Перейти до вмісту
Мікросистеми, Електроніка та Акустика
ISSN 2523-4447 · e‑ISSN 2523-4455 Відкритий доступ · CC BY-SA 4.0
Т. 24 · № 2 · 2019 кві 30, 2019 Мікросистеми та фізична електроніка

Контроль оптичного просвітлення шкіри людини методом еліпсоїдальних рефлекторів

MB
Mikhail O. Bezuglyi Відповідальний Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" Україна
NB
Natalia V. Bezuglaya Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" Україна
AN
Andrii V. Nahornyi Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" Україна
Сторінки6-13 Опублікованокві 30, 2019
PDF
ТОМ 24 · № 2 · 2019 Переглянути випуск

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.

Ключові слова

#оптичне просвітлення #еліпсоїдальний рефлектор #шкіра людини #фотометричне зображення

Посилання

  1. A. V. Belikov and A. V. Skripnik, Lazernyie biomeditsinskie tehnologii [Laser Biomedical Technologies (Part 2)]. SP: ITMO, 2009.
  2. 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
  3. 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
  4. E. A. Shahno, Fizicheskie osnovy primenenija lazerov v medicine [The physical basis for the use lasers in medicine]. SPb: NIU ITMO, 2012.
  5. A. V. Geynits and S. V. Moskvin, Lazernaya terapiya v kosmetologii i dermatologii [Laser therapy in cosmetology and dermatology]. M.-T.: Triada, 2010.
  6. 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.
  7. 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
  8. 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.
  9. 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
  10. 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
  11. 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.
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. H. Jelinkova, Lasers for medical applications: Diagnostics, therapy and surgery. Cembridge: Woodhead Publishing Limited, 2013. ISBN: 9780857092373
  17. 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
  18. 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
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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.
  29. 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
  30. K. Palikaras and N. Tavernarakis, “Multiphoton Fluorescence Light Microscopy,” in Encyclopedia of life science, John Wiley & Sons, 2012. DOI: 10.1002/9780470015902.a0002991.pub3
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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.
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

Механічно перелаштовувана антена з іонно-полімерним металевим композитом

Artem Serhiyovych Chernov, Oleksii O. Malyshok, Victor Anatoliiovych Kazmirenko, Irina Petrivna Holubeva, Yuriy Vasylovych Prokopenko, Guy A. E. Vandenbosch

Розглядається актуальна задача створення антен для сучасних бездротових систем, здатних до роботи у різних частотних діапазонах. Зазвичай для перелаштування частоти…

#структура з відхиленням електрода #фільтена #перелаштування частоти #актюатор ІМПК
с. 343504.1-343504.6
10.20535/2523-4455.mea.343504

Модель генератора Маркса для генерації коронного розряду у повітрі

Andrii Viktorovych Melnyk, Oleh Mykolaiovych Bevza, Anatolii Ivanovych Kuzmichiev

У статті розглянуто роботу генератора Маркса з навантаженням у вигляді від'ємного коронного розряду в повітрі за атмосферного тиску та побудовано його електричну модель.…

#коронний розряд #генератор Маркса #висока напруга #іонізація
с. 324599.1-324599.8
10.20535/2523-4455.mea.324599

Взаємодія срібних наночастинок з підкладкою в умовах плазмонного резонансу

Yurii I. Mysiuk, Yurii B. Smachylo, Oleksandr V. Ilin, Tetiana Oleksandrivna Bulavinets, Iryna Y. Yaremchuk

Взаємодія між наночастинками металів і підкладками в умовах плазмонного резонансу відіграє вирішальну роль у різних оптичних застосуваннях. У цій роботі ми досліджуємо…

#наночастинки срібла #переріз екстинкції #підкладка #локалізований поверхневий плазмонний резонанс
с. 303929.1-303929.6
10.20535/2523-4455.mea.303929

Схожі статті

1-10 з 31

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.