老化皮肤光分布的蒙特卡洛模拟
发布时间：2021-07-19 14:48
为研究老化皮肤中的光子传输情况,在构建老化皮肤七层模型的基础上,采用蒙特卡洛方法模拟准直无线窄光束、有限束宽的平圆光束和高斯光束在皮肤组织中的光分布,研究年轻皮肤和老化皮肤的差异。结果表明:老化皮肤在表皮吸收能量密度较小,真皮反之,光能流率较大,光子的穿透深度更深,更多光子进入真皮层;与高斯光束相比,平圆光束的光能流率径向分布较均匀,适合大面积嫩肤。
【文章来源】：生物医学工程研究. 2017,36(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
皮肤结构Fig1Skinstructure其中，一、二层为表皮部分，生发层中的生发细
??体的吸收系数及含量，从原理上可以获得光子在组织中的传输情况。但由于光子在组织内部会发生多次散射，在边界处会发生反射，所以，直接获得光子在组织中的传输情况是很困难的。因此，引入Beer－Lambert定律的简化模型。根据Beer－Lambert定律A=－log10I0I(1)其中，A为介质的吸光率，I0为单色入射光强度，I为透射光强度。A=εCl(C)+G(2)其中，ε为吸收介质的摩尔吸收，C为吸收介质的摩尔浓度，G为散射引起的损耗，l为散射的平均路径长度［3］。吸光率A与吸收介质的摩尔浓度C之间关系见图2，摩尔浓度C较大时，斜率△A/△C较小，而散射损耗G较大;强散射介质中，斜率△A/△C较大［4］。因此△A与△C成正比:△A△C=εl(C)=εl(3)当C趋近于0时，(2)式改写为A=εCl0+G(4)图2吸光率A与吸收介质的摩尔浓度C之间关系［5］Fig2Ｒelationshipbetweenabsorbanceofscatteringmediumandconcentrationofchromophorel0为无吸收介质的平均路径长度，即对应图2中，C=0时，A=G．当C≈0时:△A△CC≈0=εl0(5)对于含有各种发色团的非均匀介质，根据(2)式有:A(λ)=∑mi=1A1(λ)+G(λ)=∑mi=1εi(λ)Cili(C1，…，Cm，λ)+G(λ)(6)下标i表示第i个发色团，li(C)为第i个发色团所分布区域的平均路径长度，由于介质中有多个发色团，li(C)的值与各吸收体的摩尔浓度有关，但各发色团的摩尔浓度对li(C)影响很小，可忽略其影响，因此采用l0代替li(C)，可将l0视作比例因子。另外，当入射光波长λ不同时，介质的散射系数μs不同，μs越大，G值越大，因此令G=a+bλ，带入式(6)，有:A=∑Ni=1Ciεi(λ)+a+bλ(7)
结构改变包括厚度、胶原含量，细胞大小等;功能改变包括弹性、神经感知、经皮水分流失(TEWL)、增殖率等等［12］。本研究在老化皮肤结构变化的基础上，构建皮肤老化模型。老化皮肤在形态学上有许多明显的改变，见图3:表皮厚度减小，大约每十年减小6．4%［13－14］，水分含量整体下降多达65%［15］，活性黑素细胞每十年减少8%～20%(本研究取中间值14%)［16］，这也是老化皮肤肤色不均匀的主要原因［17－18］。真皮厚度每十年减少6%［13，19］，真皮上部(3～4层)水分含量增加30%［20］。图3老化皮肤与年轻皮肤形态学差异［11］Fig3Differencesinskinstructurebetweenyoungerandolderskin为了解年龄对人体皮肤的影响，上述数据采用扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)、光学相干断层成像(OCT)、光声成像等多种方式进行实验及在体分析，对老化皮肤的结构变化进行评估，以建立完整、严密的老化皮肤模型。2．4模拟方法模拟过程中，老化皮肤以年轻皮肤老化40年计，根据上述老化皮肤组织的特征，建立老化皮肤的光学模型。各层散射系数μs、各向异性因子g、折射率n、吸收系数μa、厚度D见表1。根据表1中各参数，采用蒙特卡洛方法模拟波长为633nm的准直无线窄光束、有限束宽的平圆光束和高斯光束在年轻皮肤和老化皮肤中的光子传输情况［21－22］，并比较其差异。蒙特卡洛方法模拟多层组织光传输情况的算法见图4。图4多层生物组织模拟流程图Fig4FlowchartforMonteCarlosimulationofmulti－layeredtissue3结果与讨论3．1无限窄光束入射采用蒙特卡洛方法模拟无限窄光束照射下光子传输情况，入射光子数106个，组织厚度z(即纵向)网格大小Δz=0．001cm，径向r网格大小Δr=
【参考文献】：
期刊论文
[1]反复紫外线照射建立皮肤光老化模型[J]. 石潇,陈炜. 中国老年学杂志. 2013(20)
[2]光在生物组织中传播的蒙特卡罗模拟[J]. 高迪,魏守水,任晓楠,崔建强. 生物医学工程研究. 2009(04)
[3]鲜红斑痣数值计算模型的构建及其蒙特卡罗模拟[J]. 徐新苗,徐兰青,王颖. 激光杂志. 2009(05)
