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 
(1)
где R = l/l0 – коэффициент отражения кожи, l и l0 – интенсивности отраженного и падающего света соответственно.
Рис. 1. Эффективная оптическая плотность log(1/R*) кожной ткани с развивающейся эритемой. λ, нм: 1 – 400, 2 – 450, 3 – 500
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
(2)
где ki(λе) 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
(3)
можно ввести величину D*, определенную по аналогии с (1) следующим образом:
(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)
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)) = log
;
(D*N(λ)) = log
(7)
где 
и 
– 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) = log
(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 
и 
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.