老化皮膚光分布的蒙特卡洛模擬
發(fā)布時間：2021-07-19 14:48
為研究老化皮膚中的光子傳輸情況,在構(gòu)建老化皮膚七層模型的基礎(chǔ)上,采用蒙特卡洛方法模擬準直無線窄光束、有限束寬的平圓光束和高斯光束在皮膚組織中的光分布,研究年輕皮膚和老化皮膚的差異。結(jié)果表明:老化皮膚在表皮吸收能量密度較小,真皮反之,光能流率較大,光子的穿透深度更深,更多光子進入真皮層;與高斯光束相比,平圓光束的光能流率徑向分布較均勻,適合大面積嫩膚。
【文章來源】：生物醫(yī)學工程研究. 2017,36(04)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
皮膚結(jié)構(gòu)Fig1Skinstructure其中，一、二層為表皮部分，生發(fā)層中的生發(fā)細
??體的吸收系數(shù)及含量，從原理上可以獲得光子在組織中的傳輸情況。但由于光子在組織內(nèi)部會發(fā)生多次散射，在邊界處會發(fā)生反射，所以，直接獲得光子在組織中的傳輸情況是很困難的。因此，引入Beer－Lambert定律的簡化模型。根據(jù)Beer－Lambert定律A=－log10I0I(1)其中，A為介質(zhì)的吸光率，I0為單色入射光強度，I為透射光強度。A=εCl(C)+G(2)其中，ε為吸收介質(zhì)的摩爾吸收，C為吸收介質(zhì)的摩爾濃度，G為散射引起的損耗，l為散射的平均路徑長度［3］。吸光率A與吸收介質(zhì)的摩爾濃度C之間關(guān)系見圖2，摩爾濃度C較大時，斜率△A/△C較小，而散射損耗G較大;強散射介質(zhì)中，斜率△A/△C較大［4］。因此△A與△C成正比:△A△C=εl(C)=εl(3)當C趨近于0時，(2)式改寫為A=εCl0+G(4)圖2吸光率A與吸收介質(zhì)的摩爾濃度C之間關(guān)系［5］Fig2Ｒelationshipbetweenabsorbanceofscatteringmediumandconcentrationofchromophorel0為無吸收介質(zhì)的平均路徑長度，即對應圖2中，C=0時，A=G．當C≈0時:△A△CC≈0=εl0(5)對于含有各種發(fā)色團的非均勻介質(zhì)，根據(jù)(2)式有:A(λ)=∑mi=1A1(λ)+G(λ)=∑mi=1εi(λ)Cili(C1，…，Cm，λ)+G(λ)(6)下標i表示第i個發(fā)色團，li(C)為第i個發(fā)色團所分布區(qū)域的平均路徑長度，由于介質(zhì)中有多個發(fā)色團，li(C)的值與各吸收體的摩爾濃度有關(guān)，但各發(fā)色團的摩爾濃度對li(C)影響很小，可忽略其影響，因此采用l0代替li(C)，可將l0視作比例因子。另外，當入射光波長λ不同時，介質(zhì)的散射系數(shù)μs不同，μs越大，G值越大，因此令G=a+bλ，帶入式(6)，有:A=∑Ni=1Ciεi(λ)+a+bλ(7)
結(jié)構(gòu)改變包括厚度、膠原含量，細胞大小等;功能改變包括彈性、神經(jīng)感知、經(jīng)皮水分流失(TEWL)、增殖率等等［12］。本研究在老化皮膚結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建皮膚老化模型。老化皮膚在形態(tài)學上有許多明顯的改變，見圖3:表皮厚度減小，大約每十年減小6．4%［13－14］，水分含量整體下降多達65%［15］，活性黑素細胞每十年減少8%～20%(本研究取中間值14%)［16］，這也是老化皮膚膚色不均勻的主要原因［17－18］。真皮厚度每十年減少6%［13，19］，真皮上部(3～4層)水分含量增加30%［20］。