光學(xué)特性參數(shù)對(duì)生物組織光分布的影響

肖 鄭 穎

(1.莆田學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 莆田351100；2.福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心，福建 莆田351100)

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【自然科學(xué)基礎(chǔ)理論研究】

光學(xué)特性參數(shù)對(duì)生物組織光分布的影響

肖 鄭 穎1,2

(1.莆田學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 莆田351100；2.福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心，福建 莆田351100)

利用蒙特卡羅方法模擬準(zhǔn)直光束在生物組織中的光分布，分別改變吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)等光學(xué)特性參數(shù)，比較分析組織中吸收能量密度、光能流率、漫反射率、透射率、光通量分布的差異。結(jié)果表明:增大吸收系數(shù)和散射系數(shù)均會(huì)增大吸收能量密度及其梯度；吸收系數(shù)影響光能流率和光通量的大小，散射系數(shù)影響二者的衰減梯度；吸收系數(shù)和散射系數(shù)影響漫反射率和透射率大小，散射系數(shù)影響二者的衰減梯度。

組織光學(xué)；蒙特卡羅模擬;光學(xué)特性參數(shù)；光分布

光在生物組織內(nèi)傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)發(fā)生吸收、散射、反射和透射，但是不同的生物組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)、成分差異很大，會(huì)表現(xiàn)出截然不同的光學(xué)特性，這種差異也是臨床上實(shí)現(xiàn)光學(xué)診斷病變組織的依據(jù)。[1]光學(xué)成像技術(shù)是光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向，發(fā)展出了光學(xué)共焦顯微成像、熒光成像、光聲成像、光學(xué)相干層析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)技術(shù)等等，與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，具有非侵入式、 無(wú)損、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

OCT技術(shù)通過(guò)探測(cè)樣品的后向散射光實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像，可以通過(guò)提取OCT信號(hào)中的衰減情況實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織狀態(tài)的檢測(cè)。[2-3]因此，研究生物組織中各參量的衰減情況可以為光學(xué)診斷判斷生物組織狀態(tài)提供參考和依據(jù)。

蒙特卡羅方法通過(guò)光子隨機(jī)行走的方式模擬光在組織中的傳輸，已經(jīng)成為組織光學(xué)領(lǐng)域驗(yàn)證其他理論或模型的一種非實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。[4]

本文通過(guò)蒙特卡羅方法模擬無(wú)限窄光束輻照吸收系數(shù)、散射系數(shù)和衰減系數(shù)不同的生物組織，分析生物組織中吸收能量密度、光能流率、漫反射率、透射率、光通量的差異，并分析其產(chǎn)生原因。

1 蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅模擬在依據(jù)光學(xué)特性參數(shù)建立生物組織模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)跟蹤統(tǒng)計(jì)大量光子在介質(zhì)中的光程，估計(jì)出相關(guān)物理量。

1.1選取隨機(jī)變量

1.2各隨機(jī)變量

圖1 移動(dòng)球坐標(biāo)系示意圖

1.3光子傳輸模擬

光子垂直組織表面入射后，在組織內(nèi)部每移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)s，其權(quán)重、坐標(biāo)和方向余弦的變化如表1所示。[5]光子初始權(quán)重ω=1，當(dāng)傳輸至ω<ωth時(shí)，由“輪盤賭”判斷是否繼續(xù)傳輸。

表1 光子移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，權(quán)重、坐標(biāo)、方向余弦的變化情況

