Временная динамика реакции волос на лазерное излучение и электромагнитное поле

*Коротков К.Г., *Петрова Е.Н., **Малюгин В.И., **Кизеветтер Д.В., ***Вайншелбойм А., ***Матраверс П.
*СПб НИИФК, СПбГУ ИТМО, ** СПб ГТУ, *** Aveda Corporation , Minneapolis , USA

Изучение волос под действием различных факторов является актуальной задачей, как для дерматологии, так и для косметологии [1,2]. В то же время, в большинстве литературных источников волосы рассматриваются как инертная ткань, состоящая из кератинизированных клеток, не имеющих биологической активности. В последнее время техника динамической газоразрядной визуализации (ГРВ) находит все большее применение при исследованиях различных объектов [3-6].

Результаты экспериментов, проведенных по двум независимым методикам, показали, что характеристики волос имеют временную динамику и реагируют на воздействия газового разряда и лазерного облучения. Полученные данные открывают новые перспективы как для научного, так и для практического исследования волос.

Методы исследования: Для исследований использовались мужские и женские волосы, не подвергавшиеся химическим воздействиям (окрашивание, осветление, химическая завивка). Волосы срезались с затылочной части головы испытуемых на расстоянии около 2 см от кожи. Образцы волос, измерения на которых проводились сразу после среза, были названы «свежими». Волосы, для которых временной интервал между срезом и измерениями превышал 20 дней, были названы «сухими». Для исследования волос были применены два независимых метода: метод газоразрядной визуализации и лазерной спекл-интерферометрии.

1. Метод Газоразрядной Визуализации

Методика исследования волос методом газоразрядной визуализации была подробно описана в работах [7,8]. В ходе эксперимента образец волос помещается в ЭМП, происходит эмиссия заряженных частиц и формируется газовый разряд. Время подачи импульсов напряжения на электрод ГРВ камеры составляет 5 секунд. Пространственное распределение поля газового разряда записывается в виде AVI -файлов ( Audio Video Interleaved ). Затем в специализированном ГРВ программном комплексе рассчитываются основные информативные параметры изображений, которыми для волос являются площадь и интенсивность свечения.

2. Метод Лазерной Спекл-Интерферометрии

Для исследования пространственно-временных характеристик волос при когерентном освещении применялся оптико-корреляционный метод, заключающийся в сравнении вида оптических картин возникающих при рассеянии лазерного излучения на образце. Особенностью вида рассеянного лазерного (когерентного) излучения на оптически неоднородных (шероховатых) объектах является формирование интерференционных спекл — картин, представляющих собой хаотическое скопление темных и светлых пятен. Определение корреляционных связей различных изображений позволяет оценить отличие вида сложных по структуре изображений, динамику их изменения во времени и воздействие различных факторов [9,10]. Если сравниваемые по виду изображения похожи, то функция взаимной корреляции имеет максимальное значения CCF max , а чем больше различия вида изображений, тем меньше значение CCF max . Эта зависимость используется в дальнейшем при исследовании динамики преобразования спекл — картин во времени при освещении волос лазерным излучением.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Исследуемый образец волос 1 (одиночный волос) фиксировался между двумя оптическими стеклянными пластинами 2, что позволяло уменьшить влияние внешней среды и обеспечить точное позиционирование. Лазерное излучение 4 с длиной волны ?=0,6328 мкм направлялось на исследуемый образец. В экспериментах использовался He — Ne лазер 3 с диаметром пучка 1 мм и мощностью 1 мВт. Изображение возникающей интерференционной картины регистрировалось телевизионной камерой 6 с разрешением 740 х 572 пикселя.

Измерение распределения интенсивности рассеянного образцом излучения проводилось в дальней зоне дифракции при кратковременном освещении образца лазером, составляющим 10-15 сек. В ходе проведения измерений вид и динамика интерференционных картин, полученных от различных образцов, контролировались в течение нескольких суток.

Результаты экспериментов

В ходе проведения экспериментов по двум описанным методикам было исследовано более 20 образцов волос мужчин и женщин в возрасте 17 – 55 лет. При проведении расчетов анализировалась динамика изменения параметров, описывающих как газоразрядное свечение волос, так и лазерную интерференцию вокруг волоса. На рисунках 2 и 3 представлены графики динамики изменения интенсивности газоразрядного свечения и взаимной корреляционной функции спекл-картин «свежих» образцов волос в течение нескольких дней. Представленные на графиках динамические изменения являются характерными для большинства исследованных «свежих» образцов волос. Как видно из представленных результатов, динамики изучаемых параметров волос, полученные двумя независимыми методиками, имеют схожие тенденции. На графиках наблюдается резкий спад исследуемых параметров в первые часы после среза волос, однако после приложения к волосам через определенный временной интервал электромагнитного поля или освещения их лазерным излучением, наблюдается увеличение регистрируемого сигнала. После каждой паузы в измерениях сигнал снижается, однако под влиянием процесса измерения он возрастает до величины, характерной для каждого образца волос.

