Контроль оптичного просвітлення шкіри людини методом еліпсоїдальних рефлекторів
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Оптичне просвітлення є технологією, що дозволяє шляхом управління оптичними властивостями біологічних середовищ та тканин при введенні в них спеціальних хімічних розчинів, підвищувати діагностичні та терапевтичні показники функціонування різноманітної лазерної апаратури медико-біологічного призначення. Однією з важливих задач лазерних процедур при цьому є контроль рівня оптичного просвітлення, що в багатьох практичних цілях здійснюється з використанням складного та вартісного обладнання. Робота присвячена аналізу особливостей використання методу фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами для задач контролю ступеню оптичного просвітлення шкіри людини в умовах неінвазивного експерименту. Модельний експеримент полягає у симуляції методом Монте-Карло поширення оптичного колімованого випромінювання в ядрі інформаційно-вимірювальної системи біомедичного фотометру, що поєднує багатошарову біологічну тканину та еліпсоїдальний рефлектор. Симуляція здійснена для набору оптичних властивостей шарів шкіри людини, зокрема їх коефіцієнтів розсіяння і поглинання, фактору анізотропії розсіяння та показника заломлення, що диференційовано визначаються часом введення просвітлюючого агенту (поліетиленгліколю). Анатомічні товщини рогового шару, епідермісу, дерми, жирової та м’язової тканини умовно визначають ділянку тіла людини, світлорозсіяння шкірою якої досліджувалось. У результаті моделювання отримані фотометричні зображення у розсіяному назад світлі для ділянок долонь, грудей, живота, плеча, спини та стегна. На підставі зонного аналізу отримані залежності освітленості середнього та зовнішнього кільця фотометричних зображень в залежності від часу оптичного просвітлення. Досліджено вплив часу оптичного просвітлення на характер світлорозсіяння шкірою людини різних ділянках тіла Аналіз фотометричних зображень показав, що оптичне просвітлення з використанням поліетиленгліколю, яке призводить до зміни оптичних властивостей відповідних шарів, здійснює подібний влив на шкіру людини на різних ділянках тіла. При використанні оптичного просвітлення з метою доставки лазерного випромінювання через шкіру людини необхідно врахувати локалізацію органу або захворювання для підбору відповідних параметрів випромінювання та режимів фізичного впливу. З огляду на розподіл освітленості середнього та зовнішнього кільця фотометричних зображень у перші 20-25 хвилин після введення поліетиленгліколю, раніше розпочинати процедуру доставки лазерного випромінювання недоцільно. Цей час є аналогом «перехідного процесу», коли вплив просвітлюючого агенту є найменш стабільним і може призвести до небажаних діагностичних артефактів та похибок терапевтичного дозування.
Бібл. 45, рис. 5, табл. 2.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
A. V. Belikov and A. V. Skripnik, Lazernyie biomeditsinskie tehnologii [Laser Biomedical Technologies (Part 2)]. SP: ITMO, 2009.
H. Zhang and K. K. Liu, “Optical tweezers for single cells,” J. R. Soc. Interface, vol. 5, no. 24, pp. 671–690, 2008. DOI: 10.1098/rsif.2008.0052
M. W. Berns, Y. Tadir, H. Liang, and B. Tromberg, “05 Laser Scissors and Tweezers,” in Methods in Cell Biology, 1997, pp. 71–98. DOI: 10.1016/s0091-679x(08)60403-3
E. A. Shahno, Fizicheskie osnovy primenenija lazerov v medicine [The physical basis for the use lasers in medicine]. SPb: NIU ITMO, 2012.
A. V. Geynits and S. V. Moskvin, Lazernaya terapiya v kosmetologii i dermatologii [Laser therapy in cosmetology and dermatology]. M.-T.: Triada, 2010.
V. F. Barybin and D. A. Rogatkin, “Neinvazivnaya lazernaya diagnostika - meditsinskaya tehnologiya XXI veka [Non-invasive laser diagnostics - medical technology of the XXI century],” Alm. Clin. Med., vol. 1, pp. 69–81, 1998.
