pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-2-177-187pimi-312Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРОВ СПЕКЛ-ПЯТЕН И ИХ КОНТРАСТА ОТ БИОФИЗИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ БИОТКАНИDEPENDENCE OF THE SPECKLE-PATTERNS SIZE AND THEIR CONTRAST ON THE BIOPHYSICAL AND STRUCTURAL PARAMETERS OF BIOLOGICAL TISSUESАбрамовичН. Д.AbramovichN. D.

Адрес для переписки: Абрамович Н.Д. - Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, П. Бровки, 6, Минск 220013, Беларусь     e-mail: fitix@yandex.ru

Address for correspondence: Abramovich N.D. - Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Brovki str., 6, Minsk 220013, Belarus     e-mail: fitix@yandex.ru

fitix@yandex.ruДикС. К.DickS. K.Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиБеларусьBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsBelarus20170906201782177187Copyright © Абрамович Н.Д., Дик С.К., 20172017Абрамович Н.Д., Дик С.К.Abramovich N.D., Dick S.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/312

Спекл-поля широко используются для оптической диагностики биотканей и оценки функционального состояния биообъектов. Спекл-поле, образованное рассеянным от исследуемого объекта лазерным излучением, несет информацию о средних размерах рассеивателей, степени шероховатости поверхности, структурных и биофизических параметрах отдельных клеток (частиц) ткани, с одной стороны, и об интегральных оптических характеристиках всей толщи биоткани, с другой стороны. Цель данной работы – установление связей между биофизическими и структурными характеристиками биоткани и световыми полями внутри биотканей.

Разработанная нами модель среды дает прямую связь между оптическими и биофизическими параметрами биоткани. Расчеты проводились с использованием известных решений уравнения переноса излучения, учитывающих многослойную структуру биоткани, многократное рассеяние в среде и многократное переотражение излучения между слоями.

С ростом длины волны размер спеклов, образованных нерассеянной компонентой (прямой свет) лазерного излучения, увеличивается в 2 раза – от 400 до 800 мкм в роговом слое, в 5 раз – от 0,6 до 3 мкм для эпидермиса и от 0,27 до 1,4 мкм для дермы. Типичные значения размеров спеклов, образованных дифракционной составляющей лазерного излучения, для рогового слоя и эпидермиса находятся в диапазоне от 0,02 до 0,15 мкм. Для дермы типичными являются спекл-пятна размерами до 0,03 мкм. Размер спекл-пятен диффузионной составляющей в дерме варьируется в пределах от ±10 % при 400 нм и до ±23 % для 800 нм при изменении величины объемной концентрации капилляров крови. Получены характерные зависимости и обсуждены биофизические факторы, связанные с биофизическими характеристиками биоткани, которые влияют на контраст спекл-структуры в дерме.

Значения размеров спеклов в слоях биоткани варьируются от долей микрометра до миллиметра. Установленная зависимость позволяет определить глубину проникновения излучения в биоткань, исходя из размеров спеклов. Расчет контраста спекл-структуры рассеянного излучения в видимом диапазоне на различной глубине в биоткани позволил установить зависимость величины контраста интерференционной картины от степени оксигенации крови и объемной концентрации капилляров в дерме.

Speckle fields are widely used in optical diagnostics of biotissues and evaluation of the functional state of bioobjects. The speckle field is formed by laser radiation scattered from the object under study. It bears information about the average dimensions of the scatterers, the degree of surface roughness makes it possible to judge the structural and biophysical characteristics of individual tissue cells (particles), on the one hand, and the integral optical characteristics of the entire biological tissue. The aim of the study was – the determination of connections between the biophysical and structural characteristics of the biotissue and the light fields inside the biotissues.

The model developed of the medium gives a direct relationship between the optical and biophysical parameters of the biotissue. Calculations were carried out using known solutions of the radiation transfer equation, taking into account the multilayer structure of the tissue, multiple scattering in the medium, and multiple reflection of irradiation between the layers.

