Review of Monte Carlo modeling of light transport in tissues

Abstract

A general survey is provided on the capability of Monte Carlo (MC) modeling in tissue optics while paying special attention to the recent progress in the development of methods for speeding up MC simulations. The principles of MC modeling for the simulation of light transport in tissues, which includes the general procedure of tracking an individual photon packet, common light-tissue interactions that can be simulated, frequently used tissue models, common contact/noncontact illumination and detection setups, and the treatment of time-resolved and frequency-domain optical measurements, are briefly described to help interested readers achieve a quick start. Following that, a variety of methods for speeding up MC simulations, which includes scaling methods, perturbation methods, hybrid methods, variance reduction techniques, parallel computation, and special methods for fluorescence simulations, as well as their respective advantages and disadvantages are discussed. Then the applications of MC methods in tissue optics, laser Doppler flowmetry, photodynamic therapy, optical coherence tomography, and diffuse optical tomography are briefly surveyed. Finally, the potential directions for the future development of the MC method in tissue optics are discussed.

Моделирование Сигналов Комбинационного Рассеяния В Биологических Тканях Прямым И Двухшаговым Подходами

“…Различные подходы для моделирования распростра-нения оптического излучения в сильно рассеивающих случайно-неоднородных средах, были широко освеще-ны в многочисленных исследованиях [1,[3][4][5]. Модели распространения оптического излучения в многокомпо-нентной случайно неоднородной рассеивающей среде могут быть разделены на две основные категории: сто-хастические вычислительные модели, такие как метод случайного блуждания и метод Монте-Карло, а так-же детерминированные модели, основанные на диффе-ренциальных уравнениях в частных производных для плотности фотонов (электромагнитная теория, включая теорию Ми и рассеяние Релея-Ганса, или теория пе-реноса излучения).…”

“…in situ, она все чаще применяется в самых разнооб-разных сферах деятельности. Область ее применения в биомедицинских исследованиях широка и включает в себя диагностику рака [3][4][5][6][7], атеросклероза [8] и экспресс-анализ крови [9].…”

“…in situ, она все чаще применяется в самых разнооб-разных сферах деятельности. Область ее применения в биомедицинских исследованиях широка и включает в себя диагностику рака [3][4][5][6][7], атеросклероза [8] и экспресс-анализ крови [9].Основные преимущества СКР света по сравнению с методами, основанными на флуоресценции, заключа-ются в том, что комбинационные сигналы являются более четкими и спектрально узкими, что улучшает разделение сигналов [2]. Помимо качественного анали-за СКР теоретически может быть также использована для количественного определения числа активных в комбинационном рассеянии молекул, поскольку сигнал комбинационного рассеяния (КР) масштабируется с их концентрацией.…”

Analysis of Properties of an Active Linear Gesture Sensor

“…Considering the light-solid interactions, employing the Monte Carlo method-based simulations (MCMS) is a commonly applied approach [19]. In our study, a simplified interaction model, described in [20], was used.…”

Finite difference methods for solving the transport equation in the problems of optical biomedical diagnostics

“…Such approach has found wide applications in optical diffusion tomography, in particular, for the noninvasive diagnostics of breast cancer and functional diagnostics of human brain [2,3]. An alternative approach is the numerical simulation using the stochastic Monte Carlo method [4]. This method is based on multiple calculation of random photon trajectories in the medium having the specified geometry and optical characteristics, followed by the statistical processing of the obtained results at the detection points [5,6].…”