I. A. Novikov, Y. O. Grusha, and N. P. Kiryushchenkova, “Povyishenie effektivnosti fluorestsentnoy diagnostiki novoobrazovaniy kozhi i slizistyih obolochek v oftalmoonkologii [Improving Efficacy of Fluorescent Diagnostics of Skin and Mucosal Tumors in Ocular Oncology],” Ann. Russ. Acad. Med. Sci., vol. 10, pp. 62–69, 2012. DOI: 10.15690/vramn.v67i10.418
N. V. Bezuglaya, M. A. Bezuglyi, G. S. Tymchik, and K. P. Vonsevych, “Vplyv osʹovoji anizotropiji rozsijannja biolohičnyx seredovyšč na točnistʹ vyznačennja optyčnyx koeficijentiv metodom Monte-Karlo [The Influence of the Axial Anisotropy of Scattering Biological Media on the Accuracy of Determination the Optical Coefficien,” Bull. NTUU “KPI”. Ser. Instrum. Mak., vol. 99, no. 1, pp. 85–90, 2015.
N. V Bezuglaya and М. А. Bezuglyi, “Spatial photometry of scattered radiation by biological objects,” in SPIE, 2013, vol. 9032, pp. 1–5. DOI: 10.1117/12.2044609
S. L. Jacques, “Optical properties of biological tissues: A review,” Phys. Med. Biol., vol. 58, no. 14, pp. 5007–5008, 2013. DOI: 10.1088/0031-9155/58/11/r37
N. V. Bezuglaya, M. A. Bezuglyi, and G. S. Tymchik, “Osoblyvosti anizotropiji svitlorozsijannja voloknystymy biolohičnymy tkanynam [Features of anisotropy of light scattering on fibrous biological tissues],” Bull. NTUU “KPI”. Ser. Instrum. Mak., vol. 50, no. 2, pp. 169–175, 2015.
A. J. McLean, “Light in biology and medicine, vol. I,” J. Photochem. Photobiol. B Biol., vol. 4, no. 1, pp. 129–130, 1989. DOI: 10.1007/978-1-4613-0709-9_6
J. S. Al-Bahri and N. M. Spyrou, “Photon linear attenuation coefficients and water content of normal and pathological breast tissues,” Appl. Radiat. Isot., vol. 47, no. 8, pp. 777–784, 1996. DOI: 10.1016/0969-8043(96)00066-8
T. K. L. L. Tchvialeva, H. Zeng, I. Markhvida, D. I. McLean, H. Lui, “Skin Roughness Assessment,” in Biomedical Engineering, D. Campolo, Ed. IntechOpen, 2010, pp. 341–358. DOI: 10.5772/154, ISBN: 978-953-7619-57-2
M. Sun, C. Zhang, Z. Hao, and J. Tian, “Effect of surface roughness on determination of tissue optical properties obtained by diffusion approximation,” Appl. Opt., vol. 46, no. 17, p. 3649, 2007. DOI: 10.1364/ao.46.003649
H. Jelinkova, Lasers for medical applications: Diagnostics, therapy and surgery. Cembridge: Woodhead Publishing Limited, 2013. ISBN: 9780857092373
M. Bezuglyi, N. Bezuglaya, and S. Kostuk, “Influence of laser beam profile on light scattering by human skin during photometry by ellipsoidal reflectors,” Devices Methods Meas., vol. 9, no. 1, pp. 56–65, 2018. DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-1-56-65
C. Ash, M. Dubec, K. Donne, and T. Bashford, “Effect of wavelength and beam width on penetration in light-tissue interaction using computational methods,” Lasers Med. Sci., vol. 32, no. 8, pp. 1909–1918, 2017. DOI: 10.1007/s10103-017-2317-4
A. N. Bashkatov, E. A. Genina, and V. V Tuchin, “Opticheskoye prosvetleniye biologicheskikh tkaney - perspektivy primeneniya v meditsinskoy diagnostike i fototerapii [Optical clearing of biological tissues - prospects for application in medical diagnostics and phototherapy],” Alm. Clin. Med., pp. 39–42, 2008.
