Simulation and quantitative analysis of fluorescence intensity distribution based on the Monte Carlo method
- 1. Peking University
Description
The Monte Carlo method is a versatile simulation algorithm to model the propagation of photons inside the biological tissues. It has been applied to the reconstruction of the fluorescence molecular tomography (FMT). However, such method suffers from low computational efficiency, and the time consumption is not desirable. One way to solve this problem is to introduce a priori knowledge which will facilitate iterative convergence. We presented an in vivo simulation environment for fluorescence molecular tomography (ISEFMT) using the Monte Carlo method to simulate the photon distribution of fluorescent objects and their sectional view in any direction quantitatively. A series of simulation experiments were carried out on different phantoms each with two fluorescent volumes to investigate the relationship among fluorescence intensity distribution and the excitation photon number, the locations and sizes of the fluorescence volumes, and the anisotropy coefficient. A significant principle was discovered, that along the direction of the excitation light, the fluorescent volume near the excitation point will provide shelter effect so that the energy of the fluorescent volume farther away from the excitation point is relatively lower. Through quantitative analysis, it was discovered that both the photon energy distribution on every cross section and the fluorescence intensity distributed in the two volumes exhibit exponential relationships. The two maximum positions in this distribution correspond to the centers of fluorescent volumes. Finally, we also explored the effect of the phantom coefficients on the exponential rule, and found out that the exponential rule still exists, only the coefficient of the exponential rule changed. Such results can be utilized in locating the positions of multiple fluorescent volumes in complicated FMT reconstruction involving multiple fluorescent volumes. Thus, a priori knowledge can be generalized, which would accelerate the reconstruction of FMT and even other images.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
طريقة مونت كارلو هي خوارزمية محاكاة متعددة الاستخدامات لنمذجة انتشار الفوتونات داخل الأنسجة البيولوجية. تم تطبيقه على إعادة بناء التصوير المقطعي الجزيئي الفلوري (FMT). ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تعاني من انخفاض الكفاءة الحسابية، واستهلاك الوقت غير مرغوب فيه. تتمثل إحدى طرق حل هذه المشكلة في تقديم معرفة مسبقة تسهل التقارب التكراري. قدمنا بيئة محاكاة في الجسم الحي للتصوير المقطعي الجزيئي الفلوري (ISEFMT) باستخدام طريقة مونت كارلو لمحاكاة توزيع الفوتون للأجسام الفلورية وعرضها المقطعي في أي اتجاه كميًا. تم إجراء سلسلة من تجارب المحاكاة على أشباح مختلفة لكل منها حجمان من الفلورسنت للتحقيق في العلاقة بين توزيع شدة الفلورة ورقم فوتون الإثارة، ومواقع وأحجام أحجام الفلورة، ومعامل تباين الخواص. تم اكتشاف مبدأ مهم، أنه على طول اتجاه ضوء الإثارة، سيوفر حجم الفلورسنت بالقرب من نقطة الإثارة تأثير الحماية بحيث تكون طاقة حجم الفلورسنت بعيدًا عن نقطة الإثارة أقل نسبيًا. من خلال التحليل الكمي، تم اكتشاف أن كل من توزيع طاقة الفوتون على كل مقطع عرضي وشدة الفلورة الموزعة في المجلدين تظهر علاقات أسية. يتوافق الموضعان الأقصىان في هذا التوزيع مع مراكز أحجام الفلورسنت. أخيرًا، استكشفنا أيضًا تأثير المعاملات الوهمية على القاعدة الأسية، ووجدنا أن القاعدة الأسية لا تزال موجودة، ولم يتغير سوى معامل القاعدة الأسية. يمكن استخدام هذه النتائج في تحديد مواقع أحجام الفلورسنت المتعددة في إعادة بناء FMT المعقدة التي تنطوي على أحجام فلورسنت متعددة. وبالتالي، يمكن تعميم المعرفة المسبقة، والتي من شأنها تسريع إعادة بناء معاهدة المواد الانشطارية وحتى الصور الأخرى.Translated Description (French)
La méthode Monte Carlo est un algorithme de simulation polyvalent pour modéliser la propagation des photons à l'intérieur des tissus biologiques. Il a été appliqué à la reconstruction de la tomographie moléculaire par fluorescence (FMT). Cependant, un tel procédé souffre d'une faible efficacité de calcul, et la consommation de temps n'est pas souhaitable. Une façon de résoudre ce problème est d'introduire des connaissances a priori qui faciliteront la convergence itérative. Nous avons présenté un environnement de simulation in vivo pour la tomographie moléculaire par fluorescence (ISEFMT) en utilisant la méthode de Monte Carlo pour simuler quantitativement la distribution des photons des objets fluorescents et leur vue en coupe dans n'importe quelle direction. Une série d'expériences de simulation ont été réalisées sur différents fantômes chacun avec deux volumes fluorescents pour étudier la relation entre la distribution