光在宫颈组织中传输特性的蒙特卡罗模拟.pdf

研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期35基金项目：国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(81827803，81727804)，国家自然科学基金指南引导类原创探索计划项目（82151311）国家自然科学基金(61875085，11902154)，江苏省重点研发计划(社会发展)项目（BE2020705），江苏省自然科学基金(BK20190387)通讯作者：钱志余，男，博士，南京航空航天大学，教授，E-mail: 作者简介：钟旻(1999.09-)，女，硕士，E-mail:Abstract:In order to study the photon transport of visible near-infrared spectroscopy in cervical tissue,a double-layer cervical tissue model was constructed according to the structure of cervical tissue,and the Monte Carlo method was used to simulate the light distribution of visible light(about 500 nm)and near-infrared light(about 810 nm)in cervical tissue,and the differences in diffuse reflectance,absorbed energy density and light energy flow rate in normal cervical tissue and high-grade precancer tissue were studied.The results showed that the diffuse reflectance of normal cervical tissue was greater than that of high-grade diseased tissue.In the epithelial layer,the light absorption energy density of normal cervical tissues is greater than that of high-grade diseased tissues,and the light-absorbed energy density of normal cervical tissues in the stromal layer is smaller than that of high-grade diseased tissues.The light energy flow rate of normal cervical tissues is greater than that of high-grade diseased tissues,and compared with visible light,NIR light has a greater range and deeper detection depth in cervical tissue.It provides a theoretical basis for the diagnosis of cervical precancerous lesions using visible near-infrared spectroscopy.Key words：Cervical tissue;Monte Carlo Simulation;light transport propertiesStudy on the light transport properties in cervical tissueby Monte Carlo MethodZHONG Min1,ZHANG Dan1,QIAN Zhiyu1*(1.School of Automation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,Jiangsu,211106)摘要：为研究可见近红外光谱在宫颈组织中的光子传输情况，根据宫颈组织的结构，构建双层宫颈组织模型，利用蒙特卡罗方法模拟可见光(500 nm左右)和近红外光(810 nm左右)在宫颈组织中的光分布，研究宫颈正常组织和高级病变组织中漫反射率、吸收能量密度、光能流率的变化的差异。