激光照射下生物組織中溫度分布的計算.pdf

1、激光的出現(xiàn)開辟了研究生命科學(xué)的新途徑，并為臨床診治疾病提供了新手段。激光與生物組織的相互作用成為重要的基礎(chǔ)問題，并促使了新的學(xué)科“組織光學(xué)”的誕生。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究迅速發(fā)展，但是至今基礎(chǔ)研究仍然落后于臨床應(yīng)用，特別是對輻射曝光劑量的選擇，臨床上有很大的盲目性和試探性，這使得激光治療的安全性和有效性很難保證，因此對激光與生物組織相互作用的研究就顯得十分重要。
　　本文采用解析法和數(shù)值法，對激光照射下生物組織內(nèi)部溫度的分布情況進

2、行了研究，并結(jié)合已有的實驗結(jié)果進行對比驗證，為激光應(yīng)用的安全性和有效性提供理論依據(jù)。
　　首先概述了光與生物組織的基本作用機制及組織內(nèi)部的光分布、熱傳輸?shù)幕纠碚?，并總結(jié)了傳熱方程的求解條件：組織的光學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)、血液灌注率以及邊界條件和初始條件。
　　其次通過數(shù)學(xué)物理方法，根據(jù)激光作用在有限生物組織內(nèi)熱傳導(dǎo)的實際情況，在考慮空氣對流邊界條件下對生物傳熱方程進行求解，得出激光作用下生物組織內(nèi)部一維瞬態(tài)溫度時空分布的解析表

3、達式；在不考慮空氣對流熱傳導(dǎo)邊界條件情況下，得到簡化的生物熱傳導(dǎo)方程的解析表達式。
　　再對生物傳熱方程進行數(shù)值求解，采用Matlab軟件實現(xiàn)有限元方法求解二維柱坐標(biāo)下的生物熱傳輸方程，得出組織溫度場的分布。本文采用已有實驗的組織參數(shù)與激光參數(shù)對連續(xù) Nd:YAG激光照射大鼠皮膚組織的模型進行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示：平行光束作用于皮膚，皮膚表層組織吸熱多；在激光照射時間較短的情況下，沿徑向分布規(guī)律為光斑中心附近組織溫升有最大值，沿

4、徑向有波動性溫升，溫升幅度隨徑向距離的增大而逐漸減小，隨照射時間的增加而增加；沿軸向溫度分布規(guī)律為溫度隨照射時間的增加而迅速增加，而光斑中心下深部組織處（z＞0.2cm）溫度場分布與穩(wěn)態(tài)溫度場分布幾乎都相同，不受激光照射的影響；照射時間相同而激光功率不同的情況下，沿徑向皮膚表層溫度隨激光功率的增加而增加。解析解結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)實驗報道結(jié)果基本吻合，從一定程度上說明了理論及數(shù)值模擬的合理性。在此基礎(chǔ)上對連續(xù)Nd:YAG激光照射肝臟