Исследование методов моделирования распространения света в многослойных биологических тканях для расчета поглощенной дозы лазерного излучения

Изучение процессов взаимодействия излучения в оптическом диапазоне длин волн с биологическими тканями может применяться для различных биомедицинских применений, в том числе для оценки поглощенной дозы лазерного излучения при проведении лазерно-индуцированной терапии. Оценка доли поглощенного излучения может осуществляться при помощи моделирования методами Монте-Карло и удвоения-добавления. В данной работе проведен сравнительный анализ результатов моделирования двумя методами для многослойных моделей биологических тканей трахеи и толстой кишки. Оба метода применены для расчета поглощенной дозы по заданным оптическим свойствам тканей при нескольких видах освещения. Схожие геометрии пучка падающего излучения показали повторяемость с точностью 94Ѓ}3% для коллимированного пучка и 95Ѓ}3% для изотропного/диффузного источника. Преимуществом метода удвоения-добавления является большая вычислительная скорость по сравнению с методом Монте-Карло, в товремя как при моделировании методом Монте-Карло можно варьировать большее количество параметров при задании условий освещения образца. Полученные данные могут использоваться для оптимизации дозиметрии в фотодинамической терапии.

1. Star W.M. Light dosimetry in vivo // Physics in medicine and biology. – 1997. – Vol. 42. – P. 763–787. doi: 10.1088/0031-9155/42/5/003.

2. Wilson B. C., Lilge L., Weersink R. A., Pires L. Photodynamic therapy dosimetry: current status and the emerging challenge of immune stimulation // Journal of biomedical optics. – 2025. – Vol. 30. – P. 34118. doi: 10.1117/1.JBO.30.S3.S34118.

3. Bergmann F., Foschum F., Marzel L., Kienle A. Ex Vivo Determination of Broadband Absorption and Effective Scattering Coefficients of Porcine Tissue // Photonics. – 2021. – Vol. 8. – P. 365. doi: 10.3390/photonics8090365.

4. Deyev S., Lebedenko E. Targeted Bifunctional Proteins and Hybrid Nanoconstructs for Cancer Diagnostics and Therapies // Molecular Biology. – 2017. – Vol. 51. – P. 788-803. doi: 10.1134/S002689331706005X.

5. Albraim S., Issa H., Alaissamy K., Bartoli A., Alhabeel M. Photodynamic Therapy in Skin Treatment // Journal of MAR Dental Sciences. – 2022. – Vol. 7. – P. 3.

6. Serebryakova I., Surkov Yu., Fashchevskii A., Xu Y., Xia Q., Li D., Zhu D., Genina E., Tuchin V. Monte Carlo simulation of light distribution in multilayer biological tissue // Китайско-российский семинар по биофотонике и биомедицинской оптике-2024. – 2024. – Vol. 1. – P. 33-38. doi: 10.24412/cl-37303-2024-1-33-38.

7. 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. Применение модели Кубелки-Мунка для быстрого интраоперационного анализа оптических свойств стенки кишечника с помощью оптоволоконного спектрометра // Biomedical Photonics. –2025. –Vol. 14. – P. 30-38. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-3-30-38.

8. Романишкин И.Д., Савельева Т.А., Оспанов А., Калягина Н.А., Кривецкая А.А., Уденеев А.М., Линьков К.Г., Горяйнов С.А., Шугай С.В., Павлова Г.В., Пронин И.Н., Лощенов В.Б. Сравнение оптико-спектральных характеристик глиобластомы при интраоперационной диагностике и оптической биопсии ex vivo // Biomedical Photonics. –2024. – Vol. 13. – P. 4-12. doi: 10.24931/2413-9432-2024-13-4-4-12.

9. Fredriksson I., Larsson M., Strömberg T. Inverse Monte Carlo method in a multilayered tissue model for diffuse reflectance spectroscopy // J. Biomed. Opt. – 2012. –Vol. 17. – P. 047004. doi: 10.1117/1.JBO.17.4.047004.

10. Привалов В.Е., Сетейкин А.Ю., Фотиади А.Э. Моделирование распространения лазерного излучения в неоднородных средах со сложной геометрией. Научно-технические ведомости СанктПетербургского государственного политехнического университета // Физико-математические науки. – 2013. – Vol. 4-2. – P. 148-153.

11. Liu Q., Ramanujam N. Scaling method for fast Monte Carlo simulation of diffuse reflectance spectra from multilayered turbid media // J. Opt. Soc. Am. A. – 2007. – Vol. 24. – P. 1011-1025.

12. Prahl S.A., van Gemert M.J.C., Welch A.J. Determining the optical properties of turbid media by using the adding–doubling method // Appl. Opt. – 1993. – Vol. 32. – P. 559-568.

13. Prahl S.A. The Adding-Doubling Method. In: Welch A. J., Van Gemert M. J. C., eds. Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue // Lasers, Photonics, and Electro-Optics. Springer, Boston, MA. – 1995. doi: 10.1007/978-1-4757-6092-7_5.

14. Vincely V.D., Vishwanath K. Lateral light losses in integrating sphere measurements: comparison of Monte-Carlo with inverse addingdoubling algorithm // Proc. SPIE. – 2020. – P. 11231:112310G. doi: 10.1117/12.2546265.

15. https://github.com/scottprahl/iadpython

16. Lee H.H., Choi M.G., Hasan T. Application of photodynamic therapy in gastrointestinal disorders: an outdated or re-emerging technique? // The Korean journal of internal medicine. – 2017. – Vol. 32. – P. 1–10. doi: 10.3904/kjim.2016.200.