结果表明：宫颈正常组织表面漫反射率大于高级病变组织；在上皮层中宫颈正常组织光吸收能量密度大于高级病变组织，基质层宫颈正常组织光吸收能量密度小于高级病变组织；宫颈正常组织的光能流率大于高级病变组织，与可见光相比，近红外光在宫颈组织中的分布范围更大、探测深度更深。为使用可见近红外光谱技术进行宫颈癌前病变诊断提供了一定的理论基础。关键词：宫颈组织；蒙特卡罗模拟；光传输特性中图分类号：O43 文献标识码：A DOI:10.11967/2023210205光在宫颈组织中传输特性的蒙特卡罗模拟钟旻1，张丹1，钱志余1*（1.南京航空航天大学自动化学院，江苏，南京，211106）研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期360 引言宫颈癌是威胁女性健康的重要疾病。据统计，2020年全球估计有60.4万例宫颈癌新发病例和34.2万死亡病例，发病率和死亡率在女性癌症中均排在第4位1。目前临床上用于宫颈癌诊断与筛查的方法主要有巴氏涂片法、阴道镜、醋酸（或碘）染色法、HPV-DNA、薄层液基细胞学检测法（TCT）等，但是这些方法都存在的一些局限性。近年来有许多采用光谱技术进行肿瘤细胞或组织研究的文章2-4，其中近红外光谱具有方便、快捷、成本低、准确等特点，被广泛应用于肿瘤相关研究。将可见近红外光谱技术应用到宫颈癌前病变筛查中，首先需要研究近红外光在宫颈组织中的传输特性。近年来生物组织中的光传输是组织光学的研究热点之一，目前用于模拟光在生物组织中传输的模型和算法有很多。对于多次散射问题，历史上提出了两种理论来解释5，即“输运理论”和“多次散射理论”。多次散射理论是一种解析理论，考虑了粒子的散射和吸收特性，从数学上来讲是严格的，但是无法得到完整的精确解。输运理论也就是辐射传输理论，这种理论缺乏数学上的严谨，但是能够灵活处理很多物理问题，该理论只考虑光的粒子性，这些粒子要么被散射要么被吸收，由于求解输运方程难度很大，所以这种模型只能用来求解性质和形状简单的生物组织。之后对输运理论进行了简化，提出了漫射近似理论6，当光源离目标很近或者在组织边界处得不到准确的结果7。目 前 较 为 理 想 的 是 蒙 特 卡 罗 法(M o n t e Carlo)，可以很好的解决多次散射理论和输运理论存在的问题，该方法是由Metropolis和Ulam首次提出的一种用于使用随机模型模拟物理过程的一种技术8，1989年Wilson把蒙特卡罗法引入到激光与生物组织的相互作用领域之后9，该方法被广泛地用来研究光在生物组织中的传输规律。应金品等人用蒙特卡罗方法模拟了光在具有明显边界线和简单几何形态的肿瘤组织中的光的传输特性10；Wojtkiewicz等人模拟了光在以MRI的头部模型为例的复杂结构中的传输情况，并开发了并行多用途蒙特卡罗代码11；许莉莉研究了不同光束大小、不同强度和聚焦情况的面光源对生物组织中光能量分布的影响12。蒙特卡罗方法可以模拟任意复杂形状和结构的组织，且同实验结果较为吻合，因此用蒙特卡罗法得到的数值结果常作为标准来验证其他方法。本文利用蒙特卡罗方法模拟可见光（500 nm附近）和近红外光（810 nm附近）在宫颈正常和高级癌前病变组织中的传输特性，包括光在宫颈组织中的漫反射率、吸收能量密度以及光能流率分布规律，为使用可见近红外光谱技术进行宫颈癌前病变诊断提供一定的理论基础。1 材料与方法1.1 宫颈组织模型图1 宫颈组织双层模型Fig.1 Two-layer model of cervical tissue假设两层的每一层在光学特性方面都是均匀的，例如散射系数s、吸收系数a和各向异性因子g。在模拟中，上皮层和基质的折射率均设为1.38，组织外的空气折射率设为1，上皮层的各向异性因子设为0.97，基质的各向异性因子设为0.8，与波长无关。500 nm激发波长下宫颈正常组织和高级病变组织的光学参数14,15如表1所示。表1 宫颈组织光学参数Tab.1 Optical parameters of cervical tissue研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期371.2 Monte Carlo模拟光子在组织中传播的过程由于生物组织中的介质为不均匀的离散随机介质，当光子入射到这样的生物组织中，光子会被吸收或散射，形成一种独特的自由漫步状态，如图2所示。图2 生物组织中光子自由漫步状态图Fig.2 Schematic diagram of photon free walking in biological tissuesMonte Carlo 方法模拟光在组织中的传输是通过大量记录每个光子在组织中的行迹实现的，通过计算组织中各个位置的光子数目，模拟每个光子在生物组织中的行迹，为了保证模拟的准确性，一般要求光子数目在105以上。