Mô phỏng ảnh hưởng của melanin lên sự hấp thụ ánh sáng bằng Google Colab.

Abstract

Trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh, việc nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng và các mô sinh học đóng vai trò rất quan trọng trong chẩn đoán và điều trị một số bệnh. Luận văn tập trung vào việc mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô nhằm phân tích ảnh hưởng của melanin đến đặc tính hấp thụ ánh sáng. Trước hết, nghiên cứu xây dựng mô hình da với cấu trúc nhiều lớp, bao gồm lớp biểu bì chứa melanin, lớp trung bì và mô dưới da. Trong đó, các tham số quang học như hệ số hấp thụ, tán xạ, chỉ số chiết suất và chỉ số bất đẳng hướng được thiết lập dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Ngoài ra, hệ số hấp thụ của lớp biểu bì được thay đổi theo nồng độ melanin khác nhau để đánh giá tác động của sắc tố này đến quá trình truyền sáng. Lý thuyết Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng quá trình lan truyền photon trong mô, tính chiều dài bước di chuyển ngẫu nhiên của photon, xác định hướng tán xạ, xử lý hấp thụ năng lượng và cập nhật vị trí photon sau mỗi bước. Nghiên cứu sử dụng nền tảng Google Colab để lập trình bằng Python, kết hợp các thư viện khoa học như NumPy, Matplotlib, Tabulate nhằm trực quan hóa kết quả bằng biểu đồ và hình ảnh. Kết quả thu được cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ melanin với phản xạ và truyền qua của ánh sáng. Từ đó, rút ra mối quan hệ giữa nồng độ melanin và sự hấp thụ ánh sáng. Thêm vào đó nghiên cứu làm rõ cơ chế lan truyền và hấp thụ ánh sáng khi hàm lượng melanin thay đổi giúp đánh giá đặc tính quang học của da ở từng loại sắc tố khác nhau, từ đó hỗ trợ chẩn đoán sớm các bệnh lý về da như nám, bạch biến, hoặc ung thư da. Ngoài ra, kết quả này định hướng có thể được hiệu chỉnh các thiết bị y sinh. Kết quả của đề tài mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mô phỏng ánh sáng trong phát triển thiết bị chẩn đoán y sinh thế hệ mới.