zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1509Research ArticleVI. СПЕКТРОСКОПИЯ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕДSPECTROSCOPY OF SCATTERING MEDIAВозможности диффузионной спектроскопии с пространственным разрешением при определении гидратации и параметров микроциркуляторного русла биотканейCapabilities of Diffusion Spectroscopy with Spatial Resolution in Determining the Hydration and Parameters of the Microvasculature of Biotissueshttps://orcid.org/0000-0001-8797-2125ФирагоВ. А.FiragoV. A.

кафедра квантовой радиофизики и оптоэлектроники,

Минск

Minsk

firago@bsu.byБелорусский государственный университетBelarusian State University202423042024913378393Copyright © Фираго В.А., 20242024Фираго В.А.Firago V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1509

На конкретных примерах регистрации и обработки спектрально-пространственных профилей локального диффузного отражения светового излучения тканями руки человека продемонстрированы возможности спектроскопии диффузного отражения с пространственным разрешением при определении оптических свойств и параметров микроциркуляторного русла кровеносной системы поверхностных тканей. Показано, что наибольший вклад в разброс получаемых результатов вносят неоднородность свойств ткани, вызываемая индивидуальным распределением сосудов и градиентами концентраций хромофоров в исследуемой точке тела, а также недостатки применяемой расчетной модели, обусловленные плохой изученностью показателей поглощения основных хромофоров обескровленной и обезвоженной подкожной ткани. Приведена методика регистрации спектрально-пространственных профилей и их двухэтапной обработки, а также обсуждены ее возможности и недостатки. Показана перспективность применения спектроскопии диффузного отражения с пространственным разрешением при контроле гидратации поверхностных тканей в процессе лечения их воспаления и отеков.

Using specific examples of recording and processing the spectral-spatial profiles of local diffuse reflection of light radiation by tissues of the human hand, the capabilities of spectroscopy with spatial resolution when determining the optical properties and parameters of the microvasculature of the circulatory system of superficial tissues are demonstrated. It is shown that the greatest contribution to the scatter of the obtained results is made by the heterogeneity of tissue properties caused by individual distribution of vessels and gradients of chromophore concentrations in the investigated point of the body, as well as by poor study of absorption indices of the main chromophores of exsanguinated and dehydrated subcutaneous tissue. The technique of registration of spectral-spatial profiles and their two-stage processing is presented, and its capabilities and disadvantages are discussed. Prospective application of diffuse reflection spectroscopy with spatial resolution in controlling the hydration of superficial tissues in the process of treatment of their inflammation and edema is shown.

