内插光纤对生物组织有限束宽光吸收的影响 下载: 609次
1 引言
激光诱导间质肿瘤热疗法(LITT)是一种将激光通过光纤导入肿瘤内部,使局部生物组织吸收激光能量后凝结坏死的新型肿瘤治疗技术,该方法具有产热效率高、升温速度快、高温热场均匀、凝固区坏死等特点,目前已在脑部、肝部、胸部等位置的肿瘤治疗中得到了应用[1-3]。
研究光在组织中的运动传输问题,对研究LITT中组织的热毁损情况有着至关重要的意义[4]。根据蒙特卡罗(MC)原理,假设光子的运动模式为随机漫步模式,按照事先设定的运动规则对大量光子进行运动模拟后再进行数据的统计分析,即可得到组织对光能量的吸收分布。Nagli
在上述的各种MC模型中,假设入射光束为无限窄光束,而在实际的临床治疗过程中,入射光是从插入组织内部的光纤中射出的具有一定束宽的光。王吉晖等[10]分析了不同光学参数对高斯光束和平圆光束作用下的光能流率的影响。肖郑颖[11]利用MC法分析了不同光学参数条件下不同类型的有限宽光束的穿透深度。目前针对有限宽光束或无限窄光束的研究皆基于传统的MC模型,研究中假设光源在组织结构外部且不考虑光纤的影响,这种模型与临床的热毁损治疗方法有较大的差异[12]。对此,本文以组织内插光纤为模型,基于MC方法仿真有限宽光束作用下组织对光能量的吸收情况,比较了考虑与不考虑组织内插光纤时的组织吸收值。
2 基本原理
2.1 MC仿真方法简介
MC法也被称为统计模拟法或统计实验法,是将概率现象作为研究对象的数值统计法。一般研究组织中光传输问题的传统MC模型为光源外置的半无限层状组织模型,本文考虑到激光诱导间质肿瘤热疗法的实际情况,设置了光源内置的球体组织模型。当光束从内置光纤出射到生物组织上时,根据光的粒子性,光子会与组织中的分子以及光纤表面发生相互作用,如吸收、散射、反射、折射等,如
本文将球体中心作为笛卡儿坐标系的原点,并使光子的初始位置为(0,0,0)。光子的权重、步长、方向余弦等设置参照传统MC模型,同时考虑光纤附近和球体边界条件下的光传输。光子在光纤附近的运动如
将组织模型进行网格划分,通过跟踪大量光子的运动轨迹,记录光子运动到网格点时的能量损失情况,通过将各个格子记录的吸收值乘以总的光子个数,并将得到的结果再与格子大小进行相除,获得其各单元中该位置的能流率。
图 3. 光子在球边界附近传输的不同情况。(a)光子不撞击球边界;(b)光子撞击球边界
Fig. 3. Different situations of photon's translation near boundary of sphere. (a) Photon does not strike boundary; (b) photon strikes boundary
2.2 模型参数设置
设组织模型的外层半径为2 cm,内层半径为1 cm,内置光纤直径为0.04 cm,模拟的入射光波长为980 nm,对应此波长的组织光学参数如
表 1. 组织光学参数[14]
Table 1. Tissue optical parameters[14]
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2.3 有限宽光束传输的卷积计算
在MC的模拟计算中,假设光束为无限窄光束,而临床治疗过程中使用的激光光束为有限宽光束。由于常规的热毁损治疗系统皆具有线性不变的特点,因此以无限窄光束传输的MC模拟结果为基础,通过卷积的方法可以计算得到有限宽光束的传输结果。
假设光束准直入射在组织层表面,建立笛卡儿坐标系,以z轴正方向为光束的入射方向。假设C(x,y,z)表示有限窄光束的光分布,G(x,y,z)表示不同光源类型的格林函数,S(x,y)表示光源的强度,可以得到
式中:(x,y,z)为观察点坐标,(x',y')为光源坐标。
设x″=x-x',y″=y-y',可得
(1)式中的格林函数为光源和观测点之间距离的函数,其距离为
如果强度函数S(x',y')具有圆柱对称性,则S(x',y')是关于半径的函数,半径为观测点(x',y')与坐标原点的距离,即
因此考虑到这种对称性,(1)、(2)式可以表示为
响应函数C(x,y,z)同样具有上述的对称性,因此响应函数[(5)、(6)式]可以表示为
