光热调制技术在生物组织可逆与不可逆变化分离中的应用研究

为解决生物组织热疗过程中可逆与不可逆变化的精准区分难题，研究人员通过调制970 nm激光功率（20 W）结合β-色散区（10 kHz）电导纳测量，开发了一种基于Arrhenius模型的定量分析方法。利用光纤布拉格光栅（FBG）温度监测和电导纳振幅调制技术，首次实现了鸡肝样本中离子电导率（可逆）与细胞裂解/蛋白凝固（不可逆）的动态分离，测得临界温度Tcr=101±2°C和频率因子ln(A)=48.5±3.8 ln(s-1)。该研究为肿瘤热消融等精准医疗提供了关键参数标定方法。

　　

在肿瘤热消融、心律失常治疗等临床场景中，如何精确控制热疗剂量一直是困扰医生的核心难题。生物组织受热时同时发生两种变化：可逆的温度依赖性离子电导率变化，以及不可逆的细胞膜破裂、蛋白质变性。传统技术难以实时区分这两类过程，导致治疗时"盲区"频现——要么剂量不足引发肿瘤复发（肝肿瘤射频消融术后复发率高达47%），要么过度损伤周围健康组织。

中国科学院电子学研究所（IRE RAS）的研究团队在《Journal of Thermal Biology》发表创新成果，将调制光热技术与电生理监测相结合，犹如为热疗过程安装了"分子显微镜"。他们设计了一套精妙的实验系统：用20W的970nm激光周期性加热鸡肝样本，同时通过光纤布拉格光栅（FBG）记录温度振荡，并在β-色散敏感频段（10kHz）监测电导纳模量|Y|的变化。这种"热-电双模态"监测策略，使得可逆过程（与温度波形同步振荡）和不可逆过程（持续累积的基线漂移）首次被清晰分离。

关键技术包括：1）光学均匀加热系统消除热梯度误差；2）FBG温度传感（精度0.1°C）；3）电导纳振幅解调算法；4）基于Arrhenius方程的动力学建模。研究选用鸡肝为模型，因其与人类肝脏的相似性和肝癌的高发病率（全球年超百万例）。

主要发现

1. 温度调制响应：在加热阶段（20W）和冷却阶段（6W），电导纳的振荡幅度仅反映可逆变化，而基线偏移量对应不可逆损伤。如图3所示，当温度超过60°C时，基线漂移显著加速。

2. 临界参数标定：通过Arrhenius方程拟合得出：临界温度T_cr=101±2°C（对应细胞膜完全熔解），频率因子ln(A)=48.5±3.8 ln(s^-1)，活化能E_a=R·ln(A)·T_cr≈400 kJ/mol。这些参数比既往文献值更精确，因其消除了可逆效应的干扰。

3. 非线性修正：发现传统线性模型μ_L在高温区误差显著，而调制法无需预设温度依赖关系即可直接分离两类效应，这对复杂组织（如含水率变化的肿瘤）尤为重要。

这项研究的突破性在于将材料科学中的调制差示扫描量热法（MDSC）原理创新性地移植到生物热疗监测中。相比传统水浴加热法，光热调制不受样本厚度限制（可达10mm），且时间分辨率提升10倍以上。所获得的降解动力学参数，可直接输入射频消融模拟软件，使临床医生能更精准地预测治疗边界——例如在肝癌治疗中，既能确保彻底灭活101°C等温线内的肿瘤细胞，又能避免损伤关键的脉管结构。

未来，该技术框架可扩展至微波、超声等其他热疗模态的监测，并为"热疗-免疫"联合治疗提供量化工具。正如作者Oleg Ryabushkin在讨论部分强调的："这种物理方法与生物动力学的交叉融合，标志着我们开始从‘经验性热疗’迈向‘定量热外科’时代。"