MÔ HÌNH HÓA SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG MÔ SINH HỌC
Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học
Khi ánh sáng chiếu tới mô, sự lan truyền của ánh sáng sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm và thông số của thiết bị tạo ánh sáng, cũng như các thông số quang học của mô
Các đặc điểm và thông số của thiết bị điều trị có thể ảnh hưởng đến sự tương tác giữa ánh sáng và mô theo nhiều cách Ví dụ, bước sóng của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của mô Công suất của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến cường độ của ánh sáng chiếu tới mô Diện tích vết của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến diện tích bề mặt của mô tiếp xúc với ánh sáng Khoảng cách từ đầu phát đến bề mặt mô có thể ảnh hưởng đến cường độ của ánh sáng chiếu tới mô
Các thông số quang học của mô bao gồm:
• Hệ số hấp thụ: Hệ số hấp thụ mô là đại lượng biểu thị khả năng của mô hấp thụ ánh sáng
Hệ số hấp thụ cao có nghĩa là mô hấp thụ nhiều ánh sáng hơn
• Hệ số tán xạ: Hệ số tán xạ mô là đại lượng biểu thị khả năng của mô tán xạ ánh sáng Hệ số tán xạ cao có nghĩa là mô tán xạ nhiều ánh sáng hơn
• Hệ số dị hướng: Hệ số dị hướng mô là đại lượng biểu thị mức độ phân tán của ánh sáng tán xạ bởi mô Hệ số dị hướng cao có nghĩa là ánh sáng tán xạ bởi mô có xu hướng phân tán theo nhiều hướng khác nhau
• Hệ số khúc xạ: Hệ số khúc xạ mô là đại lượng biểu thị mức độ khúc xạ ánh sáng khi đi qua mô Hệ số khúc xạ cao có nghĩa là ánh sáng bị khúc xạ nhiều hơn khi đi qua mô
Sự tương tác giữa ánh sáng và mô (hình 2.1) [20]có thể được chia thành ba loại chính: phản xạ, hấp thụ và tán xạ
• Phản xạ: Phản xạ là hiện tượng ánh sáng bị đổi hướng khi gặp một bề mặt Phản xạ có thể xảy ra ở cả bề mặt bên ngoài của mô và ở các bề mặt bên trong của tế bào
• Hấp thụ: Hấp thụ là hiện tượng ánh sáng bị các phân tử trong mô hấp thụ Khi ánh sáng bị hấp thụ, năng lượng của ánh sáng được chuyển thành năng lượng nhiệt hoặc năng lượng hóa học
• Tán xạ: Tán xạ là hiện tượng ánh sáng bị đổi hướng khi gặp các hạt nhỏ trong mô Các hạt nhỏ này có thể là các phân tử nước, protein, lipid hoặc các cấu trúc tế bào khác
Sự tán xạ trong mô là nguyên nhân của việc các photon bị đổi hướng khi đi qua mô Khi photon tương tác với các hạt vi mô trong mô, hướng truyền của photon có thể bị thay đổi Sự hấp thụ được cho là nguyên nhân của các tính chất hóa học của mô Khi photon bị hấp thụ bởi mô, năng lượng của photon được chuyển thành năng lượng nhiệt hoặc năng lượng hóa học
Khi photon truyền tới mô tại mặt phân cách giữa mô với môi trường, luôn có xảy ra phản xạ một phần và truyền qua một phần Photon còn lại tiếp tục đi vào mô sẽ xảy ra quá trình hấp thụ, tán xạ và cuối cùng có thể truyền qua mô Quá trình tán xạ trong mô có nhiệm vụ thay đổi hướng truyền của photon, giúp mở rộng sự tác động đối với mô Ngoài ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô
Hình 2 1: Sự tương tác giữa ánh sáng với mô sinh học
2.1.1 Sự phản xạ và khúc xạ
Phản xạ và khúc xạ ánh sáng là hiện tượng xảy ra khi truyền ánh sáng trong môi trường có chiết suất n gặp một môi trường có chiết suất n′′ Các mô sinh học đều có chiết suất, do đó phản xạ và
17 khúc xạ ánh sáng xảy ra ở ranh giới của hai mô khác nhau Mô sinh học bao gồm nhiều loại khác nhau, nên có các đặc điểm khác với thủy tinh hoặc tinh thể, tuy nhiên ranh giới giữa hai lớp thì không rõ ràng; Chỉ số khúc xạ được thể hiện trên một thể tích mô nhất định, do đó, phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong mô sinh học là hiện tượng của nhiều phản xạ và khúc xạ liên quan đến nhiều ranh giới cục bộ và chiết suất Những thay đổi về hướng và biên độ truyền ánh sáng có thể được tính toán bằng cách sử dụng lý thuyết về phản xạ và khúc xạ
Hình 2.2 [21] minh họa các thông số cơ bản khi ánh sáng truyền từ mô chiết suất n thành mô có chiết suất n′, trong đó mặt phẳng biên là mặt phẳng XY trong hệ tọa độ Descartes Hướng của ánh sáng tới, ánh sáng phản xạ và khúc xạ được xác định bởi vectơ sóng k , k′, và k′′ tương ứng Góc giữa ba vectơ sóng và trục Z là θ, θ′, và θ′′, tương ứng
Hình 2 2: Sự lan truyền ánh sáng vào hai mô có chiết suất n và n’’ Ánh sáng khúc xạ truyền trong vật liệu với một chiết suất khác, do đó: n sin θ = n′′ sin θ′′ (2.1)
Sự lan truyền ánh sáng trong mô được xác định bởi sự tương tác của nó với các thành phần trong mô Ánh sáng sẽ bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai vật liệu mô khác nhau Ngoài ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô
Mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Một cách để hiểu được sự phân bố lan truyền của ánh sáng trong mô là dựa trên giải phương trình truyền bức xạ (RTE) Vì nó rất khó giải ở dạng hình học phức tạp, nên phương pháp Monte Carlo là một phương pháp mô phỏng hiệu quả trong việc giải phương trình RTE tìm ra sự lan truyền ánh sáng qua nhiều lớp mô Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp cơ bản, linh hoạt trong việc mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô, là kỹ thuật mô phỏng các quá trình tương tác vật lý sử dụng biến số ngẫu nhiên theo phân phối chuẩn
Chương trình mô phỏng Monte Carlo thường được sử dụng là MCML (Monte Carlo for Multi- Layered media) [24]thực hiện mô phỏng ở trạng thái ổn định cho môi trường đục nhiều lớp với chùm photon hẹp vô hạn làm nguồn sáng Trong mô phỏng Monte Carlo, photon được đưa vào mô tại vị trí xác định bởi hệ tọa độ Descartes với tọa độ (x, y, z) = (0, 0, 0) và quỹ đạo được xác định bởi cosin có hướng
2.2.1 Tạo các biến số ngẫu nhiên
Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp gắn liền với các biến ngẫu nhiên được tạo ra theo phân bố xác suất xác định Xét biến số ngẫu nhiên χ là một biến cần thiết trong mô phỏng Monte Carlo về sự lan truyền photon qua các lớp mô (hình 2.4) Nó có thể là biến kích thước bước đi s của photon sẽ thực hiện giữa các vị trí tương tác giữa mô và photon, hoặc là biến góc tán xạ θ của photon bị lệch so với phương ban đầu có thể gặp phải trong quá trình tán xạ Có một
22 hàm mật độ xác suất xác định phân phối của χ trong khoảng (a,b) Hàm mật độ xác suất được chuẩn hóa sao cho:
(2.7) Để thực hiện mô phỏng sự lan truyền, ta cần chọn giá trị cho biến χ nhiều lần và ngẫu nhiên dựa trên bộ tạo số giả ngẫu nhiên của máy tính Máy tính cung cấp một biến ngẫu nhiên, 𝜉 được phân phối đồng đều trong khoảng (0, 1) Hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên này là:
} (2.8) Để lấy mẫu hàm p(χ) có phân bố không đồng đều, giả sử tồn tại một hàm không giảm χ=f(ξ) với ξ∈(0,1) Khi biến χ và biến ξ là đơn ánh dẫn đến sự bình đẳng về xác suất:
Theo định nghĩa của hàm phân phối tích lũy, có thể được thay đổi thành một phương trình của hàm phân phối tích lũy:
Mở rộng hàm phân phối tích lũy F_χ (χ_1 ) theo hàm phân phối mật độ tương ứng trong khoảng (a, χ_1 ), ta được:
Phương trình trên là phương trình cơ bản cho phép tạo biến số ngẫu nhiên χ với hàm mật độ xác xuất p(χ) dựa vào sử dụng biến ngẫu nhiên ξ có mật độ xác suất p(ξ)=1 trong khoảng (0, 1) do máy tính tạo ra Chương trình mô phỏng Monte Carlo sẽ áp dụng phương trình (2.13) để chọn bước đi ngẫu nhiên s, góc lệch θ
Hình 2 4: Quá trình tìm được biến số ngẫu nhiên 𝜒
Quá trình đó được thực hiện từ máy tính tạo số giả ngẫu nhiên ξ_1 được tạo từ hàm phân bố xác suất p(ξ), sau đó chuyển thành hàm độ tích lũy p(χ) từ mối quan hệ giữa hàm phân bố và hàm mật độ, từ đó tìm được χ_1
Hình 2 5: Sơ đồ mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Khi khởi chạy chương trình mô phỏng (hình 2.5), photon di chuyển một bước ΔS thì có thể bị tán xạ, hấp thụ, truyền đi hoặc phản xạ Nếu photon bị hấp thụ bởi mô sinh học thì vị trí hấp thụ đó sẽ được ghi nhận Khi photon đến biên, chương trình kiểm tra xem photon có bị phản xạ bên
25 trong hay thoát ra ngoài Nếu photon bị phản xạ bên trong thì vị trí của photon được điều chỉnh và chương trình tiếp tục, nếu không thì photon thoát ra ngoài và được ghi lại
Với các photon tiếp tục, một phần nhỏ của gói photon (1 - a)w sẽ bị hấp thụ ở từng bước ΔS và cũng được ghi nhận lại sau đó điều chỉnh trọng số của photon Nếu trọng số của photon trên mức tối thiểu thì phần còn lại của gói sẽ được tán xạ theo một hướng khác và lặp lại Còn nếu trọng số nằm ở dưới mức tối thiểu, thì roulette được thực hiện để quyết định photon còn “sống sót” hay không, tức là có được đi tiếp hay kết thúc Nếu photon không tồn tại trong roulette thì một gói photon mới được thực hiện tiếp Tiến trình này sẽ được lặp lại cho đến khi hết số lượng photon xác định ban đầu
Phương pháp Monte Carlo cho phép tính toán mật độ năng lượng bức xạ với độ chính xác cao và có thể áp dụng cho nhiều loại môi trường khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế nhất định, bao gồm thời gian tính toán lớn và sự phụ thuộc vào số lượng photon được tạo ra
Trong quá trình tính toán Monte Carlo, hệ số hấp thụ được sử dụng để mô tả khả năng của môi trường hấp thụ ánh sáng Hệ số hấp thụ có thể được tính toán từ thông tin về tần số và loại các tương tác giữa photon và các phân tử trong môi trường Hệ số bức xạ được sử dụng để tính toán lượng ánh sáng được phát xạ lại từ các phân tử trong môi trường Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của phân tử, cũng như độ dài đường truyền của photon trong môi trường
