[發明專利]光在生物組織中傳輸特性的定量蒙特卡羅模擬方法

有效

• 申請號: 200810047962.7
• 申請日: 2008-06-10
• 公開（公告）號: CN101286187A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 駱清銘;龔輝;李婷
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;A61B5/00;A61N5/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于光譜技術應用，數學仿真和生物醫學工程領域，涉及一種光在組織中傳輸特性的定量蒙特卡羅(Monte?Carlo)模擬方法。

背景技術

將光譜技術應用于生物組織的檢測和成像，相對于現有的成熟技術，如PET，fMRI，肌電/心電/腦電等，具有非侵入測量，時間分辨率高，成本低廉等優點，對疾病診斷與監測，光學臨床治療、腦功能機制以及生理病理研究具有重要意義。近年來，光譜技術在生物組織檢測成像的研究和臨床應用中受到越來越廣泛的好評，但是其準確性和可靠性還沒有被廣泛接受，其原因是光，尤其是最常用的近紅外光，在生物組織中的復雜傳輸特性還不能定量獲取，限制了光譜技術的應用發展。定量獲取任意波長光在生物組織中的傳輸特性，將優化生物組織光學檢測儀器的設計，促進光譜技術在臨床診斷治療領域的應用，推動醫學成像，激光外科手術，激光動力學療法和輻射劑量定量化等臨床應用方面的發展，同時對生物組織的新陳代謝，生理結構狀態和功能等科學問題的探索也具有重大理論和現實意義。

目前，獲取光在生物組織中傳輸特性的方法主要分為兩類。一類是解析擴散方程方法，該方法需要描述組織結構的邊界條件，對于普遍具有三維復雜結構的真實生物組織，邊界條件太復雜，難以獲得擴散方程的解析解。另一類是蒙特卡羅模擬方法，該方法不需要邊界條件，靈活且精度高，可用于獲取光在任意生物組織中的傳輸特性。近年來，越來越多的研究者致力于建立獲取光在組織中傳輸特性的蒙特卡羅方法。其中，‘MCML’方法(S.L.Jacques?and?L.Wang.″Monte?Carlo?modeling?of?light?transport?intissues，″in?1995?Proc?OPTICAL-THERMAL?RESPONSE?OFLASER-IRRADIATED?TISSUE?Conf.，PP.73-99.和L.Wang，S.L.Jacques，and?L.Zheng，″MCML--Monte?Carlo?modeling?of?light?transport?inmulti-layered?tissues，″Comput.Methods.Programs.Biomed.，vol.47，pp.131-146，1995.)是國際上應用最為廣泛，精度最高的方法，但是該方法只適用于柱狀多層的簡化生物組織，不能用于具有復雜三維結構的生物組織。此外，近年來國外研發出的可用于三維結構生物組織的新方法——‘tMCimg’(D.A.Boas，J.P.Culver，J.J.Stott，and?A.K.Dunn，″Threedimensional?Monte?Carlo?code?for?photon?migration?through?complexheterogeneous?media?including?the?adult?human?head，″Opt.Express.，vol.10，no.3，pp.159-170，2002.)，具有組織模型限制和精度不高的缺點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種光在生物組織中傳輸特性的定量蒙特卡羅模擬方法，該方法可應用于任意三維結構的生物組織，模擬精度高。

本發明提供的光在生物組織中傳輸特性的定量蒙特卡羅模擬方法，其步驟包括：

(1)將目標生物組織的空間結構描述為一個三維數字矩陣，即組織模型，矩陣中的元素對應目標生物組織的體素，每個元素的數值為標識組織類型的數字；設定目標生物組織的各類組織光學特性參數，包括吸收系數，散射系數，折射系數和各向異性因子；設定一個與組織模型大小相同的三維空矩陣，其中每個元素用于記錄其對應生物組織中一個體素對光的吸收量；

(2)將入射光源表征為設定數目的光子的集合，將入射光源位置和入射光方向賦給每個光子的初始位置和方向；

(3)追蹤每個光子的傳輸過程，首先投放光子，然后以由隨機數確定的步長移動，在遇到邊界的情況下發生反射或折射，一旦光子折射到生物組織外就停止追蹤，否則在光子移動一個步長后發生光吸收而衰減能量，發生散射而改變方向，繼續下一步移動的追蹤直到光子能量衰減到足夠小，應用俄羅斯輪回盤算法，如果光子在輪回盤中復活，繼續追蹤光子下一步的移動，如果在輪回盤中死亡，停止對該光子的追蹤；

(4)追蹤完所有光子后輸出光吸收矩陣和所有逸出光子的信息。