（测试计量技术及仪器专业论文）组织光学参数定量控制的初步研究.pdf

组织光学参数定量控制的初步研究 t h e p r i m a r ys t u d yo f c o n t r o l l i n gt i s s u eo p t i c a lp r o p e r t i e s q u a n t i t a t i v e l y 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：张文军 指导教师：徐可欣教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年六月 中文摘要 光学清透技术的出现为光学在医学成像和诊疗方面的进一步发展提供了契 机。光学清透剂可以降低生物组织的散射效应、增加光的穿透深度的现象已被 众多学者研究，但是很少有入对这种改变作定量的描述并加以应用。基于这一 点，本文针对如何定量描述清透剂对皮肤光学特性参数的改变进行了初步研究。 在深入剖析皮肤的组成结构以及角质层的屏障作用的基础上，本文对清透 剂的经皮渗透过程和对皮肤组织光学特性参数的改变过程进行了简化，分别建 立了定量分析这两个过程的扩散模型和七层皮肤光学模型，并从离体猪皮实验 和蒙特卡罗仿真两个角度对建立的模型进行了验证。结果表明，渗透模型能够 较好的预测清透剂经皮渗入的趋势；通过蒙特卡罗方法，可以动态仿真不同清 透剂渗入皮肤各层引起的皮肤光学特性参数的改变程度，与实验结果具有很好 的一致性。 为评价清透剂对光穿透皮肤的能力的改变，我们定义了折射率匹配度这一 概念。结果证明，折射率匹配度能够较好的预测光在皮肤中的穿透能力( 相关 系数达0 9 9 3 ) 。最后，从临床应用的角度提出了清透剂的选择条件。 本文初步建立了一种定量描述清透剂改变皮肤光学特性参数的方法。该方 法可以预测清透剂的光学清透效果，也可进一步用于定量控制皮肤的光学特性 参数。 关键词：组织光学参数，定量控制，光学清透技术，清透剂，蒙特卡罗仿真 a bs t r a c t t h ei n v e n t i o no ft i s s u e o p t i c a lc l e a r i n gh a sl e dt o at u r n i n gp o i n tf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n to fp h o t o n i c si n d u s t r yi nt e r m so fm e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g i e sa n d d i a g n o s t i c s i th a sb e e ns t u d i e dm u c ht h a tt h eo p t i c a lc l e a r i n ga g e n t sc a nd e c r e a s e t h es c a t t e r i n gp r o p e r t i e so fb i o t i s s u ea n de n h a n c et h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fli g h ti n t o i t h o w e v e r ，f e wp e o p l eh a v et r i e dt od e s c r i b et h i se f f e c tq u a n t i t a t i v e l ya n dp u ti t i nu s e t h i ss t u d yt r i e st ob u il dam e t h o do fd e t e r m i n i n gt h ec h a n g eo fs k i no p t i c a l p r o p e r t i e sr e s u l t i n gf r o mt h eu s eo fo p t i c a lc l e a r i n ga g e n t sq u a n t i t a t i v e l y w i t ht h ed e e pa n a l y s e so fs k i ns t r u c t u r ea n dt h eb a r r i e rf u n c t i o no fs t “l t u m c o r n e u m ，t h i ss t u d yh a sb u i l tad i f f u s i o nm o d e l ( d m ) a n das e v e n 1 a y e ro p t i c