Các hệ số hấp thụ và bức xạ có vai trò quan trọng trong việc tính toán mật độ năng lượng bức xạ trong môi trường Các hệ số này cũng phụ thuộc vào độ dày của môi trường và độ dày này cũng ảnh hưởng đến quá trình lan truyền của photon Độ dày của môi trường có thể được tính bằng cách sử dụng hệ số khả thấu, là tổng của hệ số hấp thụ và hệ số bức xạ
Các hệ số hấp thụ, bức xạ và khả thấu được sử dụng để tính toán xác suất một photon sẽ bị hấp thụ hoặc bị phản xạ lại khi đi qua môi trường Các giá trị xác suất này được sử dụng để tạo ra các sự kiện ngẫu nhiên trong quá trình mô phỏng, đại diện cho quá trình lan truyền của photon trong môi trường
Vị trí của photon xác định bởi hệ tọa độ Descartes (x, y, z) Hướng của photon được xác định bởi một vectơ đơn vị r được mô tả ( 𝜇⃗⃗⃗⃗ , 𝜇 𝑥 ⃗⃗⃗⃗ , 𝜇 𝑦 ⃗⃗⃗⃗ ) 𝑧
Chùm photon ban đầu có năng lượng W, suất phát từ vị trí (0, 0, 0) chiếu vào mô theo phương vuông góc với bề mặt với hướng xác định (0, 0, 1)
Khi photon được phóng ra, không tiếp xúc hoàn toàn ở bề mặt mô thì một số phản xạ nhỏ sẽ xảy ra Nếu chiết suất của môi trường bên ngoài và mô tương ứng là n1 và n2, thì hệ số phản xạ điểm
Năng lượng của photon khi đi vào mô :
2.2.4 Xác định bước đi của photon và xác định vị trí mới của photon
Các phần mềm mô phỏng
MCML và CONV đều là các khái niệm quan trọng trong lĩnh vực mô phỏng và tính toán, đặc biệt là trong ngữ cảnh của nghiên cứu quang học và vật lý ánh sáng
MCML (Monte Carlo Multi-Layer): là chương trình mô phỏng Monte Carlo được sử dụng rộng rãi để mô phỏng sự vận chuyển của ánh sáng trong mô sinh học Được phát triển bởi Wang và Jacques [25], MCML có khả năng mô phỏng sự vận chuyển ánh sáng ổn định trên mô hình nhiều lớp có các thông số quang học khác nhau MCML được coi là tiêu chuẩn vàng trong lĩnh vực mô phỏng Monte Carlo trong mô sinh học, và nhiều chương trình khác dựa trên thuật toán chung này Trong quá trình mô phỏng, photon di chuyển và có xác suất bị tán xạ, hấp thụ, truyền đi hoặc phản xạ Các sự kiện này được ghi nhận để đánh giá hiệu quả của quá trình lan truyền ánh sáng
CONV trong ngữ cảnh mô phỏng và tính toán: trong ngữ cảnh của phần mềm mô phỏng và tính toán, CONV thường tham chiếu đến việc sử dụng phép tính chập (convolution) Phép tính chập là một công cụ toán học cơ bản được áp dụng rộng rãi trong lý thuyết tín hiệu và hệ thống Các ứng dụng của CONV [26] bao gồm:
• Xử lý Tín Hiệu và Ảnh:
Sử dụng phép chập để mô phỏng việc áp dụng bộ lọc tín hiệu
Trong xử lý ảnh, có thể dùng để làm mịn, phát hiện cạnh, hoặc áp dụng các hiệu ứng khác
Trong mô phỏng vật lý, phép chập có thể được sử dụng để tính toán phản ứng của hệ thống khi nó được kích thích bởi tác động ngoại lai, ví dụ như áp suất sóng trong mô phỏng cơ học chất lỏng
Trong mạng nơ-ron tích chập (CNNs), phép chập là phép toán chính được sử dụng trong các lớp tích chập để học các đặc trưng từ dữ liệu
MCML và CONV đều đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng và tính toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ quang học đến xử lý ảnh và mô phỏng vật lý Đây là những công cụ quan trọng giúp hiểu rõ và áp dụng lý thuyết vào thực tế trong các lĩnh vực nghiên cứu đa dạng
2.3.2 Monte Carlo ba chiều (xyz)
Monte Carlo ba chiều (xyz) là một phương pháp mô phỏng quan trọng trong lĩnh vực chụp ảnh phân tử quang học, đặc biệt là khi nghiên cứu về sự vận chuyển ánh sáng trong các mô nhiều lớp Trong lĩnh vực này, chụp ảnh phân tử quang học đóng vai trò quan trọng trong việc quan sát các hoạt động phân tử và tế bào ở động vật nhỏ (in vivo), mang lại cái nhìn sâu sắc về quá trình di chuyển, truyền tín hiệu, tăng sinh và tự hủy của tế bào
Các phương pháp chụp ảnh phân tử quang học, như chụp ảnh phát quang sinh học (BLI) và chụp ảnh huỳnh quang phân tử (FMI), giúp khảo sát chính xác hơn về 3D sự phân bố của các phân tử phát quang sinh học hoặc huỳnh quang trong các mô sinh học Tùy thuộc vào phương thức điều
35 biến của nguồn sáng, kỹ thuật chụp ảnh phân tử quang học hoạt động ở ba chế độ: sóng liên tục (CW), miền thời gian (TD), và miền tần số (FD)
Mô hình Monte Carlo ba chiều (xyz), chẳng hạn như MOSE, được phát triển để mô phỏng sự di chuyển của ánh sáng qua phương tiện 3D có độ tán xạ cao với phương tiện phức hợp được biểu thị bằng không gian voxel MOSE [27] không chỉ hỗ trợ mô phỏng BLT ở chế độ CW mà còn DOT và FMT ở chế độ TD, FD và CW MOSE có giao diện người dùng đồ họa, hiển thị thời gian thực của môi trường mô phỏng và kết quả, giúp người dùng dễ dàng và thuận tiện
