생물조직의 근적외선창

근적외선(NIR) 창(광학창 또는 치료창이라고도 함)은 빛이 조직에 최대 침투 깊이를 갖는 650나노미터(nm)에서 1350나노미터(nm)까지의 파장 범위를 정의한다.^[1]NIR 창 내에서 산란은 가장 지배적인 빛-문제 상호작용이며, 따라서 전파되는 빛은 빠르게 확산된다.산란하면 조직 내에서 광자가 이동하는 거리가 증가하기 때문에 광자 흡수 확률도 높아진다.산란은 파장에 대한 의존도가 약하기 때문에 NIR 창은 주로 짧은 파장의 혈액과 긴 파장의 물의 광 흡수에 의해 제한된다.이 창을 사용하는 기술을 NIRS라고 한다.형광 투시 영상 유도 수술과 같은 의료 영상 기술은 심층 구조를 감지하기 위해 NIR 창을 사용하는 경우가 많다.

조직 성분의 흡수 특성

흡수 계수(${\displaystyle {\mu a}_{}}$ a$μa-displaystyle \mu_{a$ )는 단위 경로 길이당 조직에서 광자 흡수 확률을 정의한다.^[2]$조직$ 성분에 따라 $μa$의 값이$$ 다르다$.$더욱이 ${\displaystyle {\mu a}_{}}$ a ${\$는 파장의 함수다.아래는 조직에서 가장 중요한 색소체의 흡수 특성이다.${\displaystyle }$ 소멸 계수( ( ${\$)는 조직에서 광자 흡수를 설명하는 데 사용되는 또 다른 매개 변수다.$\epsilon {\displaystyle }$ ${\$에 어금니 농도와 ln(10)을 곱하면 by ${\$$displaystyle \varepsilon$ $\,}$을(를$)$로 변환할 수 있다$.$

피

피는 두 종류의 헤모글로빈으로 구성된다$:$ 옥시헤모글로빈(${\displaystyle \mathrm{Hb}}$ ${\displaystyle {O\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$은 산소와 결합되어 있고, 데옥시헤모글로빈$($${\displaystyle \mathrm{Hb}}$ ${\displaysty Hb})$은 산소와 결합되어 있지 않다.이 두 가지 다른 유형의 헤모글로빈은 그림 1과 같이 어금니 소멸 계수의 측면에서 일반적으로 표현되는 서로 다른 흡수 스펙트럼을 나타낸다.Hb의 어금니 소멸계수는 420nm에서 가장 높은 흡수 피크를, 580nm에서 두 번째 피크를 가진다.그리고 나서 그것의 스펙트럼은 빛의 파장이 증가함에 따라 점차적으로 감소한다.반면 $H{\displaystyle }$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle \mathrm{O}}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle HbO2$}은$($는) 410nm에서 가장 높은 흡수 피크를 보이고$$, 2차 피크는 550nm, 600nm에서 나타난다.광 파장이 600nm를 지나면서 H ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ ${\$회$$ 흡수 속도가 Hb 흡수 속도보다 훨씬 빠르다.$H{\displaystyle }$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle Hb}$과(${\displaystyle 와}$) ${\displaystyle {H\mathrm{}}_{}}$ b$$O 2 {\$displaystyle HbO_{2}}$개의 어금니 소멸 계수$$ 스펙트럼이 교차하는 지점을 Isosbemic 지점이라고 한다.

두 개의 다른 파장을 사용함으로써 다음 방정식과 같이 옥시헤모글로빈(${\displaystyle {}_{}}$ H ${\displaystyle b_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{O}}_{}}$ 2 ${\$과 데옥시헤모글로빈(${\displaystyle {}_{}}$ H ${\displaystyle b_{}}$ ${\$의 농도를 계산할 수 있다.

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{1}=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{1})\{Hb},}$

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{2})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{2})+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{2},},},},},},})\},\},}$

Here, ${\displaystyle \lambda _{1}}$ and ${\displaystyle \lambda _{2}}$ are the two wavelengths; ${\displaystyle \varepsilon _{HbO2}}$ and ${\displaystyle \varepsilon _{Hb}}$ are the molar extinction coefficients of ${\displaystyle HbO_{2}}$ and ${\displaysty$$Le Hb$ C$$ ${\displaystyle {\mathrm{Hb}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{O}}_{}}$ ${\displaystyle 2_{}}$ ${\$ C $Hb{\displaystyle }$ ${\$${Hb$$}}}$는 조직$$ 내 ${\displaystyle \mathrm{Hb}}$ ${\displaystyle {O\mathrm{}}_{}}$ 2$${\$displaysty Hb}$의 어금니 농도다$.$산소 포화(${\displaystyle }$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ ${\$는 다음으로 계산할 수 있다$.$

${\displaystyle SO_{2}={\frac {C_{HbO2}}:{C_{Hb}+C_{HbO2}}:$

물

가시광선 범위에서는 물이 거의 투명하지만, 근적외선 영역에서는 물이 흡수된다.물은 인체 조직에서 농도가 높기 때문에 중요한 성분이다.250~1000nm 범위에서 물의 흡수 스펙트럼은 그림 2에 나와 있다.비록 흡수가 이 스펙트럼 범위에서 다소 낮지만, 그것은 여전히 조직의 전반적인 감쇠에 기여한다.

조직의 총 흡수 스펙트럼에 대한 기여도가 낮은 다른 조직 구성 요소는 멜라닌과 지방이다.

