مونت کارلو برای اپتیک زیست پزشکی

تشخیص نوری و لیزر به طور گسترده در تعدادی از کاربردها، از جمله تحقیقات سرطان، زیست شناسی عروقی و تکاملی، پوست، داروسازی، علوم مواد، مواد غذایی، و صنایع آرایشی و بهداشتی استفاده می شود. تکنیک های نوری طیف گسترده ای از راه حل های عملی را برای تشخیص های غیرتهاجمی در طیف وسیعی از مطالعات از تک سلولی گرفته تا بیوپسی از بافت های بیولوژیکی خاص و کل اندام ها ارائه می دهند.

طراحی مفهومی یک سیستم تشخیص نوری خاص برای اندازه‌گیری‌های غیر تهاجمی در داخل بدن تغییرات ساختاری بافت‌های بیولوژیکی و تغییرات در خواص فیزیولوژیکی آن‌ها مستلزم انتخاب دقیق پارامترهای فنی مختلف از جمله طول موج، انسجام، قطبش و مشخصات شدت تشعشعات نوری فرودی، حساسیت است. آشکارساز، اندازه، و هندسه و موقعیت متقابل منبع و آشکارساز. با توجه به طیف وسیعی از شرایط کاوشگری و ساختار ترکیبی پیچیده بافت‌های بیولوژیکی، هیچ راه‌حل تحلیلی کلی وجود ندارد که بتواند سیگنال نوری شناسایی‌شده و چگونگی تاثیر آن را توسط تغییرات ساختاری یا فیزیولوژیکی توصیف کند. در نتیجه، مدل‌سازی تصادفی مونت کارلو (MC)، که نتایج متفاوتی را بر اساس تولید اعداد تصادفی پیش‌بینی می‌کند، برای تقلید انتشار نور در محیط‌های کدر بافت پیچیده استفاده می‌شود.

فرصتی برای شبیه‌سازی مستقیم تأثیر انواع بافت‌های بیولوژیکی بر نور کاوشگر، MC را به یک ابزار اصلی در اپتیک زیست‌پزشکی و مهندسی نور تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، MC در یک مدل محاسباتی از پوست انسان ادغام شده است، برای شبیه سازی طیف بازتاب، تقلید تصاویر 2 بعدی ارائه شده توسط توموگرافی انسجام نوری (OCT)، و برای مطالعه اثرات منسجم پراکندگی نور چندگانه و پاکسازی نوری. با این وجود، تنوع تکنیک‌های تشخیص نوری و لیزری بر اساس ویژگی‌های مختلف نور و مکانیسم‌های برهمکنش‌های بافت نوری مستلزم آن است که یک کد MC جدید برای هر کاربرد جدید ایجاد شود.

برای تعمیم مدل‌سازی MC برای استفاده چند منظوره، مفهوم برنامه‌نویسی شی‌گرا (OOP) را به کار بردیم. به‌ویژه، OOP به کاربر اجازه می‌دهد تا مهاجرت فوتون و برهمکنش بافت نور را به‌عنوان اجسام متقابل توصیف کند. جسم فوتونی از طریق محیط جسم منتشر می شود و با اجزای تشکیل دهنده آن مانند سلول ها، رگ های خونی، فیبر کلاژن و تومورها تعامل دارد. تقسیم محیط به اشیاء امکان توسعه مدل های بافت واقعی را فراهم می کند که تغییرات فضایی سه بعدی ساختار بیولوژیکی را ارائه می دهد. علاوه بر این، تعریف ساختار واقعی بافت بیولوژیکی به عنوان یک شی، آن را قادر می سازد تا از هر یک از چندین روش تصویربرداری مانند میکروسکوپ الکترونی، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی و OCT وارد مدل شود.

ما از ویژگی وراثت OOP برای ایجاد یک ساختار سلسله مراتبی "هوشمند" از کد MC استفاده کردیم تا از داشتن چندین کلاس برای کارهای مشابه جلوگیری کنیم. سلسله مراتب به اشیاء "متحد" اجازه می دهد تا متغیرها و اعضا را به اشتراک بگذارند، به طور قابل توجهی مقدار کد منبع را کاهش می دهد و راه را برای گسترش و تعمیم MC هموار می کند. بسته به کاربرد، اشیاء را می توان در حالت مناسبی از برهمکنش بافت نور و یک تکنیک تشخیص نوری خاص تنظیم کرد.

برای دستیابی به عملکرد شبیه‌سازی نوری، ما از یک چارچوب محاسباتی موازی اخیراً توسعه‌یافته به نام Compute Unified Device Architecture (CUDA) استفاده کردیم که توسط شرکت NVIDIA معرفی شده است. این فناوری که به ویژه برای برنامه های گرافیکی حرفه ای سه بعدی طراحی شده است، به هر تراشه گرافیکی اجازه می دهد تا به طور منطقی به صدها هسته تقسیم شود و واحد پردازش گرافیکی را به یک پردازشگر بزرگ برای محاسبات موازی تبدیل کند. این قابلیت شبیه سازی هزاران جسم - یعنی انتشار همزمان فوتون ها در محیط - را ممکن می کند که روند شبیه سازی را تا 103 برابر سرعت می بخشد.

با ادغام CUDA با فن‌آوری‌های مبتنی بر وب مدرن، یک ابزار محاسباتی MC بر روی خط ایجاد کردیم تا با نیازهای بیوفوتونیک و اپتیک زیست‌پزشکی مطابقت داشته باشد. شکل 1 رابط کاربری تعاملی را برای انتخاب یک برنامه MC خاص نشان می‌دهد. ما از فناوری‌های Microsoft Silverlight، ASP (Active Server Pages) و .NET Framework برای ایجاد یک رابط تعاملی سبک وزن بین پلتفرمی برای دسترسی به یک برنامه خاص MC و برای برآوردن الزامات طراحی وب و امنیت مدرن استفاده کردیم.