Sự hợp tác với các tổ chức như Đại học Xidian và Viện Tự động hóa tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã mang lại công cụ mô phỏng đầy đủ có tên là Môi trường mô phỏng quang học phân tử (MOSE) MOSE không chỉ mô tả quá trình vận chuyển ánh sáng, mà còn hỗ trợ xử lý hình ảnh, đơn giản hóa lưới và tái tạo bề mặt, mang lại những ứng dụng đa chiều trong lĩnh vực chụp ảnh phân tử quang học Phương pháp Monte Carlo được triển khai trong MOSE để mô phỏng sự lan truyền photon trong môi trường đục, với sự cải tiến là sử dụng lưới tam giác để mô hình hóa các mô phức tạp, cung cấp sự hiểu biết chi tiết và chính xác về quá trình này
2.3.3 Phân đoạn hình ảnh và tái tạo cấu tạo 3D
Phân đoạn hình ảnh và tái tạo cấu trúc 3D đóng vai trò quan trọng trong xây dựng các mô hình trong các ứng dụng y sinh (hình 2.6), đặc biệt là khi sử dụng các phần tử hữu hạn Do đó, các nghiên cứu về xây dựng mô hình lưới từ ảnh MRI/CT đang thu hút sự chú ý đặc biệt, với các công cụ như Iso2mesh viết bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB và Mimics Innovation Suite
Trong lĩnh vực này, Mimics được ưa chuộng vì là một phần mềm thương mại có giao diện người dùng đồ họa (GUI) được phát triển hoàn chỉnh và dễ sử dụng Ngược lại, Iso2mesh mặc dù mạnh mẽ nhưng vẫn còn chưa hoàn hảo về GUI Vì vậy, trong nghiên cứu này, Mimics được lựa chọn làm công cụ hỗ trợ xây dựng mô hình 3D của tuyến tiền liệt dựa trên ảnh chụp MRI
Mimics cung cấp các công cụ hỗ trợ phân đoạn, cho phép người dùng chỉnh sửa và thao tác dữ liệu để lựa chọn các phần như xương, mô mềm và da từ ảnh chụp Khi một phần được khoanh vùng và phân tách, nó có thể được hiển thị dưới dạng STL hoặc MedCAD Lưới thể tích cũng có thể tái tạo từ mô hình 3D Lưới thể tích, khi kết hợp với mô hình 3D, có thể xuất sang các chương trình mô phỏng khác như MOSE hay MMC-fpf và sau đó được sử dụng để thực hiện phân tích
36 phần tử hữu hạn trên lưới Điều này đặt ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu và y học
Hình 2 6: Kết quả phân đoạn và tái tạo mô hình 3D ở mô tủy xương bằng phần mềm MIMICS
2.3.4 Chia lưới phần tử hữu hạn
ISO2MESH là một ứng dụng tái tạo hình ảnh 3 chiều và xử lý lưới dữ liệu, phát triển trên nền tảng phần mềm Matlab Chương trình này có khả năng tạo lưới phần tử hữu hạn tứ diện 3D (FEM) từ các nguồn dữ liệu như bề mặt, hình ảnh thang xám, và dữ liệu nhị phân 3 chiều như hình ảnh từ MRI/CT ISO2MESH được thiết kế như một công cụ hỗ trợ mạnh mẽ trong quá trình xây dựng mô hình mô cơ thể và thực hiện các mô phỏng
Chương trình này cho phép tạo ra các mô hình lưới mô cơ thể với chất lượng cao và linh hoạt
Nó có khả năng xử lý dữ liệu thuận tiện từ các phân đoạn đa nhãn (rời rạc) hoặc xác suất (liên tục), cũng như các mô hình bề mặt của mô cơ thể (hình 2.7)
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI GẦN ĐẾN CÁC VỊ TRÍ BÊN TRONG TUYẾN TIỀN LIỆT
Mô hình ba chiều lớp phẳng
Mô hình tuyến tiền liệt ba chiều lớp phẳng được xây dựng dựa trên các hình khối hộp chữ nhật được xếp chồng lên nhau bao gồm 5 lớp chính: da, mô mỡ, cơ, tuyến tiền liệt và niệu đạo Mô hình này thể hiện tình trạng tăng sản tuyến tiền liệt lành tính (BPH), là tình trạng phì đại tuyến tiền liệt thường gặp ở nam giới lớn tuổi Hình 3.1 mô tả mô hình lớp phẳng trong luận văn này
Trong luận văn này, gói photon được sử dụng để tiến hành mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học Các gói photon mang năng lượng để tương tác với các thành phần cấu tạo nên mô Các quá trình hấp thụ và tán xạ của photon bên trong mô sinh học là một chuỗi quá trình phức tạp với các hướng đi ngẫu nhiên phụ thuộc vào các tính chất quang học của mô sinh học
Hình 3 2: Mô hình mô phỏng dạng lớp phẳng.
Mô hình ba chiều được tái tạo bằng ảnh MRI
Mô hình tuyến tiền liệt 3D được tái tạo từ dữ liệu ảnh MRI nguồn mở [30] Các bước chính để xây dựng mô hình được thể hiện ở hình 3.3 Trong luận văn này, mô hình tuyến tiền liệt dạng
43 lưới được xây dựng dựa trên bộ ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI) tuyến tiền liệt được sử dụng rộng rãi bởi cơ sở nghiên cứu cộng hưởng từ thuộc Đại học Chăm sóc sức khỏe Iowa và được xây dựng bởi Mimics Innovation Suit
Hình 3.3 cho thấy các bước chính trong quy trình tái tạo mô hình ba chiều của tuyến tiền liệt
• Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu MRI
Dữ liệu MRI được thu thập từ bệnh nhân nam giới khỏe mạnh Dữ liệu được xử lý để loại bỏ nhiễu và tạo ra hình ảnh 3D của tuyến tiền liệt
• Bước 2: Tách các lớp mô
Hình ảnh 3D của tuyến tiền liệt được phân tách thành các lớp mô riêng biệt, bao gồm da, mô mỡ, cơ, xương và tuyến tiền liệt
• Bước 3: Tạo mô hình lưới
Mỗi lớp mô được chuyển đổi thành một mô hình lưới tam giác Lưới tam giác được sử dụng để mô phỏng các tính chất quang học của mô
• Bước 4: Tương thích với MOSE
Mô hình lưới được chuyển đổi sang định dạng phù hợp với chương trình Môi trường mô phỏng quang học phân tử (MOSE)
Hình 3 3: Các bước chính xây dựng mô hình ba chiều bằng ảnh MRI.
