Non-invasive optical-physical diagnostics of biological objects (theoretical aspects)
Keywords:
optical diagnostics, biological objects, diffuse reflection spectroscopy, transfer theory, inverse problems, regression approach for inverse problems, photodynamic therapy, personalized phototherapyAbstract
The review considers the possibilities of optical diagnostics of biological objects and layer-by-layer dosimetry of laser radiation in them, including: development of ultrafast and high-precision methods for calculating spatial illumination in biological objects and fluxes of radiation multiply scattered by them; solution of inverse problems of biotissue optics based on stable regression relationships between tissue parameters and spectral-spatial characteristics of their backscattering, as well as spectral characteristics of their images; development of methods for diagnostics of parameters of human tissues and blood; development of approaches to non-invasive determination of the spectra of light action on tissue ...
References
Зуев В. Е., Наац И. Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1992. 240 с.
Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974. 509 с
Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. Под ред. Марчука. Новосибирск: Наука, 1971. 296 с.
Иванов А. П., Дик В. П., Барун В. В. Малогабаритный спектрофотометр для диагностики параметров биотканей и гуморальных сред // сборник науч. трудов VIII Международной научной конференции «Лазерная физика и оптические технологии», (Минск, 27–30 сентября 2010 г.). Минск, 2010. Т. 1. С. 271–275.
Yudovsky D., Pilon L. Retrieving skin properties from in vivo spectral reflectance measurements // J. Biophotonics. 2011. Vol. 4, № 5. P. 305–314.
Patent US 5,353,790. Method and apparatus for optical measurement of bilirubin in tissue: A61N5/06, G01N21/47 / S. L. Jacques, D. G. Oelberg, I. Saidi; applicant of invention: Board Of Regents, The University Of Texas System – № US 07/822,461; claimed 17.01.1992; published 11.10.1994.
G. Zonios [et. al.]. Diffuse reflectance spectroscopy of human adenomatous colon polyps in vivo // Appl. Opt. 1999. Vol. 38, № 31. P. 6628–6637.
Johns M., Giller С., Liu H. Determination of hemoglobin oxygen saturation from turbid media using reflectance spectroscopy with small source-detector separation // Appl. Spectroscopy. 2001. Vol. 55, № 12. P. 1686–1694.
Dam J. S. [et. al.]. Fiber-optic probe for noninvasive real-time determination of tissue optical properties at multiple wavelengths // Appl. Opt. 2001. Vol. 40, № 7. P. 1155–1164.
Ghosh N. [et. al.] Measurement of optical transport properties of normal and malignant human breast tissue // Appl. Opt. 2001. Vol. 40, № 1. P. 176–184.
Bargo P. R. [et. al.]. In vivo determination of optical properties of normal and tumor tissue with white light reflectance and an empirical light transport model during endoscopy // J. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10, № 3. P. 1–15.
Palmer G. M., Ramanujam N. Monte-Carlo based inverse model for calculating tissue optical properties. Part I: Theory and validation on synthetic phantoms // Appl. Opt. 2006. Vol. 45, № 5. P. 1062–1071.
Patent № US 2009/0270702 A1. Method and apparatus for measuring cancerous changes from reflectance spectral measurements obtained during endoscopic imaging. A61B 5/1455, A61B 6/00 / H. Zeng, Y. S. Fawzy; applicant of invention: S. L. Jacques, D. G. Oelberg, I. Saidi – № US 11/722,822; claimed 20.01.2006; published 29.10.2009.
Zonios G. A., Dimou A.. Modeling diffuse reflectance from semi-infinite turbid media: application to the study of skin optical properties // Optics Express. 2006. Vol. 14, № 19. P. 8661–8674.
Bevilacqua F. [et. al.] In vivo local determination of tissue optical properties: applications to human brain // Appl. Opt. 1999. Vol. 38, № 22. P. 4939–4950.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод неинвазивного определения содержания гемоглобина в биологических тканях // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 4. С. 656–662.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод неинвазивного определения оптических и микрофизических параметров кожи человека // Измерительная техника. 2013. № 1. С. 68–73.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Оперативное определение биофизических параметров слизистых оболочек организма человека // Квантовая электроника. 2013. Т. 43, № 7. С. 683–689.
