Обоснование выбора параметров эллипсоидальных рефлекторов биомедицинских фотометров

Информационно-измерительные системы биомедицинских фотометров с эллипсоидальными рефлекторами показали приемлемые результаты при определении оптических свойств биологических тканей в видимом и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Такие фотометры позволяют исследовать распространение оптического излучения в мутных средах при прямой и инверсной задачах оптики светорассеяния. Целью данной работы являлось исследование влияния конструктивных параметров эллипсоидальных рефлекторов на результаты биомедицинской фотометрии при симуляции распространения оптического излучения в системе биологической ткани и рефлекторов.

В работе обоснован выбор фокального параметра эллипсоидальных рефлекторов для эффективной регистрации рассеянного вперёд и назад света. Методика процесса проиллюстрирована результатами модельного эксперимента при использовании метода Монте-Карло для образцов белого и серого вещества мозга человека на длинах волн видимого диапазона 405 нм, 532 нм и 650 нм. Получены графики зависимости полного пропускания, диффузного отражения и поглощения в зависимости от толщины исследуемого образца. На основе введённых понятий показателя эффективности и коэффициента эффективности проанализирована целесообразность выбора фокального параметра эллипсоидальных рефлекторов для обеспечения регистрации максимального количества рассеянного света. Получены графики показателей эффективности в отражённом и прошедшем свете для разнотолщинных образцов белого и серого веществ, а также коэффициентов эффективности в зависимости от толщины образца. Проанализировано влияние эллиптичности рефлекторов на освещённость различных зон фотометрических изображений на примере поглощающей биологической среды – ткани печени свиньи – на длине волны 405 нм при симуляции Монте-Карло.

Оптические свойства биологических сред (коэффициенты рассеяния и поглощения, коэффициент анизотропии рассеяния, показатель преломления) и геометрические размеры образцов, в частности толщина, предопределяют выбор параметров эллипсоидальных рефлекторов для регистрации рассеянного света. Координаты выхода фотонов и их статистический вес, полученные при моделировании распространения света в биологической ткани методом Монте-Карло, оказывают физическое влияние на формирование характерного пятна рассеяния в приёмной плоскости биомедицинского фотометра.

1. Tuchin V.V. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics, In 2 vol., vol. 1. Bellingham. WA. USA, 2016, 864 p. DOI: 10.1117/3.2219603

2. Meglinski I. Biophotonics for Medical Applications 1st Edition. Woodhead Publishing, 2014, 402 p.

3. Bezuglyi M.A., Bezuglaya N.V. Ellipsoidal reflectors in biomedical diagnostic. Biophotonics, Riga, 2013, vol. 9032. DOI: 10.1117/12.2044606

4. Bezuglyi М.А., Pavlovets N.V. Optical Biometry of Biological Tissues by Ellipsoidal Reflectors in Clinical and Biomedical Spectroscopy and Imaging III. Optical Society of America, 2013, vol. 8798, p. 87980Q. DOI: 10.1117/12.2031142

5. Bezuglyi M.A., Yarych А.V., Botvinovskii D.V. On the possibility of applying a mirror ellipsoid of revolution to determining optical properties of biological tissues. Optics and Spectroscopy, 2012, vol. 113, no. 1, pp. 101–107. DOI: 10.1134/S0030400X12070053

6. Morris P. Biomedical imaging: applications and advances. Woodhead publishing series in biomaterials. Cambridge. Waltham: Elsevier WP, 2014, no. 63, pp. 307–318.

7. Wang L., Jacques S.L. Optimized radial and angular positions in Monte Carlo modeling. Med. Phys., 1994, vol. 21(7), pp. 1081–1083.

8. Yaroslavskij I.V., Tuchin V.V. Optics and spectroscopy, 1992, no. 4(72), pp. 934–939 (in Russian).

9. Ivanov Yu.S., Monsar O.O., Synyavskyj I.I. Production of deep aspherics by trajectory copying and its application. Bulletin of NTUU “KPI ”. Instrument making, 2004, vol. 28, pp. 24–28 (in Ukrainian).

10. Lister T., Wright P.A., Chappell P.H. Optical properties of human skin. J. Biomed. Opt., 2012, no. 17(9), pp. 090901. DOI: 10.1117/1.JBO.17.9.090901

11. Symmons A., Lifshotz M. Field Guide to Infrared Optical Materials. SPIE PRESS: Bellingham Publ., Washington, 2021, 210 p.

12. Friz M., Waibel F. Coating materials. Optical Interference Coatings. Springer-Verlag Publ., 2003, pp. 105–130.

13. Okatov M.A., Antonov E.A., Bajgozhin A. Directory of optician-technologist. 2nd ed. SPb: Politekhnika Publ., 2004, 679 p.