Hình ảnh mô hình 3D
• Các lớp mô trong mô hình tuyến tiền liệt mô phỏng
Hình 3.4 thể hiện các lớp mô trong mô hình tuyến tiền liệt mô phỏng được xây dựng trong nghiên cứu này, bao gồm 5 lớp chính: da, mô mỡ, cơ, xương và tuyến tiền liệt
Mỗi lớp mô có các tính chất vật lý và quang học khác nhau, ảnh hưởng đến sự hấp thụ và tán xạ của ánh sáng hồng ngoại Ví dụ, da và mô mỡ có khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại mạnh hơn cơ và xương Điều này có nghĩa là ánh sáng hồng ngoại có thể đi sâu hơn vào mô tuyến tiền liệt trước khi bị hấp thụ
• Mô hình tuyến tiền liệt được chia thành lưới tam giác
Các mô hình tuyến tiền liệt được chia thành lưới tam giác để phù hợp với chương trình mô phỏng được sử dụng Lưới tam giác là một loại lưới phổ biến trong mô phỏng FEM, vì chúng có thể mô tả chính xác các góc và cạnh sắc nét của các vật thể 3D
Hình 3.5 cho thấy các khối mô hình được xây dựng bằng ảnh MRI được chia ở dạng lưới tam giác Việc sử dụng cụ thể các lưới tam giác trong bối cảnh này cho thấy rằng các mô hình được thiết kế để tương thích với phần mềm mô phỏng, chẳng hạn như MOSE, có thể được sử dụng cho các mục đích nghiên cứu và y tế khác nhau
• Sử dụng phần mềm Mimics để tạo mô hình
Phần mềm Mimics được sử dụng để tạo ra các mô hình này từ bộ dữ liệu MRI có sẵn Bộ dữ liệu MRI cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và kích thước của tuyến tiền liệt Phần mềm Mimics sử dụng thông tin này để tạo ra một mô hình 3D chính xác của tuyến tiền liệt
• Độ chi tiết và độ chính xác của mô hình
Mô hình tuyến tiền liệt 3D cuối cùng vừa chi tiết vừa có cấu trúc phù hợp để mô phỏng và phân tích Độ chi tiết của mô hình được kiểm soát bởi số lượng lưới tam giác được sử dụng Độ chính xác của mô hình được kiểm soát bởi độ chính xác của bộ dữ liệu MRI được sử dụng
• Giảm áp lực tính toán
Mạng lưới dày đặc và ngẫu nhiên được thấy trong các mô hình này giúp giảm áp lực tính toán trong các lần mô phỏng liên tiếp Điều này cho phép xử lý hiệu quả hơn mà không ảnh hưởng đến độ chi tiết và độ chính xác của mô hình
• Phương pháp đơn giản hóa
Phương pháp đơn giản hóa này, trong khi vẫn giữ được độ phức tạp cần thiết của cấu trúc, rất quan trọng cho các ứng dụng FEM hiệu quả Các ứng dụng này có thể bao gồm nghiên cứu tác động của các thủ tục y tế hoặc tìm hiểu hành vi của tuyến tiền liệt trong các điều kiện khác nhau
Các mô hình tuyến tiền liệt 3D được xây dựng trong nghiên cứu này cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho nghiên cứu và phát triển các ứng dụng điều trị mới cho phì đại tuyến tiền liệt.
Hình 3 4: Mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng bằng ảnh MRI (da (a), mô mỡ (b), cơ (c), xương (d), tuyến tiền liệt (e))
46 Hình 3 5: Mô hình được chia ở dạng lưới tam giác (da (a), mô mỡ (b), cơ (c), xương (d), tuyến tiền liệt (e))
Hình 3 6: Khối mô hình 3 chiều
Khối mô hình 3 chiều (hình 3.6) được sử dụng để mô phỏng sự truyền của ánh sáng qua tuyến tiền liệt Nguồn sáng là một điểm màu đỏ được đặt trên bề mặt da Vùng tuyến tiền liệt cần được khảo sát được biểu thị bằng khối màu vàng Ánh sáng từ nguồn sáng sẽ truyền qua mô tuyến tiền liệt Các photon ánh sáng có thể bị hấp thụ, tán xạ, hoặc phản xạ bởi các phân tử trong mô Sự hấp thụ ánh sáng làm giảm năng lượng của ánh sáng Tán xạ ánh sáng làm thay đổi hướng truyền của ánh sáng Phản xạ ánh sáng làm cho ánh sáng quay trở lại môi trường từ đó nó đến Tỷ lệ phần trăm ánh sáng bị hấp thụ, tán xạ, hoặc phản xạ phụ thuộc vào tính chất quang học của mô tuyến tiền liệt.
Các thông số mô phỏng
Trong nghiên cứu này, các trường hợp mô phỏng đã được thiết lập để mô phỏng sự truyền của ánh sáng hồng ngoại gần (NIR) ở bước sóng 850 nm và 1.064 nm từ bề mặt da vào tuyến tiền liệt Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát sự lan truyền của ánh sáng NIR vào sâu bên trong mô tuyến tiền liệt, từ đó đưa ra các kết luận ban đầu về ứng dụng của ánh sáng NIR trong điều trị phì đại tuyến tiền liệt lành tính (BPH) Ánh sáng NIR được sử dụng trong điều trị y tế dựa trên khả năng thâm nhập sâu vào các mô, có thể kích thích sửa chữa tế bào, giảm viêm và thúc đẩy quá trình lành vết thương Trong trường hợp BPH, liệu pháp ánh sáng NIR có khả năng làm giảm kích thước của tuyến tiền liệt mở rộng hoặc giảm bớt các triệu chứng mà không cần các thủ tục phẫu thuật xâm lấn
Trong nghiên cứu này, nguồn ánh sáng NIR được sử dụng là nguồn laser công suất thấp Hiệu ứng kích thích sinh học xảy ra ở ngưỡng 10 -4 – 1 W/cm 2 trong thời gian từ vài giây đến vài chục phút Trong đó, các năng lượng tích lũy theo thời gian gây ra hiệu ứng nhiệt trong mô được bỏ qua
Chùm tia màu đỏ trong hình 3.7 tượng trưng cho ánh sáng NIR nhắm vào tuyến tiền liệt Mô hình này mô phỏng cách ánh sáng tương tác với mô trong quá trình thực hiện thủ tục y tế như trị liệu bằng ánh sáng NIR hoặc chẩn đoán Trong luận văn này, nguồn ánh sáng NIR áp sát bề mặt da mô hình mô phỏng 3 chiều tuyến tiền liệt ở chế độ liên tục
Hình 3 7: Trường hợp mô phỏng sự lan truyền ánh sáng hồng ngoại gần vào tuyến tiền liệt
Bảng 3.1 [31, 32]mô tả các thông số được sử dụng trong mô phỏng sự truyền ánh sáng hồng ngoại gần (NIR) qua mô tuyến tiền liệt Mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp Monte Carlo , một phương pháp mô phỏng phân tử mô hình hóa cách ánh sáng tương tác với các mô sinh học
Các thông số mô tả tính chất quang học của mô được lấy từ các nghiên cứu trước đây Mô mỡ có độ hấp thụ cao nhất ở cả hai bước sóng (850 nm và 1064 nm), cho thấy rằng chất béo hấp thụ nhiều ánh sáng NIR hơn các mô khác Mô xương có độ hấp thụ thấp nhất ở cả hai bước sóng, cho thấy xương hấp thụ ít ánh sáng NIR hơn
Tuyến tiền liệt cho thấy sự hấp thụ vừa phải, tăng nhẹ từ 0,6 cm-1 ở bước sóng 850 nm đến 0,3 cm-1 ở bước sóng 1064 nm Da và mô cơ có hệ số hấp thụ tương tự ở bước sóng 850 nm, nhưng ở bước sóng 1064 nm, da hấp thụ ít hơn so với cơ
Hệ số tán xạ mô cho biết lượng ánh sáng bị mô phân tán Giá trị cao hơn có nghĩa là nhiều ánh sáng bị phân tán hơn Mô da có độ tán xạ cao nhất ở bước sóng 850 nm, nhưng nó giảm đáng kể ở bước sóng 1064 nm Mô xương cho thấy độ tán xạ cao ở cả hai bước sóng, phù hợp với cấu trúc dày đặc của xương sẽ gây ra sự tán xạ nhiều hơn Tuyến tiền liệt có độ tán xạ thấp hơn so với xương và da, với giá trị 100 cm -1 ở bước sóng 850 nm và giảm xuống 80 cm -1 ở bước sóng
1064 nm Mô cơ có hệ số tán xạ thấp hơn ở cả hai bước sóng so với da và xương Mô mỡ có độ tán xạ thấp nhất ở bước sóng 850 nm và giảm vừa phải ở bước sóng 1064 nm.
