Спосіб визначення ступеня впорядкованості та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри in vivo

MKBA61№5/06; СПОСІБ G01 №33/48 ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАННОСТІ ОРІЄНТАЦІЇ КОЛАГЕНОВИХ ВОЛОКОН ДЕРМИ ШКІРИ ТА IN VIVO Винахід відноситься до медицини, біофізики та фізичної оптики і може бути використаний в дистанційній неруйнівній діагностиці інтегральних параметрів впорядкованості та орієнтації сукупності колагенових пучків дерми шкіри in vivo, що актуально в клінічній діагностиці запальних, дегенеративно-дистрофічних змін морфологічної структури шкіри, я іакож в створенні комплексу об'є ктивних біофізичних іа оптичних параметрів оцінки її фізіологічного стану. Відомий ряд оптичних способів діагностування структури шарів шкіри різного морфологічного складу [1,2]. Спосіб, описаний в [1], заснований на світло мікроско пічному аналізі морфолоіічної структур ии пеголомчних зрізів шккіри. До його недоліків можна віднести такі: неможливість проведення об 'єктивних метрологічних досліджень; низька точність в оцінці впорядкованності та орієніадії колаїенових пучків; неможливість проведення досліджень in vivo . Найбільш близьким до запропонованого способу (прототипом) є спосіб, описаний в [2]. Тут поверхню шкіри in vi vo опромінюють пучком висококогерентного лазерного випромінювання з дожиною хвилі Я=и,б328 2 мкм, проецюють когерентне зображення в площину, де знаходиться фотоприймач, що реєструє інтегральну величину інтенсивносіі когерентного зображення, за яккою судять про морфологічну структуру шкіри. Основним недоліком такого способу є неможливість діагностування стркуктури колагенових пучків в дермі шкіри внаслідок високого рівня поглинання лазерного випромінювання іакого спектрального діапізону, а також низька точність у визначенні її морфологічної структури. Задача запропонованного функціональних можливостей способу полягала діагностики в розширенні морфологічної будови колагенових структур дерми шкіри при одночасному підвищенні точності вимірювання ступеня впорядкованносіі та орієнтації колагенових волокон. Поставлена задача розв'язувалася шляхом юго,що формукмь циркулярно поляризовану хвилю випромінювання, висококогерентного обертають лінійний інфрачервоною аналізатор, вишрюяль максимальний (Ітах ) і мінімальний (Ітщ) рівні інтенсивності та відповідні їм кути обертання осі пропускання аналізатора - (^max'^min), ^ якими судять про ступіінь впорядкованності та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри in vivo . Відповідність критерію "новизна" забезпечує формування циркулярно поляризованної випромінювання, хвилі обертання висококогерентного лінійного аналізатора, інфрачервоного вимірювання максимального (І тах) і мінімального (І тш) рівнів інтенсивності та відповідних їм кутів обертання осі пропускання аналізатора за якими судять про стушінь впорядкованносп і а орієнтації колагенових волокон дерми шкіри in vivo . Клініко-діагностичну придатність забезпечує нова сукупність дй, що складає запропонований спосіб, яка призводить до розширення діагностик и з функціональних будови морфологічної можливостей колагенових структур дерми шкіри при одночасному підвищенні точпосп вимірювання ступеня впорядкованності іа орієнтації колагенових волокон. Ні в одному із розглянутих нами аналоїів запропонованого способу не зус тріч ає ться форм ув ання цирк уля рно по ля ризов анної хв илі висококогерентного інфрачервоного випромінювання, обертання лінійного аналізатора, вимірювання максимальний (Ітах ) і мінімальний (Іті П) рівнів інтенсивності та відповідних їм а н а л і з а то р а кутів ( ^ш ах '^ пгі п) , з а обертання