膝骨關(guān)節(jié)炎已成為60歲以上人群常見的疾病之一。它是一種痛苦且致殘的疾病，影響著數(shù)百萬患者。作為常見的非藥物治療方法，體育活動在膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病發(fā)展和進展的調(diào)節(jié)中起著重要作用。遵守推薦的體育活動指南不會對膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展產(chǎn)生負面影響。然而，膝骨關(guān)節(jié)炎患者進行劇烈的負重活動會產(chǎn)生強烈的負面影響，尤其是肥胖患者。因此需要更多的手段來幫助膝骨關(guān)節(jié)炎的治療。其中光生物調(diào)節(jié)療法作為膝骨關(guān)節(jié)炎的另一種非藥物治療選擇，已顯示出相當(dāng)?shù)挠行?，并且更容易被患者接受。但目前大多?shù)光療設(shè)備忽略了到達目標(biāo)組織的光劑量分析，嚴(yán)重影響了光生物調(diào)節(jié)的治療效果。膝骨關(guān)節(jié)炎光治療的劑量學(xué)分析以及建立用于控制和調(diào)節(jié)膝骨關(guān)節(jié)炎光治療劑量的系統(tǒng)具有重要意義。
圖1.膝關(guān)節(jié)的MRI圖像及光學(xué)模型示意圖。
近日，中科院蘇州醫(yī)工所熊大曦團隊基于膝關(guān)節(jié)MRI數(shù)據(jù)建立膝關(guān)節(jié)光學(xué)模型，如圖1所示。將患者的MRI數(shù)據(jù)體素化后，根據(jù)光學(xué)特性的差異進行分類并賦值。接著使用數(shù)值分析手段求解光在組織中的傳輸。文章基于皮膚光學(xué)參數(shù)，制作多層皮膚仿體，分別表征皮膚中的表皮層、上層真皮層、深層真皮層，通過調(diào)節(jié)吸收劑(India Ink, 豬全血)與散射劑(Intralipid)濃度來模擬不同膚色的患者皮膚狀況，如圖2所示。通過對比分析入射光在光學(xué)模型及仿體中的透過率相關(guān)性，驗證了文中建立的光學(xué)模型可靠性。
圖2.(a)-(c)三層皮膚仿體圖;(d)將三層置于特制的夾具中;(e)仿體側(cè)面示意圖。
此外為了減少患者膝關(guān)節(jié)膚色差異引入的誤差，對不同的患者，需要對膝關(guān)節(jié)模型中皮膚的光學(xué)性質(zhì)進行了微調(diào)。如圖3所示，通過膝關(guān)節(jié)修正實驗對光學(xué)模型中的光學(xué)特性參數(shù)進行多次優(yōu)化調(diào)整，使得光學(xué)模型的結(jié)果更貼近患者真實治療情況。
圖3.膝關(guān)節(jié)模型光學(xué)參數(shù)修正實驗示意圖。(a)-(c)是實驗中對Source1、2位置入射的光在髕骨處的透過率檢測示意圖,(d)是模型中在相同位置進行透過率采集的示意圖。
文章選取膝關(guān)節(jié)上不同特征點作為LED光束治療區(qū)域，研究光源照射位置對于關(guān)節(jié)腔內(nèi)靶點組織光劑量吸收的影響。研究表明，在膝骨關(guān)節(jié)炎深層治療時，較佳的照射位置是在髕骨兩側(cè)，那里有較大的光劑量吸收，且光源的較佳高度應(yīng)位于與膝關(guān)節(jié)空間平行的中高度位置。
本文提出的基于膝關(guān)節(jié)光學(xué)模型的膝骨關(guān)節(jié)炎光治療劑量研究方法，能夠?qū)崿F(xiàn)皮下的光劑量分布研究，并通過仿體及修正實驗進一步提高模型可靠性。基于文章分析得到的結(jié)論，能對現(xiàn)有的一些膝關(guān)節(jié)光治療產(chǎn)品提出指導(dǎo)意見。此外文章提出的方法解決了膝關(guān)節(jié)部位光劑量測量的問題，對未來其他部位的光治療劑量分析提供了重要參考。
相關(guān)方法已申請發(fā)明專利，研究成果以“Photobiomodulation for Knee Osteoarthritis: A Model-based Dosimetry Study”為題發(fā)表于Biomedical Optics Express（IF：3.562）
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