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激光消融中肝组织碳化过程的建模与离体实验验证研究
一、作者与发表信息
本研究由Shiguang Zhang（上海大学智能能量肿瘤消融实验室）、Chunlei Li（中国科学院上海高等研究院）、Lin Cao（英国谢菲尔德大学）等多名学者合作完成，通讯作者为Zhiqin Qian（华东理工大学）和Bing Zhang（上海大学）。论文发表于期刊《Computer Methods and Programs in Biomedicine》2022年第217卷，题目为《Modeling and ex vivo experimental validation of liver tissue carbonization with laser ablation》。
二、学术背景
研究领域：本研究属于生物医学工程与肿瘤热消融技术交叉领域，聚焦激光消融（Laser Ablation, LA）过程中肝组织碳化（carbonization）的动力学建模与实验验证。
研究动机：激光消融通过光热效应破坏肿瘤组织，但高能量沉积会导致组织碳化（温度>200°C），碳化组织因光吸收率激增（较正常组织高10倍）可能限制能量扩散，影响消融范围。然而，现有模型多忽略碳化效应，导致预测偏差。本研究旨在填补这一空白。
科学目标：
1. 提出肝组织碳化发展的四阶段假说；
2. 开发动态热源模型（Dynamic Heat Source Model），结合光分布模型（Monte Carlo模拟）与生物热传递模型（Bioheat Transfer Model），预测碳化过程；
3. 通过离体猪肝实验验证模型准确性。
三、研究流程与方法
1. 碳化四阶段假说
基于“1 mfp’理论”（激光初始聚焦点距离光纤发射端约3.45 mm），提出碳化发展的四个阶段：
- S1阶段：1 mfp’区域组织快速碳化，碳化区沿光纤轴向（L2）和径向（D2）同步增长；
- S2阶段：碳化组织气化形成空腔，激光能量集中于光纤发射端附近，L2快速向光纤端延伸；
- S3阶段：激光光子到达气化区远端，L2反向增长；
- S4阶段：高温气体破裂空腔，烟雾导致光子散射（Tyndall效应），碳化区径向（D2）显著扩展。
2. 数学模型构建
- 光分布模型：采用Monte Carlo模拟（基于Matlab）计算激光功率密度（$\mu_a$、$\mu_s$、$g$等光学参数见表1）；
- 动态热源模型：根据四阶段假说调整热源位置与吸收系数（碳化区设为无限吸收）；
- 生物热传递模型：基于Pennes方程（COMSOL Multiphysics求解），考虑温度依赖的组织密度（$\rho$）、导热系数（$k$）、比热容（$c_p$）（公式10-13）。
3. 离体实验验证
- 样本处理：新鲜猪肝切割为4 cm³立方体（n≥3/组），浸泡于0.9% NaCl溶液；
- 激光参数：1064 nm裸光纤，功率3/5/7 W，持续5分钟；
- 监测指标：
- 温度：3个热电偶（间距2.5 mm）记录时空温度分布；
- 碳化与凝固区：切片测量黑色碳化区（>236°C）与白色凝固区（>50°C）尺寸。
4. 数据分析
- 碳化区面积（L2、D2）与温度曲线通过ANOVA比较模拟与实验数据（显著性p<0.05）。
四、主要结果
碳化四阶段验证：
- 5 W与7 W实验显示，L2在初始60秒快速增长，随后增速减缓（S1→S4）；D2在S2-S3阶段停滞，S4恢复增长（图4）。
- 实验数据与模型预测趋势一致（R²=0.9792，公式14）。
模型准确性：
- 温度：3个监测点模拟与实验温差%（图5g-i），仅5 W组50-225秒存在偏差（因组织收缩干扰热源传递）；
- 消融区尺寸：
- 碳化区：5 W时模拟63.53 mm² vs. 实验67.39 mm²；
- 凝固区：7 W时模拟251.79 mm² vs. 实验244.80 mm²。
碳化温度标定：红外测温确定肝组织碳化阈值为236±2.87°C（附录图7）。
五、结论与价值
- 科学意义：首次提出LA中碳化的四阶段动力学模型，揭示碳化区轴向与径向生长的差异化规律，为优化消融参数提供理论依据。
- 应用价值：模型可预测大肿瘤治疗中碳化对消融范围的影响，辅助临床制定能量投放策略。
- 局限性：未考虑血管灌注与活体组织力学变形，未来需结合灰度箱（Gray Box）方法校准参数。
六、研究亮点
- 创新模型：动态热源模型首次整合碳化四阶段与Monte Carlo光传输，突破传统静态热源局限。
- 实验设计：通过高时空分辨率温度监测（0.5 Hz）验证模型，数据可靠性高。
- 跨学科方法：结合生物热力学、光学仿真与离体实验，为多物理场建模提供范例。
七、其他价值
- 附录中碳化温度测定方法（236°C）可为后续研究提供参考；
- 提出的“有效碳化区”概念（合并碳化与气化区）简化了复杂相变建模。
（全文约2000字）