Bảng 3 1: Thông số các mô
Lớp Hệ số hấp thụ àa (cm -1 ) Hệ số tỏn xạ às (cm -1 )
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Mô hình ba chiều lớp phẳng
Sự tương tác của photon trong mô sinh học là một quá trình ngẫu nhiên và phức tạp, liên quan đến các thành phần trong mô sinh học Trong đó, quá trình hấp thụ đặc biệt liên quan đến các thành phần hóa học cấu tạo nên mô sinh học Ở đây, sự hấp thụ photon của mô hình tuyến tiền liệt được khảo sát được đặc trưng bởi các thành phần cấu tạo nên mô tuyến tiền liệt bao gồm hemoglobin, lipid, nước,
Hình 4.1 thể hiện sự hấp thụ photon trong mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng ở bước sóng
850 nm Có thể thấy rằng sự hấp thụ photon tập trung chủ yếu ở lớp da và lớp mô mỡ, với mức hấp thụ cao nhất ở lớp da Điều này là do hemoglobin và melanin trong lớp da có khả năng hấp thụ photon mạnh ở bước sóng này
Hình 4.2 thể hiện sự hấp thụ photon trong mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng ở bước sóng 1.064 nm Có thể thấy rằng sự hấp thụ photon tập trung chủ yếu ở lớp mô tuyến tiền liệt, với mức hấp thụ cao nhất ở vùng phì đại Điều này là do nước trong mô tuyến tiền liệt có khả năng hấp thụ photon mạnh ở bước sóng này
Các kết quả này cho thấy rằng sự hấp thụ photon trong mô tuyến tiền liệt phụ thuộc vào thành phần và bước sóng của ánh sáng Thông tin này rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa các phương pháp điều trị y tế sử dụng ánh sáng trong mô tuyến tiền liệt, chẳng hạn như liệu pháp laser.
51 Hình 4 1: Công suất hấp thụ chuẩn hóa trên đơn vị thể tích ở bước sóng 850 nm
Hình 4 2: Công suất hấp thụ chuẩn hóa trên đơn vị thể tích ở bước sóng 1.064 nm
Sự phân lớp hấp thụ trong mô sinh học là một hiện tượng phổ biến, được thể hiện rõ ở các hình 4.1 và 4.2 Hiện tượng này xảy ra do có sự khác biệt rõ rệt về các tính chất quang học của các lớp mô khác nhau
Trong mô sinh học, các lớp mô có thể được chia thành hai loại chính:
Lớp mô có tính chất quang học đồng nhất, chẳng hạn như lớp xương và lớp cơ Lớp mô có tính chất quang học đồng nhất có độ hấp thụ và tán xạ ánh sáng tương đối đồng đều trong toàn bộ lớp mô Do đó, ánh sáng sẽ bị hấp thụ và tán xạ theo các hướng khác nhau, dẫn đến sự phân bố đồng đều của năng lượng ánh sáng trong lớp mô
Lớp mô có tính chất quang học không đồng nhất, chẳng hạn như lớp da, lớp mô mỡ và lớp tuyến tiền liệt Lớp mô có tính chất quang học không đồng nhất có độ hấp thụ và tán xạ ánh sáng khác nhau ở các khu vực khác nhau trong lớp mô Do đó, ánh sáng sẽ bị hấp thụ và tán xạ tập trung ở một số khu vực nhất định, dẫn đến sự phân bố không đồng đều của năng lượng ánh sáng trong lớp mô
Trong hình 4.1, 4.2 : lớp da và lớp mô mỡ có tính chất quang học không đồng nhất, với sự hấp thụ mạnh ở các lớp tế bào bề mặt Do đó, ánh sáng sẽ bị hấp thụ mạnh ở các lớp tế bào bề mặt, hạn chế một phần các photon lan sâu vào bên trong mô
Lớp cơ và lớp xương có tính chất quang học đồng nhất, với độ hấp thụ giảm dần khi vào sâu bên trong Do đó, ánh sáng sẽ bị hấp thụ và tán xạ theo các hướng khác nhau, dẫn đến sự phân bố đồng đều của năng lượng ánh sáng trong lớp mô
Lớp tuyến tiền liệt có tính chất quang học không đồng nhất, với sự hấp thụ và tán xạ rộng ở các khu vực bị phì đại Do đó, ánh sáng sẽ bị hấp thụ và tán xạ tập trung ở các khu vực bị phì đại, dẫn đến sự phân bố không đồng đều của năng lượng ánh sáng trong lớp mô
Kết quả mô phỏng cho thấy các photon lan truyền sâu vào trong mô và hoàn toàn có thể chạm đến vùng mô tuyến tiền liệt (phì đại tuyến tiền liệt) ở công suất hấp thụ trên đơn vị thể tích thấp nhất là 10 -2 W/cm 3 Công suất hấp thụ này hoàn toàn đủ điều kiện để tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học cần có ở mức độ tế bào để đưa ra các hiệu ứng cần thiết trong việc điều trị
Ví dụ, trong trường hợp điều trị phì đại tuyến tiền liệt bằng liệu pháp laser, các photon laser sẽ được sử dụng để kích thích các tế bào tuyến tiền liệt bị phì đại Khi các photon laser được hấp thụ bởi các tế bào tuyến tiền liệt, chúng sẽ tạo ra nhiệt, dẫn đến chết tế bào Các tế bào tuyến tiền liệt bị chết sẽ được hệ thống miễn dịch của cơ thể loại bỏ, từ đó làm giảm kích thước của tuyến tiền liệt Để đảm bảo hiệu quả của liệu pháp laser, cần phải đảm bảo rằng các photon laser có thể lan truyền sâu vào trong mô tuyến tiền liệt và đạt được công suất hấp thụ cần thiết Kết quả mô phỏng cho thấy các photon laser có thể đáp ứng được các yêu cầu này
