Determining light absorption changes in multilayered turbid media through analytically computed photon mean partial pathlengths

Abstract

En este trabajo presentamos un modelo para el cálculo analítico de los caminos parciales medios (MPPLs) de fotones en medios ópticamente turbios formados por un número arbitrario de capas, siendo la última infinitamente gruesa. Esto tiene numerosas aplicaciones en el campo de la Óptica Biomédica, especialmente al modelar la propagación de la luz en tejidos y sistemas biológicos como la cabeza humana. La implementación computacional de nuestro modelo supera el estado del arte de los cálculos actuales realizados mediante simulaciones de Monte Carlo (MC), las cuales, a pesar de su robustez, representan un cuello de botella en términos de tiempos de cómputo y de requisitos de hardware al momento de considerar aplicaciones en tiempo real. Con el fin de validar el modelo presentado en este trabajo, comparamos nuestro método con los MPPLs generados por simulaciones de MC para medios turbios multicapas con diferentes números de capas y diferentes combinaciones de propiedades ópticas y de espesores. Los resultados muestran un muy buen acuerdo entre teoría y simulaciones, con errores relativos menores al 10% que tienen lugar principalmente en la primera capa. Se espera que esta investigación contribuya a aumentar la precisión de los modelos actualmente usados para estudiar la propagación de la luz en tejidos biológicos altamente heterogéneos.

In this work we introduce a model for analytically computing the mean partial pathlengths (MPPLs) of photons in optically turbid media consisting in an arbitrary number of layers, being the deepest one infinitely thick. This has several applications in the field of Biomedical Optics, especially when modelling light propagation in biological tissues and systems such as the human head. The computational implementation of our model surpasses the current state-of-the-art calculations done by means of Monte Carlo (MC) simulations, which, despite their robustness, represent a bottleneck in terms of computation times and hardware requirements when real-time applications are considered. In order to validate the approach presented in this work, we compared it with MPPLs generated by MC simulations for turbid layered media with different numbers of layers and several combinations of optical properties and thicknesses. Results show a very good agreement between theory and simulations, with relative errors of less than 10% having place mainly in the first layer. It is expected that this investigation contributes to increasing the accuracy of the models currently used for studying light propagation in highly heterogeneous biological tissues.