With the increase wavelength, the size of speckles formed by the non-scattered component (direct light) of laser radiation increases by a factor of 2 from 400 to 800 μm in the stratum corneum and 5 times from 0.6 to 3 μm for the epidermis and from 0.27 to 1.4 μm to the dermis. Typical values of sizes of speckles formed by the diffraction component of laser radiation for the stratum corneum and epidermis range from 0.02 to 0.15 μm. For the dermis typical spot sizes are up to 0.03 μm. The speckle-spot size of the diffusion component in the dermis can vary from ±10 % at 400 nm and up to ±23 % for 800 nm when the volume concentration of blood capillaries changes. Characteristic dependencies are obtained and biophysical factors associated with the volume concentration of blood and the degree of it’s oxygenation that affect the contrast of the speckle structure in the dermis are discussed.

The of speckles׳ size in the layers of tissue varies from a share of micrometer to millimeter. The established dependence makes it possible to determine the depth of penetration of light into the biotissue based on the dimensions of speckles. Calculation of the contrast of the speckle structure of scattered light in visible spectral range at different depths in the biotissue made it possible to establish the dependence of the contrast value of the interference pattern on the degree of oxygenation of the blood and the volume concentration of capillaries in the dermis.

контрастобъемная концентрациябиотканькровьспекл-пятнаcontrastvolumetric concentrationbiological tissuebloodspeckle-patternsReferencesБарун, В.В. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека / В.В. Барун, А.П. Иванов, А.В. Волотовская, В.С. Улащик // Журнал прикладной спектроскопии. – 2007. – Т. 74, № 3. – С. 387–394.Barun V.V., Ivanov A.P., Volotovskaya A.V., Ulashchik V.S. Absorption spectra and light penetration depth of normal and pathologically altered human skin. Journal Applied Spectroscopy, 2007, vol. 74, no. 3, pp. 430–439. doi: 10.1007/s10812-007-0071-2Дик, С.К. Лазерно-оптические методы и технические средства контроля функционального состояния биообъектов / С.К. Дик. – Минск : БГУИР, 2014. – 235 с.Dick, S.К. Laserno-opticheskie metody i tekhnicheskie sredstva kontrolya funktsional'nogo sostoyaniya bioob'ektov[Laser-optical methods and technical means of verification of the functional state of biological objects]. Minsk, BSUIR Publ., 2014, 235 p. (in Russian). ISBN: 978-985-543-027-9Тучин, В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях / В.В. Тучин. – Саратов : Изд-во Саратов. гос. ун-та, 1998. – 478 с.Tuchin V.V. Lazery i volokonnaya optika v biomeditsinskikh issledovaniyakh [Lasers and fiber optics in biomedical research]. Saratov, Izd. Saratov. Univer., 1998, 478 p. (in Russian). ISBN: 978-5-9221-1278-9Van Gemert, M.J.C. Skin optics / M.J.C. Van Gemert, S.L. Jacques, H.J.C.M. Sterenborg, W.M. Star // IEEE Trans. Biomed. Eng. – 1989. – Vol. 36, no. 12. – Р. 1146–1154.Van Gemert M.J.C., Jacques S.L., Sterenborg H.J.C.M., Star W.M. Skin optics. IEEE Trans. Biomed. Eng, 1989, vol. 36, no. 12, pp. 1146–1154. doi: 10.1109/10.42108Барун, В.В. Световые и тепловые поля в многослойной ткани кожи при лазерном облучении / В.В. Барун, А.