血管瘤激光治疗中组织结构无损探测技术及在线监测与反馈方法研究

Pulsed dye laser in visible band are now used in clinic to treatment of skin vascular malformation. However, It has been proposed that the main reason for inadequate clinical results is that the laser parameters used are not optimized for each individual patient, due to the difficulties in detection the skin structure non-invasively. In the proposed research, the reflectance spectrum will be measured on the skin surface by the reflectance spectrophotometry. The inverse Monte Carlo method would be developed to estimate the structural tissue parameters and obtain the realistic tissue skin model based on the reflectance spectroscopy data. Based on the previous developed two-temperature model, the thermal process during laser treatment of skin vascular malformation will be quantified in the realistic tissue skin model. At the same time, on-line monitoring and feedback technique will be developed to further optimize the clinic treatment parameters based on the skin surface reflectance spectrum measurement. Laser skin surgery processes are results of propagation and absorption of laser irradiance. The research on the this process will extend the application field of heat and mass transfer discipline and has important theoretical significance and academic value. Establishing an intelligent scientific medical system for individual laser skin surgery will provide a reliable theoretical basis and practical guidance for clinician and has practical importance to improve the clinic effect.

可见光脉冲染料激光临床上可用于治疗皮肤血管瘤。然而由于难以无损检测病变皮肤的真实组织结构而无法开展并实现针对不同患者的个性化治疗，致使治疗效率低下。申请人将利用光谱仪耦合反射光纤搭建皮肤组织反射光谱测量实验台，开发生物组织辐射传播蒙特卡洛反方法，依据反射光谱分布实验数据及相关反方法获取接近血管瘤患者真实皮肤结构的皮肤模型。基于已有的两温度模型，在接近真实结构的血管瘤皮肤模型内计算血管瘤激光治疗热过程。同时，探索基于表面反射光谱信号处理的临床治疗在线无创监测及反馈技术，实时优化血管瘤激光治疗参数。激光皮肤手术是辐射能在生物组织内吸收与传输的结果，对此开展研究有助于拓宽传热传质学科应用领域，具有重要的理论意义和学术价值。针对个体激光皮肤手术建立智能化科学医疗系统，为临床医学应用提供可靠的理论基础及实用化技术指导，对于提高手术疗效具有重要临床实际意义。

本项目以血管性皮肤病激光手术为对象，针对目前临床治疗缺乏在线监测及反馈技术手段致使临床治愈率低下的问题，1）开展了生物组织内光传播问题研究。针对结构化以及非结构化网格蒙特卡洛方法计算生物组织曲面光传播误差进行了分析，总结了两种方法针对不同情况具体的使用建议；开发了生物组织光传播蒙特卡洛反方法，可推算血管性皮肤病变组织内的血液体积百分比。并制作了皮肤仿体验证了反方法的正确性。2）完善了血管瘤激光手术热过程光热模型。从通用的多孔介质非平衡传热模型出发，探讨了不同导热系数比及不同孔隙率下，弥散项取值对于生物组织多孔介质内的温度分布的影响。推导出了适用于激光皮肤手术的非平衡两温度生物传热模型。对两温度模型中的无量纲界面传热系数发展了通用表达式，并将其扩展至任意血管截面形状以及任意波长照射情况。利用两温度生物传热模型优化了不同黑色素分布下血管瘤激光治疗脉冲宽度的选取。探索了多脉冲及多波长治疗新技术：发现采用多脉冲激光治疗血管瘤的过程中，血栓形成是病变血管收缩、消失以至于坏死的必要条件，揭示了多脉冲激光可以在较低入射能量下实现血管热损伤的根本原因。提出了使用585/595nm脉冲染料激光与1064nm激光联合组成双波长治疗系统的思路。3）搭建了鼠脊皮肤表面反射光谱测量实验台，明确了激光治疗过程中皮下血管损伤状态与表面反射光谱信号间的对应关系，发展了血管瘤激光治疗的实时在线监控技术和临床疗效评价方法。对西安交通大学第二附属医院皮肤科133位血管瘤患者长脉宽和短脉宽激光疗效进行了客观对比，为临床脉冲宽度的选取提供了参考。项目发表SCI 国际期刊论文2 篇，中文核心期刊论文1 篇，参加国际会议2次，国内会议4次，授权发明专利1 项。项目实施对推动多相流热物理与激光皮肤医学互相融合形成新的交叉学科方向并开展理论创新，实现血管性皮肤病的个性化、智能化精准化医疗具有重要的科学意义和社会经济价值。