ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОНТЕ–КАРЛО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОСЛОЙНОЙ СРЕДЕ, ИМИТИРУЮЩЕЙ ТКАНИ ГОЛОВЫ В НОРМЕ И ПРИ ВНУТРИЧЕРЕПНОЙ ГЕМАТОМЕ

Аннотация

Разработана оптическая модель тканей головы и головного мозга в норме и при внутричерепной гематоме. Выполнено компьютер- ное моделирование (по методу Монте–Карло) распространения лазерного излучения с длиной волны 0.730, 0.805 и 0.980 мкм. Обнаружено, что при гематоме в распределении интенсивности рассеянного назад лазерного излучения на поверхности кожи головы формируется «кольцевая» структура. Исследовано влияние толщины кожи головы (скальпа), кости черепа и толщины гематомы на величину разности мощности рассеянного назад лазерного излучения на поверхности кожи головы в норме и при гематоме. Показано, что разность мощности в норме и при наличии гематомы максимальна на длине волны лазерного излучения 0.805 мкм и тем больше, чем меньше толщина кожи головы (скальпа) и кости черепа, а при увеличении толщины гематомы разность мощности рассеянного назад лазерного излучения на поверхности кожи головы в норме и при наличии гематомы нелинейно увеличивается.

DOI: 
10.18500/1817-3020-2017-17-3-158-170
Литература

1. Шилкин В. В. Анатомия по Пирогову. Атлас анатомии человека. М. : Медицина, 2013. 724 с.

2. Сапин М. Р. Анатомия человека. М. : Медицина, 1993. 560 с.

3. Бурых М. П., Григорьева И. А. Клиническая анатомия мозгового отдела головы. Харьков : Каравелла, 2002. 240 с.

4. Большой медицинский словарь. URL: http://www. medslv.ru (дата обращения: 17.02.2017).

5. Смычёк В. Б., Пономарёва Е. Н. Черепно-мозговая травма. Минск : НИИ МЭ и Р, 2010. 430 с.

6. Кондаков Е. Н., Кривецкий В. В. Черепно-мозговая травма : руководство для врачей неспециализированных стационаров. СПб. : СпецЛит, 2002. 272 с.

7. Котельников Г. П., Миронов С. П. Травматология : национальное руководство. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008. 820 с.

8. Кишковский А. Н., Тютин Л. А. Неотложная рентгенодиагностика. М. : Медицина, 1989. 238 с.

9. Марусина М. Я., Казначеева А. О. Современные виды томографии. СПб. : ИТМО, 2006. 131 с.

10. Верещагин Н. В., Брагина Л. К. Компьютерная томография головного мозга. М. : Медицина, 2002. 251 с.

11. Хорнак Д. П. Основы МРТ. URL: http://www.cis.rit.edu/ htbooks/mri/inside-r.htm (дата обращения: 17.02.2017).

12. Труфанов Г. Е., Рамишвили Т. Е. Лучевая диагностика. Травмы головы и позвоночника. СПб. : ЭЛБИ-СПб, 2006. 195 с.

13. Дмитриева Т. Б., Краснов В. Н. Психиатрия. Национальное руководство. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2009. 993 с.

14. Zhang Q., Ma H., Nioka S., Chance B. Study of near infrared technology for intracranial hematoma detection // J. Biomed. Opt. 2000. Vol. 5, iss. 2. P. 206−213. DOI: 10.1117/1.429988.

15. InfraScanner model 2000. URL: http://www.sintogroup. ru/infrascanner_2000/index.htm (дата обращения: 17.02.2017).

16. Кутергина Е. С., Аристов А. А. Ближняя инфракрасная спектроскопия для определения внутричерепных гематом // Современные техника и технологии : XIX междунар. науч.-практ. конф. Томск : Националь- ный исследовательский Томский политехнический университет, 2013. С. 397−398.

17. Korhonen V. O., Myllyla T. S., Kirillin M. Y., Popov A. P., Bykov A. V., Gorshkov A. V., Sergeeva E. A., Kinnunen M., Kiviniemi V. Light propagation in NIR spectroscopy of the human brain // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014. Vol. 20, iss. 2. P. 289−298. DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2279313.

18. Herrera-Vega J., Orihuela-Espina F. Image Reconstruction in Functional Optical Neuroimaging the modelling and separation of the scalp blood fl ow : A research proposal. Division of Computational Sciences. National Institute of Astrophysics, Optics and Electronics, INAOE (Mexico) CCC-15-002, 2015. 47 p.

19. Okada E., Firbank M., Schweiger M., Arridge S. R., Cope M., Delpy D. T. Theoretical and experimental investigation of near-infrared light propagation in a model of the adult head // Applied Optics. 1997. Vol. 36, iss. 1. P. 21−31. DOI: 10.1364/AO.36.000021.

20. Leung T. S., Elwell C. E. Estimation of cerebral oxyand deoxy-haemoglobin concentration changes in a layered adult head model using near-infrared spectroscopy and multivariate statistical analysis // Physics in Medicine and Biology. 2005. Vol. 50. P. 5783−5798. DOI:10.1088/0031-9155/50/24/002.

