danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2019-63-5-533-541dan-669Research ArticleФИЗИКАPHYSICSРегрессионно-аналитический расчет характеристик переноса излучения при флуоресцентной диагностике биологических средRegression and analytical calculations of radiative transfer for the fluorescent diagnostics of biological mediaЛысенкоС. А.LysenkoSergey A.

Лысенко Сергей Александрович - доктор физико-математических наук, доцент, заведующий центром, заместитель директора.

Ул. Ф. Скорины, 10, 220114, Минск

Lysenko Sergey Aleksandrovich - D. Sc. (Physics and Mathematics), Associate professor, Head of the Center, Deputy Director.

10, F. Skorina Str., 220114, Minsk

lysenkorfe@gmail.comКашицкийЭ. С.KashitskyEduard S.

Кашицкий Эдуард Степанович - кандидат медицинских наук, доцент, ведущий научный сотрудник.

Ул. Академическая, 28, 220072, Минск

Kashitsky Eduard Stepanovich - Ph. D. (Medicine), Associate professor, Leading researcher.

28, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

biblio@fizio.bas-net.byБогдановичО. Л.BogdanovichOlga L.

Богданович Ольга Леонидовна - директор.

Ул. Притыцкого, 62-206, 220140, Минск

Bogdanovich Olga Leonidovna - Director.

62-206, Pritytsky Str., 220140, Minsk

info@panto.byИнститут природопользования, Национальная академия наук БеларусиInstitute for Nature Management, National Academy of Sciences of BelarusИнститут физиологии, Национальная академия наук БеларусиInstitute of Physiology, National Academy of Sciences of BelarusУниверсальные технологии здоровьяUniversal Technologies of Health201906112019635533541Copyright © Лысенко С.А., Кашицкий Э.С., Богданович О.Л., 20192019Лысенко С.А., Кашицкий Э.С., Богданович О.Л.Lysenko S.A., Kashitsky E.S., Bogdanovich O.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/669

Представлено академиком В. А. Кульчицким

Предложен оперативный метод коррекции флуоресцентных изображений биологических сред на эффекты рассеяния и поглощения в них света. Для быстрых вычислений передаточной функции среды используется регрессионно-аналитическое описание светового поля в среде на длинах волн возбуждения и испускания флуоресценции. Необходимая информация о поглощательной способности среды извлекается из цветовой структуры ее изображения. Эффективность метода оценивается на изображениях фантомов биологической ткани, полученных по результатам Монте-Карло моделирования.

Communicated by Academician Vladimir A. Kulchitsky

A rapid method for correction of the influence of light scattering and absorption in biological tissues on their fluorescent images is proposed. To speed up the calculations of a medium transfer function a regression and analytical descriptions of light fields at the fluorescence excitation and emission wavelengths are used. The required information on the absorbance of a medium is extracted from components of its colored image. The effectiveness of the method is estimated on the images of biological phantoms obtained by the Monte Carlo simulations.