圖3老化皮膚與年輕皮膚形態(tài)學差異［11］Fig3Differencesinskinstructurebetweenyoungerandolderskin為了解年齡對人體皮膚的影響，上述數(shù)據(jù)采用掃描電子顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)、光學相干斷層成像(OCT)、光聲成像等多種方式進行實驗及在體分析，對老化皮膚的結(jié)構(gòu)變化進行評估，以建立完整、嚴密的老化皮膚模型。2．4模擬方法模擬過程中，老化皮膚以年輕皮膚老化40年計，根據(jù)上述老化皮膚組織的特征，建立老化皮膚的光學模型。各層散射系數(shù)μs、各向異性因子g、折射率n、吸收系數(shù)μa、厚度D見表1。根據(jù)表1中各參數(shù)，采用蒙特卡洛方法模擬波長為633nm的準直無線窄光束、有限束寬的平圓光束和高斯光束在年輕皮膚和老化皮膚中的光子傳輸情況［21－22］，并比較其差異。蒙特卡洛方法模擬多層組織光傳輸情況的算法見圖4。圖4多層生物組織模擬流程圖Fig4FlowchartforMonteCarlosimulationofmulti－layeredtissue3結(jié)果與討論3．1無限窄光束入射采用蒙特卡洛方法模擬無限窄光束照射下光子傳輸情況，入射光子數(shù)106個，組織厚度z(即縱向)網(wǎng)格大小Δz=0．001cm，徑向r網(wǎng)格大小Δr=
【參考文獻】：
期刊論文
[1]反復紫外線照射建立皮膚光老化模型[J]. 石瀟,陳煒. 中國老年學雜志. 2013(20)
[2]光在生物組織中傳播的蒙特卡羅模擬[J]. 高迪,魏守水,任曉楠,崔建強. 生物醫(yī)學工程研究. 2009(04)
[3]鮮紅斑痣數(shù)值計算模型的構(gòu)建及其蒙特卡羅模擬[J]. 徐新苗,徐蘭青,王穎. 激光雜志. 2009(05)
博士論文
[1]老化皮膚光學特征提取及其治療過程監(jiān)測[D]. 吳淑蓮.福建師范大學 2011
本文編號：3290893
【文章來源】：生物醫(yī)學工程研究. 2017,36(04)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
皮膚結(jié)構(gòu)Fig1Skinstructure其中，一、二層為表皮部分，生發(fā)層中的生發(fā)細
??體的吸收系數(shù)及含量，從原理上可以獲得光子在組織中的傳輸情況。但由于光子在組織內(nèi)部會發(fā)生多次散射，在邊界處會發(fā)生反射，所以，直接獲得光子在組織中的傳輸情況是很困難的。因此，引入Beer－Lambert定律的簡化模型。根據(jù)Beer－Lambert定律A=－log10I0I(1)其中，A為介質(zhì)的吸光率，I0為單色入射光強度，I為透射光強度。A=εCl(C)+G(2)其中，ε為吸收介質(zhì)的摩爾吸收，C為吸收介質(zhì)的摩爾濃度，G為散射引起的損耗，l為散射的平均路徑長度［3］。吸光率A與吸收介質(zhì)的摩爾濃度C之間關(guān)系見圖2，摩爾濃度C較大時，斜率△A/△C較小，而散射損耗G較大;強散射介質(zhì)中，斜率△A/△C較大［4］。因此△A與△C成正比:△A△C=εl(C)=εl(3)當C趨近于0時，(2)式改寫為A=εCl0+G(4)圖2吸光率A與吸收介質(zhì)的摩爾濃度C之間關(guān)系［5］Fig2Ｒelationshipbetweenabsorbanceofscatteringmediumandconcentrationofchromophorel0為無吸收介質(zhì)的平均路徑長度，即對應圖2中，C=0時，A=G．