Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2024, выпуск 3 » Статья стр. 320
<<<>>>
Фантом мягких тканей человека для терагерцовой визуализации и спектроскопии
Российский научный фонд, 19-79-10212
Кучерявенко А.С. 1, Долганова И.Н. 1, Черномырдин Н.В.2, Гавдуш А.А.2, Ильенкова Д.Р.2, Рыбников Д.Д.2, Масалов В.М.1, Тучин В.В.3,4,5, Зайцев К.И.2
1Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, Россия
2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
3Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия
4Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия
5Институт проблем точной механики и управления РАН, Саратов, Россия
Email: ans.kucher@mail.ru
Поступила в редакцию: 1 февраля 2024 г.
В окончательной редакции: 20 февраля 2024 г.
Принята к печати: 5 марта 2024 г.
Выставление онлайн: 31 мая 2024 г.
PDF версия
За последние десятилетия терагерцовое (ТГц) излучение нашло множество биомедицинских приложений, таких как безмаркерная диагностика злокачественных новообразований, мониторинг заживления ран, исследование патологий мозга, мониторинг жизнеспособности трансплантата и др. В большинстве этих приложений предполагается, что мягкие ткани оптически однородны в ТГц диапазоне длин волн, а маркером патологического процесса выступают различия в значениях комплексной диэлектрической проницаемости, полученной в рамках формализма теории эффективной среды. Между тем недавние достижения в области ТГц визуализации с субволновым пространственным разрешением позволили обнаружить пространственные неоднородности распределения комплексной диэлектрической проницаемости с размерами, сравнимыми с длиной волны ТГц диапазона в нервной, фиброзной, мышечной и других видах тканей. Наличие подобных контрастирующих включений может приводить к эффектам рассеяния ТГц волн на их границах. Это ставит задачу изучения явлений поглощения и рассеяния ТГц волн в мягких тканях. Для ее решения необходимо использование фантома с заранее известными параметрами. На данный момент для ТГц диапазона фантомы с рассеивающими свойствами отсутствуют. В интересах поставленной задачи в настоящей работе был предложен фантом, имитирующий ткань, который имеет форму желатиновой пластинки и представляет собой высокопоглощающую гидратную матрицу, в которую внедрены микросферы диоксида кремния (SiO2) с более низким показателем преломления и коэффициентом поглощения, а также субволновыми или мезомасштабными диаметрами. ТГц изображения данного фантома схожи с изображениями ряда мягких тканей, что позволяет применять его в исследованиях новых методов ТГц визуализации и спектроскопии. Ключевые слова: терагерцовое излучение, фантом биологических тканей, терагерцовая визуализация, субволновое пространственное разрешение, дифракционный предел Аббе, эффект твердотельной иммерсии.
  1. S. Lepeshov, A. Gorodetsky, A. Krasnok, E. Rafailov, P. Belov. Laser Photon Rev., 11 (1), 1600199 (2017). DOI: 10.1002/lpor.201600199
  2. H. Guerboukha, K. Nallappan, M. Skorobogatiy. Adv. Opt. Photonics, 10 (4), 843 (2018). DOI: 10.1364/AOP.10.000843