спектроскопия диффузного отражениядиффузионное приближениемикроциркуляторное руслосатурация кровидиаметр сосудовгидратация тканейdiffuse reflectance spectroscopydiffusion approximationmicrovasculatureblood saturationvessel diametertissue hydrationReferencesА. И. Кубарко, В. А. Фираго. Неотложная кардиология и кардиоваскулярные риски, 2, № 2 (2018) 358—363А. И. Кубарко, В. А. Фираго. Неотложная кардиология и кардиоваскулярные риски, 2, № 2 (2018) 358—363А. В. Шотт, В. Л. Казущик, А. П. Василевич, А. И. Протасевич, Р. В. Фарнин. Здравоохранение (Минск), № 6 (2010) 39—42А. В. Шотт, В. Л. Казущик, А. П. Василевич, А. И. Протасевич, Р. В. Фарнин. Здравоохранение (Минск), № 6 (2010) 39—42И. Ф. Малыхина, А. И. Неробеев, А. С. Добродеев, Е. В. Вербо, Е. И. Гарелик, К. С. Салихов. Вопросы реконструктивной и пластической хирургии, 53, № 2 (2015) 11—24И. Ф. Малыхина, А. И. Неробеев, А. С. Добродеев, Е. В. Вербо, Е. И. Гарелик, К. С. Салихов. Вопросы реконструктивной и пластической хирургии, 53, № 2 (2015) 11—24M. Pinto, M. L. Barjas Castro, S. Nascimenti. Transfusion, 53, N 4 (2013) 766—769M. Pinto, M. L. Barjas Castro, S. Nascimenti. Transfusion, 53, N 4 (2013) 766—769S. Hsu, S. Tzeng, C. Yang, J. Y. Lee, L. L. Huang, W.R. Chen, M. Hughes, Y. W. Chen, Y. K. Liao, S. H. Tseng. Biomed. Opt. Express, 6, N 2 (2015) 390—404S. Hsu, S. Tzeng, C. Yang, J. Y. Lee, L. L. Huang, W.R. Chen, M. Hughes, Y. W. Chen, Y. K. Liao, S. H. Tseng. Biomed. Opt. Express, 6, N 2 (2015) 390—404A. Bashkatov, E. Genina, V. Tuchin. J. Innovative Opt. Health Sci. 4, N 1 (2011) 9—38A. Bashkatov, E. Genina, V. Tuchin. J. Innovative Opt. Health Sci. 4, N 1 (2011) 9—38V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics. SPIE Press, Bellingham, WA (2015)V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics. SPIE Press, Bellingham, WA (2015)F. T. Liasi, R. Samatham, S. L. Jacques. J. Biomed. Opt., 22, N 11 (2017) 1—6F. T. Liasi, R. Samatham, S. L. Jacques. J. Biomed. Opt., 22, N 11 (2017) 1—6E. Zherebtsov, V. Dremin, A. Popov, A. Doronin, D. Kurakina, M. Kirillin, I. Meglinski, A. Bykov. Biomed. Opt. Express, 10, N 7 (2019) 3545—3559E. Zherebtsov, V. Dremin, A. Popov, A. Doronin, D. Kurakina, M. Kirillin, I. Meglinski, A. Bykov. Biomed. Opt. Express, 10, N 7 (2019) 3545—3559V. Perekatova, A.Kostyuk, M. Kirillin, E. Sergeeva, D. Kurakina, O. Shemagina, A. Orlova, A. Khilov, I. Turchin. Diagnostics, 13, N 3 (2023) 457V. Perekatova, A.Kostyuk, M. Kirillin, E. Sergeeva, D. Kurakina, O. Shemagina, A. Orlova, A. Khilov, I. Turchin. Diagnostics, 13, N 3 (2023) 457С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. А. Фираго, А. Н.Собчук. Журн. прикл. спектр., 81, № 1 (2014) 120—128 [S. A. Ly’senko, M. M. Kugeyko, V. A. Firago, A. N. Sobchuk. J. Appl. Spectr., 81, N 1 (2014) 118—126]С. А. Лысенко, М. М. Кугейко, В. А. Фираго, А. Н.Собчук. Журн. прикл. спектр., 81, № 1 (2014) 120—128 [S. A. Ly’senko, M. M. Kugeyko, V. A. Firago, A. N. Sobchuk. J. Appl. Spectr., 81, N 1 (2014) 118—126]С. А. Лысенко, В. А. Фираго, М. М. Кугейко, А. И. Кубарко. Журн. прикл. спектр., 83, № 4 (2016) 606—615 [S. A. Lisenko, V. A. Firago, M. M. Kugeyko, A. I. Kubarko. J. Appl. Spectr., 83, N 4 (2016) 617—626]С. А. Лысенко, В. А. Фираго, М. М. Кугейко, А. И. Кубарко. Журн. прикл. спектр., 83, № 4 (2016) 606—615 [S. A. Lisenko, V. A. Firago, M. M. Kugeyko, A. I. Kubarko. J. Appl. Spectr., 83, N 4 (2016) 617—626]S. Jacques, A. Gutsche, J. Schwartz, L. Wang, F. Tittel. Proc. SPIE, 10311, Medical Optical Tomography: Functional Imaging and Monitoring, 5 August 1993 (1993) 103110D(1—16)S. Jacques, A. Gutsche, J. Schwartz, L. Wang, F. Tittel. Proc. SPIE, 10311, Medical