经颅光生物调节的光热双向耦合模型

背景：在经颅光生物调节（tPBM）中，精确的光场模拟对于实现准确的剂量递送至关重要。现有模拟忽略了由光子吸收诱导的组织加热，而这种加热会导致光场发生温度依赖性的改变，因此无法表征双向光热耦合效应。 目的：本文旨在建立一种动态光热耦合模型，严格量化组织加热与光传播之间的双向相互作用，并提高光学剂量预测的准确性。 模型：我们提出了一种光热双向耦合模型（PTM）。首先，采用 Pennes 生物传热方程（PBE）对由光子吸收诱导的热响应进行建模。其次，创新性地构建了一个实时温度依赖吸收系数模型（RAM）以量化热效应。第三，将 PBE 和 RAM 融合到光子扩散方程中，形成 PTM。最后，采用无条件稳定的 Crank–Nicolson 格式对该耦合框架进行时间求解。 模拟结果：与解析解（双层圆柱域）的基准对比表明，与未耦合基线模型相比，PTM 可将温度预测误差降低超过 2.35%。基于真实头部模型的模拟显示，与 PTM 相比，未耦合建模在仅 1 分钟内就会低估 150 J/m^3 的能量沉积，并高估 3 J/m^2 的光子注量，且这种差异会随着照射时间和功率的增加而进一步放大。此外，在等能量条件下，PTM 识别出脉冲波模式相较于连续波模式在穿透深度上具有 1.43 mm 的优势，这一关键发现得益于该耦合建模方法。 结论：PTM 提供了一个高保真模拟框架，可捕捉 tPBM 中动态的双向光热耦合过程，显式量化现有模型所忽略的热反馈效应，从而为更可靠的治疗优化和更安全的临床转化提供支持。

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背景：精确的光场模拟对于经颅光生物调节（tPBM）中的剂量精准递送至关重要。当前模拟忽略了光子吸收诱导的组织加热，而这种加热会导致光场发生温度依赖性的改变，因此未能考虑光-热双向耦合效应。

目的：持有人为作者/资助方，其已授予bioRxiv永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY-NC-ND 4.0国际许可协议 进行发布。

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发布于 2026年7月17日。

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📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.11.737905v1?rss=1

🏷️ 经颅光生物调节 光热耦合模型 生物传热方程 光传播模拟 剂量预测