biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2025-14-3-30-38bioph-733Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESПрименение модели Кубелки-Мунка для быстрого интраоперационного анализа оптических свойств стенки кишечника с помощью оптоволоконного спектрометраApplication of the Kubelka-Munk model for fast intraoperative analysis of intestinal optical properties using a fiber optic spectrometerСавельеваТ. А.SavelievaT. A.

 Москва

Moscow

savelevat@gmail.comКривецкаяА. А.KrivetskayaA. A.

 Москва

Moscow

КустовД. М.KustovD. M.

Москва

Moscow

КлобуковМ. И.KlobukovM. I.

Москва

Moscow

РоманишкинИ. Д.RomanishkinI. D.

Москва

Moscow

ЛиньковК. Г.LinkovK. G.

Москва

Moscow

ЛевкинВ. В.LevkinV. V.

Москва

Moscow

ХарнасС. С.KharnasS. S.

Москва

Moscow

ЛощеновВ. Б.LoschenovV. B.

 Москва

Moscow

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; Institute of Engineering Physics for Biomedicine, National Research Nuclear University MEPhIRussian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукРоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияInstitute of Engineering Physics for Biomedicine, National Research Nuclear University MEPhIRussian FederationУниверситетская Клиническая больница №1 Первого МГМУ им. СеченоваРоссияDepartment of Faculty Surgery No. 1, I.M. Sechenov First Moscow State Medical UniversityRussian FederationИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; Institute of Engineering Physics for Biomedicine, National Research Nuclear University MEPhIRussian Federation2025171020251433038Copyright © Савельева Т.А., Кривецкая А.А., Кустов Д.М., Клобуков М.И., Романишкин И.Д., Линьков К.Г., Левкин В.В., Харнас С.С., Лощенов В.Б., 20252025Савельева Т.А., Кривецкая А.А., Кустов Д.М., Клобуков М.И., Романишкин И.Д., Линьков К.Г., Левкин В.В., Харнас С.С., Лощенов В.Б.Savelieva T.A., Krivetskaya A.A., Kustov D.M., Klobukov M.I., Romanishkin I.D., Linkov K.G., Levkin V.V., Kharnas S.S., Loschenov V.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/733

Интраоперационное определение оптических свойств биологических тканей является важной задачей медицинской физики, в частности, при планировании фотодинамической терапии, поскольку позволяет персонализировать фотодинамическое воздействие за счет точного расчета необходимой световой дозы. В данной работе предложен новый подход к одновременному измерению спектров диффузного отражения и пропускания света тканью стенки толстой кишки при формировании кишечного анастомоза, основанный на использовании двух волоконно-оптических устройств для подачи широкополосного излучения как со стороны просвета кишки, так и с наружной стороны кишечной стенки, с которой также регистрируется диффузно рассеянный свет. Для восстановления оптических свойств этих тканей предложено использовать модель Кубелки-Мунка с преобразованием оптических параметров моде ли в оптические параметры теории диффузионного приближения с использованием собственных уравнений на основе результатов численного моделирования. Предложенный подход апробирован ex vivo на биологических образцах тканей желудочно-кишечного тракта, что позволяет сделать вывод о его применимости в клинических условиях.

Intraoperative determination of optical properties of biological tissues is an important task of medical physics, in particular, for photodynamic therapy, because it allows personalizing photodynamic treatment by accurately calculating the required light dose. In this work, we propose a new approach to simultaneous measurement of diffuse reflectance and transmission spectra of the colon wall tissue during intestinal anastomosis, based on the use of two fiber-optic devices to deliver broadband radiation both from the side of the intestinal lumen and from the outer side of the intestinal wall, from which diffuse scattered light is also recorded. To restore the optical properties of these tissues it was proposed to use the Kubelka-Munk model with transformation of the optical parameters of the model into the optical parameters of the diffusion approximation theory with custom equations based on the results of numerical modeling. The proposed approach have been tested ex vivo on the biological samples of GIT tissues, allowing us to conclude on its applicability in clinical conditions.