Optical Tomography: Functional Imaging and Monitoring, 5 August 1993 (1993) 103110D(1—16)R. Doornbos, R. Lang, M. Aadlers, F. Cross. Physics in Medicine and Biology, 44, N 4 (1999) 967—981R. Doornbos, R. Lang, M. Aadlers, F. Cross. Physics in Medicine and Biology, 44, N 4 (1999) 967—981S. Jacques. Opt. Soc. Am. TOPS on Advances in Optical Imaging and Photon Migration. Florida United States, 2 (1996) 364—371S. Jacques. Opt. Soc. Am. TOPS on Advances in Optical Imaging and Photon Migration. Florida United States, 2 (1996) 364—371H. Arslan, Y. Dolukan. Academic Perspective Procedia, ISITES2018 Alanya–Antalya–Turkey, 1, N 1 (2018) 248—252H. Arslan, Y. Dolukan. Academic Perspective Procedia, ISITES2018 Alanya–Antalya–Turkey, 1, N 1 (2018) 248—252A. Rehman, I. Ahmad, S. Qureshi. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 31 (2020) 101712A. Rehman, I. Ahmad, S. Qureshi. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 31 (2020) 101712M. Larsson, H. Nilsson, T. Stromberg. Appl. Opt., 42, N 1 (2003) 124—134M. Larsson, H. Nilsson, T. Stromberg. Appl. Opt., 42, N 1 (2003) 124—134T. Baran, M. Fenn, H. Foster. J. Biomed. Opt., 18, N 10 (2013) 107007(1—9)T. Baran, M. Fenn, H. Foster. J. Biomed. Opt., 18, N 10 (2013) 107007(1—9)F. Bevilacqua, D. Piguet, P. Marquet, C. Depeursinge, J. D. Gross. B. J. Tromberg. Appl. Optics, 38, N 22 (1999) 4939—4950F. Bevilacqua, D. Piguet, P. Marquet, C. Depeursinge, J. D. Gross. B. J. Tromberg. Appl. Optics, 38, N 22 (1999) 4939—4950D. Cappon, T. Farrel, Q. Fang, J. Hayward. J. Biomed. Opt., 18, N 10 (2013) 107004(1—10)D. Cappon, T. Farrel, Q. Fang, J. Hayward. J. Biomed. Opt., 18, N 10 (2013) 107004(1—10)L. Wang, S. L. Jacques, L. Zhehg. Comp. Methods Program Biomed., 47, N 2 (1995) 131—146L. Wang, S. L. Jacques, L. Zhehg. Comp. Methods Program Biomed., 47, N 2 (1995) 131—146С. А. Лысенко. Методы оптической диагностики биологических объектов, Минск, БГУ (2014)С. А. Лысенко. Методы оптической диагностики биологических объектов, Минск, БГУ (2014)I. Fredriksson, R. Saager, A. Durkin, T. Strömberg. J. Biomed. Opt., 22, N 11 (2017) 115004(1—9)I. Fredriksson, R. Saager, A. Durkin, T. Strömberg. J. Biomed. Opt., 22, N 11 (2017) 115004(1—9)P. Martinsen, J. Blaschke, K. Kunnemeyer, R. Jordan. Comp. Phys. Commun., 180, N 10 (2009) 1983—1989P. Martinsen, J. Blaschke, K. Kunnemeyer, R. Jordan. Comp. Phys. Commun., 180, N 10 (2009) 1983—1989X. Cheng, H. Chen, E. J. Sie, F. Marsili, D. A. Boas. J. Biomed. Opt., 27, N 7 (2022) 083009(1—14)X. Cheng, H. Chen, E. J. Sie, F. Marsili, D. A. Boas. J. Biomed. Opt., 27, N 7 (2022) 083009(1—14)A. Kim, B. Wilson. Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue, Springer, Dordrecht (2011) 267—319, doi:10.1007/978-90-481-8831-4_8A. Kim, B. Wilson. Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue, Springer, Dordrecht (2011) 267—319, doi:10.1007/978-90-481-8831-4_8A. Sanchez-Cano, J. Saldana-Diaz, L. Perdices, I. Pinilla. Appl. Opt., 59, N 13 (2020) D111—D117A. Sanchez-Cano, J. Saldana-Diaz, L. Perdices, I. Pinilla. Appl. Opt., 59, N 13 (2020) D111—D117T. J. Farrell, M. S. Patterson, B. C. Wilson. Med. Phys., 19, N 4 (1992) 881—888T. J. Farrell, M. S. Patterson, B. C. Wilson. Med. Phys., 19, N 4 (1992) 881—888Y. Yamada, H. Suzuki, Y. Yamashita. Appl. Sci., 9, N 6 (2019) 1127Y. Yamada, H. Suzuki, Y. Yamashita. Appl. Sci., 9, N 6 (2019) 1127T. J. Farrell, M. S. Patterson. J. Biomed. Opt., 6, N 4 (2001) 468—473T. J. Farrell, M. S. Patterson. J. Biomed. Opt., 6, N 4 (2001) 468—473H. Jensen, S. Marschner, M. Levoy, P. Hanrahan. Proceedings of the 28th Annual Conf. Computer Graphics and Interactive Techniques, ACM Press, New York (2001) 511—518H. Jensen, S. Marschner, M. Levoy, P. Hanrahan. Proceedings of the 28th Annual Conf. Computer Graphics and Interactive Techniques, ACM Press, New York (2001) 511—518K. Vishwanath, K. Chang, D. Klein, Y. F. Deng, V. Chang, J. E. Phelps, N. Ramanujam. Appl. Spectrosc., 62, N 2 (2011) 206—215K. Vishwanath, K. Chang, D. Klein, Y. F. Deng, V. Chang, J. E. Phelps, N. Ramanujam. Appl. Spectrosc., 62, N 2 (2011) 206—215H. Liut, A. Boast, Y. Zhangt, A. G. Yodh, B. Chance. Phys. Med. Biol., 40, N 11 (1995) 1983—1993H. Liut, A. Boast, Y. Zhangt, A. G. Yodh, B. Chance. Phys. Med. Biol., 40, N 11 (1995) 1983—1993Y.-W. Ri, S.-H. Jong, S.-J. Im. arXiv preprint arXiv:1409.4246 (2014) 1—9Y.-W. Ri, S.-H. Jong, S.-J. Im. arXiv preprint arXiv:1409.4246 (2014) 1—9A. Kienle, M. S. Patterson. J. Opt. Soc. Am. A: Opt. Imag. Sci. Vis., 14, N 1 (1997) 246—254A. Kienle, M. S. Patterson. J. Opt. Soc. Am. A: Opt. Imag. Sci. Vis., 14, N 1 (1997) 246—254R. Haskell, L. O. Svaasand, T. Tsay, T. C. Feng, M. S. McAdams, B. J. Tromberg. J. Opt. Soc. Am. A: Opt. Imag. Sci. Vis., 11, N 10 (1994) 2727—2741R. Haskell, L. O. Svaasand, T. Tsay, T. C. Feng, M. S. McAdams, B. J. Tromberg. J. Opt. Soc. Am. A: Opt. Imag. Sci. Vis., 11, N 10 (1994) 2727—2741A. Pifferi, J. Swartling, E. Chikoidze, A. Torricelli, P. Taroni, A. Bassi, S. Andersson-Engels, R. Cubeddu. J. Biomed. Opt., 9, N 6 (2004) 1143—1151A. Pifferi, J. Swartling, E. Chikoidze, A. Torricelli, P. Taroni, A. Bassi, S. Andersson-Engels, R. Cubeddu. J. Biomed. Opt., 9, N 6 (2004) 1143—1151J. Swartling, J. Dam, S. Andersson-Engels. Appl. Opt., 42, N 22 (2003) 4612—4620J. Swartling, J. Dam, S. Andersson-Engels. Appl. Opt., 42, N 22 (2003) 4612—4620S. Fantini, A. Sassaroli. Front in Neurosci., 14, N 4 (2020) 1—18S. Fantini, A. Sassaroli. Front in Neurosci., 14, N 4 (2020) 1—18G. Blaney, R. Donaldson, S. Mushtak, H. Nguyen, L. Vignale, C. Fernandez, T. Pham, A. Sassaroli, S. Fantini. Appl. Sci. (Basel), 11, N 4 (2021) 1—14G. Blaney, R. Donaldson, S. Mushtak, H. Nguyen, L. Vignale, C. Fernandez, T. Pham, A. Sassaroli, S. Fantini. Appl. Sci. (Basel), 11, N 4 (2021) 1—14O. Hotra, V. Firago, K. Shuliko, P. Kisała. Electronics, 12, N 13 (2023) 2893O. Hotra, V. Firago, K. Shuliko, P. Kisała. Electronics, 12, N 13 (2023) 2893В. А. Фираго. Журн. прикл. спектр., 91, № 1 (2024) 107—123 [V. A. Firago. J. Appl. Spectr., 91, N 1 (2024) 94—109]В. А. Фираго. Журн. прикл. спектр., 91, № 1 (2024) 107—123 [V. A. Firago. J. Appl. Spectr., 91, N 1 (2024) 94—109]V. A. Firago, N. V. Levkovich, K. I. Shuliko. Devices and Methods of Measurements, 13, N 2 (2022) 50—59V. A. Firago, N. V. Levkovich, K. I. Shuliko. Devices and Methods of Measurements, 13, N 2 (2022) 50—59E. Dervieux, Q. Bodinier, W. Uhring, M. Theron. J. Biomed. Opt., 25, N 10 (2020) 1—15E. Dervieux, Q. Bodinier, W. Uhring, M. Theron. J. Biomed. Opt., 25, N 10 (2020) 1—15R. Nachabé, D. J. Evers, B. H. Hendriks, G. W. Lucassen, M. van der Voort, J. Wesseling, T. J. Ruers. Biomed. Opt. Express, 2, N 3 (2011) 600—614R. Nachabé, D. J. Evers, B. H. Hendriks, G. W. Lucassen, M. van der Voort, J. Wesseling, T. J. Ruers. Biomed. Opt. Express, 2, N 3 (2011) 600—614N. Rajaram, A. Gopal, X. Zhang, J. W.Tunnell. Laser Surg. Med., 42, N 7 (2010) 680—688N. Rajaram, A. Gopal, X. Zhang, J. W.Tunnell. Laser Surg. Med., 42, N 7 (2010) 680—688L. Luo, M. Liu. J. Endocrinol., 231, N 3 (2016) R77—R99 [49] Т. И. Романцева. Ожирение и метаболизм, 18, № 3 (2021) 282—301L. Luo, M. Liu. J. Endocrinol., 231, N 3 (2016) R77—R99 [49] Т. И. Романцева. Ожирение и метаболизм, 18, № 3 (2021) 282—301

The authors declare that there are no conflicts of interest present.