a l m o n t ec a r l om o d e l ( m c m ) b ys i m p l i f y i n gt h ec o u r s e so fs a t u r a t i o no fo p t i c a l c l e a r i n ga g e n t st h r o u g hs k i na n dt h ec h a n g eo fs k i no p t i c a lp r o p e r t i e s t h em o d e l s h a v eb e e nv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n tw i t hp o r c i n es k i ni nv i t r oa n dm o n t ec a r l o s i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed mc a np r e d i c tt h eo s m o t i ct r e n d so f o p t i c a la g e n t si n t os k i nt oag r e a td e g r e e t h em c mm e t h o dc a ns i m u l a t et h ed e g r e e o fc h a n g eo fs k i no p t i c a lp r o p e r t i e sw h e no p t i c a l c l e a r i n ga g e n t si m m e r s ei n t o d i f f e r e n tl a y e r so fs k i n ，w h i c hi sc o h e r e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w ed e f i n e da ni n d e xa st h em a t c h i n gd e g r e eo fr e f r a c t i v ei n d i c e st oe v a l u a t et h e c h a n g eo fp e n e t r a t i n ga b i l i t yo fl i g h ti n t os k i nb e c a u s eo fo p t i c a lc l e a r i n ga g e n t s ， w h i c hi sp r o v e dt ob es u c c e s s f u l ( t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n te q u a l st oo 9 9 3 ) i nt h e e n d ，w eg a v et h ep r o t o c o la b o u th o wt os e l e c to p t i c a lc l e a r i n ga g e n t sf o rc l i n i c a lu s e t h et h e s i sp r i m a r i l yi n v e s t i g a t e dh o wt oq u a n t i t a t i v e l yc o n t r o lt h ec h a n g eo ft h e o p t i c a lp r o p e r t i e so f s k i nt o p i c a l l ya p p l i e dw i t ho p t i c a lc l e a r i n ga g e n t s ，w h i c hc a nb e u s e dt oe s t i m a t et h eo p t i c a lc l e a r i n ge f f e c to fs k i nw i t ho p t i c a lc l e a r i n ga g e n t s i tc a n b ea l s ou s e dt oc o n t r o lt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fs k i nq u a n t i t a t i v e l y k e yw o r d s ：t i s s u eo p t i c a l p r o p e r t i e s ，q u a n t i t a t i v ec o n t r o l l i n g ，o p t i c a l c l e a r i n gt e c h n i q u e ，o p t i c a lc l e a r i n ga g e n t s ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓长叉乒 签字日期：沙p 莎年多月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒饫丈乒 导师签名： 签字日期；冽彦年石月广日 铅叮疋 签字日期：獗猕月日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 近年来，越来越多的研究者致力于研究光学技术在医学成像和诊疗中的应 用。