A. N. Bashkatov, “Upravleniye opticheskimi svoystvami biotkaney pri vozdeystvii na nikh osmoticheski aktivnymi immersionnymi zhidkostyami [Control of tissue optical properties by means of osmotically active immersion liquids, Ph. D. thesis],” Saratov State University, 2002.
K. V. Larin, M. G. Ghosn, A. N. Bashkatov, E. A. Genina, N. A. Trunina, and V. V. Tuchin, “Optical clearing for OCT image enhancement and in-depth monitoring of molecular diffusion,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 18, no. 3, pp. 1244–1259, 2012. DOI: 10.1109/JSTQE.2011.2181991
C. Chang et al., “Optical Clearing of Vaginal Tissues in Cadavers,” in SPIE Int Soc Opt Eng., 2018, p. 10468. DOI: 10.1109/jstqe.2011.2181991
Y.-J. Zhao et al., “Skull optical clearing window for in vivo imaging of the mouse cortex at synaptic resolution,” Light Sci. Appl., vol. 7, no. 2, p. 17153, 2018. DOI: 10.1038/lsa.2017.153
A. Y. Sdobnov, J. Lademann, M. E. Darvin, and V. V Tuchin, “Methods for Optical Skin Clearing in Molecular Optical Imaging in Dermatology,” Biochemistry, vol. 84, pp. 144–158, 2019. DOI: 10.1134/S0006297919140098. PMID: 31213200
E. C. Costa, A. F. Moreira, E. C. Costa, A. F. Moreira, D. De Melo-diogo, and I. J. Correia, “Polyethylene glycol molecular weight influences the ClearT2 optical clearing method for spheroids imaging by confocal laser scanning microscopy,” J. Biomed. Opt., vol. 23, no. 05, p. 1, 2018. DOI: 10.1117/1.JBO.23.5.055003
T. Yu, X. Wen, V. V. Tuchin, Q. Luo, and D. Zhu, “Quantitative analysis of dehydration in porcine skin for assessing mechanism of optical clearing,” J. Biomed. Opt., vol. 16, no. 9, p. 095002, 2011. DOI: 10.1117/1.3621515
J. M. Hirshburg, K. M. Ravikumar, W. Hwang, and A. T. Yeh, “Molecular basis for optical clearing of collagenous tissues,” J. Biomed. Opt., vol. 15, no. 5, p. 055002, 2010. DOI: 10.1117/1.3484748
A. V. Svirin, Y. I. Kiiko, B. V. Obruch, and A. V. Bogomolov, “Spektralnaya opticheskaya kogerentnaya tomografiya: printsipyi i vozmozhnosti metoda [Spectral optic coherent tomography: principles and possibilities (Literary review)],” RMJ «Clinical Ophthalmol., no. 2, p. 50, 2009.