式中:θ'为坐标原点位于光源中心的柱坐标系中观察点与光源上任一点之间的偏转角;θ″、r″分别为坐标原点位于观察点的柱坐标系中观察点与光源上任一点之间的偏转角及距离。
目前,激光器产生的光束一般为高斯光束或平圆光束,其强度分布如下。
1) 高斯光束
光束的强度分布为
式中:R为高斯光束光强降至中心最大值1/e2处的半径;S0为光束中心(r=0)的强度,与光束的总能量P有关,表示为
将(9)式代入(8)式可得
2) 平圆光束
平圆光束在半径
将(12)式代入(8)式得到
其中Iθ(r,r″)为
3 分析与讨论
本文先通过Visual Studio(VS)软件的Microsoft Foundation Classes(MFC)进行图形用户界面设计,将组织光学参数传入MC模型中,分别计算出考虑与不考虑光纤时无限窄光束的MC仿真结果,再通过卷积计算得到组织对有限宽光束的吸收情况。
图 4. r=0.03 cm处组织对有限宽光束在纵向上的吸收图。(a) z正方向的高斯光束;(b) z正方向的平圆光束;(c) z负方向的高斯光束;(d) z负方向的平圆光束
Fig. 4. Absorption of tissue at r=0.03 mm for finite width beam in longitudinal direction. (a) Gaussian beam at positive z direction; (b) flat beam at positive z direction; (c) Gaussian beam at negative z direction; (d) flat beam at negative z direction
图 5. 组织对有限宽光束在径向上的吸收图。(a) z=0.04 cm处高斯光束;(b) z=0.04 cm处平圆光束;(c) z=-0.04 cm处高斯光束;(d) z=-0.04 cm处平圆光束
Fig. 5. Absorption of tissue for finite width beam in radial direction. (a) Gaussian beam at z=0.04 cm; (b) flat beam at z=0.04 cm; (c) Gaussian beam at z=-0.04 cm; (d) flat beam at z=-0.04 cm
4 结论
考虑到临床治疗中使用的激光光束为有限宽光束及治疗过程中光纤内插在组织内部,对组织光传输的MC模拟模型进行改进,设置内置光源的双层球体模型并对光子在光纤边界和球体边界的传输情况进行分析,通过模拟仿真出该模型组织对无限窄光束的吸收情况,再通过格林函数和入射光强计算得到组织对有限宽光束的吸收情况。仿真结果表明:1)组织对平圆光束的吸收值较小,当光纤内插在组织内部时,组织对平圆光束的吸收的变化绝对值很小,光纤对组织吸收的影响可以忽略;2)组织对高斯光束的吸收值较大,当光纤内插在组织内部时,光子出射面以下的组织吸收值增大,而光子出射面以上的组织吸收值减小,光子出射点附近的组织吸收值变化较明显,光纤对该区域的影响较大。综上所述,对于入射参数相同的980 nm高斯光束和平圆光束,激光间质热疗时采用高斯光束可以获得较高的热能效,此时应该考虑内插光纤对组织吸收光能的影响。所提模型相对于传统模型更加符合临床治疗的实际情况,对选取合适的光束类型具有一定的借鉴意义。
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戴丽娟, 丁乐明, 李韪韬, 钱志余. 内插光纤对生物组织有限束宽光吸收的影响[J]. 光学学报, 2020, 40(24): 2417001. Lijuan Dai, Leming Ding, Weitao Li, Zhiyu Qian. Effect of Inserted Optical Fiber on Light Absorption in Biological Tissue for Finite-Diameter Photon Beams[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(24): 2417001.