Пат. № 2510506 РФ. МПК G01N 33/483 (2006.01), G01N 21/01 Способ определения оптических и биофизических параметров биоткани. / С. А. Лысенко, М. М. Кугейко; заявитель Белорус. гос. ун-т. – № а.с. 2012116721; заявл. 24.04.2012; зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 27.03.2014, Бюл. № 9.
Pham T. H. [et. al.]. Quantifying the absorption and reduced scattering coefficients of tissue-like turbid media over a broad spectral range using non-contact Fourier transform hyperspectral imaging // Appl. Opt. 2000. Vol. 39, № 34. P. 6487–6497.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Лазерная спектронефелометрия аэродисперсных сред . Минск: БГУ, 2012. 208 с.
Лысенко С. А. Методы оптической диагностики биологических объектов. Минск: БГУ, 2014. 250 с.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Оперативное определение биофизических параметров слизистых оболочек организма человека // Квантовая электроника. 2013. Т. 43. № 7. С. 683–689.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод неинвазивного определения содержания гемоглобина в биологических тканях // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 4. С. 656–662.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Неинвазивная диагностика микрофизических параметров кожи на основе спектроскопии диффузного отражения с пространственным разрешением // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 6. С. 932–941.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод неинвазивного определения оптических и микрофизических параметров кожи человека // Измерительная техника. 2013. № 1. С. 68–73.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Неинвазивная диагностика микрофизических параметров кожи на основе спектроскопии диффузного отражения с пространственным разрешением // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 6. С. 932–941.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение показателя преломления эритроцитов крови человека по результатам нефелометрических измерений оптических характеристика // Измерительная техника. 2007. № 12. C. 52–56.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение показателя преломления сферизованных эритроцитов крови человека в спектральном интервале 0,3 – 1,2 мкм. // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т. 74, № 3. С. 386–390.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение микрофизических параметров эритроцитов крови человека по рассеянию лазерного излучения // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т. 74, № 5. С. 652–658.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение гематокрита крови человека по спектральным значениям коэффициентов ослабления и малоуглового рассеяния // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 104, № 4. С. 699–703.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений // Журнал прикладной спектроскопии. 2009. Т. 76, № 6. С. 876–883.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение интегральных микрофизических параметров многокомпонентных аэрозолей по данным зондирования атмосферы локационными системами на основе Nd:YAG–лазера // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107, № 1. С. 166–172.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Методика определения концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля по данным трехчастотного лидарного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23, № 2. С. 149–155.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Методика восстановления высотного распределения массовой концентрации аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн Nd:YAG лазера // Оптика и спектр. 2010. Т. 109, № 6. С. 1212–1220.
Лысенко С.А., Кугейко М.М. Восстановление оптических и микрофизических характеристик поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов трехчастотного лидарного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 4. С. 308–318.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод определения концентраций пигментов кожи по ее мультиспектральным изображениям // Измерительная техника. 2013. № 6. С. 67–72.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Количественная мультиспектральная эндоскопия слизистых оболочек // Измерительная техника. 2013. № 11. С. 68–73.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод оперативной количественной интерпретации мультиспектральных изображений биологических тканей // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115, № 4. С. 148–157.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Оперативный количественный анализ мультиспектральных изображений тканей организма человека // Квантовая электроника. 2013. Т. 43, № 8. С. 777–784.
Farrell T. J. M., Patterson S., Wilson B. C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo // Med. Phys. 1992. Vol. 19, № 4. P. 879–888.
Wang L., Jacques S. L., Zheng L. MCML – Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues // Computers Methods and Programs in Biomedicine. 1995. № 47. P. 131–146.