  3. X. Yang, X. Zhao, K. Yang, Y. Liu, Y. Liu, W. Fu, Y. Luo. Trends Biotechnol., 34 (10), 810 (2016). DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.04.008
  4. H. Lindley-Hatcher, R.I. Stantchev, X. Chen, A.I. Hernandez-Serrano, J. Hardwicke, E. Pickwell-MacPherson. Appl. Phys. Lett., 118 (23), 230501 (2021). DOI: 10.1063/5.0055259
  5. Z. Yan, L.-G. Zhu, K. Meng, W. Huang, Q. Shi. Trends Biotechnol., 40 (7), 816 (2022). DOI: 10.1016/j.tibtech.2021.12.002
  6. K.I. Zaytsev, I.N. Dolganova, N. V. Chernomyrdin, G.M. Katyba, A.A. Gavdush, O.P. Cherkasova, G.A. Komandin, M.A. Shchedrina, A.N. Khodan, D.S. Ponomarev, I.V. Reshetov, V.E. Karasik, M. Skorobogatiy, V.N. Kurlov, V.V. Tuchin. J. Optics, 22 (1), 13001 (2019). DOI: 10.1088/2040-8986/ab4dc3
  7. O. Cherkasova, M. Nazarov, A. Shkurinov. Opt. Quantum Electron., 48, 217 (2016). DOI: 10.1007/s11082-016-0490-5
  8. G.G. Hernandez-Cardoso, L.F. Amador-Medina, G. Gutierrez-Torres, E.S. Reyes-Reyes, C.A.B. Marti nez, C.C. Espinoza, J.A. Cruz, I. Salas-Gutierrez, B.O. Murillo-Ortiz, E. Castro-Camus. Sci. Rep., 12, 3110 (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-06996-w
  9. H. Zhao, Y. Wang, L. Chen, J. Shi, K. Ma, L. Tang, D. Xu, J. Yao, H. Feng, T. Chen. J. Biomed. Opt., 23 (3), 36015 (2018). DOI: 10.1117/1.JBO.23.3.036015
  10. N. Bajwa, S. Sung, D.B. Ennis, M.C. Fishbein, B.N. Nowroozi, D. Ruan, A. Maccabi, J. Alger, M.A.St. John, W.S. Grundfest, Z.D. Taylor. IEEE Trans. Biomed. Eng., 64 (11), 2682 (2017). DOI: 10.1109/TBME.2017.2658439
  11. N. Bajwa, J. Au, R. Jarrahy, S. Sung, M.C. Fishbein, D. Riopelle, D.B. Ennis, T. Aghaloo, M.A. St.-John, W.S. Grundfest, Z.D. Taylor. Biomed. Opt. Express, 8 (1), 460 (2017). DOI: 10.1364/BOE.8.000460
  12. J. Wang, Q. Sun, R.I. Stantchev, T.-W. Chiu, A.T. Ahuja, E. Pickwell-MacPherson. Biomed. Opt. Express, 10 (7), 3584 (2019). DOI: 10.1364/BOE.10.003584
  13. X. Ding, G. Costa, A.I. Hernandez-Serrano, R.I. Stantchev, G. Nurumbetov, D.M. Haddleton, E. Pickwell-MacPherson. Biomed. Opt. Express, 14 (3), 1146 (2023). DOI: 10.1364/BOE.473097
  14. E.N. Iomdina, G.N. Goltsman, S.V. Seliverstov, A.A. Sianosyan, K.O. Teplyakova, A.A. Rusova. J. Biomed. Opt., 21 (9), 97002 (2016). DOI: 10.1117/1.JBO.21.9.097002
  15. E.N. Iomdina, S.V. Seliverstov, K.O. Teplyakova, E.V. Jani, V.V. Pozdniakova, O.N. Polyakova, G.N. Goltsman. J. Biomed. Opt., 26 (4), 43010 (2021). DOI: 10.1117/1.JBO.26.4.043010
  16. N.V. Chernomyrdin, G.R. Musina, P.V. Nikitin, I.N. Dolganova, A.S. Kucheryavenko, A.I. Alekseeva, Y. Wang, D. Xu, Q. Shi, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Opto-Electron. Advances, 6, 220071 (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220071
  17. O.P. Cherkasova, D.S. Serdyukov, E.F. Nemova, A.S. Ratushnyak, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, G. Xu, M. Skorobogatiy, I.V. Reshetov, P.S. Timashev, I.E. Spektor, K.I. Zaytsev, V.V. Tuchin. J. Biomed. Opt., 26 (9), 90902 (2021). DOI: 10.1117/1.JBO.26.9.090902
