Τρίτη, 18 Ιουλίου 2017

Πως διαδίδεται η ακτινοβολία στο δέρμα μας;

Το φως προσπίπτει στο δέρμα και κατόπιν ακολουθεί σε κάθε στιβάδα ένα διαφορετικό μονοπάτι, ανάλογα με τη σύστασή της σε κύτταρα, ίνες & χρωστικές. Η δαιδαλώδης πορεία διάδοσής του γίνεται λόγω των φυσικών φαινομένων της απορρόφησης και σκέδασης. Τι ρόλο παίζουν η μελανίνη, η αιμοσφαιρίνη, οι ίνες κολλαγόνου;


Τι συμβαίνει στην επιφάνεια του δέρματος

Ένα μέρος του προσπίπτοντος φωτός, περίπου το 4 έως 7% της έντασής του, ανακλάται πρώτα στην επιφάνεια του δέρματος λόγω της διαφοράς στους δείκτες διάθλασης της κεράτινης στοιβάδας (~1.55) και του αέρα (~1,0). Οι τρίχες, που κατανέμονται σε όλη την επιφάνεια του σώματος εκτός από τις παλάμες των χεριών, τις πατούσες και το πάνω μέρος των ποδιών και τις κοιλότητες που καλύπτονται από βλεννογόνο, συμπεριφέρονται ως ισχυροί σκεδαστές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την ανακλαστικότητα του δέρματος. Οι λεπτές ρυτίδες παρατηρούνται στα επιφανειακά στρώματα του δέρματος. Κάνουν τη μορφολογία του δέρματος τραχιά και επομένως συμβάλλουν στην διάχυση του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια του δέρματος.


Ωστόσο, κατά τη δίοδό του το φως στο εσωτερικό του δέρματος, ακολουθεί τόσο μεγάλη πορεία αφού η διαμόρφωση του δέρματος δεν είναι απολύτως λεία και οι ανακλάσεις δεν ακολουθούν ακριβώς τις εξισώσεις του Fresnel.

Πώς διαδίδεται στην επιδερμίδα

Το υπόλοιπο του προσπίπτοντος φωτός, που δεν ανακλάται στην επιφάνεια του δέρματος, εισέρχεται στην επιδερμική στοιβάδα. Δεδομένου ότι η επιδερμίδα αποτελείται κυρίως από κύτταρα τακτοποιημένα έτσι ώστε να πραγματοποιούν εμπρόσθια σκέδαση (forwardscattering), με αμελητέο το ποσοστό πολλαπλών σκεδάσεων (multiplescattering). Και οι ίνες κερατίνης συμπεριφέρονται ως ισχυροί σκεδαστές. Αν και το μονοπάτι σκέδασης ενός φωτονίου δεν εξαρτάται από την πυκνότητα του αγγειακού δικτύου στις εσωτερικές στοιβάδες, ωστόσο, στις εξωτερικές δείχνει να μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του αίματος και αντιστρόφως, επιμηκύνεται με την μείωση του αίματος. Στην επιδερμίδα έχουμε σημαντική απορρόφηση από τη μελανίνη, ενισχύοντας τον χρωματισμό του δέρματος. Η απορρόφηση της μικρομετρικής ακτινοβολίας καθορίζεται κυρίως από το ποσοστό αιμοσφαιρίνης και νερού. Κατά συνέπεια τόσο στην κεράτινη στιβάδα όσο και στις μεταβολικά ενεργές στιβάδες της επιδερμίδας η απορρόφηση μειώνεται ανάλογα με το μήκος κύματος.

Πώς διαδίδεται στο χόριο

Το φως, που ταξιδεύει στο χόριο παρουσιάζει διαφορετικές οπτικές ιδιότητες από την επιδερμίδα λόγω διαφορετικής σύστασης και κυτταρικής δομής. Απορροφάται από την αιμοσφαιρίνη των τριχοειδών αγγείων και των άνω αρτηριολίων και φλεβιδίων αλλά και από το β-καροτένιο και τη χολερυθρίνη του αίματος, σε μικρότερο ποσοστό. Οι σκεδάσεις που υφίσταται εξαρτώνται από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος τόσο αυξάνεται και το βάθος στο οποίο μπορεί να διεισδύσει το φως. Έτσι παρατηρούμε τόσο αυξημένα φαινόμενα σκέδασης όσο και απορρόφησης. Τα φαινόμενα σκέδασης οφείλονται κυρίως στις ίνες κολλαγόνου. Μολονότι, οι ιδιότητες σκέδασης των ινών κολλαγόνου δεν έχουν μετρηθεί, έχουν προσομοιωθεί με τη χρήση πολλών διαφορετικών μοντέλων της φυσικής. Βρέθηκε, λοιπόν, ότι προκαλούν ιδιαίτερα μεγάλη εμπρόσθια σκέδαση στη μικροκλίμακα.

Πώς διαδίδεται στον λιπώδη ιστό

Στον λιπώδη ή υποδόριο ιστό παρατηρείται ελάχιστη απορρόφηση καθώς το λίπος ανακλά την ακτινοβολία στα ανώτερα στρώματα.