当光子到达组织边界附近会从边界溢出或者反射回组织，当前位置沿传输方向到组织边界的距离为约化步长s1，当步长ss1，光子到达组织边界，到达边界的光子的反射率由菲涅尔反射系数给出，如下式(1)：（1）其中，为i为入射角，t为出射角。通过菲涅尔公式判定光子是反射还是被透射，如果光子被反射，将以剩余步长s-s1s在下一层继续传输。对于仍在组织中传输的光子，如果其权重小于预先设定的阈值权重wth，则结束对该光子的追踪。其步骤总体上分以下几步：根据入射条件确定起始跟踪点；确定光子运动的步长；确定光子行进的方向和下一次碰撞的位置；确定在该位置光子的吸收和散射部分；循环计算直到光子权重小于某一设定值，或者光子溢出生物组织表面时结束对该光子的跟踪。然后返回第一步记录另一光子，直到所设定的光子数全部跟踪完毕。蒙特卡罗模拟多层生物组织的算法流程图如图3所示。本研究中采用的是Wang等人16,17使用蒙特卡罗方法对光在多层结构组织中的传输问题进行C语言编程得到的MCML和CONV程序。蒙特卡罗程序模拟光束垂直射入宫颈组织模型时的光场分布，光源参数设为：光子数为1000000，光能量为1 J，高斯分布g，光源半径为0.02 cm。二维栅格系统的格间距dz和dr均设置为0.005 cm，栅格数Nz和Nr分别设为200和100。图3 多层生物组织中光子传输的蒙特卡罗模拟流程图Fig.3 Monte Carlo simulation flowchart of photon transport in multilayer biological tissues2 模拟结果与讨论2.1 光在宫颈组织中的漫反射规律高斯光束准直射入宫颈正常组织和高级病变组织时，组织表面的漫反射率R随径向半径r的变化如图4所示。图中可以看出由于高斯光束中心研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期38处能量密度较高，光的侧向传播范围较小。在相同波长光的激发下，宫颈正常组织表面的漫反射率大于高级病变组织表面的漫反射率，其原因为正常宫颈组织总体的散射系数大于高级病变组织总体的散射系数，光在正常组织中的散射能力更强。经计算，在500 nm波长光下正常组织和高级病变组织中的漫反射率的衰减梯度分别约为45(J/cm)/mm和30(J/cm)/mm，在810 nm波长光下正常组织和高级病变组织中的漫反射率的衰减梯度分别约为30(J/cm)/mm和20(J/cm)/mm，可见500nm波长下漫反射率的衰减梯度明显高于810nm波长光下漫反射率的衰减梯度，且500 nm波长激发下宫颈组织表面的漫反射率均大于810 nm照射下宫颈组织表面的漫反射率，原因是810 nm波长下宫颈组织的散射系数小于500 nm波长下宫颈组织的散射系数，光在组织中的散射能力也就更弱。（a）（b）图4 500 nm和810 nm波长下宫颈正常组织和高级病变组织吸收能量密度A随轴向距离z的变化(a)500 nm；(b)810 nmFig.4 The diffusive reflection R of normal and advanced diseased tissues of the cervix varies with the radial radius r at wavelengths of 500 nm and810 nm(a)500 nm;(b)810 nm2.2 光在宫颈组织中吸收能量密度变化规律宫颈组织中吸收能量密度A随轴向距离z的变化如图5所示。从图中可以看出，宫颈组织中能量吸收密度总体趋势是随着轴向距离的增大一直减小，吸收能量密度突增的地方为组织上皮层-基质交界处，越接近上皮层和基质层边界处衰减梯度越大。在810 nm波长的光激发下组织的吸收能量密度变化规律和500 nm波长光激发下的规律大体上一致。在500 nm波长的光激发下，z0.035 cm，宫颈正常组织的吸收系数小于高级病变组织，散射系数大于高级病变组织，正常组织对光子的吸收能力较弱，因此正常组织的吸收能量密度小于高级病变组织。