2 模擬方法

蒙特卡羅方法模擬組織內(nèi)光分布的流程圖如圖2所示。模擬初始值采用633 nm下皮膚組織的光學(xué)特性參數(shù)[6]：μa=2.7 cm-1，μs=187 cm-1，g=0.81。另外,模擬光子數(shù)為105個(gè)，d=0.1 cm，dz=0.001 cm，dr=0.005 cm,ωth=0.000 01。如表2所示，分別改變?chǔ)蘟、μs、μt，獲得不同參數(shù)下無(wú)限窄準(zhǔn)直光束入射皮膚組織，吸收能量密度、光能流率、漫反射率、透射率、光通量的分布(圖3至圖7)，分析光學(xué)特性參數(shù)對(duì)組織中光子傳輸?shù)挠绊?。圖3至圖6中的曲線1至曲線5分別對(duì)應(yīng)表2中相應(yīng)序號(hào)的光學(xué)特性參數(shù)。序號(hào)2是將吸收系數(shù)改變?yōu)槌跏贾档?倍，散射系數(shù)不變；序號(hào)3是將散射系數(shù)改變?yōu)槌跏贾档?/2，吸收系數(shù)不變；序號(hào)4是保持衰減系數(shù)不變，將吸收系數(shù)改變?yōu)槌跏贾档?倍；序號(hào)5是保持衰減系數(shù)不變，將吸收系數(shù)改變?yōu)槌跏贾档?/3。上述參數(shù)的選擇是在兼顧皮膚組織正常的光學(xué)特性參數(shù)范圍和模擬結(jié)果差異較明顯的前提下選擇的。

表2 模擬所采用的光學(xué)特性參數(shù)

圖2 模擬流程圖

3 結(jié)果與討論

圖3為不同光學(xué)特性參數(shù)生物組織中吸收能量密度的分布情況。散射系數(shù)相同，吸收系數(shù)越大(μa2>μa1)，吸收能量密度的衰減梯度越大，在淺表層(r<0.07 cm)，吸收能量密度越大。兩曲線在r=0.07 cm附近交叉，在深層組織(r>0.07 cm)，吸收能量密度的分布與淺表層正好相反，這是因?yàn)闇\表層吸收能量密度較大，更多的光子被吸收，因此組織深層吸收能量密度較小。

吸收系數(shù)相同，散射系數(shù)越大(μs1>μs3),吸收能量密度的衰減梯度越大，光子的散射能力越強(qiáng)，更多的光子被吸收，因此曲線1在淺表層吸收能量密度更大，二者在r=0.04 cm附近交叉。

衰減系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa5<μa1<μa4)，吸收能量密度衰減梯度越小，在淺表層吸收能量密度越小。

圖3 光學(xué)特性參數(shù)對(duì)吸收能量密度A(z)的影響

圖4為不同光學(xué)特性參數(shù)生物組織中光能流率的分布。衰減系數(shù)越小(μt3<μt1、μt4、μt5<μt2)，光能流率的衰減梯度越小。衰減系數(shù)相同(μt1=μt4=μt5)，光能流率的衰減梯度相同，吸收系數(shù)越大(μa4>μa1>μa5),光能流率越小。

圖4 光學(xué)特性參數(shù)對(duì)光能流率的影響

散射系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa1<μa2)，光能流率越大。吸收系數(shù)相同，散射系數(shù)不同(μs3<μs1),兩曲線在r=0.04 cm附近交叉，這主要是由于光能流率在數(shù)值上等于A(z)與μa的比值[4]，二者吸收系數(shù)相同，因此光能流率的分布情況與圖3中相應(yīng)曲線類似。

圖5 光學(xué)特性參數(shù)對(duì)徑向漫反射率的影響

圖5為不同光學(xué)特性參數(shù)的生物組織中漫反射率的分布，漫反射率在徑向r迅速衰減。散射系數(shù)相同，吸收系數(shù)越大(μa2>μa1)，徑向漫反射率越??；衰減系數(shù)相同，吸收系數(shù)越大(μa4>μa1>μa5)，徑向漫反射率越小。這主要是由于更多的光子被吸收，導(dǎo)致由于漫反射從上表面離開組織的光子變少。吸收系數(shù)相同，散射系數(shù)越小(μs3<μs1),發(fā)生散射的光子數(shù)越少，徑向漫反射率越小，其衰減梯度也明顯較小。

圖6為不同光學(xué)特性參數(shù)的生物組織中透射率的分布。散射系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa1<μa2)，透射率越大；衰減系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa5<μa1<μa4)，透射率越大，這主要是由于更多光子未被組織吸收，可以通過(guò)組織內(nèi)部的傳輸，從下表面離開組織。吸收系數(shù)相同，散射系數(shù)不同(μs3<μs1),二者曲線差異較大。曲線3由于散射系數(shù)較小，更多的光子在中心軸附近通過(guò)組織內(nèi)部，從下表面離開組織，因此透射率近軸明顯高于曲線1，且從中心軸開始迅速衰減；而曲線1散射系數(shù)較大，因此透射率在近軸并未迅速衰減，甚至出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