光学技术是利用生物组织的固有光学特性，如光的散射、吸收、偏振和荧 光等获得生物组织内部的信息，从而进行诊断和治疗，具有无损伤、快速、实 时检测等特点h j 。 当前，医学领域中光学技术的研究热点之一集中在人体血糖无创伤检测， 以及应用光学相干层析技术( o c t ) 的组织光学成像等。无创血糖检测方法的 建立对于消除糖尿病患者抽血测量的痛苦，增加血糖测量频率，精确控制血糖， 具有非常重要的现实意义。另一方面，近年来兴起的o c t 成像技术可以实现对 活体组织的无辐射、无损伤及实时的探测成像，不仅能够提供组织的结构信息， 还能提供组织的功能信息。但是生物组织复杂的光学特性及其浑浊背景使得光 穿透其深度非常有限，影响了组织内部深层信息的获得，从而限制了光学技术 在生物医学领域趋向实用化。 近几年兴起的组织光学清透技术，通过引入生物兼容高渗制剂，改变生物 组织体和基质的光学特性，可以在不改变组织的生理构成和器官功能的同时， 减弱目标组织的浑浊背景，增加光的穿透深度并提高图像的对比度【2 】，为光学 技术在医学成像和诊疗中的应用带来了新的契机。然而目前对该技术的研究仍 处于通过实验定性地评价高渗制剂应用于生物组织的清透效果，尚未出现关于 高渗制剂的应用剂量、与生物组织部位相关性等的定量研究。 因此，研究如何利用该技术改变生物组织的光学特性及定量控制组织光学 参数，增加光在生物组织中的穿透深度，获得组织内部，尤其是皮下各层、血 管层等深层的丰富信息，最终提高无创血糖检测精度以及o c t 成像技术的探测 深度，促进光学技术在临床医学中的应用具有重要的意义。 本课题组在国家自然科学基金( n o 3 0 6 0 0 1 2 6 n o 3 0 7 0 0 1 6 8 ) 的支持下，依 托徐可欣教授带领的生物光学研究所，与俄罗斯莫斯科大学生物光学研究组等 有合作关系，具有良好的阶梯人力资源结构和先进的仪器设备。作为整个课题 研究的一部分，本论文主要针对如何定量控制组织光学参数进行初步研究。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及进展 1 9 9 5 年，俄罗斯学者v a l e r yv b a k u t k i n 掣剐通过施加t r a z o g r a p h ( 一种2 ， 4 ，6 三碘代苯酸的衍生物) 清透剂来控制巩膜的光学特性以解决巩膜对激光束 的衰减，从而开创了光学清透这一新的技术领域。这一发现在基于光的成像、 医学诊断和治疗领域体现了巨大的发展潜力，吸引了世界各地的学者加入到相 关的研究。组织光学清透是通过引入生物兼容的高渗制剂，改变生物组织的光 学特性，对生物组织进行了一定程度的清透，从而达到降低其散射效应，提高 生物组织的透明度，增强光在组织中的穿透深度的效果。 当前组织光学清透技术是国际上研究热点之一，主要研究者集中在美国 o r e g o nh e a l t ha n ds c i e n c e 大学( 原英国c r a n f i e l d 大学) 的r u i k a n gw a n g ，美国 t e x a s 大学的a j w e l c h ，俄罗斯s a r a t o v 大学的v v t u c h i n ，华中科技大学骆清 铭，深圳清华大学何永红，天津大学蒋景英以及浙江理工大学徐向群等。研究 内容主要集中在；清透剂的选择及不同结构生物组织的应用；光学清透效果的 评价方法两个方面。 1 清透剂的选择及不同结构生物组织的应用 研究者先后对多种高渗制剂，如甘油 4 1 ( g l y c e r 0 1 ) 、丙二醇f 4 】( p r o p y l e n e g l y c 0 1 ) 、二甲基亚砜【7 1 ( d m s o ) 、葡萄糖5 1 ( g l u c o s e ) 和右旋糖6 1 ( d e r a n ) 、 油酸【7 】( o l e i ca c i d ) 以及噻酮【8 】( t h i a z o n e ) 等应用于生物组织进行了研究。 