[論文レビュー] 3D Monte Carlo Simulation of Light Distribution in Mouse Brain in Quantitative Photoacoustic Computed Tomography

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

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、デジマウス・アトラスを用い、MCXパッケージを用いて完全なマウス脳モデルにおける光の分布の3次元モンテカルロシミュレーションを初めて実施した。詳細な解剖学的構造と全身の脳血管網を組み込んだ結果、光のフルエンスに顕著なグローバルおよびローカルの不均一性が生じ、深さに伴い最大5倍まで減少し、血管構造によって攪乱されることを明らかにした。これは、光声 computed tomography (PACT) における定量的精度を低下させ、高度な補正手法の必要性を示している。

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.

研究の動機と目的

• マウス脳の定量的光声 computed tomography (PACT) における正確な光フルエンスモデリングの欠如に対処すること。
• グローバルおよびローカルの光フルエンス不均一性がPACT画像の定量的評価に与える影響を調査すること。
• 脳血管網がマウス脳における光の供給とフルエンス分布に与える影響を評価すること。
• PACT再構成精度を最適化するための高精度なシミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• 3次元デジタルマウス脳（デジマウス）アトラスにおける光子輸送をモデリングするために、MCXモンテカルロシミュレーションパッケージを用いた。
• 全脳の血栓網を含む、完全な解剖学的詳細を光学特性モデルに統合した。
• 組織特異的なデータから得られた現実的な吸収係数および散乱係数を用いて、光の伝播をシミュレートした。
• 全脳ボリュームにわたる空間的に分解能の高い光フルエンスマップを計算した。
• 深さに伴うフルエンスの変動および高吸収性血管周辺の局所的摂動を分析した。
• 不均一な生物学的媒体における複雑な光分布パターンを正確に捉えられる、シミュレーションフレームワークの有効性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マウス脳における光フルエンスは、異種の光学特性のため、深さに応じてどのように変化するか？
• RQ2 全身の脳血管網の存在が、局所的な光分布およびフルエンス不均一性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 グローバルおよびローカルのフルエンス変動は、PACT再構成の定量的精度にどのように影響を及えるか？
• RQ4 3次元モンテカルロシミュレーションは、解剖学的忠実度を保った完全なマウス脳における光輸送を正確にモデリングできるか？

主な発見

• マウス脳における光フルエンスは、表面から中心部へ向かうに従い、最大5倍まで減少する。
• 脳組織の複雑な光学特性により、顕著なグローバルフルエンス不均一性が観察された。
• 高吸収性・高散乱性の血管周辺では、局所的なフルエンスの攪乱が生じ、光の供給が妨げられる。
• 血管網は特に皮質部および深部脳領域で顕著な局所的フルエンス変動を引き起こす。
• グローバルおよびローカルのフルエンス不均一性が、PACT画像の定量的精度を低下させている。
• 本研究では、均一なフルエンスまたは簡略化された減衰を仮定する従来のPACTモデルでは、これらの複雑な効果を捉えきれないことが示された。