光動力療法治療鮮紅斑痣的數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證.pdf

1、研究目的本研究擬利用數(shù)學(xué)方法，通過對光動力療法(PDT)治療鮮紅斑痣(PWS)中所涉及到的激光、光敏劑和氧等因素的作用及其相互關(guān)系進(jìn)行分析，建立PDT治療PWS的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真計(jì)算方法，并對仿真結(jié)果進(jìn)行初步的驗(yàn)證。 方法和結(jié)果第一部分是構(gòu)建PDT治療PWS的數(shù)學(xué)模型。用數(shù)學(xué)方法對三方面主要因素的變化規(guī)律分別建模，以此作為本模型建立的理論依據(jù)：(1)光在組織中分布的模型建立：由于PWS的病理組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選用MonteCarl

2、o方法進(jìn)行建模；(2)光敏劑濃度變化的模型建立，可分為兩部分：①血管內(nèi)的光敏劑濃度變化規(guī)律符合藥代動力學(xué)的藥-時方程；②血管外組織中的光敏劑濃度變化服從Fick第二定律，并受光漂白作用的影響。(3)氧在血管外組織中的變化的模型建立：氧在組織中的擴(kuò)散服從Fick第二定律，同時PDT生成單線態(tài)氧(1O2)對氧有消耗。在以上建模結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過分析1O2產(chǎn)生的光化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程，用Lambert-Beer定律和光敏劑的1O2量子產(chǎn)率公式計(jì)

3、算1O2的產(chǎn)率，構(gòu)建生成1O2的數(shù)學(xué)模型。用有限差分法，建立了系統(tǒng)的仿真運(yùn)算方法。 第二部分，在含有一根柱狀血管的理想組織模型上，對血管和組織中1O2的產(chǎn)生、分布情況進(jìn)行仿真。重點(diǎn)了解1O2的時間、空間分布規(guī)律，以及在數(shù)學(xué)模型中各個因素對1O2分布的影響，結(jié)果為：(1)1O2產(chǎn)量最高處是血管壁及靠近管壁的血液；(2)光、光敏劑劑量的改變，通過直接作用和間接作用(漂白作用和氧效應(yīng))，使1O2的改變呈非線性的變化；(3)光敏劑的各種

4、特性如藥代動力學(xué)規(guī)律、漂白速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等對PDT的組織選擇性有明顯影響。 第三部分，針對PWS的動物模型——雞冠進(jìn)行仿真運(yùn)算，并通過動物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明：(1)給藥后1h照光血管內(nèi)產(chǎn)生的1O2少于給藥后即刻照光，提高給藥后1h照光的功率密度，血管中1O2增加的同時會使真皮受損；(2)不同波長的組織光學(xué)特性對損傷深度有決定性影響，633nm對血管的破壞要深于532nm。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)給藥后1h照光，給

5、予100mW/cm2不能破壞血管，而給予140mW/cm2在破壞血管的同時出現(xiàn)了真皮淺層的壞死；(2)633nm破壞血管的深度是2204.2μm，532nm破壞的深度是1012.5μm，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了仿真的結(jié)論。 第四部分，運(yùn)用模型仿真對PWS的臨床治療現(xiàn)象的可能原因進(jìn)行了探究，并對其中一個結(jié)果進(jìn)行臨床驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示：(1)兒童的治療效果好：這與兒童表皮厚度薄有關(guān)，導(dǎo)致相應(yīng)的1O2產(chǎn)量高；(2)較重

6、的病變療效差：這是由于病變血管直徑大，1O2產(chǎn)生不均勻，平均1O2含量低；(3)577nm與532nm的臨床治療效果差異不顯著：兩種波長的激光致血管內(nèi)1O2的產(chǎn)量并不存在明顯的差別；(4)給藥后40min照光療效較差：此時血管中1O2產(chǎn)量比即刻照光時低。在臨床治療病例中對仿真結(jié)果(4)進(jìn)行驗(yàn)證，對給藥后40min照光的情況，處理組延長1/3的治療時間，觀察表明：處理組療效好于常規(guī)治療時間的對照組，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與仿真結(jié)果相吻合。