Аналіз моделей взаємодії фотонів з багатошаровою біологічною тканиною в різних спектральних діапазонах

Abstract

Стаття присвячена дослідженню сучасних підходів до моделювання взаємодії оптичного випромінювання з біологічними тканинами. Визнається, що складна архітектоніка багатошарових біологічних тканин та їхні гетерогенні оптичні властивості, включаючи спектральну варіабельність коефіцієнтів поглинання та розсіяння, створюють значні виклики для точного моделювання. Розглянуто традиційний метод Монте-Карло, який завдяки своїй здатності статистично відтворювати транспорт фотонів, є визнаним "золотим стандартом" для моделювання поширення інтенсивності світла. Однак, для повної характеристики взаємодії світла з біологічними тканинами, особливо під час дослідження анізотропних структур, необхідний аналіз зміни стану поляризації, що описується Мюллер-матричним формалізмом. В роботі обґрунтовано переваги модельного підходу, що базується на двокомпонентній репрезентації біологічної тканини як сукупності аморфної та кристалічної складових, який інтегрується з Мюллер-матричним аналізом. Ключовим аспектом, що підвищує інформативність моделювання, є обов'язкове врахування спектральної залежності оптичних властивостей компонентів тканини, зумовленої унікальними спектрами поглинання та розсіяння ключових хромофорів (гемоглобін, вода, меланін, ліпіди) та структурних елементів. Показано, що синергетичне використання інформації з декількох ретельно обраних спектральних каналів у поєднанні з двокомпонентною Мюллер-матричною моделлю дозволяє не тільки диференціювати відносні внески аморфної та кристалічної структур, але й глибше розуміти природу взаємодії випромінювання з різними компонентами тканини на різних довжинах хвиль. Такий підхід суттєво підвищує чутливість моделі до фізіологічних і патологічних змін та надає можливість більш повного та багатовимірного аналізу стану тканини порівняно з однохвильовими методами. Представлений аналіз демонструє значні теоретичні та практичні перспективи запропонованої інтеграції для розробки новітніх неінвазивних оптичних методів діагностики, що базуються на розширеному та кількісному розумінні оптичних біомаркерів структурних та функціональних станів біологічних тканин.