Pham T. H. [et. al.] Quantifying the absorption and reduced scattering coefficients of tissue-like turbid media over a broad spectral range using non-contact Fourier transform hyperspectral imaging // Appl. Opt. 2000. Vol. 39, № 34. P. 6487–6497.
Pham T. H. [et. al.] Quantifying the absorption and reduced scattering coefficients of tissue-like turbid media over a broad spectral range using non-contact Fourier transform hyperspectral imaging // Appl. Opt. 2000. Vol. 39, № 34. P. 6487–6497.
Amelink A. [et. al.]. Singlescattering spectroscopy for the endoscopic analysis of particle size in superficial layers of turbid media // Appl. Opt. 2003. Vol. 42, № 19. P. 4095–4101.
Egan W. G., Hilgerman T. W., Reichman J. Determination of absorption and scattering coefficients for nonhomogeneous media // Appl. Opt. 1973. Vol. 12, № 8. P. 1816–1823.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Экспресс анализ гемоглобинов цельной крови методом светорассеяния // Журнал прикладной спектроскопии. 2013: Т. 80, № 3. С. 432–441.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Количественная мультиспектральная эндоскопия слизистых оболочек. Измерительная техника. 2013: 11; 68–73.
Кугейко М.М., Лысенко С.А. Определение спектральных значений показателя преломления эритроцитов крови человека в интервале 0,3 – 1,2 мкм // Медэлектроника-2007: сб. материалов V Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 12–13 декабря 2007 г. / Белорус. госуд. ун-т информатики и радиоэлектроники; редкол.: С. К. Дик [и др.]. Минск, 2007. С. 85–88.
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Фираго В. А., Собчук А. Н. Неинзвазивный экспресс-анализ содержания гемоглобинов в крови с использованием оптоволоконного спектрофотометра // Журнал прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81, № 1. С. 128–136.
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Фираго В. А., Собчук А. Н. Аналитическая модель спектра диффузного отражения кожной ткани // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 1. С. 69–75.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Определение компонентного состава гемоглобина и структурно-морфологических параметров кожи на основе аппроксимирующих функций для потоков обратно рассеянного кожей излучения // Журнал прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81, № 3. С. 418–425.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Бесконтактная диагностика биопараметров кожи и крови на основе аппроксимирующих функций для потоков рассеянного кожей излучения // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 3. С. 252–258.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод получения двумерных распределений гемоглобина и макулярного пигмента в сетчатке по мультиспектральным изображениям глазного дна // Медэлектроника–2014: Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии: cб. научных статей VIII Междунар. науч.-технич. конф., Минск, 10–11 декабря, 2014 г. / Белорус. госуд. ун-т информатики и радиоэлектроники; редкол.: С. К. Дик [и др.]. Минск, 2014. С. 255–258.
Асимов М. М., Королевич А. Н.,. Константинова Е. Э. Кинетика оксигенации кожной ткани под воздействием низкоинтенсивного лазерного излучения // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т. 74, № 1. С. 120–125.
Стратонников А. А. [и др.]. Использование спектроскопии обратного диффузного отражения света для мониторинга состояния тканей при фотодинамической терапии // Квантовая электроника. 2006. T. 36, № 12. С. 1103–1110.
Асимов М. М., Асимов Р. М., Рубинов А. Н. Новый метод определения индивидуального биологического отклика и эффективности терапевтического действия оптического излучения при лазерной фототерапии // Фотобиология и фотомедицина. 2009. Т. 2, № 3. С. 112–119.
Li B., Qiua Z., Huang Z. Advanced optical techniques for monitoring dosimetric parameters in photodynamic therapy // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8553. P. 1–9.
Самцов М. П. [и др.] Флуоресценция фотосенсибилизатора на основе индотрикарбоцианинового красителя при фотохимиотерапии // Журнал прикладной спектроскопии. 2011. Т. 78, № 1. С. 121–127.