П. Иванов // Оптика и спектроскопия. – 2006. – Т. 100, № 1. – С. 149–157.Barun V.V., Ivanov A.P. Light and thermal fields in multilayer skin tissue exposed to laser irradiation. Optics and Spectroscopy, 2006, vol. 100, no. 1, pp. 139–147. doi: 10.1134/S0030400X06010231Петрук, В.Г. Спектрофотометрический метод дифференциации меланомы кожи человека. I. Коэффициент диффузного отражения света / В.Г. Петрук, А.П. Иванов, С.М. Кватернюк, В.В. Барун // Журнал прикладной спектроскопии. – 2016. – Т. 83, № 1. – С. 96–105.Petruk V.G., Ivanov A.P., Kvaternyuk S.M., Barun V.V. Spectrophotometric method for differentiation of human skin melanoma. II. Diagnostic characteristics. Journal of Applied Spectroscopy, 2016, vol. 83, no. 2, pp. 261–270. doi: 10.1007/s10812-016-0279-0Петрук, В.Г. Спектрофотометрический метод дифференциации меланомы кожи человека. II. Диагностические характеристики / В.Г. Петрук, А.П. Иванов, С.М. Кватернюк, В.В. Барун // Журнал прикладной спектроскопии. – 2016. – Т. 83, № 2. – С. 283–293.Petruk V.G., Ivanov A.P., Kvaternyuk S.M., Barun V.V. Spectrophotometric method for differentiation of human skin melanoma. I. Optical Diffuse Reflection Coefficient. Journal of Applied Spectroscopy, 2016, vol. 83, no. 1, pp. 85–92. doi: 10.1007/s10812-016-0247-8Оптическая и биомедицинская диагностика : в 2 т. / под ред. В.В. Тучина. – М. : Физмалит, 2007. – 378 с.Opticheskaya i biomeditsinskaya diagnostika [Optical and biomedical diagnostics], 2 vols, ed. By V.V. Tuchina. Moskow, Fizmalit. Publ., 2007. (in Russian) ISBN: 978-5-9221-0777-8Иванов, А.П. О спекл-структуре светового поля в дисперсной среде, освещенной лазерным излучением / А.П. Иванов, И.Л. Кацев // Квантовая электроника. – 2005. – Т. 35, № 7. – С. 670–674.Ivanov A.P., Katsev I.L. On the speckle structure of light field in disperse medium illuminated by a laser beam. Quant. Electron., 2005, vol. 35, no. 7, pp. 670– 674 (in Russian). doi: 10.1070/QE2005v035n07ABEH002835Барун, В.В. Моделирование спекл-структуры светового поля внутри многослойной ткани кожи / В.В. Барун, С.К. Дик, А.П. Иванов, Н.Д. Абрамович // Инженерно-физический журнал. – 2013. – Т. 86, № 6. – С. 1288–1295.Barun V.V., Dick S.K., Ivanov A.P., Abramovich N.D. Modeling of the light speckle field structure inside a multilayer human skin tissue. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 6, pp. 1370–1378. doi: 10.1007/s10891-013-0962-4Барун, В.В. Тепловое воздействие короткого импульса света на биологические ткани. I. Оптикотепло-физическая модель / В.В. Барун, А.П. Иванов // Биофизика. – 2004. – Т. 49, № 6. – С. 1125–1133.Barun V.V., Ivanov A.P. Light absorption in blood during low-intensity laser irradiation of skin. Biophizika, 2004, vol. 40, no. 4, pp. 371–376. doi: 10.1070/QE2010v040n04ABEH013776Хайруллина, А.Я. Банк данных по оптическим и биофизическим свойствам крови, биотканей и биожидкостей в видимой и ближней ИК-области спектра / А.Я. Хайруллина [и др.] // Оптический журнал. – 1997. – Т. 64, № 3. – С. 34–38.Khayrullina A.Y., Oleynik T.V, Bui L.M., Artishevskaya N.I., Prigun N.N., Sevkovsky Y.I., Mohort T.V. Data bank of optical properties of biological tissue and blood in the visible and near infrared spectral region. Laser-Tissue Interaction and Tissue Optics II, 1996, vol. 2923, pp. 79–85. doi: 10.1117/12.260725Jacques, S.L. Optical properties of biological tissues: a review / S.L. Jacques Physics Medicine Biology. – 2013. – Vol. 58, no. 1. – Р. R37–R61.Jacques S.L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics Medicine Biology, 2013, vol. 58, no. 1, pp. R37–R61. doi: 10.1088/0031-9155/58/11/R37Vercruysse, W. Modelling light distributions of homogeneous versus discrete absorbers in light irradiated turbid media / W. Vercruysse [et al.] // Physics in medicine and biology. – 1997. – Vol. 42. – Р. 51–65.Vercruysse W., Lucassen G.W., de Boer J.F., Smithies D.J., Nelson J.S., van Gemert M.J.C. Modelling light distributions of homogeneous versus discrete absorbers in light irradiated turbid media. Physics in medicine and biology, 1997, vol. 42, pp. 51–65. doi: 10.1088/0031-9155/42/1/003Talsma, A. Corrections for inhomogeneities in biological tissue caused by blood vessels / A. Talsma,B. Chance, R. Graaff // Journal of the Optical Society of America A. – 2001. – Vol. 18, no. 4. – Р. 932–939.Talsma A., Chance B., Graaff R. Corrections for inhomogeneities in biological tissue caused by blood vessels. Journal of the Optical Society of America A, 2001, vol. 18, no. 4, pp. 932–939. doi: 10.1364/JOSAA.18.000932Meinke, M. Optical properties of platelets and blood plasma and their influence on the optical behavior of whole blood in the visible to near infrared wavelength range / M. Meinke, G. Müller, J. Helfmann, M. Friebel // Journal of Biomedical Optics. – 2007. – Т. 12, no. 1. – Р. 014024-1–014024-9.Meinke M., Müller G., Helfmann J., Friebel M. Optical properties of platelets and blood plasma and their influence on the optical behavior of whole blood in the visible to near infrared wavelength range. Journal of Biomedical Optics, 2007, vol. 12, no. 1, pp. 0140241–014024-9. doi: 10.1117/1.2435177Finlay, J.C. Effect of pigment packaging on diffuse reflectance spectroscopy of samples containing red blood cells / J.C. Finlay, T.H. Foster // Optics Letters, – 2004. – Vol. 29, no. 9. – Р. 965–967.Finlay J.C., Foster T.H. Effect of pigment packaging on diffuse reflectance spectroscopy of samples containing red blood cell. Optics Letters, 2004, vol. 29, no. 9, pp. 965–967. doi: 10.1364/OL.29.000965Барун, В.В. Локализованное поглощение света гемоглобинами суспензии эритроцитов / В.В. Барун, А.П. Иванов // Журнал прикладной спектроскопии. 2009. – Т. 76, № 4. – C. 516–524.Barun V.V., Ivanov A.P. The localized light absorption by hemoglobin erythrocyte suspension. Journal Applied Spectroscopy, 2009, vol. 76, no. 4, pp. 487–496. doi: 10.1007/s10812-009-9234-7Абрамович, Н.Д. Методика определения объемной концентрации крови по контрасту интерференционной картины внутри биоткани / Н.Д. Абрамович, С.К. Дик // Доклады БГУИР. – 2016. – Т. 100, № 6. – С. 117–120.Abramovich N.D., Dick S.K. Methods of determining the volume of blood concentration of the contrast of the interference pattern in biological tissues. BSUIR Reports, 2016, vol. 100, no. 6, pp. 117–120 (in Russian). ISSN 1729-7648.http://doklady.bsuir.by/m/12_104571_1_107964.pdfАбрамович, Н.Д. Методика определения степени оксигенации крови по контрасту интерференционной картины внутри биоткани / Н.Д. Абрамович, С.К. Дик // Доклады БГУИР. – 2016. – Т. 101, № 7. – С. 326–330.Abramovich N.D., Dick S.K. Methods of determining the degree of oxygenation of the contrast of the interference pattern in biological tissues. BSUIR Reports, 2016, vol. 101, no. 7, pp. 326–330 (in Russian). ISSN 1729-7648.http://doklady.bsuir.by/m/12_104571_1_110089.pdf

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