zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-444Research ArticleСтатьиСРАВНЕНИЕ НЕСКОЛЬКИХ СХЕМ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА ПО РАССЕЯННОМУ СВЕТУCOMPARISON OF SEVERAL METHODS FOR NON-INVASIVE DIAGNOSTICS OF HUMAN SKIN PARAMETERS BY THE SCATTERED LIGHTИвановА. П.IvanovA. P.

220072, Минск

Minsk, 220072

ivanovap@dragon.bas-net.byИнститут физики НАН БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus202012032020871513Copyright © Иванов А.П., 20202020Иванов А.П.Ivanov A.P.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/444

Оценены возможности определения структурных и биофизических параметров кожного покрова по спектрам рассеянного света. Рассмотрены схемы измерения коэффициента диффузного отражения, коэффициентов яркости ко- и кроссполяризованного излучения, обратно рассеянного биотканью, и пространственной освещенности на некотором удалении от источника. Предложены алгоритмы восстановления объемных концентраций меланина и кровеносных сосудов, толщины эпидермиса, степени оксигенации крови и среднего диаметра капилляров. Показано, что первые две схемы дают примерно одинаковые характеристики решения обратной задачи, хотя поляризационные измерения несколько устойчивее к экспериментальным погрешностям. Анализ такого подобия продемонстрировал, что оно обусловлено особенностями оптических свойств слоев кожи. Наиболее предпочтительной оказалась третья экспериментальная схема, которая устойчива к погрешностям, обладает существенно более высокой чувствительностью к степени оксигенации крови и среднему диаметру капилляров и позволяет восстанавливать все искомые параметры кожи с приемлемой для практики точностью.

Possibilities of determining of the skin structural and biophysical parameters by the spectra of scattered light are estimated. The measurement schemes for the diffuse reflectance, brightness coefficients of co- and crosspolarized radiation, backscattered by biological tissue, and spatial illumination at some distance from the source are considered. Retrieval algorithms of volumetric concentrations of melanin and blood vessels, the thickness of the epidermis, the degree of blood oxygenation and the average diameter of the capillaries are proposed. It is shown that the first two schemes give approximately the same characteristics of the solution of the inverse problem, although polarization measurements are somewhat more resistant to experimental errors. An analysis of this similarity has demonstrated that it is due to the features of the spectral optical properties of the skin layers. The third experimental scheme, which is resistant to errors, has a significantly higher sensitivity to the degree of blood oxygenation and the average diameter of the capillaries and allows you to retrieve all the desired skin parameters with acceptable for practice accuracy, turned out to be the most preferred.