當C≈0時:△A△CC≈0=εl0(5)對于含有各種發(fā)色團的非均勻介質(zhì)，根據(jù)(2)式有:A(λ)=∑mi=1A1(λ)+G(λ)=∑mi=1εi(λ)Cili(C1，…，Cm，λ)+G(λ)(6)下標i表示第i個發(fā)色團，li(C)為第i個發(fā)色團所分布區(qū)域的平均路徑長度，由于介質(zhì)中有多個發(fā)色團，li(C)的值與各吸收體的摩爾濃度有關(guān)，但各發(fā)色團的摩爾濃度對li(C)影響很小，可忽略其影響，因此采用l0代替li(C)，可將l0視作比例因子。另外，當入射光波長λ不同時，介質(zhì)的散射系數(shù)μs不同，μs越大，G值越大，因此令G=a+bλ，帶入式(6)，有:A=∑Ni=1Ciεi(λ)+a+bλ(7)
結(jié)構(gòu)改變包括厚度、膠原含量，細胞大小等;功能改變包括彈性、神經(jīng)感知、經(jīng)皮水分流失(TEWL)、增殖率等等［12］。本研究在老化皮膚結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建皮膚老化模型。老化皮膚在形態(tài)學上有許多明顯的改變，見圖3:表皮厚度減小，大約每十年減小6．4%［13－14］，水分含量整體下降多達65%［15］，活性黑素細胞每十年減少8%～20%(本研究取中間值14%)［16］，這也是老化皮膚膚色不均勻的主要原因［17－18］。真皮厚度每十年減少6%［13，19］，真皮上部(3～4層)水分含量增加30%［20］。圖3老化皮膚與年輕皮膚形態(tài)學差異［11］Fig3Differencesinskinstructurebetweenyoungerandolderskin為了解年齡對人體皮膚的影響，上述數(shù)據(jù)采用掃描電子顯微鏡、共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)、光學相干斷層成像(OCT)、光聲成像等多種方式進行實驗及在體分析，對老化皮膚的結(jié)構(gòu)變化進行評估，以建立完整、嚴密的老化皮膚模型。2．4模擬方法模擬過程中，老化皮膚以年輕皮膚老化40年計，根據(jù)上述老化皮膚組織的特征，建立老化皮膚的光學模型。各層散射系數(shù)μs、各向異性因子g、折射率n、吸收系數(shù)μa、厚度D見表1。根據(jù)表1中各參數(shù)，采用蒙特卡洛方法模擬波長為633nm的準直無線窄光束、有限束寬的平圓光束和高斯光束在年輕皮膚和老化皮膚中的光子傳輸情況［21－22］，并比較其差異。蒙特卡洛方法模擬多層組織光傳輸情況的算法見圖4。圖4多層生物組織模擬流程圖Fig4FlowchartforMonteCarlosimulationofmulti－layeredtissue3結(jié)果與討論3．1無限窄光束入射采用蒙特卡洛方法模擬無限窄光束照射下光子傳輸情況，入射光子數(shù)106個，組織厚度z(即縱向)網(wǎng)格大小Δz=0．001cm，徑向r網(wǎng)格大小Δr=
【參考文獻】：
期刊論文
[1]反復紫外線照射建立皮膚光老化模型[J]. 石瀟,陳煒. 中國老年學雜志. 2013(20)
[2]光在生物組織中傳播的蒙特卡羅模擬[J]. 高迪,魏守水,任曉楠,崔建強. 生物醫(yī)學工程研究. 2009(04)
[3]鮮紅斑痣數(shù)值計算模型的構(gòu)建及其蒙特卡羅模擬[J]. 徐新苗,徐蘭青,王穎. 激光雜志. 2009(05)
博士論文
[1]老化皮膚光學特征提取及其治療過程監(jiān)測[D]. 吳淑蓮.福建師范大學 2011
本文編號：3290893
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