Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

大空间生物组织透射的Monte Carlo模拟方法的加速

乳腺等类型生物组织的透射Monte Carlo模拟(简称MC模拟)耗时很长,这主要是由于被模拟的组织较厚和Monte Carlo模拟自身统计特性引起的所需光子数量多造成的。针对光源与接收面在同一直线上,采用光纤接收透射光的模型进行分析,通过考虑生物组织自身的光学特性,进行了边界约束和有效后向散射次数的限制来缩短仿真时间,经过多次实验验证,以两次散射所到位置为分界,并充分利用组织光学参数计算约束边界,计算相对比较简单,同时考虑到入射与出射的实际情况进行微扩,从而得到的约束边界。对光学参数相同但厚度不同的组织进行仿真,分析进入同一位置光纤的光子数所发生后向散射次数,发现后向散射次数随着组织厚度与散射系数的增大而增大,随着吸收系数与各向异性因子的增大而减小,通过限定后向散射次数来节省时间。仿真结果表明,在传统计算机上,该方法能够显著缩短MC模拟的运算时间50%左右,尤其适用于较厚且边界较为复杂的高散射物质的MC模拟。该提速方法主要应用于光源与接收面处于同一直线,且生物组织较厚,散射系数较大的情况,能够有效节约仿真所需时间,有利于分析组织透射成像。     

有限宽光束在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

基于光在生物组织中的传输理论,研究有限宽光束在生物组织中的传输特性.利用入射光强与格林函数进行卷积计算,推导了有限宽光束在圆柱坐标系下的光传输过程,给出了有限宽光束的光传输方程.以高斯光源和平圆光源为例,进一步给出了两种光源的有限宽光束在生物组织中的光传输方程.介绍了Monte Carlo方法原理及模拟光在多层生物组织中的传输过程.给出了典型三层生物组织的散射系数、吸收系数和折射率等光学参数.利用Monte Carlo方法模拟了有限宽光束在三层生物组织中的传输特性,对比研究了高斯光源和平圆光源有限宽光束在三层生物组织传输时光学参数漫透射率、漫反射率和光能流率的变化规律.这些参数的变化规律可为光在生物组织传输的实际应用提供理论指导.     

重力场中理想气体密度分布的 Monte Carlo 模拟

利用Monte Carlo 方法模拟了重力场中理想气体的密度分布,直观展现了重力场中气体分子位置的改变和分布特点,讨论了分子质量和系统温度对气体密度分布曲线以及重力势能零点处密度n0的影响.模拟结果与玻耳兹曼分布律完全吻合.另外,模拟结果表明玻耳兹曼分布律不仅对纯的理想气体成立,而且对混合理想气体中各成分气体也成立.     

生物组织中激光传输规律的模拟与检验

本文研究了激光在生物组织中的传输规律,建立了适用于Monte Carlo模拟的数理模型。对不同组织中光子的传输规律进行了模拟和检验,结果表明:利用本文所建立的模型和编制的程序,可以有效地模拟激光在均匀和非均匀组织中的传输规律,并可获取组织光学特性参数与漫反射率、漫透射率和通量等物理量间的关系。     

材料中He深度分布演化的Monte Carlo模拟研究

基于He泡生长的迁移-合并机理,用Monte Carlo方法模拟了对材料进行等温退火过程中He深度分布的演化,探讨了不同参数对这一演化的影响.研究表明:材料中He泡的初始浓度和尺寸将影响He深度分布的变化,而退火温度则对演化速率起重要作用但对最终的He深度分布影响较小;随着反应的进行,整个系统的演化是逐渐趋缓的.关键词：He深度分布Monte Carlo模拟     

二元合金表面偏析的Monte Carlo方法模拟

详细介绍了二元合金表面偏析的Monte Carlo模拟方法,并应用改进的分析型嵌入原子模型结合Monte Carlo方法模拟研究了Pd-Au合金表面成分及其剖面成分分布,发现Au在表面偏析,并同已有实验结果进行了比较.     

Monte Carlo方法模拟低能电子在Al中的散射

基于文献[1]的工作,电子在固体中的弹性散射用Mott微分截面计算;非弹性散射分为单电子激发和等离子激发并由Streitwolf、Gryzinski及Quinn的截面描述.模拟了低能电子在Al块样及薄膜中的散射过程,对不同能量低能电子作用下Al的背散射系统、能谱又透射系数作了计算,结果与实验符合较好.也对背散射电子、低能损背散射电子表面分布作了计算,结果表明低能损背散射电子具有较好的空间分辨率.     

