计算方法在医学中的应用，特别是在实践医学中的应用，并未得到广泛推行。这主要是由于难以对特定医疗流程及其对人体组织的影响进行建模，以及相关治疗方法的保守性。然而，与使用放射学和激光辐照均相关的新型肿瘤疾病治疗方法，最近正在迅速出现。
本文涉及一种治疗脉络膜（为人眼视网膜提供血液的循环系统）肿瘤的疗法。视网膜或脉络膜内可能出现肿瘤。对于此类肿瘤，目前主要有三种器官保留治疗方法：近距离放射治疗、激光热疗和立体定向放射外科（伽玛刀）。
近距离放射疗法使用一种包含有放射性元素 Ru106 和 Rh106 的特制施源器，将其放置在人眼内侧的巩膜上。放射性辐射会破坏肿瘤细胞。为了破坏肿瘤，必须让肿瘤组织接受必要剂量的辐射。该方法可以治疗厚度达 7 mm 的肿瘤。
激光热疗涉及用连续工作的激光束加热肿瘤组织。激光束穿过眼部的所有结构，经瞳孔照射到视网膜下方的肿瘤。为确保眼部结构吸收的光束量最小，使用波长为 810nm 的单色激光器。这种辐射的特征是眼部透明结构对其的吸收相对较弱（小于 5% [1]），使得激光束可以直接作用于肿瘤。肿瘤被加热至约 45°C 或更高的温度，从而导致肿瘤组织坏死。该方法可以治疗厚度达3 mm 的肿瘤。
立体定向放射外科方法使用集中伽马射线源，将其局部作用于肿瘤以破坏肿瘤组织。
本文的主要目标是运用 Simcenter FLOEFD. 对脉络膜肿瘤的经瞳孔激光热疗方法进行数值仿真。
激光热疗法的治疗原理是通过高温抑制肿瘤细胞的生长并将其破坏。为了避免蛋白质结构凝结和遭到破坏，必须严格限定激光辐射的功率水平，使其不会导致眼部内部结构灼伤。目前，选择该功率的参考点是当激光辐射作用于肿瘤一分钟时，肿瘤表面颜色发生临床可见的变化（白化）。这种作用力被认为是更佳的。遗憾的是，目前尚无法测量肿瘤的温度和周围组织的温度，因此，数值仿真是可选方法之一，通过它不仅能估算这些温度水平，还能估算邻近眼部结构（如视网膜、视神经、脉络膜等）的温度。
图1
激光热疗的数值仿真是在一个包含主要部位的简化眼模型（图 1）上进行的。计算模型包含眼部的所有基本几何特征。它包括一个以巩膜为界限的眼球 (1)、角膜 (2)、眼内液 (3)、晶状体 (4)、玻璃体 (5)、肿瘤 (6)、视网膜 (7)、脉络膜 (8)、视神经 (9) 和眼球周围的部分头部组织 (10)。为了模拟医疗程序，额外使用一个辅助透镜 (11) 以进行治疗，并且在模型中包括一个激光辐射源 (12)。
在数值仿真中，激光辐射源有一个固定直径的平行辐射束。辅助透镜用于减少光束在角膜上的折射。
计算中使用的一些眼部结构的物理特性来自文献数据 [3]、[4]，有些是通过类比得出的。假设位于脉络膜肿瘤之前的射线路径上的眼部结构对 810nm 波长的辐射吸收系数为 α= 0.002 1/mm
（水对 810nm 波长的吸收系数），即这些结构实际上透明。
参考文献 [5] 给出了治疗脉络膜黑色素瘤患者所获得的温度测量数据。温度测量是在用近距离放射治疗和激光热疗法共同治疗肿瘤时进行的。此外，在安装眼用板 24 小时后进行激光热疗（图 1）。将铜-康铜热电偶（图 1）放在 1mm 厚的绝缘基底（图 1）上。将带热电偶的基底放置在眼用板和巩膜之间。测试热电偶信号如图 2 所示。激光热疗按照以下步骤进行：首先照射肿瘤周围（前三个温度峰值），然后照射其中心部分（最后一个温度峰值）。肿瘤的厚度为 2.6mm。
图2
医疗实践经验表明，当联合使用近距离放射治疗和激光热疗时，所需的激光辐射功率应降低。显然，这种相互影响与近距离放射治疗破坏肿瘤的细胞结构，导致肿瘤对激光辐射的吸收增加有关。由于温度测量是在近距离放射治疗和激光热疗联合治疗的情况下进行的，为了模拟这种联合效应，肿瘤的激光吸收系数取 0.5 1/mm。我们仅对与激光照射肿瘤中心部分相关的最后一种方案进行了仿真，并与温度测量数据进行了比较。在计算中，激光束的直径等于 2mm，辐射功率为 200mW。
为了预热眼部和肿瘤的各部位，仿真分两个阶段进行，原因是治疗期间的照射对肿瘤的外围部位有影响。首先，从 38.5°C 的温度开始，激光束照射肿瘤的中心部分 60 秒，然后停止激光操作，直至温度降到 39.5°C。这样就实现了最后一次照射之前对激光辐射预热的效果的建模。随后启动激光热疗的最后阶段：最后一个周期持续 60 秒，然后关闭激光器并计算眼部结构的散热。采用 Simcenter FLOEFD 仿真的两阶段激光热疗效果如图 3 所示。
计算结果与热电偶测量的比较如图 4 所示。可以看到测量结果和计算结果之间有很好的相关性。
图4