Рис.2. Временная зависимость интенсивности ГРВ свечения образца «свежих» волос в течение первых трех дней после среза. Каждые 5 экспериментальных точек (соединенных линиями) соответствуют сериям измерений, снятых с интервалом 1 мин.

Для «сухих» образцов волос наблюдались значительно меньшие временные изменения параметров. Однако реакция волос на воздействие газового разряда и когерентного излучения также фиксировалась. При исследованиях методом газоразрядной визуализации на «сухих» образцах волос наблюдалась значительно меньшее изменение характеристик свечения волос под действием процедуры измерения (Рис. 4). При освещении образцов «сухих» волос когерентным лазерным пучком интерференционная картина резко меняется и остается постоянной при более низком значении функции взаимной корреляции (по сравнению со «свежими» образцами волос), что показано на рис. 5.

Рис.3. Временная зависимость функции взаимной корреляции спекл-картин образца «свежих» волос в течении первых 7 дней после среза.

При освещении образцов волос когерентным светом была выявлена сильная зависимость временного изменения вида интерференционных картин от длины волны излучения. Как показали исследования, наибольшее воздействие на волосы оказывал He — Ne лазер с длиной волны = 0.6328 мкм (красный свет). В этом случае величина изменения максимума корреляционной функции, по которой оценивалось изменение вида наблюдаемой интерференционной картины, составляла до 30%. Воздействие излучения лазерных диодов с длинами волн = 0.66 мкм и = 1.05 мкм оказывало значительно меньшее воздействие на волосы. Изменение значения корреляционной функции в данных экспериментах не превышало 8%. Результаты эксперимента, проведенного на одинаковых образцах «сухих» волос, представлены на рис. 6.

Обсуждение

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• Волосы человека обладают биологической активностью и проявляют реакцию на воздействие внешних факторов.
• Под воздействием когерентного излучения с длиной волны = 0,6328 мкм или ультрафиолетового излучения газового разряда ( = 0,3 – 0,6 мкм) активность волос увеличивается. Данный эффект наблюдается как при исследованиях методом ГРВ, так и в лазерных экспериментах.
• Результаты двух независимых методик выявили зависимость активности волос от времени, прошедшего после среза. Временные зависимости параметров «свежих» и «сухих» волос имеют характерные отличия.

Рис.6. Зависимость максимума функции взаимной корреляции для образца «сухих» волос при различной длине волны когерентного излучения.

1- He — Ne лазер,

2- лазерный диод KLM -650/20,

3- ИК лазерный диод ESU -1005,

Литература

1. Zviak, Charles, Ed. The Science of Hair Care. New York: Marcel Dekker; 1986.
2. Robbins, Clarence. Chemical and Physical Behavior of Human Hair. 3 rd edition. New York: Springer; 1994.
3. Korotkov K., Korotkin D. Concentration dependence of gas discharge around drops of inorganic electrolytes. J of Applied Physics, 2001, Vol 89, No 9, p. 4732-4737.
4. Korkotkov, K, Krizhanovsky, E, Borisova, M, Korotkin, D, Vainshelboim, A, Hayes, M, Momoh, KS, Matravers, P, Peterson, P, Shiozawa, K. Time dynamics of the gas discharge around drops of liquids. J Appl Phys 2004, Vol 95, No 7. P. 3334.
5. Муромцев Д.И. Практика применения динамической ГРВ-графии в медико-биологических исследованиях // Наука. Информация. Сознание: тезисы VIII международного конгресса по ГРВ биоэлектрографии. СПб, 2004. С 140–142.
6. Коротков К.Г. Основы ГРВ Биоэлектрографии. Л .: Изд — во СПбГУИТМО , 2001. 360 с
7. Коротков К.Г., Нечаев В.А., Петрова Е.Н., Вайншелбойм А, Коренюгин Д.Г., Шигалев В.К. Исследование ГРВ свечения волос.// Приборостроение, том 49, № 2, СПбГУ ИТМО, 2006. С. 51-57.
8. Vainshelboim A., Hayes M . T ., Korotkov K ., Momoh K . S. Observing the Behavioral Response of Human Hair to a Specific External Stimulus Using Dynamic Gas Discharge, Journal of Cosmetic Science (2004) 55: S91-S104.
9. Kiesewetter, D, Malyugin, V. Effects of defects on the end face of a fiber on the radiational input efficiently. Technical Physics, 47(9):1145 – 1151; 2002.
10. Litak, MYa, Malyugin, YI. Spectral correlations in white light scattering by non-gaussian rough surfaces; Proceedings of SPIE; 2778:245-246, 1996 . 17th Congress of International Commission for Optics: Optics of Science and New Technology; 1996; Russia .