Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Беликов А. В., Скрипник А. В., Антропова М. М. Численное моделирование методом Монте–Карло распространения лазерного излучения в многослойной среде, имитирующей ткани головы в норме и при внутричерепной гематоме // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2017. Т. 17, вып. 3. С. 158-170. DOI: 10.18500/1817-3020-2017-17-3-158-170

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 323)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
УДК: 
535.36
DOI: 
10.18500/1817-3020-2017-17-3-158-170

Численное моделирование методом Монте–Карло распространения лазерного излучения в многослойной среде, имитирующей ткани головы в норме и при внутричерепной гематоме

Авторы: 
Беликов Андрей Вячеславович, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Скрипник Алексей Владимирович, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Антропова Мария Михайловна, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
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.

Ключевые слова: 
оптическая модель
оптическое поглощение
поглощение
рассеяние
лазерное излучение
гематома
кровь
кожа
череп
серое вещество
белое вещество
Список источников: 
  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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/10.1117/1.2203659
Краткое содержание:
скачать
(загрузок: 163)
  • 1719 просмотров