Mật độ công suất ở cả hai kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tác động tới mô tuyến tiền liệt Mật độ công suất ở bước sóng 850 nm và 1064 nm Mật độ công suất thấp nhất đạt ở mức 10 -2 W/cm 2 , điều đó được cho là đủ khả năng tạo ra kích thích sinh học ứng dụng trong việc điều trị Tương tự như sự hấp thụ cũng có sự suy giảm theo chiều sâu Nguyên nhân là bởi ánh sáng càng đi sâu vào trong mô sinh học càng bị mất nhiều năng lượng
Tương tự như sự hấp thụ và mật độ công suất, các hạt photon ở cả hai kịch bản tập trung chủ yếu ở ở hai lớp da và mô mỡ, cơ, xương một phần bị tán xạ xuống lớp mô tuyến tiền liệt (lớp thứ ba) Trong khi ở bước sóng 850 nm, các hạt photon bị hấp thụ mạnh ở lớp mô mỡ, sự tán xạ diễn ra ít, thì ở bước sóng 1064 nm sự tán xạ diễn ra mạnh hơn, từ đó tăng bán kính tác dụng trong khi điều trị
Không gian hình khối biểu thị một phần mô ba chiều được mô hình hóa
• Dải màu (Kết quả mô phỏng): Trong các hình ảnh có dải màu, màu sắc biểu thị các mức công suất hấp thụ khác nhau trên một đơn vị thể tích mô, được chuẩn hóa bằng công suất tới của ánh sáng hồng ngoại gần (W/cm³/W.incident) Thang đo bên phải biểu thị cường độ hấp thụ, với màu đỏ là mức hấp thụ cao nhất và màu xanh đậm là thấp nhất Sự phân bố màu sắc trong mô hình minh họa tốc độ hấp thụ khác nhau giữa các mô khác nhau: lớp da và mô mỡ cho thấy mức độ hấp thụ mạnh, được mô tả bằng các màu ấm hơn (đỏ và vàng), biểu thị mức độ tập trung năng lượng hấp thụ cao hơn Khi ánh sáng xuyên sâu hơn, vào các lớp cơ và xương, sự hấp thụ giảm đi, thể hiện bằng các màu lạnh hơn (xanh lục đến xanh lam) và trở nên tối thiểu, biểu thị sự hấp thụ năng lượng ít hơn
Mô hình ba chiều tái tạo từ dữ liệu ảnh MRI
Trong luận văn này, các tác giả đã xây dựng một mô hình tuyến tiền liệt 3D dựa trên bộ ảnh MRI có sẵn Mô hình được phân chia lưới hình tam giác để sử dụng trong các phần mềm mô phỏng Việc khảo sát sự lan truyền của ánh sáng hồng ngoại trong mô hình tuyến tiền liệt được tiến hành thí nghiệm mô phỏng Do sự phức tạp của mô hình, các kết quả chỉ được khảo sát ở sự hấp thụ photon Hình 4.3 mô tả việc thiết lập mô hình mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô tuyến tiền liệt được tái tạo bằng MRI Trong hình, chấm đỏ ở phía trên mô hình là nguồn sáng được thiết lập ở dạng Gaussian, chiếu ở chế độ liên tục, đặt sát bề mặt mô tuyến tiền liệt
Hình 4 3: Mô hình mô phỏng ba chiều ở mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng bằng ảnh MRI
• Sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại trong mô tuyến tiền liệt
Các kết quả hấp thụ ở bước sóng 850 nm (hình 4.4) và 1064 nm (hình 4.5) cho thấy kết quả tương tự như ở mô hình lớp phẳng Các gói photon tập trung nhiều ở lớp da, lớp mô mỡ, lớp cơ, lớp xương bởi tính chất hấp thụ mạnh mẽ của chúng và một phần photon xuyên sâu vào bên trong tương tác với mô tuyến tiền liệt, gây ra hiệu ứng sinh học
Ta thấy rõ, ở bước sóng 1064 nm, các photon bị tán xạ nhiều hơn với bước 850 nm trong mô tuyến tiền liệt, điều này gần giống với nhận định ở kết quả mô phỏng ở mô hình đơn giản ở phía trên Nguyên nhân có sự khác biệt này là bởi sự đặc trưng bởi hệ số tán xạ trong mô tuyến tiền liệt đặc trưng bởi các tính chất vật lý của các vi hạt cấu tạo nên mô tuyến tiền liệt
• Sự truyền ánh sáng trong mô sinh học
Sự truyền ánh sáng trong môi trường sinh học là một quá trình phức tạp liên quan đến quá trình hấp thụ và tán xạ của các gói photon trong môi trường được đặc trưng bởi các tính chất quang học của mô sinh học thể hiện ở hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ như mô tả ở trên Sự lan truyền của các gói photon trong mô hình tuyến tiền liệt được mô phỏng với sự lan truyền trong mô hình mạng tinh thể, sự lan truyền này được giải thích thêm trong ấn phẩm của Y Yuan vào năm 2020 và được thể hiện trong ba mặt phẳng tọa độ
• Phân bố mật độ photon
Hình 4.4, 4.5 cho thấy sự phân bố hấp thụ của các photon trong mô tuyến tiền liệt bình thường được nghiên cứu dưới nguồn sáng DOT Ưu điểm của việc sử dụng nguồn sáng DOT trong MOSE để nghiên cứu sự phân bố mật độ photon là nó có thể được nghiên cứu trên các mặt phẳng tọa độ khác nhau Các photon tập trung chủ yếu ở bề mặt trên của mô tuyến tiền liệt, các gói photon có xu hướng tập trung ở da và lớp mô mỡ nhiều hơn so với phần còn lại truyền xuống mô tuyến tiền liệt Ngoài ra, rõ ràng ánh sáng hoàn toàn có khả năng “xuyên qua” toàn bộ mô hình tuyến tiền liệt nên CCD Camera được sử dụng để thu các photon truyền ra ngoài mẫu Trước khi các photon truyền ra khỏi mô hình, do tính chất quang học của các lớp mô, sự tán xạ xảy ra bên trong môi trường, do đó, các photon đi ra khỏi mô hình mang theo nhiều thông tin bên trong mô tuyến tiền liệt và trong đó cũng bao gồm thông tin về các lớp khác trong mô hình Do đó, chế độ truyền qua (hoặc hình ảnh xuyên sáng) có tiềm năng lớn để sử dụng trong việc đánh giá thông tin trong mô sinh học (trong trường hợp này là mô tuyến tiền liệt)