Барун В. В., Иванов А. П. Глубинные распределения спектров действия света для хромофоров кожи // Журнал прикладной спектроскопии. 2010. Т. 77, № 1. С. 82–88.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод определения индивидуальной дозы облучения при лазерной терапии // Электроника-инфо. 2012. № 8. С. 108–112.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод расчёта характеристик световых полей в задачах оптической диагностики и персонифицированной терапии биологических тканей // Журнал прикладной спектроскопии. 2013. Т. 80, № 2. С. 273–280.
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Лисенкова А. М. Неинвазивное определение спектральной глубины проникновения света в кожу // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115, № 5. С. 184–191.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод оценки оптимальных спектральных и энергетических параметров лазерного воздействия при фотодинамической терапии биоткани // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 4. С. 358–365.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Метод оценки эффективности изомеризации билирубина при фототерапии неонатальной желтухи // Журнал прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81, № 5. С. 761–769
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Лисенкова А. М., Фираго В. А., Железнякова Т. А. Методика контроля эффективности фототерапии биотканей // Вест. Белорусскрн государмтвенного университета. Сер. 1, Физика. Математика. Информатика. 2014. № 3. С. 52–56.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Персонифицированная лазерная терапия биотканей. Сб. научных статей VII междунар. науч.-технич. конф., // Медэлектроника–2012: Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии: cб. научных статей VIII Междунар. науч.-технич. конф., Минск, 10–11 декабря, 2012 г. / Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; редкол.: С. К. Дик [и др.]. – Минск, 2012. С. 177–179.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Способ определения скорости трансформации токсичного билирубина в фотоизомер люмирубин. Материалы 5 Междунар. конференции «Прикладные проблемы оптики, информатики, радиофизики и физики конденсированного состояния» (Минск, 20–21 мая, 2019 г.). Белорусский государственный университет. С. 52 –54.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение скорости трансформации токсичного билирубина в фотоизомер люмирубин. Материалы 12-й Международной научно-технической конференции по квантовой электронике –КЭ'2019. (Минск, 18–22 ноября 2019 года). С. 284–285.
Евразийский патент № 031413. B1 A61N 5/06 (2006.01) A61B 5/1455. Способ определения скорости трансформации токсичного билирубина в нетоксичный и водорастворимый фотоизомер люмирубин // Кугейко М. М., Лысенко С. А. Заявитель и патентообладатель Белорусский государственный университет. Заявл. 16.04.2015; опубл. 28.12.2018. Бюл. № 27.
Пат. № 2506567, Российская Федерация. МПК G01N 21/31 (2006.01), A61B 5/1455. Способ определения концентрации хромофоров биологической ткани / С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. А. Фираго, А. И. Кубарко; Заявитель и патентообладатель Белорусский государственный университет. Заявл. 01.08.2012, опубл. 10.02.2014. Бюл. № 4.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2022 Лазеры. Измерения. Информация
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Copyright information
Тексты данной электронной статьи защищены (cc) Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.
Вы можете свободно:
Делиться (You are free: to Share) – копировать, распространять и передавать другим лицам данную электронную книгу при обязательном соблюдении следующих условий:
– Атрибуция (Attribution) – Вы должны атрибутировать произведения (указывать автора и источник) в порядке, предусмотренном автором или лицензиаром (но только так, чтобы никоим образом не подразумевалось, что они поддерживают вас или использование вами данного произведения).
– Некоммерческое использование (Noncommercial use) – Вы не можете использовать эти произведения в коммерческих целях.
– Без производных произведений – Вы не можете изменять, преобразовывать или брать за основу эту электронную книгу или отдельные произведения.
Licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.
To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
or send a letter to Creative Commons, 444 Castro Street, Suite 900, Mountain View, California, 94041, USA.
You are free:
to Share — to copy, distribute and transmit the work
Under the following conditions:
Attribution — You must attribute the work in the manner specified by the author or licensor (but not in any way that suggests that they endorse you or your use of the work).
Non-commercial — You may not use this work for commercial purposes.
No Derivative Works — You may not alter, transform, or build upon this work.
Any of the above conditions can be waived if you get permission from the copyright holder.