21. Сорвойя Х. С. С., Мюллюля Т. С., Кириллин М. Ю., Сергеева Е. А., Мюллюля Р. А., Элесуд А. А., Никки- нен Ю., Тервонен О., Кивиниеми В. Неинвазивный МРТ-совместимый волоконно-оптический прибор для функциональной рефлектометрии мозга человека в оптическом и ближнем ИК диапазонах // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 12. С. 1067−1073. DOI: 10.1070/QE2010v040n12ABEH014503.

22. Boas D. A., Culver J. P., Stott J. J., Dunn A. K. Three dimensional Monte Carlo code for photon migration through complex heterogeneous media including the adult human head // Opt. Express. 2002. Vol. 10, iss. 3. P. 159−170. DOI: 10.1364/OE.10.000159.

23. Fang Q. Q., Boas D. A. Monte Carlo Simulation of Photon Migration in 3D Turbid Media Accelerated by Graphics Processing Units // Opt. Express. 2009. Vol. 17, iss. 22. P. 20178−20190. DOI: 10.1364/OE.17.020178.

24. Chuang C. C., Chen C. M., Hsieh Y. S., Liu T. C., Sun C. W. Brain structure and spatial sensitivity profi le assessing by near-infrared spectroscopy modeling based on 3D MRI data // J. Biophotonics. 2013. Vol. 6, iss. 3. P. 267−274. DOI: 10.1002/jbio.201200025.

25. Kurihara K., Kawaguchi H., Obata T., Ito H., Sakatani K., Okada E. The infl uence of frontal sinus in brain activation measurements by near-infrared spectroscopy analyzed by realistic head models // Biomed. Opt. Express. 2012. Vol. 3, iss. 9. P. 2121−2130. DOI: 10.1364/ BOE.3.002121.

26. Francis R., Khan B., Alexandrakis G., Florence J., MacFarlane D. NIR light propagation in a digital head model for traumatic brain injury (TBI) // Biomed. Opt. Express. 2015. Vol. 6, iss. 9. P. 3256−3267. DOI: 10.1364/ BOE.6.003256.

27. Van der Zee P., Essenpreis M., Delpy D. T. Optical properties of brain tissue // Proc. of SPIE. 1993. Vol. 1888. P. 454–465. DOI: 10.1117/12.154665.

28. Sandell J. L., Zhu T. C. A review of in-vivo optical properties of human tissues and its impact on PDT // J. Biophotonics. 2011. Vol. 4, iss. 11−12. P. 773−787. DOI: 10.1002/jbio.201100062.

29. Bashkatov A. N., Genina E. A., Kochubey V. I., Tuchin V. V. Optical properties of human cranial bone in the spectral range from 800 to 2000 nm // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6163. P. 616310-1−616310-11. DOI: 10.1117/12.697305.

30. Van der Zee P. Measurement and modelling of the optical properties of human tissue in the near infrared. L. : University College London, 1992. 302 p.

31. Delpy D. T., Cope M. Quantfi cation in tissue near-infrared spectroscopy // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 1997. Vol. 352, iss. 1354. P. 649–659. DOI: 10.1098/ rstb.1997.0046.

32. Ding H., Lu J. Q., Wooden W. A., Kragel P. J., Hu X. H. Refractive indices of human skin tissues at eight wavelengths and estimated dispersion relations between 300 and 1600 nm // Phys. Med. Biol. 2006. Vol. 51. P. 1479–1489. DOI:10.1088/0031-9155/51/6/008.

33. Binding J., Arous J. B., Leger J.-F., Gigan S., Boccara C., Bourdieu L. Brain refractive index measured in vivo with high-NA defocus-corrected full-fi eld OCT and consequences for two-photon microscopy // Opt. Express. 2011. Vol. 19, iss. 6. P. 4833–4847. DOI: 10.1364/ OE.19.004833.

34. Ascenzi A., Fabry C. Technique for dissection and measurement of refractive index of osteones // J. of Biophysical and Biochemical Cytology. 1959. Vol. 6, iss. 1. P. 139−143.

35. Kertzscher U., Schneider T., Goubergrits L., Affeld K., Hanggi D., Spuler A. In Vitro Study of Cerebrospinal Fluid Dynamics in a Shaken Basal Cistern after Experimental Subarachnoid Hemorrhage // PLoS One. 2012. Vol. 7, iss. 8. e41677. DOI: 10.1371/journal.pone.0041677.

36. Van der Zee P., Essenpreis M., Delpy D. T. Optical properties of brain tissue // Proc. of SPIE. 1993. Vol. 1888. P. 454−465. DOI: 10.1117/12.154665.

37. Faber D. J., Aalders M. C. G., Mik E. G., Hooper B. A., van Gemert M. J. C., van Leeuwen T. G. Oxygen Saturation-Dependent Absorption and Scattering of Blood // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 93, iss. 2. P. 028102-1−028102-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.93.028102.

38. Jacques S. L. Optical properties of biological tissues : a review // Phys. Med. Biol. 2013. Vol. 58, № 11. P. R37− R61. DOI: 10.1088/0031-9155/58/11/R37.

39. Friebel M., Roggan A., Muller G., Meinke M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions // Journal of Biomedical Optics. 2006. Vol. 11, iss. 3. P. 034021-1−034021-10. DOI: 10.1117/1.2203659.

Краткое содержание (на английском языке): 
Полный текст в формате PDF (на русском языке):