Γιατί συμβαίνουν οι απορροφήσεις και οι σκεδάσεις;

Η απορρόφηση του φωτός από το δέρμα οφείλεται στις δύο βασικές χρωστικές, την μελανίνη και την αιμοσφαιρίνη αλλά και άλλων βιομορίων και των νουκλεϊκών οξέων, που διαθέτουν αρωματικές ομάδες. Οι ίνες, τα κύτταρα και τα λιπίδια δεν απορροφούν το φως. Είναι γνωστό ότι οι διηλεκτρικές ιδιότητες των βιολογικών ιστών εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από την περιεκτικότητά τους σε νερό. Κατ' επέκταση, η απορρόφηση της χιλιομετρικής ακτινοβολίας από το δέρμα εξαρτάται κυρίως από την περιεκτικότητα του ιστού σε νερό, ιδίως στην κεράτινη στοιβάδα της επιδερμίδας. Το νερό είναι η χημική ουσία με τη μεγαλύτερη αφθονία στο σώμα, καταλαμβάνοντας από 60% μέχρι 80% της συνολικής μάζας του. Η περιεκτικότητα του διαφέρει σε κάθε ιστό, ηλικία και φύλο. Το νερό δε βρίσκεται σε ελεύθερη μορφή αλλά είτε ισχυρά είτε ασθενώς με βιομόρια και ιόντα, μέσω υδρογονικών δεσμών. Η απορρόφηση της μελανίνης αυξάνει σταθερά στα μικρότερα μήκη κύματος κοντά στο οπτικό φως. Τόσο η οξυ- όσο και η δεοξυαιμοσφαιρίνη απορροφούν ισχυρά ακτινοβολίες μεγάλου μήκους κύματος.

Η σκέδαση του προσπίπτοντος φωτός στον ιστό συμβαίνει λόγω παρουσίας των ινών, των κυττάρων και των υποκυτταρικών οργανιδίων. Τα φορτισμένα σωματίδια των παραπάνω στοιχείων τίθενται σε ταλάντωση από το ηλεκτρικό πεδίο του προσπίπτοντος ηλεκτρομαγνητικού κύματος και επανεκπέμουν το φως, αντί να το απορροφούν, στην ίδια συχνότητα με το αρχικό κύμα. Η σκέδαση σε κυτταρικό επίπεδο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τους δείκτες διάθλασης. Οι ίνες κολλαγόνου είναι διπλοθλαστικές και επομένως ο δείκτης διάθλασής τους ποικίλει. Ένας κόκκος μελανίνης έχει πολύ μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από τα άλλα στοιχεία της επιδερμίδας, με αποτέλεσμα να προκαλεί τόσο ισχυρή σκέδαση όσο και απορρόφηση.

Μοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας

Έχουν περιγραφεί μοντέλα με βάση τους νόμους της φυσικής για την ποσοτική περιγραφή της μετάδοσης του φωτός στους ιστούς, με δεδομένες τις τιμές των συντελεστών σκέδασης και απορρόφησης του μέσου.

Ο νόμος των Beer- Lambert ισχύει για ακτινοβολίες που διαδίδονται στην ύλη χωρίς να υφίστανται σκέδαση από αυτή:

L = (1 - RF ) Eexp(-μtd),

όπου: L είναι η ακτινοβολία, Eη προσπίπτουσα ακτινοβολία, RF είναι ο συντελεστής του Fresnel, d είναι το πάχος του μέσου. Περιγράφει, δηλαδή, τη διάδοση του φωτός σε ύλη, το οποίο εξασθενεί εκθετικά λόγω απορρόφησής του από το μέσο, ενώ διέρχεται με ελάχιστα ή καθόλου φαινόμενα σκέδασης.

Παρακάτω είναι μια τροποποιημένη μορφή του παραπάνω νόμου είναι ικανή να προβλέψει τη διάδοση του φωτός σε μέσο με υψηλή σκέδαση. Είναι χρήσιμη για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης των χρωστικών στο δέρμα. Σε αυτή την περίπτωση το μονοπάτι που θα διανύσει το φωτόνιο δεν θα ισούται με το πάχος του μέσου, αφού αλλάζει συνεχώς διευθύνσεις λόγω των σκεδάσεων. Το μήκος του μονοπατιού του, λοιπόν, θα εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτονίου, οπότε αντικαθιστούμε την τιμή d, το πάχος του μέσου, με το μέσο μήκος του μονοπατιού της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας d(λ):

L(λ) = (1 - RF)E(λ) exp[-μad(λ)].


Η Radiative Transfer Equation (RTE) περιγράφει με ακρίβεια τη διάδοση του φωτονίου σε ένα μέσο σαν το δέρμα:


όπου: στο αριστερό σκέλος της εξίσωσης ο όρος L περιγράφει την ενέργεια της ακτινοβολίας στη θέση r, κινούμενη με διεύθυνση s. Ο πρώτος όρος στα δεξιά περιγράφει τη μείωση της ακτινοβολίας λόγω φαινομένων σκέδασης και απορρόφησης. Αυτά τα φαινόμενα ποσοτικά ορίζονται από τον συντελεστή απορρόφησης (η πιθανότητα απορρόφησης φωτονίου ανά μονάδα απειροελάχιστου μήκους διαδρομής) μa και τον συντελεστή σκέδασης (η πιθανότητα σκέδασης φωτονίου ανά μονάδα απειροελάχιστου μήκους διαδρομής) μs. Συχνά, για απλοποίηση, χρησιμοποιείται ο συνολικός συντελεστής αλληλεπίδρασης μt που είναι το άθροισμα των απορρόφησης και σκέδασης. p είναι η συνάρτηση φάσης του μέσου και ο τελευταίος όρος, ε όρος που αντιπροσωπεύει την πηγή της ακτινοβολίας.

Αυτή η εξίσωση προσεγγίζει την ακτινοβολία ως φωτόνια και δε λαμβάνει υπόψη την κυματιδιακή της φύση. Υποθέτει ότι το δέρμα είναι ομοιογενές με διακριτά κέντρα σκέδασης και ότι τα φαινόμενα πόλωσης δε λαμβάνονται υπόψη.

https://bioximikos.gr

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...