t u c h i n 【9 】在实验的基础上做了理论与计算机模拟的研究，分析了人体巩膜在 清透剂t r a z o g r a p h 、葡萄糖和聚乙二醇的作用下光学特性的改变，并首次应用 米氏理论和蒙特卡罗模拟来定量地分析这种改变。 徐向群等【1 0 】做了关于不同结构生物组织光学清透作用效果的比较。利用光 学相干层析成像术( o c t ) 和近红外光谱( n i r ) 对肌肉组织( 猪骨骼肌) 和上 皮组织( 猪胃粘膜) 经丙三醇处理后的光透明效果进行了比较研究。结果表明 结构不同的生物组织的光学清透效果存在差异，提出了研究清透剂在不同生物 组织中的渗透过程和清透效果的差异的必要性。 r u i k a n gw a n g 1 1 等研究了甘油作用于胃组织时水分丢失对清透效果的影响， 证实了组织失水与光学清透的相关性；同时研究了两种高渗制剂d m s o 和甘油 的混合溶液对猪的胃组织光学清透的协同效应，实验证明d m s o 能有效增强甘 油的光学清透效果，以及混合制剂在促渗速度、清透效果方面具有可行性。 由于d m s o 作为促渗剂时可能对生物组织存在一定毒副作用，它的应用在 临床上引起争议，蒋景英等选择高效、无毒促渗剂油酸、噻酮并应用于离体和 第一章绪论 活体皮肤组织光学清透的研究中【1 2 1 ，结果表明，油酸和噻酮作为促渗剂时有着 与d m s o 相似的清透效果l 刀，具有广阔的应用前景。 2 评价光学清透效果的方法研究 目前，光学清透的价值已通过不同的方法得到证实。这些方法主要有积分 球技术、o c t 成像、光谱测量法、c c d 直接成像评价和通过测量透皮阻抗评价 皮肤渗透性的方法等。 1 ) 积分球技术 组织光学参数是生物组织光学特性的衡量指标，包括吸收系数、散射系数、 以及各向异性因子。蒋景英 1 2 l 等利用积分球技术测量得到噻酮应用于皮肤组织 后的漫反射率v r 、漫透射率v t 和准直透射率v 。o ，再根据生物组织中特定的光 子传输理论逆倍增法( i n v e r s ea d d i n gd o u b l i n g ，l a d ) ，进一步确定吸收系数和 散射系数，结果表明皮肤组织经高渗制剂处理后其光学参数发生了变化。积分 球技术包括单积分球技术和双积分球技术。 2 ) 光学相干层析( o c t ) 成像技术 光学清透技术其中的一项应用就是提高光学相干层析成像技术的成像深度 和对比度。同时，o c t 也可以作为评价光学清透效果的一种方法，可以直接观 察组织光学清透在纵向的效果，获得组织的断层成像以及厚度。何永红【1 3 】等利 用o c t 技术，测量了清透过程中不酮测量深度下组织的散射特征的变化，实验 证明了光学清透可以有效地增加光子的穿透深度，并改善成像质量。 3 ) 光谱测量法 常用的光谱测量仪器有傅立叶变换红外光谱仪( f t i r ) ，衰减全反射傅立 叶红外光谱仪( a t r f t i r ) 等。在光学清透研究中，利用光谱仪可以测量生物 组织随时闻变化的透射光谱，从而可以评价清透剂对生物组织光学特性的作用 效果。蒋景英【1 4 1 等应用f t i r 光谱成像技术实时监测了高渗制剂渗透进入皮肤 进行了研究，结果表明将f t - i r 光谱成像技术应用于监测制剂渗透进入生物组 织的可行性和应用前景。 4 ) c c d 直接成像 c c d 也是一种常用的定性评价光学清透的方法。实验中通常利用c c d 来观 察实验样品在施加清透剂前后以及随时间的透明程度变化。r u i k a n gw a n g 1 5 等 在光学清透实验中采用c c d 成像方法对经甘油处理的皮肤组织进行了间隔为1 分钟的成像，根据放置于皮肤样品下面的负u s a f 分辨率样板的清晰度，可以 看出在应用高渗制剂3 0 分钟后皮肤浑浊度的明显降低。 5 ) 透皮阻抗( t r a n s d e r m a ls k i nr e s i s t a n c e ，t s r ) 测量 第一章绪论 通过测量光学清透过程中组织样品两侧阻抗的变化可以反映组织通透性的 变化，还可以了解高渗制剂对组织屏障作用的影响。r u i k a n gw a n g 7 等利用这 一系统对皮肤组织两侧的阻抗变化进行了测量，经高渗制剂甘油处理后的皮肤 组织t s r 得到降低，进一步说明了高渗制剂对皮肤组织通透性改变，增加渗透 速率起到了至关重要的作用。 6 ) 组织质量亏损 蒋景英【1 5 】等采用一台精密天平( b p l l 0 s ，s a r t o r i u sagg o i - i i n g e n ，g e r m a n y ) 对使用制剂前后的样品称重，实验结果表明组织经高渗制剂处理前后的质量变 化大小与制剂浓度、清透效果的相关性。 在实际研究过程中，通常要同时运用多种测量方法来综合评价光学清透的 效果，或者将几种方法结合起来应用，例如将激光光谱与双积分球技术结合起 来，可以测得连续光谱的组织光学参数。 