X. Xu, L. Yu, and Z. Chen, “Optical clearing of flowing blood using dextrans with spectral domain optical coherence tomography,” J. Biomed. Opt., vol. 13, no. 2, p. 021107, 2008. DOI: 10.1117/1.2909673
K. Palikaras and N. Tavernarakis, “Multiphoton Fluorescence Light Microscopy,” in Encyclopedia of life science, John Wiley & Sons, 2012. DOI: 10.1002/9780470015902.a0002991.pub3
K. Svoboda, R. Yasuda, and N. Carolina, “Principles of Two-Photon Excitation Microscopy and Its Applications to Neuroscience,” Neuron, vol. 50, pp. 823–839, 2006. DOI: 10.1016/j.neuron.2006.05.019
G. S. Bumbrah and R. M. Sharma, “Raman spectroscopy – Basic principle, instrumentation and selected applications for the characterization of drugs of abuse,” Egypt. J. Forensic Sci., vol. 6, no. 3, pp. 209–215, 2016. DOI: 10.1016/j.ejfs.2015.06.001
W. J. Tipping, M. Lee, A. Serrels, V. G. Brunton, and A. N. Hulme, “Chem Soc Rev Stimulated Raman scattering microscopy : an emerging tool for drug discovery,” Chem. Soc. Rev., 2016. DOI: 10.1039/c5cs00693g
D. A. Peterson, “Confocal Microscopy,” in Encyclopedia of Movement Disorders, K. Kompoliti and L. V. Metman, Eds. Reference Work, 2010, pp. 250–252. DOI: 10.1016/B978-0-12-374105-9.00230-6
L. Majlof and P. Forsgren, Confocal Microscopy : Important Considerations for Accurate Imaging, vol. 70. Elsevier Masson SAS, 1993. DOI: 10.1016/S0091-679X(02)70005-8
M. Bezuglyi, N. Bezuglaya, O. Kuprii, and I. Yakovenko, “The non-invasive optical glucometer prototype with ellipsoidal reflectors,” in IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON) The, 2018, pp. 0–4. DOI: 10.1109/RTUCON.2018.8659864
М. A. Bezuglyi, N. V. Bezuglaya, and A. B. Samilyak, “Obrabotka izobrazheniy pri ellipsoidalnoy fotometrii [Image processing at ellipsoidal photometry,” Devices Methods Meas., vol. 7, no. 1, pp. 67–76, 2016. DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-67-76
М. A. Bezuglyi, N. V. Bezuglaya, and I. V. Helich, “Ray tracing in ellipsoidal reflectors for optical biometry of media,” Appl. Opt., vol. 56, no. 30, pp. 8520–8526, 2017. DOI: 10.1364/AO.56.008520
M. A. Bezuglyi, N. V. Bezuglaya, A. V. Ventsuryk, and K. P. Vonsevych, “Angular Photometry of Biological Tissue by Ellipsoidal Reflector Method,” Devices Methods Meas., vol. 10, no. 2, pp. 160–168, 2019. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-2-160-168
M. A. Bezuglyi, A. V Yarych, and D. V Botvinovskii, “On the Possibility of Applying a Mirror Ellipsoid of Revolution to Determining Optical Properties of Biological Tissues,” Opt. Spectrosc., vol. 113, no. 1, pp. 104–110, 2012. DOI: 10.1134/S0030400X12070053
N. V. Bezuglaya, М. A. Bezuglyi, and Y. V. Chmyr, “Prostorova potokova biometrija seredovyšč elipsojidalʹnymy reflektoramy [Spatial fluxing biometry of environments by ellipsoidal reflectors],” ElectronComm 2014, vol. 19, no. 6(83), pp. 87–93, 2014. DOI: 10.20535/2312-1807.2014.19.6.113592
G. Vargas, E. K. Chan, J. K. Barton, H. G. R. Iii, and A. J. Welch, “Use of an Agent to Reduce Scattering in Skin,” Lasers Surg. Med., vol. 24, pp. 133–141, 1999. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9101(1999)24:23.0.CO;2-X
D. K. Tuchina, V. D. Genin, A. N. Bashkatov, E. A. Genina, and V. V Tuchin, “Optical Clearing of Skin Tissue ex vivo with Polyethylene Glycol,” Opt. Spectrosc., vol. 120, no. 1, pp. 36–45, 2016. DOI: 10.1134/S0030400X16010215
E. A. Genina, A. N. Bashkatov, Y. P. Sinichkin, and V. V Tuchin, “Optical Clearing of Skin under Action of Glycerol : Ex Vivo and In Vivo Investigations,” Opt. Spectrosc., vol. 109, no. 2, pp. 225–231, 2010. DOI: 10.1134/S0030400X10080126
Y. Yeliseyev, Zabolevaniya kozhi. Polnyy meditsinskiy spravochnik dlya vsey semi [Skin diseases: A complete medical reference book for the whole family]. Moscow: Eksmo Publ, 2009.
