《Optics》：Position Estimation Method for a Fluorescently Labeled Tumor Based on Beer’s Law: An Analysis Using Monte Carlo Simulations
编辑推荐：
本研究提出一种基于比尔定律和蒙特卡洛模拟的荧光标记肿瘤三维定位新方法。通过激发光扫描模型表面获取荧光分布，利用质心计算实现二维定位（误差0.71 mm），结合扩散荧光剖面拟合方程实现深度估计（2-6 mm深度误差约20%）。相比可见光局限，近红外波长使探测深度突破至6 mm，为肿瘤切除手术提供重要技术支持。
荧光标记肿瘤定位方法的研究背景与意义
肿瘤切除手术中准确判断荧光标记肿瘤的深度至关重要。传统荧光分子断层成像虽能实现三维定位，但存在设备昂贵、数据采集耗时、光学系统易失准等局限。本研究创新性地结合蒙特卡洛模拟与比尔定律，开发出适用于近红外波长的肿瘤三维定位方法，通过激发光扫描配置实现快速定位，为临床手术提供新思路。
蒙特卡洛模拟模型构建与光学参数设置
研究团队建立了500×500×280像素的体素模型模拟生物组织散射特性。模型光学参数严格参照文献设置：散射系数μs、吸收系数μa、各向异性因子g和折射率n等关键参数均基于1%脂质溶液特性设定。球形荧光肿瘤直径设为4 mm，嵌入深度1-6 mm，使用FDA批准的近红外染料吲哚菁绿作为荧光标记物，其激发波长785 nm，发射波长820 nm，量子产率0.09。
荧光传播的蒙特卡洛模拟方法
采用Wang等人的光子迁移计算程序，通过梅森旋转算法生成随机数决定光子运动轨迹。每个激发光子初始权重为1，运动过程中按μa/μt比例衰减权重。在组织层边界处根据菲涅耳反射率计算光子反射/透射。荧光光子生成时，其初始权重为激发光子权重与量子产率的乘积，采用各向同性散射模型模拟荧光传播过程。
二维位置估计的精确定位策略
通过25个激发点（间隔5 mm）扫描模型表面，获取荧光通量分布图。利用四个对称激发点的荧光强度比值计算质心坐标，公式为xc=ΣIixi/ΣIi。在4 mm深度模型中，嵌入坐标与估计坐标距离仅0.71 mm。扫描间隔实验表明，当激发光与肿瘤中心距离增加时，荧光通量呈线性递减趋势。
深度估计的数学模型建立
基于比尔定律推导出荧光强度衰减方程：I(r)=A·e-μeff(d+√(r2+d2))。通过非线性最小二乘法拟合扩散荧光剖面，其中衰减系数μeff=√[3μa(μa+μs')]。模拟结果显示，2-6 mm深度估计误差率约20%，而1 mm深度因散射不足导致误差率达93%。
概念验证实验的系统配置
实验系统包含785 nm激光源、二轴电机平台、二向色镜和近红外相机。使用含ICG的4 mm球形荧光体模拟肿瘤，通过调节支撑柱高度实现1-5 mm深度变化。激发光在20×20 mm区域以1 mm间隔扫描，相机采集55×35 mm范围的8位灰度图像。
实验与模拟结果的对比分析
二维定位实验中，当扫描间隔≤2 mm时，定位误差显著降低。深度估计结果显示，实验数据与模拟结果高度吻合，误差率控制在±30%以内。通过比较荧光分布图像，发现模拟中荧光扩散更明显，这源于介质衰减系数的差异（模拟0.30 mm-1，实验0.64 mm-1）。
光学特性与肿瘤尺寸的影响评估
脑组织在800 nm处的衰减系数范围为0.22-1.28 mm-1。肿瘤尺寸影响实验表明，在5 mm深度时，2-6 mm直径肿瘤的深度估计差异仅0.24 mm。但研究者指出，该结论不宜直接推广到其他深度-尺寸组合。
方法局限性与未来展望
当前模型假设荧光染料浓度均匀分布，未考虑实际组织的异质性。在反射式配置中，模拟未计入激发光干扰，而实验通过二向色镜和长通滤光片组合可阻断90%的激发光。虽然短波红外波长能进一步提升探测深度，但相关荧光染料尚未获临床批准应用。
研究结论与临床价值
该方法通过激发光扫描和扩散荧光剖面拟合，实现了荧光肿瘤的快速三维定位。近红外波长的应用使探测深度突破至6 mm，二维定位精度达亚毫米级。虽然目前适用于浅表肿瘤，但为术中实时定位提供了重要技术支撑，具有显著的临床转化潜力。
