Influence of skin optical losses on configurational photoisomerization of bilirubin during phototherapy

Summary

Kubelka-Munk theory of radiation transfer in turbid media is applied to determine the influence of skin optical losses on the efficiency of phototherapy of neonatal hyperbilirubinemia. By using a multilayer model of the skin and a rate equation analysis of bilirubin photo-isomerization, the photon absorption rates of birilubin and of its configurational photoisomers and, in turn, the photoequilibrium concentrations and rise time are calculated for spectrally Gaussian light sources and fluorescent lamps used in phototherapy. It turns out that light absorption and scattering processes in the skin layers produce a 30 nm red-shift of the optimum value of the peak excitation wave-length of bilirubin absorption and photoequilibrium rise time. The comparative data on the phototherapeutical efficiency of different spectral regionsin vivo (Gunn rats and humans) are discussed.

Riassunto

L'influenza delle perdite ottiche cutanee sul rendimento della fototerapia dell'iperblirubinemia neonatale è investigata mediante l'impiego della teoria di Kubelka-Munk sulla propagazione della luce in mezzi torbidi. L'evoluzione temporale delle concentrazioni di bilirubina e dei suoi fotoisomeri configurazionali è studiata per mezzo delle equazioni di bilancio nel caso del modello a multistrati della cute, assumendo una sorgente con distribuzione spettrale gaussiana e i profili spettrali delle principali lampade fluorescenti usate clinicamente. I risultati indicano che l'assorbimento e la diffusione della luce negli strati cutanei sposta di circa 30 nm verso lunghezze d'onda maggiori il valore ottimale della lunghezza d'onda d'assorbimento della bilirubina e del tempo di fotoequilibrio. Si discutono comparativamente i dati sul rendimento foroterapeutico di diverse regioni spettraliin vivo (su ratti Gunn e uomo).

Резюме

Теория Кубелки-Мунка рационального переноса в мутной среде применяется для определения влияния оптических потерь в поверхностном слое на эффективность фототерапии. Используя многослойную модель кожи и анализ фотоизомеризации билирубина, вычисляются интенсивности поглощения фототонов билирубином и его конфигурационным фотоизомерами и, в свою очередь, фоторавновесные концентрации и времена возникновения для источников света с гауссовым спектром и для флуоресцентных ламп, используемых в фототерапии. Оказывается, что процессы поглощения и рассеяния света в поверхностных слоях кожи приводят к красному смещению 30 нм оптимальной величины длины волны для поглощения билирубином. Обсуждаются сравнительные данные об эффективности фототерапии в различных спектральных областях «в естественных условиях».