[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究首次利用MCX软件包在Digimouse脑图谱上对完整小鼠脑模型中的光分布进行了3D蒙特卡罗模拟，整合了详细的解剖结构和全脑血管网络。结果揭示了显著的全局和局部光学剂量率非均质性——随深度增加最高可降低五倍，且受血管结构干扰。这表明这些效应会降低光声计算机断层扫描（PACT）的定量准确性，因此需要采用先进的校正方法。

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.

研究动机与目标

• 解决小鼠脑定量光声计算机断层扫描（PACT）中光学剂量率建模不准确的问题。
• 研究全局和局部光学非均质性对PACT图像定量的影响。
• 评估脑血管结构对小鼠脑内光传输及剂量率分布的影响。
• 提供一个高保真度的模拟框架，以优化PACT重建的准确性。

提出的方法

• 利用MCX蒙特卡罗模拟软件包，对3D数字小鼠脑（Digimouse）图谱中的光子传输进行建模。
• 在光学属性模型中整合了完整的解剖细节，包括整个脑血管网络。
• 采用基于组织特异性数据的现实吸收和散射系数，模拟光传播过程。
• 计算整个小鼠脑体积内空间分辨的光学剂量率图。
• 分析深度方向上的剂量率变化以及高吸收血管附近的局部扰动。
• 验证了该模拟框架在复杂异质生物介质中捕捉光分布复杂模式的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于组织光学性质的非均质性，小鼠脑内光学剂量率如何随深度变化？
• RQ2 全脑血管网络在多大程度上改变了局部光分布及剂量率非均质性？
• RQ3 全局和局部剂量率变化如何影响PACT重建的定量准确性？
• RQ4 3D蒙特卡罗模拟能否准确建模具有解剖保真度的完整小鼠脑内的光传输？

主要发现

• 从小鼠脑表面到中心，光学剂量率随深度增加最高可降低五倍。
• 由于脑组织复杂光学性质的影响，观察到显著的全局剂量率非均质性。
• 在高吸收和高散射血管附近出现明显的局部剂量率扰动，干扰光的输送。
• 血管网络在皮层及深部脑区均引起显著的局部剂量率变化。
• 全局和局部剂量率非均质性共同导致PACT图像定量准确性下降。
• 本研究表明，传统PACT模型假设均匀剂量率或简化衰减，无法捕捉这些复杂效应。