总的说来，上述研究多是从实验角度，验证了各种制剂应用于生物组织后 引起的清透效果，并进行初步推断：高渗制剂的引入增强了组织对光的透明度， 这种推断仅仅还是停留在对实验结果的总结和定性解释，并未给出一套系统的 控制高渗制剂应用剂量、引起组织毒副作用以及不同组织部位应用何种制剂后 能达到最佳清透效果等可以在实际应用中进行操作的方法，即尚未见到从定量 控制组织光学参数的角度入手，进一步阐述织光学清透的机制，本研究主要内 容，即通过深入探讨皮肤角质层的屏障机理、清透剂渗透进入皮肤的过程、以 及清透剂对皮肤组织光学特性的改变等过程，初步建立定量控制组织光学参数 的方法。 1 - 3 本文的研究内容及结构安排 本课题在当前研究的基础上，通过深入探讨皮肤角质层的屏障机理，高渗 清透剂渗透进入皮肤的过程，以及清透剂对皮肤组织光学特性的改变等过程， 初步建立定量控制组织光学参数的方法。各章节具体内容安排如下： 1 ) 第一章为绪论部分。首先总结了本课题研究的目的及意义；然后总结 了此研究领域的国内外研究进展，在此基础上确定了本文的研究内容。 2 ) 第二章介绍了定量控制组织光学参数所涉及到的理论基础。首先介绍 了皮肤组织的组成结构以及角质层的屏障原理，并给出清透剂经皮渗透遵从的 扩散原理；然后讨论了皮肤组织的光学特性；最后，介绍了第四章要用的蒙特 卡罗模拟方法。 第一章绪论 3 ) 第三章具体阐述了组织光学参数定量控制的方法。通过建立渗透模型 与光学模型，将光学清透过程分为两个部分：清透剂的经皮渗透过程和对皮肤 光学参数的改变过程。前者可归为流体力学的范畴，通过简化的“砖墙”模型， 研究清透剂在角质层中的渗透；后者为组织光学的范畴，通过建立皮肤的”七层” 光学模型，定量描述具有高折射率的清透剂引起皮肤组织的折射率匹配、增加 光的穿透深度的过程。最后定义了折射率匹配度这一概念，来评价清透剂对皮 肤组织的光穿透能力的改变。 4 ) 第四章从实验和仿真的角度验证了模型。首先应用傅立叶红外光谱仪 研究了离体猪皮组织的光学清透、不同浓度光学清透效果的对比；然后通过蒙 特卡罗模拟方法，定量描述了清透剂渗透进入皮肤各层引起的皮肤光学参数的 变化过程。 5 ) 第五章为全文进行了最后的总结，并根据研究过程中遇到的问题提出 了下一步研究的展望。 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 定量控制组织光学参数的研究涉及到很多学科领域，如组织的组成结构， 化学分子在组织中的扩散动力学，生物组织的光学特性等。本章以皮肤组织为 代表介绍了定量控制皮肤组织光学参数所涉及到的理论基础。 2 1 人体皮肤的结构及角质层的屏障作用 2 1 1 皮肤的结构 无论从重量还是面积来看，皮肤都是人体最大的器官口“。成人皮肤面积 1 8 ”2o m 2 ，厚度0 5 ”4 r a m ，皮肤的重量约为4 公斤，大约占体重的s ，若包 括皮下组织则可达体重的1 6 。它覆盖了整个人体，是使体内组织器官同外界 隔开的第一道也是最重要的屏障。 皮肤由表皮( e p i d e r m i s ) 、真皮( d e r m i s ) 和皮下组织( s u b c u t a n e o u s t i s s u e ) 三部分组成，还有汗腺、皮腊腺、毛囊等附属嚣。表皮由内向外可分为五层， 即基层、棘层、粒层、 透明层和角质层，如图 2 1 所示，其中表皮中 的角质层性质与其他各 层有较大差异，是清透 剂经皮渗透的主要屏障 而表皮的其他四层统称 为活性表皮。 下面分别介绍皮肤 各层的结构组成。 1 表皮 表皮本身是个复杂 的多层膜，厚度变化从 00 6 r a m ( 眼睑) 到 08 r a m ( 手掌和脚掌) 圉2 - 1 皮肤结构彩图 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 表皮不含血管，它是由一系列演变的角质层构成的上度组织。这些组织的细胞 不断的自下而上生长变化形成新的角质层表面，可以很明显地被分成四层，即 基底层，棘层，颗粒层和角质层，如图2 - 2 所示。 目 图2 - 2 表皮结构示意圈 1 ) 基底层 基底层是表皮最底层，只是一列基底细胞，胞质少而胞核浓染，各细胞排 列成栅状，与表皮、真皮连接线成垂直。基底层的细胞与体内其它组织的相似， 包含典型的细胞器官，如线粒体和核糖体。除此之外，基底层还含有大约1 5 的其它性质的细胞，如m e r k e l 细胞，长柱状细胞和黑色素细胞等等，这些细胞 物质对光有强烈的吸收作用。 2 ) 棘层 基底细胞不断增殖，形成棘层细胞，一般约排列4 8 层，在刚离开基层时， 尚略带柱状，随即变扁平，细胞变大，核变小，核质浓缩，核仁清楚，细胞间 的桥粒很突出，像棘突一样，故称棘层。 