激光与皮肤相互作用能量分布的蒙特卡罗模拟

【摘要】： 鲜红斑痣是一种毛细血管畸形扩张的血管性疾病,好发于暴露部位,病理表现为真皮深层出现群集扩张的毛细血管,激光对鲜红斑痣皮肤具有明显的漂白作用,但临床上激光疗法也面临了一些问题,通常难以经过一次治疗使病损皮肤完全褪色,需要长时间间隔的多次治疗;而且在鲜红斑痣的临床治疗当中,伴随着很多副作用,如表皮热坏死,瘢痕等;其次多数病损位置最终的治疗效果都不能获得完全漂白;因而鲜红斑痣始终是一种难以根治的血管性皮肤疾病。随着生活水平的提高,人们对鲜红斑痣疗效的要求日益提高,因此,寻求彻底有效的治疗方法是激光医学面临的巨大挑战。 根据选择性光热作用原理,适当波长的脉冲辐射可以引起有色组织,细胞,或者细胞器的选择性破坏,目标组织在激光照射下获得的能量沉积对组织是否能被选择性破坏起关键性的作用,因而本文从建立激光与鲜红斑痣皮肤的相互作用数学模型入手,采用蒙特卡罗计算方法,建立了改进的包含分立血管模型的皮肤组织模型。通过计算机产生的伪随机数为构造的变量进行随机取值,在笛卡尔坐标系中跟踪光子被组织吸收的位置并计算光子被组织吸收的距离,通过动态的球坐标系统对光子的散射方向进行取样,并采用动态辅助坐标系统计算血管与真皮界面上的反射与折射事件,探讨了不同波长辐照下柱形血管截面上能量密度的分布规律以及各层组织吸收率。 模拟结果表明单波长激光辐照组织血管模型时,在靠近光源的血管部位获得最大的能量沉积密度,并随着在组织内深度的增加而急剧减小。532nm,577nm以及585nm激光照射时,组织模型的血管截面上,血管中心处能量沉积密度的半值宽度距离约为10-17μm,最大能量峰值减小到1/e时的跨度约为13-26μm,血管中心能量分布的变化梯度与血液在该波长上的吸收系数保持一致;在血管截面轮廓上能量密度的半值宽度距离约为34-43μm,595nm在血管截面上产生的最大能量沉积密度小与其他三个波长,在血管截面上的衰减速率较小,能量半值距离与1/e的等效光学长度约为76μm与96μm。模拟结果还表明当以血管截面上的能量沉积密度为高度时,血管截面上能量分布曲面是一个由不同衰减指数的指数曲线所组成的中心凹陷曲面,而且随着血液对波长吸收的减小,该曲面的底部逐渐变得平坦,595nm时,血管截面上的能量分布趋近于斜面。 蒙特卡罗方法用于以血管模型为主要研究对象的组织能量分布,可以获得血管目标上的能量分布细节,改变血管模型的直径以及在组织的深度,可以模拟不同结构特征鲜红斑痣皮肤组织中的能量分布,了解激光在组织中能量分布特征,具有较强的适应性。