光动力学疗法_PDT_中热疗辅助效果的探索

收稿日期: 2009�04�20 基金项目: 安徽省高等学校优秀青年人才基金资助项目( 2009SQRZ190)。 作者简介: 周 � 军( 1977- ) ,男,安徽六安人,皖西学院讲师,硕士。 第 27卷第 3期 2009 年 7 月 沈阳师范大学学报(自然科学版) Journal of S henyang Nor mal Univer sity ( Natural Science) Vol. 27 No. 3 Jul. 2009 文章编号: 1673- 5862( 2009) 03- 0313- 03 光动力学疗法( PDT)中热疗辅助效果的探索 周 � 军 (皖西学院 数理系, 安徽 六安 � 237012) 摘� � � 要: 光动力学疗法( PDT )是一种正在发展中的激光医学技术, 它在治疗人体的局部病 变,特别是肿瘤方面, 有着较为理想的效果。而在光动力治疗的同时,光纤头产生的热量又会对病 变组织形成热疗的效果。研究了光纤头放置的位置对热疗辅助效果的影响, 并给出了定量计算。 关 � 键 � 词: 光动力学疗法; 热疗; 有限元法 中图分类号: R 318. 51 � � � 文献标志码: A 0 � 引 � � 言 光动力学疗法( photodynamic therapy, PDT)是治疗人体局部病变特别是恶性肿瘤的一种新的激光 医学技术, 它利用光敏剂在人体内的选择聚集性特点, 当其在受到特定波长的光照射时,发生一系列光 化学反应从而杀伤肿瘤或其他病理组织, 达到治疗的目的。自 1978 年美国人 Dougherty 首次报道用 PDT 治疗皮肤和皮下恶性肿瘤以来,光动力学疗法已在恶性肿瘤的临床治疗上得到了广泛的应用并取 得了良好的效果[ 1�5]。 近年来,在肿瘤治疗中,光动力学疗法与高热疗法联合应用已被多数学者所接受。激光在产生光动 力效应的同时, 也可以在肿瘤体中产生热效应,造成肿瘤体内的温度升高。任何细胞都有一定的温度效 应,正常组织受热时,血管局部扩张,通过增大血液流动可将热量带走。而对于肿瘤,由于其内部血管较 少,受热时, 肿瘤内部热量不易散失, 利用此性质, 加热肿瘤及其周围正常组织, 达到一定温度(通常为 43~ 45 � )时可引起肿瘤细胞死亡,而正常组织不受影响,从而达到治疗的目的[ 6�9]。 1 � 肿瘤组织的传热模型 在研究激光热疗中所建立的生物传热模型只考虑生物组织系统在热作用情况下的热量传递规律, 而且,所采用的是生物组织内部有温度分布的分布参数模型。 在传热问题的研究中,首先必须准确描述的就是热源项和散热项。在生物组织中,热源主要由代谢 产热 Qm (局部代谢引起的化学能向热能的转变)及外热源 Q( r ) (如激光作用在组织中产生的热分布) 组成; 而散热项则应包括组织中的热传导和由血液灌注所引起的能量传递 Q b。Pennes1948 年第一次 把生物组织与一般工程的传热问题从根本上区别开来,得出微分形式的生物传热方程,从而为计算 生物组织的温度分布并进行更细致的奠定了基础[ 10]。方程的具体形式为: �c �T�t = � k �T + Q b + Qm + Q( r ) 式中, Q b= Wbc b( T a- T v ) ! W bcb( T a- T t ) , Wb 为体积血液灌注率( kg/ ( m3 s) ) ; �, c , k 分别是组织的 密度、比热及热导率; cb 为血液定压比热( J/ ( kg � ) ) ; a, v , t 分别为动脉、静脉和组织的温度下标,其 中 T a 常常被设定为体核温度( ! 37 � )。 在这里,将肿瘤实体简化为半径 1 cm 的各向同性的实心球体, 将光纤头看作是半径 0. 02 cm 的球 状发光体,分别对一个和多个光纤头照射的情形做了模拟计算。还对肿瘤实体做了椭球模型的延伸。 2 � 模拟结果及讨论 利用上述思想和模型,文中对组织中光纤头放置一定时,形成的温度分布利用有限元方法进行了数 值计算。生物组织的物性参数一般取其典型值: �= 1. 0 g / cm3, c= c b= 4. 2 J/ ( g � ) , T a= 37 � , k= 0. 5W/ ( m � ) ,肿瘤组织中的血液灌注率及代谢率分别为: Wb = 0. 002 g / ( mL s) , Qm = 42 000 W/ m3。 假定以上各参数在肿瘤组织整个热疗过程都保持恒定不变, 计算一个输出功率为 1 W 的激光头在肿瘤 组织中所造成的温度分布,结果如图 1~ 图 4所示。 图 1 � 一个光纤头形成的温度分布三维曲线 图 2 � 两个光纤头形成的温度分布三维曲线 图 3 � 四个光纤头形成的能量分布三维曲线 图 4 � 五个光纤头形成的能量分布三维曲线 图 1中所反映的是一个光纤头在球心位置形成的温度分布状况,虽然效果相对来说较好,但是仍然 有 3个不能忽视的缺点: 1) 在光纤头附近温度较高, 而在肿瘤边缘附近, 温度还没有达到热疗起效的最低数值; 2) 在整个肿瘤体中温度变化幅度太大,从而会造成肿瘤组织变性程度有较大差别; 3) 肿瘤组织中形成高温的范围相对太少。 为了改善以上的不足之处,将肿瘤组织中相对于球心分别对称放置 2个、3个和 4个相同球状光纤 头进行照射。其中, 2个和 4个的情况中,每个光纤头离球心的距离均为 0. 4 cm, 5个光纤头的情形则 是在 4个的基础之上在球心处再加放 1个光纤头,分别计算其温度的分布,如图 2~ 图 4所示。 图 2所示的图形中, 依然没能改变高温过于集中的缺点,而且,并不能提高远球面附近的温度值,所 以 2个光纤头照射时的效果也不太理想。图 3所示的图形中,整个肿瘤组织中的高温范围有所增加,内 部温度变化也稍显平缓, 总体效果要明显好于图 2的情形。