оптическая спектроскопияоптические свойстватеория переноса излученияжелудочно-кишечный тракт.optical spectroscopyoptical propertieslight transport modelgastrointestinal tractThe work was funded by the Russian Science Foundation, grant No. 25-25-00516.ReferencesКривецкая А.А., Савельева Т.А., Кустов Д.М., Левкин В.В., Харнас С.С., Лощенов В.Б. Aвтоматизация планирования и контроля фотодинамической терапии органов желудочно-кишечного тракта // Biomedical Photonics. – 2025. – Т. 14, № 2. – С. 40-54. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-40-54Krivetskaya A.A., Savelyeva T.A., Kustov D.M., Levkin V.V., Kharnas S.S., and Loshchenov V.B. Automation of Planning and Control of Photodynamic Therapy for the Gastrointestinal Tract. Biomedical Photonics, 2025, vol. 14(2), рр. 40-54. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-40-54Кирющенкова Н.П., Новиков И.А. Локальная анизотропия рассеяния кожи как возможный фактор искажения флуоресцентных границ опухоли // Biomedical Photonics. – 2025. – Т. 14, № 2. – С. 12-20. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-12-20Kiryushchenkova N.P., Novikov I.A. Local anisotropy of skin scattering as a possible factor in the distortion of tumor fluorescence boundaries. Biomedical Photonics, 2025, vol. 14(2), рр. 12-20. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-12-20Tuchin, V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis // SPIE Press: Bellingham, WA. – 2015.Tuchin, V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis // SPIE Press: Bellingham, WA. – 2015.Macdonald C.M., Arridge S., Powell S. Efficient inversion strategies for estimating optical properties with Monte Carlo radiative transport models // J. of Biomedical Optics. – 2020. – Vol. 25. – P. 085002. doi: 10.1117/1.JBO.25.8.085002Macdonald C.M., Arridge S., Powell S. Efficient inversion strategies for estimating optical properties with Monte Carlo radiative transport models // J. of Biomedical Optics. – 2020. – Vol. 25. – P. 085002. doi: 10.1117/1.JBO.25.8.085002Wei H.-J., Xing D., Wu G.-Y., Jin Y., Gu H.-M. Optical properties of human normal small intestine tissue determined by Kubelka-Munk method in vitro // World J Gastroenterol. – 2003. – Vol. 9. – P. 2068-2072. doi: 10.3748/wjg.v9.i9.2068Wei H.-J., Xing D., Wu G.-Y., Jin Y., Gu H.-M. Optical properties of human normal small intestine tissue determined by Kubelka-Munk method in vitro // World J Gastroenterol. – 2003. – Vol. 9. – P. 2068-2072. doi: 10.3748/wjg.v9.i9.2068Wei H.-J., Xing D., Lu J.J., Gu H.M., Wu G.Y., Jin Y. Determination of optical properties of normal and adenomatous human colon tissues in vitro using integrating sphere techniques // World J Gastroenterol. – 2005. – Vol. 11. – P. 2413-2419. doi: 10.3748/wjg.v11.i16.2413Wei H.-J., Xing D., Lu J.J., Gu H.M., Wu G.Y., Jin Y. Determination of optical properties of normal and adenomatous human colon tissues in vitro using integrating sphere techniques // World J Gastroenterol. – 2005. – Vol. 11. – P. 2413-2419. doi: 10.3748/wjg.v11.i16.2413Башкатов А.Н., Генина Э.А., Кочубей В.И., Рубцов В.С., Колесникова Е.А., Тучин В.В. Оптические свойства тканей толстой кишки человека в спектральном диапазоне 350–2500 нм // Квантовая электроника. – 2014. – № 44. – С. 779.Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Rubtsov V.S., Kolesnikova E.A., and Tuchin V.V. Optical Properties of Human Colon Tissues in the Spectral Range 350–2500 nm. Quantum Electronics, 2014, vol. 44, рр. 779.Carneiro I., Carvalho S., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V.V. Kinetics of Optical Properties of Colorectal Muscle During Optical Clearing // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2019. – Vol. 25. – P. 1-8.Carneiro I., Carvalho S., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V.V. Kinetics of Optical Properties of Colorectal Muscle During Optical Clearing // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2019. – Vol. 25. – P. 1-8.Wiesner W., Mortelé K.J., Ji H., Ros P.R. Normal colonic wall thickness at CT and its relation to colonic distension // J Comput Assist Tomogr. – 2002. – Vol. 26. – P. 102-6. doi: 10.1097/00004728-200201000-00015Wiesner W., Mortelé K.J., Ji H., Ros P.R. Normal colonic wall thickness at CT and its relation to colonic distension // J Comput Assist Tomogr. – 2002. – Vol. 26. – P. 102-6. doi: 10.1097/00004728-200201000-00015Kustov D.M., Savelieva T.A., Mironov T.A., Kharnas S.S., Levkin V.V., Gorbunov A.S., Shiryaev A.A., Loschenov V.B. Intraoperative Control of Hemoglobin Oxygen Saturation in the Intestinal Wall during Anastomosis Surgery // Photonics. – 2021. - Vol. 8. P. 427. doi: 10.3390/photonics8100427Kustov D.M., Savelieva T.A., Mironov T.A., Kharnas S.S., Levkin V.V., Gorbunov A.S., Shiryaev A.A., Loschenov V.B. Intraoperative Control of Hemoglobin Oxygen Saturation in the Intestinal Wall during Anastomosis Surgery // Photonics. – 2021. - Vol. 8. P. 427. doi: 10.3390/photonics8100427Prahl S.A., Keijzer M., Jacques S.L., Welch A.J. A Monte Carlo model of light propagation in tissue // In Proc. SPIE of Dosimetry of Laser Radiation in Medicine and Biology. – 1989. – Vol. 5, P. 102 - 111.Prahl S.A., Keijzer M., Jacques S.L., Welch A.J. A Monte Carlo model of light propagation in tissue // In Proc. SPIE of Dosimetry of Laser Radiation in Medicine and Biology. – 1989. – Vol. 5, P. 102 - 111.Kubelka P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials // J. Opt. Soc. Am. – 1948. – Vol. 38. – P. 448-457.Kubelka P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials // J. Opt. Soc. Am. – 1948. – Vol. 38. – P. 448-457.Hamdy O., El-Azab J., Al-Saeed T.A., Hassan M.F., Solouma N.H. A Method for Medical Diagnosis Based on Optical Fluence Rate Distribution at Tissue Surface // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 1104 doi: 10.3390/ma10091104Hamdy O., El-Azab J., Al-Saeed T.A., Hassan M.F., Solouma N.H. A Method for Medical Diagnosis Based on Optical Fluence Rate Distribution at Tissue Surface // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 1104 doi: 10.3390/ma10091104Van Gemert, M.J.C.; Welch, A.J.; Star, W.M.; Motamedi, M.; Cheong, W. F. Tissue optics for a slab geometry in the diffusion approximation // Laser Med Sci. – 1987. Vol. 2. – P. 295–302. doi:10.1007/BF02594174Van Gemert, M.J.C.; Welch, A.J.; Star, W.M.; Motamedi, M.; Cheong, W. F. Tissue optics for a slab geometry in the diffusion approximation // Laser Med Sci. – 1987. Vol. 2. – P. 295–302. doi:10.1007/BF02594174Molenaar R., ten Bosch,J.J., Zijp J.R. Determination of Kubelka-Munk scattering and absorption coefficients by diffuse illumination // Appl. Opt. – 1999. – Vol. 38. P. 2068-2077. doi: 10.1364/ao.38.002068Molenaar R., ten Bosch,J.J., Zijp J.R. Determination of Kubelka-Munk scattering and absorption coefficients by diffuse illumination // Appl. Opt. – 1999. – Vol. 38. P. 2068-2077. doi: 10.1364/ao.38.002068

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