멜라닌

멜라닌은 유해한 자외선으로부터 보호를 담당하는 피부의 인간의 표피층에 존재하는 색소포레이다.멜라닌세포가 태양 방사선에 의해 자극을 받으면 멜라닌이 생성된다.^[7]멜라닌은 일부 생물 조직에서 빛의 주요 흡수제 중 하나이다(다른 성분보다 기여도가 작지만).멜라닌에는 흑갈색의 유멜라닌과 적황색의 페오멜라닌 두 종류가 있다.^[8]두 가지 유형에 해당하는 어금니 소멸계수 스펙트럼은 그림 3과 같다.

뚱뚱하다

지방은 조직의 10~40%를 차지할 수 있는 조직의 주요 성분 중 하나이다.많은 포유류 지방 스펙트럼을 사용할 수는 없지만, 그림 4는 돼지 지방으로부터 추출한 예를 보여준다.^[9]

조직 성분의 산란 특성

광학적 산란은 세포막에서 전체 세포에 이르는 서로 다른 조직 성분의 굴절률 불일치로 발생한다.세포핵과 미토콘드리아는 가장 중요한 산란자들이다.^[11]치수는 100nm에서 6μm까지 다양하므로 NIR 창 안에 들어간다.이들 오르가넬의 대부분은 미에 정권에 속하며, 비등방성 전방 방향 산란 현상을 보인다.^[12]

생물조직의 빛 산란계수는 단위 경로 길이당 조직에서 광자가 산란할 확률로 정의되는 산란계수($$${\displaystyle {\mu s}_{}}$ ${\$로 나타낸다.^[13]그림 5는 산란 스펙트럼의 그림을 보여준다.^[14]

유효감쇠계수

깊은 생물 조직에서 빛의 감쇠는 다음과 같이 정의되는 유효 감쇠 계수(${\displaystyle {\mu e}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\$에 따라 달라진다.$$

${\displaystyle \mu _{\text{s}}={\sqrt {3\mu _{a}(\mu _{a}+\mu '_s}}}}}}}}}}$

여기서 ${\displaystyle {\mu s}_{}^{}}$μs${\$'_{$s}}$은(는) 다음과 같이 정의된 이송 산란 계수다.

${\displaystyle \mu '_{\text{s}}=\mu _{s}(1-g)\,}$

여기서 $g{\displaystyle }$ ${\displaystyle g}$은(는) 생물학적 조직의 비등변성(anisotropy)이며$$, 대표 값은 0.9이다.그림 5교통λ− 0.7{\displaystyle\lambda \,^{-0.7}의 파장을 중독되어 있는 플롯 유방 조직에 계수 스펙트럼 산란,}깊이 d에 가벼운 감쇠를 결정하는 .[15]그 실효 감쇠 계수는 지배적인 요소{\displaystyle d}≫ 1/μ 성교하다{\displaystyle을 보여 준다. \mu$_{\text$

조직 내 NIR 창 추정

NIR 창은 흡수 계수 스펙트럼 또는 유효 감쇠 계수 스펙트럼에 기초하여 계산할 수 있다.NIR 창을 선택하기 위한 가능한 기준은 그림 7과 같이 이러한 스펙트럼의 역에 대한 FWHM에 의해 제시된다.

헤모글로빈의 총 농도와 더불어 산소 포화도 조직 내 옥시와 디옥시헤모글로빈의 농도를 규정하여 총 흡수 스펙트럼을 규정한다.조직의 종류에 따라 다른 상황을 고려할 수 있다.이하에서는 헤모글로빈의 총농도가 2.3 mM으로 가정한다.

동맥의 흡수 스펙트럼

이 경우 $S{\displaystyle }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ $displaystyle SaO_{2}\,}$ ≈$$ 98%(동맥 산소 포화도).그런 다음, 옥시헤모글로빈은 그림 6 (a)와 같이 총 흡수(검은색) 및 유효 감쇠(마젠타) 계수 스펙트럼에서 우세할 것이다.

정맥의 흡수 스펙트럼

이 경우 $S{\displaystyle }$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ $displaystyle SvO_{2}\,}$ ≈$$ 60%(양진산소 포화)그런 다음, 옥시헤모글로빈과 데옥시헤모글로빈은 그림 6 (b)와 같이 총 흡수(검은색) 및 유효 감쇠(마젠타) 계수 스펙트럼에 유사한 기여를 할 것이다.

유방조직 흡수 스펙트럼

$S{\displaystyle }$ ${\displaystyle t}$ O ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ $displaystyle StO_{2}\,}($산소 포화현상)($또는{\displaystyle }$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle S}$I {\$displaystyle$ TSI$\,},($현상 포화지수)를 정의하려면 조직의 동맥과 정맥의 분포를 정의해야 한다.동맥혈 용적률 20%/80%를 채택할 수 있다.^[16]따라서 조직 산소 포화도는 $S{\displaystyle }$ t ${\displaystyle {O\mathrm{}}_{}}$ 2 $displaystyle StO_{2}\,}$ $$= 0.2 x S $a{\displaystyle }$ ${\displaystyle {O\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ $displaystyle SaO_{2}\,}$ $$+ 0.8 x $S{\displaystyle }$ v ${\displaystyle O}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ $displaystysty SvO_{2}\,},$ $$≈ 70%로 정의할 수 있다.

유방 조직에 대한 총 흡수(검은색) 및 유효 감쇠(마젠타) 계수 스펙트럼은 그림 6(c)에 나타나 있다.또한 유효 침투 깊이는 그림 7에 표시된다.

참고 항목

• 광학창
• 근적외선 분광법

참조