经颅光生物调节剂量学的多因素定量框架：蒙特卡洛模拟与离体体模实验的联合验证

《Scientific Reports》：Micro-CT-informed Monte Carlo and experimental dosimetry of transcranial photobiomodulation devices

　　

摘要

经颅光生物调节（tPBM）正在作为调节神经代谢、神经血管信号、炎症和网络活动的无创策略被研究；然而，该领域仍缺乏将设备标称参数与颅内实际投递剂量联系起来的定量框架。在此，我们将基于微CT信息的蒙特卡洛光传输模拟与离体体模测量相结合，以确定波长、颅骨解剖结构、脑脊液（CSF）厚度、商业设备设计、投送路径和热行为如何主导 tPBM 剂量学。两个人颅骨模型被嵌入包含四层结构（头皮-颅骨-板障孔隙血液-CSF）的模型中，使用 LED 状光源几何结构在 610 至 1267 nm 范围内的 23 个波长下进行模拟。实验基准使用猪皮-人颅骨-人工 CSF 明胶体模，通过光谱辐射计对三款商业头盔设备进行区域测量，并辅以经鼻式 810 nm 辐照度映射、脑-明胶透射测量和红外热成像。蒙特卡洛结果表明，透射光子权重对颅骨厚度、CSF 深度和板障微观结构高度敏感，在受控源-探测器条件下通常有利于 1064–1070 nm 范围，而 1267 nm 因长波长吸收增加而降低。相比之下，商业设备体模测量显示，阵列后投递输出不由波长单独决定：810 nm 头盔产生的区域分辨透射率显著高于两款长波长设备，而配对的 810 与 1070 nm 比较显示 810 nm 具有更高的瞬时阵列后辐照度/透射率，但考虑 1070 nm 更长的曝光时间后，探测器平面累积剂量相当。经鼻映射证明了路径依赖的辐照度重新分布，热测量揭示了设备自身加热的显著差异，尽管皮肤表面温度变化温和。这些发现表明，有意义的 tPBM 评估需要将波长、解剖结构、光源几何、辐照度、曝光时间、透射率、累积剂量和热响应作为独立但相互依赖的参数进行报告。