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1、华中科技大学 硕士学位论文 光透明剂对大鼠皮肤结构和功能的影响 姓名：胡亚婷 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：朱（艹丹） 20070527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 近红外光在生物组织中的高散射特性限制了其在组织中的穿透深度，从而影响 了近红外光子技术在疾病诊断与治疗中的应用，生物组织光透明技术的发展将有望 打破这一局限，使得光能进入更深的皮下组织，得到更多的皮下信息。但有关皮肤 光透明的研究仍停留在定性或半定量状况，且有关光透明剂对皮下血管功能的影响 则较少讨论。 本文的工作正是从以上两个
2、方面展开的： 利用双积分球技术研究不同浓度甘油对离体大鼠皮肤约化散射系数的影响，并 对其进行定量描述。发现高浓度的甘油能较迅速地降低皮肤的约化散射系数，而随 着浓度的降低这种影响会减小。这一结果同扩散方程与 Mie 理论的推导相吻合。 以在体大鼠皮窗为研究对象，监测甘油对皮肤光透明效果改变的同时，利用激 光散斑成像技术监测到甘油直接作用对大鼠皮窗血管血流的影响。结果表明，光透 明剂直接作用于血管，会引起血管血流的停滞，且这种影响和甘油的浓度相关，浓 度越大，血流速率受到影响下降的趋势越快，下降的幅度也越大。 进一步，对在体大鼠皮肤表面涂抹甘油，观测到了皮肤光透明效果的改变，成 像效果明显改善；
3、但其对皮肤血管血流的间接影响不同于直接作用的结果，间接作 用引起了皮肤血管血流的增加，这种影响和其浓度相关；浓度越大，血管流速增加 越快。 本研究对筛选安全有效的光透明剂提供了一种新思路。 关键词：关键词： 双积分球 约化散射系数 散斑衬比成像 大鼠皮窗模型 本研究由国家自然科学基金资助项目(60178028) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract NIR technology has been widely applied in disease diagnosis, but the penetration of
4、 light is restrained by highly scattering in the skin. Optical tissue clearing by hyper- osmotic chemical agents can reduce the scattering of skin and significantly increase light penetration depth, which benefits from obtaining deeper structural information of skin. However，the present study of opt
5、ical tissue clearing only provide limited information which is qualitative or half-quantitatively and the less attention is paid to the effect on the function of subcutaneous vessels in the optical clearing process. In this dissertation, we evaluate the potential role of optical clearing by glycerol
6、 from two aspects. Firstly, we investigate the effects of glycerol on structure and record the reduced scattering coefficient of skin by double integrating spheres system. In the experiment, the change of reduce scattering coefficient of skin is in direct proportion to the concentration of glycerol,
7、 which matches the theory exactly. Secondly, we investigate the morphological and functional effects of glycerol on blood vessels with laser speckle contrast imaging technology and model of hamster dorsal skin flap window. The results show that application of glycerol to the subdermis can result in
8、flow decrease and vessels stasis for high concentration. The improved white light imaging is detected from the subdermis when glycerol applied to the epidermal side. The effect of glycerol on vessels is also existed by the indirect application of glycerol. However, it is notable that the velocity is
9、 increased in this situation. The indirect effect is also proportion to the concentration of glycerol. The high concentration is, the more slowdown is. The study on the effect of optical clearing agents to the morphological and functional of skin provides a new break for selecting secure OCA. Key wo
10、rds : Double integrating sphere Reduce scattering coefficient Laser speckle contrast imaging Hamster dorsal skin flap window 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学
11、位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪
12、论 1.1 引言引言 生物组织光学是近年来随着光学和生物医学的发展而产生的一门新兴交叉学 科，可见光和近红外光（NIR）作用于生物组织时由于被组织吸收和散射，在通过组 织后会发生明显的变化，利用光学手段能实现对多种组织参数的获取，从而提供多 种有用的诊断信息。正是由于能够实现生物组织结构与功能的实时、无损检测，生 物组织光学成为光学界和生物医学界所讨论的热点之一1-3。 但是生物组织的高散射性，限制了光学方法检测的深度和精度，现有的很多光学 检测方法的探测深度都比较有限，怎样更好的得到更大深度的诊断信息成为许多学者 思考的问题。随着生理学和光学的发展，人们发现生物组织对光的散射是由其本身的 结
13、构所决定的，而活体生物的散射特性在各种物理方法如压缩4，拉伸5，脱水，凝固 6，紫外照射7，低温和化学方法作用下会发生改变。V. V. Tuchin 结合药物增透理论提 出了降低生物体散射系数，提高光学检测精度的新方法:光透明技术，即向生物组织内 引入生物相容性的化学试剂，即光透明剂（Optical Clearing Agent, OCA） ，使生物组织 的结构发生可逆的变化，以此来控制生物组织的光散射，从而提高光在生物组织中的 穿透深度8-10。这一方法为组织光学测量的发展带来了新的活力。 近年来，人们利用光学检测方法针对不同生物组织开展了广泛的研究，而光学 透明方法作为有效的辅助方法，也被
14、运用于越来越多的生物组织病变研究中。 激光手术治疗眼部疾病时，眼部组织的结构由于改性的作用变的更加的均匀， 这使得激光光束能更加的集中，从而使其可以更加精准的作用于病变组织，减少其 对眼部其它部分的伤害。同时在眼部层析成像过程中，选择性的使眼球上半部分透 明有助于更深层信息的获取11。Tuchin 研究小组利用频域和光谱分析方法对巩膜进 行了一系列的离体和在体研究，其结果表明，光学改性方法能够明显提高光束的透 过性，且在其辅助作用下，能够有效的去除眼部局部肿瘤。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 脑脊膜是一种典型的纤维组织，在脑
15、部的诊断和光动力治疗中，其透过性会明 显的影响诊断和治疗的效果，从一些使用了光透明剂的实验结果中可以看到12。滴 加甘油 1min 以后，血管目标变的更加明显，这正是由于光透明剂改变了脑脊膜的光 学特性，使得诊断和治疗的目标更加的清晰。 肠胃组织的光学研究在小型 OCT 出现之前并没有得到很大的发展，因为其位置 处于人体内部， 光学方法往往很难达到其所处深度， GJ.Tearney 等人将探测头做成导 管状，与内窥镜结合形成 OCT 导管式内窥镜，用于诊断冠状动脉硬化疾病。而后， 结合内窥镜的小型 OCT 技术也开始应用于肠胃病变的研究中。现在结合光透明方法 的 OCT 研究作用于 vitro
16、 方面的比较多，肠胃组织的组成不含死皮细胞，这使得其 黏膜的透过性大大增加，文献13-15指出利用 80%的 propylene glycol 处理后的胃组织 在 OCT 成像中能得到更深层组织的图像。 皮肤是现在光学透明研究的热点，因为其位于人体表面，易于探测，且皮下病 变的多样性和危险性使其临床应用的需求越来越大。 V.V.Tuchin 第一次结合皮肤研究 提出了光透明概念。其研究小组采用 40%葡萄糖溶液注射到真皮层，测得人体皮肤 表面反射光强度随时间的变化特性2， 结果表明反射光强在光透明剂作用以后有所下 降，因此，Tuchin 小组总结得出随着光透明剂向组织的扩散，会使得光能穿透的皮 肤深度逐渐增大，这种能控制生物组织光学特性的方法被称为光透明技术。随着皮 肤疾病临床检测需要的日益迫切，无损性光学方法结合光透明剂的光透明技术也将 俞显重要。 1.2 皮肤组织的光透明皮肤组织的光透明 1.2.1 皮肤结构皮肤结构 皮肤本身结构的复杂性导
