свыше 600 нм.

Таким образом, можно определить эффективную оптическую плотность нормальной кожи (D*E(λ) и кожи с эритемой (D*N(λ) следующим образом:

(D*E(λ)) = logurus05.wmf;

(D*N(λ)) = logurus06.wmf (7)

где urus07.wmf и urus08.wmf – интенсивности флуоресценции нормальной и эритемной кожи соответственно.

Полагая λ близкой к максимуму спектра флуоресценции кожи, можно видеть, что разность

D*E(λ) – D*N(λ) = logurus09.wmf (8)

определяет изменение поглощения света кожи за счет изменения содержания крови. Величину

Е = 100[D*E(λ) – D*N(λ)] (9)

определяли как показатель содержания крови в кожной ткани. Индекс меланина можно определить по формуле, аналогичной (9), отличающейся тем, что интенсивности флуоресценции urus10.wmf и urus11.wmf измеряются в случае сжатой кожи при давлении – 105 Па.

Выводы

1. В спектрах флуоресценции челюстно-лицевой области кожи наблюдается уменьшение интенсивности от времени.

2. В области длин волн 400 нм, 450 нм, 500 нм – наблюдается увеличение содержания крови и меланина.

3. В интервале от 8 до 14 суток наблюдается интенсивное шелушение кожи, что приводит к уменьшению меланина.

4. Уменьшение содержания крови в дерме кожной ткани при ее сдавливании приводит к увеличению меланина.

5. Определены: D – оптическая и Dж – эффективно оптическая плотности кожной ткани, а также индексы – Е эритемы и меланина.


Библиографическая ссылка

Урусова Б.И., Темирболатова С.А. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ КОЖИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 6. – С. 139-142;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12782 (дата обращения: 14.07.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674