[논문 리뷰] 3D Monte Carlo Simulation of Light Distribution in Mouse Brain in Quantitative Photoacoustic Computed Tomography

Yuqi Tang, Junjie Yao|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 15.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 디지마우스 애틀라스를 기반으로 MCX 패키지를 사용하여 완전한 마우스 뇌 모델에서 3차원 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 최초의 사례이다. 이는 세부 해부학적 구조와 전체 뇌 혈관망을 포함하고 있다. 결과적으로 전역적이고 局소적인 광선 조도 비균형이 나타나며, 깊이에 따라 최대 5배까지 감소하고 혈관에 의해 교란됨을 확인하였다. 이는 이러한 효과들이 광음향 컴퓨터 톰그래피(PACT)의 정량적 정확도를 떨어뜨리며, 고도의 보정 방법이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Photoacoustic computed tomography (PACT) detects light-induced ultrasound waves to reconstruct the optical absorption contrast of the biological tissues. Due to its relatively deep penetration (several centimeters in soft tissue), high spatial resolution, and inherent functional sensitivity, PACT has great potential for imaging mouse brains with endogenous and exogenous contrasts, which is of immense interest to the neuroscience community. However, conventional PACT either assumes homogenous optical fluence within the brain or uses a simplified attenuation model for optical fluence estimation. Both approaches underestimate the complexity of the fluence heterogeneity and can result in poor quantitative imaging accuracy. To optimize the quantitative performance of PACT, we explore for the first time 3D Monte Carlo simulation to study the optical fluence distribution in a complete mouse brain model. We apply the MCX Monte Carlo simulation package on a digital mouse (Digimouse) brain atlas that has complete anatomy information. To evaluate the impact of the brain vasculature on light delivery, we also incorporate the whole-brain vasculature in the Digimouse atlas. The simulation results clearly show that the optical fluence in the mouse brain is heterogeneous at the global level and can decrease by a factor of five with increasing depth. Moreover, the strong absorption and scattering of the brain vasculature also induce the fluence disturbance at the local level. Our results suggest that both global and local fluence heterogeneity contributes to the reduced quantitative accuracy of the reconstructed PACT images of mouse brain.

연구 동기 및 목표

• 마우스 뇌의 정량적 광음향 컴퓨터 톰그래피(PACT)에서 정확한 광선 조도 모델링의 부족을 해결하기 위해.
• 전역적이고 局소적인 광선 조도 비균형이 PACT 영상 정량화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 뇌 혈관망이 마우스 뇌에서 광선 공급 및 조도 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• PACT 재구성 정확도를 최적화하기 위한 고정밀 시뮬레이션 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 3차원 디지털 마우스 뇌(Digimouse) 애틀라스에서 광자 운반을 모델링하기 위해 MCX 몬테카를로 시뮬레이션 패키지를 사용하였다.
• 전체 뇌 혈관망을 포함한 세부적인 해부학적 구조를 광학 성질 모델에 통합하였다.
• 조직 특화 데이터에서 유도된 현실적인 흡수 및 산산각 계수를 사용하여 광선 전파를 시뮬레이션하였다.
• 전체 마우스 뇌 부피 전역에서 공간적으로 해상도가 높은 광선 조도 지ap을 계산하였다.
• 깊이에 따른 조도 변화와 고흡수 혈관 주변의 국소적 교란을 분석하였다.
• 비균일한 생물학적 매체에서 복잡한 광선 분포 패턴을 정확히 포착할 수 있는 시뮬레이션 프레임워크의 능력을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 광학 성질로 인해 마우스 뇌의 다양한 깊이에서 광선 조도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 전체 뇌 혈관망의 존재가 국소적 광선 분포와 조도 비균형에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 전역적이고 국소적인 조도 변화는 PACT 재구성의 정량적 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 3차원 몬테카를로 시뮬레이션은 해부학적 정밀도를 갖춘 완전한 마우스 뇌에서 광자 운반을 정확히 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 마우스 뇌에서 광선 조도는 표면에서 중심으로 갈수록 깊이에 따라 최대 5배까지 감소한다.
• 뇌 조직의 복잡한 광학 성질로 인해 전역적 조도 비균형이 관찰된다.
• 높은 흡수 및 산산각을 보이는 혈관 주변에서는 국소적 조도 교란이 발생하여 광선 공급이 방해받는다.
• 혈관망은 특히 피질 및 깊은 뇌 영역에서 조도에 뚜렷한 국소적 변동을 유도한다.
• 전역적이고 국소적 조도 비균형이 모두 PACT 영상의 정량적 정확도 저하에 기여한다.
• 기존의 PACT 모델은 균일한 조도 또는 단순화된 감쇠를 가정하지만, 본 연구는 이러한 복잡한 효과를 포착하지 못함을 시사한다.