17. Цеймах А.Е., Шойхет Я.Н., Цеймах Е.А., Бедян Н.К., Макаренков А.С. Многокурсовая фотодинамическая терапия у пациента со злокачественным новообразованием большого дуоденального сосочка. Клинический случай // Biomedical Photonics. – 2025. – Vol. 14. – P. 39-42. doi: 10.24931/2413-9432-2025-14-3-39-42.

18. Rodrigues J.A., Correia J.H. Photodynamic Therapy for Colorectal Cancer: An Update and a Look to the Future // International Journal of Molecular Sciences. – 2023. –Vol. 24. – P. 12204. doi: 10.3390/ijms241512204.

19. 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. – 14. – P. 40-54. doi: 10.24931/24139432-2025-14-2-40-54.

20. Singh H., Benn B.S., Jani C., Abdalla M., Kurman J.S. Photodynamic therapy for treatment of recurrent adenocarcinoma of the lung with tracheal oligometastasis // Respiratory medicine case reports. – 2022. – Vol. 37. – P. 101620. doi: 10.1016/j.rmcr.2022.101620.

21. Jung H.S., Kim H.J., Kim K.W. Intraoperative photodynamic therapy for tracheal mass in non-small cell lung cancer: A case report // World journal of clinical cases. – 2023. – Vol. 11. – P. 3915–3920. https://doi.org/10.12998/wjcc.v11.i16.3915.

22. Martin L.K., Otterson G.A., Bekaii-Saab T. Photodynamic therapy (PDT) may provide effective palliation in the treatment of primary tracheal carcinoma: a small case series // Photomedicine and laser surgery. – 2012. – Vol. 30. – P. 668–671. doi: 10.1089/pho.2012.3293.

23. Hohmann M., Lengenfelder B., Kanawade R., Klämpfl F., Douplik A., Albrecht H. Measurement of optical properties of pig esophagus by using a modified spectrometer set-up // Journal of Biophotonics. – 2017. – Vol. 11. doi: 10.1002/jbio.201600187.

24. Descalle M.-A., Jacques S.L., Prahl S.A., Laing T.J., Martin W.R. Measurements of ligament and cartilage optical properties at 35mm, 365nm and in the visible range [440-800nm] // SPIE. – 1998. – Vol. 3195. – P. 280-286.

25. Youn J.-I., Telenkov S. A., Kim E., Bhavaraju N. C., Wong B. J. F., Valvano J. W., Milner T. E. Optical and Thermal Properties of Nasal Septal Cartilage // Lasers in Surgery and Medicine. – 2000. – Vol. 27. – P. 119-128.

26. Bagratashvili N.V., Sviridov A.P., Sobol E.N., Kitai M.S. Optical properties of nasal septum cartilage // Proc. SPIE. – 1998. – P.3254. https://doi.org/10.1117/12.308189.

27. Nawn C.D., Blackburn M.B., De Lorenzo R.A., Ryan K.L. Using spectral reflectance to distinguish between tracheal and oesophageal tissue: applications for airway management // Anaesthesia. – 2019. – Vol. 74. – P. 340-347. doi: 10.1111/anae.14566.

28. Ebert D., Roberts C., Farrar S., Johnston W., Litsky A., Bertone A. Articular Cartilage Optical Properties in the Spectral Range 300-850 nm // Journal of biomedical optics. – 1998. – Vol. 3. – P. 326-33. doi: 10.1117/1.429893.

29. Khan R., Gul B., Khan S., Nisar H., Ahmad I. Refractive index of biological tissues: Review, measurement techniques, and applications // Photodiagnosis and photodynamic therapy. – 2021. – Vol. 33. – P. 102192. doi: 10.1016/j.pdpdt.2021.102192.

30. Carvalho S., Gueiral N., Nogueira E., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V. Wavelength dependence of the refractive index of human colorectal tissues: comparison between healthy mucosa and cancer // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. – 2016. – Vol. 2. – P. 040307-1. doi: 10.18287/JBPE16.02.040307.

31. Wiesner W., Mortelé K.J., Ji H., Ros P.R. Normal colonic wall thickness at CT and its relation to colonic distension // Journal of computer assisted tomography. – 2002. – Vol. 26. – P. 102–106. doi: 10.1097/00004728-200201000-00015.

32. 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 journal of gastroenterology. – 2005. – Vol. 11. – P. 2413–2419. doi: 10.3748/wjg.v11.i16.2413.

33. Wei H., Xing D., Wu G., Gu H., Lu J., Jin Y., Li X.-Y. Differences in optical properties between healthy and pathological human colon tissues using a Ti:sapphire laser: an in vitro study using the Monte Carlo inversion technique // J. Biomed. Opt. – 2005. – Vol. 10. – P. 044022. doi: 10.1117/1.1990125.

34. Bashkatov A., Genina E., Kochubey V., Rubtsov V., Kolesnikova E., Tuchin V. Optical properties of human colon tissues in the 350–2500 nm spectral range // Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 44. – P. 77. doi: 10.1070/QE2014v044n08ABEH015613.

35. Carvalho S., Gueiral N., Nogueira E., Henrique R., Oliveira L., Tuchin V.V. Comparative study of the optical properties of colon mucosa and colon precancerous polyps between 400 and 1000 nm // Proc. SPIE. – 2017. – P. 10063:100631L. doi: 10.1117/12.2253023.

36. Vo-Dinh T., ed. Biomedical Photonics Handbook. 1st ed. CRC Press. – 2003. doi: 10.1201/9780203008997.

37. Ismael F.S., Amasha H.M., Bachir W.H. Алгоритм определения оптимального числа волокон используемых при внутритканевой фотодинамической терапии рака молочной железы на основании диффузионного уравнения // Biomedical Photonics. – 2019. – Vol. 8. – P. 17-27. doi: 10.24931/2413-9432-2019-8-4-17-27