Спектры оптических свойств in vivo в пяти областях тела у десяти испытуемых с использованием временной диффузной оптики

Проливая свет глубоко в тело

Медицинские исследователи все чаще используют свет, а не рентген, чтобы заглянуть под кожу и отслеживать процессы внутри организма. Но чтобы превратить свет в надежный диагностический инструмент, учёным сначала нужно точно знать, как разные ткани его поглощают и рассеивают. В этой статье представлен богатый открытый набор данных, который картирует распространение света в живой человеческой ткани в нескольких участках тела, прокладывая путь к более безопасным и точным оптическим тестам и процедурам.

Почему свет — мощный медицинский инструмент

Между красным светом и ближним инфракрасным существует «золотая зона», в которой свет может проникать на сантиметры в ткань, не будучи полностью поглощённым. Этот диапазон уже используется в устройствах для мониторинга кислорода в мозге или для наведения лазерных процедур. Однако большинство существующих измерений оптических свойств тканей получены на отрезках ткани вне организма, на животных или в небольших разрозненных экспериментах. Это затрудняет проектирование новых приборов, сравнение исследований или учёт естественных различий между людьми. Авторы поставили цель восполнить этот пробел стандартным in vivo человеческим набором данных, доступным для всех.

Как проводились измерения

Команда использовала метод, называемый временной диффузной оптической спектроскопией. Они посылали ультракороткие световые импульсы в тело через небольшой портативный зонд и измеряли, сколько времени потребовалось рассеянным фотонам, чтобы вернуться. Форма этой кривой «времени пролёта» раскрывает, насколько сильно ткань поглощает свет и насколько интенсивно его рассеивает. Десять здоровых добровольцев, различающиеся по возрасту, полу, тону кожи и комплекции, были измерены в пяти точках: верхняя часть руки, предплечье над костями лучевой и локтевой, живот, лоб и пяточная кость (кальканеус). Для каждого участка свет на 51 длине волны от 610 до 1110 нанометров записывали дважды (с перемещением зонда) и по три раза на каждую позицию, а на тех же местах выполнялись ультразвуковые снимки, показывающие подлежащую анатомию.

Как времена прихода фотонов превращались в карты тканей

Чтобы перевести сырые данные о времени прихода фотонов в биомедицински значимые величины, авторы аппроксимировали каждую кривую времени пролёта хорошо проверенной физической моделью диффузии света в рассеивающей среде. Это позволило оценить два ключевых параметра на каждой длине волны: сколько света теряется за счёт поглощения и насколько интенсивно он рассеивается. Обработка проводилась аккуратно, чтобы избежать шума и искажений, и система была сверена с жидкими «фантомами» с известными свойствами и с международными эталонами производительности. Окончательный набор данных, размещённый на Zenodo, включает нетронутые исходные файлы, метаданные, связывающие каждый файл с испытуемым и участком тела, примерные результаты анализа и готовые инструменты на Python и MATLAB для чтения и визуализации данных.

Что данные показывают о реальных телах

Полученные спектры показывают, как вода, жир, кровь и структурные белки оставляют различные отпечатки в разных частях тела. Например, измерения в области живота у испытуемых с более высоким индексом массы тела демонстрируют более выраженные признаки жира на длинах волн, где поглощение липидов максимальное, тогда как у более худых испытуемых спектры доминируют за счёт воды. Области, богатые костью, такие как предплечье и пяточная кость, имеют тонкие особенности, вероятно связанные с коллагеном в кости, а лоб, где мало жировой ткани, определяется сигналами воды и крови. Сравнивая повторные измерения в одной точке с различиями между людьми, авторы показывают, что естественная вариабельность между людьми гораздо выше, чем шум самого прибора, что подчёркивает важность учёта биологического разнообразия при разработке оптических диагностик.

Основа для будущей медицины на основе света

В обыденном представлении этот проект похож на создание детальной дорожной карты распространения света по телу. Любой, кто разрабатывает новый оптический сканер, проверяет теорию движения фотонов в ткани или обучает систему искусственного интеллекта интерпретации оптических сигналов, теперь может начинать с точных, открыто доступных человеческих данных, а не с предположений. Совмещая тщательно верифицированные измерения, ультразвуковые изображения и прозрачные инструменты анализа, набор данных предоставляет общую опору, которая должна помочь ускорить развитие неинвазивных методов на основе света для обнаружения заболеваний, мониторинга здоровья и наведения терапии.

Цитирование: Damagatla, V., Karremans, S., Bossi, A. et al. In-vivo optical properties spectra across five body locations on ten subjects using time-domain diffuse optics. Sci Data 13, 261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06586-9

Ключевые слова: оптика тканей, свет ближнего инфракрасного диапазона, неинвазивная визуализация, открытые биомедицинские данные, миграция фотонов