МОНТЕ-КАРЛО СИМУЛЯЦІЯ СВІТЛОРОЗСІЯННЯ ШАРАМИ ШКІРИ ЛЮДИНИ МЕТОДАМИ ПРОСТОРОВОЇ ФОТОМЕТРІЇ

Автор(и)

  • Наталя Безугла Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-4321-2068
  • Сергій Полуектов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
  • Владислав Чорний Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
  • Михайло Безуглий Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-0624-0585

DOI:

https://doi.org/10.20535/1970.61(1).2021.237112

Ключові слова:

метод Монте-Карло, фактор анізотропії розсіяння, індикатриса розсіяння, просторова фотометрія, еліпсоїдальні рефлектори, епідерміс, дерма, фотометричні зображення

Анотація

Здатність здійснювати реєстрацію та аналіз просторового розподілу розсіяного світла в межах повного тілесного кута є основою розробки та вдосконалення інформаційно-вимірювальних систем і програмно-апаратних комплексів для задач оптичної біомедичної діагностики. Для неінвазивних методів біомедичного дослідження найбільший внесок в світлорозсіяння вносять шари шкіри людини, впливаючи при цьому на глибину зондування та роздільну здатність діагностичних систем. Значна індивідуальна варіабельність оптичних властивостей біологічних тканин не дозволяє практично (клінічно) оцінити їх вплив на характеристики світлорозсіяння, тому застосування методів моделювання поширення оптичного випромінювання в середовищах у контексті функціонування вимірювального засобу дозволяє забезпечити такий прогностичний аналіз. Метою даної роботи є порівняльна оцінка результатів симуляції Монте-Карло поширення оптичного випромінювання в окремих шарах шкіри людини при використанні інформаційно-вимірювальних систем біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами та гоніофотометру.

У роботі представлені результати Монте-Карло симуляції світлорозсіяння шарами дерми та епідермісу на довжині хвилі 632,8 нм за допомогою методів просторової фотометрії та програмного забезпечення "BT_Mod", яке дозволяє моделювати процес трасування променів у біомедичному фотометрі з еліпсоїдальними рефлекторами, а також формувати пакет вихідних даних про положення, напрямок та статистичну вагу фотонів, які виходять зі зразка досліджуваної біологічної тканини.

У результаті моделювання отримано графіки залежності оптичних коефіцієнтів (пропускання Т, дифузного відбиття Rd та поглинання А) для досліджуваних тканин різної товщини від величини фактору анізотропії розсіяння, а також фотометричні зображення другої фокальної площини еліпсоїдальних рефлекторів при реєстрації плями розсіяння у відбитому та пропущеному світлі. Отримано діаграми усередненої індикатриси розсіяння за умови обрання трьох значень товщини епідермісу та дерми для набору біофізично значущих величин фактору анізотропії розсіяння, на підставі чого проаналізовано інтегральний розподіл статистичної ваги фотонів у дифузно розсіяному світлі. Здійснена кількісна оцінка рівня освітленості зображень за принципами зонного аналізу при фотометрії еліпсоїдними рефлекторами. Отримані графіки залежності освітленості зовнішнього та середнього кільця фотометричних зображень у відбитому та пропущеному світлі.

Результати дослідження дозволяють аналізувати просторовий розподіл розсіяного шарами шкіри людини (епідермісом та дермою) оптичного випромінювання в межах повного тілесного кута, що може бути використано в задачах оптичної дозиметрії та медичної візуалізації в діагностичних, ендоскопічних та терапевтичних методах біофотоніки.

Біографії авторів

Наталя Безугла, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

канд. техн.  наук, доцент, кафедра ВП ПБФ

Михайло Безуглий, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

д.т.н., доцент, проф.

Посилання

R. Srinivasan, D. Kumar, and M. Singh, «Optical characterization and imaging of biological tissues», Current Science, vol. 87, no. 2, pp. 218-227, 2021.

