Ảnh hưởng của ánh sáng hồng ngoại gần chiếu từ bề mặt da lên mô tuyến tiền liệt
MỤC LỤC
Mễ HèNH HểA SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG Mễ SINH HỌC
Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học
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 khụng rừ ràng; Chỉ số khỳc xạ được thể hiện trờn một thể tớch mụ nhất định, do đú, 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. Vật giảm chấn làm giảm tốc độ chuyển động bằng cách chuyển động năng của chuyển động thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt năng sinh ra do ma sát. Melanin có độ hấp thụ ánh sáng cao ở tất cả các bước sóng do các electron của các nguyên tử carbon và nitơ trong phân tử melanin có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều tần số khác nhau.
Hydroxyapatite có độ hấp thụ ánh sáng cao ở vùng bước sóng ngắn do các electron của các nguyên tử canxi và photpho trong phân tử hydroxyapatite có thể hấp thụ ánh sáng ở tần số này. Khi ánh sáng chiếu vào hydroxyapatite, các electron của các nguyên tử này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, làm giảm cường độ ánh sáng đi qua hydroxyapatite. Sự tán xạ ánh sáng trong vật chất là một quá trình rất phức tạp, tuy nhiên, hệ số tán xạ (𝜇𝑠) và yếu tố dị hướng (g) có thể được tính toàn bằng ánh sáng tán xạ trong mô.
Mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
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. 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. Khi photon thực hiện hoàn thành một bước đi, năng lượng photon sẽ bị suy giảm do vị trí tương tác với mô xảy ra hiện tượng hấp thụ năng lượng, một phần năng lượng của photon đã được gửi vào môi trường mô.
Nếu trường hợp này xảy ra, thì photon có thể thoát ra ngoài dưới dạng phản xạ có thể nhận biết được (hoặc truyền qua nếu có mặt phân cách thứ 2 phía sau), hoặc có thể phản xạ toàn phần tại biên trong và quay trở lại mô. Đối với chùm photon vẫn lan truyền bên trong mô, nếu năng lượng của photon W đã giảm đủ sau nhiều bước tương tác sao cho nó giảm xuống dưới một giá trị ngưỡng 𝑊𝑡ℎ (ví dụ 𝑊𝑡ℎ = 0.0001) khi đó sự lan truyền photon sẽ thu ít thông tin trừ khi có sự quan tâm đến giai đoạn rất muộn của quá trình lan truyền photon. Đại lượng A cho biết xác suất photon bị hấp thụ bởi mô, mảng 1 chiều 𝐴𝑙[𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟] cho biết xác suất photon bị hấp thụ ở từng lớp mô, 𝐴𝑟𝑧[𝑖𝑟, 𝑗𝑧] cho biết tỷ trọng xác suất hấp thụ của photon [𝑐𝑚−3].
Các phần mềm mô phỏng .1 MCML và CONV
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. 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.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ toán học được ứng dụng rộng rãi trong phân tích các vấn đề kỹ thuật và nghiên cứu về cấu trúc chất rắn, cũng như trong các lĩnh vực như truyền nhiệt và dòng chất lỏng. Phương trình Vận chuyển Bức xạ (RTE) mô hình hóa sự truyền tải ánh sáng trong các mô dưới dạng các gói photon với các quỹ đạo khác nhau trong môi trường, loại bỏ tính chất sóng của ánh sáng như phân cực hoặc nhiễu xạ. Xây dựng 3D về phân bố của các phân tử phát quang sinh học hoặc huỳnh quang cung cấp cho nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học khả năng phân tích định lượng chính xác hơn trong các nghiên cứu in vivo về quá trình trao đổi chất.
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 được tái tạo bằng ảnh MRI
Mô hình tuyến tiền liệt 3D được tái tạo từ dữ liệu ảnh MRI nguồn mở [30]. Dữ liệu được xử lý để loại bỏ nhiễu và tạo ra hình ảnh 3D của tuyến tiền liệt. Lưới tam giác được sử dụng để mô phỏng các tính chất quang học của mô.
Mô hình lưới được chuyển đổi sang định dạng phù hợp với chương trình Môi trường mô phỏng quang học phân tử (MOSE).
Hình ảnh mô hình 3D
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. 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. 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.
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.
Các thông số mô phỏng
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/cm3. 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.
• 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). 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. Thông tin này rất quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa các phương pháp điều trị y tế, chẳng hạn như liệu pháp ánh sáng hồng ngoại gần cho tình trạng tuyến tiền liệt, đảm bảo lượng năng lượng phù hợp được cung cấp cho mô đích đồng thời giảm thiểu thiệt hại cho các khu vực xung quanh.
Mô hình ba chiều tái tạo từ dữ liệu ảnh MRI
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. 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. 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.
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. Ta thấy rừ, ở bước súng 1.064 nm, cỏc photon bị tỏn xạ nhiều hơn với bước 850 nm trong mụ tuyến tiền liệt, điều này gần giống với nhận định ở kết quả mô phỏng ở mô hình đơn giản ở phía trên. 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.