3 1 颗粒层 颗粒层厚度约1 3 层细胞，包含分解细胞成分，如细胞核和线粒体的酶。 透明角质颗粒是组成粒层的主要成分，电镜下呈致密的无定形颗粒的蛋白质， 其中一种富含组氨酸的蛋白质是角质层碱性蛋白的前身。透明角质颗粒沉积在 张力原纤维束( 角蛋白细丝) 内和周围，粒层细胞越接近于角质层，颗粒越大， 越多。 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 4 ) 透明层 只在掌、跖处可见。 5 ) 角质层 角质层是表皮细胞分化的最后产品，由1 5 2 0 层扁平的角层细胞组成，最 外面2 “3 层易脱落细胞约0 5 9 m 厚，3 0 “4 0 t l m 宽，自下而上互相堆垒。同一层 相邻细胞互相交错，连接处形状不规则。细胞膜有两层，外层为细胞质膜，内 层为细胞套膜，两层共厚约2 0 n t o 。角质层组成大约为：7 0 蛋白质，1 5 水和 l s j b 质。角质层调节人体水分丢失，同时阻止外界有害物质的入侵。角质层 是清透剂经皮渗透的主要屏障。 2 真皮 真皮位于表皮和皮下脂肪组织之间，厚约1 2 m m ，是皮肤的主要组成部分。 主要由结缔组织构成，含有胶原纤维、弹力纤维、网状纤维和无定形基质，是 一层厚密的不规则的组织。它要比表皮厚很多，它含有延伸的脉管系统，神经 原，平滑肌，和毛细血管末梢。真皮层一般分为两部分即上部的乳头层和下部 的网状层。乳头层组织疏松，胶原纤维较细，向各个方向及乳头分布，并有浅 层血管网和淋巴管网及神经末梢；网状层组织紧密，胶原纤维较粗而密，绕以 弹力纤维，排列与皮面平行。 在清透剂经皮渗透中，真皮层被看作本质是凝固的水，因此对大多数极性 分子的传输障碍最小，但是对于传输高亲脂性分子，障碍可能很大。 3 皮下组织 皮下组织是一种疏松的组织，并含有大量的脂肪细胞。它也含有皮肤内的 血管。许多皮肤附属物延伸到皮下组织，当表皮受到损伤，它们可以做角蛋白 的补充。在身体的大部分地方，皮下组织厚度可达几毫米。但也有些组织没有 皮下组织，例如眼睑。 4 皮肤附属器 皮肤附属器包括毛囊、汗腺、皮脂腺，约占皮肤面积的0 0 1 “0 1 。 2 1 2 角质层的性质及其屏障作用 在清透剂经皮渗透中，首先遇到的也是最主要障碍是角质层。这是由于角 质层自身的物化性质决定的。 角质层细胞中充满由张力原纤维组成的不溶性二硫化物链交叉结合的纤维 性蛋白质复合物一一角蛋白和无定形物质。角蛋白是由角蛋白细丝演变而来， 电镜下由深染变成角层细胞的浅染，被染色较深的基质围绕，形成典型的? 角 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 蛋白模式”。其组成也发生变化，由多肽链组成，分子量4 0 0 0 0 “7 0 0 0 0 ，角朊 细胞中的角蛋白丝富含巯基，到达角层后变为二硫键，因而对各种化学因素有 高度的耐受力。无定形基质称为角层碱性蛋白，富含组氨酸，能促进角蛋白细 丝聚集成束，故又称细丝聚集束，其前体是透明角质颗粒中富含组氨酸的蛋白 质；另一结构蛋白为套膜蛋白，它形成蛋白质的共价交叉结合膜，以增强角层 细胞膜的坚韧性，所以，角质层细胞中角蛋白丝紧密交织成网状，包埋于无定 形的基质中。 角质层中的角蛋白细胞在角质层中交替间隔排列，角蛋白细胞的成分主要 是水溶性蛋白物质，因此对于水溶性清透剂比较易于从角蛋白细胞中渗透通过。 同时，在角蛋白细胞的周围，包围了成空间网状结构的脂质体。这些脂质体的 特点是亲脂性远远大于亲水性。因此，对于大多数脂溶性大分子，其渗透通过 角质层的通道主要是在角蛋白细胞间的脂质体内。 人类角质层的细胞外脂质主要由几种不同的极性脂质组成：神经酰胺 ( c e r a m i d e s ，5 2 ) 、胆固醇( c h o l e s t e r o l ，2 0 ) 和游离脂肪酸( f a t t ya c i d ， 2 2 ) 。另有研究证明，人类角质层脂质中有超过1 3 的含有2 2 个碳原子以上 的碳链结构【1 8 】( 相对于普通细胞膜中的1 6 1 8 个碳原子) 。如图2 3 所示为人 c e r a m i d e5 o h c e r a m i d e8 图2 - 3 人类角质层中主要神经酰胺的分子结构 第二童定量控$ _ | 组织光学参数的理论基础 娄角质层中占有半数以上的神经酰胺的8 种不同的分子结构。可咀看出，这些 分子有一个共同的特点，就是都由两部分组成：亲水性的极性头基和亲腊性的 长碳链。当与水接触的时候，物理力的作用将使分子的亲水性部分和亲脂性部 分产生一个相分离”“，即亲水性基团朝向水环境把亲脂性的长碳链与周围的 水环境分离开来。而不管细胞内还是细胞外都是水性的环境，因此就形成了脂 质双分子层结构。