  18. O.A. Smolyanskaya, N.V. Chernomyrdin, A.A. Konovko, K.I. Zaytsev, I.A. Ozheredov, O.P. Cherkasova, M.M. Nazarov, J.-P. Guillet, S.A. Kozlov, Yu.V. Kistenev, J.-L. Coutaz, P. Mounaix, V.L. Vaks, J.-H. Son, H. Cheon, V.P. Wallace, Yu. Feldman, I. Popov, A.N. Yaroslavsky, A.P. Shkurinov, V.V. Tuchin. Prog. Quantum Electron., 62, 1 (2018). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2018.10.001
  19. U. M ller, D.G. Cooke, K. Tanaka, P.U. Jepsen. J. Opt. Sci. Am. B, 26 (9), A113 (2009). DOI: 10.1364/JOSAB.26.00A113
  20. I. Popov, P.B. Ishai, A. Khamzin, Y. Feldman. Phys. Chem. Chem. Phys., 18 (20), 13941 (2016). DOI: 10.1039/C6CP02195F
  21. E. Pickwell, B.E. Cole, A.J. Fitzgerald, V.P. Wallace, M. Pepper. Appl. Phys. Lett., 84 (12), 2190 (2004). DOI: 10.1063/1.1688448
  22. K.S. Cole, R.H. Cole. J. Chem. Phys., 9 (4), 341 (2004). DOI: 10.1063/1.1750906
  23. K.S. Cole, R.H. Cole. J. Chem. Phys., 10 (2), 98 (2004). DOI: 10.1063/1.1723677
  24. D.W. Davidson, R.H. Cole. J. Chem. Phys., 18 (10), 1417 (2004). DOI: 10.1063/1.1747496
  25. S. Havriliak, S. Negami. Polymer (Guildf), 8, 161 (1967). DOI: 10.1016/0032-3861(67)90021-3
  26. A.A. Gavdush, N.V. Chernomyrdin, G.A. Komandin, I.N. Dolganova, P.V. Nikitin, G.R. Musina, G.M. Katyba, A.S. Kucheryavenko, I.V. Reshetov, A.A. Potapov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Biomed. Opt. Express, 12 (1), 69 (2021). DOI: 10.1364/BOE.411025
  27. S. Yamaguchi, Y. Fukushi, O. Kubota, T. Itsuji, T. Ouchi, S. Yamamoto. Phys. Med. Biol., 61 (18), 6808 (2016). DOI: 10.1088/0031-9155/61/18/6808
  28. N.V. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, A.A. Gavdush, G.R. Musina, G.M. Katyba, G.A. Komandin, A.M. Khorokhorov, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Optica, 8 (11), 1471 (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.439286
  29. G.C. Walker, E. Berry, S.W. Smye, D.S. Brettle. Phys. Med. Biol., 49 (21), N363 (2004). DOI: 10.1088/0031-9155/49/21/N01
  30. B.C.Q. Truong, A.J. Fitzgerald, S. Fan, V.P. Wallace, V.I.P.W. Allace, B.C.Q. Truong, A.J. Fitzgerald, S. Fan, V.P. Wallace. Biomed. Opt. Express, 9 (3), 1334 (2018). DOI: 10.1364/BOE.9.001334
  31. A. Chen, O.B. Osman, Z.B. Harris, A. Abazri, R. Honkanen, M.H. Arbab. Biomed. Opt. Express, 11 (3), 1284 (2020). DOI: 10.1364/BOE.382826
  32. G.C. Walker, E. Berry, S.W. Smye, N.N. Zinov'ev, A.J. Fitzgerald, R.E. Miles, M. Chamberlain, M.A. Smith. Phys. Med. Biol., 49 (10), 1853 (2004). DOI: 10.1088/0031-9155/49/10/002
  33. G.G. Hernandez-Cardoso, A.K. Singh, E. Castro-Camus. Appl. Opt., 59 (13), D6 (2020). DOI: 10.1364/AO.382383
  34. A. Tamminen, M. Baggio, I. Nefedova, Q. Sun, J. Anttila, J. Ala-Laurinaho, E.R. Brown, V.P. Wallace, E. Pickwell-MacPherson, T. Maloney, M. Salkola, S.X. Deng, Z.D. Taylor. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 11 (5), 538 (2021). DOI: 10.1109/TTHZ.2021.3088273