биотканьперенос излучениякоррекция флуоресцентных изображенийbiological tissueradiative transfercorrection of fluorescence imagesReferencesPropagation of Fluorescent Light / A. J. Welch [et al.] // Lasers. Surg. Med. - 1997. - Vol. 21, N 2. - P. 166-178. https:// doi.org/10.1002/(sici)1096-9101(1997)21:2%3C166::aid-lsm8%3E3.3.co;2-qWelch A. J., Gardner C., Richards-Kortum R., Chan E., Criswell G., Pfefer J., Warren S. Propagation of Fluorescent Light. Lasers in Surgery and Medicine, 1997, vol. 21, no. 2, pp. 166-178. https://doi.org/10.1002/(sici)1096-9101(1997)21:2%3C166::aid-lsm8%3E3.3.co;2-qAnalytical model to describe fluorescence spectra of normal and preneoplastic epithelial tissue: comparison with Monte Carlo simulations and clinical measurements / S. K. Chang [et al.] // J. Biomed. Opt. - 2004. - Vol. 9, N 3. - P. 511-522. https://doi.org/10.1117/1.1695559Chang S. K., Arifler D., Drezek R., Follen M., Richards-Kortum R. Analytical model to describe fluorescence spectra of normal and preneoplastic epithelial tissue: comparison with Monte Carlo simulations and clinical measurements. Journal of Biomedical Optics, 2004, vol. 9, no. 3, pp. 511-522. https://doi.org/10.1117/1.1695559Kokhanovsky, A. A. Radiative properties of optically thick fluorescent turbid media / A. A. Kokhanovsky // J. Opt. Soc. Am. A. - 2009. - Vol. 26, N 8. - P. 1896-1900. https://doi.org/10.1364/josaa.26.001896Kokhanovsky A. A. Radiative properties of optically thick fluorescent turbid media. Journal of the Optical Society of America A, 2009, vol. 26, no. 8, pp. 1896-1900. https://doi.org/10.1364/josaa.26.001896Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements / A. Kim [et al.] // J. Biomed. Opt. - 2010. - Vol. 15, N 6. - P. 067006-1-067006-12. https://doi.org/10.1117/1.3523616Kim A., Khurana M., Moriyama Y., Wilson B. C. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. Journal of Biomedical Optics, 2010, vol. 15, no. 6, pp. 067006-1-067006-12. https://doi.org/10.1117/1.3523616Quantitative fluorescence imaging of protoporphyrin IX through determination of tissue optical properties in the spatial frequency domain / R. B. Saager [et al.] // J. Biomed. Opt. - 2011. - Vol. 16, N 12. - P. 126013-1-126013-5. https://doi.org/10.1117/1.3665440Saager R. B., Cuccia D. J., Saggese S., Kelly K. M., Durkin A. J. Quantitative fluorescence imaging of protoporphyrin IX through determination of tissue optical properties in the spatial frequency domain. Journal of Biomedical Optics, 2011, vol. 16, no. 12, pp. 126013-1-126013-5. https://doi.org/10.11m.3665440Лысенко, С. А. Метод расчета характеристик световых полей в задачах оптической диагностики и персонифицированной терапии биологических тканей / С. А. Лысенко, М. М. Кугейко // Журн. прикл. спектр. - 2013. - Т. 80, № 2. - С. 273-280.Lisenko S. A., Kugeiko M. M. Method for calculation of light field characteristics in optical diagnosis problems and personalized laser treatment of biological tissues. Journal of Applied Spectroscopy, 2013, vol. 80, no. 2, pp. 271-279. https://doi.org/10.1007/s10812-013-9757-9Skin optics / M. J. C. Van Gemert [et al.] // IEEE Trans. Biomed. Engin. - 1989. - Vol. 36, N 12. - P. 1146-1154. https://doi.org/10.1109/10.42108Van Gemert M. J. C., Jacques S. L., Sterenborg H. J. C. M., Star W. M. Skin optics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1989, vol. 36, no. 12, pp. 1146-1154. https://doi.org/10.1109/10.42108Зеге, Э. П. Перенос изображения в рассеивающей среде / Э. П. Зеге, А. П. Иванов, И. Л. Кацев. - Минск, 1985. -327 с.Zege E. P., Ivanov A. P., Katsev I. L. Image Transfer through a Scattering Medium. Heidelberg, 1991. 349 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-75286-5Liou, K. N. An introduction to atmospheric radiation. Second edition / K. N. Liou. - New York, London, 2002. - 583 p.Liou K. N. An introduction to atmospheric radiation. Second edition. New York, London, 2002. 583 p.Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm / A. N. Bashkatov [et al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2005. - Vol. 38, N 15. - P. 2543-2555. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/004Bashkatov A. N., Genina E. A., Kochubey V. I., Tuchin V. V. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm. Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, vol. 38, no. 15, pp. 2543-2555. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/004Optical properties of normal and cancerous human skin in the visible and near-infrared spectral range / E. Salomatina [et al.] // J. Biomed. Opt. - 2006. - Vol. 11, N 6. - P. 064026-1-064026-9. https://doi.org/10.11m.2398928Salomatina E., Jiang B., Novak J., Yaroslavsky A. N. Optical properties of normal and cancerous human skin in the visible and near-infrared spectral range. Journal of Biomedical Optics, 2006, vol. 11, no. 6, pp. 064026-1-064026-9. https://doi.org/10.1117/1.2398928Меглинский, И. В. Моделирование спектров отражения оптического излучения от случайно-неоднородных многослойных сильно рассеивающих и поглощающих свет сред методом Монте-Карло / И. В. Меглинский // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31, № 12. - С. 1101-1107.Meglinski I. V. Monte Carlo simulation of reflection spectra of random multilayer media strongly scattering and absorbing light. Quantum Electronics, 2001, vol. 31, no. 12, pp. 1101-1107. https://doi.org/10.1070/qe2001v031n12abeh002108Лысенко, С. А. Количественная мультиспектральная эндоскопия слизистых оболочек / С. А. Лысенко, М. М. Ку-гейко // Измерит. техн. - 2013. - № 11. - С. 68-73.Lysenko S. A., Kugeiko M. M. Quantitative Multispectral Endoscopy. Measurement Techniques, 2014, vol. 56, no. 11, pp. 1302-1310. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0372-9Лысенко, С. А. Метод выделения кровеносных сосудов на трехцветных изображениях биотканей // Журн. прикл. спектр. - 2017. - Т. 84, № 3. - С. 419-427.Lisenko S. A. Method for Separation of Blood Vessels on the Three-Color Images of Biological Tissues. Journal of Applied Spectroscopy, 2017, vol. 84, no. 3, pp. 439-447. https://doi.org/10.1007/s10812-017-0489-0Optical properties of human stomach mucosa in the spectral range from 400 to 2000 nm: Prognosis for gastroenterology / A. N. Bashkatov [et al.] // Medical Laser Application. - 2007. - Vol. 22, N 2. - P. 95-104. https://doi.org/10.1016/).mla.2007.07.003Bashkatov A. N., Genina E. A., Kochubey V. I., Gavrilova A. A., Kapralov S. V., Grishaev V. A., Tuchin V. V. Optical properties of human stomach mucosa in the spectral range from 400 to 2000 nm: Prognosis for gastroenterology. Medical Laser Application, 2007, vol. 22, no. 2, pp. 95-104. https://doi.org/10.1016/j.mla.2007.07.003

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