параметры кожикровеносные сосудымеланиндермаэпидермискоэффициенты яркости и диффузного отражения светаполяризацияskin parametersblood vesselsmelanindermisepidermisbrightness and diffuse light reflection coefficientspolarizationРабота выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (договоры № Ф07К-047 и № Ф09ГКНТ-004).ReferencesА. А. Стратонников, Н. В. Ермишова, В. Б. Лощенов. Квант. электрон., 32 , № 10 (2002) 917—922А. А. Стратонников, Н. В. Ермишова, В. Б. Лощенов. Квант. электрон., 32 , № 10 (2002) 917—922В. И. Кравченко, С. А. Мамилов, Ю. С. Плаксий, C. С. Есьман, Н. С. Казак, А. А. Рыжевич. Журн. прикл. спектр., 72 , № 1 (2005) 119—123 [ V. I. Kravchenko, S. A. Mamilov, Yu. S. Plaksiy, S. S. Yesman, N. S. Kazak, A. A. Ryzhevich. J. Appl. Spectr., 72 (2005) 126—131]В. И. Кравченко, С. А. Мамилов, Ю. С. Плаксий, C. С. Есьман, Н. С. Казак, А. А. Рыжевич. Журн. прикл. спектр., 72 , № 1 (2005) 119—123 [ V. I. Kravchenko, S. A. Mamilov, Yu. S. Plaksiy, S. S. Yesman, N. S. Kazak, A. A. Ryzhevich. J. Appl. Spectr., 72 (2005) 126—131]Б. Дэвисон. Теория переноса нейтронов, Москва, Атомиздат (1960)Б. Дэвисон. Теория переноса нейтронов, Москва, Атомиздат (1960)А. Вейнберг, Е. Вигнер. Физическая теория ядерных реакторов, Москва, Иностр. лит. (1961)А. Вейнберг, Е. Вигнер. Физическая теория ядерных реакторов, Москва, Иностр. лит. (1961)А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, Москва, Мир, 1 (1981) 195А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, Москва, Мир, 1 (1981) 195W. Cui, L. E. Ostrander, B. Y. Lee. IEEE Trans. Biomed. Engin., 17 , N 2 (1990) 632—639W. Cui, L. E. Ostrander, B. Y. Lee. IEEE Trans. Biomed. Engin., 17 , N 2 (1990) 632—639V. V. Barun, A. P. Ivanov. Proc. SPIE, 6535 (2007) 1—12V. V. Barun, A. P. Ivanov. Proc. SPIE, 6535 (2007) 1—12А. П. Иванов, В. В. Барун. Опт. и спектр., 104 , № 2 (2008) 344—351А. П. Иванов, В. В. Барун. Опт. и спектр., 104 , № 2 (2008) 344—351А. Н. Башкатов, Э. А. Генина, В. И. Кочубей, В. В. Тучин. Опт. и спектр., 99 , № 5 (2005) 870—876А. Н. Башкатов, Э. А. Генина, В. И. Кочубей, В. В. Тучин. Опт. и спектр., 99 , № 5 (2005) 870—876Э. П. Зеге, А. П. Иванов, И. Л. Кацев. Перенос изображения в рассеивающей среде, Минск, Наука и техника (1975)Э. П. Зеге, А. П. Иванов, И. Л. Кацев. Перенос изображения в рассеивающей среде, Минск, Наука и техника (1975)M. Meinke, G. Muller, J. Helfman, M. Friebel. Appl. Opt., 46 , N 10 (2007) 1742—1753M. Meinke, G. Muller, J. Helfman, M. Friebel. Appl. Opt., 46 , N 10 (2007) 1742—1753S. L. Jacques, J. C. Ramella-Roman, K. Lee. J. Biomed. Opt., 7 , N 3 (2002) 329—340S. L. Jacques, J. C. Ramella-Roman, K. Lee. J. Biomed. Opt., 7 , N 3 (2002) 329—340Барун В. В., А. П. Иванов, А. В. Волотовская, В. С. Улащик. Журн. прикл. спектр., 74 , № 3 (2007) 387—394 [ V. V. Barun, A. P. Ivanov, A. V. Volotovskaya, V. S. Ulashchik. J. Appl. Spectr., 74 (2007) 430—439]Барун В. В., А. П. Иванов, А. В. Волотовская, В. С. Улащик. Журн. прикл. спектр., 74 , № 3 (2007) 387—394 [ V. V. Barun, A. P. Ivanov, A. V. Volotovskaya, V. S. Ulashchik. J. Appl. Spectr., 74 (2007) 430—439]В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 96 , № 6 (2004) 1019—1022В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 96 , № 6 (2004) 1019—1022В. В. Барун, А. П. Иванов. Альманах клинической медицины, XVII , ч. 1 (2008) 20—23В. В. Барун, А. П. Иванов. Альманах клинической медицины, XVII , ч. 1 (2008) 20—23А. П. Иванов, В. В. Барун, В. П. Дик, В. Г. Петрук, С. М. Кватернюк, И. В. Васильковский. II Всеукраинский съезд экологов. Сб. науч. ст., под ред. Б. И. Мокина, ВНТУ, Винница (2009) 291—294А. П. Иванов, В. В. Барун, В. П. Дик, В. Г. Петрук, С. М. Кватернюк, И. В. Васильковский. II Всеукраинский съезд экологов. Сб. науч. ст., под ред. Б. И. Мокина, ВНТУ, Винница (2009) 291—294А. П. Иванов. Оптика рассеивающих сред, Минск, Наука и техника (1969)А. П. Иванов. Оптика рассеивающих сред, Минск, Наука и техника (1969)В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 107 , № 6 (2009) 963—970В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 107 , № 6 (2009) 963—970L. T. Perelman, V. Backman. Proc. SPIE, 4241 (2001) 162—167L. T. Perelman, V. Backman. Proc. SPIE, 4241 (2001) 162—167В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 100 , № 1 (2006) 142—150В. В. Барун, А. П. Иванов. Опт. и спектр., 100 , № 1 (2006) 142—150В. В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, Саратов, изд-во Сарат. ун-та (1998)В. В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, Саратов, изд-во Сарат. ун-та (1998)http://omlc.ogi.edu/news/jan98/skinoptics.htmlhttp://omlc.ogi.edu/news/jan98/skinoptics.htmlИ. В. Меглинский, С. Д. Матчер. Опт. и спектр., 91 , № 4 (2001) 692—697И. В. Меглинский, С. Д. Матчер. Опт. и спектр., 91 , № 4 (2001) 692—697И. В. Меглинский. Квант. электрон., 31 , № 1 (2001) 1101—1107И. В. Меглинский. Квант. электрон., 31 , № 1 (2001) 1101—1107В. В. Барун, А. П. Иванов. Биофизика, 49 , № 6 (2004) 1125—1133В. В. Барун, А. П. Иванов. Биофизика, 49 , № 6 (2004) 1125—1133О. В. Бушмакова, Э. П. Зеге, И. Л. Кацев. Изв. АН СССР. Сер. физ. атм. океана, 8 , № 7 (1972) 711—719О. В. Бушмакова, Э. П. Зеге, И. Л. Кацев. Изв. АН СССР. Сер. физ. атм. океана, 8 , № 7 (1972) 711—719A. Kienle, T. Glanzman, G. Wagnieres, H. van den Bergh. Appl. Opt., 37 , N 28 (1998) 6852—6862A. Kienle, T. Glanzman, G. Wagnieres, H. van den Bergh. Appl. Opt., 37 , N 28 (1998) 6852—6862G. Alexandridis, T. J. Farrell, M. S. Patterson. Appl. Opt., 37 , N 31 (1998) 7401—7409G. Alexandridis, T. J. Farrell, M. S. Patterson. Appl. Opt., 37 , N 31 (1998) 7401—7409

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