  35. A. Tamminen, M. Baggio, I.I. Nefedova, Q. Sun, S.A. Presnyakov, J. Ala-Laurinaho, E.R. Brown, V.P. Wallace, E. Pickwell-MacPherson, T. Maloney, N.P. Kravchenko, M. Salkola, S.X. Deng, Z.D. Taylor. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 11 (6), 647 (2021). DOI: 10.1109/TTHZ.2021.3099058
  36. A.A. Bakulina, G.R. Musina, A.A. Gavdush, Y.M. Efremov, G.A. Komandin, M. Vosough, A.I. Shpichka, K.I. Zaytsev, P.S. Timashev. Soft Matter., 19 (13), 2430 (2023). DOI: 10.1039/D2SM01504H
  37. K. Okada, K. Serita, Q. Cassar, H. Murakami, G. MacGrogan, J.-P. Guillet, P. Mounaix, M. Tonouchi. J. Phys.: Photonics, 2 (4), 44008 (2020). DOI: 10.1088/2515-7647/abbcda
  38. Z. Li, S. Yan, Z. Zang, G. Geng, Z. Yang, J. Li, L. Wang, C. Yao, H.-L. Cui, C. Chang, H. Wang. Cell Prolif., 53 (4), e12788 (2020). DOI: 10.1111/cpr.12788
  39. K. Okada, Q. Cassar, H. Murakami, G. MacGrogan, J.-P. Guillet, P. Mounaix, M. Tonouchi, K. Serita. Optics Continuum, 1 (3), 527 (2022). DOI: 10.1364/OPTCON.448444
  40. A.S. Kucheryavenko, N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, A.I. Alekseeva, P.V. Nikitin, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, A.S. Khalansky, I.E. Spektor, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Biomed. Opt. Express, 12 (8), 5272 (2021). DOI: 10.1364/BOE.432758
  41. N.V. Chernomyrdin, D.R. Ilenkova, V.A. Zhelnov, A.I. Alekseeva, A.A. Gavdush, G.R. Musina, P.V. Nikitin, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Sci. Rep., 13, 16596 (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43857-6
  42. N.V. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, D.S. Ponomarev, V.V. Bukin, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 120 (11), 110501 (2022). DOI: 10.1063/5.0085906
  43. F. Blanchard, A. Doi, T. Tanaka, H. Hirori, H. Tanaka, Y. Kadoya, K. Tanaka. Opt. Express, 19 (9), 8277 (2011). DOI: 10.1364/OE.19.008277
  44. R.I. Stantchev, B. Sun, S.M. Hornett, P.A. Hobson, G.M. Gibson, M.J. Padgett, E. Hendry. Sci. Adv., 2 (6), e1600190 (2016). DOI: 10.1126/sciadv.1600190
  45. L. Olivieri, L. Peters, V. Cecconi, A. Cutrona, M. Rowley, J. Gongora, A. Pasquazi, M. Peccianti. ACS Photonics, 10 (6), 1726 (2023). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01727
  46. P.C. Ashworth, E. Pickwell-MacPherson, E. Provenzano, S.E. Pinder, A.D. Purushotham, M. Pepper, V.P. Wallace. Opt. Express, 17 (15), 12444 (2009). DOI: 10.1364/OE.17.012444
  47. V.E. Ulitko, A.K. Zotov, A.A. Gavdush, G.M. Katyba, G.A. Komandin, I.E. Spektor, I.M. Shmytko, G.A. Emelchenko, I.N. Dolganova, M. Skorobogatiy, V.N. Kurlov, V.M. Masalov, K.I. Zaytsev. Opt. Mater. Express, 10 (9), 2100 (2020). DOI: 10.1364/OME.402185
  48. A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, A.A. Zhokhov, V.M. Masalov, G.R. Musina, V.V. Tuchin, N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, D.R. Il'enkova, S.V. Garnov, K.I. Zaytsev. Phys. Rev. Appl., 20 (5), 054050 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.054050
  49. V.M. Masalov, N.S. Sukhinina, G.A. Emelchenko. Phys. Solid State, 53, 1135 (2011). DOI: 10.1134/S1063783411060229