осі я к и м и с уд я т ь пропускання пр о впорядкованності та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри с т у п і ть in vivo . Розглянемо основні теоретичні основи запропонованого способу. При опроміненні шкіри паралельним пучком лазерного інфрачервоного випромінювання глибина зануре ння складає 70 мм [3], що повністю забезпечує взаємодію циркулярно поляризованої хвилі з колаїеновими структурами без істотнього рівня поглинання в товщі шкіри. Характер світлорозсіяння такої хвилі визначається інтегральним и параметрами морфологічної будови колагенових волокон дерми шкіри. Так, ступінь впорядкованності (однорідності «укладання») ансамблю колагенових волокон запишеться у вигляді наступного співвідношення: І max Де 1 max'1 min максимальний та +1 • mm мінімальний інтегральний рівні в когерентному зображе нні шкіри in vi vo, що пройшло крізь лі нійний аналізатор. Переважна статистична орієнтація колагенових волокон призведе до форм ув ання е лі птич но по ля ризов ано го об'єк тного по ля . Причому орієнтація великої півосі такого еліпсу статистичної поляризації відповідає переважному напрямку орієнтації пучків і, навпаки, мала гтшось 4 / орієнтована в напрямку макс ималь ної разорієнгації . Екс периме нтально таким напрямкам відповдіюіь куіи обертання осі пропускання аналізатора in > а відповідний ступінь орієнтації визначиться як: N= ^—^400% max mm Запропонований спосіб пояснюється блок-схемою на рис 1. Вона вміщує наступні блоки-оператори» розміщені в такій функціональній послідовності: випромінювальний блок 1, блок формування с і ану поляризації 2, об'єктний блок З, проектувальний блок 4, поляризаційновимірювальний блок 5. На рис.2 наведена схема пристрою, що реалізує запропонований спосіб Пристрій вміщує наступні елементи: джерело лазерного інфрачервоною випромінювання 1, поляризатор 2, чвертьхвильова пласіинка 3, коліматор 4, об'єкт 5, проективний об'єктив 6, аналізатор 7, кроковий двигун 8, фотодетектор 9, блок обробки даних 10. Пристрій праціє наступним чином. На вхід пристрою поступає випромінювання інфрачервоного лазера на Ar-Ga з довжиною хвилі А ~ 0,89 мкм. Пластинка 3 орієнтується таким чином, що її вісь найбільшої швидкості складає кут 45° відносно площини коливань вектора електиичної напруженності лінійнополяризованої поляризатором 2 лазерної хвилі. Коліматор 4 формує пучок паралельних променів, який спрямовується в напрямку об'єкту 5, що здійснює поляризаційну модуляцію когерентного випромінювання. Об'єктне поле проектується об'єктивом 6 в площину поляризатора-аналізатора 7. який обертається кроковим двигуном 8 і формує змінний світловий потік, що реєструється 5 / фотодетектором 9, який в иробляє змінний фотострум, параметри я кого обробляються за допомогою ЕОМ 10. / ТаКИМ ЧИНОМ ОДержуЄТЬСЯ СУКУПНІСТЬ ДаНИХ ^max^mm , за якими визначаються колагенових пучків дерми шкіри ступінь впорядкованності та ^ mm орієнтації in vivo , що не досягається в проттотипі ЛІТЕРАТУРА 1. Жеребцов Л.Д., Василвский В.К., Бремзен С.А. Объективные исследования цвета кожного покрова. В кн.: Вопросы антропологии, М.: 1977. Вып. 56. С. 146.. 2. V. V. Tuchin, D.A. Zimlyakov, S.R. Utz, S.A. Lepestkin, I.I. Polyokov Laser light scattering in skin tructure diognostics. Biomedical Optics SPIE Proc. Vol. 1884152-1561993 3. Обратные з адач и в о пт ике ( Под ред. Бо лтс а Г. П.). Пе р. с англ Машиностроение, 1984ю 199с. М.: СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАНОСТІ ОРІЄНТАЦІЇ КОЛАГЕНОВИХ ВОЛОКОН ДЕРМИ ШКІРИ 1 2 3 4 Рис. 1. Рис. 2. 