圖6 光學(xué)特性參數(shù)對(duì)透射率的影響

圖7為不同光學(xué)特性參數(shù)的生物組織中光通量的二維分布圖，圖中各序號(hào)對(duì)應(yīng)表2中各光學(xué)特性參數(shù)。散射系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa1<μa2)，同一位置光通量越大，但是光子在徑向r上分布得更遠(yuǎn)，這主要是由于吸收系數(shù)小的組織中更多的光子被散射。吸收系數(shù)相同，散射系數(shù)越小(μs3<μs1),光通量的衰減梯度較小，光子在徑向上分布得更遠(yuǎn)。衰減系數(shù)相同，吸收系數(shù)越小(μa5<μa1<μa4)，散射系數(shù)越大，同一位置光通量越大，光通量的衰減梯度越大，光子在徑向上分布得更遠(yuǎn)。

圖7 光學(xué)特性參數(shù)對(duì)光通量的影響

4 結(jié)語(yǔ)

同一光源輻照單層生物組織，不同的光學(xué)特性參數(shù)對(duì)組織中光分布的各參量影響各不相同。

(1)增大吸收系數(shù)和散射系數(shù)均會(huì)增大吸收能量密度及其梯度。

(2)光能流率和光通量分布類似，吸收系數(shù)影響光能流率和光通量的大小，散射系數(shù)影響二者的衰減梯度。

(3)漫反射率與透射率分布類似，吸收系數(shù)和散射系數(shù)均對(duì)漫反射率和透射率大小有影響，散射系數(shù)影響二者衰減梯度。

[1] 魚迎珍.納米金靶向生物組織的光熱治療時(shí)域建模仿真[D].西安：西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[2] 黃義梅,龔瑋,謝樹森.光子嫩膚熱損傷的光學(xué)相干層析成像動(dòng)態(tài)監(jiān)控[J].光電子激光,2009,(5):702-704.

[3] 徐小暉.小鼠皮膚深Ⅱ度燙傷及治療的光學(xué)觀察與分析[D].福州：福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[4] 高迪.光在生物組織中傳播的蒙特卡羅研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[5] 肖鄭穎,林金忠,李陽(yáng)娟.蒙特卡羅方法研究皮膚組織光學(xué)特性參數(shù)對(duì)光子傳輸?shù)挠绊慬J].中國(guó)激光醫(yī)學(xué)雜志,2017,(1):7-11.

[6] Jacques S L.Optical properties of biological tissues:a review[J].Physics in Medicine & Biology,2013,58(11):37-61.

【責(zé)任編輯牛懷崗】

InfluenceofOpticalParametersontheLightDistributionofBiologicalTissue

XIAO Zheng-ying1, 2
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Putian University,Putian 351100, China;
2. Fujian Laser Precision Machining Engineering Technology Research Center,Putian 351100, China)

Monte Carlo Method was employed to simulate the distribution of collimated light beam at the biological issues. With a variety of optical parameters including absorption coefficient, scattering coefficient and attenuation coefficient, the differences distribution of energy absorption intensity, fluence rate, diffuse reflection intensity, transmittance and luminous flux were compared and analyzed. The results show that the increasing of absorption coefficient and scattering coefficient shall increase the energy absorption intensity and its gradient. Absorption coefficient shall influence the fluence rate and luminous flux, and scattering coefficient shall influence the attenuation gradients of these two aforementioned parameters. Absorption coefficient and scattering coefficient shall diffuse reflection intensity and transmittance whose attenuation gradients shall be influenced by the scattering coefficient.

tissue optics; Monte Carlo Simulation; optical parameter; light distribution

Q632

：A

：1009-5128(2017)16-0014-06

2017-04-06

福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心開放課題：桌面式3D打印機(jī)的研發(fā)(20150504)；福建省教育廳A類項(xiàng)目：水庫(kù)枇杷園區(qū)精確灌溉控制系統(tǒng)研究(JA11205);莆田市科技計(jì)劃項(xiàng)目：鞋模的高速銑削加工技術(shù)研究(2016G2006)

肖鄭穎(1985—)，女，福建莆田人，莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,理學(xué)碩士，主要從事生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究。