但是仍然存在一个缺点:球心至光纤头之间 温度下降过于迅速, 温差相对较大。而图 4中很明显能反映出来:在球心处再增加一个光纤头后,其结 果能很好地弥补这一不足,并且在很大范围内形成了高温环境, 可以大大提高辅助热疗的效果。 3 � 总 � � 结 在光动力治疗肿瘤的过程中可以通过适当增加光纤数目的方法来增加热疗疗效,同时要注意的是, 光纤头放置的位置不宜太靠近肿瘤边缘,以免在边缘附近产生较高温度,造成正常组织的不可逆损伤。 314 沈阳师范大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � � � � 第 27卷 参考文献: [ 1 ] GOSSNER L. Photodynamic ther apy o f early epithelial car cinomas and sever squamous epithelial dysplasias of the esophagus wit h 5�am inolevulinic acid[ J] . Z�Gastro enter ol, 1998, 6( 1) : 19�26. [ 2 ] 罗 � 乐,邹 � 俊, 邓善熙,等. 光动力学疗法[ J] . 合肥工业大学学报:自然科学版, 2005, 28( 8) : 952�954. [ 3 ] HAMPTON J A , SELAMAN S H. Mechanisms of cell killing in photodynamic t herapy using a novel in vivo drug/ in v ivo light culture system[ J] . Photochem Photobiol, 1992, 56( 2) : 235�243. [ 4 ] PATT SON M S. Experimental tests of the feasibility of sing le oxygen luminescence monitor ing in vivo dur ing photodynamic therapy [ J] . Photochem B, 1990, 5( 1) : 69�84. [ 5 ] BONNETT A , ZERBE O, SCHMID H, et, al. Degradation mechanism and stabilit y of 5�am inolevulinic acid[ J] . J Pharm Sci, 2000, 89( 10) : 1335�1341. [ 6 ] 商立军,李予蓉, 翟雪焕,等. 肿瘤热疗法的数学模型基础[ J] . 第四军医大学学报, 2003, 24( 5) : 463�464. [ 7 ] HOOPER C Y, GUYMER R H. New t reatments in age�related macular degeneration [ J ] . Clin Experiment Ophthalmol, 2003, 31( 5) : 376�391. [ 8 ] STUR M. T he potential and the limits of photodynamic therapy�a rev iew[ J] . Klin Monatsbl Augenheilkd, 2003, 220 ( 10) : 654�668. [ 9 ] 丁耀光. 荧光探针在生物大分子中的应用[ J] . 沈阳师范大学学报: 自然科学版, 2008, 26( 4) : 480�483. [ 10] 张 � 燕,乐 � 恺, 张欣欣. 基于模拟血管树以及改进 Pennes 方程的生物传热模型[ J] . 热科学与技术, 2006, 5( 4) : 306. Exploration on Effects of Heat Treatment in Photodynamic Therapy ZHOU Jun ( Department of Mathemat ics and Physics, West Anhui U niversity, Luan 237012, Ch ina) Abstract: The photodynamic therapy ( PDT ) is a kind of developing laser medical technology , and there are comparatively ideal results in treating some pathological change of the human body, especially in treating t he tumour . At the same time, t he heat made by light fibre will have a effect of heat treatment to pathological tissue. The paper has studied the infection of t emperatur e distribution made by the place and amount of light fibr e and has done the relevant quant itat ive calculat ion to sphaeroid tumor or ganization. Key words: photodynamic therapy; heat treatment; finite element method 315第 3 期 � � � � � � � � � � � 周 � 军: 光动力学疗法 ( PDT ) 中热疗辅助效果的探索