在第二个加热周期结束时，温度达到更大值。视网膜表面上的温度分布（在激光热疗法中进行了可视化）如图 5 所示，沿激光束轴的温度分布如图 6 所示。
图5
图6
从计算结果可以看出，更大温度 (~60°C) 位于肿瘤内部距离肿瘤边缘约 0.7mm 处。在这之后，温度开始下降，在脉络膜区域达到约 52°C 的值。肿瘤上部的热量流出与其因热传导和逆辐射而扩散到视网膜和玻璃体中有关。在视网膜下的肿瘤表面，温度达到约 55°C，在视网膜上下降至约 53°C。应该注意的是，在肿瘤的后半部分，温度下降率为 4.5-5 度/毫米，这接近 [2] 的估算值（约 5 度/毫米）。
当肿瘤位于视神经盘附近时，激光热辐照可能导致神经组织过热和被破坏，从而造成视力部分或完全丧失。
为了研究激光热疗期间视神经盘附近的温度分布，对模型进行了略微修改。眼用板和带热电偶的基底被去除。激光束的轴被移动，使得从光束轴到肿瘤边缘的距离约为 2mm。同时，肿瘤与视神经盘之间的最小距离约为 1.86mm。
该模型如图 7 和图 8 所示。在计算中，激光束的直径等于 2mm，辐射功率为 200mW。激光照射时间为 60 秒。
图7
图8
视网膜外表面上的温度分布如图 9 所示。由于眼部各部位的折射率不同，而且光线并不通过眼部的光学系统的轴线，因此光线从预测方向略微偏移（约 0.7mm）到靠近视神经盘的位置。由于肿瘤表面凸起，所以照射点呈椭圆形。
图9
图 10 所示。照射结束时，肿瘤内的最高温度达到约 56.2°C。
图10
视神经外表面上的温度分布如图 11 所示。可以看到，不仅视神经盘上，视神经体上也达到了约 40.3°C 的最高温度。出现这种分布的原因是巩膜区域中视神经的尺寸增大，并且热量达到视神经的眼内部分，沿着巩膜扩散。
图11
激光热疗期间视神经上达到的最高温度如图 12 所示。视神经盘上的温度略低。应当注意，当视神经盘与照射点中心之间的最小距离约为 3mm 时，视神经盘的温度达到并非临界值的 39.5°C。
图12
从肿瘤到视神经盘的距离减小到 0.54mm，用直径为 2mm、功率为 200mW 的激光束照射肿瘤，视神经上的最高温度约为 42.6°C，接近神经组织的临界温度。在这种情况下，肿瘤内部的最高温度约为 53.7°C。计算表明，为了降低视神经盘上的温度，在光束直径相同的情况下，必须将激光辐射功率降低约 25%，或者在功率降幅相同的情况下，将光束直径减小到 1mm。对于第一种情况，肿瘤内的最高温度降低至约 50°C（激光束的热效应降低），视神经盘的最高温度接近并非临界值的 41.2°C。对于第二种情况，视神经盘的最高温度接近 41.2°C，肿瘤的最高温度约为 57°C，增加了对肿瘤的热效应。治疗视神经盘附近肿瘤的医学实践经验证实了这种照射的性质。
图13
脉络膜肿瘤分为恶性（黑色素瘤）和良性（血管瘤）。它们之间的主要区别在于结构，黑色素瘤具有细胞结构，血管瘤则有血管结构（血流量增加的纠缠血管）。对此类肿瘤进行激光热疗的治疗经验表明，与黑色素瘤相比，血管瘤需要将激光辐射功率增加约 60%。我们尝试用数值仿真重现这种效应。应该注意的是，血管传热不仅是由于导热性，还由于血液流动。因此，血管瘤的有效导热率应高于黑色素瘤的导热率。考虑到在激光治疗期间，激光外科医生观察视网膜对激光热作用的反应以及相同的颜色变化对应于视网膜内部大致相同的温度水平，我们在确定辐射功率和血管瘤的导热系数时确保在激光照射黑色素瘤和血管瘤期间，视网膜中的温度分布大致相同。确定这些值的计算表明，当照射血管瘤时，辐射功率应增加至约 330mW，肿瘤的导热系数应约为 2W/(m * K)，即与黑色素瘤相比，血管瘤的辐射功率增加约 65%，有效导热系数提高大约 4 倍。用 200mW 功率的激光束照射黑色素瘤（红色曲线）并用 330mW 功率的激光束照射血管瘤（黑色曲线）时，沿肿瘤轴的温度分布如图 13 所示。由于血管瘤的高导热性，其升温水平较低
（其内部达到的最高温度约为 51°C，而黑色素瘤约为 54.5°C）。然而，血管瘤本身的受热更均匀。因此，借助 Simcenter FLOEFD 数值仿真，不仅可以模拟激光对不同类型眼内肿瘤的影响，而且可以正确评估治疗所需的辐射功率增幅。
用 810nm 波长的激光热疗法治疗脉络膜肿瘤的器官保留疗法的数值建模表明，计算数据与治疗的结果和长期经验相吻合。当考虑到肿瘤的各种特征及其在眼内的位置时，数值建模将有助于改进治疗方法。此外，治疗过程的数值建模可以作为眼内肿瘤治疗新方法开发的初步试验场。
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