Применение модели Кубелки-Мунка для быстрого интраоперационного анализа оптических свойств стенки кишечника с помощью оптоволоконного спектрометра

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.

1. Кривецкая 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: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-40-54

2. Кирющенкова 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: 10.24931/2413-9432-2025-14-2-12-20

3. Tuchin, V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis // SPIE Press: Bellingham, WA. – 2015.

4. 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.25.8.085002

5. Wei 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.i9.2068

6. Wei 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.i16.2413

7. Башкатов 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.

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.

9. 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: 10.1097/00004728-200201000-00015

10. Kustov 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/photonics8100427

11. 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.

12. Kubelka P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials // J. Opt. Soc. Am. – 1948. – Vol. 38. – P. 448-457.

13. 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/ma10091104

14. Van 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/BF02594174

15. Molenaar 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