博士论文
[1]老化皮肤光学特征提取及其治疗过程监测[D]. 吴淑莲.福建师范大学 2011
本文编号：3290893
【文章来源】：生物医学工程研究. 2017,36(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
皮肤结构Fig1Skinstructure其中，一、二层为表皮部分，生发层中的生发细
??体的吸收系数及含量，从原理上可以获得光子在组织中的传输情况。但由于光子在组织内部会发生多次散射，在边界处会发生反射，所以，直接获得光子在组织中的传输情况是很困难的。因此，引入Beer－Lambert定律的简化模型。根据Beer－Lambert定律A=－log10I0I(1)其中，A为介质的吸光率，I0为单色入射光强度，I为透射光强度。A=εCl(C)+G(2)其中，ε为吸收介质的摩尔吸收，C为吸收介质的摩尔浓度，G为散射引起的损耗，l为散射的平均路径长度［3］。吸光率A与吸收介质的摩尔浓度C之间关系见图2，摩尔浓度C较大时，斜率△A/△C较小，而散射损耗G较大;强散射介质中，斜率△A/△C较大［4］。因此△A与△C成正比:△A△C=εl(C)=εl(3)当C趋近于0时，(2)式改写为A=εCl0+G(4)图2吸光率A与吸收介质的摩尔浓度C之间关系［5］Fig2Ｒelationshipbetweenabsorbanceofscatteringmediumandconcentrationofchromophorel0为无吸收介质的平均路径长度，即对应图2中，C=0时，A=G．当C≈0时:△A△CC≈0=εl0(5)对于含有各种发色团的非均匀介质，根据(2)式有:A(λ)=∑mi=1A1(λ)+G(λ)=∑mi=1εi(λ)Cili(C1，…，Cm，λ)+G(λ)(6)下标i表示第i个发色团，li(C)为第i个发色团所分布区域的平均路径长度，由于介质中有多个发色团，li(C)的值与各吸收体的摩尔浓度有关，但各发色团的摩尔浓度对li(C)影响很小，可忽略其影响，因此采用l0代替li(C)，可将l0视作比例因子。另外，当入射光波长λ不同时，介质的散射系数μs不同，μs越大，G值越大，因此令G=a+bλ，带入式(6)，有:A=∑Ni=1Ciεi(λ)+a+bλ(7)
结构改变包括厚度、胶原含量，细胞大小等;功能改变包括弹性、神经感知、经皮水分流失(TEWL)、增殖率等等［12］。本研究在老化皮肤结构变化的基础上，构建皮肤老化模型。老化皮肤在形态学上有许多明显的改变，见图3:表皮厚度减小，大约每十年减小6．4%［13－14］，水分含量整体下降多达65%［15］，活性黑素细胞每十年减少8%～20%(本研究取中间值14%)［16］，这也是老化皮肤肤色不均匀的主要原因［17－18］。真皮厚度每十年减少6%［13，19］，真皮上部(3～4层)水分含量增加30%［20］。图3老化皮肤与年轻皮肤形态学差异［11］Fig3Differencesinskinstructurebetweenyoungerandolderskin为了解年龄对人体皮肤的影响，上述数据采用扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)、光学相干断层成像(OCT)、光声成像等多种方式进行实验及在体分析，对老化皮肤的结构变化进行评估，以建立完整、严密的老化皮肤模型。2．4模拟方法模拟过程中，老化皮肤以年轻皮肤老化40年计，根据上述老化皮肤组织的特征，建立老化皮肤的光学模型。各层散射系数μs、各向异性因子g、折射率n、吸收系数μa、厚度D见表1。根据表1中各参数，采用蒙特卡洛方法模拟波长为633nm的准直无线窄光束、有限束宽的平圆光束和高斯光束在年轻皮肤和老化皮肤中的光子传输情况［21－22］，并比较其差异。蒙特卡洛方法模拟多层组织光传输情况的算法见图4。图4多层生物组织模拟流程图Fig4FlowchartforMonteCarlosimulationofmulti－layeredtissue3结果与讨论3．1无限窄光束入射采用蒙特卡洛方法模拟无限窄光束照射下光子传输情况，入射光子数106个，组织厚度z(即纵向)网格大小Δz=0．001cm，径向r网格大小Δr=
【参考文献】：
期刊论文
[1]反复紫外线照射建立皮肤光老化模型[J]. 石潇,陈炜. 中国老年学杂志. 2013(20)
[2]光在生物组织中传播的蒙特卡罗模拟[J]. 高迪,魏守水,任晓楠,崔建强. 生物医学工程研究. 2009(04)
[3]鲜红斑痣数值计算模型的构建及其蒙特卡罗模拟[J]. 徐新苗,徐兰青,王颖. 激光杂志. 2009(05)
博士论文
[1]老化皮肤光学特征提取及其治疗过程监测[D]. 吴淑莲.福建师范大学 2011
本文编号：3290893
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