用于胆管肿瘤腔内光动力治疗的均匀光传输光纤球囊导管

《Photodiagnosis and Photodynamic Therapy》：A Fiber Balloon Catheter for Uniform Light Delivery in Intraductal Photodynamic Therapy of Bile Duct Tumors

　　

摘要 背景：腔内光动力治疗（Intraductal Photodynamic Therapy, PDT）是治疗胆管肿瘤的一种前景广阔的微创手段，但其临床疗效受限于腔内光分布不均及血液与胆汁引起的光剂量衰减。 目的：开发一种适用于胆管肿瘤腔内PDT的光传输装置，并优化光照策略。 方法：研究人员采用COMSOL Multiphysics 5.6进行光线追踪仿真分析功率密度分布，并利用积分球功率计量化血液与胆汁对激光的衰减效应。构建光纤球囊导管，并在两只猪模型中验证其性能——术前48小时静脉注射血卟啉衍生物（HpD, 2 mg/kg），在胆道造影引导下经肠切开术置入装置，以100 mW/cm2功率密度照射1200秒，术后3天进行组织病理学评估。 结果：血液与胆汁分别导致32.5%至45.8%的激光功率衰减；在直径1 cm的胆管中，偏心放置光纤会造成管壁功率密度差异达2至3倍。球囊导管可稳定保持光纤居中，排出腔内液体，且未引发不良事件。术后3天组织学显示胆管上皮呈环形均匀坏死。 结论：圆柱形光纤球囊导管安全可行，可有效改善胆管肿瘤腔内PDT的光照均匀性。

论文解读

本研究由西安交通大学第一附属医院精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心团队完成，发表于《Photodiagnosis and Photodynamic Therapy》。胆管癌（Cholangiocarcinoma, CCA）尤其是不可切除的肝外胆管癌（extrahepatic cholangiocarcinoma, eCCA）预后较差，腔内PDT作为局部治疗手段，能够延长患者生存期、降低胆红素水平并改善生活质量。然而，PDT成功的关键在于目标组织获得均匀且充分的光剂量。当前临床使用的圆柱形光纤常因无法稳定居中而导致光照不均，同时血液与胆汁会显著衰减激光能量，影响疗效并增加并发症风险。为此，研究人员设计并验证了新型光纤球囊导管，以解决传统治疗中的技术难题。

关键技术方法包括：1）基于COMSOL Multiphysics 5.6的光线追踪仿真，模拟光纤在不同径向位置时的功率密度分布；2）利用积分球功率计测量血液与胆汁对630 nm激光的衰减效应，样本来源于患者临床废弃标本；3）构建ERCP兼容的光纤球囊导管原型，并在正常猪胆管模型中进行体内验证，结合术前HpD给药与术中胆道造影定位。

研究结果如下：

3.1 不同位置的圆柱形光纤表面功率密度分布特征

仿真结果显示，当光纤偏离中心4 mm时，近壁处功率密度可达155 mW/cm²，远壁处仅约70 mW/cm²，差异达2倍；若光纤偏转15°，两端差异可达3倍。唯有光纤位于管腔中心时，功率密度稳定在约100 mW/cm²，实现均匀照射。

3.2 输液管模型中血液与胆汁对激光功率的衰减

实验测得血液平均衰减32.5%，胆汁平均衰减42.9%；血液为主的混合液（2:1）衰减45.8%，胆汁为主的混合液（1:2）衰减44.8%，均显著高于对照组（P<0.05）。

3.3 光纤球囊导管适配性与性能评估

该导管由透明硅胶球囊、鞘体、光纤入口及充气端口组成。光纤插入阻力低，球囊辅助配置下的功率衰减仅15%–20%，可通过调整设置功率补偿。球囊直径与压力可控，确保目标区域充分暴露。

3.4 光纤球囊导管的体内实验验证

无球囊的光纤易贴壁并造成不规则照射；球囊辅助时光纤居中且球囊扩张胆管，排出血液与胆汁，实现均匀照射。术后3天H&E染色显示，无球囊组损伤不均，近光纤侧严重坏死，远侧较轻；球囊组则呈环形均匀上皮坏死，管壁结构规则。

讨论部分指出，光纤居中是实现均匀光剂量的核心，球囊不仅稳定光纤位置，还能轻微扩张狭窄胆管，减少血液与胆汁遮挡，但需避免过度压力以免压迫血管影响氧供。研究同时提出未来可优化球囊材料与光学涂层，以适应非规则胆管形态。局限性包括：球囊材料适应性不足、沿胆管长度直径变化仍需参数优化、仅在正常猪胆管验证，需在胆管癌动物模型中进一步测试。

结论：本研究通过仿真与实验证明，光纤球囊导管可在胆管内稳定居中光纤，排出腔内液体，减少激光衰减，实现均匀照射，有望提高腔内PDT的治疗精度与安全性，推动临床转化应用。