• Sự khác biệt giữa mô tuyến tiền liệt bình thường và phì đại
Có sự khác biệt giữa sự phân bố mật độ photon trong mô tuyến tiền liệt bình thường và mô phì đại tuyến tiền liệt như trong hình 4.4 và hình 4.5 Trong hình 4.5, các gói photon tập trung chủ yếu tại vị trí phì đại tuyến tiền liệt được thêm vào bên trong mô hình thay vì lớp da và mô mỡ, cơ, xương như trong hình 4.4 Nguyên nhân của hiện tượng này được cho là do phì đại tuyến tiền liệt hấp thụ và tán xạ mạnh, điều này cũng đã được đề cập trong thí nghiệm mô phỏng thí nghiệm trên mô hình kỹ thuật số với nguồn sáng DOT của S Ren et al sử dụng chương trình MOSE [37]
Hình 4 4: Sự hấp thụ của mô tuyền tiền liệt ở bước sóng 850 nm
Hình 4 5: Sự hấp thụ của mô tuyền tiền liệt ở bước sóng 1064 nm
Các kết quả nghiên cứu cho thấy:
• Ánh sáng hồng ngoại có khả năng hấp thụ mạnh bởi mô tuyến tiền liệt, đặc biệt là ở vùng phì đại
• Bước sóng 1064 nm có khả năng hấp thụ mạnh hơn bước sóng 850 nm
• Phì đại tuyến tiền liệt có thể làm tăng sự hấp thụ và tán xạ của ánh sáng hồng ngoại
Hình 4 6: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 850nm
Hình 4 7: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 1064nm
Hình 4.6 và 4.7 thể hiện sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng
850 nm và 1064 nm Trong cả hai hình, ta thấy rõ sự hấp thụ mạnh ở vùng tuyến tiền liệt, được khoanh tròn màu đỏ Điều này tương tự như kết quả được thể hiện ở mô hình mô phỏng dạng hình học đơn giản đã trình bày ở phía trên
Nguyên nhân của sự khác biệt ở hai bước sóng trên được cho là bởi sự khác nhau về các tính chất quang học của các mô Mô mỡ có độ hấp thụ cao nhất ở cả hai bước sóng, tiếp theo là mô tuyến tiền liệt, mô cơ và mô xương Do đó, ở bước sóng 850 nm, ánh sáng bị hấp thụ chủ yếu bởi mô mỡ và tuyến tiền liệt Tuy nhiên, ở bước sóng 1064 nm, ánh sáng có bước sóng dài hơn nên ít bị hấp thụ bởi mô mỡ hơn Do đó, phần lớn ánh sáng ở bước sóng 1064 nm sẽ truyền qua mô mỡ và đến được vùng tuyến tiền liệt, dẫn đến sự hấp thụ mạnh hơn ở vùng này
Hình 4.6 thể hiện sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 850 nm Trong hình, ta thấy rõ sự hấp thụ mạnh ở vùng tuyến tiền liệt, được khoanh tròn màu đỏ Sự hấp thụ mạnh này là do mô tuyến tiền liệt có độ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 850 nm tương đối cao
Hình 4.7 thể hiện sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 1064 nm Trong hình, ta cũng thấy rõ sự hấp thụ mạnh ở vùng tuyến tiền liệt, được khoanh tròn màu đỏ Tuy nhiên, sự hấp thụ ở vùng này mạnh hơn so với hình 4.5 Điều này là do ánh sáng ở bước
59 sóng 1064 nm có bước sóng dài hơn nên ít bị hấp thụ bởi mô mỡ hơn Do đó, phần lớn ánh sáng ở bước sóng 1064 nm sẽ truyền qua mô mỡ và đến được vùng tuyến tiền liệt, dẫn đến sự hấp thụ mạnh hơn ở vùng này.
Hình 4 8: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt
- góc chiếu chính diện - ở bước sóng 850 nm
Hình 4 9: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt
- góc chiếu chính diện - ở bước sóng 1064 nm
Hình 4.8 và 4.9 thể hiện sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở góc chiếu chính diện nhìn từ bề mặt da, ở bước sóng 1064 nm và 850 nm
Cả hai hình đều thể hiện sự phân bố ánh sáng hấp thụ theo chiều dọc của mô hình tuyến tiền liệt, từ bề mặt da đến trung tâm tuyến tiền liệt Ở bước sóng 850 nm, ánh sáng bị hấp thụ mạnh nhất ở vùng bề mặt da và vùng tuyến tiền liệt
Sự hấp thụ ở vùng bề mặt da là do ánh sáng bị hấp thụ bởi mô mỡ, vốn có độ hấp thụ cao ở bước sóng này Sự hấp thụ ở vùng tuyến tiền liệt là do mô tuyến tiền liệt có độ hấp thụ cao ở bước sóng này Ở bước sóng 1064 nm, ánh sáng bị hấp thụ mạnh nhất ở vùng tuyến tiền liệt Sự hấp thụ ở vùng này mạnh hơn so với bước sóng 850 nm là do ánh sáng ở bước sóng 1064 nm có bước sóng dài hơn nên ít bị hấp thụ bởi mô mỡ hơn Do đó, phần lớn ánh sáng ở bước sóng 1064 nm sẽ truyền qua mô mỡ và đến được vùng tuyến tiền liệt, dẫn đến sự hấp thụ mạnh hơn ở vùng này.
Hình 4 10: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt
- từ mặt bên hông - ở bước sóng 850 nm
Hình 4 11: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt
- từ mặt bên hông - ở bước sóng 1064 nm Ở cả hai hình, ta đều thấy rõ sự phân bố tập trung photon ở vùng tuyến tiền liệt Sự phân bố này tương tự như sự phân bố ánh sáng hấp thụ ở góc chiếu chính diện