ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИИ НА ... ЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЖИ ...

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИИ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЖИ ЧЕЛОВЕКА IN
VIVO
О.А. Зюрюкина, И.А. Нахаева, М.Р. Мохаммед, Ю.П. Синичкин
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
E-mail: olyaof@yandex.ru
Интерес к исследованиям влияния внешней механической компрессии на оптические свойства биоткани обусловлен, по крайней мере, двумя
причинами: прикладываемое к поверхности биоткани давление изменяет
спектральный состав диффузно отраженного биотканью света или ее автофлуоресценции, что служит источником погрешности измерений, с другой
стороны, внешняя компрессия может являться основой метода управления
оптическими свойствами биоткани. Компрессионный метод управления
оптическими параметрами потенциально имеет ряд преимуществ по сравнению с иммерсионным методом, так как механическое сжатие био- ткани
является менее инвазивным и безопасным, в отличии от химического метода сохраняются барьерные функции рогового слоя и всего эпидермиса в
целом.
В данной работе представлены результаты исследования кожи человека in vivo в условиях внешней механической компрессии, при этом основным инструментом исследований являлась спектроскопия диффузного
отражения. В эксперименте компрессия кожи внутренней стороны предплечья человека создавалась с помощью алюминиевого цилиндра разного
диаметра, в центральной части которого был закреплен волоконнооптический датчик для подвода излучения к поверхности кожи и детектирования диффузно отраженного света.
В формирование спектров диффузного отражения кожи человека в
видимом и ближнем инфракрасном диапазонах существенный вклад вносят гемоглобин и вода, изменение содержания которых в результате наложения внешней компрессии отчетливо проявляется в спектрах отражения
как результат изменения поглощающих и рассеивающих свойств кожи (рис.
1 и рис. 2, кривые 1). Наложение внешней нелокальной механической компрессии величиной 105 Па на кожную ткань in vivo приводит к уменьшению коэффициента диффузного отражения кожей света в спектральном
интервале 400-1000 нм, при этом уменьшается величина провала в спектральном диапазоне 500-600 нм (рис. 1, кривая 2). В ближней инфракрасной (ИК) области спектра отмечается уменьшение коэффициента отражения во всем диапазоне спектра (рис. 2, кривая 2). Изменения в спектрах носят инерционный характер. Уменьшение провала в спектрах отражения в
диапазоне длин волн 500-600 нм обусловлен вытеснением крови из области компрессии. Время вытеснения крови из области компрессии зависит
от размеров области наложения компрессии и уменьшается с увеличением
локализации внешнего давления (от 30-40 секунд для датчика диаметром
22
16
20
14
Коэффициент отражения, %
Коэффициент отражения, %
15,8 мм до 6-14 секунд для датчика диаметром 3,2 мм). Уменьшение коэффициента отражения кожи в спектральном диапазоне 600-900 нм обусловлено уменьшением рассеивающих свойств кожи, причиной чего является
транспорт воды из области компрессии биоткани. Этот процесс происходит в течение 3-10 минут в зависимости от величины компрессии и размеров области ее наложения. В ближнем ИК диапазоне спектра (900-2000 нм)
диффузное отражение кожи определяется помимо ее рассеивающих
свойств поглощением содержащейся в ней воды. Из двух процессов, определяющих величину коэффициента отражения кожной ткани in vivo, подверженной механической компрессии, превалирующим является процесс
уменьшения рассеивающих свойств биоткани, являющийся результатом
уменьшение содержания воды в области кожной ткани, подверженной
компрессии. Время стабилизации рассеивающих свойств кожи при наложении внешней механической компрессии величиной 105 Па составляет
величину до 10 минут. Уменьшение размера области наложения компрессии приводит к уменьшению времени стабилизации рассеяния, а также к
увеличению количества вытесненной воды (8% для датчика 13,8 мм м 12%
для датчика 10 мм).
18
1
16
3
2
14
12
10
8
12
10
8
1
6
2
4
2
0
6
400
500
600
700
800
Длина волны, нм
Рис. 1
900
1000
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Длина волны, нм
Рис. 2
После снятия внешней компрессии кожная ткань восстанавливает свои оптические параметры в течение времени порядка 50 минут.
Помимо оптических свойств кожи внешняя компрессия изменяет и
ее физиологические характеристики, касающиеся содержания крови в
микроциркуляторном русле и степени ее оксигенации. В течение первых
нескольких секунд (10-15 секунд) происходит значительное увеличение
содержания крови (гемоглобина) (в 2 – 5 раз по сравнению с кожей без
компрессии) в кожной ткани с более высокой степенью оксигенации (в 2-4
раза по сравнению с нормой), что может быть обусловлено резким вбросом
артериальной крови в объем кожной ткани, находившейся в условиях
внешней компрессии.
Параметром, которым можно количественно оценить содержание
гемоглобина в кожной ткани, является индекс эритемы
E  100  OD560 1.5  OD545  OD575   2.0   OD510  OD610  ,
 
где OD  log 1 R – оптическая плотность, служит количественной характеристикой поглощения кожи. На рис. 3 показана динамика индекса эритемы при наложении и снятии внешней механической компрессии.
Степень оксигенации гемоглобина крови может быть рассчитан согласно выражению
 OD570  OD557 OD557  OD545  1

Y    

    ,
13
12
 H


где индекс гемоглобина (аналог индекса эритемы) определяется как
OD545  OD529 OD570  OD545
,
H

16
25
а поправочные коэффициенты равны:  = 31,  = 1. Динамика степени
оксигенации при наложении и снятии внешней механической компрессии
приведена на рис. 4.
30
25
Индекс эритемы
20
15
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
Время, сек
Рис. 3
Рис. 4
Снятие компрессии приводит к возникновению потока крови в область кожи, которая подвергалась компрессии. Однако наличие полулунных клапанов в венозных сосудах препятствует возврату деоксигенированной крови в область компрессии, поэтому в эту область кожи приходит
только артериальная кровь с высокой (более 90%) степень оксигенации.
Увеличение объема крови в области кожи, с которой снята компрессия, возможно за счет увеличения размеров капилляров, находящихся в
этой области.