（a）（b）图5 500 nm和810 nm波长下宫颈正常组织和高级病变组织吸收能量密度A随轴向距离z的变化(a)500 nm；(b)810 nmFig.5 The absorption energy density A of cervical normal tissue and advanced diseased tissue varies with axial distance z at wavelengths of 500 nm and 810 nm(a)500 nm;(b)810 nm研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期392.3 光在宫颈组织中光能流率变化规律（a）（b）图6 500 nm和810 nm波长下宫颈正常组织和高级病变组织光能流率F随轴向距离z的变化(a)500 nm；(b)810 nmFig.6 Variation fluence rate of cervical normal tissue and advanced diseased tissue varies with axial distance z at wavelengths of 500 nm and 810 nm(a)500 nm;(b)810 nm（a）（b）图7 500 nm波长下宫颈组织中光能流率分布等高线图(a)正常组织；(b)高级病变组织Fig.7 Contour plot of fluence rate distribution in cervical tissue at 500 nm wavelength(a)normal；(b)high-grade precancer（a）（b）图8 810 nm波长下宫颈组织中光能流率分布等高线图(a)正常组织；(b)高级病变组织Fig.8 Contour plot of fluence rate distribution in cervical tissue at 810 nm wavelength(a)normal；(b)high-grade precancer 宫颈组织中光能流率F随轴向距离z的变化规律如图6所示。500 nm波长光激发下宫颈正常组织和高级病变组织的光能流率分布等高线图如图7所示，810 nm波长光激发下宫颈正常组织和高级病变组织的光能流率分布等高线图如图8所示。从图6中可以看出，在两种波长激发下，宫颈正常组织中的光能流率均大于高级病变组织中的光能流率总体趋势均是光能流率F随轴向距离r的增大而减小，突增点为上皮层-基质交界处。此外，因为激发光束为高斯光束，因此随着深度的增加宫颈组织中的光能流率衰减较快，且500 nm波长光与810 nm波长光下宫颈组织中的光能流率的衰减梯度相比略大一些，因为500 nm波长下宫颈组织的散射系数大于800 nm波长下宫颈组织中的散射系数，光子在组织中的衰减更快。模拟结果显示：在500 nm波长光激发下，宫颈正常组织和高级病变组织的最大光能流率分别为1464.9 J/cm3和1482.6 J/研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期40cm3，当光能流率衰减到趋于平缓时，光在宫颈组织中的穿透深度分别为：0.098 cm和0.093 cm。在810 nm波长光激发下，宫颈正常组织和高级病变组织的最大光能流率分别为1461.2 J/cm3和1461.9 J/cm3，穿透深度分别为：0.113 cm和0.108 cm。结合图7和图8可以看出，810 nm波长光照下宫颈组织中光的分布范围比500 nm波长下的分布范围更大，穿透深度也更深。3 结论本研究利用蒙特卡罗方法模拟可见光(500 nm附近)和近红外光(810 nm附近)在宫颈组织中的传输，得到了两种波长下宫颈正常组织和高级病变组织中漫反射率、吸收能量密度和光能流率变化的差异。结果表明：宫颈正常组织表面漫反射率大于高级病变组织；在上皮层中宫颈正常组织光吸收能量密度大于高级病变组织，基质层宫颈正常组织光吸收能量密度小于高级病变组织；宫颈正常组织的光能流率大于高级病变组织，与可见光相比，近红外光在宫颈组织中的分布范围更大，探测深度更深。研究为宫颈组织高级病变的诊断提供了一个参考，根据可见光和近红外光在宫颈组织中传输的差异区分正常组织和高级病变组织，实现对宫颈癌前高级病变的诊断。参考文献1 Sung H,lay J,egel RL，et alGlobal cancer statistics 2020:GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countriesJ.CA Cancer J Clin,2021,71(3):209-249.2王心莉,韩冰,路璐,吴迪,杜烨,范志民,郑超,张海鹏.拉曼光谱在乳腺癌相关研究中的应用J.中国老年学杂志,2014,34(10):2891-2893.3陈波,周家合.拉曼光谱在肾透明细胞癌诊断中的研究J.国际泌尿系统杂志,2018,38(02):191-194.4王雪,王萌萌,张秀明,熊丹.共聚焦显微拉曼光谱鼻咽癌检测中的研究进展J.国际检验医学杂志,2022,43(05):622-626.5 Akira Ishimaru.Wave propagation 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