Implementación de un Algoritmo Monte Carlo en paralelo para el modelado de la propagación de la luz en piel humana adulta

Abstract

Se presenta un modelo simplificado de la piel humana adulta como un medio turbio de tres capas para estudiar el comportamiento de la Absorbancia en este tejido debido a la variación de bilirrubina, hemoglobina y melanina mediante una simulación basada en el método de Monte Carlo e implementando un algoritmo en paralelo en el lenguaje de programación python3 para la ejecución del mismo con las librerías subprocess y multiprocessing. Se probo el algoritmo en paralelo tomando 100 archivos iniciales y ejecutándolos de manera secuencial y en paralelo. La implementación consiguió una mejora en el rendimiento de 3;71 y eficiencia de 0;93 para cuatro procesadores. Se confirmó que la melanina es uno de los Cromóforos más influyentes en la absorción de la piel, perdiéndose información óptica de la región inferior a la epidermis para una fracción de volumen de melanosomas mayor a 0;033. Se observó que para concentraciones de bilirrubina mayor a 0;02 g/l hay cambios en la concavidad de la reflexión difusa entre 450 y 500 nm. Se determino que la densidad de vasos sanguíneos y la concentración de hemoglobina tienen efectos similares en la Absorbancia y ambas afectan predominantemente en el espectro entre 400 y 600 nm.

A simplified adult skin model that proposed it as a three layer turbid medium is presented for studying the Absorbance of skin as a function of melanin, bilirubin and hemoglobin concentration. The model was tested in a simulation based on the Monte Carlo method with the implementation of and algorithm in python3 for running the simulation in parallel with the libraries subprocess and multiprocessing. With data from 100 initial files, the simulation was run sequentially and in parallel. For four processors, the speedup was 3;71 and the efficiency 0;93. It was confirmed that melanin plays and important rol as a Chromophore, losing information from the dermis and hypodermis for Melanosom volumen fraction above 0.033. It was also found that for bilirubin concentrations above 0.02 g/l, there are changes in the shape of the diffuse reflectance curve in the 450 - 500 nm range. The blood vessel density and the hemoglobin concentration were found to affect the Absorbance of the skin in the same way and both affect it in the 400 - 600 nm range mainly.