如图2 - 4 所示。 圄2 4 脂质双分子屡结构示意图 构成双分子层的细胞间脂质在体温下排成高度有序的多重脂质双分子层结 构，角蛋白细胞镶嵌于其中，井有细胞桥粒相连，如图2 - 5 所示。这种有序排 列的结构以及长碳链使水很难通过角质层。同时，角质层这种特殊的结构对外 界化学物质构成有效的屏障作用，特别是高度极性和高度非极性的分子，因为 这些分子在穿透的过程中要通过极性相反的环境。同时具有亲永性和亲腊性的 分子，像d m s o 和丙二醇，具有较小的通透阻力，但是也要受到长碳链的阻碍。 嚣： - j e * 图2 - 5 脂质双分子层在角质层的有序排列 鲤 、唇f爹 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 综上所述，角质层是由角蛋白细胞和细胞间脂质组成，体积较大的角蛋白 细胞镶嵌在脂质构成的多重双分子层结构当中，构成“极性一非极性”交替排列 的致密结构。角质层的这种特殊结构被描述为“砖墙”模型：角蛋白细胞镶嵌 在脂质双分子层构成的的“臼”里面1 1 9 1 ，前者似砖墙结构中的砖块，后者则似 填充于砖块间并黏着砖块的水泥灰浆，如图2 - 6 所示。角层细胞扁平，呈六角 形，彼此交错排列，堆叠成垂直柱状。而细胞问脂质实际上是形成高度有序排 列的脂质双分子层，类脂分子的亲水部分由脂肪酸、胆甾醇、神经酰胺以及神 经酰胺糖苷元等的亲水性基团组成。这些亲水性基团自身整齐排列成亲水性的 极性头区，同时结合水分子形成水性区，而类脂分子的碳氢链形成双分子层的 疏水区。角化细胞中含5 0 的水，宽约3 0 9 m ，厚约l l x m ，两层角化细胞间脂 质片层厚度为5 0n m ，大约有1 0 个双分子层。所以，角质层这种特殊的砖墙结 构决定了角质层是清透剂经皮渗透的主要屏障且其中的脂质起着主要的作用。 神 2 0 n m 一l pn pp 图2 - 6 角质层“砖墙”结构示意图 p ：极性区；n p ：非极性区；p s c ：角质层的通透性 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 2 2 扩散原理 化学清透剂经皮肤渗透是一个被动扩散过程，和透皮给药的过程相似。 皮肤可看作是一种特殊的膜，清透剂渗入皮肤的过程一般认为符合菲克扩散定 律。 菲克扩散定律描述渗透试剂的浓度在膜中扩散的空间分布以及随时间的变 化规律。菲克第一定律描述扩散通量同浓度梯度的关系，认为试剂在单位面积 上的流量与浓度梯度成正比： a c j = 一d 石 ( 2 1 ) 式中，j 表示单位面积上物质流量，c 为扩散试剂浓度，x 为空间坐标，d 为扩散系数( c m 2 s ) 。 根据质量守恒定律，可进一步推导出菲克第二定律。菲克第二定律表述扩 散过程中试剂浓度随时间的变化： a c a a c x a z c 瓦2 赢k a x 1 - d a x 2a ta x 一 ( 2 2 ) 引入恰当的扩散边界条件可以解这个方程。最简单的边界条件是： 在x ：0 时，c = c 0 在x ：l 时，c = 0 c 0 为扩散试剂的浓度，对于饱和系统，其值不随时间变化；l 为扩散的膜 厚度。再结合t ：0 时c = 0 ( o x o 表示散射前向占优，而g o 表示散射后向占优。 - 吖 o ：_ 吖i ! 一丫 l卜_ 二芦v g = - i - l ( g ( o g = oo ( g ( 1g = l 图2 7 不同g 值时的散射 生物组织体中的光传输通常具有前向占优特性，其典型平均散射角余弦为 g = o 7 ”0 9 9 。一般地将，瑞利散射通常只发生在细胞组建内部，如胶原纤维的 散射。对于大多数细胞结构，如线粒体( 尺寸为0 5 “2 “m ) 或黑色素( o 1 2 u m ) ，其 尺度范围和常用的生物医学用光波长相比拟，因此从结构尺寸来讲线粒体和黑 色素发生的是米散射。 2 3 2 朗伯一比尔定律 在均匀介质中，光的吸收遵循朗伯比尔定律。该定律阐述的是，对于将吸 光物质溶解于非吸光性介质的溶液，吸光度a 正比于溶液中吸光物质的浓度c ( 单位为r e t o o l l ) 或吸收系数( 单位为m m d ) ，也正比于光程长2 ( 单位为 m l t i ) ，有： a = l n 嗍= 州= c f ( 2 - 1 2 ) 式中，i o 与1 分别为入射光强与出射光强，( 的为吸光物质的摩尔吸光系数 ( 单位为( m m o l l ) d m m 。1 ) ，猿示波长。 利用朗伯一比尔定律，我们可以测得不同浓度清透剂的吸收系数。假设清透 剂的吸收系数为。a ，背景的吸收系数为。，光通过清透剂和背景的出射光 强分别为i o a 和i b g ，入射光强为i o 。