A. N. Bashkatov, E. A. Genina, V. I. Kochubey, V. S. Rubtsov, E. A. Kolesnikova, i V. V. Tuchin, «Opticheskiye svoystva tkaney tolstoy kishki cheloveka v spektralnom diapazone 350 – 2500 nm», Kvantovaya elektronika, vol. 44, no. 8, pp. 779–784, 2014. (in Russian)

A.N. Korolevich. E.V. Oleynik. Ya.I. Sevkovskiy. i A.Ya. Khayrullina. «Osobennosti spektra diffuznogo otrazheniya i propuskaniya normalnykh i opukholevykh tkaney», Zhurnal prikladnoy spektroskopii, vol. 58, no. 5- 6, pp. 555-559, 1993. (In Russian)

I.M. Pelivanov, S.A. Belov. V.S. Solomatin, T.D. Khokhlova, i A.A. Karabutov, «Pryamoye izmereniye prostranstvennogo raspredeleniya intensivnosti lazernogo izlucheniya v biologicheskikh sredakh in vitro optiko-akusticheskim metodom», Kvantovaya elektronika, vol. 36, no. 12, pp. 1089–1096, 2006. (In Russian)

V.L. Kuzmin, A.Yu. Valkov, i L.A. Zubkov, «Diffuziya fotonov v sluchaynykh sredakh i anizotropiya rasseyaniya v modelyakh Kheni–Grinshteyna i Releya–Gansa», Zhurnal eksperimentalnoy i teoreticheskoy fiziki, vol. 155, no. 3, pp. 460-471, 2019. (In Russian)

A. Bhandari, B. Hamre, Ø. Frette, K. Stamnes, and J. J. Stamnes, «Modeling optical properties of human skin using Mie theory for particles with different size distributions and refractive indices», Opt. Express, no. 19, pp. 14549-14567, 2011. Doi: 10.1364/OE.19.014549

C.O. Flynn, B.A. McCormack, «A three-layer model of skin and its application in simulating wrinkling, Comput Methods Biomech Biomed Engin, vol.12, no. 2, pp. 125-134, 2009. Doi: 10.1080/10255840802529933

N. Verdel, J. Tanevski, S. Džeroski, and B. Majaron, «Predictive model for quantitative analysis of human skin using photothermal radiometry and diffuse reflectance spectroscopy», Biomedical Optics Express, vol. 11, no. 3, pp. 1679-1696, 2020. Doi: 10.1364/BOE.384982

J. Marotz, A. Kulcke, F. Siemers, D. Cruz, A. Aljowder, D. Promny, G. Daeschlein, and Th. Wild, «Extended Perfusion Parameter Estimation from Hyperspectral Imaging Data for Bedside Diagnostic in Medicine», Molecules, vol.24, no. 22, pp. 4164, 2019. Doi: 10.3390/molecules24224164

A. Bashkatov, E. Genina, V. Tuchin, G. Altshuler, and I. Yaroslavsky, «Monte Carlo study of skin optical clearing to enhance light penetration in the tissue: implications for photodynamic therapy of acne vulgaris», in Proceedings of SPIE, 2019, 7022. Doi: 10.1117/12.803909

Y. Wang, W. Wang, M. van Gastel, and G. Haan, «Modeling on the Feasibility of Camera-Based Blood Glucose Measurement», in Proceedings of IEEE/CVF International Conference on Computer Vision Workshop, pp. 1713-1720, 2019. Doi: 10.1109/ICCVW.2019.00212

T. Lister, P.A. Wright, and P.H. Chappell, «Optical properties of human skin», J Biomed Opt., vol. 17, no. 9, 90901-1, 2012. Doi: 10.1117/1.JBO.17.9.090901

A. Ishimaru and C. W. Yeh, «Matrix representations of the vector radiative-transfer theory for randomly distributed nonspherical particles», J. Opt. Soc. Am., vol. A 1, pp. 359-364, 1984.

