Теория и моделирование Монте-Карло корреляционных эффектов при рассеяния когерентного и низко-когерентного оптического излучения в многослойных биомоделях и тканях.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-22-00035

НазваниеТеория и моделирование Монте-Карло корреляционных эффектов при рассеяния когерентного и низко-когерентного оптического излучения в многослойных биомоделях и тканях.

Руководитель Кузьмин Владимир Леонидович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова обратное рассеяние, корреляционные эффекты, диаграммное представление, низкокогерентое излучение, многослойные системы, моделирование Монте-Карло, уравнение Бете-Солпитера

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Планируется развитие теории и моделирование Монте Карло эффектов усиления обратного рассеяния когерентного и низкокогерентного излучения в применении к биотканям. Эффекты проявляются, несмотря на режим многократного рассеяния, благодаря волновой природе света при рассеянии оптического излучения в случайных средах, и являются основой инновационных методов неинвазивной биомедицинской диагностики биотканей. Развитая авторами методика численного моделирования переноса излучения оказывается эффективной при моделировании переноса излучения с конечной длиной когерентности. Будет выполнен расчет обратного рассеяния с любым порядком взаимодействия интерференционных составляющих коррелирующих полей. Впервые будет развита теория обратного рассеяния с выходом за рамки лестничного приближения. Новым в оптических биомедицинских приложениях является метод, основанный на использовании низкокогерентного излучения, позволившим применить перспективный эффект усиления обратного рассеяния к диагностированию биомедицинских сред. Некогерентная составляющая обратного рассеяния образована лестничными диаграммами, описывающих сумму траекторий двух полей, рассеивающихся на одной и той же последовательности флуктуаций диэлектрической проницаемости; ряд лестничных диаграмм представляет собой теоретическую основу диффузионного приближения. Теория когерентного обратного рассеяния основана на суммировании максимально перекрестных, или веерных, диаграмм топологически эквивалентных лестничным диаграммам. Низко-когерентное обратное рассеяние требует учета интерференционных вкладов невеерных, асимметричных диаграмм с любым порядком взаимодействия полей со средой. Анализ и моделирование таких вкладов будет выполнен впервые в мире. Впервые в мире мы планируем выполнить расчеты эффектов многократного рассеяния за рамками рядов, топологически неэквивалентных ряду лестничных диаграмм, в общей теории переноса излучения В настоящем проекте моделирование будет реализовано на основе оригинального алгоритма вычисления интенсивности рассеяния, полученного в терминах уравнения Бете-Солпитера. Мы обнаружили предварительно, что моделирование многократного рассеяния в рамках развитого алгоритма Монте-Карло позволяет исследовать зависимость рассеяния от кратности рассеяния. На этой основе мы планируем установить связь наблюдаемой численно зависимости от кратности рассеяния с аналитическими результатами, полученными при решении пространственно-временного уравнения диффузии. Результаты моделирования были представлены с докладом на конференции SPIE в 2018 г. Авторы проекта представлялись с докладами по схожей тематике на конференциях Laser Optics (2016, 2018, 2020, 2022) Conference в Санкт-Петербурге. Планируется решение задачи о переносе оптического излучения в рамках уравнения Бете-Солпитера для многослойных анизотропных биомоделей, включая актуальную цифровую модель головы человека. В рамках уравнения Бете-Солпитера в стохастическом моделировании до сих пор корректно не сформулирован метод обратного преобразования кумулятивной функции распределения, что приводит к неверифицируемым численным результатам. В проекте впервые будет найдена и применена кумулятивная функция пространственного и углового распределения фотона, критически необходимая для моделирования диффузии света в многослойной системе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В., Вальков А.Ю., Кузьмин В.Л. Backscattering of Infrared Radiation by a Model Multilayer Biological Tissue JETP Letters, Vol. 117, No. 5, pp. 392–399 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123090108

2. Кузьмин В. Л., Вальков А.Ю., Жаворонков Ю. А. Coherent Backscattering Peak for Radiation with Low Spatial Coherence Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 137, No. 3, pp. 294–301. (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023600180

3. Кузьмин В.Л., Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В. Alternative phase functions in the modelling of coherent backscattering Optics and Spectroscopy, Optics and Spectroscopy, 2024, Vol. 132, No. 4 (год публикации - 2024)
10.61011/EOS.2024.04.58883.5453-24

4. Михайлов А.В., Поволоцкий А.В., Кузьмин В.Л. Infra-red spectroscopy of reflection-absorbance with account for thin surface layers: the theoty and experiment Optics and Spectroscopy, Optics and Spectroscopy, 2024, Vol. 132, No. 2 (год публикации - 2024)
10.61011/EOS.2024.02.58453.5620-23

