monte carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških...
TRANSCRIPT
![Page 1: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/1.jpg)
Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivih
Matic Ivančič22. november 2017
![Page 2: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/2.jpg)
Biomedicinska optika
Interakcija svetlobe s tkivom Svetloba, ki se siplje nazaj iz tkiva, nosi informacijo
Razločevanje med različnimi vrstami tkiv Zdrava in obolela tkiva Zgodnje odkrivanje bolezni
Ne-invazivne meritve Ni trajnih sprememb tkiva Vidna in IR svetloba
2
![Page 3: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/3.jpg)
MC simulacije širjenja svetlobeModel usmerjene naključne hoje
Prostorsko razločene meritve
3
![Page 4: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/4.jpg)
Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko stanje Absorpcijski koeficient µa
Sipanje Sipalni koeficient µs Sipalna fazna funkcija p(θ)
Lom / odboj svetlobe na mejnih površinah Lomni količnik n
4
θ
α2
α1 α1 n1
n2
e1
e2
![Page 5: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/5.jpg)
Inverzni model
Model širjenja: DR = f(µa, µs, p(θ), G)Inverzni model: µa, µs, p(θ) = f -1(DR, G)
Ni splošne analitične rešitve Iskalna tabela (LUT)
5
(Rajaram et al., J. Biomed. Opt., 2008)
![Page 6: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/6.jpg)
Inverzni model
6
µ‘s
µa
?
Globalni minimumkriterijske funkcije
Pomembna je izbira ustrezne kriterijske funkcije
![Page 7: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/7.jpg)
Sub-difuzijski režim
7
(Bodenschatz in sod., J. Biomed. Opt., 2015)
(Naglič in sod., Opt. Lett., 2017)
![Page 8: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/8.jpg)
Vzporedno računanje
8
Dvojna kompleksnost: stohastičen process - veliko število fotonov (106 – 109) veliko število elementov (tkiv) v LUT
Rešitev: GPU implementacija
• CUDA, OpenCL(Alerstam et al., J. Biomed. Opt., 2008)
GPU cluster• ARNES: 3 x GPU, NSC: 16 x GPU
-> 8x pohitritev (4 dni -> ½ dneva)
![Page 9: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/9.jpg)
Hvala za pozornost!
![Page 10: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/10.jpg)
Usmerjena naključna hoja
Sprememba smeri – sipanje
Absorpcija
Dolžina koraka
Verjetnost za odbojoziroma lom
Simulacije Monte Carlo
10
![Page 11: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/11.jpg)
Merjenje difuzne reflektance
Optične sonde Stično merjenje – optična sklopitev Optična vlakna na različnih oddaljenostih
Problem stičnih meritev Kontaktni pritisk Odboj fotonov od kovinskih
delov sonde
11
(Naglič in sod., Biomed. Opt. Express, 2015)
(Cugmas in sod., J. Biomed. Opt., 2014, Bregar in sod., J. Biomed. Opt., 2014)
![Page 12: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/12.jpg)
Hiperspektralno slikanje Sočasno zajemanje spektralno in prostorsko
razločene informacije
Prednosti:+ Brezstično merjenje
+ Višja prostorska ločljivost
Omejitve- Slabša optična sklopitev
- Ozko vidno polje
12
λ
y
x
![Page 13: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/13.jpg)
Fazne funkcijeHenyey-Greenstein (g)
Modificirana Henyey-Greenstein (g, β)
Gegenbauer (αGK
, gGK )
Mie (di, Ni, nm, np)13
(Calabro in sod., J. Biomed. Opt., 2014)
![Page 14: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/14.jpg)
Sledenje fotonov
14
![Page 15: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/15.jpg)
Sledenje fotonov
15
![Page 16: Monte Carlo simulacije širjenja svetlobe v bioloških tkivihmrezaznanja.splet.arnes.si/files/2016/09/05_Matic... · Model širjenja svetlobe Absorpcija Prehod v višje energetsko](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041719/5e4d20193334442bc461101e/html5/thumbnails/16.jpg)
RTE
16