  50. K.D. Hartlen, A.P.T. Athanasopoulos, V. Kitaev. Langmuir, 24, 1714 (2008). DOI: 10.1021/la7025285
  51. W. Stober, A. Fink, E. Bohn. J. Colloid Interface Sci., 26 (1), 62 (1968). DOI: 10.1016/0021-9797(68)90272-5
  52. A.A. Zhokhov, V.M. Masalov, N.S. Sukhinina, D.V. Matveev, P.V. Dolganov, V.K. Dolganov, G.A. Emelchenko. Opt. Mater (Amst), 49, 208 (2015). DOI: 10.1016/j.optmat.2015.09.019
  53. E.N. Samarov, A.D. Mokrushin, V.M. Masalov, G.E. Abrosimova, G.A. Emel'chenko. Phys. Solid State, 48, 1280 (2006). DOI: 10.1134/S1063783406070109
  54. N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, E.N. Rimskaya, I.N. Dolganova, V.A. Zhelnov, P.A. Karalkin, A.A. Gryadunova, I.V. Reshetov, D.V. Lavrukhin, D.S. Ponomarev, V.E. Karasik, K.I. Zaytsev. Opt. Spectrosc., 126 (5), 560 (2019). DOI: 10.1134/S0030400X19050059
  55. G.R. Musina, N.V. Chernomyrdin, E.R. Gafarova, A.A. Gavdush, A.J. Shpichka, G.A. Komandin, V.B. Anzin, E.A. Grebenik, M.V. Kravchik, E.V. Istranova, I.N. Dolganova, K.I. Zaytsev, P.S. Timashev. Biomed. Opt. Express, 12 (9), 5368 (2021). DOI: 10.1364/BOE.433216
  56. N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 113 (11), 111102 (2018). DOI: 10.1063/1.5045480
  57. G.A. Komandin, S.V. Chuchupal, S.P. Lebedev, Y.G. Goncharov, A.F. Korolev, O.E. Porodinkov, I.E. Spektor, A.A. Volkov. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 3 (4), 440 (2013). DOI: 10.1109/TTHZ.2013.2255914
  58. M.J.E. Golay. Rev. Sci. Instruments, 18 (5), 347 (2004). DOI: 10.1063/1.1740948
  59. N.V. Chernomyrdin, M.E. Frolov, S.P. Lebedev, I.V. Reshetov, I.E. Spektor, V.L. Tolstoguzov, V.E. Karasik, A.M. Khorokhorov, K.I. Koshelev, A.O. Schadko, S.O. Yurchenko, K.I. Zaytsev. Rev. Sci. Instruments, 88 (1), 14703 (2017). DOI: 10.1063/1.4973764
  60. G.R. Musina, I.N. Dolganova, N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, V.E. Ulitko, O.P. Cherkasova, D.K. Tuchina, P.V. Nikitin, A.I. Alekseeva, N.V. Bal, G.A. Komandin, V.N. Kurlov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. J. Biophotonics, 13 (12), e202000297 (2020). DOI: 10.1002/jbio.202000297
  61. Handbook of Tissue Optical Clearing: New Prospects in Optical Imaging, ed. by V.V. Tuchin, D. Zhu, E.A. Genina (CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 2022). DOI: 10.1201/9781003025252
  62. Y.-Y. Chen, M.M. Yeh. J. Formosan Medical Association, 120 (1, Part 1), 68 (2021). DOI: 10.1016/j.jfma.2020.07.006
  63. V. Lau, L. Ramer, M.E. Tremblay. Nat. Commun., 14, 1670 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37304-3
  64. G. Chen, B. Zheng. Reproductive Biology \& Endocrinology, 19, 38 (2021). DOI: 10.1186/s12958-021-00724-1
  65. X. Chen, Q. Sun, J. Wang, H. Lindley-Hatcher, E. Pickwell-MacPherson. Adv. Photonics Res., 2 (1), 2000024 (2021). DOI: 10.1002/adpr.202000024

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.

Учредители

Издатель

© 2024 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme