三维耦合计算框架评估多波长光生物调节对分层软组织光传输、热效应与ATP相关响应的协同作用

《Scientific Reports》：A multiphysics computational framework for evaluating ATP response and thermal loading during skeletal muscle photobiomodulation

　　光生物调节的效果取决于光传递、组织加热和细胞能量相关活动如何协同变化。本研究开发了一个三维计算框架，将光传输、热传递和与三磷酸腺苷（ATP）相关活性的现象学模型相结合，应用于分层的皮肤、脂肪和骨骼肌肉。该模型对比了810 nm、850 nm和900 nm三个波长的效果，并评估了光学功率、光束半径以及180秒暴露时间的影响。在相同的光学条件下，900 nm在肌肉中产生的平均和最大光强度最高，而850 nm产生中等响应，并被选为代表波长用于耦合分析。增大光束半径可显著降低组织表面附近的局部光浓度，而对肌肉内部平均光强度的影响很小。在850 nm、高斯1/e2光束半径w=4 mm的条件下，模型预测的肌肉平均ATP相关响应在低功率时随功率增加而上升，在0.50至0.75 W之间达到约14.73%的近平稳峰值，随后逐渐下降至2.50 W时的约12.29%。相比之下，组织最大温度和累积热暴露随光学功率的增大而持续增加：在0.75 W时，最大温度为38.584 °C，而在2.50 W时则升至45.857 °C。局部敏感性分析进一步表明，模型响应的峰值大小和位置取决于所选的抑制阈值。结果表明，更强的光传递并不一定带来更大的细胞能量响应，反而可能增加热负荷。该框架支持对耦合的光学、热学和生物学趋势进行比较，但其预测仍取决于所选的组织特性、几何结构和现象学参数。在得出定量的生理学或临床结论之前，仍需实验测量和更高保真度的光传输模型。