離體生物組織凍結(jié)過程溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬.pdf

1、生物傳熱學(xué)主要是研究生物體內(nèi)傳熱傳質(zhì)的規(guī)律以及生物組織的熱效應(yīng)，是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與傳熱傳質(zhì)學(xué)的交叉。本文以探索低溫外科手術(shù)治療機(jī)理為背景，運(yùn)用跨學(xué)科方法對其進(jìn)行生物傳熱及組織受力變形方面的研究。近年來，低溫外科手術(shù)的進(jìn)展尤為引人矚目，該方法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)逐步被發(fā)掘出來，正拓展應(yīng)用到諸多臨床科目。遺憾的是，受低溫制冷、溫度測量、冰球?qū)崟r(shí)監(jiān)測以及靶向引導(dǎo)等技術(shù)的制約，低溫治療的理論和臨床研究進(jìn)展緩慢。本論文研究的目的是，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，利用有

2、限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同冷凍工況下離體生物組織的瞬態(tài)溫度變化規(guī)律和應(yīng)力場及二維情況下考慮大血管血流在組織低溫凍結(jié)相變問題中的傳熱效應(yīng)后的溫度分布，研究冷刀直徑及血管構(gòu)筑情況對組織溫度場的影響，并通過實(shí)驗(yàn)定性分析了熱應(yīng)力對組織造成的機(jī)械損傷。 本文基于經(jīng)典Pennes生物傳熱模型，選取參考文獻(xiàn)中所提供的組織熱物性參數(shù)，利用ANSYS商業(yè)軟件模擬離體生物組織凍結(jié)過程，得出了不同直徑冷刀作用下組織截面的瞬態(tài)溫度分布

3、規(guī)律及同一冷凍工況下組織不同位置處的溫度變化曲線，對判斷組織凍傷與否及評判冷刀殺傷半徑有重要意義。對組織內(nèi)含有單根或多根大血管的組織溫度場進(jìn)行了分析，探討了血管半徑、血管與病變組織的相對位置及血管數(shù)量對組織溫度分布的影響。首次得到考慮血流灌注在組織凍結(jié)過程中的傳熱效應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，這些工作將為含大血管的腫瘤冷凍治療研究打下基礎(chǔ)。 采用完全彈性介質(zhì)模型，在熱分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件的熱-應(yīng)力耦合功能模擬出組織由于水分凍結(jié)

4、體積膨脹和溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布，分析了同種冷凍工況下組織徑向與軸向典型位置處各向應(yīng)力的變化規(guī)律，討論了冷刀直徑對熱應(yīng)力分布的影響效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)冷刀直徑較大時(shí)，組織內(nèi)的徑向熱應(yīng)力較大。 通過設(shè)計(jì)并搭建液體二氧化碳冷凍刀實(shí)驗(yàn)臺，獲得低溫冷刀內(nèi)液體二氧化碳與被凍組織內(nèi)部的溫度信息，將其與數(shù)值模擬所得的溫度分布結(jié)果進(jìn)行比較，二者吻合較好；通過對豬肺臟及肝臟反復(fù)凍融中出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，清晰認(rèn)識了熱應(yīng)力對組織的機(jī)械損傷作用。