根据朗伯- 比尔定律，有 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 n 嘲孔垤z ，n 嘲= z 两式相减，可得清透剂的吸收系数为 毗= 扣嘲饥。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 用f t i r 光谱仪可分别测得清透剂和背景的出射光强，如果已知背景的吸收 系数，则可求得清透剂的吸收系数。本文中我们用纯水来做背景，求得甘油溶 液和葡萄糖溶液的吸收系数。 2 - 3 - 3 用于皮肤简化模型的光学参数的估算 在皮肤中，含有多种多样的吸收和散射粒子，分布在皮肤的各层。皮肤在 整体上表现为散射的各向异性，但是如果按照吸收粒子和散射粒子的分布特点， 我们可以把皮肤进一步划分成更薄的层，在每一层近似认为皮肤是均匀的。按 照这样的划分，在每一层皮肤的吸收和散射由几种主要的吸收粒子和散射粒子 的性质决定。 根据s a i d i 的研究【2 2 1 ，经过简化的均匀皮肤层的吸收系数和散射系数可 以根据主要的吸收粒子和散射粒子的光学特性以及它们在皮肤层的总体积中所 占的比例来计算： 如= a i ”驴1j ：- - 一_ i = 1i = s j 即s ，= 1 j = 1j ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中，a i ，s j 分别是第i 种吸收粒子和第门- 呻散射粒子在均匀皮肤层中所占 的体积分数；，。分别是第f 种吸收粒子的吸收系数和第门呻散射粒子的散 射系数；m ，n 分别是均匀皮肤层中吸收粒子，散射粒子的种类。改变粒子的 m 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 种类或它们的体积分数都会对皮肤的光学特性产生影响。 2 4 蒙特卡罗模拟方法 蒙特卡罗方法( m c m ) 是一种统计模拟随机抽要的方法，已广泛应用于模 拟各种输运现象。若将散射介质中的光传播看成光子输运问题，那么随机模拟 蒙特卡罗方法就可以成功地研究光子在散射介质中的传播。 1 9 8 9 年p a t t e r s o n 将m c 方法运用到组织光学领域，用m c 方法研究光子 在组织中的传输问题。m c 方法在双层和多层生物组织中的传播特性，以及生 物组织的空间分辨漫散射特性研究中得到了广泛的运用。其中l i h o n gw a n g 等 人在1 9 9 5 年成功的编写了可在任何类型计算机上工作的m o n t ec a r l o 程序。 蒙特卡罗模拟光在组织中传输的基本思路为：应用吸收和散射现象来追踪 仿真大量光子在混浊介质中的传输过程，得到光在生物组织内部和表面的统计 分布规律。仿真过程中，将光子的两次碰撞之间的距离设置为对数分布，并且 用一个由计算机产生的随机数表示。对于吸收现象，模型中对每个光子首先给 定一个初始权重，并且该权重在光子的传输过程中持续地减小。对于散射现象， 通过给定相函数和另一个随机数选定一个新的传输方向。当光子从所考察的生 物组织的边界逃逸出去或者它的权重达到一个预定的截至阈值时，定义光子消 亡，整个仿真过程结束。 根据l i h o n gw a n g 等人的观点，一束无限细光束垂直入射组织表面的蒙特 卡罗模拟主要由以下几个步骤组成【2 3 】： 1 ) 根据入射条件确定起始跟踪点； 2 ) 确定光子运动的步长； 3 ) 确定光子行进的方向和下一次碰撞的位置； 4 ) 确定在该位置光子的吸收和散射部分； 5 ) 返回第三步，如此循环计算，直到光子权重小于某一设定值，或者光 子溢出生物组织上下表面时就结束对该光子的跟踪。 只要对足够多的光子不断重复1 ”5 步骤后，在计算机中就可得到一幅光子 分布图，并且储存在其中。这样，就可得到入射光子在介质中的最终位置分布， 并且得到从组织边界逸出光子的空间分布和角度分布。 本文第四章借助第三章建立的皮肤七层光学模型蒙特卡罗模拟方法，动态 仿真不同清透剂渗入皮肤各层时的皮肤光学特性，定量描述了清透剂对皮肤光 学特性的改变。 第二章定量控制组织光学参数的理论基础 2 5 小结 本章具体介绍了定量控制皮肤组织光学参数所涉及到的理论知识，包括皮 肤的组成结构以及角质层的屏障作用原理，清透剂渗入皮肤的扩散原理，皮肤 的光学特性以及用来动态仿真光在多层皮肤组织中的传播的蒙特卡罗模拟方法， 为下文定量控制组织光学参数方法的提出奠定了基础。 第三章组织光学参数定量控制的描述与评价 第三章组织光学参数定量控制的描述与评价 本章为全文的核心部分。从扩散和光学清透两个角度来建立定量描述清透 剂对皮肤光学特性改变的方法。扩散过程描述了清透剂的物化性质对经皮渗透 速率的影响；光学过程描述了清透剂对各层皮肤组织光学特性的改变。 3 1 渗透模型 3 1 1 清透剂经皮渗透的通透性研究 根据皮肤的结构