血管靶向光动力的三维数字调控技术研究

Port-wine stain is a common congenital vascular malformation which occurs in 0.3-0.5% of newborns, and usually cause considerable social psychological burden to the affected patients. Vascular targeting photodynamic therapy (V-PDT) is a promising option for management of port-wine stain. However, the precision control and optimization of V-PDT remains a technical problem. Based on our previous work, we aimed to (1) develop a three dimensional digital dynamic feedback control technology set, this technology set will be based on fine structure assessment of port-wine stain lesions and fine feedback control of light intensity; (2) study the multiple factors affecting the effect of V-PDT, and solve the problem of dynamic control of the light source in real clinical situation; (3) conduct animal model and clinical studies to establish the parameter-effect model of V-PDT. Thus we could achieve a precision control and optimization strategy for V-PDT. The three dimensional digital feedback control V-PDT would be a set of denovo methods for delivering V-PDT therapy, would pave the way for the automatic precision treatment for port-wine stain, and might lead to a new generation of treatment for vascular diseases.

鲜红斑痣是一种常见的先天性真皮内血管畸形，新生儿发病率约为0.3-0.5%，往往给患者造成极大的社会心理负担。血管靶向光动力疗法（V-PDT）是一种十分有前景的鲜红斑痣治疗手段，但V-PDT的精准控制及优化是该技术应用发展的重要科技难题。为解决此难题，本课题组已对立体视觉标定、超像素聚类精细化分割及三维点云配准等系列技术进行研发。本研究拟在此工作基础上，从鲜红斑痣精细化评级、精准反馈光剂量控制及位移反馈配准技术着手，建立三维数字动态反馈光动力技术集；探讨V-PDT技术多因素相互作用原理，解决临床应用中光剂量精准动态控制问题；通过模型动物实验及临床实验进行多途径反馈分析建模，为V-PDT提供新的精准控制及优化方案。本课题的实施成果可能为彻底改变现有V-PDT的治疗操作方式，实现自动化精准治疗奠定基础，可望为鲜红斑痣等血管性疾病的光动力治疗提供新一代标准化、个性化、高效安全的治疗技术方案。

项目背景：血管靶向光动力疗法（V-PDT）是一种十分有前景的鲜红斑痣治疗手段，但V-PDT的精准控制及优化是该技术应用发展的重要科技难题。.研究内容：课题组对鲜红斑痣皮损进行三维扫描及重建，对病变区域进行图像聚类分割细化分级，同时建立鲜红斑痣严重程度的临床评价指数，从而完善鲜红斑痣临床治疗时皮损的精细评估方法；此外，课题组利用Nguyen血管分割等算法，对动物模型中的微血管进行三维数字分析，获取评测参数；并通过光动力治疗模型仿真、鲜红斑痣皮损三维成像等手段，进一步获得鲜红斑痣病变部位的详细参数；最后，课题组在分析皮损表面三维辐照度基础上，建立动物评价用血管光动力治疗系统、光动力手术导航系统，探索V-PDT治疗时调节光照分布、光照强度及调制方式的可行性。.重要结果：1. 课题组完成了典型鲜红斑痣患者的扫描数据，可实现对鲜红斑痣治疗前后病灶变化情况进行跟踪记录；课题组采用CIE-L*a*b*、值a*、红斑指数（EI）、双向感知色差显著性算法（TPCS），对鲜红斑痣图像进行聚类分割分析，证实了相关算法的准确性和灵敏性；课题组建立的鲜红斑痣严重度评价指数（FSASI），在评价者内部和评价者之间均表现出良好的可靠性，与医师整体评分（PGA）、传统分类数据、EI和受累皮肤面积比相比均显示出准确性。2.课题组在小鼠皮窗动物模型中验证了微血管管径变化估算算法的有效性，提取到精准的管径数据；在鲜红斑痣光动力治疗模型仿真中，证实低流速、小直径的血管氧平均浓度，单线态氧生成量和光敏剂消耗量更低，此外，选择三角交流调制光在确保单线态氧产量的同时，可避免皮肤温度持续过热的手术风险；课题组所开发的三维成像技术，可以实现鲜红斑痣病变的精细化三维评估，获取更精准的面积、颜色等信息；3.在光动力治疗三维辐照度分析中，证实在鲜红斑痣病变部位，辐照度存在较高的变异系数，而课题组所设计的血管光动力治疗系统可初步满足小鼠皮窗血管模型V-PDT治疗时对光照分布、光照强度及调制方式的调节需求，临床用光动力手术导航系统也处于研发之中。.科学意义：课题实施成果有望改变现有V-PDT的治疗操作方式，为实现自动化精准治疗奠定良好基础，未来可望为鲜红斑痣等血管性疾病的光动力治疗提供新一代标准化、个性化、高效安全的治疗技术方案。