SÁNG TRONG MÔ SINH HỌC
Hình 3.10 Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học.
3.2.1 Giới thiệu
Trong chương này, chúng ta sẽ kiểm tra xem mộ t photon lan truyền trong môi trường tán xạ như đối với các mô sinh học như thế nào. Việc đánh dấu đường đi của photon ánh sáng trong các mô sinh học là một vấn đề phức tạp. Không giống như các photon năng lượng cao, như ph oton tia X, photon ánh sáng chịu nhiều sự tán xạ trong mô sinh học trước khi được hấp thụ bởi mô hoặc bị mô đẩy ngược lại. Đối với những phân bố ánh sáng bên trong mô hoặc từ mô, chúng ta có thể sử dụng phương
pháp Monte Carlo. Phương pháp này cho phép ta đo được những đại lượng có thể quan sát được bằng mắt thường.
Phương pháp mô phỏng Monte Carlo đã được sử dụng để giải quyết những vấn đề khác nhau trong vật lý về sự lan truyền ánh sá ng trong mô sinh học. Tuy nhiên, không có định nghĩa nào ngắn gọn và có uy tín cho điều này. Ví dụ như Lux và Kobinger đã phát biểu : “ Trong tất cả các ứng dụng của phương pháp Monte Carlo, một mẫu suy đoán được xây dựng mà giá trị mong đợi của một biến số ngẫu nhiên (hoặc của một sự kết hợp vài biến số) tương đương với giá trị của một đại lượng vật lý đã được xác định. Giá trị mong muốn này sau đó được ước lượng bởi giá trị trung bình của nhiều mẫu độc lập tiêu biểu cho biến ngẫu nhiên đã được giới thiệu ở trên. Đối với việc xây dựng những chuỗi mẫu độc lập, các số ngẫu nhiên trong phân bố của các biến đã được ước lượng được sử dụng”. Ý nghĩa của phát biểu này sẽ trở nên rõ ràng hơn trong chương này.
Đường đi của một photon di chuyển trong mô sinh học nhìn chung là một đường đi ngẫu nhiên liên tục. Mẫu đường đi ngẫu nhiên đơn giản nhất đề cập đến một hạt di chuyển trong một loạt các bước; với chiều dài đường đi và hướng của đường đi là độc lập với nhau và độc lập với các hướng đi trước. Một mẫu tinh vi hơn đối với các hướng đi ngẫu nhiên liên tục, hướng đi sau phụ thuộc vào hướ ng đi trước, thường được gọi là “Sự khuếch tán định hướng”. Mẫu này biểu diễn chính xác cho sự lan truyền của ánh sáng trong mô sinh học.
Các mô phỏng Monte Carlo đưa ra một phương pháp giải quyết vấn đề chính xác, linh động đối với sự lan truyền photon trong các mô sinh học có tính tán xạ, trong đó các đại lượng vật lý có thể định lượng được đồng thời. Phương pháp này mô tả chi tiết các quy tắc lan truyền của photon, trong trường hợp đơn giả n nhất, như những phân bố xác suất mô tả đường đi của photon giữa những vị trí tương tác giữa photon và mô cũng như các góc lệch trong một quỹ đạo của photon khi xảy ra tán
xạ. Tuy nhiên, phương pháp này theo thống kê trong tự nhiên, dựa vào sự tính toán của máy vi tính về sự lan truyền của mộ t số lượng lớn các photon (ví dụ như 100000) và đòi hỏi một số lượng lớn thời gian tính toán.
Các mô phỏng Monte Carlo dựa vào các đặc tính quang học c ó thể quan sát bằng mắt thường, được giả sử để mở rộng một cách đồng nhất trên các thể tích rất nhỏ của mô sinh học. Có thể xem là toàn bộ mô sinh học được lấy làm mẫu cho các đặc tính trung bình của sự lan truyền ph oton. Đường đi tự do trung bình trong những vị trí tương tác giữa photon và mô tiêu biểu trong khoảng từ 10 – 1000 µm, và 100 µm là giá trị tiêu biểu trong phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Các photon được coi như các hạt cổ điển và cả hai hiện tượng phân cực và sóng bị bỏ qua. Việc xét cấu trúc bất đẳng hướng trong các thành phần của mô như là các sợi cơ hoặc sợi collagen vượt quá phạm vi của chương này, mặc dù góc tán xạ bất đẳng hướng cũn g có trong mẫu.
Mô phỏng Monte Carlo có thể được sử dụng cho cả hai ứng dụng chẩn đoán và điều trị của laser và các nguồn quang học khác trong y sinh. Ví dụ, phương pháp Monte Carlo mô phỏng sự phản xạ khuếch tán có thể đươ ïc dùng để suy luận ra các thuộc tính quang học của các mô sinh học, có thể được sử dụng để phân biệt các mô ung thư với mô thường. Phương pháp Monte Carlo mô phỏng sự truyền năng lượng quang học vào trong các mô có thể được sử dụng để tính toán liều lượng ánh sáng cho các phép chữa bệnh quang động học.