6H-SiC电子输运的Monte Carlo模拟

从实际测量和单粒子Monte Carlo模拟两个方面研究了6H-SiC的电子输运规律,在模拟中考 虑了6H-SiC主要的散射机理,模拟的结果体现了6H-SiC具有良好的高温和高场特性以及迁移 率的各向异性,其横向迁移率和纵向迁移率相差近5倍.模拟结果和实验数据的对比说明了对 6H-SiC输运特性的模拟是正确的.关键词：6H-SiCMonte Carlo模拟迁移率散射机理     

投影电子束光刻中电子穿透掩膜的Monte Carlo模拟

利用基于Mott散射截面和介电函数模型的Monte Carlo方法模拟了电子穿透掩膜的能量损失分布,其计算结果与实验结果符合很好. 由此进一步计算了角度限制投影电子束光刻(SCALPEL)掩膜的穿透率和衬度,结果表明：散射体的厚度对衬度的影响较大,衬度随散射体厚度的增加而增强,而支撑体对衬度的影响较小;增大限制孔的孔径角时,透射率相应增大,但衬度会降低;衬度随入射电子的能量增加而减小. 关键词：Monte Carlo模拟电子束光刻掩膜     

BESⅡ上光子探测效率的研究

利用J/ψ→ρπ衰变道,对BESⅡ上BSC对于光子的探测效率做了细致的研究.结果表明在从探测器光子能量阈值直到BES上可产生的最大光子能量范围内,用目前的Monte Carlo可以在1%—3%的精度下模拟光子的探测效率.并且对Monte Carlo在探测效率上与数据的差别进行了详细研究.同时用质心系能量s=3.770GeV处的e+e–→γe+e–数据检验了高能区MonteCarlo和数据的探测效率都达到100%,并且在1%精度下是一致的     

光子吸收剂量的蒙特卡罗计算方法研究

为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估,对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法：剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法,从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球,分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差,并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的,因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算,很难在特定情况下得到精准剂量;当高能量光子入射小体积物质时,比释动能会大于吸收剂量,使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差,采用脉冲高度计数法更加合适;在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法;当组成物质的高原子序数元素含量增多时,径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。     

圆柱筒式脉冲光源辐射均匀性的模拟

圆柱筒式脉冲均匀光源在各种光学标定中有广泛应用.应用Monte-Carlo方法对光子进行跟踪模拟,通过变权重法和固定权重法两种算法得到出光面接收的相对光照度.当内壁反射类型、光源的位置、圆柱筒的高度与直径比不同时,出光面形成的光照度均匀性不同.通过模拟结果可知,当内壁为漫反射时,圆柱筒长度与直径比越大,出光面的光照度越均匀;但当比值大于3/2时,均匀性已无明显变化.最终得到满足标定实验要求的圆柱筒的最佳结构.     

晶体光收集特性的M.C.模拟研究

用蒙特卡罗方法实现了对各种不同条件下晶体光输出特性的模拟研究,和实验结果比较符合得足够好,因而可用以预言新的现象和实验结果。结合光输出的实验测量,可以确定绝对的光子产额。研究还表明,封装材料和耦合剂对光收集效率影响很大,选用具有漫反射性的封装材料将有利于光的收集效率     

随机电报过程引起的光失相的计算机模拟

动态微扰可以引起跃迁频率发生变化,产生光谱扩散,我们用Monte Carlo法模拟了由于频率变化引起的自由感应衰减和光子回波衰减。模拟的结果表明,衰减的线形只和频率变化与跳变速率的比值有关,根据它的不同取值,自由感应衰减呈指数和非指数形式,光子回波强度为exp[-(4τ/tm)^x],x取值从1到3。我们还定性地讨论了红宝石中光子回波的非指数衰减。     

基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关.关键词：医用光学与生物技术散射介质后向散射蒙特卡罗模拟     

BNCT蒙特卡洛剂量计算的混合网格算法研究

在硼中子俘获治疗(BNCT)的蒙特卡洛(MC)剂量计算中,通常使用单一的网格模式,如16mm,8mm,4mm.使用细网格计算资源太大,使用粗网格,计算精度不够,为此,根据粒子穿透深度和计数量的变化梯度,采用混合网格模拟计算,达到了细网格的精度,时间仅为细网格的37%.     

Monte Carlo calculation of electron spectra produced in water phantoms by 20 keV-1 GeV photons

Abstract

A Monte Carlo calculation for the energy spectra of electrons and positrons produced in infinite and semiinfinite water phantoms by photons ranging in energies from 20 keV to 1 GeV are presented. The dominant processes considered are the photoelectric effect, Auger effect, Compton effect, pair, and triplet production. Bremsstrahlung produced by electrons and positrons with energies greater than 1 MeV is also included. The effect of multiple Compton scattering, not considered in the earlier calculation, for the infinite phantom for photon energies higher than 2 MeV has been incorporated. For a semi-infinite phantom, multiple Compton scattering and backscattering through the top are considered. The results are compared with the earlier calculations for the first-collision spectrum. It is found that the inclusion of multiple Compton scattering significantly increases the average number of electrons/cm³ per photon/cm² at all energies considered whereas bremsstrahlung reduces the number of high energy electrons and produces more low energy electrons in the spectrum.