5 ТА IN VIVO І MKBA61№5/06; СПОСІБ G01 №33/48 ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАННОГЇІ ОРІЄНТАЦІЇ' КОЛАГЕНОВИХ ВОЛОКОН ДЕРМИ ШКІРИ ТА IN VIVO Винахід відноситься до медицини, біофізики та фізичної оіпик и і може бути використаний в дистанційній неруйнівній діагностиці шіеіральних параметрів впорядкованості та орієнтації сукупності колаїенових пучків дерми ш кір и in vivo, що актуально в клінічній діаі н о с і й ц і запальних Д е г ен е р ат ИВ Н О -Д Н С І ро фі Ч Н И Х З М І Н М Ор ф о Л Оі І Ч Н О Ї С Ір у К і у р И ШК Ір И , 1 1 J d h O , h в створе нні ком плексу об'є ктив них біофізич них і а оі пич них парамі/ірів оцінки її фізіологічного стану. Відомий ряд оптичних способів діаі постування сіруктури шарів шкіри різного морфолоіічного складу [1,2] Спосіб, описаний в [і ], заснований на світло мікроскопічно му аналізі морфолопчної структур и и пего лої іч них зрізів шккіри. До його недоліків можна віднести такі: неможливість проведення об Активних метрологічних досліджень, низька т о ч н і с і ь в оцінці впорядкованності та орісніацй колаїенових пучків; неможливість проведення досліджень in vivo . Найбільш близьким до запропонованого способу (проютипом) є 1 с по с і б , описаний в [2]. Тут поверхню шкіри in vivo опромінюють пучком висококогерентного лазерного випромінювання "Ї дожиною хвилі Л-и,6128 2 мкм, проецюкнь ко гер єн г не зображення н площину, де знаходиться фото пр ийм ач, що реєс трує і нтег раль ну в елич ину і ніе нс ив нос и когерентного зображення, за яккою судять про морфолоіічну с і р у к і у р у ш к і ри. О с но в н им не д о лі к ом так о г о с по со б у є не м о жлив і с ть діагностування стркукгури колагенових пучків в дермі шкіри внаслідок в исо кого рі в ня пог ли на н ня лазе рног о в и пром і ню в ання і ако го спектраль ного діашзону, а тако ж низька т о ч н і с т ь у в из наченні п морфологічної структури. Задача запропонованного функціональних способу можливостей полягала діагностики в розширенні морфологічної будови колагенових структур дерми шкіри при одночасному підвищенні точності вимірювання ступеня віюрядкованност і та орієнтації колагенових волокон. Поставлена задача розв'язувалася шляхом юго, що формукпь циркулярно поляризовану хвилю випромінювання, висококогерентною обертають лінійний інфрачервоною аналізатор, вимірюю і ь максимальний (lmax ) і мінімальний (Іг дш) рівні інтенсивності та ВІД ПОВІД НІ їм кути обертання осі пропускання аналізатора - (^max'^imn)- і а якими судять про ступішь впорядкованості та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри in vivo . Відповідність критерію "новиз на" забезпечує формування циркулярно поляризованной хвилі випромінювання, високо когерентно то обертання лінійного інфрачервоною аналізатора, вимірювання макс им аль ного ( Іт а х ) і мі нім аль но го (Іт ш ) р і в н і в і нте нс ив ності та відлов ІД ИИХ їм (^m ax'^r ni n) » за кутів обертання осі пропускання аналізатора я к им и с удя ть про ступіі нь в по ряд ков ан ності та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри in vivo Клі ніко-діагностичну прид атність забезпечує нова сукупнісіь дй, що складає запропонований спосіб, яка призводить до розширення і діагностики морфологічної функціональних можливостей будови колагенових структур дерми шкіри при одночасному підвищенні і очной і вимірювання ступеня впорядкованності іа орієнтації колаіенових волокон Ні в одному із розглянутих надій аналої J B запропонованою способу НҐ зус тріч ає ться фо рм ув ання цирк уля рно по ля риіов анної хв ині висококогерентного інфрачервоного випромінювання, обертання лінійного аналізатора, вимірювання максимальний ( іт ах ) і мінімальний ( Іт іп) рі в н і в інтенсивності та відповідних "ш аналізатора (^max>^min), кутів за обертання якими осі судять пропускання про впорядкованності та орієнтації колагенових волокон дерми шкіри ступинь in vivo Розглянемо основні теоретичні основи запропонованого способу При опроміненні шкіри паралельним пучком лазерного інфрачервоною випромінювання глибина занурення складає 70 мм [3 ], що п о в н і с і ю забезпечує взаємодію циркуляр но поляризовано і хвилі з колаїеновими структурами без істотнього рівня поглинання в товщі шкіри Характер світлорозсіяння такої хвилі визначається інтегральними параме трам и морфологіч ної будов и колаіе нов их во локо н дерм и ш кіри Так, ступінь впорядкованності (однорідності «укладання») ансамблю колагенових волокон запишеться у вигляді наступної о співвідношення. І A max +І mm , (1) * максимальний та мінімальний інтегральний рівні в когерентному зображенні шкі ри in vi vo, що про йш ло крізь ліні йний аналізатор Переважна статистична орієнтація колагенових волокон призведе до форм ув ання елі птич но по ля ризо в аного об'єк тно го поля Причом у орієнтація великої півосі такого еліпсу статистичної поляризації відповідає переважному напрямку орієнтації пучків і, навпаки, мала півось A орієнтована в напрямку максимальної разорієнтації. Експериментально іаким напрямкам відповдіюіь кути обертання осі пропускання аналізатора ^ ^ i n , а відповідний ступінь орієнтації визначиться як: ! ma x 00/о ! 00о/о ^min Запро по нов аний с посіб пояс нюється блок-с хемою на рис 1 Во на вміщує наступні блоки-оператори, розміщені в такій функціональній послідовності: випромінюваль ний блок 1, блок формув ання с і ану поляризації 2, об'єктний блок 3, проектувальний блок 4, поляризаційновимірювальний блок 5. На рис.2 наведена схема пристрою, що реалізує запропонований с п о с і б Пристрій вміщує наступні елементи, д жерело лазерного інфрачервоною випромінювання 1, поляризатор 2, чвертьхвильова пластинка 3, коліматор 4, об'єкт 5, проективний об'єктив 6, аналізатор 7, кроковий д в и ї у н 8, фотодетектор 9, блок обробки даних 10. Пристрій праціє наступним чином. На вхід пристрою посіупаг випромінювання інфрачервоного лазера на Ar-Ga ч довжиною х в и ї п А -' 0,89 мкм. Пластинка 3 орієнтується таким чином, що її в і с ь найбільшої шв ид кос ті с к лад ає к ут 45° від нос но пло щ ин и ко лив ань ве к то ра електиич ної напруже нное! і ліні йно поля ризован оі поляризатором 2 лазерної хвилі. Коліматор 4 формує пучок паралельних променів, який спря мов ується в напрям ку об'є к ту 5, що зді йс нює по ля риз аці йну модуляцію когерентного випромінювання. Об'є ктне поле проектується об'єктивом 6 в площину поляризатора-аналізатора 7, який обертається кроковим двигуном 8 і формує змінний світловий потік, що реєструється 5 фогодетектором 9, який виробляє змінний фо тострум, параметри якого обробляються за допомогою ЕОМ 10. ТаКИМ ЧИНОМ Одержується Сукупність ДаНИХ ^тах^тш , ^max'^min з а я к им и в из нач аю тьс я с тупі нь в по ряд к ов анно с ті та о ріє нтаці ї колагенових пучків дерми шкіри in vivo , що не досягається в протіотипі ЛІТЕРАТУРА 1. Жеребцов Л.Д., Василвский В.К., Бремзен С.А. Объективные исследования цвета кожного покрова. В к н. : Вопросы антропологии М : 1977. Вып. 56 С. 146. 2. V. V. Tuchin, D.A. Zimlyakov, S.R. Utz, S.A. Lepestkin, I.I. Polyokov Laser light scattering in skin tructure diognostics. Biomedical Optics SPIE Proc. Vol. 1884 152-1561993 3. Обратные з адач и в о пт ике ( Под ред. Бо лтс а Г. П.). Пе р. с англ Машиностроение, 1984ю 199с. М• СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ ВПОРЯДКОВАНОСТІ ОРІЄНТАЦІЇ КОЛАГЕНОВИХ ВОЛОКОН ДЕРМИ ШКІРИ 1 2 3 4 Рис. 1. Рис, 2. 5 ТА IN VIVO