de l'intensité de fluorescence et le nombre de photons d'excitation, les emplacements et les tailles des volumes de fluorescence et le coefficient d'anisotropie. Un principe important a été découvert, que le long de la direction de la lumière d'excitation, le volume fluorescent près du point d'excitation fournira un effet d'abri de sorte que l'énergie du volume fluorescent plus éloigné du point d'excitation est relativement plus faible. Grâce à une analyse quantitative, il a été découvert que la distribution de l'énergie des photons sur chaque section transversale et l'intensité de fluorescence distribuée dans les deux volumes présentent des relations exponentielles. Les deux positions maximales dans cette distribution correspondent aux centres des volumes fluorescents. Enfin, nous avons également exploré l'effet des coefficients fantômes sur la règle exponentielle, et découvert que la règle exponentielle existe toujours, seul le coefficient de la règle exponentielle a changé. De tels résultats peuvent être utilisés pour localiser les positions de plusieurs volumes fluorescents dans une reconstruction FMT compliquée impliquant plusieurs volumes fluorescents. Ainsi, les connaissances a priori peuvent être généralisées, ce qui accélérerait la reconstruction de la FMT et même d'autres images.Translated Description (Spanish)
El método Monte Carlo es un algoritmo de simulación versátil para modelar la propagación de fotones dentro de los tejidos biológicos. Se ha aplicado a la reconstrucción de la tomografía molecular de fluorescencia (FMT). Sin embargo, dicho método adolece de una baja eficiencia computacional, y el consumo de tiempo no es deseable. Una forma de resolver este problema es introducir conocimientos a priori que faciliten la convergencia iterativa. Presentamos un entorno de simulación in vivo para tomografía molecular de fluorescencia (ISEFMT) utilizando el método de Monte Carlo para simular la distribución de fotones de objetos fluorescentes y su vista en sección en cualquier dirección cuantitativamente. Se llevaron a cabo una serie de experimentos de simulación en diferentes fantasmas, cada uno con dos volúmenes fluorescentes, para investigar la relación entre la distribución de la intensidad de fluorescencia y el número de fotones de excitación, las ubicaciones y los tamaños de los volúmenes de fluorescencia y el coeficiente de anisotropía. Se descubrió un principio significativo, que a lo largo de la dirección de la luz de excitación, el volumen fluorescente cerca del punto de excitación proporcionará un efecto de refugio de modo que la energía del volumen fluorescente más alejado del punto de excitación sea relativamente menor. A través del análisis cuantitativo, se descubrió que tanto la distribución de energía de los fotones en cada sección transversal como la intensidad de fluorescencia distribuida en los dos volúmenes exhiben relaciones exponenciales. Las dos posiciones máximas en esta distribución corresponden a los centros de volúmenes fluorescentes. Finalmente, también exploramos el efecto de los coeficientes fantasma en la regla exponencial, y descubrimos que la regla exponencial todavía existe, solo cambió el coeficiente de la regla exponencial. Dichos resultados se pueden utilizar para localizar las posiciones de múltiples volúmenes fluorescentes en la reconstrucción complicada de FMT que involucra múltiples volúmenes fluorescentes. Así, se puede generalizar el conocimiento a priori, lo que aceleraría la reconstrucción del TMF e incluso de otras imágenes.Files
S1793545815500388.pdf
Files
(16.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:cdb97c65919fe58c0680675ed57731f8
|
16.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- المحاكاة والتحليل الكمي لتوزيع شدة الفلورة بناءً على طريقة مونت كارلو
- Translated title (French)
- Simulation et analyse quantitative de la distribution de l'intensité de fluorescence basée sur la méthode de Monte Carlo
- Translated title (Spanish)
- Simulación y análisis cuantitativo de la distribución de la intensidad de fluorescencia basada en el método de Monte Carlo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2140529767
- DOI
- 10.1142/s1793545815500388
References
- https://openalex.org/W1993724014
- https://openalex.org/W2013492930
- https://openalex.org/W2017061012
- https://openalex.org/W2021059663
- https://openalex.org/W2021750959
- https://openalex.org/W2025244200
- https://openalex.org/W2035074260
- https://openalex.org/W2043649486
- https://openalex.org/W2049444694
- https://openalex.org/W2070113093
- https://openalex.org/W2134642661
- https://openalex.org/W2491458126
- https://openalex.org/W4211128641