S.L. Jacques, «Monte Carlo simulations of fluorescence in turbid media», Ch. 6 in Handbook of Biomedical Fluorescence, M.A. Mycek, B.W. Pogue, publ. Marcel-Dekker, New York, NY, 2003.

L-H. Wang, S.L. Jacques, L-Q. Zheng, «MCML - Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues», Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 47, pp. 131-146, 1995. Doi: 10.1016/0169-2607(95)01640-F

J. M. Schmitt, A. Knüttel, and R. F. Bonner, «Measurement of optical properties of biological tissues by low-coherence reflectometry», Appl. Opt., vol. 32, pp. 6032-6042, 1993.

V. V. Tuchin, Optika biologicheskikh tkaney: Metody rasseyaniya sveta v meditsinskoy diagnostike, Moskva: OOO "Fizmatlit", 2012. (In Russian)

N.V. Bezuhla, «Prostorova fotometriia biolohichnykh seredovyshch”, dys. kand. tekhn. nauk, pryladobud. fak-t, KPI im. Ihoria Sikorskoho, Kyiv, 2016. (In Ukrainian)

M.O. Bezuhlyi, «Elipsoidalni reflektory dlia fotometrii biolohichnykh seredovyshch», dys. d-ra tekhn. nauk, pryladobud. fak-t, KPI im. Ihoria Sikorskoho, Kyiv, 2020. (In Ukrainian)

M.V. Pavlovets, M.O. Bezuhlyi, «Kompiuterna prohrama «Elipsoidalna fotometriia» (Ellipsoidal Photometry) ("BT Mod")», Svidotstvo pro reiestratsiiu avtorskoho prava na tvir № 68440, 02.11.2016. (In Ukrainian)

V. V. Tuchin, Lazery i volokonnaya optika v biomeditsinskikh issledovaniyakh, Saratov: Sarat. uni-tet, 1998. (In Russian)

N.V. Bezuhla, M.O. Bezuhlyi, H.S. Tymchyk, ta V.A. Sharhorodskyi, «Prostorova fotometriia biolohichnykh seredovyshch», Optyko-elektronni informatsiino-enerhetychni tekhnolohii, vol. 30, no. 2, pp.40-49, 2015. (In Ukrainian)

M.O. Bezuhlyi, N.V. Bezuhla, Elipsoidalni reflektory dlia fotometrii svitlorozsiiannia biolohichnymy seredovyshchamy: monohrafiia, Kyiv : KPI im. Ihoria Sikorskoho, Vyd-vo «Politekhnika», 2020. (In Ukrainian)

Yu. Eliseyev. Zabolevaniya kozhi, Polnyy meditsinskiy spravochnik dlya vsey semi, Moskva: Eksmo, 2009. (In Russian)

N.V. Bezuhla, M.O. Bezuhlyi, ta H.S. Tymchyk, «Osoblyvosti anizotropii svitlorozsiiannia voloknystymy biolohichnymy tkanynamy», Visnyk NTUU «KPI». Seriia pryladobuduvannia, Vyp. 50, pp. 169-175, 2015. (In Ukrainian)

M.A. Bezuglyi, N.V. Bezuglaya, and D.V. Horban, «Determination the tissue anisotropy factor during the photometry by ellipsoidal reflectors», KPI Science News, no. 4, pp. 1 – 9, 2019. Doi: 10.20535/kpi-sn.2019.4.177082 (In Ukrainian)

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Безугла, Н., Полуектов, С., Чорний, В., & Безуглий, М. (2021). МОНТЕ-КАРЛО СИМУЛЯЦІЯ СВІТЛОРОЗСІЯННЯ ШАРАМИ ШКІРИ ЛЮДИНИ МЕТОДАМИ ПРОСТОРОВОЇ ФОТОМЕТРІЇ. Вісник Київського політехнічного інституту. Серія Приладобудування, (61(1), 91–100. https://doi.org/10.20535/1970.61(1).2021.237112

Номер

Розділ

ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ БІОМЕДИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