Оптико-электронная система поляризационного секционирования для оценки изменений сатурации крови при решении задач функциональной ближней инфракрасной спектроскопии

Хлынов Р.Д., Рыжова В.А., Жукова О.В., Коротаев В.В.

Ссылка для цитирования:

Хлынов Р.Д., Рыжова В.А., Жукова О.В., Коротаев В.В. Оптико-электронная система поляризационного секционирования для оценки изменений сатурации крови при решении задач функциональной ближней инфракрасной спектроскопии // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 12. С. 56–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-56-69

Khlynov R.D., Ryzhova V.A., Zhukova O.V., Korotaev V.V. Optoelectronic pola- rization gating system for assessing blood saturation changes in functional near-infrared spectros copy applications [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 12. P. 56–69.http://doi. org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-56-69

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Чувствительность системы поляризационного секционирования к изменениям артериальной сатурации в зависимости от взаимной ориентации главных направлений поляризационных фильтров. Цель работы. Разработка и оптимизация структуры оптико-электронной системы для оценки изменений сатурации крови при решении задач функциональной ближней инфракрасной спектроскопии. Методы. Экспериментальное исследование преобра- зования параметров поляризованного излучения при его взаимодействии с биотканью. Цифровая обработка поляризационно-разделённых изображений методом Стокса. Статистический и корреляционный анализ пространственных распределений поляризационных и энергетических параметров излучения. Основные результаты. Предложена структура двухканальной системы поляризационного секционирования на основе разработанной методики рационального выбора конфигурации главных направлений поляризационных фильтров для одновременной регистрации потоков излучения, рассеянного от поверхностных и глубинных слоёв биоткани. При зондировании биоткани через кожу наилучшая чувствительность системы к изменению сатурации крови обеспечивается для главных направлений поляризатора под углом 45° и анализаторов под углами 45° и 90° к соответствующим осям абсцисс референтных систем координат. Установлена статистически значимая положительная связь отношений потоков излучения с сатурацией. Среднеквадратичное отклонение остаточной регрессии на калибровочной выборке для данной конфигурации составило 1,63%. Практическая значимость. Поляризационная система может быть использована как для непосредственного выявления и мониторинга функционального гемодинамического ответа, так и для калибровки системы функциональной ближней инфракрасной спектроскопии.

Ключевые слова:

поляризационное секционирование, сатурация, функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия, чувствительность, поляризационные параметры излучения, биоткань

Благодарность:

работа поддержана средствами федерального бюджета в рамках государствен ного задания Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (№ 1021062411653-4-3.1.8). Работа выполнена при поддержке проекта № 624083 научно-исследовательской работы магистрантов и аспирантов Университета ИТМО.

Коды OCIS: 170.0170, 110.0110, 330.0330

Список источников:

1. Upadhyay A., Saikia M.J. Next-generation wearable fNIRS: A comprehensive review of bio-instrumentation and hardware architectures // Applied Sciences. 2026. V. 16. № 11. P. 5368. DOI: 10.3390/app16115368

2. Han Y., Huang J., Yin Y. et al. From brain to work site: the role of fNIRS in cognitive studies and work er safety // Frontiers in Public Health. 2023. V. 11. P. 1256895. DOI: 10.3389/fpubh.2023.1256895

3. Guglielmini S., Wiggli E., Scholkmann F. et al. Hemo dynamics and vascular oxygenation measured at the forehead during changes in respiration: a SPA-fNIRS study // Respiratory Physiology & Neurobiology. 2025. V. 331. P. 104364. DOI: 10.1016/j.resp.2024.104364

4. Scholkmann F., Kleiser S., Metz A.J. et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectros copy and imaging instrumentation and methodology // Neuroimage. 2014. V. 85. P. 6–27. DOI: 10.1016/j. neuroimage.2013.05.004

5. Arimoto H. Multispectral polarization imaging for observing blood oxygen saturation in skin tissue // Applied spectroscopy. 2006. V. 60. № 4. P. 459–464. DOI: 10.1366/000370206776593672

6. Mishra D., Priyadarshini N., Chakraborty S. et al. Blood oxygen saturation measurement using polarization-dependent optical sectioning // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. № 12. P. 3900−3908. DOI: 10.1109/ JSEN.2017.2698520

7. Рыжова В.А., Хотеев А.А., Хлынов Р.Д. и др. Интеграция методов поляризационного анализа и глубокого обучения для комплексного экспериментального исследования структурных изменений в биологических тканях // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 12. С. 94–105. DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92 12-94-105

Ryzhova V.A., Khoteev A.A., Khlynov R.D. et al. Integration of polarization analysis and deep learning methods for a comprehensive experimental study of structural changes in biological tissues // Journal of Optical Technology. 2025. V. 92. № 12. P. 801–809. DOI: 10.1364/JOT.92.000801

8. Shi L., Wang X., Pu X. et al. Polarization angle information enhancement method based on polarimetric array imaging // Applied Optics. 2024. V. 63. № 2. P. 437–444. DOI: 10.1364/AO.505186

9. Lizana A., Van Eeckhout A., Adamczyk K. et al. Polarization gating based on Mueller matrices // Journal of biomedical optics. 2017. V. 22. № 5. P. 056004–056004. DOI: 10.1117/1.JBO.22.5.056004

10. Badiola I., Balaji S., Silva D. et al. Real-time subject specific predictive modeling of PPG signals for artifact resilient SpO₂ estimation under hypoxia // Sensors. 2025. V. 25. № 23. P. 7176. DOI: 10.3390/s25237176

11. Крутиков В.Н., Золотаревский, Ю.М., Лясковский, В.Л. и др. Способ диагностики ишемической болезни сердца // Патент РФ № 2595483 C2. 2014.

12. Li Y., Guo X., Zhang K. et al. The structural types of the polarization detection unit in imaging polarimeter based on the stokes parameter method // Sensors. 2025. V. 25. № 13. P. 4069. DOI: 10.3390/s25134069

13. Patachia M., Dutu D.C.A., Dumitras D.C. Blood oxygenation monitoring by diffuse optical tomography // Quantum Electronics. 2010. V. 40. № 12. P. 1062–1066. DOI: 10.1070/QE2010v040n12ABEH014505

14. Gutierrez-Martinez J., Vega-Martinez G., Toledo-Per al C.L. et al. A NIRS-based technique for monitoring brain tissue oxygenation in stroke patients // Sensors. 2024. V. 24. № 24. P. 8175. DOI: 10.3390/s24248175