14. Zinchenko V.F., Antonovych V.P., Magunov I.R., Kocherba G.I., Sobol V.P., Mozkova O.V., Gorshtejn B.A. Film-forming materials and multilayer coatings of interference optics of technological IR lasers. Science and innovation, 2009, pp. 5–10 (in Ukrainian).

15. Putilin E.S. Optical coatings. Tutorial: SPbGUITMO Publ., 2005, 199 p.

16. Naba K.S., Sahoo N.K., Kumar S., Tokas R.B., Jen S., Thakur S., Reddy G.L.N. Postanalyses of an optical multilayer interference filter using numerical reverse synthesis and Rutherford backscattering spectrometry. Applied Optics, 2013, vol. 52, no. 10, pp. 2102–2115. DOI: 10.1364/AO.52.002102

17. Field E.S., Bellum J.C., Kletecka D.E. Repair of a Mirror Coating on a Large Optic for High Laser-Damage Applications Using Ion Milling and over-Coating Methods. Laser-Induced Damage in Optical Materials, 2016, no. 56(1). DOI: 10.1117/1.OE.56.1.011002

18. Agcayazi T., Chatterjee K., Bozkurt A., Ghosh T.K. Flexible Interconnects for Electronic Textiles. Advanced Materials Technologies, 2018, no. 3(10), 32 p. DOI: 10.1002/admt.201700277

19. Wang L., Lihong W., Jacques S.L., Zheng L. CONV – convolution for responses to a finite diameter photon beam incident on multi-layered tissues. Computer methods and programs in biomedicine, 1997, vol. 54, pp. 141–150.

20. Pawley J.B. Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3rd ed. By James B. Pawley, Editor. Springer Science & Business Media: LLC, New York, 2006, 985 p.

21. Yaroslavsky A.N., Schulze P.C., Yaroslavsky I.V., Schober R., Ulrich F., Schwarzmaier H.J. Optical properties of selected native and coagulated human brain tissues in vitro in the visible and near infrared spectral range. Phys Med. Biol., 2002, vol. 47, no. 12, pp. 2059−2073. DOI: 10.1088/0031-9155/47/12/305

22. Caigang Z., Quan L. Review of Monte Carlo modeling of light transport in tissues. J. of Biomedical Optics, 2013, no. 18(5), pp. 050902-1–050902-12. DOI: 10.1117/1.JBO.18.5.050902

23. Bezuglyi M.A., Bezuglaya N.V., Helich I.V. Ray tracing in ellipsoidal reflectors for optical biometry of media. Appl Opt., 2017, no. 56(30), pp. 8520–8526. DOI: 10.1364/AO.56.008520

24. Xue L.L., Zhang C.P., Wang X.Y., Zhu M.-Yao, Zhang L.S., Chi R.H., Zhang J.D., Zhang G.Y. Monte Carlo simulation of light transport in five-layered skin tissue. Chin. Phys. Lett., 2000, vol. 17, no. 12, pp. 909–911. DOI: 10.1088/0256-307X/17/12/019

25. Bezuglyi M., Bezuglaya N. Raman spectroscopy principles for in vivo diagnostic by ellipsoidal reflectors. Electrical, Control and Communication Engineering, 2019, vol. 15, no. 1, pp. 39–46. DOI: 10.2478/ecce-2019-0006

26. Bezuglyi M., Bezuglaya N., Kostuk S. Influence of laser beam profile on light scattering by human skin during photometry by ellipsoidal reflectors. Devices and Methods of Measurements, 2018, vol. 9, no. 1, pp. 56–65. DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-1-56-65

27. Ritz J.-P., Roggan A., Isbert Ch., Muеller G., Buhr H.J., Germer Ch.-T. Optical Properties of Native and Coagulated Porcine Liver Tissue Between 400 and 2400 nm. Lasers in Surgery and Medicine, 2001, vol. 29, no. 3, pp. 205–212. DOI: 10.1002/lsm.1134

28. Budagovskij A.V. Distant cell-to-cell communication. Monograph. M.: NPLC “Technique Publ.”, 2004, 104 p.

29. Fuerschbach K., Jannick P.R., Thompson K.P. A new family of optical systems employing φ-polynomial surface. Opt. Express, 2011, vol. 19, iss. 22, pp. 21919– 21928. DOI: 10.1364/OE.19.021919

30. López-Gil N., Fernández-Sánchez V., Legras R., Montés-Micó R., Lara F., Nguyen-Khoa J.-L. Accommodation-Related Changes in Monochromatic Aberrations of the Human Eye as a Function of Age. Investigative ophthalmology & visual science, 2008, no. 49, pp. 1736–1743. DOI: 10.1167/iovs.06-0802