5. Кузьмин В.Л., Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В. Coherent and low-coherent enhanced backscattering in tissue models Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 326, November 2024, 109103 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jqsrt.2024.109103

6. Кузьмин В.Л., Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В. Simulation of infrared radiation backscattering in multylayer tissue models 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 515-515 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624290

7. Тучин В.Л., Дьяченко П.А., Тучина Д.К., Жаворонков Ю.А., Ульянов С.В., Кузьмин В.Л. Measurement and Simulation of Mouse Head Optical Properties at Optical Clearing 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 491-491 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624123

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Перенос излучения в случайно неоднородной описывался уравнением Бете-Солпитера итерационное решение которого позволило представить интенсивность обратно рассеянного излучения в виде ряда по кратностям рассеяния. Для расчёта каждого члена ряда, представленного в виде многократного интеграла, был использован метод Монте-Карло. Был выполнен расчет интенсивности обратного рассеяния лазерного инфракрасного излучения на модельной четырехслойной случайно неоднородной биоткани “кожный покров, кость черепа, спинномозговая жидкость, мозг”. Были получены зависимости интенсивности обратно рассеянного излучения от расстояния между источником и детектором, расположенными непосредственно на модели головы человека. Изучено влияние на эти зависимости изменения оптических параметров системы, таких как толщина и состав слоёв, длина воны падающего излучения, параметр анизотропии индикатрисы рассеяния. Анизотропия однократного рассеяния учитывалась с помощью двух различных фазовых функций: модельной функции Хеньи- Гринштейна и фазовой функции Рэлея-Ганса. Проведённые расчёты показали, что расчёты с обеими фазовыми функциями приводят к почти не различающимся результатам в зависимости рассеянной интенсивности от расстояния между источником и приёмником, расположенными на модели головы человека. В то же время расчёты показали, что при попадании в слой спинномозговой жидкости даже малого количества крови зависимость обратно рассеянного излучения от расстояния между приёмником и детектором существенно изменится – рассеянная интенсивность очень заметно упадёт на больших расстояниях. Это позволит использовать сравнительно недорогие оптические методы в быстрой, полевой диагностике травматических повреждений. Моделирование Монте-Карло было проведено для нахождения углового распределения когерентного обратного рассеяния модельной биотканью с учётом анизотропии рассеяния с помощью фазовых функций Хеньи-Гринштейна и Рэлея-Ганса, причём моделирование рассеяния на основе фазовой функции Рэлея-Ганса было выполнено впервые. Был проведён сравнительный анализ ширины и формы пиков когерентного обратного рассеяния. В расчетах с модельными функциями Хеньи-Гринштейна и Рэлея-Ганса были учтены когерентный и некогерентный вклады в рассеяние. Найденная в явном виде интегральная функция распределения для модели Рэлея- Ганса, позволила впервые выполнить моделирование многократного рассеяния для обоих видов фазовых функций одновременно. Расчёты показали, что модель Рэлея-Ганса при той же степени анизотропии дает более широкий и высокий пик когерентного обратного рассеяния по сравнению с моделью Хеньи-Гринштейна. В расчетах, выполненных на основе фазовой функции Хеньи- Гринштейна пик когерентного обратного рассеяния, остается достаточно узким, в то время как расчёты по модели Рэлея-Ганса приводят к значительному расширению пика, что свидетельствует о возможности использования когерентного обратного рассеяния в биомедицинских приложениях. Было исследовано влияние понижения длины пространственной когерентности падающего излучения на форму углового пика когерентного обратного рассеяния. Оказалось, что общим результатом моделирования с помощью обеих фазовых функций является снижение высоты пика и одновременный рост ширины пика на половине высоты при уменьшении длины когерентности. Моделирование показало, что при одних и тех же значениях длины когерентности пики, рассчитанные по модели Рэлея-Ганса, по сравнению с результатами для фазовой функции Хеньи-Гринштейна являются более широкими и почти всегда более высокими. Также было показано, что уширение пика когерентного обратного рассеяния при снижении когерентности падающего излучения, может быть, в моделировании достигнуто за счёт трёх различных механизмов, а именно, путём ограничения учитываемых в расчётах актов рассеяния; модификацией распределения вероятности рассеяния с помощью функции Бесселя и посредством учёта случайных флуктуаций волнового вектора падающего излучения, для которых предложено распределение Гаусса.

Публикации